JP2004279798A

JP2004279798A - 波長変換素子及び紫外線発生装置

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Publication number: JP2004279798A
Application number: JP2003071911A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kawai; 斉河井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】光量のロスが少ない状態で目的とする波長の光と他の光を分離することが可能である波長変換素子を提供する。
【解決手段】波長変換素子５に入射した基本波と７倍波は波長変換結晶６に集光され、８倍波に波長変換される。このとき波長変換結晶６の射出側の面は８倍波に対してブリュースターカットとなるように加工されているため、波長変換結晶６の出力側端面に対し８倍波がＰ偏光であるような状態にすれば、ほとんど反射ロス無く、波長変換結晶から８倍波を取り出すことができる。またブリュースターカットに加工することでプリズムの機能も有するため、従来基本波及び７倍波から８倍波を分離するために挿入していたプリズムを除去できる。すなわち、波長変換結晶６からは、基本波ａ、７倍波ｂ、８倍波ｃが放出されるが、基本波ａと７倍波ｂが必要ない場合は遮蔽板７によりこれらを遮光し、８倍波ｃのみを波長変換素子５から取り出すようにする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数の異なる複数の光を入射させ、これらの光の和の周波数を有する光を出力光として取り出す目的のために使用される波長変換素子、及びこの波長変換素子を使用した紫外線発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光は近年において種々の用途に用いられており、例えば、金属の切断や加工を行ったり、半導体製造装置におけるフォトリソグラフィー装置の光源として用いられたり、各種測定装置に用いられたり、外科、眼科、歯科等の手術および治療装置に用いられたりしている。特に最近において、レーザ光を角膜に照射して角膜表面のアブレーション（ＰＲＫ）あるいは切開した角膜内部のアブレーション（ＬＡＳＩＫ）を行い、角膜の曲率および凹凸を矯正して近視、遠視、乱視の治療を行うことが注目されており、一部実用化されつつある。このような角膜治療装置としては、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を角膜に照射して、角膜表面のアブレーション（削り取り）を行うものが知られている。
【０００３】
ところが、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は、チャンバー内にアルゴンガス、フッ素ガス、ネオンガス等を封入して構成されるものであり、これらガスを密封する必要がある。さらに、各ガスの充填、回収を行う必要もあり、装置が大型化且つ複雑化しやすいという問題がある。又、ＡｒＦエキシマレーザ発振装置は、所定のレーザ光発生性能を保持するために、定期的に内部ガスの交換を行ったり、オーバーホールを行ったりする必要があるという問題もある。
【０００４】
よって、レーザ光源としてはこのようなエキシマレーザでなく、固体レーザを用いることが好ましい。ところが、固体レーザから放出されるレーザ光の波長は、通常１．５μｍ程度であり、例えば角膜治療装置に使用するには、波長が長すぎて向いていない。そこで、このような固体レーザから放出される長波長の光を、非線形光学結晶を用いることにより短波長の紫外光（例えば８倍波）に変換して用いる方法が開発され、例えば特開２００１−３５３１７６号公報（特許文献１）に記載されている。このような目的に用いられる非線形光学素子としては、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶、ＳＢＢＯ結晶等が知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３５３１７６号公報
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１等に開示されている技術においては、２つの異なる周波数（波長）の光を入射させると、これらの波長の光と共に、それらの周波数の和の周波数の光を放出する特性を有する非線形光学結晶が使用されている。例えば、８倍波を作り出す最終段階においては、基本波とその７倍波を非線形光学結晶に入射させる。すると、基本波、７倍波と共に、それらの周波数の和の周波数を有する８倍波が出力される。基本波として、ＤＦＢ半導体レーザの発する波長１５４４ｎｍの光を使用した場合、８倍波として、波長１９３ｎｍの光が得られるが、この他に基本波である波長１５４４ｎｍの光、７倍波である波長２２１ｎｍの光も同時に出射される。
【０００６】
よって、目的とする８倍波のみを取り出すためには、プリズムによる分光やフィルタによる分離を行っており、その分、光量のロスが発生する。また、波長変換結晶から光を取り出す際に、波長変換結晶の端面で光の反射が起こり、その分、光量のロスが発生する。これらの光量のロスは、全光量の１０％に達する場合もある。このうち、波長変換結晶の端面での反射は、端面に反射防止膜を形成することにより少なくすることができる。しかしながら、波長１９３ｎｍ程度の紫外域では、反射防止膜の光パワーに対する耐性が低いため、すぐに損傷してしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光量のロスが少ない状態で、目的とする波長の光と他の光を分離することが可能である波長変換素子、これに加えて端面での反射が少ない波長変換素子、及びこれらを使用した紫外線発生装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、周波数の異なる複数の光を入射させ、これらの光の和の周波数を有する光を出力光として取り出す目的のために使用される、波長変換結晶を利用した波長変換素子であって、前記波長変換結晶の出力側の端面が、光軸に垂直な面とは異なる方向にカットされていることを特徴とする波長変換素子（請求項１）である。
【０００９】
前述のように、波長変換素子においては、周波数の異なる複数の光を入射させると、その和の周波数を有する光と共に、入射した光と同じ周波数を有する光が出力されるのが普通である。本手段においては、波長変換結晶の出力側の端面が、光軸に垂直な面とは異なる方向にカットされているので、波長変換結晶から出力されようとする光は、０°より大きな入射角で端面に入射することになる。従って、波長に応じて出射される方向が異なる。よって、遮蔽板で不必要な光を遮る等の簡単な手段で、目的とする波長の光のみを取り出すことができる。従って、プリズムやフィルタを別に設ける必要が無く、その分、光量の低下を防止できる。
【００１０】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記カットされた出力側の端面の角度は、出力光として取り出す目的の光について、光の当該端面への入射角度がブリュースター角となるような角度とされていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１１】
光の入射角が入射面に対してブリュースター角となるようにしておくと、ｐ偏向成分の反射率が０となる。よって、波長変換結晶から出力される光のうち目的の波長を有する光を、出力側端面に対してｐ偏光となるようにしておけば、この光は、無反射で出力側端面を透過できる。よって、反射防止膜が実質上使用できないような紫外領域の光に対しても、界面での反射のロス無く、出力光を取り出すことが可能となる。
【００１２】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、潮解性のある波長変換結晶を、ホルダー中に収納して構成され、出力側のホルダーの窓面の角度は、出力光として取り出す目的の光について、光の当該窓面への入射角度がブリュースター角となるような角度とされていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１３】
ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）結晶等の波長変換結晶は潮解性があるので、通常、ホルダーの中に収納して使用される。本手段は、このような使用方法の場合、出力側のホルダーの窓面の角度を、出力光として取り出す目的の光について、光の当該窓面への入射角度がブリュースター角となるような角度としている。よって、目的とする波長の光がホルダーから出るときに、その光を窓面に対してｐ偏向であるようにしておくことにより、窓面での反射がほとんど無い状態で取り出すことができる。なお、窓面とは使用する光に対して高い透過率を有する面であり、ホルダー全体がこのような材料で作られているときは、特別な窓でなくても窓面と見なされることは言うまでもない。
【００１４】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかの波長変換素子を有することを特徴とする紫外線発生装置（請求項３）である。
【００１５】
本手段においては、前記第１の手段から第３の手段のいずれかの波長変換素子を有するので、これらの素子におけるパワーの低下を小さくでき、相対的にハイパワーの紫外線を発生させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の１例である紫外線発生装置の光学系の一部である波長変換部を示す概要図である。この紫外線発生装置は、ＤＦＢ固体レーザから放出される波長１５４４ｎｍの光を光増幅器で増幅したものを入力光とし、その８倍波である波長１９３ｎｍの紫外光を出力する光学系である。ＤＦＢ固体レーザ及び光増幅器は、前記特許文献１に記載されており、かつ、本発明の要部と直接関係がないので、その説明を省略する。
【００１７】
波長変換部に入射した波長１５４４ｎｍの基本波はレンズＬ１で集光され、波長変換結晶１に入射し、その一部の光が２倍波に波長変換される。波長変換結晶１としてＬＢＯを使用しているが、これに限定されるものではなく、周知の波長変換結晶を使用することができる。
【００１８】
波長変換結晶１から射出した基本波と２倍波は、同軸（もしくはほぼ同軸）となりレンズＬ２により波長変換結晶２に集光される。波長変換結晶２では基本波と２倍波の一部の光が３倍波に波長変換されるため、波長変換結晶２からは基本波、２倍波、３倍波の光が射出する。波長変換結晶２としてＬＢＯを使用しているが、これに限定されるものではなく、周知の波長変換結晶を使用することができる。
【００１９】
波長変換結晶２を射出した３倍波は、ダイクロイックミラーＭ１で反射され、レンズＬ３、Ｌ４を通して反射ミラーＭ２で反射され、ダイクロイックミラーＭ４に向かう。
【００２０】
波長変換結晶２を射出した２倍波は、ダイクロイックミラーＭ１を透過した後、ダイクロイックミラーＭ３で反射され、レンズＬ５を介して波長変換結晶３に集光され、波長変換結晶３により、２倍波の一部の光が４倍波に波長変換される。波長変換結晶３としてＬＢＯを使用しているが、これに限定されるものではなく、周知の波長変換結晶を使用することができる。
【００２１】
波長変換結晶３を射出した４倍波は、レンズＬ６、Ｌ７を通ってダイクロイックミラーＭ４で反射される。一方、前述の３倍波はダイクロイックミラーＭ４を透過するので、ダイクロイックミラーＭ４の後では、３倍波と４倍波がほぼ同軸となって、波長変換結晶４に入射し、その一部が波長変換結晶４により７倍波に波長変換される。波長変換結晶４としてＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）を使用しているが、これに限定されるものではなく、周知の波長変換結晶を使用することができる。波長変換結晶４を介した７倍波はレンズＬ１０、Ｌ１１を通ってダイクロイックミラーＭ８に向かう。
【００２２】
波長変換結晶２を射出した基本波は、ダイクロイックミラーＭ１、Ｍ３を透過し、反射ミラーＭ５、Ｍ６、Ｍ７を介して、レンズＬ８、Ｌ９を通り、ダイクロイックミラーＭ８に向かい、これを透過する。一方、前述の７倍波は、ダイクロイックミラーＭ８で反射されるので、ダイクロイックミラーＭ８を通った後、７倍波と基本波がほぼ同軸となり、波長変換素子５に入射する。そして、これらの一部が波長１９３ｎｍの８倍波に波長変換される。波長変換素子５で用いられている波長変換結晶としてはＬＢＯ、ＣＬＢＯなどあるが、これらに限定されるものではなく、周知の波長変換結晶を使用することができる。
【００２３】
ここで、波長変換素子５には、本発明の実施の形態である波長変換素子が用いられている。その第１の例を図２に示す。
【００２４】
波長変換素子５に入射した基本波と７倍波は波長変換結晶６に集光され、波長変換結晶６により８倍波に波長変換される。このとき波長変換結晶６の射出側の面は８倍波に対してブリュースターカットとなるように加工されているため、８倍波が所望の偏光状態（波長変換結晶６の出力側端面に対し８倍波がＰ偏光であるような状態）にすれば、ほとんど反射ロス無しに波長変換結晶から８倍波を取り出すことができる。またブリュースターカットに加工することでプリズムの機能も有するため、従来基本波及び７倍波から８倍波を分離するために挿入していたプリズムを除去できる。
【００２５】
すなわち、波長変換結晶６からは、基本波ａ、７倍波ｂ、８倍波ｃが放出されるが、基本波ａと７倍波ｂが必要ない場合は遮蔽板７によりこれらを遮光し、８倍波ｃのみを波長変換素子５から取り出すようにすればよい。
【００２６】
図３に、本発明の実施の形態である波長変換素子５の第２の例を示す。この実施の形態においては、波長変換結晶６の構成は図２に示した実施の形態と異ならない。すなわち、波長変換結晶６の射出側の面は８倍波に対してブリュースターカットとなるように加工されているため、Ｐ偏光である８倍波はほとんど無反射で界面を透過し、かつ、プリズム効果により、基本波ａ、７倍波ｂ、８倍波ｃの射出方向が異なっている。
【００２７】
しかし、この実施の形態においては、波長変換結晶６に潮解性があるため、ケース８中に入れて使用し、ケース８内を窒素、アルゴン、乾燥空気などでパージしている。ケース８には入側窓９、出側窓１０が設けられているが、出側窓１０の角度は、出側窓に対する８倍波ｃの入射角がブリュースター角となるようにされている。よって、８倍波は、ほとんど反射することなく出側窓１０を透過する。
【００２８】
出側窓を透過した光のうち、基本波ａ、７倍波ｂは遮蔽板７によって遮蔽され、８倍波ｃのみが外部に取り出される。この実施の形態においては、波長変換結晶としてＣＬＢＯを使用しているが、潮解性のある波長変換結晶で周知のものを適宜使用できる。また、この実施の形態は、用いられる波長変換結晶に潮解性がある場合に限らず、波長変換結晶を均一に温度調節する場合にも用いられる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光量のロスが少ない状態で目的とする波長の光と他の光を分離することが可能である波長変換素子、これに加えて端面での反射が少ない波長変換素子、及びこれらを使用した紫外線発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例である紫外線発生装置の光学系の一部である波長変換部を示す概要図である。
【図２】本発明の実施の形態である波長変換素子の第１の例を示す概要図である。
【図３】本発明の実施の形態である波長変換素子の第２の例を示す概要図である。
【符号の説明】
１〜４：波長変換結晶、５：波長変換素子、６：波長変換結晶、７：遮蔽板、８：ケース、９：入側窓、１０：出側窓、Ｌ１〜Ｌ１１：レンズ、Ｍ１：ダイクロイックミラー、Ｍ２：反射ミラー、Ｍ３：ダイクロイックミラー、Ｍ４：ダイクロイックミラー、Ｍ５〜Ｍ７：反射ミラー、Ｍ８：ダイクロイックミラー

Claims

周波数の異なる複数の光を入射させ、これらの光の和の周波数を有する光を出力光として取り出す目的のために使用される、波長変換結晶を利用した波長変換素子であって、前記波長変換結晶の出力側の端面が、光軸に垂直な面とは異なる方向にカットされていることを特徴とする波長変換素子。
前記カットされた出力側の端面の角度は、出力光として取り出す目的の光について、光の当該端面への入射角度がブリュースター角となるような角度とされていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換素子。
請求項１又は請求項２に記載の波長変換素子であって、波長変換結晶を、ホルダー中に収納して構成され、出力側のホルダーの窓面の角度は、出力光として取り出す目的の光について、光の当該窓面への入射角度がブリュースター角となるような角度とされていることを特徴とする波長変換素子。
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の波長変換素子を有することを特徴とする紫外線発生装置。