JP6311720B2 - レーザ装置、該レーザ装置を備えた露光装置及び検査装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パルス波形のレーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光源から出力されたレーザ光を切り出して出射する強度変調器と、強度変調器から出射されたレーザ光を増幅する増幅器と、増幅器により増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換光学素子とを備えたレーザ装置に関する。また、このようなレーザ装置を備えた露光装置及び検査装置等のレーザシステムに関する。
上記のようなレーザ装置は、例えば顕微鏡や形状測定装置、露光装置、検査装置などのレーザシステムの光源として用いられている。レーザ装置の出力波長は、組み込まれるシステムの用途及び機能に応じて設定され、例えば、波長が１９３ｎｍのパルス光を出力するレーザ装置や、波長が３５５ｎｍのパルス光を出力するレーザ装置などが知られている。レーザ光源で発生するレーザ光の波長や、増幅器の列数及び段数、波長変換部に設ける波長変換光学素子の種別及び組み合わせは、レーザシステムの用途や機能等に応じて設定される（例えば、特許文献１を参照）。
このようなレーザ装置において、レーザ装置からの出力光（紫外光）をオン／オフする手段として、増幅器に入射するレーザ光のパルス波形を変化させ、波長変換光学素子における波長変換効率の高低を利用して、出力光をオン／オフするように構成したものがある。例えば、図１３に示すように、出力光をオンしたいときには、レーザ光源９１０から、パルス幅が短くピークパワーが高い第１パルス波形のレーザ光（第１パルス光という）Ｌs1を所定周期で出力し、紫外光をオフしたいときには、パルス幅が長くピークパワーが低い第２パルス波形のレーザ光（第２パルス光という）Ｌs2を同一周期で出力する。
第１パルス光Ｌs1と第２パルス光Ｌs2は、上記のようにパルス幅およびピークパワーは異なるが、光パルスのエネルギー（単位時間当たりの平均パワー）はほぼ同一になっている。ここで、出力光をオフしたいときにも第２パルス光Ｌs2を所定周期で出力するのは、増幅器の反転分布状態を一定に保つためである。上記のようにレーザ光源９１０の発光状態を直接変調する構成の他、レーザ光源と増幅器との間に強度変調器を設け、レーザ光源から出力されたレーザ光の一部を強度変調器により切り出して、第１パルス光Ｌs1と第２パルス光Ｌs2とを出力するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
日本国特開２００４−８６１９３号公報 日本国特許第４５１７２７１号公報
第１パルス光Ｌs1と第２パルス光Ｌs2とが組み合わされたレーザ光を出力する他の手段として、図１４に示す第１の技術が考案される。このレーザ光源９２０は、第１パルス光発生用の第１レーザ光源９２１と、第２パルス光発生用の第２レーザ光源９２２とからなり、これらの光源から出力されたレーザ光がカプラ等により一体に合波されて増幅器に出力される。そして、出力光のオン／オフのパターンに合わせて、第１レーザ光源９２１および第２レーザ光源９２２から第１パルス光Ｌs1および第２パルス光Ｌs2を出力させる。すなわち、出力光がオンの時間領域では、第１レーザ光源９２１から所定周期で第１パルス光Ｌs1を出力させ、出力光がオフの時間領域では、第２レーザ光源９２２から同一周期で第２パルス光Ｌs2を出力させる。これにより、レーザ光源から増幅器に出力されるレーザ光は、図１３と同様に、第１パルス光Ｌs1と第２パルス光Ｌs2とが組み合わされたレーザ光となる。
さらに他の手段として、図１５に示す第２の技術が考案される。このレーザ光源９３０は、第１パルス光発生用の第１レーザ光源９３１と、第２パルス光発生用の第２レーザ光源９３２と、２つの入力ポートを有し第１レーザ光源９３１から出力された第１パルス光Ｌs1および第２レーザ光源９３２から出力された第２パルス光Ｌs2のいずれか一方を増幅器に向けて出力するＥＯ光スイッチ９３５とを有して構成される。第１レーザ光源９３１および第２レーザ光源９３２は同期制御されて定常的に発振駆動されており、ＥＯ光スイッチ９３５には、第１パルス光Ｌs1および第２パルス光Ｌs2が入射している。そして、出力光のオン／オフのパターンに合わせてＥＯ光スイッチが切り換えられ、第１パルス光Ｌs1または第２パルス光Ｌs2が増幅器に出力される。すなわち、出力光がオンの時間領域では、第１レーザ光源９３１からＥＯ光スイッチ９３５に入力された第１パルス光Ｌs1を出力させ、出力光がオフの時間領域では、第２レーザ光源９３２からＥＯ光スイッチ９３５に入力された第２パルス光Ｌs2を出力させる。これにより、レーザ光源から増幅器に出力されるレーザ光は、図１３と同様に、第１パルス光Ｌs1と第２パルス光Ｌs2とが組み合わされたレーザ光となる。
図１３に示した従来技術と比較して、図１４に示した第１の技術ではレーザ光源の駆動制御を簡明化することができる。また、図１５に示した第２の技術によれば、レーザ光源の駆動制御をさらに簡明化可能であることに加え、第１レーザ光源９３１および第２レーザ光源９３２を安定的に動作させることができる。
ここで、レーザ装置から出力される出力光を、１パルス単位の任意のオン／オフパターンで制御しようとする場合、第１パルス光Ｌs1を出力する状態と第２パルス光Ｌs2を出力する状態とを、高速かつ高精度に切り換えて行き来する必要がある。しかしながら、従来技術、上記第１の技術および第２の技術では、以下のような困難が伴う。
レーザ光源として用いられる半導体レーザの駆動回路や、ＥＯ強度変調器、ＥＯ光スイッチ等のＥＯＭ（Electro Optic Modulator：電気光学変調器）の駆動回路には高周波回路が用いられており、一般的に、高周波回路はＡＣ結合が多く用いられる。回路構成がＡＣ結合の場合、カットオフ周波数に対応した時定数Ｔcが出力に現れる。例えば、レーザ光源を直接オン／オフして第１パルス光Ｌs1や第２パルス光Ｌs2を出力させるような構成において、レーザ光源のカットオフ周波数に対応した時定数Ｔcよりも長い時間スケールでレーザ光源をオン／オフすると、切り換え直後には高周波回路の状態が定常状態と大きく異なるため、安定した第１パルス光Ｌs1や第２パルス光Ｌs2を出力することができない。ＥＯ強度変調器やＥＯ光スイッチ等のＥＯＭの動作についても同様である。
また、例えば半導体レーザのゲインスイッチング（gain switching）動作によって、パルス幅が短い（〜１００ｐs）パルス光を出力させる場合、パルス光のピーク強度、時間幅は半導体レーザに印可するバイアスレベルに大きく依存する。半導体レーザをランダムにオン／オフするとバイアスレベルが安定せず、ゲインスイッチングによる短パルス光の発光が安定しなくなる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上記のような困難性を回避し、高速に、且つ安定した出力光の切り換え動作が可能なレーザ装置を提供することを目的とする。また、高速且つ安定した出力光により精度を高めた露光装置、検査装置等のレーザシステムを提供する。
本発明を例示する第１の態様はレーザ装置である。このレーザ装置は、予め設定された所定周波数ｆのパルス波形のレーザ光を発生するレーザ光源と、所定周波数ｆまたはその整数倍の周波数で透過率が変化する透過率波形で駆動されレーザ光源から出力されたレーザ光を切り出して出射する強度変調器と、強度変調器の作動を制御する制御部と、強度変調器から出力されたレーザ光を増幅する増幅器と、増幅器により増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換光学素子とを備える。そして、制御部が、前記パルス波形に対する前記透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより強度変調器から出射するレーザ光のパルス波形を変化させ、波長変換光学素子から所定波形のパルス光を出力させるように構成される。
なお、強度変調器から出射されるレーザ光は、所定周波数ｆの第１パルス波形のレーザ光と、所定周波数ｆであるが第１パルス波形のレーザ光とタイミングが異なる第２パルス波形のレーザ光とのいずれかを含み、第１パルス波形のレーザ光は波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に高くパルス光が発生するように設定された光であり、第２パルス波形のレーザ光は、エネルギーは第１パルス波形のレーザ光と略同一であるが、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に低くパルス光が発生しないように設定された光である、ように構成することができる。なお、パルス光が「発生しない」とは、出力光として実効的な出力のパルス光が出射されない状態をいい、例えば、出力光であるパルス光との消光比が１００：１以上の場合をいう。
本態様に含まれる第１の形態のレーザ装置（例えば、実施形態における第１〜第３構成形態のレーザ装置）として、以下の構成が例示される。すなわち、レーザ光源は、所定周波数ｆで第１パルス波形のレーザ光を発生する第１レーザ光源と、所定周波数ｆであるが第１パルス波形のレーザ光と異なるタイミングで第２パルス波形のレーザ光を発生する第２レーザ光源とを有する。強度変調器には、第１レーザ光源から出力された第１パルス波形のレーザ光と第２レーザ光源から出力された第２パルス波形のレーザ光とが合波されて入射する。透過率波形は、所定周波数ｆでレーザ光を透過する透過状態とレーザ光を遮断する遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の波形である。そして、制御部は、第１パルス波形および第２パルス波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、強度変調器を透過するレーザ光のパルス波形を変化させるように構成することができる。
このとき、第１パルス波形のレーザ光および第２パルス波形のレーザ光は、以下のように設定することができる。まず、第１パルス波形のレーザ光と第２パルス波形のレーザ光とは、ピーク強度が異なることにより、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に相違するように構成することができる。また、第１パルス波形のレーザ光と第２パルス波形のレーザ光とは、波長が異なることにより、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に相違するように構成することができる。あるいは、第１パルス波形のレーザ光と第２パルス波形のレーザ光とは、波長変換光学素子に入射する際の偏光状態が異なることにより、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に相違するように構成することができる。
なお、上記第１レーザ光源および第２レーザ光源は、半導体レーザとすることができる。あるいは、上記第１レーザ光源を第１パルス波形のレーザ光を前記所定周波数ｆで発生するモードロックレーザとし、上記第２レーザ光源を半導体レーザとし、モードロックレーザから出力された第１パルス波形のレーザ光を検出する光検出器と、光検出器により検出された第１パルス波形に基づいて、第２レーザ光源の駆動電源および前記制御部に同期信号を出力する同期回路（例えば、実施形態におけるパルス同期制御回路８５）とを備えて構成することができる。
また、第１レーザ光源から出力された第１パルス波形のレーザ光と、第２レーザ光源から出力された第２パルス波形のレーザ光とは一度合波された後に複数に分岐され、強度変調器、増幅器、および波長変換光学素子は複数に分岐された分岐光路ごとに設けられており、制御部が、分岐光路ごとに第１パルス波形および第２パルス波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、各波長変換光学素子からパルス波形が異なる複数のパルス光を出力可能に構成することができる。
本態様に含まれる第２の形態のレーザ装置（例えば、実施形態における第４構成形態のレーザ装置）として、以下の構成が例示される。すなわち、前記レーザ光源を、前記所定周波数ｆでベース波形のレーザ光を発生する光源とし、前記透過率波は、相対的に透過率が高くベース波形のレーザ光から前記第１パルス波形のレーザ光を切り出す第１透過率波形と、相対的に透過率が低くベース波形のレーザ光から前記第２パルス波形のレーザ光を切り出す第２透過率波形とが、それぞれ所定周波数ｆで交互に繰り返される高低ゲート状の波形とし、制御部が、ベース波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、強度変調器を透過するレーザ光のパルス波形を変化させて出力光のパルス波形を変化させるように構成することができる。
本態様に含まれる第３の形態のレーザ装置（例えば、実施形態における第５構成形態のレーザ装置）として、以下の構成が例示される。すなわち、前記レーザ光源を、前記所定周波数ｆで第１ベース波形のレーザ光を発生する第１レーザ光源と、所定周波数ｆであるが第１ベース波形のレーザ光と異なるタイミングで第２ベース波形のレーザ光を発生する第２レーザ光源とを有して構成する。前記強度変調器には、第１レーザ光源から出力された第１ベース波形のレーザ光と第２レーザ光源から出力された第２ベース波形のレーザ光とを合波して入射させる。前記透過率波形は、第１ベース波形のレーザ光から第１パルス波形のレーザ光を切り出す第１透過率波形と、第２ベース波形のレーザ光から第２パルス波形のレーザ光を切り出す第２透過率波形とが、それぞれ所定周波数ｆで交互に繰り返されるゲート状の波形である。そして、制御部は、第１ベース波形および第２ベース波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、強度変調器を透過するレーザ光のパルス波形を変化させるように構成することができる。
この形態のレーザ装置において、各波形は以下のように設定することができる。まず、第１パルス波形のレーザ光と第２パルス波形のレーザ光とは、ピーク強度が異なることにより、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に相違するように構成することができる。また、第１ベース波形のレーザ光と第２ベース波形のレーザ光とは、波長が異なることにより、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に相違するように構成することができる。あるいは、第１ベース波形のレーザ光と第２ベース波形のレーザ光とは、波長変換光学素子に入射する際の偏光状態が異なることにより、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に相違するように構成することができる。
なお、第３の形態のレーザ装置は、以下のように構成することもできる。すなわち、第１レーザ光源から出力された第１ベース波形のレーザ光と、第２レーザ光源から出力された第２ベース波形のレーザ光とは、一度合波された後に複数に分岐され、強度変調器、増幅器、および波長変換光学素子は複数に分岐された分岐光路ごとに設けられており、制御部が、分岐光路ごとに第１ベース波形および第２ベース波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、各波長変換光学素子からパルス波形が異なる複数のパルス光を出力可能に構成することができる。
本発明を例示する第２の態様は露光装置である。本態様における第１構成形態の露光装置は、以上いずれかに記載したレーザ装置と、所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光をマスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、フォトマスクを透過した光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。
第２の態様における第２構成形態の露光装置は、以上いずれかに記載したレーザ装置と、複数の可動ミラーを有し任意パターンの光を生成する可変成形マスクと、露光対象物を保持する露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光を可変成形マスクに照射する照明光学系と、可変成形マスクを介して生成された任意パターンの光を露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系とを備えて構成される。
第２の態様における第３構成形態の露光装置は、以上いずれかに記載したレーザ装置と、露光対象物を保持する露光対象物支持部と、レーザ装置から出力されたレーザ光を偏向し露光対象物支持部に保持された露光対象物上で走査させる偏向手段と、偏向手段により偏向された光を露光対象物に結像させる対物光学系とを備えて構成される。
本発明を例示する第３の態様は検査装置である。この検査装置は、以上いずれかに記載したレーザ装置と、被検物を保持する被検物支持部と、記レーザ装置から出力されたレーザ光を被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、被検物からの光を検出器に投影する投影光学系とを備えて構成される。
第１の態様のレーザ装置は、予め設定された所定周波数ｆのパルス波形のレーザ光を発生するレーザ光源と、所定周波数ｆまたはその整数倍の周波数で透過率が変化する透過率波形で駆動される強度変調器とを備え、制御部が、パルス波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより強度変調器から出射するレーザ光のパルス波形を変化させて、波長変換光学素子から所定波形のパルス光を出力させるように構成される。すなわち、レーザ光源および強度変調器は、ともに所定周波数ｆで定常的に駆動されている。そして、制御部がパルス波形に対する透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、波長変換光学素子から所定波形のパルス光を出力させるように構成される。このため、レーザ光源やＥＯＭのカットオフ周波数の如何に拘わらず、任意の時間軸で、高速に、且つ安定した出力光の切り換え動作が可能なレーザ装置を提供することができる。
なお、強度変調器から出射するレーザ光が、所定周波数ｆの第１パルス波形のレーザ光と、所定周波数ｆであるが第１パルス波形のレーザ光とタイミングが異なる第２パルス波形のレーザ光とのいずれかを含み、このうち、第１パルス波形のレーザ光は波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に高くパルス光が発生するように設定された光であり、第２パルス波形のレーザ光は、エネルギーは第１パルス波形のレーザ光と略同一であるが、波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に低くパルス光が発生しないように設定された光であるように構成することにより、任意の時間軸で、高速に、安定した出力光のオン／オフ動作が可能なレーザ装置を提供することができる。
第２の態様の露光装置は、第１の態様のレーザ装置を備えている。そのため、高速且つ安定した出力光により露光精度を高めた露光装置を提供することができる。
第３の態様の検査装置は、第１の態様のレーザ装置を備えている。そのため、高速且つ安定した出力光により検査精度を高めた検査装置を提供することができる。
本発明の適用例として示すレーザ装置の概要構成図である。 第１構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 第２構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 第３構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 第４構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 第５構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 レーザ装置を備えたシステムの第１の適用例として示す第１構成形態の露光装置の概要構成図である。 レーザ装置を備えたシステムの第２の適用例として示す第２構成形態の露光装置の概要構成図である。 可変成形マスクとして例示するＤＭＤ（Digital Micromirror DeviceまたはDeformable Micromirror Device）の概略図である。 上記ＤＭＤの一部を拡大して示す斜視図である。 レーザ装置を備えたシステムの第３の適用例として示す第３構成形態の露光装置の概要構成図である。 レーザ装置を備えたシステムの第４の適用例として示す検査装置の概要構成図である。 従来のレーザ装置における、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 第１の技術として考案された、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。 第２の技術として考案された、レーザ光発生部の概要構成および作用を説明するための説明図である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様として例示するレーザ装置ＬＳの概要構成図を図１に示す。レーザ装置ＬＳは、パルス波形のレーザ光（シード光）を出力するレーザ光発生部１と、レーザ光発生部１から出力されたシード光を増幅する増幅部２と、増幅部２から出力された増幅光を波長変換する波長変換部３と、これら各部の作動を制御する制御部８とを備えて構成される。
レーザ光発生部１や増幅部２、波長変換部３の具体的な構成は、前述した特許文献等に開示されているように多数の構成形態がある。本実施形態においては、レーザ光発生部１から出力するシード光を波長１．０６μｍ帯の赤外光、波長変換部３から出力する出力光を波長３５５ｎｍの紫外光とした場合を例として説明する。また、実施形態では、高速に、出力レベルが安定した紫外光をオン／オフ可能とした構成を主体として説明する。
レーザ光発生部１は、レーザ光源１１と強度変調器１２とを備えて構成される。レーザ光源１１は、発振波長が１．０６μｍ帯で予め設定された所定周波数ｆのパルス波形のレーザ光を発生する。レーザ光源１１として、半導体レーザやファイバレーザ、モードロックレーザなどが例示される。強度変調器１２は、上記所定周波数ｆまたはその整数倍の周波数ｎｆ（ｎ＞２）で透過率が変化する透過率波形で駆動され、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を切り出して出射する。強度変調器１２として、ＥＯ（Electro Optic effect）強度変調器が例示される。
制御部８は、レーザ光源１１を駆動するパルス波形と、強度変調器１２を駆動する透過率波形との相対的なタイミングを変化させることにより、強度変調器１２から出射するシード光のパルス波形を、第１パルス波形と第２パルス波形のいずれかに切り換える。
ここで、第１パルス波形のレーザ光（以下、第１シード光という）は、波長変換部３における波長変換効率が相対的に高く、紫外光が発生するように設定された光である。第２パルス波形のレーザ光（同様、第２シード光という）は、パルスエネルギーは第１シード光と略同一であるが、波長変換部３における波長変換効率が相対的に低く、紫外光が発生しないように（消光比が高くなるように）設定された光である。また、第１シード光と第２シード光とは、ともに所定周波数ｆであるが、強度変調器１２から出射するタイミングが異なっている。すなわち、ある時間領域には、強度変調器１２から第１シード光が周波数ｆで出射され、他の時間領域には、強度変調器１２から第２シード光が周波数ｆで出射される。そのため、強度変調器１２から出射されるシード光は、任意時刻において、第１シード光と第２シード光とのいずれかが含まれることになる（詳細については後述する）。強度変調器１２から出射したシード光はレーザ光発生部１から出力され増幅部２に入射する。
増幅部２は、レーザ光発生部１から出力されたシード光（第１シード光、第２シード光）を増幅するファイバ増幅器２１を備えて構成される。波長１．０６μｍ帯のシード光を増幅するファイバ増幅器２１として、波長１０００〜１１００ｎｍの帯域に利得を有するイッテルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）を好適に用いることができる。ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ）２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた増幅用ファイバ２１ａと、増幅用ファイバに励起光を供給する励起光源２１ｂとを主体として構成される。ファイバ増幅器２１の作動は、制御部８が、増幅用ファイバ２１ａに励起光を供給する励起光源２１ｂの駆動電力を調整設定することにより制御される。
強度変調器１２からファイバ増幅器２１に入射するシード光は、任意時刻において、第１シード光と第２シード光とのいずれか一方であるが、第１シード光と第２シード光とはいずれも周波数ｆが同一であり、且つエネルギーが同一になっている。例えば、前述したように、ある時間領域には、強度変調器１２から第１シード光が周波数ｆで出射され、他の時間領域には、強度変調器１２から第２シード光が周波数ｆで出射される。そのため、ファイバ増幅器２１におけるイッテルビウム（Ｙｂ）原子の反転分布状態は常に定常状態に維持される。増幅部２に入射した第１シード光、第２シード光は、ファイバ増幅器２１によって増幅され、それぞれ第１増幅光、第２増幅光となって増幅部２から出力される。
なお、図１では、増幅部２にファイバ増幅器２１を単段で設けた構成を示したが、例えばシングルクラッドのファイバ増幅器を複数直列に接続し、あるいはシングルクラッドのファイバ増幅器とダブルクラッドのファイバ増幅器を直列に接続する等、複数のファイバ増幅器を直列に接続して増幅部２を構成することができる。増幅部２から出力された波長１．０６μｍ帯の第１増幅光および第２増幅光は波長変換部３に入射する。
波長変換部３には、増幅部２から出力された増幅光（第１増幅光、第２増幅光）が伝播する波長変換光学系３０が設けられている。例示する波長変換光学系３０は、波長変換光学素子３１と波長変換光学素子３２とを主体とし、図示省略するレンズや波長板等を有して構成される。波長変換部３に入射した増幅光は、レンズを介して波長変換光学素子３１に入射する。
波長変換光学素子３１は、第２高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）により、増幅光の第２高調波を発生させるための非線形光学結晶である。波長変換光学素子３２は、波長変換光学素子３１で発生した増幅光の第２高調波と、波長変換光学素子を透過した増幅光の基本波とから、和周波発生（ＳＦＧ：Sum Frequency Generation）により増幅光の第３高調波を発生させるための非線形光学結晶である。波長変換部３の出力段には、増幅光の第３高調波である波長３５５ｎｍの紫外光を波長変換部から出力し、これよりも長波長の光を除去する分離素子（不図示）が設けられている。
波長変換光学素子３１として、ＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶やＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶等のバルク結晶、あるいはＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬiＮbＯ3）結晶やＰＰＬＴ（Periodically Poled ＬiＴaＯ3）結晶等の疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）結晶を用いることができる。波長変換光学素子３２としては、ＬＢＯ結晶やＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ6Ｏ10）結晶を用いることができる。
ここで、第１増幅光の元となる第１シード光は、波長変換部３における波長変換効率が相対的に高く、紫外光が発生するように設定された光である。第２増幅光の元となる第２シード光は、エネルギーは第１シード光と略同一であるが、波長変換部３における波長変換効率が相対的に低く、紫外光が発生しないように設定された光である。そのため、波長変換部３に入射する増幅光が第１増幅光のときには、増幅光が波長変換光学素子３１，３２により高効率で波長変換され、第１増幅光の第３高調波である波長３５５ｍｍの紫外光Ｌvが出力される。一方、波長変換部３に入射する増幅光が第２増幅光のときには、増幅光は波長変換光学素子３１，３２で効率的に波長変換されず、波長３５５ｍｍの紫外光は出力されない。
このような構成のレーザ装置ＬＳにおいては、レーザ光源１１および強度変調器１２は、ともに所定周波数ｆで定常的に駆動されている。そして、制御部８が、レーザ光源１１を駆動するパルス波形と、強度変調器１２を駆動する透過率波形との相対的なタイミングを変化させ、強度変調器１２から出射するシード光のパルス波形を第１シード光と第２シード光とのいずれかに切り換えることにより、波長３５５ｎｍの紫外光（出力光）Ｌvのオン／オフを制御している。第１パルス光と第２パルス光とは、波長変換部３における波長変換効率は異なるが、両パルス光の周波数およびエネルギーは同一である。このため、レーザ光源１１や強度変調器１２のカットオフ周波数の如何に拘わらず、任意の時間軸で、高速に、且つ安定した出力光のオン／オフ動作を実現することができる。
以上では、本発明の態様であるレーザ装置ＬＳの基本的な構成について説明した。以下では、本態様に含まれるレーザ装置の具体的な構成について、構成形態ごとに説明する。各構成形態のレーザ装置ＬＳは、レーザ光発生部１の構成が相違し、増幅部２および波長変換部３の構成は同様である。そこで、構成が相違する部分に補助符号Ａ，Ｂ，Ｃ…を付してレーザ光発生部１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…、制御部８Ａ，８Ｂ，８Ｃ…のように表記し、各構成形態ごとに説明する。
（第１構成形態）
第１構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部１Ａの概要構成および作用を説明するための説明図を図２に示す。レーザ光発生部１Ａは、レーザ光源１１Ａと強度変調器１２とを備える。レーザ光源１１Ａは、第１レーザ光源１１ａと第２レーザ光源１１ｂとから構成される。
第１レーザ光源１１ａは、制御部８Ａから出力される第１レーザ光源駆動信号に基づいて、所定周波数ｆで第１シード光（第１パルス波形のレーザ光）Ｌs1を発生する光源である。第２レーザ光源１１ｂは、制御部８Ａから出力される第２レーザ光源駆動信号に基づいて、第１レーザ光源１１ａと同一周波数ｆであるが異なるタイミングで第２シード光（第２パルス波形のレーザ光）Ｌs2を発生する光源である。第１レーザ光源１１ａとして、発振波長がλ1のＤＦＢ（Distributed Bragg Reflector）半導体レーザ、第２レーザ光源１１ｂとして発振波長がλ2のＤＦＢ半導体レーザが例示される。本構成形態に含まれる第１実施例ではλ1＝λ2＝１０６４ｎｍとする。
既述したように、第１シード光Ｌs1は、波長変換部３における波長変換効率が相対的に高く、紫外光Ｌvが発生するように設定されたパルス状のレーザ光である。また第２シード光Ｌs2は、第１シード光Ｌs1とパルスエネルギーは略同一であるが、波長変換部３における波長変換効率が相対的に低く、紫外光Ｌvが発生しないように（消光比が高い状態に）設定されたパルス状のレーザ光である。
第１レーザ光源１１ａで発生した第１シード光Ｌs1と、第２レーザ光源１１ｂで発生した第２シード光Ｌs2とは図示省略するカプラ等により合波され、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成されたシード光（合成シード光という）が強度変調器１２に入射する。
強度変調器１２は、制御部８Ａから出力される強度変調器駆動信号に基づいて、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成された合成シード光から、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかを透過して増幅部２に出力する。強度変調器駆動信号の波形、より具体的には、強度変調器１２の透過率波形は、第１，第２シード光の発生周波数と同じ周波数ｆで透過状態と遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の波形である。強度変調器１２として、例えば、マッハツェンダ型のＥＯ強度変調器が好適に用いられる。
制御部８Ａは、パルス制御回路８０と、第１レーザドライバ８１と、第２レーザドライバ８２と、ＥＯＭドライバ８３とを備えて構成される。パルス制御回路８０は、制御部８Ａの基準クロックを基準とし、予め設定された第１パルス波形、第２パルス波形、および透過率波形に基づいて、各ドライバーの制御信号を生成し出力する。第１レーザドライバ８１は、パルス制御回路８０から出力された第１パルス波形の制御信号に基づいて、第１レーザ光源の駆動に適応した信号レベルの第１レーザ光源駆動信号を生成し、第１レーザ光源１１ａを駆動する。同様に、第２レーザドライバ８２は、パルス制御回路８０から出力された第２パルス波形の制御信号に基づいて、第２レーザ光源の駆動に適応した信号レベルの第２レーザ光源駆動信号を生成し、第２レーザ光源１１ｂを駆動する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス制御回路８０から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を生成し、強度変調器１２を駆動する。
このような構成形態のレーザ装置について、以下、具体的な数値を含めて、実施例を説明する。パルス制御回路８０が生成する第１パルス波形の制御信号、第２パルス波形の制御信号、および透過率波形の制御信号は、いずれも周波数ｆが１００MHz、繰り返し周期が１０nsで同じパルス波形を繰り返す定常波である。但し、各制御信号は以下のように波形およびタイミングが異なっている。
第１パルス波形は、パルス幅が短くピーク強度が高いパルス波形である。例えば、図２中に付記するように、オン時間が０．１ns程度でピーク強度が高いパルス波形が、第１パルス波形としてパルス制御回路８０に予め設定記憶されている。パルス制御回路８０は、周波数１００MHzで第１パルス波形が繰り返される第１パルス波形の制御信号を生成する。そして、生成した第１パルス波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングで第１レーザドライバ８１に出力する。第１レーザドライバ８１は、この制御信号を第１レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第１レーザ光源駆動信号を出力し、第１レーザ光源１１ａを駆動する。そのため、第１レーザ光源１１ａから、繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）で、高ピークパワーの第１パルス波形のレーザ光すなわち第１シード光Ｌs1が定常的に出力される。
第２パルス波形は、パルス幅が長くピーク強度が低いパルス波形である。例えば、図示のようにオン時間が４ns程度でピーク強度が低いパルス波形が、第２パルス波形としてパルス制御回路８０に予め設定記憶されている。パルス制御回路８０は、周波数１００MHzで第２パルス波形が繰り返される第２パルス波形の制御信号を生成する。そして、生成した第２パルス波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする第２タイミングで第２レーザドライバ８２に出力する。ここで、第１パルス波形の制御信号の出力タイミングと第２パルス波形の制御信号の出力タイミングとを異なるタイミングとするのは、合波後の第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが強度変調器１２において時間的に重ならないように分離するためである。
本実施例では、第１パルス波形の制御信号と第２パルス波形の制御信号とが５ns、すなわち繰り返し周期の半分だけずれるように設定している。第２レーザドライバ８２は、このように設定された制御信号を、第２レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第２レーザ光源駆動信号を出力し、第２レーザ光源１１ｂを駆動する。そのため、第２レーザ光源１１ｂからは、第１シード光Ｌs1と同じ繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）であるが、発光タイミングが５nsずれた状態で、低ピークパワーの第２シード光Ｌs2が定常的に出力される。
第１レーザ光源１１ａから出力された第１シード光Ｌs1と、第２レーザ光源１１ｂから出力された第２シード光Ｌs2とはカプラ等により合波され、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成された合成シード光が強度変調器１２に入射する。このとき、第１シード光Ｌs1のパルス列と第２シード光Ｌs2のパルス列とは、同じ繰り返し周期１０nsであるが発光タイミングが５nsずれている。そのため、強度変調器１２に入射する合成シード光は、５nsの周期で第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが交互に繰り返されるパルス波形になっている。
透過率波形は、シード光を透過する透過状態とシード光を遮断する遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の波形である。例えば、図２中に付記するように、オン時間（透過状態）が５nsの矩形波状の波形が、パルス制御回路８０に予め設定記憶されている。パルス制御回路８０は、第１パルス波形および第２パルス波形と同じ周波数１００MHzで透過率波形が繰り返される（すなわち、透過状態および遮断状態がともに５nsの矩形波状の）透過率波形の制御信号を生成する。そして、生成した透過率波形の制御信号を、紫外光（出力光）のオン／オフパターンに応じて、所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングまたは第２タイミングでＥＯＭドライバ８３に出力する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス制御回路８０から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を出力し、強度変調器１２を駆動する。
例えば、露光装置等のシステムにおける加工プログラム等に基づいて、所定のオン／オフパターンの出力指令が制御部８Ａに入力されているとする。このとき、パルス制御回路８０は、出力指令がオン状態のときに所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力し、出力指令がオフ状態のときに所定時刻ｔ0を基準とする第２タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力する。第１タイミングは第１パルス波形の制御信号と同じ出力タイミングであり、第２タイミングは第２パルス波形の制御信号と同じ出力タイミングである。
そのため、強度変調器１２に第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが交互に入射する合成シード光に対して、出力指令がオン状態のときには、第１シード光Ｌs1が入射するタイミングと強度変調器１２が透過状態になるタイミングとが一致し、第２シード光Ｌs2が入射するタイミングと強度変調器１２が遮断状態になるタイミングとが一致する。このため、強度変調器１２から第１シード光Ｌs1のパルス列が出力される。一方、出力指令がオフ状態のときには、第２シード光Ｌs2が入射するタイミングと強度変調器１２が透過状態になるタイミングとが一致し、第１シード光Ｌs1が入射するタイミングと強度変調器１２が遮断状態になるタイミングとが一致する。このため、強度変調器１２から第２シード光Ｌs2のパルス列が出力される。
なお、強度変調器１２の代わりに、入力を２つ、出力を１つ持ち、いずれか一方の入力を選択的に出力する光スイッチ（ＥＯ光スイッチ等）を使用することもできる。この場合、カプラなどの合波のための素子を介さずに、一方の入力（入力１）に第１シード光Ｌs1、もう一方の入力（入力２）に第２シード光Ｌs2を同一のタイミングで入力する。光スイッチの駆動信号としては、強度変調器１２の場合と同等の矩形波状の波形を用いる（入力１を選択する状態、および入力２を選択する状態ともに５ns）。光スイッチの駆動信号のタイミングを５nsスライドさせる事により入力１、入力２のいずれか、すなわち、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかを光スイッチから出力させることができる。
出力指令がオン状態のときに強度変調器１２から出力される第１シード光Ｌs1のパルス列、および出力指令がオフ状態のときに強度変調器１２から出力される第２シード光Ｌs2のパルス列は、増幅部２に入射してファイバ増幅器２１により増幅される。ここで、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とは、パルス波形は相違するがパルスエネルギーは略同一に設定されている。また、ファイバ増幅器２１には、出力指令に応じて、周波数１００MHzの第１シード光Ｌs1のパルス列、および周波数１００MHzの第２シード光Ｌs2のパルス列の何れかが定常的に入射している。そのため、ファイバ増幅器２１におけるＹｂ原子の反転分布状態は、出力指令がオン状態であるかオフ状態であるかを問わず、またオン状態の時間幅とオフ状態の時間幅がどの様な配分であるかを問わず、常時一定の定常状態に維持される。
波長変換部３には、出力指令がオン状態のときに第１シード光Ｌs1が増幅された第１増幅光が入射し、出力指令がオフ状態のときに、第２シード光Ｌs2が増幅された第２増幅光が入射する。第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2のパルスエネルギーは略同一に設定されているので、第１増幅光と第２増幅光とは、パルスエネルギーは同一であるがパルス波形は異なっている。すなわち、第１増幅光は、パルス幅が０．１ns程度でピークパワーが高い高ピークパワーのパルス光である。第２増幅光は、パルス幅が４ns程度でピークパワーが低い低ピークパワーのパルス光である。両者のパルスエネルギーを同一としたとき、第２増幅光のピークパワーは第１増幅光のピークパワーの１／４０程度になる。
波長変換光学素子３１，３２における波長変換効率は、位相整合条件が満たされていることを前提として、波長変換対象となる増幅光のピークパワーに大きく依存する。例えば、波長変換光学素子３２において第３高調波を発生させる場合の波長変換効率ηは、概略的には、増幅光のピークパワーＰpの二乗に比例する（η∝Ｐp2）。従って、高ピークパワーの第１増幅光は高い変換効率で波長変換され、波長３５５ｎｍの紫外光Ｌvが発生する。一方、低ピークパワーの第２増幅光は波長変換効率ηが第１増幅光の１／１０００以下であり、実質的には、波長３５５ｎｍの紫外光は発生しないに等しい。すなわち、第１パルス波形および第２パルス波形を上記のように設定することにより、増幅光のピークパワーの差ΔＰpを利用して１：１０００程度の高い消光比を得ることができる。
以上説明した第１実施例では、第１シード光Ｌs1としてパルス幅が狭くピークパワーが高いパルス光、第２シード光Ｌs2として第１シード光Ｌs1とパルスエネルギーは同一であるがパルス幅が広くピークパワーが低いパルス光を例示した。すなわち、本実施例では、波長変換部３における波長変換効率が高い第１シード光Ｌs1と、波長変換効率が低い第２シード光Ｌs2とを形成する手段として、ピークパワーの高低差を利用し、これにより出力光である紫外光をオン／オフする構成を例示した。しかし、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2は、他の手段により構成することもできる。
他の手段を例示する第２実施例として、第１レーザ光源１１ａが出射する第１シード光Ｌs1の波長λ1と、第２レーザ光源１１ｂが出射する第２シード光Ｌs2の波長λ2とを異なる波長とし、その波長差Δλ＝｜λ1−λ2｜を利用して、出力光である紫外光をオン／オフする構成が例示される。このとき、第１レーザ光源１１ａから出射される第１シード光Ｌs1は、波長変換光学素子３１，３２において位相整合条件が満たされる（波長変換効率ηが高い）波長λ1＝１０６４ｎｍのパルス光である。一方、第２レーザ光源１１ｂから出射される第２シード光Ｌs2は、パルスエネルギーは第１シード光Ｌs1と同一であるが、波長変換光学素子３１，３２における位相が位相整合条件からずれた（波長変換効率ηが低い）波長λ2のパルス光である。
具体的には、第２シード光Ｌs2の波長λ2は、第１増幅光が波長変換されて発生する紫外光に対して消光比が１：１００以上（より好ましくは１：１０００以上）となるように設定される。例えば、第１シード光Ｌs1の波長λ1との波長差Δλが１０ｎｍ程度に設定される。なお、第１シード光Ｌs1のパルス波形と第２シード光Ｌs2のパルス波形とは、パルスエネルギーが同一であれば、同一波形であっても異なる波形であっても良い。
他の手段を例示する第３実施例として、第１レーザ光源１１ａから出射されファイバ増幅器２１により増幅された第１増幅光の波長変換光学素子３１に入射する際の偏光面と、第２レーザ光源１１ｂから出射されファイバ増幅器２１により増幅された第２増幅光の波長変換光学素子３１に入射する際の偏光面とが、異なる角度位置となるように設定し、波長変換光学素子３１，３２に入射する増幅光の偏光面の角度差を利用して、出力光である紫外光をオン／オフする構成が例示される。例えば、第１レーザ光源１１ａから出射されファイバ増幅器２１により増幅された第１増幅光は、偏光面が波長変換光学素子３１，３２において位相整合条件を満たす（波長変換効率ηが高い）ように設定され、第２レーザ光源１１ｂが出射されファイバ増幅器２１により増幅された第２増幅光は、偏光面が波長変換光学素子３１，３２において位相整合条件を満たさない（波長変換効率ηが低い）ように設定する。
具体的には、第２増幅光は、第１増幅光が波長変換されて発生する紫外光に対して消光比が１：１００以上（より好ましくは１：１０００以上）となるように偏光面が設定される。例えば、第１増幅光の偏光面と第２増幅光の偏光面とが直交するように設定される。第１シード光Ｌs1のパルス波形と第２シード光Ｌs2のパルス波形とは、パルスエネルギーが同一であれば同一波形であっても異なる波形であっても良い。
さらに他の手段を例示する第４実施例として、第１実施例〜第３実施例を適宜組み合わせた構成が例示される。例えば、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2のピークパワーＰpの高低差ΔＰpを利用するとともに、発振波長λの差違Δλを利用する。これにより、紫外光の消光比を各個別の実施例よりも大幅にかつ効果的に高めることができる。
以上説明した本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａおよび第２レーザ光源１１ｂが完全に定常状態で動作されるため、安定的に発振させることができる。また、ファイバ増幅器２１には、パルスエネルギーが同一の第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかが常時入射されるため、反転分布状態が一定に維持され、安定した増幅光を得ることができる。
従って、本構成形態のレーザ装置によれば、パルス制御回路８０から出力するゲート状の透過率波形を、出力指令のオン／オフパターンに応じて、時間軸方向にスライドさせる極めて簡明な構成で、オン時間が長いパルス列〜オン時間が短いパルス列まで、極めて安定的に、且つパルス単位の高速で切り換えて、所望波形の紫外光を出力させることができる。
（第２構成形態）
第２構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部１Ｂの概要構成および作用を説明するための説明図を図３に示す。レーザ光発生部１Ｂは、レーザ光源１１Ｂと強度変調器１２とを備え、レーザ光源１１Ｂは、第１レーザ光源１１ｃと第２レーザ光源１１ｄとから構成される。なお、第１構成形態のレーザ装置と同様の構成要素には、同一符号および同じ用語を用いている。
第１レーザ光源１１ｃは、予め調整設定された所定周波数ｆで、第１シード光（第１パルス波形のレーザ光）Ｌs1を自律的に発生する光源である。第２レーザ光源１１ｄは、第１レーザ光源１１ｃと同じ周波数ｆであるが、異なるタイミングで第２シード光（第２パルス波形のレーザ光）Ｌs2を発生する光源である。第１レーザ光源１１ｃとして、発振波長がλ1のモードロックレーザ、第２レーザ光源１１ｄとして発振波長がλ2のＤＦＢ半導体レーザを好適に用いることができる。本構成形態に含まれる第１実施例では、λ1＝λ2＝１０６４ｎｍとする。
第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2は、前述した構成形態と同様である。すなわち、第１シード光Ｌs1は、波長変換部３における波長変換効率が相対的に高いレーザ光であり、パルス幅が短くピークパワー高いパルス状のレーザ光である。第２シード光Ｌs2は、第１シード光Ｌs1とパルスエネルギーは略同一であるが、波長変換部３における波長変換効率が相対的に低いレーザ光であり、パルス幅が長くピークパワーが低いパルス状のレーザ光である。
第１レーザ光源１１ｃとしてモードロックレーザを用いることにより、高い繰り返し周波数ｆで、パル幅がpsレベルで高いピークパワーの第１シード光Ｌs1を発生させることができる。いま、第１レーザ光源１１ｃから出力される第１シード光Ｌs1が増幅された第１増幅光の平均出力をＰa（Ｗ）、ピークパワーをＰp（Ｗ）、パルス幅をτ（sec）、繰り返し周波数ｆをＲ（Hz）とすると、Ｐa＝τ×Ｒ×Ｐpの関係がある。前述したように、波長変換光学素子３１,３２において高い変換効率ηを実現するには、ピークパワーＰpを高めることが効果的であり、例えば、ピークパワーは１０kＷ程度以上とすることが好ましい。モードロックレーザでは、パルス幅τをpsレベルにできるため、高い繰り返し周波数ｆで高ピークパワーのパルス光を発生させることができる。例えば、第１増幅光の平均出力Ｐaが１０Ｗ、繰り返し周波数ｆが１００MHz、パルス幅τが１０psの場合、ピークパワーＰpは１０kＷとなる。
第１レーザ光源１１ｃで発生した第１シード光Ｌs1と、第２レーザ光源１１ｄで発生した第２シード光Ｌs2とは図示省略するカプラ等により合波され、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成されたシード光（合成シード光）が強度変調器１２に入射する。
強度変調器１２は、制御部８Ｂから出力される強度変調器駆動信号に基づいて、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成された合成シード光から、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかを透過して増幅部２に出力する。強度変調器駆動信号の波形、より具体的には、強度変調器１２の透過率波形は、第１，第２シード光の発生周波数と同じ周波数ｆで透過状態と遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の波形である。強度変調器１２として、マッハツェンダ型のＥＯ強度変調器が好適に用いられる。
ここで、第１レーザ光源１１ｃとして用いるモードロックレーザは、その発振原理から、予め調整設定された所定周波数ｆで自律的に発振する。そのため、制御部８Ｂは、第１レーザ光源１１ｃから出力される第１シード光Ｌs1に同期して、第２レーザ光源１１ｄおよび強度変調器１２を作動させるように構成される。
制御部８Ｂは、光検出器８４と、パルス同期制御回路８５と、第２レーザドライバ８２と、ＥＯＭドライバ８３とを備えて構成される。光検出器８４は、第１レーザ光源１１ｃから出力される光の一部（例えば数％）を取り出して第１レーザ光源１１ｃの動作状態を監視する。そして、第１シード光Ｌs1が検出されたときにパルス検出信号をパルス同期制御回路８５に出力する。パルス同期制御回路８５は、光検出器８４から入力されるパルス検出信号を基準とし、予め設定された第２パルス波形および透過率波形に基づいて、第２レーザドライバ８２を駆動するための第２パルス波形の制御信号、およびＥＯＭドライバ８３を駆動するための透過率波形の制御信号を生成し出力する。
第２レーザドライバ８２は、パルス同期制御回路８５から出力された第２パルス波形の制御信号に基づいて、第２レーザ光源１１ｄの駆動に適応した信号レベルの第２レーザ光源駆動信号を生成し、第２レーザ光源１１ｄを駆動する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス同期制御回路８５から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を生成し、強度変調器１２を駆動する。
このような構成形態のレーザ装置について、以下、具体的な数値を含めて、実施例を説明する。第１レーザ光源１１ｃから出力される第１シード光Ｌs1の波形（第１パルス波形）は、パルス幅が短くピークパワーが高いパルス波形である。例えば、図３中に付記するように、オン時間が１０ps程度でピークパワーが高いパルス光が、予め調整設定された繰り返し周波数１００MHzで自律的に出力される。
パルス同期制御回路８５は、光検出器８４から出力されたパルス検出信号に基づいて、検出時刻ｔ1を基準とする周波数１００MHzのクロックを発生させる。本実施形態においては、パルス光の検出時刻ｔ1を基準とし、第１シード光Ｌs1の出力と合致するタイミングを第１タイミングという。
パルス同期制御回路８５には、パルス幅が長くピーク強度が低い第２パルス波形が予め設定記憶されている。第２パルス波形は、第２レーザ光源１１ｄを動作させたときに発生する第２シード光Ｌs2のパルスエネルギーが、第１レーザ光源から出力される第１シード光Ｌs1のパルスエネルギーと略同一になるように設定され、例えば、図示のようにオン時間が４ns程度でピーク強度が低いパルス波形が、第２パルス波形として設定記憶されている。
パルス同期制御回路８５は、パルス検出信号に基づくクロックを基準とし、クロックと同一周波数（１００MHz）で第２パルス波形が繰り返される第２パルス波形の制御信号を生成する。そして、生成した第２パルス波形の制御信号を、第１シード光Ｌs1がオンになる第１タイミングとは異なる第２タイミングで、第２レーザドライバ８２に出力する。第１シード光Ｌs1の検出タイミングと第２パルス波形の制御信号の出力タイミングとを異なるタイミングとするのは、合波後の第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが強度変調器１２において時間的に重ならないように分離するためである。
本実施例では、第１タイミングと第２タイミングとの時間的なズレを５ns、すなわち第１シード光Ｌs1の繰り返し周期の半分だけずれるように設定している。第２レーザドライバ８２は、このように設定された制御信号を、第２レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第２レーザ光源駆動信号を出力し、第２レーザ光源１１ｄを駆動する。そのため、第２レーザ光源１１ｄからは、第１シード光Ｌs1と同じ繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）であるが、発光タイミングが５nsずれた状態で、低ピークパワーの第２シード光Ｌs2が定常的に出力される。
第１レーザ光源１１ｃから出力された第１シード光Ｌs1と、第２レーザ光源１１ｄから出力された第２シード光Ｌs2とはカプラ等により合波され、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成された合成シード光が強度変調器１２に入射する。このとき、第１シード光Ｌs1のパルス列と第２シード光Ｌs2のパルス列とは、同じ繰り返し周期１０nsであるが発光タイミングが５nsずれている。そのため、強度変調器１２に入射する合成シード光は、５nsの周期で第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが交互に繰り返されるパルス波形になっている。
パルス同期制御回路８５には、シード光を透過する透過状態とシード光を遮断する遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の透過率波形が予め設定記憶されている。例えば、図３中に付記するように、オン時間（透過状態）が５nsの矩形波状の波形が予め設定記憶されている。パルス同期制御回路８５は、パルス検出信号に基づくクロックを基準とし、クロックと同一周波数（１００MHz）で透過率波形が繰り返される透過率波形の制御信号を生成する。そして、生成した透過率波形の制御信号を、紫外光（出力光）のオン／オフパターンに応じて、検出時刻ｔ1を基準とする第１タイミングまたは第２タイミングでＥＯＭドライバ８３に出力する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス同期制御回路８５から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を出力し、強度変調器１２を駆動する。
以降、加工プログラム等に基づく出力光のオン／オフ制御形態は、前述した実施形態と同様である。すなわち、パルス同期制御回路８５は、出力指令がオン状態のときに第１タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力し、出力指令がオフ状態のときに第２タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力する。第１タイミングは第１シード光Ｌs1が出力されるタイミングと同じタイミングであり、第２タイミングは第２シード光Ｌs2が出力されるタイミングと同じタイミングである。
このため、強度変調器１２に第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが交互に入射する合成シード光に対して、出力指令がオン状態のときには、第１シード光Ｌs1が入射するタイミングと強度変調器１２が透過状態になるタイミングとが一致し、第２シード光Ｌs2が入射するタイミングと強度変調器１２が遮断状態になるタイミングとが一致する。このため、強度変調器１２から第１シード光Ｌs1のパルス列が出力される。一方、出力指令がオフ状態のときには、第２シード光Ｌs2が入射するタイミングと強度変調器１２が透過状態になるタイミングとが一致し、第１シード光Ｌs1が入射するタイミングと強度変調器１２が遮断状態になるタイミングとが一致する。このため、強度変調器１２から第２シード光Ｌs2のパルス列が出力される。
出力指令がオン状態のときに強度変調器１２から出力される第１シード光Ｌs1のパルス列、および出力指令がオフ状態のときに強度変調器１２から出力される第２シード光Ｌs2のパルス列は、増幅部２に入射してファイバ増幅器２１により増幅される。ここで、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とは、パルス波形は相違するがパルスエネルギーは略同一に設定されている。また、ファイバ増幅器２１には、出力指令に応じて、第１シード光Ｌs1のパルス列および第２シード光Ｌs2のパルス列の何れかが、周波数１００MHzで定常的に入射している。そのため、ファイバ増幅器２１におけるＹｂ原子の反転分布状態は、出力指令がオン状態であるかオフ状態であるかを問わず、またオン状態の時間幅とオフ状態の時間幅がどの様な配分であるかを問わず、常時一定の定常状態に維持される。
波長変換部３には、出力指令がオン状態のときに第１シード光Ｌs1の増幅光である第１増幅光が入射し、出力指令がオフ状態のときに第２シード光Ｌs2の増幅光である第２増幅光が入射する。第１増幅光と第２増幅光とは、パルスエネルギーは同一であるがパルス波形は異なっている。すなわち、第１増幅光は、パルス幅が１０ps程度でピークパワーが高い高ピークパワーのパルス光である。第２増幅光は、パルス幅が４ns程度でピークパワーが低い低ピークパワーのパルス光である。両者のパルスエネルギーを同一としたとき、第２増幅光のピークパワーは第１増幅光のピークパワーの１／４００程度になる。
前述したように、波長変換光学素子３２において第３高調波を発生させる場合の変換効率ηは、概略的には、増幅光のピークパワーＰpの二乗に比例する。従って、高ピークパワーの第１増幅光は高い変換効率で波長変換され、波長３５５ｎｍの紫外光が発生する。一方、低ピークパワーの第２増幅光は波長変換効率ηが第１増幅光の１／１０5以下であり、波長３５５ｎｍの紫外光は発生しない。すなわち、第１パルス波形および第２パルス波形を上記のように設定することにより、増幅光のピークパワーの差ΔＰpを利用して極めて高い消光比を得ることができる。
以上説明した第１実施例では、第１シード光Ｌs1としてパルス幅が狭くピークパワーが高いパルス光、第２シード光Ｌs2として第１シード光Ｌs1とパルスエネルギーは同一であるがパルス幅が広くピークパワーが低いパルス光を例示した。すなわち、波長変換部３における波長変換効率が高い第１シード光Ｌs1と、波長変換効率が低い第２シード光Ｌs2とを形成する手段として、ピークパワーの高低差を利用し、これにより出力光である紫外光をオン／オフする構成を例示した。しかし、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2は、既述したと同様に他の手段により構成することもできる。
すなわち、第２実施例として、第１レーザ光源１１ｃが出射する第１シード光Ｌs1の波長λ1と、第２レーザ光源１１ｄが出射する第２シード光Ｌs2の波長λ2とを異なる波長とし、その波長差Δλ＝｜λ1−λ2｜を利用して、出力光である紫外光をオン／オフする構成が例示される。具体的には、第２シード光Ｌs2の波長λ2は、第１増幅光が波長変換されて発生する紫外光に対して消光比が１：１００以上（より好ましくは１：１０００以上）となるように設定される。例えば、第１シード光Ｌs1の波長λ1との波長差Δλが１０ｎｍ程度に設定される。第１シード光Ｌs1のパルス波形と第２シード光Ｌs2のパルス波形とは、パルスエネルギーが同一であれば同一波形であっても異なる波形であっても良い。
第３実施例として、第１増幅光が波長変換光学素子３１に入射する際の偏光面と、第２増幅光が波長変換光学素子３１に入射する際の偏光面とが異なる角度位置となるように設定し、波長変換光学素子３１，３２に入射する増幅光の偏光面の角度差を利用して、出力光である紫外光をオン／オフする構成が例示される。具体的には、第２増幅光は、第１増幅光が波長変換されて発生する紫外光に対して消光比が１：１００以上（より好ましくは１：１０００以上）となるように偏光面が設定される。例えば、第１増幅光の偏光面と第２増幅光の偏光面とが直交するように設定される。第１シード光Ｌs1のパルス波形と第２シード光Ｌs2のパルス波形とは、パルスエネルギーが同一であれば同一波形であっても異なる波形であっても良い。
第４実施例として、第１実施例〜第３実施例を適宜組み合わせた構成が例示される。例えば、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2のピークパワーＰpの高低差ΔＰpを利用するとともに、発振波長λの差違Δλを利用する。これにより、紫外光の消光比を各個別の実施例よりも大幅にかつ効果的に高めることができる。
以上説明した本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ｃは完全な定常状態で動作され、第２レーザ光源１１ｄもこれに追従する形で完全な定常状態で動作されるため、安定的に発振させることができる。また、ファイバ増幅器２１には、パルスエネルギーが同一の第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかが常時入射されるため、反転分布状態が一定に維持され、安定した増幅光を得ることができる。
従って、本構成形態のレーザ装置によれば、パルス同期制御回路８５から出力するゲート状の透過率波形を、出力指令のオン／オフパターンに応じて、時間軸方向にスライドさせる極めて簡明な構成で、オン時間が長いパルス列〜オン時間が短いパルス列まで、極めて安定的に、且つパルス単位の高速で切り換えて、所望波形の紫外光を出力させることができる。
（第３構成形態）
第３構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部１Ｃの概要構成および作用を説明するための説明図を図４に示す。本構成形態のレーザ装置は、レーザ光源１１Ｃから出力されたレーザ光が複数に分割され、分割数に応じて、強度変調器１２、ファイバ増幅器２１、および波長変換光学素子３１，３２からなる波長変換光学系３０が複数並列に設けられて、各列から任意のオン／オフパターンで紫外光を出力可能に構成される。図４には分割数を４とした場合を例示する。なお、既述した第１，第２構成形態のレーザ装置と同様の構成部分には、同一番号を付して重複説明を省略する。
レーザ光源１１Ｃは、波長変換部３における波長変換効率が相対的に高い第１シード光Ｌs1を出力する第１レーザ光源と、波長変換部３における波長変換効率が相対的に低い第２シード光Ｌs2を出力する第２レーザ光源とを備えて構成される。このようなレーザ光源１１Ｃは、既述した第１構成形態のレーザ光源１１Ａ、あるいは第２構成形態のレーザ光源１１Ｂのいずれも適用することができる。本実施形態では、レーザ光源１１Ｃとして、第１構成形態のレーザ光源１１Ａと同様に、第１レーザ光源１１ａと第２レーザ光源１１ｂとにより構成した場合について説明する。
第１レーザ光源１１ａから出力された第１シード光Ｌs1と、第２レーザ光源１１ｂから出力された第２シード光Ｌs2とは、カプラ等により合波され、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成された合成シード光が生成される。生成された合成シード光は、複数の分岐カプラやスターカプラ等により均等に２n（ｎは１以上の整数）に分岐される。本構成形態では、分岐カプラを２段直列に設けて合成シード光を４つに均等分割した構成を示す。
各分岐光路には強度変調器１２（第１強度変調器１２ａ，第２強度変調器１２ｂ，第３強度変調器１２ｃ，第４強度変調器１２ｄ）が設けられる。そして、４つに分岐された系統ごとに、詳細図示を省略するファイバ増幅器２１および波長変換光学系３０（波長変換光学素子３１，３２）が設けられる。すなわち、増幅部２にはファイバ増幅器２１が４つ並列に設けられ、波長変換部３には波長変換光学系３０が４つ並列に設けられる。
制御部８Ｃは、パルス制御回路８６と、第１レーザドライバ８１と、第２レーザドライバ８２と、第１〜第４強度変調器１２ａ〜１２ｄに対応した第１〜第４ＥＯＭドライバ８３ａ〜８３ｄとを備えて構成される。パルス制御回路８６は、制御部８Ｃの基準クロックを基準とし、予め設定された第１パルス波形、第２パルス波形、および透過率波形に基づいて、各ドライバーの制御信号を生成し出力する。
以下では、具体的な数値を含めて、本構成形態の実施例を説明する。パルス制御回路８６が生成する第１パルス波形の制御信号、第２パルス波形の制御信号、および透過率波形の制御信号は、いずれも周波数ｆが１００MHz、繰り返し周期が１０nsで同じパルス波形を繰り返す定常波である。但し、各制御信号は以下のように波形およびタイミングが異なっている。
第１パルス波形は、パルス幅が短くピーク強度が高いパルス波形である。例えば、図４中に付記するように、オン時間が０．１ns程度でピーク強度が高いパルス波形が、第１パルス波形としてパルス制御回路８６に予め設定記憶されている。パルス制御回路８６は、周波数１００MHzで第１パルス波形が繰り返される第１パルス波形の制御信号を生成する。そして、生成した第１パルス波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングで第１レーザドライバ８１に出力する。第１レーザドライバ８１は、この制御信号を第１レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第１レーザ光源駆動信号を出力し、第１レーザ光源１１ａを駆動する。そのため、第１レーザ光源１１ａから、繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）で、高ピークパワーの第１パルス波形のレーザ光すなわち第１シード光Ｌs1が定常的に出力される。
第２パルス波形は、パルス幅が長くピーク強度が低いパルス波形である。例えば、図示のようにオン時間が２ns程度でピーク強度が低いパルス波形が、第２パルス波形としてパルス制御回路８６に予め設定記憶されている。パルス制御回路８６は、周波数１００MHzで第２パルス波形が繰り返される第２パルス波形の制御信号を生成する。そして、生成した第２パルス波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする第２タイミングで第２レーザドライバ８２に出力する。第１パルス波形の制御信号の出力タイミングと第２パルス波形の制御信号の出力タイミングとを異なるタイミングとするのは、合波後の第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが、第１〜第４強度変調器１２ａ〜１２ｄにおいて時間的に重ならないように分離するためである。
本実施例では、第１パルス波形の制御信号と第２パルス波形の制御信号とが５ns、すなわち繰り返し周期の半分だけずれるように設定している。第２レーザドライバ８２は、このように設定された制御信号を、第２レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第２レーザ光源駆動信号を出力し、第２レーザ光源１１ｂを駆動する。そのため、第２レーザ光源１１ｂからは、第１シード光Ｌs1と同じ繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）であるが、発光タイミングが５nsずれた状態で、低ピークパワーの第２シード光Ｌs2が定常的に出力される。
第１レーザ光源１１ａから出力された第１シード光Ｌs1と、第２レーザ光源１１ｂから出力された第２シード光Ｌs2とはカプラ等により合波され、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが合成された合成シード光が生成される。生成された合成シード光は、２段の分岐カプラを経て均等に４つに強度分割され、同じ合成シード光が第１強度変調器１２ａ、第２強度変調器１２ｂ、第３強度変調器１２ｃ、第４強度変調器１２ｄに入射する。このとき、第１シード光Ｌs1のパルス列と第２シード光Ｌs2のパルス列とは、同じ繰り返し周期１０nsであるが発光タイミングが５nsずれている。そのため、第１〜第４強度変調器１２ａ〜１２ｄに入射する合成シード光は、５nsの周期で第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが交互に繰り返されるパルス波形になっている。
透過率波形は、既述した透過率波形と同様であり、シード光を透過する透過状態とシード光を遮断する遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の波形である。すなわち、図２および図３中に付記したように、オン時間（透過状態）が５nsの矩形波状の波形が、透過率波形としてパルス制御回路８６に予め設定記憶されている。パルス制御回路８６は、第１パルス波形および第２パルス波形と同じ周波数１００MHzで透過率波形が繰り返される透過率波形の制御信号を生成する。そして、生成した透過率波形の制御信号を、４つの系列の各々について設定された紫外光（出力光）のオン／オフパターンに応じて、所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングまたは第２タイミングで、各系列のＥＯＭドライバ８３ａ〜８３ｄに出力する。第１〜第４ＥＯＭドライバ８３ａ〜８３ｄは、パルス制御回路８６から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を出力し、第１〜第４強度変調器１２ａ〜１２ｄを駆動する。
このとき、パルス制御回路８６が、各ＥＯＭドライバに紫外光のオン／オフパターンに応じた透過率波形の制御信号を出力し、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかをＥＯＭドライバから出力させて、任意のオン／オフパターンで紫外光を出力させるメカニズムは、既述した第１構成形態および第２構成形態と同様である。一方、本構成形態のレーザ装置では、４つに分岐された分岐光路に各々強度変調器１２ａ〜１２ｄが設けられ、制御部８には各強度変調器に対応したＥＯＭドライバ８３ａ〜８３ｄが設けられている。そのため、パルス制御回路８６が、各ＥＯＭドライバに異なるパターンの透過率波形の制御信号を出力することにより、各系列から異なるオン／オフパターンの紫外光を出力させることができる。
例えば、第１系列Ｉの出力指令が「オフ・オン・オン」のパターンであるとき、パルス制御回路８６は、透過率波形が「第２タイミング・第１タイミング・第１タイミング」となる透過率波形の制御信号を生成し、第１ＥＯＭドライバ８３ａに出力する。すなわち、第１強度変調器１２ａによって切り出されるシード光が「第２シード光Ｌs2・第１シード光Ｌs1・第１シード光Ｌs1」となるように、時間ゲートの位相を変化させる。このとき、第１強度変調器１２ａでは、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが交互に入射する合成シード光から、「第２シード光Ｌs2・第１シード光Ｌs1・第１シード光Ｌs1」が切り出され、第１系列のファイバ増幅器２１に入射する。ファイバ増幅器２１では上記パターンのシード光が増幅され、「第２増幅光・第１増幅光・第１増幅光」のパターンの増幅光が第１系列の波長変換光学系３０に入射する。
同様に、第２系列IIの出力指令が「オフ・オン・オフ」のパターンであるとき、パルス制御回路８６は、透過率波形が「第２タイミング・第１タイミング・第２タイミング」となる透過率波形の制御信号を生成し、第２ＥＯＭドライバ８３ｂに出力する。このとき、第２強度変調器１２ｂでは、合成シード光から、「第２シード光Ｌs2・第１シード光Ｌs1・第２シード光Ｌs2」が切り出され、第２系列のファイバ増幅器２１に入射する。ファイバ増幅器２１では上記パターンのシード光が増幅され、「第２増幅光・第１増幅光・第２増幅光」のパターンの増幅光が第２系列の波長変換光学系３０に入射する。
出力指令が「オフ・オフ・オン」のパターンの第３系列III、出力指令が「オン・オン・オフ」のパターンの第４系列IVについても、上記と同様に制御される。第１〜第４強度変調器１２ａ〜１２ｄとして好適に用いられるＥＯ強度変調器は、０．１ns以下の時間で透過率波形を変化させることができる。そのため、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とが５ns周期で交互に入射する合成シード光のパルス列から、パルス単位で任意のシード光を選択して、上記のような種々のオン／オフパターンで出力できる。このことは、第１構成形態のレーザ装置および第２構成形態のレーザ装置についても同様である。
波長変換部３の第１系列には「第２増幅光・第１増幅光・第１増幅光」のパターンの増幅光が入射する。第１増幅光と第２増幅光とは、パルスエネルギーは同一であるがパルス波形は異なっている。すなわち、第１増幅光は、パルス幅が０．１ns程度でピークパワーが高い高ピークパワーのパルス光であり、第２増幅光は、パルス幅が２ns程度でピークパワーが低い低ピークパワーのパルス光である。両者のパルスエネルギーを同一としたとき、第２増幅光のピークパワーは第１増幅光のピークパワーの１／２０程度になる。
波長変換光学素子３２において第３高調波を発生させる場合の変換効率ηは、概略的に、増幅光のピークパワーＰpの二乗に比例する。従って、高ピークパワーの第１増幅光は高い変換効率で波長変換され、波長３５５ｎｍの紫外光Ｌvが発生する。一方、低ピークパワーの第２増幅光は波長変換効率ηが第１増幅光の１／４００程度であり、波長３５５ｎｍの紫外光は殆ど発生しない。従って、波長変換部３における第１系列の波長変換光学素子３２から「オフ・オン・オン」のパターンで波長３５５ｎｍの紫外光が出力される。
波長変換部３の第２系列、第３系列、および第４系列についても同様であり、第２系列の波長変換光学素子３２から「オフ・オン・オフ」、第３系列の波長変換光学素子３２から「オフ・オフ・オン」、第４系列の波長変換光学素子３２から「オン・オン・オフ」のパターンで波長３５５ｎｍの紫外光が出力される。
以上説明した第１実施例では、波長変換部３における波長変換効率が高い第１シード光Ｌs1と、波長変換効率が低い第２シード光Ｌs2とを形成する手段として、ピークパワーの高低差を利用し、これにより出力光である紫外光をオン／オフする構成を例示した。しかし、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2は、既述した第１構成形態および第２構成形態で説明したと同様に他の手段により構成することもできる。
すなわち、第２実施例として、第１レーザ光源１１ａが出射する第１シード光Ｌs1の波長λ1と、第２レーザ光源１１ｂが出射する第２シード光Ｌs2の波長λ2とを異なる波長とし、波長差Δλ＝｜λ1−λ2｜を利用して、紫外光をオン／オフする構成が例示される。第３実施例として、第１増幅光が波長変換光学素子３１に入射する際の偏光面と、第２増幅光が波長変換光学素子３１に入射する際の偏光面とが異なる角度位置となるように設定し、増幅光の偏光面の角度差を利用して、紫外光をオン／オフする構成が例示される。第４実施例として、第１実施例〜第３実施例を適宜組み合わせた構成が例示される。例えば、第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2のピークパワーＰpの高低差ΔＰpを利用するとともに、発振波長λの差違Δλを利用する。これにより、紫外光の消光比を各個別の実施例よりも大幅にかつ効果的に高めることができる。
以上説明した本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａおよび第２レーザ光源１１ｂは完全な定常状態で動作されるため、安定的に発振させることができる。また、第１〜第４系列の各ファイバ増幅器２１には、パルスエネルギーが同一の第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかが常時入射されるため、反転分布状態が一定に維持され、安定した増幅光を得ることができる。
従って、本構成形態のレーザ装置によれば、パルス制御回路８６から出力するゲート状の透過率波形を、各系列の出力指令のオン／オフパターンに応じて、時間軸方向にスライドさせる簡明な構成で、オン時間が長いパルス列〜オン時間が短いパルス列まで、極めて安定的に、且つパルス単位の高速で切り換えて、所望波形の紫外光を出力させることができる。さらに、複数の紫外光出力を持ちながら、レーザ光源は、１セットの第１レーザ光源１１ａおよび第２レーザ光源１１ｂで形成されるため、装置構成を簡明化することができる。加えて、複数系列の波長変換光学系に入射するレーザ光源が共通であるため、各波長変換光学系から出力される紫外光の波長を揃える必要がある場合でも、個別のレーザ光源ごとに波長の管理をする必要がなく、製造や運用を簡素化することができる。
なお、本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａから出力された第１シード光と第２レーザ光源１１ｂから出力された第２シード光とを合波した後、合成シード光を複数系列に分岐して各系列のファイバ増幅器２１に入射させており、各系列に入射する合成シード光のパワーは分配数に反比例して低下する。そこで、分配数が多い場合など、各系列に分配される合成シード光のパワーレベルの低下が問題となるような場合には、第１シード光と第２シード光とを合波した段階で、ファイバ増幅器やＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光アンプ）等により、合成シード光を適当なパワーレベルまで増強すればよい。
（第４構成形態）
第４構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部１Ｄの概要構成および作用を説明するための説明図を図５に示す。レーザ光発生部１Ｄは、レーザ光源１１Ｄと強度変調器１２とを備え、レーザ光源１１Ｄは単一の第１レーザ光源１１ａにより構成される。本構成形態のレーザ装置は、レーザ光源１１Ｄから出力されるレーザ光（ベース光）のパルス波形が単一であり、強度変調器１２が切り出す透過率波形が高透過率波形と低透過率波形の２つの高低ゲート状の波形である点を特徴とする。
第１レーザ光源１１ａは、制御部８Ｄから出力されるレーザ光源駆動信号に基づいて、所定周波数ｆでベース波形のレーザ光（ベース光という）Ｌbを発生する光源である。第１レーザ光源１１ａとして、発振波長が１０６４ｎｍのＤＦＢ半導体レーザが例示される第１レーザ光源１１ａで発生したベース光は強度変調器１２に入射する。
強度変調器１２は、制御部８Ｄから出力される強度変調器駆動信号に基づいて、単一のベース光Ｌbから、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかを切り出して、増幅部２に出力する。強度変調器１２を駆動する強度変調器駆動信号の波形、より具体的には、強度変調器１２の透過率波形は、相対的に透過率が高くベース光Ｌbから第１シード光（第１パルス波形のレーザ光）Ｌs1を切り出す第１透過率波形と、相対的に透過率が低くベース光から第２シード光（第２パルス波形のレーザ光）Ｌs2を切り出す第２透過率波形とが、それぞれ所定周波数ｆで交互に繰り返される高低ゲート状の波形である。強度変調器１２として、マッハツェンダ型のＥＯ強度変調器が好適に用いられる。
制御部８Ｄは、パルス制御回路８７と、第１レーザドライバ８１と、ＥＯＭドライバ８３とを備えて構成される。パルス制御回路８７は、制御部８Ｄの基準クロックを基準とし、予め設定されたベース波形および透過率波形に基づいて、第１レーザドライバ８１およびＥＯＭドライバ８３の制御信号を生成し出力する。第１レーザドライバ８１は、パルス制御回路８７から出力されたベース波形の制御信号に基づいて、第１レーザ光源１１ａの駆動に適応した信号レベルのレーザ光源駆動信号を生成し、レーザ光源１１ａを駆動する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス制御回路８７から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を生成し、強度変調器１２を駆動する。
このような構成形態のレーザ装置について、以下、具体的な数値を含めて、実施例を説明する。パルス制御回路８７には、ベース光を発生させるためのベース波形、およびベース光から第１,第２シード光を切り出すための透過率波形が予め設定記憶されている。
ベース波形は、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2を切り出す元となるベース光を発生させる波形である。例えば、図５中に付記するように、オン時間が５ns程度のパルス波形が、ベース波形としてパルス制御回路８７に予め設定記憶されている。パルス制御回路８７は、基準クロックの所定時刻ｔ0を基準として、周波数１００MHzでベース波形が繰り返されるベース波形の制御信号を生成する。そして、生成したベース波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする所定タイミングで第１レーザドライバ８１に出力する。
第１レーザドライバ８１は、この制御信号を第１レーザ光源１１ａの駆動に適応した信号レベルに変換してレーザ光源駆動信号を出力し、第１レーザ光源１１ａを駆動する。これにより、第１レーザ光源１１ａから、繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）で、ベース波形のレーザ光すなわちベース光Ｌbが定常的に出力される。第１レーザ光源１１ａから出力されたベース光Ｌbは、そのまま強度変調器１２に入射する。
透過率波形は、時間幅が短く透過率が高い第１透過率波形と、時間幅が長く透過率が低い第２透過率波形とからなる。例えば、第１透過率波形は時間幅が０．１nsで透過率が１００％（強度変調器１２の最大透過率）、第２透過率波形は時間幅が４nsで透過率が２．５％に設定される。これらの透過率は、強度変調器１２により切り出された第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2のパルスエネルギーが同一になるように設定される。パルス制御回路８７は、設定記憶された第１透過率波形と第２透過率波形とから透過率波形の制御信号を生成する。透過率波形の制御信号は、第１透過率波形および第２透過率波形が、それぞれ周波数１００MHzで交互に繰り返される高低ゲート状の波形である。
すなわち、透過率波形の制御信号は、周波数１００MHz、（繰り返し周期１０ns）で繰り返される透過率１００％の第１透過率波形と、同じ周波数１００MHz、（繰り返し周期１０ns）であるが、異なるタイミングで繰り返される透過率２．５％の第２透過率波形とが合成された波形になっている。例示する実施例では、第１透過率波形と第２透過率波形とを、繰り返し周期の半分である５nsずらしている。換言すれば、透過率波形の制御信号は、時間幅が０．１nsで透過率が１００％の第１透過率波形と、時間幅が４nsで透過率が２．５％の第２透過率波形とが合成されて、５nsごとに交互に繰り返される高低ゲート状の信号になっている。
パルス制御回路８７は、基準クロックの所定時刻ｔ0を基準として、ベース波形と第１透過率波形とが合致するタイミングを第１タイミング、ベース波形と第２透過率波形とが合致するタイミングを第２タイミングとして、紫外光（出力光）のオン／オフパターンに応じたタイミングで、透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス制御回路８７から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を出力し、強度変調器１２を駆動する。
例えば、紫外光の出力指令がオン状態のとき、パルス制御回路８７は、第１タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力し、強度変調器１２を作動させる。このときＥＯＭドライバ８３に出力される制御信号は、ベース光Ｌbが強度変調器１２に入射するタイミングと合致して、強度変調器１２を時間幅０．１nsで透過率を１００％とする信号である。
紫外光の出力指令がオフ状態のとき、パルス制御回路８７は、第２タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力し、強度変調器１２を作動させる。このときＥＯＭドライバ８３に出力される制御信号は、ベース光Ｌbが強度変調器１２に入射するタイミングと合致して、強度変調器１２を時間幅４nsで透過率を２．５％とする信号である。
そのため、出力指令がオン状態のときには、強度変調器１２から時間幅が０．１nsでピーク強度が１（任意単位）の第１シード光Ｌs1が出力され、出力指令がオフ状態のときには、強度変調器１２から時間幅が４nsでピーク強度が０．０２５（任意単位）の第２シード光Ｌs2が出力される。
出力指令がオン状態のときに強度変調器１２から出力される第１シード光Ｌs1のパルス列、および出力指令がオフ状態のときに強度変調器１２から出力される第２シード光Ｌs2のパルス列は、増幅部２に入射してファイバ増幅器２１により増幅される。第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とは、パルス波形は相違するがパルスエネルギーは同一となるように設定されている。また、ファイバ増幅器２１には、出力指令に応じて、第１シード光Ｌs1のパルス列および第２シード光Ｌs2のパルス列の何れかが、周波数１００MHzで定常的に入射している。そのため、ファイバ増幅器２１におけるＹｂ原子の反転分布状態は、出力指令がオン状態であるかオフ状態であるかを問わず、またオン状態の時間幅とオフ状態の時間幅がどの様な配分であるかを問わず、常時一定の定常状態に維持される。
波長変換部３には、出力指令がオン状態のときに第１シード光Ｌs1の増幅光である第１増幅光が入射し、出力指令がオフ状態のときに第２シード光Ｌs2の増幅光である第２増幅光が入射する。第１増幅光と第２増幅光とは、パルスエネルギーは同一であるがパルス波形は異なっている。すなわち第１増幅光は、パルス幅が０．１ns程度でピークパワーが１（任意単位）の高ピークパワーのパルス光であり、第２増幅光は、パルス幅が４ns程度でピークパワーが０．０２５（任意単位）の低ピークパワーのパルス光である。両者のパルスエネルギーを同一としたとき、第２増幅光のピークパワーは第１増幅光のピークパワーの１／４０程度である。
波長変換光学素子３２において第３高調波を発生させる場合の変換効率ηは、概略的に、増幅光のピークパワーＰpの二乗に比例する。従って、高ピークパワーの第１増幅光は高い変換効率で波長変換され、波長３５５ｎｍの紫外光が発生する。一方、低ピークパワーの第２増幅光は波長変換効率ηが第１増幅光の１／１０００以下であり、波長３５５ｎｍの紫外光は実質的に発生しない。
本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａが完全な定常状態で動作されるため、安定的に発振させることができる。また、ファイバ増幅器２１には、パルスエネルギーが同一の第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかが常時入射されるため、反転分布状態が一定に維持され、安定した増幅光を得ることができる。
従って、本構成形態のレーザ装置によれば、高低ゲート状の透過率波形を、出力指令のオン／オフパターンに応じて、時間軸方向にスライドさせる極めて簡明な構成で、オン時間が長いパルス列〜オン時間が短いパルス列まで、極めて安定的に、且つパルス単位の高速で切り換えて、所望波形の紫外光を出力させることができる。また、本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａから出力されたベース光の一部を強度変調器１２により切り出して第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2を生成するため、レーザ光源を直接強度変調して第１，第２シード光を生成する構成に比べて、狭帯域の紫外光を発生させることができる。
（第５構成形態）
第５構成形態のレーザ装置における、レーザ光発生部１Ｅの概要構成および作用を説明するための説明図を図６に示す。レーザ光発生部１Ｅは、レーザ光源１１Ｅと強度変調器１２を備え、レーザ光源１１Ｅは、第１レーザ光源１１ａと第２レーザ光源１１ｂとから構成される。本構成形態のレーザ光源１１Ｅから出力されるレーザ光（ベース光）が第１シード光切り出し用の第１ベース光と第２シード光切り出し用の第２ベース光の２つあり、強度変調器１２が切り出す透過率波形が高透過率波形と低透過率波形の２つの高低ゲート状の波形である点を特徴とする。
第１レーザ光源１１ａは、制御部８Ｅから出力されるレーザ第１光源駆動信号に基づいて、所定周波数ｆで第１ベース波形のレーザ光（第１ベース光という）Ｌb1を発生する光源である。第２レーザ光源１１ｂは、制御部８Ｅから出力される第２レーザ光源駆動信号に基づいて、第１レーザ光源１１ａと同一周波数ｆであるが異なるタイミングで第２ベース波形のレーザ光（第２ベース光という）Ｌb2を発生する光源である。第１レーザ光源１１ａとして、発振波長がλ1のＤＦＢ半導体レーザ、第２レーザ光源１１ｂとして発振波長がλ2のＤＦＢ半導体レーザが例示される。第１実施例ではλ1＝λ2＝１０６４ｎｍとする。
第１レーザ光源１１ａで発生した第１ベース光Ｌb1と、第２レーザ光源１１ｂで発生した第２ベース光Ｌb2とはカプラ等により合波され、第１ベース光Ｌb1と第２ベース光Ｌb2とが合成されたベース光（合成ベース光という）が強度変調器１２に入射する。
強度変調器１２は、制御部８Ｅから出力される強度変調器駆動信号に基づいて、第１ベース光Ｌb1と第２ベース光Ｌb2とが合成された合成ベース光から、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかを切り出して増幅部２に出力する。強度変調器１２を駆動する強度変調器駆動信号の波形、より具体的には、強度変調器１２の透過率波形は、第１ベース光Ｌb1から第１シード光（第１パルス波形のレーザ光）Ｌs1を切り出す第１透過率波形と、第２ベース光Ｌb2から第２シード光（第２パルス波形のレーザ光）Ｌs2を切り出す第２透過率波形とが、それぞれ所定周波数ｆで交互に繰り返される高低ゲート状の波形である。強度変調器１２として、マッハツェンダ型のＥＯ強度変調器が好適に用いられる。
制御部８Ｅは、パルス制御回路８８と、第１レーザドライバ８１と、第２レーザドライバ８２と、ＥＯＭドライバ８３とを備えて構成される。パルス制御回路８８は、制御部８Ｅの基準クロックを基準とし、予め設定された第１ベース波形、第２ベース波形、および透過率波形に基づいて、第１レーザドライバ８１およびＥＯＭドライバ８３の制御信号を生成し出力する。
第１レーザドライバ８１は、パルス制御回路８８から出力されたベース波形の制御信号に基づいて、第１レーザ光源１１ａの駆動に適応した信号レベルのレーザ光源駆動信号を生成し、レーザ光源１１ａを駆動する。同様に、第２レーザドライバ８２は、パルス制御回路８０から出力された第２パルス波形の制御信号に基づいて、第２レーザ光源の駆動に適応した信号レベルの第２レーザ光源駆動信号を生成し、第２レーザ光源１１ｂを駆動する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス制御回路８８から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を生成し、強度変調器１２を駆動する。
このような構成形態のレーザ装置について、以下、具体的な数値を含めて、実施例を説明する。パルス制御回路８８には、第１ベース光Ｌb1を発生させるための第１ベース波形、第２ベース光Ｌb2を発生させるための第２ベース波形、および合成ベース光から第１,第２シード光を切り出すための透過率波形が予め設定記憶されている。
第１ベース波形は、第１シード光Ｌs1を切り出す元となる第１ベース光Ｌb1を発生させる波形であり、例えば、図６中に付記するように、オン時間が１ns程度のパルス波形が、第１ベース波形としてパルス制御回路８８に予め設定記憶されている。パルス制御回路８８は、周波数１００MHzで第１ベース波形が繰り返される第１ベース波形の制御信号を生成する。そして、生成した第１ベース波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングで第１レーザドライバ８１に出力する。第１レーザドライバ８１は、この制御信号を第１レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第１レーザ光源駆動信号を出力し、第１レーザ光源１１ａを駆動する。そのため、第１レーザ光源１１ａから、繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）で、相対的にピークパワーが高くパルス幅が短い第１ベース光Ｌb1が定常的に出力される。
第２ベース波形は、第２シード光Ｌs2を切り出す元となる第２ベース光Ｌb2を発生させる波形である。例えば、図示のようにオン時間が３ns程度のパルス波形が、第２ベース波形としてパルス制御回路８８に予め設定記憶されている。パルス制御回路８８は、周波数１００MHzで第２ベース波形が繰り返される第２ベース波形の制御信号を生成する。そして、生成した第２ベース波形の制御信号を、所定時刻ｔ0を基準とする第２タイミングで第２レーザドライバ８２に出力する。ここで、第１ベース波形の制御信号の出力タイミングと第２ベース波形の制御信号の出力タイミングとを異なるタイミングとするのは、合波後の第１ベース光Ｌb1と第２ベース光Ｌb2とが強度変調器１２において時間的に重ならないように分離するためである。
本実施例では、第１ベース波形の制御信号に対して第２ベース波形の制御信号が6.5ns遅れるように設定されている。第２レーザドライバ８２は、このように設定された制御信号を、第２レーザ光源の駆動に適応した信号レベルに変換して第２レーザ光源駆動信号を出力し、第２レーザ光源１１ｂを駆動する。そのため、第２レーザ光源１１ｂからは、第１ベース光Ｌb1と同じ繰り返し周期１０ns（周波数１００MHz）であるが、発光タイミングが6.5ns遅れた状態で、パルス幅が長い第２ベース光Ｌb2が定常的に出力される。
第１レーザ光源１１ａから出力された第１ベース光Ｌb1と、第２レーザ光源１１ｂから出力された第２ベース光Ｌb2とはカプラ等により合波され、第１ベース光Ｌb1と第２ベース光Ｌb2とが合成された合成ベース光が強度変調器１２に入射する。このとき、第１ベース光Ｌb1のパルス列と第２ベース光Ｌb2のパルス列とは、同じ繰り返し周期１０nsであるが、第２ベース光Ｌb2の位相が第１ベース光Ｌb1に対して6.5ns遅れている。
透過率波形は、時間幅が短く透過率が高い第１透過率波形と、時間幅が長く透過率が低い第２透過率波形とからなる。例えば、第１透過率波形は時間幅が０．１nsで透過率が１００％（強度変調器１２の最大透過率）、第２透過率波形は時間幅が３nsで透過率が３．３％に設定される。これらの透過率は、強度変調器１２により切り出された第１ベース光Ｌb1と第２ベース光Ｌb2のパルスエネルギーが同一になるように設定される。なお、第２レーザ光源１１ｂの出力レベルを調整することにより、第２透過率波形の透過率を１００％とすることもできる。
パルス制御回路８８は、設定記憶された第１透過率波形と第２透過率波形とから透過率波形の制御信号を生成する。透過率波形の制御信号は、第１透過率波形および第２透過率波形が、それぞれ周波数１００MHzで交互に繰り返される高低ゲート状の波形である。すなち、透過率波形の制御信号は、周波数１００MHz、（繰り返し周期１０ns）で繰り返される透過率１００％の第１透過率波形と、同じ周波数１００MHz、（繰り返し周期１０ns）であるが、異なるタイミングで繰り返される透過率３．３％の第２透過率波形とが合成された波形になっている。実施例では、第１透過率波形に対して第２透過率波形を6.5ns遅らせている。換言すれば、透過率波形の制御信号は、時間幅が０．１nsで透過率が１００％の第１透過率波形と、時間幅が３nsで透過率が３．３％の第２透過率波形とが合成されて、交互に繰り返される高低ゲート状の信号になっている。
パルス制御回路８８は、第１ベース波形および第２ベース波形と同じ周波数１００MHzで繰り返される透過率波形の制御信号を生成する。そして、生成した透過率波形の制御信号を、紫外光（出力光）のオン／オフパターンに応じて、所定時刻ｔ0を基準とする第１タイミングまたは第２タイミングでＥＯＭドライバ８３に出力する。ＥＯＭドライバ８３は、パルス制御回路８８から出力された透過率波形の制御信号に基づいて、強度変調器の駆動に適応した信号レベルの強度変調器駆動信号を出力し、強度変調器１２を駆動する。
例えば、紫外光の出力指令がオン状態のとき、パルス制御回路８８は、第１タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力し、強度変調器１２を作動させる。このときＥＯＭドライバ８３に出力される制御信号は、第１ベース光Ｌb1が強度変調器１２に入射するタイミングと合致して、強度変調器１２を時間幅０．１nsで透過率を１００％とする信号である。
紫外光の出力指令がオフ状態のとき、パルス制御回路８８は、第２タイミングで透過率波形の制御信号をＥＯＭドライバ８３に出力し、強度変調器１２を作動させる。このときＥＯＭドライバ８３に出力される制御信号は、第２ベース光Ｌb2が強度変調器１２に入射するタイミングと合致して、強度変調器１２を時間幅３nsで透過率を３．３％とする信号である。
そのため、出力指令がオン状態のときには、強度変調器１２から時間幅が０．１nsでピークパワーが高い第１シード光Ｌs1が出力され、出力指令がオフ状態のときには、強度変調器１２から時間幅が３nsでピーク強度が低い第２シード光Ｌs2が出力される。
出力指令がオン状態のときに強度変調器１２から出力される第１シード光Ｌs1のパルス列、および出力指令がオフ状態のときに強度変調器１２から出力される第２シード光Ｌs2のパルス列は、増幅部２に入射してファイバ増幅器２１により増幅される。第１シード光Ｌs1と第２シード光Ｌs2とは、パルス波形は相違するがパルスエネルギーは同一になるように設定されている。また、ファイバ増幅器２１には、出力指令に応じて、第１シード光Ｌs1のパルス列および第２シード光Ｌs2のパルス列の何れかが、周波数１００MHzで定常的に入射している。そのため、ファイバ増幅器２１におけるＹｂ原子の反転分布状態は、出力指令がオン状態であるかオフ状態であるかを問わず、またオン状態の時間幅とオフ状態の時間幅がどの様な配分であるかを問わず、常時一定の定常状態に維持される。
波長変換部３には、出力指令がオン状態のときに第１シード光Ｌs1の増幅光である第１増幅光が入射し、出力指令がオフ状態のときに第２シード光Ｌs2の増幅光である第２増幅光が入射する。第１増幅光と第２増幅光とは、パルスエネルギーは同一であるがパルス波形は異なっている。すなわち第１増幅光は、パルス幅が０．１ns程度でピークパワーが１（任意単位）の高ピークパワーのパルス光であり、第２増幅光は、パルス幅が３ns程度でピークパワーが０．０３３（任意単位）の低ピークパワーのパルス光である。両者のパルスエネルギーを同一としたとき、第２増幅光のピークパワーは第１増幅光のピークパワーの１／３０程度である。
波長変換光学素子３２において第３高調波を発生させる場合の変換効率ηは、概略的に、増幅光のピークパワーＰpの二乗に比例する。従って、高ピークパワーの第１増幅光は高い変換効率で波長変換され、波長３５５ｎｍの紫外光が発生する。一方、低ピークパワーの第２増幅光は波長変換効率ηが第１増幅光の１／１０００程度であり、波長３５５ｎｍの紫外光は実質的に発生しない。
以上説明した第１実施例では、波長変換部３における波長変換効率が高い第１シード光Ｌs1と、波長変換効率が低い第２シード光Ｌs2とを形成する手段として、ピークパワーの高低差を利用し、これにより出力光である紫外光をオン／オフする構成を例示した。しかし、第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2は、既述した第１〜第３構成形態で説明したと同様に他の手段により構成することもできる（各構成形態における第２〜第４実施例を参照）。
本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａおよび第２レーザ光源１１ｂが完全な定常状態で動作されるため、安定的に発振させることができる。また、ファイバ増幅器２１には、パルスエネルギーが同一の第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2のいずれかが常時入射されるため、反転分布状態が一定に維持され、安定した増幅光を得ることができる。
従って、本構成形態のレーザ装置によれば、高低ゲート状の透過率波形を、出力指令のオン／オフパターンに応じて、時間軸方向にスライドさせる極めて簡明な構成で、オン時間が長いパルス列〜オン時間が短いパルス列まで、極めて安定的に、且つパルス単位の高速で切り換えて、所望波形の紫外光を出力させることができる。また、本構成形態のレーザ装置では、第１レーザ光源１１ａから出力された第１ベース光、および第２レーザ光源１１ｂから出力された第２ベース光の一部を強度変調器１２により切り出して第１シード光Ｌs1および第２シード光Ｌs2を生成するため、レーザ光源を直接強度変調して第１，第２シード光を生成する構成に比べて、狭帯域の紫外光を発生させることができる。
以上説明した実施形態では、レーザ光発生部１から波長１．０６μｍ帯のシード光を出力し、波長変換部３の二つの波長変換光学素子３１，３２で波長３５５ｎｍの紫外光に波長変換して出力する構成を例示したが、シード光の波長帯域や波長変換光学素子の個数及び配置、出力光の波長等は任意であり、公知の種々の構成に適用できる。
以上説明したようなレーザ装置ＬＳは、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、露光装置や光造形装置等の光加工装置、フォトマスクやウェハ等の検査装置、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光治療装置などのシステムに好適に適用することができる。
レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第１の適用例として、半導体製造や液晶パネル製造のフォトリソグラフィ工程で用いられる露光装置について、その概要構成を示す図７を参照して説明する。露光装置５００は、原理的には写真製版と同じであり、石英ガラス製のフォトマスク５１３に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウェハやガラス基板などの露光対象物５１５に光学的に投影して転写する。
露光装置５００は、上述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系５０２と、フォトマスク５１３を保持するマスク支持台５０３と、投影光学系５０４と、露光対象物５１５を保持する露光対象物支持テーブル５０５と、露光対象物支持テーブル５０５を水平面内で移動させる駆動機構５０６とを備えて構成される。照明光学系５０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、マスク支持台５０３に保持されたフォトマスク５１３に照射する。投影光学系５０４も複数のレンズ群により構成され、フォトマスク５１３を透過した光を露光対象物支持テーブル上の露光対象物５１５に投影する。
このような構成の露光装置５００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系５０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光がマスク支持台５０３に保持されたフォトマスク５１３に照射される。フォトマスク５１３を通過した光はフォトマスク５１３に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系５０４を介して露光対象物支持テーブル５０５に保持された露光対象物５１５の所定位置に照射される。これにより、フォトマスク５１３のデバイスパターンの像が、半導体ウェハや液晶パネル等の露光対象物５１５の上に所定倍率で結像露光される。
レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第２の適用例として、可変成形マスクを用いた露光装置について、その概要構成を示す図８を参照して説明する。この露光装置５５０は、フォトマスクに変えて可変成形マスクを備える点を除いて、基本的には、上述した第１構成形態の露光装置５００と同様であり、可変成形マスクにより生成された任意パターンの像をフォトレジストを塗布したガラス基板や半導体ウェハなどの露光対象物５６５に光学的に投影して転写する（例えば、本出願人に係る特許第５２１１４８７号公報、特開２０１２−５４５００号公報、特開２０１１−４９２９６号公報等を参照）。
露光装置５５０は、既述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系５５２と、可変成形マスク５６３と、投影光学系５５４と、露光対象物５６５を保持する露光対象物支持テーブル５５５と、露光対象物支持テーブル５５５を水平面内で移動させる駆動機構５５６とを備えて構成される。照明光学系５５２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、ミラー５５３を介して可変成形マスク５６３に照射する。投影光学系５５４も複数のレンズ群により構成され、可変成形マスク５６３を介して生成された任意パターンの光を露光対象物テーブル５５５に保持された露光対象物５６５に投影する。
可変成形マスク５６３は、複数の可動ミラーを有して任意パターンの反射光を生成可能に構成され、例えば図９に示すように、可動ミラー５６３ａがｍ行×ｎ列にわたって次元的に配列されたＤＭＤ（Digital Micromirror DeviceまたはDeformable Micromirror Device）が好適に用いられる。図１０にＤＭＤの一部を拡大した斜視図を示すように、各可動ミラー５６３ａ，５６３ａ，…は、入出射面と直交方向に延びる軸Ｊ回りに各々独立して回動可能に設けられており、図示省略するＤＭＤ駆動装置によって各可動ミラーがオン位置とオフ位置とに切り換え制御される。
可動ミラー５６３ａがオン位置に設定されたときには、照明光学系５５２から出射して当該可動ミラー５６３ａで反射された光は、投影光学系５５４に入射して露光対象物５６５の露光面に結像する。一方、可動ミラー５６３ａがオフ位置に設定されたときには、照明光学系５５２から出射して当該可動ミラー５６３ａで反射された光は投影光学系５５４に入射せず、光路上に設けられたダンパにより吸収される。そのため、所定座標位置の可動ミラーをオン位置、他の座標位置の可動ミラーをオフ位置に設定することにより、任意パターンの光を生成して露光することができる（前記の特許等を参照）。
このような構成の露光装置５５０においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系５５２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光がミラー５５３を介して可変成形マスク５６３に照射される。可変成形マスク５６３に入射した光は所定パターンに変換されて投影光学系５５４に入射し、露光対象物支持テーブル５５５に保持された露光対象物５６５の所定位置に照射される。これにより、露光パターンに応じた露光光が、半導体ウェハや液晶パネル等の露光対象物５１５の上に所定倍率で結像される。
レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第３の適用例として、直接描画タイプの露光装置について、図１１を参照して説明する。この露光装置５７０は、レーザ装置から出力されたレーザ光を偏向手段により偏向して露光対象物５８５上を走査させ、予め設定された任意パターンの像を露光対象物に直接描画する。本構成例では偏向手段としてポリゴンミラーを用いた構成を例示する。
露光装置５７０は、既述したレーザ装置ＬＳと、整形光学系５７２と、ポリゴンミラー５８３と、対物光学系５７４と、露光対象物５８５を保持する露光対象物支持テーブル５７５と、露光対象物支持テーブル５７５を水平面内で移動させる駆動機構５７６とを備えて構成される。整形光学系５７２はコリメートレンズを含む複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を整形し、ミラー５７３を介してポリゴンミラー５８３に入射させる。ポリゴンミラー５８３は回転多面鏡であり、図１１では平面視において正六角形のミラーがミラー駆動機構により紙面に直交する軸廻りに回転駆動される構成を例示する。対物光学系５７４はｆθレンズや集光レンズ等の複数のレンズ群により構成され、ポリゴンミラー５８３により走査されるレーザ光を露光対象物テーブル５７５に保持された露光対象物５８５に結像させる。露光対象物テーブル５７５は露光対象物５８５をポリゴンミラー５８３によるレーザ光の走査方向と直交する方向（図において紙面直交方向）に移動させる。
レーザ装置ＬＳ、ポリゴンミラー５８３及び露光対象物テーブル５７５は、図示省略する制御装置により作動が制御される。制御装置には、露光対象物５８５に描画するパターンのデータが予め設定記憶されており、制御装置は、設定されたパターンのデータに応じてレーザ装置ＬＳ、ポリゴンミラー５８３及び露光対象物テーブル５７５の作動を制御する。これにより、露光対象物テーブル５７５に保持された露光対象物５８５に予め設定されたパターンの像が露光形成される。
既述したように、レーザ装置ＬＳは、任意パターンのパルス光を発生させることができ、かつパルス光を構成する光パルス単位で高速にオン／オフ制御することができる。そのため、マスクを用いずにレーザ光で直接描画する本構成形態のような露光装置において特に重要となるレーザ光そのものを高精度に制御することができ、精度が高い露光を実現することができる。
なお、実施形態では偏向手段の一例として、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を露光対象物５８５上で一軸方向に走査させるポリゴンミラー５８３を例示したが、偏向手段は他の構成を用いることもできる。例えば、ポリゴンミラー５８３に代えてガルバノミラーを用いることができ、あるいは、２つのガルバノミラーを直交する二軸方向に組み合わせてレーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を露光対象物５８５上で二軸方向に走査させるように構成することもできる。
次に、レーザ装置ＬＳを備えたシステムの第４の適用例として、フォトマスクや液晶パネル、ウェハ等（被検物）の検査工程で使用される検査装置について、その概要構成を示す図１２を参照して説明する。図１２に例示する検査装置６００は、フォトマスク等の光透過性を有する被検物６１３に描かれた微細なデバイスパターンの検査に好適に使用される。
検査装置６００は、前述したレーザ装置ＬＳと、照明光学系６０２と、被検物６１３を保持する被検物支持台６０３と、投影光学系６０４と、被検物６１３からの光を検出するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ６１５と、被検物支持台６０３を水平面内で移動させる駆動機構６０６とを備えて構成される。照明光学系６０２は複数のレンズ群からなり、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光を、所定光束に調整して被検物支持台６０３に保持された被検物６１３に照射する。投影光学系６０４も複数のレンズ群により構成され、被検物６１３を透過した光をＴＤＩセンサ６１５に投影する。
このような構成の検査装置６００においては、レーザ装置ＬＳから出力されたレーザ光が照明光学系６０２に入力され、所定光束に調整されたレーザ光が被検物支持台６０３に保持されたフォトマスク等の被検物６１３に照射される。被検物６１３からの光（本構成例においては透過光）は、被検物６１３に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系６０４を介してＴＤＩセンサ６１５に投影され結像する。このとき、駆動機構６０６による被検物支持台６０３の水平移動速度と、ＴＤＩセンサ６１５の転送クロックとは同期して制御される。
そのため、被検物６１３のデバイスパターンの像がＴＤＩセンサ６１５により検出され、このようにして検出された被検物６１３の検出画像と、予め設定された所定の参照画像とを比較することにより、被検物に描かれた微細パターンの欠陥が抽出される。なお、被検物６１３がウェハ等のように光透過性を有さない場合には、被検物からの反射光を投影光学系６０４に入射してＴＤＩセンサ６１５に導くことにより、同様に構成することができる。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１３年第２２２２６３号（２０１３年１０月２５日出願）
ＬＳ レーザ装置
１ レーザ光発生部 ２ 増幅部
３ 波長変換部 ８ 制御部
１１（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ，１１Ｅ） レーザ光源
１１ａ 第１レーザ光源 １１ｂ 第２レーザ光源
１１ｃ 第１レーザ光源 １１ｄ 第２レーザ光源
１２ 強度変調器 ２１ ファイバ増幅器（増幅器）
３０ 波長変換光学系 ３１，３２ 波長変換光学素子
８０ パルス制御回路 ８１ 第１レーザドライバ
８２ 第２レーザドライバ ８３ ＥＯＭドライバ
８４ 光検出器
８５ パルス同期制御回路（同期回路） ８６ パルス制御回路
８７ パルス制御回路 ８８ パルス制御回路
５００ 露光装置
５０２ 照明光学系 ５０３ マスク支持台
５０４ 投影光学系 ５０５ 露光対象物支持テーブル
５１３ フォトマスク ５１５ 露光対象物
５５０ 露光装置
５５２ 照明光学系 ５５３ ミラー
５５４ 投影光学系 ５５５ 露光対象物支持テーブル
５６３ 可変成形マスク ５６５ 露光対象物
５７０ 露光装置
５７２ 整形光学系 ５７３ ミラー
５７４ 対物光学系 ５７５ 露光対象物支持テーブル
５８３ ポリゴンミラー ５８５ 露光対象物
６００ 検査装置
６０２ 照明光学系 ６０３ 被検物支持台
６０４ 投影光学系 ６１３ 被検物
６１５ ＴＤＩセンサ

Claims (17)

  1. 予め設定された所定周波数のパルス波形のレーザ光を発生するレーザ光源と、
    前記所定周波数またはその整数倍の周波数で透過率が変化する透過率波形で駆動され、前記レーザ光源から出力されたレーザ光を切り出して出射する強度変調器と、
    前記強度変調器の作動を制御する制御部と、
    前記強度変調器から出力されたレーザ光を増幅する増幅器と、
    前記増幅器により増幅されたレーザ光を波長変換する波長変換光学素子とを備え、
    前記制御部は、前記パルス波形に対する前記透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより前記強度変調器から出射するレーザ光のパルス波形を変化させ、前記波長変換光学素子から所定波形のパルス光を出力させる
    ように構成したレーザ装置であって、
    前記強度変調器から出射されるレーザ光は、前記所定周波数の第１パルス波形のレーザ光と、前記所定周波数であるが前記第１パルス波形のレーザ光とタイミングが異なる第２パルス波形のレーザ光とのいずれかを含み、
    前記第１パルス波形のレーザ光は、前記波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に高く前記パルス光が発生するように設定された光であり、
    前記第２パルス波形のレーザ光は、エネルギーは前記第１パルス波形のレーザ光と略同一であるが、前記波長変換光学素子における波長変換効率が相対的に低く前記パルス光が発生しないように設定された光である、レーザ装置。
  2. 前記レーザ光源は、前記所定周波数で第１パルス波形のレーザ光を発生する第１レーザ光源と、前記所定周波数であるが前記第１パルス波形のレーザ光と異なるタイミングで第２パルス波形のレーザ光を発生する第２レーザ光源とを有し、
    前記強度変調器には、前記第１レーザ光源から出力された前記第１パルス波形のレーザ光と前記第２レーザ光源から出力された前記第２パルス波形のレーザ光とが合波されて入射し、
    前記透過率波形は、前記所定周波数でレーザ光を透過する透過状態とレーザ光を遮断する遮断状態とが切り替わるオン／オフゲート状の波形であり、
    前記制御部は、前記第１パルス波形および前記第２パルス波形に対する前記透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、前記強度変調器を透過するレーザ光のパルス波形を変化させる請求項１に記載のレーザ装置。
  3. 前記第１パルス波形のレーザ光と前記第２パルス波形のレーザ光とは、ピーク強度が異なる請求項２に記載のレーザ装置。
  4. 前記第１パルス波形のレーザ光と前記第２パルス波形のレーザ光とは、波長が異なる請求項２または３に記載のレーザ装置。
  5. 前記第１パルス波形のレーザ光と前記第２パルス波形のレーザ光とは、前記波長変換光学素子に入射する際の偏光状態が異なる請求項２〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  6. 前記第１レーザ光源および前記第２レーザ光源は、半導体レーザである請求項２〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  7. 前記第１レーザ光源は、前記第１パルス波形のレーザ光を前記所定周波数で発生するモードロックレーザであり、
    前記第２レーザ光源は半導体レーザであり、
    前記モードロックレーザから出力された前記第１パルス波形のレーザ光を検出する光検出器と、
    前記光検出器により検出された前記第１パルス波形に基づいて、前記第２レーザ光源の駆動電源および前記制御部に同期信号を出力する同期回路と
    を備えた請求項２〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  8. 前記第１レーザ光源から出力された前記第１パルス波形のレーザ光と、前記第２レーザ光源から出力された前記第２パルス波形のレーザ光とは、一度合波された後に複数に分岐され、
    前記強度変調器、前記増幅器、および前記波長変換光学素子は前記複数に分岐された分岐光路ごとに設けられており、
    前記制御部が、前記分岐光路ごとに前記第１パルス波形および前記第２パルス波形に対する前記透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、各前記波長変換光学素子からパルス波形が異なる複数のパルス光を出力可能に構成した請求項２〜７のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  9. 前記レーザ光源は、前記所定周波数で第１ベース波形のレーザ光を発生する第１レーザ光源と、前記所定周波数であるが前記第１ベース波形のレーザ光と異なるタイミングで第２ベース波形のレーザ光を発生する第２レーザ光源とを有し、
    前記強度変調器には、前記第１レーザ光源から出力された前記第１ベース波形のレーザ光と、前記第２レーザ光源から出力された前記第２ベース波形のレーザ光とが合波されて入射し、
    前記透過率波形は、前記第１ベース波形のレーザ光から前記第１パルス波形のレーザ光を切り出す第１透過率波形と、前記第２ベース波形のレーザ光から前記第２パルス波形のレーザ光を切り出す第２透過率波形とが、それぞれ前記所定周波数で交互に繰り返されるゲート状の波形であり、
    前記制御部は、前記第１ベース波形および前記第２ベース波形に対する前記透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、前記強度変調器を透過するレーザ光のパルス波形を変化させる請求項１に記載のレーザ装置。
  10. 前記第１パルス波形のレーザ光と前記第２パルス波形のレーザ光とは、ピーク強度が異なる請求項９に記載のレーザ装置。
  11. 前記第１ベース波形のレーザ光と前記第２ベース波形のレーザ光とは、波長が異なる請求項９または１０に記載のレーザ装置。
  12. 前記第１ベース波形のレーザ光と前記第２ベース波形のレーザ光とは、前記波長変換光学素子に入射する際の偏光状態が異なる請求項９〜１１のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  13. 前記第１レーザ光源から出力された前記第１ベース波形のレーザ光と、前記第２レーザ光源から出力された前記第２ベース波形のレーザ光とは、一度合波された後に複数に分岐され、
    前記強度変調器、前記増幅器、および前記波長変換光学素子は前記複数に分岐された分岐光路ごとに設けられており、
    前記制御部が、前記分岐光路ごとに前記第１ベース波形および前記第２ベース波形に対する前記透過率波形の相対的なタイミングを変化させることにより、各前記波長変換光学素子からパルス波形が異なる複数のパルス光を出力可能に構成した請求項９〜１２のいずれか一項に記載のレーザ装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    所定の露光パターンが形成されたフォトマスクを保持するマスク支持部と、
    露光対象物を保持する露光対象物支持部と、
    前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記マスク支持部に保持されたフォトマスクに照射する照明光学系と、
    前記フォトマスクを透過した光を前記露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系と
    を備えた露光装置。
  15. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    複数の可動ミラーを有し任意パターンの光を生成する可変成形マスクと、
    露光対象物を保持する露光対象物支持部と、
    前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記可変成形マスクに照射する照明光学系と、
    前記可変成形マスクを介して生成された前記任意パターンの光を前記露光対象物支持部に保持された露光対象物に投影する投影光学系と
    を備えた露光装置。
  16. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    露光対象物を保持する露光対象物支持部と、
    前記レーザ装置から出力されたレーザ光を偏向し、前記露光対象物支持部に保持された露光対象物上で走査させる偏向部と、
    前記偏向部により偏向された光を前記露光対象物に結像させる対物光学系と
    を備えた露光装置。
  17. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ装置と、
    被検物を保持する被検物支持部と、
    前記レーザ装置から出力されたレーザ光を前記被検物支持部に保持された被検物に照射する照明光学系と、
    前記被検物からの光を検出器に投影する投影光学系と
    を備えた検査装置。
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