JP2005275095A - 光源装置、半導体露光装置、レーザー治療装置、レーザー干渉計装置およびレーザー顕微鏡装置 - Google Patents

光源装置、半導体露光装置、レーザー治療装置、レーザー干渉計装置およびレーザー顕微鏡装置 Download PDF

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Abstract

【課題】従来の波長変換素子に代えて、強誘電体である新規な波長変換素子を用い、200nm以下、特にArFエキシマレーザーまたはF2レーザーに代わる波長193nmまたは157nmのコヒーレント光を出力する光源装置を提供する。
【解決手段】少なくとも一つのレーザー光源と、少なくとも一つの波長変換素子とを備え、前記レーザー光源が発生した光の波長を前記波長変換素子により変換してコヒーレント光を出力する光源装置において、前記波長変換素子のうち少なくとも一つを、周期的分極反転構造が形成されたフッ化ストロンチウムアルミニウム（SrAlF5）単結晶からなる波長変換素子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空紫外波長のコヒーレント光を出力する光源装置ならびに該光源装置を用いたレーザ応用装置に関するものである。
現在、波長200nm以下のレーザー光源には、ArFエキシマレーザー（波長193nm）またはF2レーザー（波長157nm）が用いられている。しかし、これらのレーザーは連続発振が不可能である。また、パルス発振を行った場合、繰り返し周波数を大きくすることができないため、１パルスあたりのエネルギーが大きくなり、光学部品の損傷が生じやすい。さらに、有毒なフッ素ガスを使用するためレーザー装置のメンテナンスが煩雑でかつ費用が高額となる。これらのレーザーは気体放電を利用しているため装置全体が大型となってしまう他、発振波長の狭帯域化が困難でありコヒーレンス長も短い、空間モードの品質が悪いなどの問題点もあり、その用途が限定されている。
一方、固体レーザーと非線形光学結晶の組み合わせにより、波長200nm以下のコヒーレント光を得る試みもなされている。固体レーザーの場合には原理上連続発振も可能であり、またパルス発振の場合、高繰り返し発振が可能である。波長の狭帯域化も可能であって、空間モードの品質が良いという特徴もある。
固体レーザーと非線形光学結晶を用いた波長193nmの光源の一例として、Nd：YAGレーザ（Nd：Y3Al5O12）とチタンサファイアレーザ（Ti：Al2O3）との和周波混合によるものが考えられる。これらを用いた波長約193nmのコヒーレントを発生する光源装置の構成の例を図８に示す。
図８において、レーザーダイオードまたはフラッシュランプ励起のパルスNd：YAGレーザ７００からの波長1064nmの光７０１を、レンズ７０２で非線形光学結晶LBO（LiB3O5）７０３に集光する。これにより、波長1064nmの光７０１の一部は、その第二高調波である波長532nmの光に変換され、非線形光学結晶LBO７０３からの出力光７０４は、波長1064nmの光と波長532nmの光が混合したものとなる。その波長532nmの光の一部は、部分反射ミラー７０５によって45度反射され、さらに、全反射ミラー７１１により45度反射される。
一方、波長1064nmの光と波長532nmの光からなる光７０６は、レンズ７０７により、非線形光学結晶LBO７０８に集光される。光７０６の一部は、非線形光学結晶LBO７０８において、波長1064nmの光と波長532nmの光との和周波混合により波長355nmの光に変換される。光７０９中の波長355nmの光は、レンズ７１０により非線形光学結晶CLBO（CsLiB6O10）７２６と非線形光学結晶CLBO７３３に集光される。ここで、部分反射ミラー７２１には、波長1064nmの光に対して高透過、波長355nmの光に対して45度高反射となるようなコーティングが施してある。
レーザー光７１２はレンズ７１３により集光され、凹面ミラー７１４、７１７と波長選択素子７１５とチタンサファイア結晶（Ti：Al2O3）７１６からなるチタンサファイアレーザーを励起する。ここで、凹面ミラー７１４には、波長532nmで高透過、波長704nmで高反射となるコーティングが施されている。一方、凹面ミラー７１７は、波長704nmで部分反射となるコーティングが施されている。チタンサファイアレーザーは、波長704nmで発振するように波長選択素子７１５を調整してある。
レーザー共振器から出射された波長704nmの光７１８は、レンズ７１９によって非線形光学結晶CLBO７２６に集光される。ミラー７２４は、波長704nmの光とミラー７２１によって折り曲げられた波長355nmの光を同軸上で合波する役割をする。合波された光７２５が、非線形光学結晶CLBO７２６の和周波混合作用により波長236nmの光７２７に変換される。これをレンズ７２８により非線形光学結晶CLBO７３３に集光する。
ここで、ミラー７２９は、波長236nmの光に対して４５度高反射となるようなコーティングが施されている。また、ミラー７３１は波長236nmで４５度高反射、波長1064nmで高透過となるようなコーティングが施されている。ミラー７３１によって、波長1064nmの光と波長236nmの光が同軸上に合波される。
合波された光７３２は、非線形光学結晶CLBO７３３での和周波混合により、波長193nmのコヒーレント光７３４に変換される。この例の場合、レーザー光源７００にはNd：YAGレーザーを用いたが、Nd：YLF（Nd：YLiF4）レーザー、Nd：YVO4レーザーでもよい。その場合、チタンサファイアレーザーの発振波長を調節することで、Nd：YAGレーザの場合と同様に波長193nmのコヒーレント光を得ることができる。
固体レーザーを光源として和周波混合により波長193nmのコヒーレント光を発生させる別の一例として、Nd：YAGレーザーとオプティカルパラメトリック共振器によって構成されるものが考えられる。このような光源の構成例を図９に示す。
図９において、Nd：YAGレーザー８００から出射される波長1064nmの光８０１は、レンズ８０２によって非線形光学結晶LBO８０７、非線形光学結晶LBO８１３に集光される。ここでミラー８０３は、波長1064nmの光に対してハーフビームスプリッターとなるようなコーティングが施されている。そして、ミラー８０４は、波長1064nmの光に対して45度高反射となるようなコーティングが施されている。
レーザー光８０５は、凹面ミラー８０６、８０８と非線形光学結晶LBO８０７からなるオプティカルパラメトリック共振器に入射される。ここで、凹面ミラー８０６は、波長1064nmの光に対して高透過、波長2055nmの光に対して高反射となるようなコーティングが施されている。そして、凹面ミラー８０８は、波長2055nmの光に対して部分反射となるようなコーティングが施されている。このオプティカルパラメトリック共振器は、非線形光学結晶LBO８０７のカット角を調整することで、波長2055nmの光をアイドラー光として発振できるようになっている。
波長2055nmの光８０９は、レンズ８１０によって非線形光学結晶LBO８２４に集光される。ここで、ミラー８１１には、波長2055nmの光に対して45度高反射となるようなコーティングが施されている。また、ミラー８２２には、波長2055nmの光に対して45度高反射、波長213nmの光に対して高透過となるようなコーティングが施されている。
一方、波長1064nmの光８１２の一部は、非線形光学結晶LBO８１３での第二高調波発生により、波長532nmの光に変換される。光８１４中の波長532nmの光は、レンズ８１５により非線形光学結晶BBO（β−BaB2O4）８１６に集光され、第二高調波発生により波長266nmの光に変換される。波長1064nmの光と波長266nmの光からなる光８１７は、レンズ８１８によって非線形光学結晶BBO８１９に集光され、和周波混合により波長213nmの光８２０に変換される。
光８２０は、レンズ８２１によって非線形光学結晶LBO８２４に集光される。ミラー８２２によって合波された波長2055nmの光と波長213nmの光８２３は、和周波混合により波長193nmのコヒーレント光８２５に変換される。
また、フラッシュランプ励起の波長可変アレキサンドライトレーザー（Be2Al2O4）からの波長772nmの光を非線形光学結晶で波長変換することで、波長193nmのコヒーレント光を発生させることができる。この光源の構成例を図１０に示す。
図１０において、アレキサンドライトレーザーは、凹面ミラー９００、９０５とレーザー結晶９０４と励起用フラッシュランプ９０２と波長選択素子９０１とＱスイッチなどのパルス化素子９１６から構成され、パルス発振を行う。ここで、凹面ミラー９００、９０５はそれぞれ、波長772nmの光に対して高反射、部分反射となるようなコーティングが施されている。また、レーザーは波長選択素子９０１により発振波長を772nmとしてある。レーザーから出射された波長772nmの光９０６は、集光レンズ９０７により非線形光学結晶LBO９０８に集光される。
波長772nmの光９０６の一部は、非線形光学結晶LBO９０８における第二高調波発生により波長386nmの光９０９に変換される。波長772nmと波長386nmの光からなる光９０９は、レンズ９１０により非線形光学結晶BBO９１１に集光される。光９０９の一部は、非線形光学結晶BBO９１１の和周波混合作用により波長257nmの光に変換される。波長772nmの光と波長386nmの光と波長257nmの光とからなる光９１２は、レンズ９１３によって非線形光学結晶９１４に集光される。非線形光学結晶９１４は、波長772nmの光と波長257nmの光の和周波混合により波長193nmのコヒーレント光９１５を発生する。
以上に示したように、従来の固体レーザーと非線形光学結晶を用いるコヒーレント光源では、波長変換の最終段に和周波混合を用いているが、最終段の波長変換を第二高調波発生にすることもできる。
特許文献１には、真空紫外波長領域で第二高調波発生の可能な波長変換素子として、常誘電体である水晶（SiO2）のα−β相転移温度付近で応力を印加することにより周期的な双晶構造を作り込み、分極の周期的な反転構造を実現させた、擬似位相整合技術を用いた波長変換素子が記載されている。
特開２００２−１２２８９８号公報
本発明は、常誘電体である水晶を用いた従来の波長変換素子に代えて、強誘電体である新規な波長変換素子を用い、200nm以下、特にArFエキシマレーザーまたはF2レーザーに代わる波長193nmまたは157nmのコヒーレント光を出力する光源装置を提供することを課題とする。さらに、該光源装置を使用した各種のレーザー応用装置を提供することを課題とする。
本発明が提供する光源装置は、新規な波長変換素子として、周期的分極反転構造が形成されたフッ化ストロンチウムアルミニウム（SrAlF5）単結晶を用いる点に特徴がある。
SrAlF5単結晶は非線形光学結晶であり、Ｃ軸方向に自発分極を有する強誘電性結晶でもある。したがって、LiNbO3やLiTaO3と同様に電界印加による自発分極の反転が可能であり、常誘電体である水晶の場合と比較して、容易に周期的分極反転構造を実現できるという利点がある。結晶中に所定の周期で分極反転構造を形成すれば、非線形光学特性によって発生した第二高調波や和周波の位相を擬似的に整合させることができ、高効率で波長変換を行うことができるのである。
従来、化合物としてのSrAlF5の存在は知られていたが、周期的分極反転構造を形成可能な十分な大きさの単結晶は作成されたことがなく、以下に示す方法によって初めて製造されたものである。その結果、周期的分極反転構造を用いた擬似位相整合技術の適用が可能になり、波長200nm以下の真空紫外光を発生できる波長変換素子が実現され、該波長変換素子を用いた短波長の光源装置として本発明がなされるに至ったのである。
周期的分極反転構造を形成可能な十分な大きさ、例えば直径10mm以上の略円筒形のSrAlF5単結晶は、原料としてフッ化ストロンチウム(SrF2)とフッ化アルミニウム(AlF3)とを用い、フッ化ストロンチウムに対するフッ化アルミニウムのモル比を1.03以上1.60以下として、チョクラルスキー法またはブリッジマン法により製造される。単結晶製造に用いる種結晶にはSrAlF5を用いることが望ましく、またフッ素ガス含有雰囲気、特に四フッ化炭素(CF4)中で結晶成長させることによりフッ素欠陥の少ない単結晶を製造することができる。フッ化ストロンチウムに対するフッ化アルミニウムのモル比が1.03未満である場合には多結晶化が起こり、また1.60を超える場合には異相や構造欠陥を生じてしまい、周期的分極反転構造を形成するに十分な品質と大きさを備えた単結晶を製造することができない。
SrAlF5単結晶の真空紫外域の透過率測定によれば、吸収端波長は155nm程度であり、180nm以下まで波長変換素子として十分な透過率特性をもつことが確認されている。したがって193nmのような真空紫外波長の光も十分に発生可能である。また、SrAlF5の非線形光学定数は水晶と同程度（0.3pm/V〜0.4pm/V）と考えられ、一般的な紫外用非線形光学結晶であるボレート系の結晶に比べても少し小さい程度であり、十分な変換効率が期待できる。さらに、従来の非線形光学結晶BBO、CLBOなどに顕著に見られる潮解性もなく、取り扱いの点でも非常に有利である。
本発明に係る光源装置の特徴である波長変換素子は、SrAlF5単結晶から切り出した単結晶板に、図１１に示すような周期的分極反転構造を形成し、擬似位相整合を実現したものである。以下、該波長変換素子の構成について説明する。
非線形光学結晶での第二高調波発生においては、結晶の屈折率分散のため、基本波と第二高調波が結晶中を伝播するにつれて位相差が現れる。この位相差がπになるまで変換効率が増大するが、位相差がそれ以上大きくなると減少し、この周期で変換効率が増減する。位相差がπになる距離をコヒーレンス長Ｌｃと言い、次式で表される。
ここでλは基本波の波長、nωおよびn2ωはそれぞれ基本波および第二高調波に対する非線形光学結晶の屈折率である。
通常、非線形光学結晶の長さはコヒーレンス長よりも十分に長い。そこで結晶長を有効に使って変換効率を向上させるため、二通りの方法が考案されている。第一の方法は、結晶の複屈折性を利用して、nω＝n2ωとなるように光の入射方向と偏光方向を調整する方法である。また第二の方法は、コヒーレンス長ごとに結晶の分極方向を周期的に反転させ、第二高調波の位相を反転させるという方法である。この方法を擬似位相整合法（QPM、Quasi-Phase Matching）と呼び、この方法を適用した非線形光学結晶を擬似位相整合結晶（QPM結晶）または擬似位相整合素子と呼ぶ。
擬似位相整合によれば、非線形光学結晶が所望の波長において適当な複屈折性を有していなくても、基本波と第二高調波の位相を擬似的に整合させ、変換効率を向上させることができる。また擬似位相整合による波長変換は、結晶の複屈折性を利用しないため、基本波と第二高調波の進行方向が異なること（いわゆるWalk-off効果）によって生じる変換効率やビーム品質の低下を回避できるという利点がある。
擬似位相整合を実現するための分極反転構造の周期dは、非線形光学結晶の屈折率によって決定される。すなわち基本波に対する結晶の屈折率をnω、第二高調波に対する結晶の屈折率をn2ωとすれば、dは次式で決定される値である。ここでλは基本波の波長、ｍは次数を表す。
SrAlF5単結晶の屈折率nωおよびn2ωは、公知の屈折率測定法のうち、結晶の大きさ等によって選択される適当な方法を用いて測定すればよい。具体例な例を挙げれば、SrAlF5単結晶をプリズム形状に加工して最小偏角法により測定することができる。
次数ｍは１以上の自然数であり、原理上の上限は存在しないが、次数が上がるほど変換効率が低下するので、ｍ＝１とすることが最も望ましい。
擬似位相整合素子に形成する分極反転構造の周期数は、素子の大きさによって上限が決定される。素子中の光路長が長いほど変換効率は大きくなるので、素子はできるだけ大きく、分極反転構造の周期数も光路に沿ってできるだけ多く形成することが望ましい。
SrAlF5単結晶に分極反転構造を形成する方法に特に制限は無く、通常行われる高電圧印加による方法によれば、容易に分極反転構造を形成することができる。
図１１（ａ）はこのような分極反転構造が形成された、擬似位相整合により第二高調波を発生する波長変換素子の概略図である。波長変換素子は略直方体の単結晶からなり、（２）式で与えられる周期ｄで分極反転構造が形成されている。波長変換素子の一方の端面から、周期的分極反転構造の境界面に垂直に周波数ωの光を入力すれば、他方の端面から周波数２ωの第２高調波が出力され、波長変換素子として機能する。このとき光の入射面または出射面となる結晶端面には光学研磨を施し、さらに透過する光の波長に対応した反射防止膜を形成すれば、波長変換素子としての効率を高めることができる。
周期的分極反転構造を形成したSrAlF5単結晶は、和周波発生による波長変換素子としても用いることができる。この場合のコヒーレンス長は次式で与えられる。
ここでλ1とλ2は入射光の、λ3は和周波発生により得られる出力光の波長を表し、n1、n2、n3はそれぞれ波長λ1、λ2、λ3におけるSrAlF5単結晶の屈折率である。したがって擬似位相整合による和周波発生を実現する分極反転構造の周期d'は、
となる。分極反転構造の形成方法や周期数などは第二高調波発生のための擬似位相整合素子と同様である。
図１１（ｂ）はこのような分極反転構造が形成された、擬似位相整合により和周波を発生する波長変換素子の概略図である。波長変換素子は略直方体の単結晶からなり、（４）式で与えられる周期ｄ'で分極反転構造が形成されている。波長変換素子の一方の端面から、周期的分極反転構造の境界面に垂直に周波数ω1（波長λ1）の光と周波数ω2（波長λ2）の光を入力すれば、他方の端面から周波数ω3（波長λ3、ω3＝ω1＋ω2）の光が出力され、波長変換素子として機能する。このとき光の入射面または出射面となる結晶端面には光学研磨を施し、さらに透過する光の波長に対応した反射防止膜を形成すれば波長変換素子としての効率を高めることができる。
本発明に係る光源装置は、波長変換素子としてSrAlF5単結晶に周期的分極反転構造を形成した擬似位相整合素子を用いたものであり、本発明に係るレーザー応用装置は、該光源装置を光源として搭載したものである。
請求項１に記載の光源装置は、少なくとも一つのレーザー光源と、少なくとも一つの波長変換素子とを備え、前記レーザー光源が発生した光の波長を前記波長変換素子により変換して出力する光源装置であって、前記波長変換素子のうち少なくとも一つが、周期的分極反転構造が形成されたフッ化ストロンチウムアルミニウム（SrAlF5）単結晶からなる波長変換素子であることを特徴とする。
請求項２に記載の光源装置は、請求項１に記載の特徴に加え、前記フッ化ストロンチウムアルミニウム（SrAlF5）単結晶からなる波長変換素子が第二高調波または和周波を発生することを特徴とする。
請求項３に記載の光源装置は、請求項１または請求項２に記載の特徴に加え、出力するコヒーレント光の波長が200nm以下であることを特徴とする。
請求項４に記載の光源装置は、請求項３に記載の特徴に加え、出力するコヒーレント光の波長がArFエキシマレーザーと同じ193nmであることを特徴とする。
請求項５に記載の光源装置は、請求項３に記載の特徴に加え、出力するコヒーレント光の波長がF2レーザーと同じ157nmであることを特徴とする。
請求項６に記載の半導体露光装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたことを特徴とする。
請求項７に記載のレーザー治療装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたことを特徴とする。
請求項８に記載のレーザー干渉計装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたことを特徴とする。
請求項９に記載のレーザー顕微鏡装置は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたことを特徴とする。
本発明が提供する光源装置は、シンプルな構成で、真空紫外域のコヒーレント光、特にArＦエキシマレーザーまたはF2レーザーと同じ波長を持つコヒーレント光を出力することができる。さらに連続発振が可能であることに加え、レーザーガスを使用しないためメンテナンス性が良く、ランニングコストを低減することができる。
[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図１において１００は、DFB構造を持ちパルス変調されたInGaAsP系半導体レーザである。このレーザーは波長1554nmで発振するように不図示の温度調節機構によって温度コントロールされている。
半導体レーザ１００から出射された波長1554nmの光は、シングルモード光ファイバー１０１中を伝播し、アイソレータ１０２を通り再びシングルモード光ファイバー１０１中を伝播する。半導体レーザ１０３は、波長980nmの光または波長1480nmの光を発振させることができる。半導体レーザ１０３からの光は、シングルモードファイバー１０４を通り、光合波装置１０５で波長1554nmの光と合流し、希土類元素のエルビウム（Er）をドープした光ファイバー１０６に入射される。ここで、エルビウムドープファイバーは、半導体レーザ１０３からの光によって励起され、波長1554nmの光を増幅する働きを持つ。
増幅された光は、光ファイバー端面またはコネクタ端面１０７より出射光１０８として空間に出射され、レンズ１０９によって非線形光学結晶LBO１１０に入射される。非線形光学結晶LBO１１０では、第二高調波が発生する。このLBO１１０は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝０°でカットされ、結晶温度は約117℃に保たれている。非線形光学結晶１１０は、LBO以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
波長772nmの光１１１は、レンズ１１２により非線形光学結晶LBO１１３に集光され、第二高調波発生により波長386nmの光に変換される。LBOは、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝34.5°でカットされている。この非線形光学結晶１１３をLBOではなく、GdYCOB（GdXY1-XCa4O（BO3）3）に置き換えてもよい。GdYCOBでは、GdとYとの組成比を変えることで複屈折性を制御することができ、したがって位相整合特性を変えることができる。そのため、GdとYの組成比を適当に変えることにより、結晶方位φ＝90°、θ＝90°でタイプ１のnon-critical位相整合による波長772nmの光の第二高調波変換を実現することができる。この場合、波長772nmでnon-critical位相整合できないLBO結晶による第二高調波発生よりも高効率でビーム品質の良い波長386nmの光が得られる。
非線形光学結晶１１３を、SrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
波長386nmの光１１４は、レンズ１１５によりSrAlF5の擬似位相整合素子１１６に入力され、第二高調波発生により波長193nmのコヒーレント光１１７が出力される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
前述したように、SrAlF5による擬似位相整合素子のみで、最終段の第二高調波発生を行うことができ、その場合、ビーム品質が高く高効率な波長193nmのコヒーレント光への波長変換が期待できる。また、従来の非線形光学結晶によるものに比べて、光損傷のしきい値が大きく、安価となる。
[第２の実施形態]
図２は、本発明の第２の実施の形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図２において、２００は、Arイオン連続波レーザ（波長514.5nm）またはNd：YAG第二高調波連続波レーザ（波長532nm）である。レーザー２００からの光２０１は、レンズ２０２によりチタンサファイアレーザー結晶（Ti：Al2O3）２０５に集光される。チタンサファイアレーザーは、凹面ミラー２０３、２０７と、波長選択素子と波長狭帯域化素子からなる光学素子２０４とレーザー結晶２０５と非線形光学結晶ＬＢＯ２０６から構成されている。
ここで、凹面ミラー２０３は波長772nmの光に対して高反射、光２０１に対して高透過となるようなコーティングが施されている。凹面ミラー２０７は、波長772nmの光に対して高反射、波長386nmの光に対して高透過となるようなコーティングが施されている。また、レーザーは波長選択素子により発振波長772nmとしてある。
レーザー共振器内部に置かれた非線形光学結晶LBO２０６により、波長772nmの第二高調波発生を行う。LBOは、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝34.5°でカットされている。
この非線形光学結晶２０６をLBOではなく、GdYCOBに置き換えても良い。GdYCOBでは、GdとYとの組成比を変えることで複屈折性を制御することができ、したがって位相整合特性を変えることができる。
そのため、GdとYの組成比を適当に変えることにより、結晶方位φ＝90°、θ＝90°でタイプ１のnon-critical位相整合による波長772nmの光の第二高調波変換を実現することができる。この場合、波長772nmでnon-critical位相整合できないLBO結晶による第二高調波発生よりも、高効率でビーム品質の良い波長386nmの光が得られる。
また、非線形光学結晶２０６を、SrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
非線形光学結晶２０６で発生した波長386nmの光は、凹面ミラー２０７を通してレーザー共振器外部に出射される。その波長386nmの光２０８は、レンズ２０９によりSrAlF5の擬似位相整合素子２１１に集光される。SrAlF5の擬似位相整合素子２１１は、凹面ミラー２１０、２１２からなる共振器の内部に置かれている。ここで、凹面ミラー２１０は波長386nmの光に対して部分反射となるようなコーティングが施されている。凹面ミラー２１２は、波長386nmの光に対して高反射、波長193nmの光に対して高透過となるようなコーティングが施されている。
この凹面ミラー２枚からなる共振器は、波長386nmの光２０８に共振するように、不図示の制御回路によりフィードバック制御されている。この場合、共振器内部に波長386nmの強い光が循環し、このことを利用して波長386nmの光の第二高調波発生を高効率で行う。SrAlF5を用いる場合、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。この共振器からは、波長193nmのコヒーレント光２１３が出力される。
本実施形態においても、SrAlF5による擬似位相整合素子のみで、最終段の第二高調波発生を行うことができ、その場合、ビーム品質が高く高効率な波長193nmの光への波長変換が期待できる。また、従来の非線形光学結晶によるものに比べて、光損傷のしきい値が大きく、安価となる。
本実施形態は、図８に示した従来技術に対応するものであるが、図２と図８を比べると分かるように、本実施の形態においては、非常に単純な構成となっている。したがって、より高効率で低コストの光源を実現することができる。また、レーザー結晶２０５は、Cr：LiCAF結晶（LiCaAlF6）に置き換えてもよい。その場合、励起用レーザー２００は可視光半導体レーザー（波長635nmまたは波長670nm）とする。Cr：LiCAF結晶は、発振波長可変でチタンサファイアと同様に、波長選択素子により発振波長を772nmにできる。また、励起に小型、安価な半導体レーザーを用いることができるため、チタンサファイアレーザーよりもシステム全体の小型化、低価格化が実現できる。
[第３の実施形態]
図３は、本発明の第３の実施の形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。本実施形態は、第２の実施形態のチタンサファイアレーザーをパルス発振させたものである。
図３において、３００は、Arイオン連続波レーザー（波長514.5ｎｍ）またはNd：YAG第二高調波連続波レーザ（波長532nm）である。レーザー３００からの光３０１は、レンズ３０２によりチタンサファイアレーザー結晶（Ti：Al2O3）３０５に集光される。チタンサファイアレーザーは、凹面ミラー３０３、３０６と波長選択素子と波長狭帯域化素子からなる光学素子３０４とレーザー結晶３０５と、Ｑスイッチなどのパルス化素子３１４から構成されて、パルス発振を行う。ここで、凹面ミラー３０３は波長772nmの光に対して高反射、光３０１に対して高透過となるようなコーティングが施されている。凹面ミラー３０６は、波長772nmの光に対して部分反射となるようなコーティングが施されている。また、レーザーは波長選択素子により発振波長772nmとしてある。
凹面ミラー３０６より出射された波長772nmの光３０７は、レンズ３０８により非線形光学結晶LBO３０９に集光され、第二高調波発生により波長386nmの光に変換される。LBOは、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝34.5°でカットされている。
この非線形光学結晶３０９をLBOではなく、GdYCOBに置き換えてもよい。GdYCOBでは，GdとYとの組成比を変えることで複屈折性を制御することができ、したがって位相整合特性を変えることができる。そのため、GdとYの組成比を適当に変えることにより、結晶方位φ＝90°、θ＝90°でタイプ１のnon-critical位相整合による波長772nmの光の第二高調波変換を実現することができる。この場合、波長772nmでnon-critical位相整合できないLBO結晶による第二高調波発生よりも高効率でビーム品質の良い波長386nmの光が得られる。
また、非線形光学結晶３０９を、SrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3，KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
波長386nmの光３１０は、レンズ３１１によりSrAlF5の擬似位相整合素子３１２に入力され、第二高調波変換により波長193nmのコヒーレント光３１３が出力される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
前述したように、SrAlF5による擬似位相整合素子のみで、最終段の第二高調波発生を行うことができ、その場合、ビーム品質が高く高効率な波長193nmの光への波長変換が期待できる。また、従来の非線形光学結晶によるものに比べて、光損傷のしきい値が大きく、安価となる。
また、レーザー結晶３０５を、Cr：LiCAF結晶（LiCaAlF6）に置き換えてもよい。その場合、励起用レーザ３００は可視光半導体レーザー（波長635nmまたは波長670nm）とする。Cr：LiCAF結晶は、発振波長可変でチタンサファイアと同様に波長選択素子により発振波長772nmとできる。また、励起に小型、安価な半導体レーザーを用いることができるため、チタンサファイアレーザーよりもシステム全体の小型化、低価格化が実現できる。
[第４の実施形態]
図４は、本発明の第４の実施形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。本実施形態は、第３の実施形態のチタンサファイアレーザーをフラッシュランプ励起のアレキサンドライトレーザー（Be2Al2O4）に置き換えたものである。
図４において、アレキサンドライトレーザーは、凹面ミラー４００、４０５と波長選択素子４０１と励起用フラッシュランプ４０２とレーザー結晶４０４とＱスイッチなどのパルス化素子４１３から構成され、パルス発振を行う。ここで、凹面ミラー４００、４０５はそれぞれ、波長772nmの光に対して高反射、部分反射となるようなコーティングが施されている。また、レーザーは波長選択素子により発振波長772nmとしてある。
アレキサンドライトレーザーから発振された波長772nmの光４０６は、レンズ４０７により非線形光学結晶LBO４０８に集光され、第二高調波発生により波長386nmの光４０９に変換される。LBOは、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝34.5°でカットされている。
この非線形光学結晶４０８をGdYCOBに置き換えてもよいこと、SrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよいことは、前記第３の実施形態と同様である。
波長386nmの光４０９は、レンズ４１０によりSrAlF5の擬似位相整合素子４１１に入力され、第二高調波変換により波長193nmのコヒーレント光４１２が出力される。
本実施形態においても、SrAlF5による擬似位相整合素子のみで、最終段の第二高調波発生を行うことができ、その場合、ビーム品質が高く高効率な波長193nmの光への波長変換が期待できる。また、従来の非線形光学結晶によるものに比べて、光損傷のしきい値が大きく、安価となる。
本実施形態は、図１０に示した従来例に対応するものであるが、図４と図１０を比較すると分かるように、本実施形態においては、和周波混合の必要のない、より単純な構成となっている。したがって、より高効率で低コストの光源を実現することができる。
[第５の実施形態]
図５は、本発明の第５の実施形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図５において、窒化ガリウム系（InGaN）半導体レーザー５００は、中心波長386nmで連続発振するように、不図示の温度制御装置によりフィードバック制御されている。半導体レーザー５００より出射された波長386nmの光５０１は、レンズ５０２によりSrAlF5の擬似位相整合素子５０４に集光される。SrAlF5の擬似位相整合素子５０４は、凹面ミラー５０３、５０５からなる共振器の内部に置かれている。ここで、凹面ミラー５０３は波長386nmの光に対して部分反射となるようなコーティングが施されている。凹面ミラー５０５は、波長386nmの光に対して高反射、波長193nmの光に対して高透過となるようなコーティングが施されている。
この凹面ミラー２枚からなる共振器は、波長386nmの光５０１に共振するように、不図示の制御回路によりフィードバック制御されている。この場合、共振器内部に波長386nmの強い光が循環し、このことを利用して波長386nmの光の第二高調波発生を高効率で行う。この共振器からは波長193nmのコヒーレント光５０６が出力される。この場合、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。半導体レーザーの第二高調波変換で波長193nmの光を発生させる場合、第１ないし第４の実施形態に記載した固体レーザーを介する構成に比べて、より小型で低価格化が可能である。
[第６の実施形態]
図６は、本発明の第６の実施形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
GaAlAs系半導体レーザー６００は、中心波長772nmで連続発振するように、不図示の温度制御装置によりフィードバック制御されている。半導体レーザー６００より出射された波長772nmの光６０１は、レンズ６０２により非線形光学結晶LBO６０４に集光される。非線形光学結晶LBO６０４は、凹面ミラー６０３、６０５からなる共振器の内部に置かれている。LBOは、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝34.5°でカットされている。ここで、凹面ミラー６０３は波長772nmの光に対して部分反射となるようなコーティングが施されている。凹面ミラー６０５は、波長772nmの光に対して高反射、波長386nmの光に対して高透過となるようなコーティングが施されている。
この凹面ミラー２枚からなる共振器は、波長772nmの光６０１に共振するように、不図示の制御回路によりフィードバック制御されている。この場合、共振器内部に波長772nmの強い光が循環し、このことを利用して波長772nmの光の第二高調波発生を高効率で行う。第５の実施形態と同様に、この非線形光学結晶をGdYCOBまたはSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTPによる擬似位相整合素子で置き換えてもよい。
非線形光学結晶６０４で発生した波長386nmの光は、凹面ミラー６０５を通してレーザー共振器外部に出射される。その波長386nmの光６０６は、レンズ６０７によりSrAlF5の擬似位相整合素子６０９に集光される。SrAlF5の擬似位相整合素子６０９は、凹面ミラー６０８、６１０からなる共振器の内部に置かれている。ここで、凹面ミラー６０８は波長386nmの光に対して部分反射となるようなコーティングが施されている。凹面ミラー６１０は、波長386nmの光に対して高反射、波長193nmの光に対して高透過となるようなコーティングが施されている。
この凹面ミラー２枚からなる共振器は、波長386nmの光６０６に共振するように、不図示の制御回路によりフィードバック制御されている。この場合、共振器内部に波長386nmの強い光が循環し、このことを利用して波長193nmの光の第二高調波発生を高効率で行う。よって、出力として波長193nmのコヒーレント光６１１が得られる。
この場合、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能であるSrAlF5による擬似位相整合素子のみで、最終段の第二高調波発生を行うことができ、その場合、ビーム品質が高く高効率な波長193nmの光への波長変換が期待できる。また、従来の非線形光学結晶によるものに比べて、光損傷のしきい値が大きく、安価となる。
[第７の実施形態]
図７は、本発明の第７の実施形態である、Nd：YAGレーザー４倍波励起を用いて波長157nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図７において、１１０１は、Ｑスイッチパルス発振方式のNd：YAGレーザー（発振波長1064nm）である。１１０４は、前記Nd：YAGレーザーからの波長1064nmの光１１０２を第二高調波発生により波長532nmの光１１０５へと変換する非線形光学結晶である。このような非線形光学結晶としては、例えば前記LBOやBBO、KTP、CLBOなどを用いることができ、あるいはSrAlF5の擬似位相整合素子でもよい。
１１０３は、波長1064nmの光に適合するように両面反射防止コーティングされている集光用レンズである。１１０７は、波長532nmの光１１０５を第二高調波発生により波長266nmの光１１０８へと変換させる非線形光学結晶である。このような非線形光学結晶としては、例えば前記BBOやCLBOなどを用いることができ、あるいはSrAlF5の擬似位相整合素子でもよい。１１０６は、波長532nmの光に適合するように両面反射防止コーティングされている集光用レンズである。
波長266nmの光１１０８により、波長可変レーザー結晶Ce：LiCAF（Ce：LiCaAlF6）１１１１が光励起される。Ce：LiCAFは、発振波長が280nm〜320nmで可変であり、前記のようにNd：YAGレーザーの４倍波を励起光源とする全固体紫外レーザーを構成することができる。また、レーザー結晶１１１１は、Ce：LiCAFとほぼ同様のレーザー発振特性を持つCe：LiSAF（Ce：LiSrAlF6）でもよい。
１１１０は、波長226nmの光に対して高透過、波長314nmの光に対して高反射の誘電体多層膜コーティングされた凹面ミラーである。１１１３は、波長314nmの光に対して部分透過の誘電体多層膜コーティングされた凹面ミラーである。１１１２は、レーザの発振波長を314nmに固定し狭帯域化する波長選択素子である。ミラー１１１０、１１１３とレーザー結晶１１１１、波長選択素子１１１２によってレーザー発振器が構成される。ミラー１１１３より出射された波長314nmの光１１１４は、レンズ１１１５によりSrAlF5擬似位相整合素子１１１６に入力される。
SrAlF5擬似位相整合素子は所定の周期で分極反転されており、波長314nmの光１１１４を、第２光高調波発生によりF2レーザーと同じ波長157nmのコヒーレント光１１１７を発生させることができる。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。さらにF2レーザーに比べて、レーザーガスが不要であり、かつ小型・低コストの光源を実現することができる。
SrAlF5擬似位相整合素子を用いた波長157nmのコヒーレント光を出力する光源は、波長193nmのコヒーレント光を発する光源と同様に、半導体露光装置、レーザ治療装置、レーザ加工装置、レーザ干渉計、レーザ顕微鏡、DVDマスタリング装置、光メモリ装置、光造形装置などの光源として用いることができる。
[第８の実施形態]
本実施形態は、半導体露光装置であって、従来のArFエキシマレーザー光源の代わりに、本発明の第１、第３、第４の実施形態として説明したパルス発振の193nm光源を露光用光源として搭載したものである。また、前記第２、第５、第６の実施形態である連続発振の193nm光源は、レンズまたはウェハアライメント用の光源として用いることができる。
本発明に係る波長193nmの光源装置は、ArFエキシマレーザーと同じ波長のコヒーレント光を出力するので、半導体露光装置に搭載する場合でも光学系などの設計変更が最小限で済む。また、本発明に係る光源装置はフッ素を含むレーザーガスを使用しないため、メンテナンス性が良く、ランニングコストを低減することができる。さらに消費電力も小さく、小型の半導体露光装置を実現することができる。
[第９の実施形態]
本実施形態は、半導体露光装置であって、従来のF2レーザー光源の代わりに、本発明の第７の実施形態として説明したパルス発振の157nm光源を露光用光源として搭載したものである。
本発明に係る波長157nmの光源装置は、F2レーザーと同じ波長のコヒーレント光を出力するので、半導体露光装置に搭載する場合でも光学系などの設計変更が最小限で済む。また、本発明に係る光源装置はフッ素を含むレーザーガスを使用しないため、メンテナンス性が良く、ランニングコストを低減することができる。さらに消費電力も小さく、小型の半導体露光装置を実現することができる。
[第１０の実施形態]
レーザー治療装置、特に視力矯正手術はArFエキシマレーザーを光源として用いていた。しかし、１パルスのパルスエネルギーが大きすぎ、かつパルス時間幅が大きくて露光量の微妙なコントロールがし難いという欠点があった。また、手術室内にフッ素を含むレーザーガスを導入する必要があり、安全性や設備の保守点検の面で問題があった。
本実施形態は、レーザー治療装置であって、ArFエキシマレーザ光源を本発明の第１、第３、第４の実施形態であるパルス発振193nm光源装置、又は前記第７の実施形態であるパルス発振の157nm光源装置に置き換えたものである。本発明が提供するコヒーレント光源は高繰り返しが可能であり、したがって１パルスのエネルギーが小さく、パルス時間幅も小さいので、レーザー治療に適した治療装置を構成することができ、かつフッ素ガスを用いないので安全性にも優れたものである。
[第１１の実施形態]
本実施形態は、電子産業におけるプリント基板の穴あけや機械加工などを行うレーザー加工装置の光源として、本発明の第１、第３、第４の実施形態であるパルス発振の193nm光源装置、又は前記第７の実施形態であるパルス発振の157nm光源装置を用いたものである。
本実施形態のレーザー加工装置は、ArFエキシマレーザーを用いる装置と比較して、レーザーガスが不要であり、かつ小型、低コストの装置を実現できる。また本発明が提供する光源装置は、エキシマレーザーよりもビーム品質が良いため、集光特性が良く、効率の高い加工を行うことができる。
[第１２の実施形態]
本実施形態は、レーザー干渉計の光源として、第２、第５、第６の実施形態に示した連続発振の193nm光源装置を用いたものである。本発明に係る光源装置が発生するコヒーレント光は、ArFエキシマレーザーよりもコヒーレンス長がはるかに長いため、レーザ干渉計の光源に応用でき、測距装置やArＦエキシマレーザー用光学素子の波面収差測定用干渉計などの装置が実現できる。本実施形態のレーザー干渉計装置は、ArFエキシマレーザーを光源として用いた装置にくらべ、ガスが不要であり、かつ小型、低コストの装置を実現できる。
[第１３の実施形態]
本実施形態は、第２、第５、第６の実施形態に示した連続発振の193nm光源装置を、共焦点型のレーザー顕微鏡に組み込んだものである。本実施形態のレーザー顕微鏡装置は、半導体ウェハーの検査、特に従来のArFエキシマステッパーで露光したウェハーの検査に用いることもでき、光源としてArFエキシマレーザーを用いたレーザー顕微鏡にくらべ、ガスが不要であり、かつ小型、低コストの装置を実現できる。
[第１４の実施形態]
本実施形態は、第２、第５、第６の実施形態に示した連続発振の193nm光源装置をDVD（Digital Versatile Disk）のマスタリング装置の光源として組み込んだものである。この場合、第１１の実施の形態と同様に、集光特性が良く、かつガスが不要で、小型、低コストの装置を実現できる。
[第１５の実施形態]
本実施形態は、第２、第５、第６の実施形態に示した連続発振の193nm光源装置を、光メモリ用の光源として用いたものである。本実施形態によれば、従来にない短波長の光メモリを構成できる。また、光源としてArFエキシマレーザーを用いたものにくらべ、ガスが不要であり、かつ小型、低コストの装置を実現できる。
[第１６の実施形態]
本実施形態は、第１から第６の実施形態である連続発振の193nm光源装置または前記第７の実施形態であるパルス発振の157nm光源装置を、光造形装置用の光源として用いたものである。この場合、ArFエキシマレーザーを用いたものにくらべ、ガスが不要であり、かつ小型、低コストの光造形装置を実現できる。
[第１７の実施形態]
第１７〜第１９の実施形態においては、最終段ではなく、その手前の波長変換においてSrAlF5擬似位相整合素子を利用する実施形態を示す。この構成の特徴と効果は、最終段の手前までは全てN.C.P.M.（non-critical位相整合）可能な光学系を実現することで、全ての光学素子が一直線上に配置できるシンプルな光学系が実現できることにある。これまでは、波長1554nmの８倍波として193nmを発生させるための光学系は、途中N.C.P.M.が不可能な波長変換素子が入るため、ミラー等で光線を分岐して２列以上の光学系にする必要であり、構成が複雑になるとともに調整が困難であった。しかし、たとえ193nmを発生する最終段にSrAlF5擬似位相整合素子を使わなくても、最終段の手前までは全てN.C.P.M.が可能な光学系が作り出せれば、シンプルな構成で調整が容易な光学系が実現できる。また、193nmの位相整合が要求される最終段に比べ、その手前の波長変換は、素子の周期構造に要求される周期が長くて済むことから、技術的に実現が容易になる。
第１７の実施形態は、図１２に示す構成を備えた、波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置である。
図１２において１２００は、DFB構造を持ちパルス変調されたInGaAsP系半導体レーザである。このレーザは波長1554nmで発振するように不図示の温度調節機構によって温度コントロールされている。
半導体レーザ１２００から出射された波長1554nmの光は、シングルモード光ファイバー１２０１中を伝播し、アイソレータ１２０２を通り再びシングルモード光ファイバー１２０１中を伝播する。半導体レーザ１２０３は、波長980nmの光または波長1480nmの光を発振させることができる。半導体レーザ１２０３からの光は、シングルモードファイバー１２０４を通り、光合波装置１２０５で波長1554nmの光と合流し、希土類元素のエルビウム（Er）をドープした光ファイバー１０６に入射される。ここで、エルビウムドープファイバーは、半導体レーザ１２０３からの光によって励起され、波長1554nmの光を増幅する働きを持つ。
増幅された光は、光ファイバー端面またはコネクタ端面１２０７より出射光１２０８として空間に出射され、レンズ１２０９によって非線形光学結晶LBO１２１０に入射される。非線形光学結晶LBO１２１０では、第二高調波（772nm）が発生する。このLBO１２１０は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝０°でカットされ、結晶温度は約117℃に保たれている。非線形光学結晶１２１０は、LBO以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、ＫＴＰ（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
１２１１に含まれる波長1554nmの光（基本波）と波長772nmの光（２倍波）のうち、光波長772nmの光（２倍波）は、レンズ１２１２により非線形光学結晶GdYCOB１２１３に集光され、第二高調波発生により波長386nm（４倍波）の光に変換される。また、GdYCOB（GdXY1-XCa4O(BO3)3）はGdとYとの組成比を変えることで複屈折性を制御することができ、したがって位相整合特性を変えることができる。そのため、GdとYの組成比を適当に変えることにより、結晶方位φ＝90°、θ＝90°でタイプ１のnon-critical位相整合による波長772nmの光の第二高調波変換を実現することができる。非線形光学結晶１２１３は、GdYCOB以外に前記SrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。いずれの場合も、波長772nmでnon-critical位相整合が可能であり、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い波長386nmの光が得られる。
１２１４に含まれる光は、レンズ１２１５により非線形光学結晶LBO１２１６に集光され、このうち、波長1554nmの光（基本波）と波長772nm（２倍波）は和周波発生により波長516nm（３倍波）の光に変換される。このLBO１２１６は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝０°でカットされ、結晶温度は約145℃に保たれている。非線形光学結晶１２１６は、LBO以外に非線形光学結晶GdYCOB、またはSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い３倍波の和周波発生が可能である。
１２１７に含まれる光は、レンズ１２１８によりSrAlF5による擬似位相整合素子１２１９に集光され、このうち、波長516nm（３倍波）と４倍波（386nm）の和周波発生により７倍波（波長221nm）の光に変換される。このSrAlF5による擬似位相整合素子１２１９は、non-critical位相整合をすることから、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い７倍波の和周波が発生する。
１２２０に含まれる光は、レンズ１２２１により非線形光学結晶CLBO１２２２に集光され、このうち、波長1554nm（基本波）と７倍波（221nm）の和周波発生により８倍波（波長193nm）のコヒーレント光が出力される。このCLBO１２２２は、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝61.7°、φ＝45°でカットされている。
[第１８の実施形態]
図１３は、本発明の第1８の実施形態である波長193nmの光源装置を示す概略構成図である。図１３において１３００〜１３０８までの構成（基本波レーザーの構成）は前記第１および第１７の実施形態と同じである。
エルビウムドープファイバー中で増幅された光は、光ファイバー端面またはコネクタ端面１３０７より出射光１３０８として空間に出射され、レンズ１３０９によって非線形光学結晶LBO１３１０に入射される。非線形光学結晶LBO１３１０では、第二高調波（772nm）が発生する。このLBO１３１０は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝０°でカットされ、結晶温度は約117℃に保たれている。非線形光学結晶１３１０は、LBO以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
１３１１に含まれる波長1554nmの光（基本波）と波長772nmの光（２倍波）のうち、光波長772nmの光（２倍波）は、レンズ１３１２により非線形光学結晶GdYCOB１３１３に集光され、第二高調波発生により波長386nm（４倍波）の光に変換される。GdYCOB（GdXY1-XCa4O(BO3)3）はGdとYとの組成比を変えることで複屈折性を制御することができ、したがって位相整合特性を変えることができる。そのため、GdとYの組成比を適当に変えることにより、結晶方位φ＝90°、θ＝90°でタイプ１のnon-critical位相整合による波長772nmの光の第二高調波変換を実現することができる。非線形光学結晶１３１３は、LBO以外に前記SrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。いずれの場合も、波長772nmでnon-critical位相整合が可能であり、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い波長386nmの光が得られる。
１３１４に含まれる光は、レンズ１３１５によりSrAlF5による擬似位相整合素子１３１６に集光され、このうち、波長1554nmの光（基本波）と波長386nm（４倍波）は和周波発生により波長309nm（５倍波）の光に変換される。このSrAlF5による擬似位相整合素子１３１６は、non-critical位相整合をすることから、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い５倍波の和周波発生が可能である。
１３１７に含まれる光は、レンズ１３１８により非線形光学結晶CLBO１３１９に集光され、このうち、波長309nm（５倍波）と２倍波（772nm）の和周波発生により７倍波（波長516nm）の光に変換される。このCLBO１３１９は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝45°でカットされている。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い７倍波の和周波発生が可能である。
１３２０に含まれる光は、レンズ１３２１により非線形光学結晶CLBO１３２２に集光され、このうち、波長1554nm（基本波）と７倍波（221nm）の和周波発生により８倍波（波長193nm）のコヒーレント光に変換される。このCLBO１３２２は、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝61.7°、φ＝45°でカットされている。
[第１９の実施形態]
図１４は、本発明の第1９の実施形態である波長193nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図１４において１４００〜１４０８までの構成（基本波レーザーの構成）は前記第１、第１７、第１８の実施形態と同じである。
エルビウムドープファイバー中で増幅された光は、光ファイバー端面またはコネクタ端面１４０７より出射光１４０８として空間に出射され、レンズ１４０９によって非線形光学結晶LBO１４１０に入射される。非線形光学結晶LBO１４１０では、第二高調波（772nm）が発生する。このLBO１４１０は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝０°でカットされ、結晶温度は約117℃に保たれている。非線形光学結晶１４１０は、LBO以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
１４１１に含まれる波長1554nmの光（基本波）と波長772nmの光（２倍波）は、レンズ１４１２により非線形光学結晶LBO１４１３に集光され、和周波発生により波長516nm（３倍波）の光に変換される。このLBO１４１３は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝０°でカットされ、結晶温度は約145℃に保たれている。非線形光学結晶１４１３は、LBO以外に非線形光学結晶GdYCOB、またはSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い３倍波の和周波発生が可能である。
１４１４に含まれる光は、レンズ１４１５によりSrAlF5による擬似位相整合素子１４１６に集光され、このうち、波長773nmの光（２倍波）と波長516nm（３倍波）は和周波発生により波長309nm（５倍波）の光に変換される。このSrAlF5による擬似位相整合素子１４１６は、non-critical位相整合をすることから、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い５倍波の和周波発生が可能である。
１４１７に含まれる光は、レンズ１４１８により非線形光学結晶CLBO１４１９に集光され、このうち、波長309nm（５倍波）と２倍波（772nm）の和周波発生により７倍波（波長516nm）の光に変換される。このCLBO１４１９は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝45°でカットされている。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い７倍波の和周波発生が可能である。
１４２０に含まれる光は、レンズ１４２１により非線形光学結晶CLBO１４２２に集光され、このうち、波長1554nm（基本波）と７倍波（221nm）の和周波発生により８倍波（波長193nm）のコヒーレント光に変換される。このCLBO１４２２は、タイプ１の位相整合をするように、結晶方位θ＝61.7°、φ＝45°でカットされている。
[第２０の実施形態]
第２０〜第２３の実施形態では、波長266 nm、213nm、177nm、257nmのコヒーレント光を出力する光源装置の例を示す。この構成の特徴と効果は、最終段まで全てN.C.P.M.（non-critical位相整合）可能な光学系を実現することで、全ての光学素子が一直線上に配置できるシンプルな光学系が実現できることともに、最終的にWalk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い光を発生することができる。
図１５は、本発明の第２０の実施形態である波長266nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図１５において１５００は、Nd：YAGレーザ（波長1064nm）である。Nd：YAGレーザの波長1064nmの光は出射光１５０１として空間に出射され、レンズ１５０２によって非線形光学結晶LBO１５０３に入射される。非線形光学結晶LBO１５０３では、第二高調波（波長532nm）が発生する。このLBO１５０３は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝90°でカットされ、結晶温度は約149℃に保たれている。非線形光学結晶１５０３は、LBO以外に、非線形光学結晶K：NbO3で置き換えても良い。この場合、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝0°、φ＝0°でカットされ、結晶温度は約208℃に保たれている。これらの非線形光学結晶以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
１５０４で示される光波長532nmの光（２倍波）は、レンズ１５０５によりSrAlF5の擬似位相整合素子１５０６に集光され、第二高調波発生により波長266nmのコヒーレント光１５０７に変換される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
[第２１の実施形態]
図１６は、本発明の第２１の実施形態である波長213nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図１６において１６００は、Nd：YAGレーザ（波長1064nm）である。Nd：YAGレーザの波長1064nmの光は出射光１６０１として空間に出射され、レンズ１６０２によって非線形光学結晶LBO１６０３に入射される。非線形光学結晶LBO１６０３では、第二高調波（波長532nm）が発生する。このLBO１６０３は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝90°でカットされ、結晶温度は約149℃に保たれている。非線形光学結晶１６０３は、LBO以外に、非線形光学結晶K：NbO3で置き換えても良い。この場合、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝0°、φ＝0°でカットされ、結晶温度は約208℃に保たれている。これらの非線形光学結晶以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
１６０４に含まれる波長1064nmの光（基本波）と波長532nmの光（２倍波）は、レンズ１６０５によりSrAlF5の擬似位相整合素子１６０６に集光され、和周波発生により波長355nm（３倍波）の光に変換される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い３倍波の和周波発生が可能である。
１６０７に含まれる波長532nmの光（２倍波）と波長355nmの光（３倍波）は、レンズ１６０８によりSrAlF5の擬似位相整合素子１６０９に集光され、和周波発生により波長213nm（５倍波）のコヒーレント光に変換される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い３倍波の和周波発生が可能である。
[第２２の実施形態]
図１７は、本発明の第２２の実施形態である波長177nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図１７において１７００は、Nd：YAGレーザ（波長1064nm）である。Nd：YAGレーザの波長1064nmの光は出射光１７０１として空間に出射され、レンズ１７０２によって非線形光学結晶LBO１７０３に入射される。非線形光学結晶LBO１７０３では、第二高調波（波長532nm）が発生する。このLBO１７０３は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝90°でカットされ、結晶温度は約149℃に保たれている。非線形光学結晶１７０３は、LBO以外に、非線形光学結晶K：NbO3で置き換えても良い。この場合、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝0°、φ＝0°でカットされ、結晶温度は約208℃に保たれている。これらの非線形光学結晶以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
１７０４に含まれる波長1064nmの光（基本波）と波長532nmの光（２倍波）は、レンズ１７０５によりSrAlF5の擬似位相整合素子１７０６に集光され、和周波発生により波長355nm（３倍波）の光に変換される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い３倍波の和周波発生が可能である。
１７０７に含まれる波長355nmの光（３倍波）は、レンズ１７０８によりSrAlF5の擬似位相整合素子１７０９に集光され、第二高調波発生により波長177nm（６倍波）のコヒーレント光に変換される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い３倍波の和周波発生が可能である。
[第２３の実施形態]
図１８は、本発明の第２３の実施形態である波長257nmのコヒーレント光を出力する光源装置を示す概略構成図である。
図１８において１８００は、Yb：YAGレーザ（波長1034nm）である。Yb：YAGレーザの波長1030nmの光は出射光１８０１として空間に出射され、レンズ１8０２によって非線形光学結晶LBO１８０３に入射される。非線形光学結晶LBO１８０３では、第二高調波（波長515nm）が発生する。このLBO１８０３は、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝90°、φ＝90°でカットされ、結晶温度は約194℃に保たれている。非線形光学結晶１８０３は、LBO以外に、非線形光学結晶K：NbO3で置き換えても良い。この場合、タイプ１のnon-critical位相整合をするように、結晶方位θ＝0°、φ＝0°でカットされ、結晶温度は約152℃に保たれている。これらの非線形光学結晶以外にSrAlF5、Li：NbO3、Li：TaO3、KTP（KTiOPO4）による擬似位相整合素子で置き換えてもよい。前記いずれの場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二光高調波発生が可能である。
１８０４で示される光波長515nmの光（２倍波）は、レンズ１８０５によりSrAlF5の擬似位相整合素子１８０６に集光され、第二高調波発生により波長257nmのコヒーレント光１８０７に変換される。この場合も、Walk-Off効果がなく、高効率でビーム品質の良い第二高調波発生が可能である。
第１の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第２の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第３の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第４の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第５の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第６の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第７の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 従来の光源装置の一例である。 従来の光源装置の一例である。 従来の光源装置の一例である。 波長変換素子の構成例である。 第１７の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第１８の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第１９の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第２０の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第２１の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第２２の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。 第２３の実施形態に係る光源装置の概略構成図である。
符号の説明
１００…半導体レーザー、１０１…シングルモード光ファイバー、１０２…アイソレータ、１０３…半導体レーザー、１０４…シングルモードファイバー、１０５…光合波装置、１０６…光ファイバー、１０７…光ファイバー端面またはコネクタ端面、１０８…波長1554nmの出射光、１０９…レンズ、１１０…非線形光学結晶LBO、１１１…波長772nmの光、１１２…レンズ、１１３…非線形光学結晶LBO、１１４…波長386nmの光、１１５…レンズ、１１６…SrAlF5の擬似位相整合素子、１１７…波長193nmのコヒーレント光、２００…レーザー、２０３…凹面ミラー、２０４…光学素子、２０５…レーザー結晶、２０６…非線形光学結晶LBO、２０７…凹面ミラー、２０８…波長386nmの光、２１１…SrAlF5の擬似位相整合素子、２１３…193nmのコヒーレント光、３００…レーザー、３０４…光学素子、３０５…レーザー結晶、３０７…波長772nmの光、３０９…非線形光学結晶LBO、３１０…波長386nmの光、３１２…SrAlF5の擬似位相整合素子、３１３…波長193nmのコヒーレント光、３１４…パルス化素子、４０１…波長選択素子、４０２…励起用フラッシュランプ、４０３…励起光、４０４…レーザー結晶、４０６…波長772nmの光、４０８…非線形光学結晶ＬＢＯ、４０９…波長386nmの光、４１１…SrAlF5の擬似位相整合素子、４１２…波長193nmのコヒーレント光、５００…半導体レーザー、５０１…波長386nmの光、５０４…SrAlF5の擬似位相整合素子、５０６…波長193nmのコヒーレント光、６００…半導体レーザー、６０１…波長772nmの光、６０４…非線形光学結晶LBO、６０５…凹面ミラー、６０６…波長386nmの光、６０９…SrAlF5の擬似位相整合素子、６１１…波長193nmのコヒーレント光、７００…Nd:YAGレーザー、７０１…波長1064nmの光、７０３…非線形光学結晶LBO、７０８…非線形光学結晶LBO、７１８…波長704nmの光、７２６…非線形光学結晶CLBO、７３３…非線形光学結晶CLBO、７３４…波長193nmの光、８００…Nd:YAGレーザー、８０９…波長2055nmの光、８１３…非線形光学結晶LBO、８１６…非線形光学結晶BBO、８２０…波長213nmの光、８２５…波長193nmのコヒーレント光、９０６…波長772nmの光、９１４…非線形光学結晶、９１５…波長193nmのコヒーレント光、１１０１…レーザー、１１０２…波長1064nmの光、１１０４…非線形光学結晶、１１０５…波長532nmの光、１１０７…非線形光学結晶、１１０８…波長266nmの光、１１１１…波長可変レーザー結晶、１１１２…波長選択素子、１１１４…波長314nmの光、１１１５…レンズ、１１１６…SrAlF5擬似位相整合器、１１１７…波長157nmのコヒーレント光、１２００…半導体レーザー、１２０１…シングルモード光ファイバー、１２０２…アイソレータ、１２０３…半導体レーザー、１２０４…シングルモード光ファイバー、１２０５…光合波装置、１２０６…半導体レーザー、１２１０…非線形光学結晶LBO、１２１３…非線形光学結晶、１２１６…非線形光学結晶LBO、１２１９…SrAlF5の擬似位相整合素子、１２２２…非線形光学結晶CLBO、１３１０…非線形光学結晶、１３１３…非線形光学結晶、１３１６…SrAlF5の擬似位相整合素子、１３１９…非線形光学結晶CLBO、１３２２…非線形光学結晶CLBO、１４１０…非線形光学結晶、１４１３…非線形光学結晶、１４１６…SrAlF5の擬似位相整合素子、１４１９…非線形光学結晶、１４２２…非線形光学結晶CLBO、１５００…Nd:YAGレーザー、１５０３…非線形光学結晶、１５０６…SrAlF5の擬似位相整合素子、１６００…Nd:YAGレーザー、１５０３…非線形光学結晶、１６０６…SrAlF5の擬似位相整合素子、１６０９…SrAlF5の擬似位相整合素子、１７００…Nd:YAGレーザー、１７０３…非線形光学結晶、１７０６…SrAlF5の擬似位相整合素子、１７０９…SrAlF5の擬似位相整合素子、１８００…Yb:YAGレーザー、１８０３…非線形光学結晶、１８０６…SrAlF5の擬似位相整合素子

Claims (9)

  1. 少なくとも一つのレーザー光源と、少なくとも一つの波長変換素子とを備え、前記レーザー光源が発生した光の波長を前記波長変換素子により変換して出力する光源装置であって、前記波長変換素子のうち少なくとも一つが、周期的分極反転構造が形成されたフッ化ストロンチウムアルミニウム（SrAlF5）単結晶からなる波長変換素子である、コヒーレント光を出力する光源装置。
  2. 前記フッ化ストロンチウムアルミニウム（SrAlF5）単結晶からなる波長変換素子が第二高調波または和周波を発生する請求項１に記載の光源装置。
  3. 出力するコヒーレント光の波長が200nm以下である請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の光源装置。
  4. 出力するコヒーレント光の波長が193nmである請求項３に記載の光源装置。
  5. 出力するコヒーレント光の波長が157nmである請求項３に記載の光源装置。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えた半導体露光装置。
  7. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたレーザー治療装置。
  8. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたレーザー干渉計装置。
  9. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光源装置を備えたレーザー顕微鏡装置。
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