CN103348286B - 紫外线激光装置 - Google Patents

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Abstract

紫外线激光装置具备输出红外线激光光的激光光输出部、将红外线激光光波长转换的波长转换部。激光光输出部具备输出波长为1900～2000nm的第1红外线激光光的第1激光光输出部、与输出波长为1000～1100nm的第2红外线激光光的第2激光光输出部。波长转换光学系具备第1红外线激光光射入并传播的第1系列I、与在第1系列传播后的激光光及从第2激光光输出部输出的第2红外线激光光合波后传播的第2系列II，射入波长转换光学系后的第1、第2红外线激光光被波长转换光学元件31～34依序波长转换，由此输出紫外线激光。

Description

紫外线激光装置
技术领域
本发明关于一种紫外线激光装置，其具备输出红外线波长的激光光的激光光输出部、及具有波长转换光学元件并将从激光光输出部所输出的红外线波长的激光光波长转换成紫外线波长的激光光的波长转换部。
背景技术
作为如上所述的具备激光光输出部与波长转换部的紫外线激光装置，已知有例如可较佳地用于曝光装置或检查装置、治疗装置等的激光装置。此种激光装置一般而言通过光纤光放大器将从DFB（DistributedFeedback，分布回馈式）半导体激光等激光光源所射出的红外线波长的激光光放大，并通过配设于波长转换部的波长转换光学元件对经放大的红外线激光光进行波长转换而输出紫外线波长的激光光。作为光纤光放大器，根据光纤开发的历史过程，正广泛使用将波长1.55μm频带的红外线激光光放大的掺铒（Er）光纤光放大器（一般略记为“EDFA”（Erbium-dopedFiberAmplifier））。
另一方面，在以紫外线激光装置作为光源的各种装置，输出的紫外光的波长越短则微细构造的形成或观察越容易，但限于对波长235nm以下的紫外线区域为透明的光学材料。作为紫外线激光装置，已实用化的ArF准分子激光的振荡波长为193nm。因此，紫外线激光装置的波长转换部将从激光光输出部输出的红外线激光光波长转换成波长190～200nm的波长频带的紫外线激光光并输出(参照专利文献1及专利文献2)。通过此种构成，可实现操作容易且输出上述波长频带的紫外线激光光的小型的全固体型紫外线激光装置。
专利文献1：日本特开2004-86193号公报
专利文献2：日本特开2010-93210号公报
发明内容
在上述紫外线激光装置，波长转换部的构成如专利文献1所揭示般具有各种形态，但一般而言，形成多个传播路径，在各传播路径分别设置波长转换光学元件，使基本波及在各传播路径产生的高次谐波多次重迭而输出紫外线激光光。因此，具有波长转换部的构成复杂的问题、就波长转换部整体观察时不易获得高波长转换效率的问题。
又，为使红外线激光光的输出增大，虽然也提案多级串联EDFA的构成，但EDFA所获得的红外线激光光的最大平均输出为几十W左右，存在紫外线激光光的进一步高输出化困难的课题。
为了解决上述问题，本发明例示形态的紫外线激光装置，具备输出红外线波长的激光光的激光光输出部、具有波长转换光学元件且将从该激光光输出部输出的红外线激光光波长转换成紫外线波长的激光光并输出的波长转换部，其特征在于：激光光输出部具备输出波长为1900～2000nm的第1红外线激光光的第1激光光输出部、与输出波长为1000～1100nm的第2红外线激光光的第2激光光输出部；波长转换部具备从第1激光光输出部输出的第1红外线激光光射入并传播的第1系列、与在第1系列传播后的激光光及从第2激光光输出部输出的第2红外线激光光合波后射入并传播的第2系列；射入波长转换部后的第1及第2红外线激光光被设在波长转换部的波长转换光学元件波长转换，由此从第2系列输出紫外线激光光。
根据本发明第2形态，在第1形态的紫外线激光装置中，设在波长转换部的波长转换光学元件包括下述元件：第1波长转换光学元件，产生第1红外线激光光的第2谐波；第2波长转换光学元件，产生从第1波长转换光学元件射出的第2谐波的第2谐波、即第1红外线激光光的第4谐波；第3波长转换光学元件，产生从第2波长转换光学元件射出的第4谐波的第2谐波、即第1红外线激光光的第8谐波即前段紫外线激光光；以及第4波长转换光学元件，通过前段紫外线激光光与第2红外线激光光的和频产生而产生紫外线激光光。
根据本发明第3形态，在第2形态的紫外线激光装置中，第1波长转换光学元件及第2波长转换光学元件被设在第1系列；第3波长转换光学元件及第4波长转换光学元件被设在第2系列。
根据本发明第4形态，在第2形态的紫外线激光装置中，第1波长转换光学元件、该第2波长转换光学元件及该第3波长转换光学元件被设在第1系列；第4波长转换光学元件被设在该第2系列。
根据本发明第5形态，在第2～第4形态的紫外线激光装置中，在第3波长转换光学元件的相位匹配及在第4波长转换光学元件的相位匹配为非临界相位匹配(NCPM：Non-CriticalPhaseMatching)。
根据本发明第6形态，在第2～第5形态的紫外线激光装置中，在第1波长转换光学元件的相位匹配及在第2波长转换光学元件的相位匹配为准相位匹配(QPM：QuasiPhaseMatching)。
根据本发明第7形态，在第1～第6形态的紫外线激光装置中，第1激光光输出部具有掺铥光纤光放大器。
根据本发明第8形态，在第1～第7形态的紫外线激光装置中，第2激光光输出部具有掺镱光纤光放大器。
根据本发明第9形态，在第1～第8形态的紫外线激光装置中，紫外线激光光为波长190～200nm的深紫外光。
此外，本说明书中，为了与第4波长转换光学元件所产生且从波长转换部输出的“紫外线激光光”识别，将第3波长转换光学元件所产生的紫外线区域的激光光方便上表记成“前段紫外线激光光”。
根据本发明，可提供能以重迭仅一次的简单构成输出紫外线激光光的新手段。又，根据通过第1～第4波长转换光学元件构成波长转换部的形态，可提供能以波长转换光学元件仅四个的简单构成输出紫外线激光光的新手段。再者，根据将第1、第2波长转换光学元件配置在第1系列、将第3、第4波长转换光学元件配置在第2系列的形态，可提供能将使光束重迭的反射镜或聚光透镜等光学元件配置在红外线～可视区域、以简单且低价的构成长期间稳定动作的紫外线激光装置。
又，根据使在第3、第4波长转换光学元件的相位匹配为非临界相位匹配、在第1、第2波长转换光学元件的相位匹配为准相位匹配的形态，可提供光束品质及波长转换效率高的紫外线激光装置。根据第1激光光输出部具有掺铥光纤光放大器的形态、第2激光光输出部具有掺镱光纤光放大器的形态，可提供紫外线激光光的进一步高输出化为可能的新手段。
附图说明
图1是作为本发明形态例示的紫外线激光装置的整体图。
图2是例示第1构成例的紫外线激光装置的概要构成图。
图3是例示第2构成例的紫外线激光装置的概要构成图。
图4是例示第3构成例的紫外线激光装置的概要构成图。
具体实施方式
以下，参照图说明用以实施本发明的形态。图1是显示作为本发明形态例示的紫外线激光装置LS(LS1～LS3)的整体图。紫外线激光装置LS具备输出红外线激光光La(La1,La2)的激光光输出部1、具有波长转换光学元件且将从激光光输出部1输出的红外线激光光La波长转换成紫外线激光光Lv并输出的波长转换部3、控制激光光输出部1及波长转换部3的作动的控制部8等。
激光光输出部1是由输出波长为1900～2000nm的第1基本波的红外线激光光(第1红外线激光光)La1的第1激光光输出部1a与输出波长为1000～1100nm的第2基本波的红外线激光光(第2红外线激光光)La2的第2激光光输出部1b构成。第1红外线激光光La1与第2红外线激光光La2的具体波长可依据从紫外线激光装置LS输出的紫外线激光光Lv的波长及波长转换部3的构成适当设定。
激光光输出部1，在图1所示的构成例，是由输出种光的激光光产生部10与使从激光光产生部10输出的种光放大的放大部20构成。
激光光产生部10具备产生第1基本波的种光Ls1的第1激光光源11与产生第2基本波的种光Ls2的第2激光光源12。放大部20具备与第1激光光源对应设置的第1光纤光放大器21及与第2激光光源对应设置的第2光纤光放大器22。
通过此构成，在第1激光光输出部1a，第1激光光源11所产生的第1基本波的种光Ls1通过第1光纤光放大器21放大至规定输出，输出放大后的第1红外线激光光La1。又，在第2激光光输出部1b，第2激光光源12所产生的第2基本波的种光Ls2通过第2光纤光放大器22放大至规定输出，输出放大后的第2红外线激光光La2。此外，图1中，省略在第1光纤光放大器21及第2光纤光放大器22的激发光光源的图示。
第1激光光源11可较佳适用于振荡波长为2μm频带的DFB(DistributedFeedback)半导体激光，第2激光光源12可较佳适用于振荡波长为1.1μm频带的DFB半导体激光。DFB半导体激光通过在以利用帕尔帖元件等的温度调整器控制温度的状态下振荡，由此能使狭带域化的单一波长的种光产生。DFB半导体激光通过对激发电流进行波形控制来能以任意强度使CW振荡或脉冲振荡。此外，在激光光产生部10设置EOM(ElectroOpticModulator)等外部调制器，通过外部调制器撷取CW(ContinuousWave)振荡或脉冲振荡的激光光源的输出光并输出所需波形的脉冲光也可以。
第1光纤光放大器21可较佳使用在放大用光纤的芯部掺杂铥(Tm)的掺铥光纤光放大器(TDFA)。掺铥光纤光放大器在波长为1900～2000nm的频带具有增益，使从第1激光光源11射出的上述波长频带内的规定波长的种光Ls1放大，将放大后的第1红外线激光光La1输出至波长转换部3。
第2光纤光放大器22可较佳使用在放大用光纤的芯部掺杂镱(Yb)的掺镱光纤光放大器(YDFA)。掺镱光纤光放大器在波长为1000～1100nm的频带具有增益，使从第2激光光源12射出的上述波长频带内的规定波长的种光Ls2放大，将放大后的第2红外线激光光La2输出至波长转换部3。
以上，虽例示通过激光光源11,12与光纤光放大器21,22构成激光光输出部1a,1b的形态，但通过在光纤光放大器的入出射端组装谐振器的光纤激光构成也可以。
在波长转换部3设有由多个波长转换光学元件及反射镜等构成的波长转换光学系30(30A～30C)。图2～图4是显示分别使用波长转换光学系30A～30C的第1～第3构成例的紫外线激光装置LS1～LS3的波长转换光学系30A～30C的概要构成。此外，各图中，在光路上以椭圆形表示者为准直镜或聚光透镜，这些的说明省略。
波长转换光学系30A～30C分别是由从第1激光光输出部1a输出的第1红外线激光光La1射入并传播的第1系列I、与在第1系列传播后的激光光及从第2激光光输出部1b输出的第2红外线激光光La2合波后传播的第2系列II构成。射入至波长转换部3的第1红外线激光光La1及第2红外线激光光La2是通过设在波长转换部3的波长转换光学元件依序波长转换的，从第2系列II输出紫外线激光光Lv。在以上述方式概要构成的紫外线激光装置，能以仅重迭一次的简单构成输出紫外线激光光。
波长转换光学系30A～30C分别以四个波长转换光学元件31～34为主体构成。第1波长转换光学元件31为通过第2谐波产生(SHG：SecondHarmonicGeneration)使第1红外线激光光La1(第1基本波)的第2谐波产生的波长转换光学元件。第2波长转换光学元件32为通过第2谐波产生使从第1波长转换光学元件31射出的上述第2谐波的第2谐波、即第1基本波的第4谐波产生的波长转换光学元件。第3波长转换光学元件33为通过第2谐波产生使从第2波长转换光学元件32射出的上述第4谐波的第2谐波、即第1基本波的第8谐波即前段紫外线激光光产生的波长转换光学元件。第4波长转换光学元件34为通过从第3波长转换光学元件33射出的前段紫外线激光光与第2红外线激光光La2(第2基本波)的和频产生(SFG：SumFreguencyGeneration)使紫外线激光光Lv产生的波长转换光学元件。根据此种构成，能以波长转换光学元件仅四个的简单构成使紫外线激光光输出。
又，在以上述方式概要构成的紫外线激光装置LS，作为第1光纤光放大器21、第2光纤光放大器22，皆使用可较容易获得百W以上的高输出红外线激光光的掺镱光纤光放大器、掺铥光纤光放大器。因此，可实现被认为高输出化已达大致限界的全固体型紫外线激光装置的大幅高输出化。
接着，针对具有上述特征的紫外线激光装置LS，说明输出波长为200nm以下的紫外线激光光(深紫外光)Lv的情形的具体构成例。此时，具有上述特征的紫外线激光装置LS的具体构成，可通过任意设定从第1激光光输出部1a输出的第1红外线激光光(第1基本波)La1的波长λ1、从第2激光光输出部1b输出的第2红外线激光光(第2基本波)La2的波长λ2、及从波长转换部3输出的紫外线激光光Lv的波长λv达成极多数组合。
因此，本说明书中，作为代表例，说明从第1激光光输出部1a输出的第1基本波的波长λ1=1902nm、从第2激光光输出部1b输出的第2基本波的波长λ2=1079nm、从波长转换部3输出的紫外线激光光Lv的波长λv=194.9nm的三种构成例。
在这些三种构成例，第1激光光输出部1a在第1激光光源11使波长λ1=1902nm的种光Ls1产生，通过第1光纤光放大器(掺铥光纤光放大器)21将其放大，使放大至规定输出的第1红外线激光光La1射入至波长转换光学系30(30A～30C)。同样地，第2激光光输出部1b通过第2激光光源12使波长λ2=1079nm的种光Ls2产生，通过第2光纤光放大器(掺镱光纤光放大器)22将其放大，使放大至规定输出的第2红外线激光光La2射入至波长转换光学系30(30A～30C)。
(第1构成例)
第1构成例的波长转换光学系30A的构成，在第1红外线激光光(第1基本波)La1射入的第1系列I设有三个波长转换光学元件31～33，在第2红外线激光光(第2基本波)La2合波后射入的第2系列II设有波长转换光学元件34。
射入至第1系列的λ1=1902nm、角频率ω1的第1基本波，在此第1系列I传播的过程，通过设在第1系列的三个波长转换光学元件31～33波长转换成角频率为第1基本波的8倍(8ω1)、波长为1/8(λ1/8=237.8nm)的第8谐波。
第1波长转换光学元件31将角频率ω1的第1基本波(第1红线激光光)波长转换成角频率为2ω1的第2谐波。本构成例中，作为第1波长转换光学元件31使用PPLN(PeriodicallyPoledLN：形成有周期分极反转构造的LiNbO3)晶体，通过准相位匹配(QPM：QuasiPhaseMatching)达成相位匹配条件。在第1波长转换光学元件31进行第1基本波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的2倍(2ω1)、波长为一半(λ1/2=951nm)的第2谐波。在第1波长转换光学元件31产生的波长951nm的第2谐波射入至第2波长转换光学元件32。
第2波长转换光学元件32将通过第1波长转换光学元件31产生的角频率2ω1的第2谐波波长转换成角频率为4ω1的第4谐波。本构成例中，作为第2波长转换光学元件32使用PPLT(PeriodicallyPoledLT：形成有周期分极反转构造的LiTaO3)晶体，通过准相位匹配达成相位匹配条件。在第2波长转换光学元件32进行第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=475.5nm)的第4谐波。在第2波长转换光学元件32产生的波长475.5nm的第4谐波聚光射入至第3波长转换光学元件33。
第3波长转换光学元件33将通过第2波长转换光学元件32产生的角频率4ω1的第4谐波波长转换成角频率为8ω1的第8谐波。本构成例中，作为第3波长转换光学元件33使用CLBO(CsLiB6O10)晶体，通过非临界相位匹配(NCPM：Non-CriticalPhaseMatching)达成相位匹配条件。在第3波长转换光学元件33进行第4谐波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的8倍(8ω1)、波长为1/8(λ1/8=237.8nm)的第8谐波。在第3波长转换光学元件33产生的波长237.8nm的第8谐波射入至分光镜41。
分光镜41使波长237.8nm的第1基本波的第8谐波透射，使波长1079nm的第2红外线激光光(第2基本波)反射。第1基本波的第8谐波(8ω1)透射过分光镜41聚光射入至设在第2系列II的第4波长转换光学元件34。
在分光镜41，从第2光纤光放大器22输出的波长λ2=1079nm的第2红外线激光光(第2基本波)，以与透射过分光镜41的第1基本波的第8谐波(8ω1)的光轴交叉的方式射入。被分光镜41反射后的第2基本波与透射过分光镜41的第1基本波的第8谐波同轴重迭后聚光射入至第2系列II的第4波长转换光学元件34。
分光镜41的透射波长较第2基本波的波长短，在包含第1基本波的第8谐波的波长的波长带域内可为任意。例如，将透射波长设定成350nm未满(反射波长350nm以上)的程度，使第1基本波(ω1)与其第2谐波(2ω1)及第4谐波(4ω1)反射被光吸收体吸收，则可抑制不需要波长的激光光射入至第2系列II的波长转换光学元件(该波长的激光光从波长转换部3射出)。
设在第2系列II的第4波长转换光学元件34，从透射过分光镜41的第1基本波的第8谐波、与被分光镜41反射后同轴重迭的第2基本波产生波长194.9nm的紫外线激光光。本构成例中，作为第3波长转换光学元件33使用CLBO(CsLiB6O10)晶体，通过非临界相位匹配(NCPM：Non-CriticalPhaseMatching)达成相位匹配条件。在第4波长转换光学元件34，进行波长237.8nm的第1基本波的第8谐波与波长1079nm的第2基本波的和频产生，产生波长194.9nm的紫外线激光光。
在第4波长转换光学元件34产生的波长194.9nm的紫外线激光光，从第2系列II的终端输出，从紫外线激光装置LS1的波长转换光学系30A输出波长194.9nm的紫外线激光光Lv。
在具备上述波长转换光学系30A的紫外线激光装置LS1，在第1、第2波长转换光学元件31,32的相位匹配为准相位匹配(QPM)，在第3、第4波长转换光学元件33,34的相位匹配为非临界相位匹配(NCPM)，四个波长转换光学元件皆使用在不产生走离的相位匹配。因此，根据紫外线激光装置LS1，除了已说明的基本效果的外，也可达成下述效果，即在波长转换光学系30A以极高效率进行波长转换，获得高输出效率且获得高光束品质的紫外线激光光。
(第2构成例)
接着，参照图3说明具备第2构成例的波长转换光学系30B的紫外线激光装置LS2。第2构成例的波长转换光学系30B的构成，在第1红外线激光光(第1基本波)La1射入的第1系列I设有二个波长转换光学元件31,32，在第2红外线激光光(第2基本波)La2合波后射入的第2系列II设有二个波长转换光学元件33,34。
射入至第1系列的波长λ1=1902nm、角频率ω1的第1基本波，在此第1系列I传播的过程，通过设在第1系列的二个波长转换光学元件31,32波长转换成角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=475.5nm)的第4谐波。
第1波长转换光学元件31将角频率ω1的第1基本波波长转换成角频率为2ω1的第2谐波。第1波长转换光学元件31，与上述构成例同样地，使用PPLN晶体，通过准相位匹配(QPM)达成相位匹配条件。在第1波长转换光学元件31进行第1基本波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的2倍(2ω1)、波长为一半(λ1/2=951nm)的第2谐波。在第1波长转换光学元件31产生的波长951nm的第2谐波射入至第2波长转换光学元件32。
第2波长转换光学元件32将通过第1波长转换光学元件31产生的角频率2ω1的第2谐波波长转换成角频率为4ω1的第4谐波。本构成例中，作为第2波长转换光学元件32使用LBO(LiB3O5)晶体，通过TypeI相位匹配达成相位匹配条件。在第2波长转换光学元件32进行第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=475.5nm)的第4谐波。
此时，从第2波长转换光学元件32射出的第4谐波的光束，虽因走离而稍微椭圆化，但走离角小至9mrad程度，通过二片圆柱状透镜矫正成圆形光束后射入至分光镜42。
分光镜42使波长475.5nm的第1基本波的第4谐波透射，使波长1079nm的第2红外线激光光(第2基本波)反射。第1基本波的第4谐波(4ω1)透射过分光镜42聚光射入至设在第2系列II的第3波长转换光学元件33。
在分光镜42，从第2光纤光放大器22输出的波长λ2=1079nm的第2红外线激光光(第2基本波)，以与透射过分光镜42的第1基本波的第4谐波(4ω1)的光轴交叉的方式射入。被分光镜42反射后的第2基本波与透射过分光镜42的第1基本波的第4谐波同轴重迭后聚光射入至第2系列II的第3波长转换光学元件33。
分光镜42的透射波长较第2基本波的波长短，在包含第1基本波的第4谐波的波长的波长带域内可为任意。例如，将透射波长设定成500nm未满(反射波长500nm以上)的程度，使第1基本波(ω1)与其第2谐波(2ω1)反射被光吸收体吸收，则可抑制不需要波长的激光光射入至第2系列II的波长转换光学元件(该波长的激光光从波长转换部3射出)。
设在第2系列II的第3波长转换光学元件33将透射过分光镜42的角频率4ω1的第4谐波波长转换成角频率为8ω1的第8谐波。第3波长转换光学元件33使用CLBO晶体，通过非临界相位匹配(NCPM)达成相位匹配条件。在第3波长转换光学元件33，进行第4谐波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的8倍(8ω1)、波长为1/8(λ1/8=237.8nm)的第8谐波。
在第3波长转换光学元件33产生的波长237.8nm的第8谐波(前段紫外线激光光)射入至与第3波长转换光学元件33接触配置的第4波长转换光学元件34。被分光镜42反射后的第2基本波透射过第3波长转换光学元件33射入至第4波长转换光学元件34。
第4波长转换光学元件34，从在第3波长转换光学元件33产生的第1基本波的第8谐波、与透射过第3波长转换光学元件33的第2基本波产生波长194.9nm的紫外线激光光。第4波长转换光学元件34使用CLBO晶体，通过非临界相位匹配(NCPM)达成相位匹配条件。在第4波长转换光学元件34，进行波长237.8nm的第1基本波的第8谐波与波长1079nm的第2基本波的和频产生，产生波长194.9nm的紫外线激光光。
在第4波长转换光学元件34产生的波长194.9nm的紫外线激光光，从第2系列II的终端输出，从紫外线激光装置LS2的波长转换光学系30B输出波长194.9nm的紫外线激光光Lv。
在具备上述波长转换光学系30B的紫外线激光装置LS2，在第1波长转换光学元件31的相位匹配为准相位匹配(QPM)，在第3、第4波长转换光学元件33,34的相位匹配为非临界相位匹配(NCPM)，四个波长转换光学元件中的三个使用在不产生走离的相位匹配。在产生走离的第2波长转换光学元件32其角度也微少。因此，根据紫外线激光装置LS2，除了已说明的基本效果的外，也可达成下述效果，即在波长转换光学系30B以极高效率进行波长转换，获得高输出效率且获得光束品质良好的紫外线激光光。
再者，在本构成例的紫外线激光装置LS2，由于使光束重迭的反射镜或聚光透镜等光学元件配置在红外线～可视区域，因此可抑制这些光学元件因紫外区域的光受到损伤，可谋求长寿命化。在紫外区域配置有反射镜或聚光透镜等光学元件的情形，必须要有使这些光学元件定期偏移的偏移构造，但根据本构成例，能省略此种偏移机构，由此，可达成能以简单且低价的构成长期间稳定动作的效果。又，由于第3、第4波长转换光学元件33,34接触配置，因此可配置在相同移动载台上，由此能使波长转换光学元件33,34同时偏移。由此，能降低成本。
(第3构成例)
接着，参照图4说明具备第3构成例的波长转换光学系30C的紫外线激光装置LS3。第3构成例的波长转换光学系30C的构成，在第1红外线激光光(第1基本波)La1射入的第1系列I设有二个波长转换光学元件31,32，在第2红外线激光光(第2基本波)La2合波后射入的第2系列II设有二个波长转换光学元件33,34。
射入至第1系列的波长λ1=1902nm、角频率ω1的第1基本波，在此第1系列I传播的过程，通过设在第1系列的二个波长转换光学元件31,32波长转换成角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=475.5nm)的第4谐波。
第1波长转换光学元件31将角频率ω1的第1基本波波长转换成角频率为2ω1的第2谐波。第1波长转换光学元件31，与上述构成例同样地，使用PPLN晶体，通过准相位匹配(QPM)达成相位匹配条件。在第1波长转换光学元件31进行第1基本波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的2倍(2ω1)、波长为一半(λ1/2=951nm)的第2谐波。在第1波长转换光学元件31产生的波长951nm的第2谐波射入至第2波长转换光学元件32。
第2波长转换光学元件32将通过第1波长转换光学元件31产生的角频率2ω1的第2谐波波长转换成角频率为4ω1的第4谐波。本构成例中，作为第2波长转换光学元件32使用PPLT晶体，通过准相位匹配(QPM)达成相位匹配条件。在第2波长转换光学元件32进行第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=475.5nm)的第4谐波。在第2波长转换光学元件32产生的波长475.5nm的第4谐波射入至分光镜42。
分光镜42使波长475.5nm的第1基本波的第4谐波透射，使波长1079nm的第2红外线激光光(第2基本波)反射。第1基本波的第4谐波(4ω1)透射过分光镜42聚光射入至设在第2系列II的第3波长转换光学元件33。
在分光镜42，从第2光纤光放大器22输出的波长λ2=1079nm的第2红外线激光光(第2基本波)，以与透射过分光镜42的第1基本波的第4谐波(4ω1)的光轴交叉的方式射入。被分光镜42反射后的第2基本波与透射过分光镜42的第1基本波的第4谐波同轴重迭后聚光射入至第2系列II的第3波长转换光学元件33。
分光镜42的透射波长能设定成与第2构成例的分光镜42相同。例如，将透射波长设定成500nm未满(反射波长500nm以上)的程度，可抑制不需要波长的激光光射入至第2系列II的波长转换光学元件(该波长的激光光从波长转换部3射出)。
设在第2系列II的第3波长转换光学元件33将透射过分光镜42的角频率4ω1的第4谐波波长转换成角频率为8ω1的第8谐波。第3波长转换光学元件33使用CLBO晶体，通过非临界相位匹配(NCPM)达成相位匹配条件。在第3波长转换光学元件33，进行第4谐波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的8倍(8ω1)、波长为1/8(λ1/8=237.8nm)的第8谐波。
在第3波长转换光学元件33产生的波长237.8nm的第8谐波(前段紫外线激光光)射入至与第3波长转换光学元件33接触配置的第4波长转换光学元件34。被分光镜42反射后的第2基本波透射过第3波长转换光学元件33射入至第4波长转换光学元件34。
第4波长转换光学元件34，从在第3波长转换光学元件33产生的第1基本波的第8谐波、与透射过第3波长转换光学元件33的第2基本波产生波长194.9nm的紫外线激光光。第4波长转换光学元件34使用CLBO晶体，通过非临界相位匹配(NCPM)达成相位匹配条件。在第4波长转换光学元件34，进行波长237.8nm的第1基本波的第8谐波与波长1079nm的第2基本波的和频产生，产生波长194.9nm的紫外线激光光。
在第4波长转换光学元件34产生的波长194.9nm的紫外线激光光，从第2系列II的终端输出，从紫外线激光装置LS3的波长转换光学系30C输出波长194.9nm的紫外线激光光Lv。
在具备上述波长转换光学系30C的紫外线激光装置LS3，在第1、第2波长转换光学元件31,32的相位匹配为准相位匹配(QPM)，在第3、第4波长转换光学元件33,34的相位匹配为非临界相位匹配(NCPM)，四个波长转换光学元件皆使用在不产生走离的相位匹配。因此，除了已说明的基本效果的外，也可达成下述效果，即在波长转换光学系30C以极高效率进行波长转换，获得高输出效率且获得高光束品质的紫外线激光光。
再者，在本构成例的紫外线激光装置LS3，由于使光束重迭的反射镜或聚光透镜等光学元件配置在红外线～可视区域，因此可抑制这些光学元件因紫外区域的光受到损伤，可谋求长寿命化。在紫外区域配置有反射镜或聚光透镜等光学元件的情形，必须要有使这些光学元件定期偏移的偏移构造，但根据本构成例，能省略此种偏移机构，由此，可达成能以简单且低价的构成长期间稳定动作的效果。又，由于第3、第4波长转换光学元件33,34接触配置，因此可配置在相同移动载台上，由此能使波长转换光学元件33,34同时偏移。由此，能降低成本。
在以上说明的第1～第3构成例，作为第1波长转换光学元件31虽例示PPLN晶体，但使用PPLT、LBO、BBO(β-BaB2O4)、CBO(CsB3O5)等非线性光学晶体构成也可以。同样地，作为第2波长转换光学元件32虽例示PPLT、LBO晶体，但使用BBO、CBO等非线性光学晶体构成也可以。
又，针对从第1激光光输出部1a输出的第1基本波的波长λ1=1902nm、从第2激光光输出部1b输出的第2基本波的波长λ2=1079nm、从波长转换部3输出的紫外线激光光Lv的波长λv=194.9nm的情形显示代表构成例，但第1基本波的波长λ1、第2基本波的波长λ2、紫外线激光光Lv的波长λv可任意设定。
因此，接着，针对在与图3所示的第2构成例的波长转换光学系30B相同的光学系及晶体构成，使第1基本波的波长λ1、第2基本波的波长λ2、紫外线激光光Lv的波长λv为不同值的情形的变更例进行说明。在变更例，设第1基本波的波长λ1=1921.6nm、第2基本波的波长λ2=1064nm、紫外线激光光Lv的波长λv=196nm。此外，由于与第2构成例的波长转换光学系30B相同的光学系及晶体构成，因此省略图示，但为了避免混乱，将变更例的波长转换部表记成30B’来说明。
(变更例)
第1激光光输出部1a在第1激光光源11使波长λ1=1921.6nm的种光Ls1产生，通过第1光纤光放大器(掺铥光纤光放大器)21将其放大，使放大后的第1红外线激光光La1射入至波长转换光学系30B’。同样地，第2激光光输出部1b通过第2激光光源12使波长λ2=1064nm的种光Ls2产生，通过第2光纤光放大器(掺镱光纤光放大器)22将其放大，使放大后的第2红外线激光光La2射入至波长转换光学系30B’。
射入至第1系列的波长λ1=1921.6nm、角频率ω1的第1基本波，在此第1系列I传播的过程，通过设在第1系列的二个波长转换光学元件31,32波长转换成角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=480.4nm)的第4谐波。
第1波长转换光学元件31将角频率ω1的第1基本波波长转换成角频率为2ω1的第2谐波。第1波长转换光学元件31，使用PPLN晶体，通过准相位匹配(QPM)达成相位匹配条件。在第1波长转换光学元件31进行第1基本波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的2倍(2ω1)、波长为一半(λ1/2=960.8nm)的第2谐波。在第1波长转换光学元件31产生的波长960.8nm的第2谐波射入至第2波长转换光学元件32。
第2波长转换光学元件32将通过第1波长转换光学元件31产生的角频率2ω1的第2谐波波长转换成角频率为4ω1的第4谐波。第2波长转换光学元件32是LBO晶体，通过TypeI相位匹配达成相位匹配条件。在第2波长转换光学元件32进行第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的4倍(4ω1)、波长为1/4(λ1/4=480.4nm)的第4谐波。
此时，从第2波长转换光学元件32射出的第4谐波的光束，虽因走离而稍微椭圆化，但走离角小至8mrad程度，通过二片圆柱状透镜矫正成圆形光束后射入至分光镜42。
分光镜42使波长480.4nm的第1基本波的第4谐波透射，使波长1064nm的第2基本波反射。第1基本波的第4谐波(4ω1)透射过分光镜42聚光射入至设在第2系列II的第3波长转换光学元件33。此外，关于分光镜42的透射波长的设定，如上述说明，在本实施例，将透射波长设定成500nm未满(反射波长500nm以上)的程度，可抑制不需要波长的激光光射入至第2系列II的波长转换光学元件。
在分光镜42，从第2光纤光放大器22输出的波长λ2=1064nm的第2红外线激光光(第2基本波)，以与透射过分光镜42的第1基本波的第4谐波(4ω1)的光轴交叉的方式射入。被分光镜42反射后的第2基本波与透射过分光镜42的第1基本波的第4谐波同轴重迭后聚光射入至第2系列II的第3波长转换光学元件33。
设在第2系列II的第3波长转换光学元件33将透射过分光镜42的角频率4ω1的第4谐波波长转换成角频率为8ω1的第8谐波。第3波长转换光学元件33是CLBO晶体，在本变更例，通过TypeI相位匹配达成相位匹配条件。在第3波长转换光学元件33，进行第4谐波的第2谐波产生，产生角频率为第1基本波的8倍(8ω1)、波长为1/8(λ1/8=240.2nm)的第8谐波。此时，走离角为11mrad程度。
在第3波长转换光学元件33产生的波长240.2nm的第8谐波射入至与第3波长转换光学元件33接触配置的第4波长转换光学元件34。被分光镜42反射后的第2基本波透射过第3波长转换光学元件33射入至第4波长转换光学元件34。
第4波长转换光学元件34，从在第3波长转换光学元件33产生的第1基本波的第8谐波、与透射过第3波长转换光学元件33的第2基本波产生波长169nm的紫外线激光光。第4波长转换光学元件34是CLBO晶体，通过非临界相位匹配(NCPM)达成相位匹配条件。在第4波长转换光学元件34，进行波长240.8nm的第1基本波的第8谐波与波长1064nm的第2基本波的和频产生，产生波长196nm的紫外线激光光。
在第4波长转换光学元件34产生的波长196nm的紫外线激光光，从第2系列II的终端输出，从紫外线激光装置的波长转换光学系30B’输出波长196nm的紫外线激光光Lv。
在具备上述波长转换光学系30B’的紫外线激光装置，可达成下述效果，即可抑制构成波长转换部的光学元件的损伤，谋求长寿命化，且可除去使重迭的反射镜或聚光透镜等光学元件定期偏移的偏移构造，能以简单且低价的构成长时间稳定动作。
本发明形态的紫外线激光装置，通过变更从第1激光光输出部1a输出的第1基本波的波长λ1、从第2激光光输出部1b输出的第2基本波的波长λ2的设定，能构成波长200nm以下且输出适当波长的紫外线激光光。
本发明的紫外线激光装置，小型轻量且操作容易，例如，可较佳地用于显微镜或望远镜等观察装置、测距器或形状测定器等测定装置、光造形装置或曝光装置等光加工装置检查装置、治疗装置等。
如上述，虽说明各种实施形态及变形例，但本发明并不限于这些内容。
下述优先权案的揭示内容作为引用文而在此援引。
日本申请2011年第066775号(2011年3月24日)。

Claims (8)

1.一种紫外线激光装置，具备输出红外线波长的激光的激光输出部、具有波长转换光学元件且将从所述激光输出部输出的红外线激光波长转换成紫外线波长的激光并输出的波长转换部，其特征在于：
该激光输出部具备输出波长为1900～2000nm的第1红外线激光的第1激光输出部、与输出波长为1000～1100nm的第2红外线激光的第2激光输出部；
该波长转换部具备从所述第1激光输出部输出的第1红外线激光射入并传播的第1系列、与在所述第1系列传播后的激光及从所述第2激光输出部输出的第2红外线激光合波后射入并传播的第2系列；
射入所述波长转换部的所述第1红外线激光及所述第2红外线激光被设在所述波长转换部的波长转换光学元件波长转换，由此从所述第2系列输出紫外线激光；
设在所述波长转换部的波长转换光学元件包括下述元件：
第1波长转换光学元件，产生所述第1红外线激光的第2谐波；
第2波长转换光学元件，产生从所述第1波长转换光学元件射出的所述第2谐波的第2谐波、即所述第1红外线激光的第4谐波；
第3波长转换光学元件，产生从所述第2波长转换光学元件射出的所述第4谐波的第2谐波、即所述第1红外线激光的第8谐波；以及
第4波长转换光学元件，通过所述第8谐波与所述第2红外线激光的和频产生而产生所述紫外线激光。
2.如权利要求第1项所述的紫外线激光装置，其中，
所述第1波长转换光学元件及所述第2波长转换光学元件被设在所述第1系列；
所述第3波长转换光学元件及所述第4波长转换光学元件被设在所述第2系列。
3.如权利要求第1项所述的紫外线激光装置，其中，
所述第1波长转换光学元件、所述第2波长转换光学元件及所述第3波长转换光学元件被设在所述第1系列；
所述第4波长转换光学元件被设在所述第2系列。
4.如权利要求第1至3项中任一项所述的紫外线激光装置，其中，
在所述第3波长转换光学元件的相位匹配及在所述第4波长转换光学元件的相位匹配为非临界相位匹配。
5.如权利要求第1至3项中任一项所述的紫外线激光装置，其中，
在所述第1波长转换光学元件的相位匹配及在所述第2波长转换光学元件的相位匹配为准相位匹配。
6.如权利要求第1至3项中任一项所述的紫外线激光装置，其中，
所述第1激光输出部具有掺铥光纤光放大器。
7.如权利要求第1至3项中任一项所述的紫外线激光装置，其中，
所述第2激光输出部具有掺镱光纤光放大器。
8.如权利要求第1至3项中任一项所述的紫外线激光装置，其中，
所述紫外线激光为波长190～200nm的深紫外光。
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