JP5213368B2

JP5213368B2 - レーザ光第２高調波発生装置

Info

Publication number: JP5213368B2
Application number: JP2007177125A
Authority: JP
Inventors: 哲実住吉; 聖鴻黄
Original assignee: サイバーレーザー株式会社
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-07-05
Also published as: KR20090004685A; JP2009015040A; TW200917600A; CN101383477A

Description

本発明は、周期的な分極構造を形成した化学量論的組成を有する波長変換用非線形結晶の周期的分極構造の周期方向にレーザ共振器またはその増幅器から出力したレーザビームを入射させ、伝播方向に基本波と異なる波長のレーザ光を発生させる高効率、高安定な高調波発生装置及び変換装置を提供する。

電子工業においてＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの微細化は年々進展し、それにつれて内部の回路の光集積化が図られている。また、情報記録分野での高密度記録が望まれる。これらの高集積化、高密度化、微細化に対応してレーザ加工、表面検査等レーザ応用装置においては、レーザビームの連続出力、短波長化が望まれ、さらに長時間安定性も必要である。ビームの集光性品質度を表示するＭ^２パラメータは単一横モードの値である１に限りなく近い品質が要求される。短波長レーザの発振には非線形光学結晶を利用し、非線形性の単結晶をレーザ光路に設置し高調波成分を得ること、更に非線形光学結晶に強制的に電界を印加し空間的な周期構造の分極を設けることにより周期的分極非線形結晶を形成し、さらに周期構造の周期方向に光の導波路を形成し、導波路に外部からレーザビームを導入し、導波路を伝播するにつれて入射ビームが高調波に変換される高調波発生装置が報告されている。

これらの装置の波長変換効率はパルスレーザにおいてはピークパワーが高いので非線形現象が現れ易く、高い変換効率が実現されている。しかし、連続発振出力からの波長変換効率は低いままであった。このため、従来は連続レーザ出力光路に共振器を形成し、基本波の入射ビームに共振するように共振器の長さをピエゾ素子などで制御し、共振器内に設置される非線形光学素子で波長を変換する第２高調波発生装置や光パラメトリック発振器が考案されている。しかし、この構成は基本波ビームに共振器内の伝播ビームの位相共鳴状態に制御するための制御系の複雑性が伴い、従って安定性を確保することに難点がある。

米国特許第６，６５４，３９２号明細書米国特許第５，８００，７６７号明細書米国特許第５，８３８，４８６号明細書特開平１１−２１２１２７号公報特開２００４−１９１９６３号公報特開２００３−１５１７６号公報特開２００５−１５０２５２号公報

解決しようとする問題点は、レーザ装置の高調波発生装置または波長変換装置において高変換効率、構造の簡略化、出力の安定化を達成することである。

上記課題を解決するため、本発明は、
レーザ光第２高調波発生装置であって、基本波成分のレーザ光を発生するレーザ光源と、前記基本波成分のレーザ光を第２高調波に変換する非線形光学結晶であって、互いに対向する第１及び第２の端面を有し、該第１及び第２の端面に垂直な軸方向に周期方向を、該軸方向と垂直な方向に分極方向をもつ周期的分極構造を有する非線形光学結晶と、前記基本波成分のレーザ光を集光し、前記非線形光学結晶に入射させる集光光学系と、第２の端面から放射される上記非線形結晶内で発生した第２高調波成分と前記基本波成分の混合したビームを第２の端面を通して前記非線形結晶内に戻すための反射光学系と、前記非線形結晶内の往復光路を通過後に、第１端面から出力する前記第２高調波成分と波長変換されない前記基本波成分から少なくとも前記第２高調波成分のレーザビームを取り出すビーム分割器とを備えたことを特徴とする。
非線形結晶内の往復光路を通過することにより、レーザ光による発熱が均一化され、非線形光学結晶内で温度分布が均一化されるので長さ方向に同一条件で波長変換整合条件が維持される。したがって、高調波への変換効率の高効率化と安定化、装置の小型化が図れるという効果を有する。

また、前記レーザ光源と前記非線形光学結晶との間に光アイソレータを設けたことを特徴とする。光アイソレータを設けたことにより、通過した発振ビームがその後に設置される光学系から反射して戻り光となり、レーザ光源に入って発振ビームに外乱をもたらさないという効果を有する。

また、前記非線形光学結晶の温度安定化のため温度調節手段を設けたことを特徴とする。また、前記非線形光学結晶内の往復光路を同軸としたことを特徴とする。また、前記非線形光学結晶が周期的分極構造を有したＭｇＯまたはＺｎＯをドープした、ＰＰＬＴ（periodically poled LiTaO₃：周期的に分極されたリチウムタンタレート）、ＰＰＳＬＴ（periodically poled stoichiometric LiTaO₃：周期的に分極された化学量論的リチウムタンタレート）、ＰＰＬＮ（periodically poled LiNbO₃：周期的に分極されたリチウムナイオベート）またはＰＰＳＬＮ（periodically poled stoichiometric LiNbO₃：周期的に分極された化学量論的リチウムナイオベート）であることを特徴とする。

また、前記レーザ光源が連続発振光を発生するレーザ光源であることを特徴とする。レーザ光源が連続波であることにより、連続波においても、高効率化及び安定化が図られた第２高調波発生を行うことが可能である。

また、前記レーザ光源が単一波長スペクトルの発振光を出力するファイバレーザ発振器またはファイバ増幅器であることを特徴とする。また、前記連続発振光の波長が７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の単一の波長であることを特徴とする。

また、前記非線形光学結晶が導波路構造を有していることを特徴とする。導波路構造を設けたことにより、導波路内で閉じ込められた基本波ビームが高い強度を維持して非線形光学結晶内を伝搬し相互作用長を長くすることができるので、一層高調波への変換効率の高効率化と安定化が図れる。

一方、本発明は、レーザ光源から発生する基本波成分のレーザ光を第２高調波に変換する装置であって、前記基本波成分のレーザ光を第２高調波に変換する、互いに対向する第１及び第２の端面を有し、該第１及び第２の端面に垂直な軸方向に周期方向を、該軸方向と垂直な方向に分極方向をもつ周期的分極構造を有する非線形光学結晶と、前記基本波成分のレーザ光を集光し、前記非線形光学結晶に入射させる集光光学系と、第２の端面から放射される上記非線形結晶内で発生した第２高調波成分と前記基本波成分の混合したビームを第２の端面を通して前記非線形結晶内に戻すための反射光学系と、前記非線形結晶内の往復光路を通過後に、第１端面から出力する前記第２高調波成分と波長変換されない前記基本波成分から少なくとも前記第２高調波成分のレーザビームを取り出すビーム分割器とを備えたことを特徴とする。非線形結晶内の往復光路を通過することにより、レーザ光による発熱が均一化され、非線形光学結晶内で温度分布が均一化されるので長さ方向に同一条件で波長変換整合条件が維持される。したがって、高調波への変換効率の高効率化と安定化、装置の小型化が図れるという効果を有する。

また、前記非線形光学結晶が周期的分極構造を有したＭｇＯまたはＺｎＯをドープした、ＰＰＬＴ（periodically poled LiTaO₃：周期的に分極されたリチウムタンタレート）、ＰＰＳＬＴ（periodically poled stoichiometric LiTaO₃：周期的に分極された化学量論的リチウムタンタレート）、ＰＰＬＮ（periodically poled LiNbO₃：周期的に分極されたリチウムナイオベート）またはＰＰＳＬＮ（periodically poled stoichiometric LiNbO₃：周期的に分極された化学量論的リチウムナイオベート）であることを特徴とする。

本願発明のレーザ光第２高調波発生装置またはレーザ光波長変換装置では、高調波への変換効率の高効率化と安定化さらに装置の小型化が図れるという効果を有する。

図１にこの発明の実施形態を示す。レーザ光源１は連続発振レーザとすることが好適である。レーザ光源１からは高調波に変換されるための基本波波長を有するレーザ光が出力する。

レーザ光源１を連続発振とする場合、図２の実施例に示すような構成を用いることができる。図２ａでは発振波長を制御した分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ３０からの発振出力を増幅ファイバ３２に入射させる。増幅ファイバ３２には励起用のレーザダイオード３１からの励起パワーが結合されている。この増幅ファイバで増幅された出力パワー３３が波長変換を受ける基本波レーザ光源として用いることができる。

連続発振ファイバレーザの出力を明確な方向に偏光させるには、レーザ出力を発するファイバ自体に偏光出力および偏光保存する機能を持たせることで実現でき、それを用いる構成では図２ｂのような構成を用いることができる。波長選択用の反射素子としてブラッググレーティングを増幅ファイバ３８の両端近傍３５，３６のすくなくとも一方の位置にひとつ以上を形成し、励起用のレーザダイオード３７からの励起パワーが増幅ファイバ３８に結合されている。ブラッググレーティングで決定される発振波長で連続的に出力パワー３９を発振させる。必要に応じて増幅用光ファイバ（図示なし）を別途用いてパワーの増幅を図ることができる。これらのような増幅ファイバ３２及び３８にはＹｂ添加のファイバが好んで用いられる。波長は９７８ｎｍ乃至１１００ｎｍの範囲から選択することが可能である。

基本波ビームの発生には波長可変特性を有するチタンドープサファイア結晶を利得媒質とするレーザ光源およびアンプを使うことが可能である。非線形光学結晶によって高効率波長変換を実現するにはビーム品質が高いことが望ましく、単一周波数スペクトルを有する場合に最大の変換効率が得られることが知られている。発振波長は７００ｎｍ〜１０００ｎｍで可変である。これらの光源をパルスモードで動作させた場合にも周期的分極反転非線形結晶によって高い波長変換効率が得られることは言うまでもない。

レーザ光源１からの出力ビーム９は光アイソレータ２に入射する。光アイソレータ２は無くてもよいが、通過した発振ビームがその後に設置される光学系から反射して戻り光となり、レーザ光源１に入って発振ビームに外乱をもたらさないようにするために設置することが好ましい。光アイソレータ２を通過した発振ビーム１０は２分の１波長板３によって、発振ビーム１０の直線偏光方向を制御し、ビーム１１とする。２分の１波長板３はその後に設置される周期的分極された非線形光学結晶６に形成される往復光路を所定偏光方向に合わせるために設置される。周期的分極された非線形光学結晶６において、紙面に垂直方向に分極方向が形成される場合、最大の効率で非線形光学作用を起こすには、偏光方向は２重円で図示したように紙面に垂直方向に、すなわち偏光方向と分極方向は平行に規定される必要がある。この関係を図示したのが図３である。非線形光学素子６のビームの進行方向５１は分極の周期方向５２と平行であり、偏光方向６１は分極方向６２と平行にされる。基本波ビームは光路に対して４５度に傾けられたビーム分割器４を通過して、さらに微細な集光スポットを形成するため集光レンズ５で集光される。

非線形光学結晶６内に導波路が形成されている場合は集光スポットが非線形光学結晶６のほぼ第１の端面６−１上に形成され、導波路内で閉じ込められた基本波ビームが高い強度を維持して非線形光学結晶６内を伝搬する。この導波路を基本波ビームが伝播する間に基本波成分の一部が第２高調波に変換されながら非線形光学結晶６の第２の端面６−２に向かう。第２の端面６−２からは発散性ビームとして基本波成分と第２高調波成分が空間に放出される。発散性ビームを、凹面反射鏡などの反射光学系８で反射させ、非線形光学結晶６の第２の端面６−２に戻す。反射光学系８の反射特性は基本波と第２高調波の２波長に対して高い反射特性を有するものとする。導波路が形成されている場合で反射光学系８に凹面反射鏡を用いた場合は、その曲率半径を非線形光学結晶６の第２の端面６−２における発散性ビームの放出点と該凹面反射鏡の反射面との距離とするように選択し、効率的に非線形光学結晶６内の導波路に戻るような反射を行う。導波路の無い非線形光学結晶を使用する場合には、基本波が結晶の中央近傍で集光点を有するように集光レンズ５及び反射光学系８を配置する。

前記非線形光学結晶は周期的分極構造を有したＭｇＯまたはＺｎＯをドープした、ＰＰＬＴ（periodically poled LiTaO₃：周期的に分極されたリチウムタンタレート）、ＰＰＳＬＴ（periodically poled stoichiometric LiTaO₃：周期的に分極された化学量論的リチウムタンタレート）、ＰＰＬＮ（periodically poled LiNbO₃：周期的に分極されたリチウムナイオベート）またはＰＰＳＬＮ（periodically poled stoichiometric LiNbO₃：周期的に分極された化学量論的リチウムナイオベート）であることが好適である。

非線形光学結晶がＭｇＯ：ＰＰＳＬＴやＭｇＯ：ＰＰＳＬＮである場合は、その多くが、第２高調波の波長が５３２ｎｍ（グリーン光）などより短波長の場合、その光を媒介にして基本波のパワーを吸収する作用を示す。そのため、従来技術のように単一パスで光学的配置を構成する場合に非線形結晶の入射端面側と出射端面側のビーム内吸収パワーが異なり結晶の光軸方向に温度分布が生じる。このことが温度位相整合条件から外れる原因となって波長変換効率が低くなる。非線形結晶内の温度は周知の技術である電子冷却（ＥＴＣ）技術やヒーターを使用して温度範囲を±０．１度程度に制御することができる。

往復光路を経て第１の端面出力端面６−１から出てくる、第２高調波成分と波長変換されない基本波成分とを含むビーム１６は再び集光レンズ５を通過し平行ビーム１７にされて、少なくとも第２高調波成分を高い反射率で反射するビーム分割器４により選択的に基本波成分から分離反射して、高調波ビーム１８として外部に取り出し、これを目的用途に供する。基本波成分はビーム分割器４を通過し、アイソレータ２を設けた場合は、アイソレータ２によりレーザ光源１には戻らないように内部で偏光方向の異なる成分として排除される。

ここでこの改善された往復ビーム通過方法では非線形光学結晶６の各長さ方向に沿った場所毎の光吸収に伴う発熱量は往復路のため平均化されるので均一な温度分布が形成される。即ち、第１端面６−１の近傍では入射の基本波ビームが強く、変換ビームが弱いが、戻りビームでは基本波ビームが弱く、変換ビームが強くなる一方、第２端面６−２の近傍における発熱量は入射方向では第２高調波成分の増加に伴い基本波成分は減少し、戻り光でも同様である。場所による各波長成分によって生じる吸収による発熱は導波路全域で均等化される。従って、周期的分極された非線形光学結晶内の温度分布が均一化されるので長さ方向に同一条件で波長変換整合条件が維持されるから、周期的分極された非線形光学結晶の全長に亘り、高効率な波長変換が可能になる。このことは従来の一方向だけ通過させる方法に比べて温度分布の均一化が遥かに安定に、しかも容易に実現できることは明らかであり、高変換効率化、出力安定化、装置構成の容易さから得られるコスト面の経済的効果など従来の単一パスで構成する構造に比較して多大な効果を示す。往復パスを同軸位置とすることで温度分布も同心円状の分布となりビームの安定化に効果を示す。

なお、図１の例では、反射光学系８に凹面鏡を用いて非線形光学素子６の第２端面６−２に反射して戻る構成を採用したが、この代わりに、凸レンズと平面鏡で構成することも可能である。この場合、ビームを平行にするための凸レンズをその焦点位置を（導波路）第２の端面６−２と一致させるように配置し、さらに凸レンズで平行にされたビームを反射するための平面鏡を設置する。また、レーザ光源１を連続発振レーザでなくパルスレーザ、波長可変レーザに適用しても効果が得られる。

非線形光学結晶にＭｇＯ：ＰＰＳＬＴを採用し、結晶の長さ（第１端面−第２端面間の長さ）を４０ｍｍとした。単一モードのファイバレーザとそのアンプの構成による出力パワー９．４Ｗ、基本波の波長を１０６４ｎｍの単一周波数とするレーザ光源からのレーザ光を往復光路に入射させる本発明による第２高調波発生装置の構成を用いて、単一周波数、単一モード、波長５３２ｎｍのレーザ出力として３．７Ｗを得た。第２高調波への変換効率は光パワー変換効率で３９％であった。したがって、連続発振出力の波長変換効率では高い値が得られた。

上記構成での第２高調波のビーム品質を実際にＭ^２メータを用いてＭ^２値で測定すると、ｘ方向のM^２＝１．１２、ｙ方向のＭ^２=１．１３が得られた。１光路だけ通過した場合の変換パワーの低い条件ではｘ方向のＭ^２＝１．２３、ｙ方向のＭ^２＝１．１９の値であった。したがって、ｘ、ｙ方向のＭ^２は、いずれも往復光路を用いる本発明の方が高品質の第２高調波が得られ、しかも高い変換効率が実現される。

本発明によれば、光ファイバレーザから放出されたレーザビームを、ＭｇＯまたはＺｎＯをドープしたＰＰＬＴ、ＰＰＳＬＴ、ＰＰＬＮまたはＰＰＳＬＮなどの周期的分極された非線形光学結晶に往復光路を形成して、入射端面から基本波レーザビームを導入し、波長変換された高調波を同じ端面を出力端面とする構成をもちいることで、レーザビームの変換効率の高効率化と安定化、装置の小型化を図り、実用的な高調波の連続発振ビームを得るレーザ波長変換装置を提供する。

本発明の波長変換装置において、周期的分極された非線形光学結晶の導波路に往復光路を形成して連続発振のレーザビームを高効率で波長変換連続発振出力を得ることができる。従来は短波長連続レーザを得るためにはクリプトンやアルゴンのイオンガスレーザを用いる大電力駆動が必要であった短波長レーザ発振器に比較して、大幅に電力効率が向上できる、さらに装置の小型化が図れ、短波長の連続発振出力を用いたレーザ微細加工、微細パターン露光、高精度微細検査、高密度情報記録などのレーザ応用に広く用いることが可能になる。

以上本発明の実施例をいくつか説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。

本発明の活用例として、連続発振の基本波出力を第２高調波の短波長で、しかも高効率で得られるので、レーザ微細加工装置、半導体メモリのシリコンウエファ冗長性回路の導電性リンクの回路素子の切断、その他、多層構造電子素子の層内部における除去切断、液晶表示パネルやプラズマ表示装置の欠陥修正、基板表面に形成されたコンデンサ、抵抗、インダクタンスなどのトリミング、回路基板の機能トリミングその他半導体基板のレーザ精密加工、ＤＶＤマスタリング、シリコンウエファの欠陥検査、リソグラフィ用のレチクル欠陥検査などに適用できる。これは、連続発振で高効率波長変換が実現でき、従来パルスの出力で行っていた作用が連続出力で実施できるため作業能率向上、微小の欠陥検出が簡単に行えるなどの利点が生かされるために実現可能になったための従来からの改善点の寄与が大きい。

本発明による高調波発生装置の説明図である。本発明においてレーザ光源として使われる高品質ビームを発生するファイバレーザおよびファイバアンプ装置の例を示す図である。周期的な分極を有する非線形光学結晶における、周期方向、分極方向、偏光方向、ビーム進行方向の関係を表す図である。

符号の説明

１：レーザ光源
２：光アイソレータ
３：２分の１波長板
４：ビーム分割器
５：集光レンズ
６：周期的な分極を有する非線型光学結晶
６−１：（非線型光学結晶の）第１の端面
６−２：第２の端面
８：反射光学系
９：出力ビーム
１０：発振ビーム
１１：ビーム
１６：第２高調波成分と波長変換されない基本波成分とを含むビーム
１７：平行ビーム
１８：高調波ビーム
３０：ＤＦＢレーザ
３１、３７：励起用レーザダイオード
３２、３８：増幅ファイバ
３３、３９：出力パワー
３５、３６：ブラッググレーティング
５１：ビームの進行方向
５２：（分極の）周期方向
６１：偏光方向
６２：分極方向

Claims

基本波成分のレーザ光を発生するレーザ光源と、
前記基本波成分のレーザ光を第２高調波に変換する非線形光学結晶であって、互いに対向する第１及び第２の端面を有し、該第１及び第２の端面に垂直な軸方向に周期方向を、該軸方向と垂直な方向に分極方向をもつ周期的分極構造を有する非線形光学結晶と、
前記基本波成分のレーザ光を集光し、前記非線形光学結晶に入射させる集光光学系と、
第２の端面から放射される上記非線形結晶内で発生した第２高調波成分と前記基本波成分の混合したビームを第２の端面を通して前記非線形結晶内に戻すための反射光学系と、
前記非線形結晶内の往復光路を通過後に、第１端面から出力する前記第２高調波成分と波長変換されない前記基本波成分から少なくとも前記第２高調波成分のレーザビームを取り出すビーム分割器とを備えた、レーザ光第２高調波発生装置において、
前記非線形光学結晶内の往復光路を同軸とし、
前記非線形光学結晶が周期的分極構造を有したＭｇＯまたはＺｎＯをドープした、ＰＰＬＴ（periodically poled LiTaO ₃ ：周期的に分極されたリチウムタンタレート）、ＰＰＳＬＴ（periodically poled stoichiometric LiTaO ₃ ：周期的に分極された化学量論的リチウムタンタレート）、ＰＰＬＮ（periodically poled LiNbO ₃ ：周期的に分極されたリチウムナイオベート）またはＰＰＳＬＮ（periodically poled stoichiometric LiNbO ₃ ：周期的に分極された化学量論的リチウムナイオベート）であるレーザ光第２高調波発生装置。
前記レーザ光源と前記非線形光学結晶との間に光アイソレータを設けた請求項１記載のレーザ光第２高調波発生装置。
前記非線形光学結晶の温度安定化のため温度調節手段を設けた請求項１または２に記載のレーザ光第２高調波発生装置。
前記レーザ光源が連続発振光を発生するレーザ光源である請求項１ないし３に記載のレーザ光第２高調波発生装置。
前記レーザ光源が単一波長スペクトルの発振光を出力するファイバレーザ発振器またはファイバ増幅器である請求項４記載のレーザ光第２高調波発生装置。
前記連続発振光の波長が７００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の単一の波長である請求項４または５に記載のレーザ光第２高調波発生装置。
前記非線形光学結晶が導波路構造を有している請求項１ないし６記載のレーザ光第２高調波発生装置。
レーザ光源から発生する基本波成分のレーザ光を第２高調波に変換する装置であって、
前記基本波成分のレーザ光を第２高調波に変換する、互いに対向する第１及び第２の端面を有し、該第１及び第２の端面に垂直な軸方向に周期方向を、該軸方向と垂直な方向に分極方向をもつ周期的分極構造を有する非線形光学結晶と、
前記基本波成分のレーザ光を集光し、前記非線形光学結晶に入射させる集光光学系と、
第２の端面から放射される上記非線形結晶内で発生した第２高調波成分と前記基本波成分の混合したビームを第２の端面を通して前記非線形結晶内に戻すための反射光学系と、
前記非線形結晶内の往復光路を通過後に、第１端面から出力する前記第２高調波成分と波長変換されない前記基本波成分から少なくとも前記第２高調波成分のレーザビームを取り出すビーム分割器とを備えた、レーザ光波長変換装置において、
前記非線形光学結晶内の往復光路を同軸とし、
前記非線形光学結晶が周期的分極構造を有したＭｇＯまたはＺｎＯをドープした、ＰＰＬＴ（periodically poled LiTaO ₃ ：周期的に分極されたリチウムタンタレート）、ＰＰＳＬＴ（periodically poled stoichiometric LiTaO ₃ ：周期的に分極された化学量論的リチウムタンタレート）、ＰＰＬＮ（periodically poled LiNbO ₃ ：周期的に分極されたリチウムナイオベート）またはＰＰＳＬＮ（periodically poled stoichiometric LiNbO ₃ ：周期的に分極された化学量論的リチウムナイオベート）であるレーザ光波長変換装置。