• 国/地域をご選択ください。
  • こんにちは、 マイアカウント
  •   
 
レーザーオプティクスに対する測量

レーザーオプティクスに対する測量

本ページはレーザーオプティクスリソースガイドセクション7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.57.6です

測量は、光学部品が要求される仕様に一貫して適合し、安全に機能することを確実にするうえで極めて重要になります。この信頼性は、ハイパワーレーザーを利用するシステム、もしくはスループットの変化がシステム性能に支障をもたらす場合にとりわけ重要です。レーザーオプティクスの測定には、キャビティリングダウン分光法、原子間力顕微鏡法、微分干渉コントラスト顕微鏡法、光学干渉法、シャックハルトマン波面センサー、分光光度計を始め、広範な測量法が用いられます。

キャビティリングダウン分光法

キャビティリングダウン分光法 (Cavity Ring Down Spectroscopy; CRDS) は、気体サンプルの組成を判断するために用いられる測量法ですが、レーザーオプティクスでは光学用コーティングによる損失を高感度に測定するのに用いられます。CRDSシステムでは、2枚の高反射ミラーで構成された共振器キャビティ内にレー ザーパルスが送られます。反射する度にごく少量の光が吸収・散乱・透過によって損失し、反射した光は共振器内を往復します。2番目のミラーの背後にある検出器が反射光の強度の減少 (リングダウン) を計測し、この測定値がミラーの損失を計算するのに用いられます (Figure 1)。レーザーミラーの損失の特性化は、レーザーシステムが所望するスループットを実現するかを確実にするためにも欠かせません。

Figure 1: キャビティリングダウン分光計は、共振器キャビティ内の強度減衰率を測定することで、絶対強度値を直接測定する測量法より高精度な測定を可能にする
Figure 1: キャビティリングダウン分光計は、共振器キャビティ内の強度減衰率を測定することで、絶対強度値を直接測定する測量法より高精度な測定を可能にする

キャビティ内部のレーザーパルスの強度 (I) は次式で与えられます:

(1)$$ I = I_{0} e^{ \frac{-T \, t \, c}{2L} } $$

I0はレーザーパルスの初期強度、τは透過・吸収・散乱によるキャビティミ ラー損失の合計、tは時間、cは光速、そしてLはキャビティの長さです。

CRDSで得られた値は、キャビティ全体の損失です。したがって、1枚だけのミラーの損失を決定するには、テストを複数回行う必要があります。2枚の参照ミラーが最初の測定を行うのに用いられ (A)、次に2回の更なる測定が行われます: 1回目は最初の参照ミラーを被験ミラーに置き換えた場合 (B)、2回目は他方の参照ミラーを被験ミラーに置き換えた場合 (C) です。この3回の測定が被験ミラーの損失を決定づけるのに行われます。

(2)$$ A = M_1 + M_2 $$
(3)$$ B = M_3 + M_2 $$
(4)$$ C = M_1 + M_3 $$
(5)$$ C + B - A = M_1 + M_3 + M_3 + M_2 - M_1 = 2 M_3 $$
(6)$$ M_3 = \frac{C + B - A}{2} $$

M1とM2は、2枚の参照ミラー各々の損失、M3は被検ミラーの損失です。ここでは、キャビティ内の空気中の損失は無視できると仮定します。CRDSは、小さな損失の量を正確に計測する方のが大きな反射率を同様に計測するよりも遥かに容易であることから、反射型レーザーオプティクスの性能の特性化に最適な方法となります (Table 1)。反射防止コーティングが施された透過型部品も、共振器キャビティ内に挿入して、それによる損失の増加量を計測することで試験できます。CRDSでは、ミラー上やキャビティ内部のいかなるコンタミも損失の測定に影響を及ぼすため、クリーンな環境で細心の注意を払って実施されなければなりません。

Table 1: ±0.1%の不確実性でミラーの反射率を直接測定する時の感度の方が、±10%の不確実性でミラーの損失を測定するよりも2桁感度が上がってしまう。これは、高反射率ミラーには、損失測定の方が反射率測定よりも遥かに正確であることを表している
Table 1: ±0.1%の不確実性でミラーの反射率を直接測定する時の感度の方が、±10%の不確実性でミラーの損失を測定するよりも2桁感度が上がってしまう。これは、高反射率ミラーには、損失測定の方が反射率測定よりも遥かに正確であることを表している

CRDSと高反射率レーザーミラー計測に関するそのメリットを理解するため、以下のウェビナーをご鑑賞ください。

原子間力顕微鏡法

原子間力顕微鏡法 (Atomic Force Microscopy; AFM) は、表面トポグラフィーを原子分解能で行う測量法です (Figure 2)。極めて小さく先の尖った探針 (チップ) でサンプル面全体をなぞり、面の3D構造を再現します。触針は、顕微鏡ヘッドの他の部分に繋がった矩形または三角形状のカンチレバーに装着されます。カンチレバーの動きは圧電性セラミックによって制御され、これにより、カンチレバーの3Dポジションをナノメートル以下の分解能で確実に行います1

レーザーオプティクスでは、AFMは光学部品の表面粗さを計算するのに主として用いられます。表面粗さは、レーザー光学系の性能に大きな影響を及ぼすことがあります。なぜなら、それが散乱の主要な要因になることがよくあるからです。AFMは、面の3Dマップを数オングストロームの精度で作り出します2

Figure 2: 原子間力顕微鏡を用いて取得した回折格子のトポグラフィーマップ
Figure 2: 原子間力顕微鏡を用いて取得した回折格子のトポグラフィーマップ

触針は、試料に常時接触しながらその面をスキャンするコンタクトモードか、面と断続的に接触しながらスキャンしていくタッピングモードのどちらかになります。タッピングモードでは、カンチレバーはその共振周波数で振動し、その振動サイクル中の短い時間だけ触針が表面に接触します。コンタクトモードは、タッピングモードほど複雑ではなく、表面をより正確に再現します。しかしながら、スキャンニング中に表面を損傷させる可能性が高くなり、触針がより早く摩耗することから、触針の寿命はより短くなります。両方のモードとも、カンチレバー頭部で反射したレーザーがディテクター上に向かいます。試料面の高さの変化でカンチレバーが動き、それによって検出器上のレーザーの位置が変化することで、試料面の正確な高さマップが生成されます (Figure 3)。

Figure 3: タッピングモード動作時の原子間力顕微鏡の概念図
Figure 3: タッピングモード動作時の原子間力顕微鏡の概念図

触針の形状と組成は、AFMの空間分解能に重要な役割を担うため、スキャンを要する試料に応じて選択されなければなりません。触針が小さくて尖っているほど、横方向の分解能はより高くなります。しかしながら、触針が小さければスキャンに要する時間が長くなり、大きなものよりも費用がかかります。

触針と試料面間の距離を制御することで、AFMシステムの垂直分解能が決まります。機械的及び電気的なノイズが垂直分解能を制限し、そのノイズレベルよりも小さな試料面の構造は解像することができません3。触針と試料間の相対的な位置も、温度変化に起因するAFM構成部品の膨張や収縮に敏感になります。

AFMは時間のかかる測量法であり、試料面の100µm x 100µm程度の小さな部分の測定が統計学的に製造工程全体を十分に再現できる場合の工程検証やモニタリングに主として用いられます。

微分干渉コントラスト顕微鏡法

微分干渉コントラスト (Differential Interference Contrast; DIC) 顕微鏡法は、透過材料内の欠陥を高感度に検出し、特に光学用コーティングや光学面のレーザー損傷を特定するのに用いられます (Figure 4)。こうした欠陥を従来の明視野顕微鏡法を用いて観察することは、試料が透光性のため困難です。しかしながら、DIC顕微鏡法では、屈折率や表面勾配、或いは厚さの変化に起因する光路長の勾配を強度の違いに変換して像を結ぶことで、コントラストを改善します。表面勾配やくぼみ、そして面の不連続性のコントラストを強調する画像となり、面のプロファイルを明らかにします。DICの画像は、試料の光路長の変動に対応した3D画像になりますが、この3D画像は、試料の実際の3Dトポグラフィを表しているわけではありません。

Figure 4: DIC顕微鏡を使い測定したレーザー誘起損傷の画像
Figure 4: DIC顕微鏡を使い測定したレーザー誘起損傷の画像

DIC顕微鏡法は、光源を振動方向が互いに直交する2つの偏光成分に分離するため、偏光板と複屈折性のウォラストンあるいはノマルスキープリズムを使用します (Figure 5)。2つの振動成分は、顕微鏡の解像限界に等しい距離だけ離れた状態で対物レンズによって試料面上に集光されます。コンデンサーレンズによってコリメートされた後、2つの成分は別のウォラストンプリズムによって再合成されます。再合成した光は、次に2番目の偏光板、即ち検光子を通過します。検光子の偏光軸は、1番目の偏光板のそれに対して直交するように配置されます。2つの成分の光路長の違いから生じる干渉が、明るさの違いとなって見えるようになります。


Figure 5: ウォラストンプリズムを用いて入力ビームを2つの偏光成分に分離するDIC顕微鏡法の典型的構成

DIC顕微鏡法の問題の一つに、他の顕微鏡法に比べて高価な点があります。異なる偏光成分の分離や再合成に用いられるウォラストンプリズムは、位相差顕微鏡やホフマン変調コントラスト顕微鏡などの顕微鏡法に必要な部品よりも遥かに高価です4

光学干渉法

光学干渉法は、干渉を利用して小さな変位や面の不規則性、及び屈折率変化を測定します。<λ/20の面イレギュラリティを測定することができ、平面や球面レンズ、非球面レンズ、及びその他光学部品を定量化するのに用いられます。

干渉は、光の複数の波が重なり合い、新たなパターンが形成された時に起こります。干渉が起こるためには、複数の光の波の位相が揃い、かつ偏光状態が互いに直交していない状態になければなりません5。波の山同士、または谷同士が揃っている場合、増加的干渉を引き起こして振幅が増える方向になります。これに対して、ある波の山と他の波の谷が揃っている場合は、減殺的干渉を引き起こして互いに打ち消しあう方向になります (Figure 6)。

Figure 6: 面の形状を決定するのに光学干渉法を利用する増加的干渉 (左) と減殺的干渉 (右)の図解
Figure 6: 面の形状を決定するのに光学干渉法を利用する増加的干渉 (左) と減殺的干渉 (右)の図解

光学干渉計は、光源からの光をテストビームと参照ビームの2つのビームに分離するのにビームスプリッターを使用します。2つのビームは、光検出器に到達する前に再合成されますが、この時2つの光路間の光路長差が干渉を引き起こします。これにより、テストビームの光路中にある光学部品と参照ビームの光路中にある参照板を比較できるようになります (Figure 7)。2つの光路間の増加的干渉と減殺的干渉が、干渉縞のパターンとなって現れます。反射型と透過型の光学部品とも、参照板への透過波面または反射波面と比較することで測定が行えます。

Figure 7: テストビームと参照ビームによって増加的干渉を引き起こす明るいエリアと減殺的干渉を起こす暗いリングを映し出す干渉計のサンプル画像 (左) と、その結果得られた被検オプティクスの3D再構築画像 (右)
Figure 7: テストビームと参照ビームによって増加的干渉を引き起こす明るいエリアと減殺的干渉を起こす暗いリングを映し出す干渉計のサンプル画像 (左) と、その結果得られた被検オプティクスの3D再構築画像 (右)

光学干渉計には複数の共通する構成があります (Figure 8)。マッハ・ツェンダー干渉計は、1つのビームスプリッターを利用して入射ビームを2つの別々の光路に分離します。2番目のビームスプリッターで2つの光路を2つの出力に再合成して光検出器に送ります。マイケルソン干渉計は、ビームの分割と再合成に1枚のビームスプリッターを使用します。マイケルソン干渉計の派生とも言えるトワイマン・グリーン干渉計は、単色点光源を光源に用いて光学部品を測定します。ファブリ・ペロー干渉計は、2枚の平行な部分透過ミラーを用い、2つの別々のビーム光路ではない複数の光路を作り出します。

Figure 8: 代表的な干渉計の構成
Figure 8: 代表的な干渉計の構成

干渉計を構成する光学部品上の塵粒子や欠陥は、検査対象の光学部品とは関係なしに光路長差を作り出し、光学部品上の表面欠陥として捉えてしまう可能性があります。光学干渉計は、ビーム光路の正確な制御を必要とし、測定時にレーザー雑音や量子雑音の影響を受けることもあります。

シャックハルトマン波面センサー

シャックハルトマン波面センサー (Shack-Hartmann WaveFront Sensor; SHWFS) は、光学部品や光学系の透過波面や反射波面誤差を高いダイナミックレンジと精度で測定します。SHWFSは、その使いやすさや応答性の速さ、相対的に安価、またインコヒーレントな光源を使える点から、広く使われるようになりました。

光の波面は、一定の位相をもつ波の面です。波面は伝搬方向に対して垂直をなす面内にあり、平行な光は平面波であり、収束や発散する光は曲面波を有します (Figure 9)。光学部品に収差があると波面誤差につながり、透過または反射波面に歪みが生じます。透過波面誤差や反射波面誤差を分析することで、光学部品の収差や性能を決定することができます。

Figure 9: 完全にコリメートされた光は平面波となり、収差の全くない完全なレンズを通過して発散或いは集束する光の波面は球面波になる
Figure 9: 完全にコリメートされた光は平面波となり、収差の全くない完全なレンズを通過して発散或いは集束する光の波面は球面波になる

SHWFSは、同じ焦点距離をもつマイクロレンズまたは小型レンズのアレイ状素子を利用して入射光の各部分をディテクター上に集光します。ディテクターは小さなセクター毎に分割され、各セクターが各マイクロレンズに対応しています。入射波面が完璧な平面波であると、マイクロレンズアレイの中心点基準間隔と同じ間隔をもつ焦点スポットのグリッドが形成されます。もしいくらかの量の波面誤差をもつ変形波面がSHWFSに入射すると、ディテクター上でのスポットの位置が変化します(Figure 10)。焦点スポットのずれや変形、或いは強度の損失は、各マイクロレンズでの波面の局所的な傾きで決定されます。個々の傾きを用いることで、全体波面を再構築することができます。

Figure 10: SHWFSに入射する光に波面誤差があると、検出器アレイ上での各焦光スポットのポジションが変位する
Figure 10: SHWFSに入射する光に波面誤差があると、検出器アレイ上での各焦光スポットのポジションが変位する

光学干渉法と比べた場合のSHWFSの利点の一つに、ダイナミックレンジが実質的に波長と無関係で、より高い柔軟性を持つ点があげられます。とはいえ、SHWFSのダイナミックレンジは、各マイクロレンズに割り当てられたディ テクターセクターによって制限されます。波面の正確な再構築を実現するため、各マイクロレンズの焦点スポットは、該当するセクター上で最低10ピクセル分をカバーしなければなりません。焦点スポットによりカバーされる ディテクターの面積が大きいと、SHWFSの感度はより高くなる反面、ダイナミックレンジは狭くなってしまうというトレードオフがあります。一般的に、マイクロレンズの焦点スポットは、ディテクターの該当するセクターの半分以上をカバーすべきではなく、これを行うことによって感度とダイナミックレンジ間の合理的な落としどころを保証します6

アレイ内のマイクロレンズの数が増えると、空間分解能が向上し、マイクロレンズの開口に対する波面スロープの平均化を少なくできますが、各マイクロレンズに割り当てられるピクセル数が少なくなります。マイクロレンズが大きくなると、感度がより高くなり、ゆっくりと変化する波面に対してより正確な測定が行えますが、複雑な波面をサンプリングするのに十分とは言えず、再構築された波面が人工的にスムージングされた結果になります7

分光光度計

分光光度計は、光学部品の透過率と反射率を測定するもので、光学用コー ティングの性能を特性化するのに必須なものです (Figure 11)。典型的な分光光度計は、広帯域光源、分光器、ディテクターで構成されます (Figure 12)。光源からの光は、分光器の入射側スリット内に送られ、分光器内の回折格子やプリズムといった分散素子が入射光を構成波長成分に分解します。分光器の出射側スリットは、スリットを通り抜ける狭い帯域以外の波長全てを遮断し、通過したその狭い波長帯の光だけが被検対象のオプティクスに照射されます。回折格子またはプリズムの角度を変えると出射側スリットを通り抜ける波長が変化するので、試験する波長帯を細かく調整することができます。被検対象のオプティクスで反射、或いは透過した光はディテクター上に向かい、オプティクスの所定の波長における反射率や透過率が決定されます。

Figure 11: 分光光度計を用いて取得したTECHSPEC® エキシマーレーザーミラーの分光反射率特性
Figure 11: 分光光度計を用いて取得したTECHSPEC® エキシマーレーザーミラーの分光反射率特性
Figure 12: 分光光度計の試験波長は、分光器内の回折格子もしくはプリズムの角度を調整することで細かくチューニングすることができる
Figure 12: 分光光度計の試験波長は、分光器内の回折格子もしくはプリズムの角度を調整することで細かくチューニングすることができる

光源は、誤った読み取りを防止するために極めて安定し、広い範囲の波長に対して十分な強度を持っていなければなりません。タングステンハロゲンランプは、その長い寿命と一定の輝度を維持する能力から、分光光度計用に最も一般的に用いられる光源の一つです8

分光器のスリットの幅が狭くなるほど、分光光度計のスペクトル分解能が高くなります。しかしながら、スリットの幅を狭くすると通過するパワーも減ることになり、データ取得にかかる時間やノイズの量が増えるかもしれません5

分光光度計に用いられる光ディテクターは、対応する波長範囲に応じて様々なものがあります。光電子増倍管 (PMT) や半導体フォトダイオードは、紫外、可視および赤外検出用に一般的に用いられる光ディテクターです8。PMTは、光電面を利用して他のディテクタータイプでは決して得ることができない感度を実現します。光が光電面上に入射すると光電子を放出し、更に他の二次電子を放出し続けるため、高ゲインになります。PMTの高感度性は、低照度光源や高いレベルの正確性が要求される場合に有益になります。アバランシェフォトダイオードのような半導体フォトダイオードはPMTの廉価版と言えますが、PMTよりも雑音が多く、低感度になります。 

大抵の分光光度計は、紫外、可視あるいは赤外スペクトルでの使用向けにデザインされていますが、なかには10-100nmの波長をもつ極端紫外 (EUV) など、要求の更に厳しいスペクトル領域で動作する分光光度計があります。EUV分光光度計は、入射EUV放射を効率的に分散させるために、極めて狭い格子間隔の回折格子を一般に使用しています。

参考文献

  1. Hinterdorfer, Peter, and Yves F Dufrêne. “Detection and Localization of Single Molecular Recognition Events Using Atomic Force Microscopy.” Nature Methods, vol. 3, no. 5, 2006, pp. 347–355., doi:10.1038/nmeth871.
  2. Binnig, G., et al. “Atomic Resolution with Atomic Force Microscope.” Surface Science, vol. 189-190, 1987, pp. 1–6., doi:10.1016/s0039-6028(87)80407-7.
  3. Dr. Johannes H. Kindt. “AFM enhancing traditional Electron Microscopy Applications.” Atomic Force Microscopy Webinars, Bruker, Feb. 2013, www.bruker.com/service/education-training/webinars/afm.html.
  4. Murphey, Douglas B, et al. “DIC Microscope Configuration and Alignment.” Olympus, www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/techniques/dic/dicconfiguration/
  5. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
  6. Forest, Craig R., Claude R. Canizares, Daniel R. Neal, Michael McGuirk, and Mark Lee Schattenburg. "Metrology of thin transparent optics using Shack-Hartmann wavefront sensing." Optical engineering 43, no. 3 (2004): 742-754.
  7. John E. Greivenkamp, Daniel G. Smith, Robert O. Gappinger, Gregory A. Williby, "Optical testing using Shack-Hartmann wavefront sensors," Proc. SPIE 4416, Optical Engineering for Sensing and Nanotechnology (ICOSN 2001), (8 May 2001); doi: 10.1117/12.427063
  8. Wassmer, William. “An Introduction to Optical Spectrometry (Spectrophotometry).” Azooptics.com, https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=753.
このコンテンツはお役に立ちましたか?

お見積りは必要ですか? 商品コードをご入力ください。2段階の見積りプロセスを開始します。

Edmund Optics Facebook Edmund Optics Twitter Edmund Optics YouTube Edmund Optics LinkedIn Edmund Optics Instagram

×