JP2006049584A

JP2006049584A - レーザ光発生装置

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Publication number: JP2006049584A
Application number: JP2004228624A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Hoshi; 光男星
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】安定した光共振状態を維持する。
【解決手段】レーザ光源と、レーザ光を位相変調する位相変調器と、ミラー群と、ミラー群の一のミラーの位置を調整する調整素子と、ミラー群により反射されるレーザ光の波長を所定の波長に変換する波長変換素子とを有し、位相変調器により位相変調されたレーザ光をミラー群で反射し、当該反射光の波長を波長変換素子により所定の波長に変換し、高次のレーザ光を出射する光共振器と、光共振器から出射されたレーザ光に基づき、光共振器の共振長が所定の長さとなるように調整素子を制御する信号を生成する制御信号生成部と、光共振器から出射されたレーザ光のオフセット成分を検出するオフセット成分検出部と、オフセット成分検出部により検出されたオフセット成分に基づき、所定の信号を生成する信号生成手段と、制御信号生成部により生成された制御信号に、信号発生手段により生成された信号を加算する加算部とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光源からの出射光に基づき、該出射光よりも短波長のレーザ光を発生するレーザ光発生装置に関する。

従来より、短波長のレーザ光を発生するための方法として、例えばレーザ光源の出力光を外部光共振器に結合及び／又は共振させ、その共振器内部に配置された波長変換素子により入力光の半分の波長となる出力光を発生させる光第２高調波発生（ＳＨＧ）を利用する方法が知られている。

例えば、図１１に電磁位置決め素子（VCM、Voice Coil Motor）を用いた光共振器の構成を示す。光共振長Ｌ（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）は、数十ｃｍであり、温度変化等により数ミクロン程度緩やかに伸縮する。ＶＣＭは、温度変化等の緩やかな共振長変化成分と、外部振動による比較的短い周期の外乱（反射ミラー振動）の両方に対してＶＣＭサーボが外れることなく光共振状態を持続し続ける必要がある。このような光共振状態を持続し続けるための方法が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−２８６４８７号公報

ところで、従来は、図１２に示すような構成のフィードバック回路を用いてＶＣＭを駆動していた。そのため、温度変化等により共振長の伸縮量が大きくなると外部振動による外乱に対してＶＣＭサーボが外れ易くなり、光共振器内の光共振パワーが低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明では、温度変化等による共振長の伸縮量が大きくなってもＶＣＭのサーボを外さず、光共振器内の光共振パワーを一定に保つことができるレーザ光発生装置を提供する。

本発明に係るレーザ光発生装置は、上述の課題を解決するために、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を位相変調する位相変調器と、レーザ光を反射する複数のミラーが、所定の共振長となるように対向配置されてなるミラー群と、ミラー群の一のミラーの位置を調整する調整素子と、ミラー群により反射されるレーザ光の波長を所定の波長に変換する波長変換素子とを有し、位相変調器により位相変調されたレーザ光をミラー群で反射し、当該反射光の波長を波長変換素子により所定の波長に変換し、高次のレーザ光を出射する光共振器と、光共振器から出射されたレーザ光に基づき、光共振器の共振長が所定の長さとなるように調整素子を制御する信号を生成する制御信号生成部と、光共振器から出射されたレーザ光のオフセット成分を検出するオフセット成分検出部と、オフセット成分検出部により検出されたオフセット成分に基づき、所定の信号を生成する信号生成手段と、制御信号生成部により生成された制御信号に、信号発生手段により生成された信号を加算する加算部とを備え、調整素子は、加算部により加算された加算信号に基づき、ミラー群の一のミラーの位置を調整する。

本発明に係るレーザ光発生装置は、位置制御可能な反射ミラーを取り付けたＶＣＭを用いて光共振状態を作り出す構造の光共振器において、Ｓ字信号なるＶＣＭを制御するための信号に基づき、温度変化等により生じる共振器長伸縮による緩やかな周期の変動成分を検出し、当該検出した変動成分をＶＣＭ制御ループで生成されたＶＣＭ駆動信号に加算し、加算後の信号をＶＣＭ駆動部に入力することにより、安定した光共振状態を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

ここで、本発明は、例えば、図１に示すような構成のレーザ光発生装置に適用される。このレーザ光発生装置１は、グリーンレーザ光を出射するレーザ光源２と、レーザ光源２からグリーンレーザ光が入射される位相変調器（ＥＯＭ）３と、レーザ光源２からグリーンレーザ光が位相変調器３を介して入射される光共振器４と、光共振器４によるグリーンレーザ光の反射光を検出する光検出器５と、光検出器５による検出信号に基づいて、光共振器４の共振器長を可変して所定の共振器長に駆動する駆動回路６と、駆動回路６の動作を制御する制御回路７から構成されている。

レーザ光源２は、レーザ媒質として例えばＮｄ：ＹＡＧレーザを用いた半導体レーザにより得られる波長１０６４ｎｍのレーザ光を第２高調波発生（ＳＨＧ、Second Harmonic Generation）素子により波長変換して得られる波長５３２ｎｍのグリーンレーザ光を出射するようになっている。そして、このレーザ光源２から光共振器４に入射されるグリーンレーザ光の入射光路中に位相変調器３が設けられている。

位相変調器３は、駆動回路６に備えられている正弦波発生振器から供給される単一周波数例えば１０ＭＨｚの位相変調信号により、レーザ光源２から入射されるグリーンレーザ光を位相変調する。この位相変調器３により位相変調されたグリーンレーザ光が光共振器４に入射される。

光共振器４は、４つのミラーＭ１〜Ｍ４より構成されており、内部に波長変換素子（ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子）８が設置されている。この光共振器４は、レーザ光源２から入射される波長５３２ｎｍのグリーンレーザ光ＬＧを波長変換素子８によって２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＬＵＶに波長変換して、紫外線レーザ光ＬＵＶを出射する。この光共振器４のミラーＭ２は、共振器長を微少変化させるための可動ミラーであって、電磁位置決め素子（ＶＣＭ、Voice Coil Motor）９の駆動によりミラーＭ２が微少移動されるようになっている。ＶＣＭ９は、駆動回路６によりサーボ制御されるようになっている。また、光共振器４は、共振器長を制御することによって、ある特定の周波数の光のみを内部に引き込み、それ以外の周波数の光はミラーＭ１によって反射するように動作する。

ここで、光共振器４の動作について説明する。上述したように、ＳＨＧ素子８は、波長λ（ｎｍ）のレーザをλ／２（ｎｍ）に波長変換を行う素子である。通常、ＳＨＧ素子による波長変換効率は、１％以下と低いことが知られている。そこで、供給されるレーザパワーに対してλ／２に波長変換された出力パワーをより大きな効率で取り出すために、光共振器４を使用して光増幅を行い、ＳＨＧ素子への供給レーザパワーを増大させ、より大きな波長変換出力を得る方法が広く採用されている。

また、光の共振状態を維持するためには、光の波長λ（ｎｍ）の数百分の１程度の精度で共振長を安定に維持する必要がある。そのために、光共振器４を構成している各反射ミラーの位置をＶＣＭ９により制御する。

図２にＶＣＭ９の概略を示す。反射ミラーは、板バネで固定されている。コイルに流す電流がゼロの時は、板バネにより中点であるｍの位置に保持される構造である。反射ミラーは、コイルに流す電流の方向により±Ｍμｍの範囲まで可動可能である。また、反射ミラー面に対して垂直方向に正確に可動できる範囲Ｍは１００μｍ程度以上である。

また、図３は、互いに対向する２枚の反射ミラー間を波長λのレーザが反射を繰り返すモデルを示している。図３（Ａ）は、ＶＣＭ９側の反射ミラーに入射するレーザの位相ａと反射するレーザの位相ｂが異なる場合であり、光の共振は起こらない。一方、図３（Ｂ）は、ＶＣＭ９側の反射ミラーへの入射するレーザの位相ｃと反射するレーザの位相ｄが同相の場合である。レーザ光は、図３（Ｂ）の同相状態を保ち続けることにより、光共振状態となり強度が増幅される。また、光の共振状態を持続するためには、光の位相関係を捉え（検出し）、ＶＣＭ９を用いて光共振が持続できる方向に制御し続ける必要がある。

光検出器５は、光共振器４のミラーＭ１を透過したグリーンレーザ光ＬＧを検出し、検出したグリーンレーザ光ＬＧから所定の信号を生成し、生成した信号を駆動回路６と制御回路７に供給する。

駆動回路６は、光検出器５から供給された信号に基づき、光共振器４の共振長が所定の長さとなるようにＶＣＭ９を駆動するための駆動信号を生成する。

また、制御回路７は、光検出器５から供給された信号に基づき、オフセット成分を抽出し、抽出したオフセット成分に基づき駆動回路６を制御する制御信号を生成する。

ここで、駆動回路６及び制御回路７の詳細について図４（Ａ）を用いて説明する。駆動回路６は、光検出器５から供給された信号に基づき、ＶＣＭ９を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成部１０と、駆動信号生成部１０で生成された駆動信号と、後述する制御回路７から供給される信号を加算処理する加算部１１と、加算部１１により加算処理された後の信号に応じてＶＣＭ９を駆動する駆動部１２を備えている。

制御回路７は、光検出器５から供給された信号から高域周波数成分を除去するＬＰＦ（Low Pass Filter）２０と、高域成分が除去された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部２１と、Ａ／Ｄ変換部２１により変換されたデジタル信号に基づいて所定の演算を行うＣＰＵ２２と、演算後のデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部２３とを備える。

制御回路７は、光検出器５から供給された信号に基づき、光共振器４内のレーザ位相関係を表す信号であるＳ字信号を生成する。なお、図４（Ｂ）に本発明に係る特徴的な制御回路７を備えていない従来のＶＣＭを駆動する駆動回路図を示す。

ここで、図５の波形にてＳ字信号について説明する。図５（Ａ）は、ＶＣＭ９を±数ミクロン駆動している信号波形である。光共振可能なミラー位相関係になる度に図５（Ｂ）のようなＳ字信号が得られる。

図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）のＳ字信号の一部を拡大して示したものである。光の共振範囲に近づくと、点ｂ、点ｃ、点ｄ、点ｅ、点ｆ、点ｇ、点ｈが結ばれて形成されるＳ字信号領域が現れる。

Ｓ字信号のレーザ位相関係検出精度は、非常に高く、点ｄ、点ｅ、点ｆで形成される範囲内であれば光共振が可能である。しかしながら、振動等の各種外乱に対する制御時の余裕を考慮した場合、点ｅの位置が最も安定した制御中心ポイントである。また、点ｅに対して点ｄ、点ｃ、点ｂの方向を、レーザの位相が進んでいる状態（＋φ）とすると、点ｆ、点ｇ、点ｈの方向は、レーザ位相が遅れている状態（−φ）となる。

レーザ光発生装置１は、ＶＣＭ９を用いて一旦、光共振状態を作り出した後、共振状態を維持し続けるためには、常に、Ｓ字信号が図５（Ｃ）の点ｄ、点ｅ、点ｆの領域から外れないようにＶＣＭ９を制御し続ける必要がある。

図６は、Ｓ字信号の各点における光共振パワーの増幅度の分布を示す図である。光共振パワーの増幅度は、図６に示すように、点ｅの領域で最大パワーが得られる。また、点ｄ及び点ｆの領域では、光共振状態が維持されるものの光パワー増幅度は点ｅに比較して低下している。

光共振器４は、光共振状態を安定に維持し続けると同時に、できるだけ大きな光共振パワーを得ることを目的としている。したがって、Ｓ字信号の中心である点ｅの領域で使用することが望ましい。

つぎに、図７（Ａ）にＶＣＭ９の共振状態を作り出した時点（サーボＯＮ開始時）のＶＣＭ９位置を示す。ＶＣＭ９が位置調整を行う反射ミラーＭ２は、ＶＣＭ９の中心であるＶｃ付近である。ここで、反射ミラー間距離Ｌstartと、波長λのレーザが反射ミラー間に入射する信号の周期Cycle_nを考える。なお、Cycle_n＝Ｌstart／λとなる。

反射ミラーＭ２とＶＣＭ９間の距離は、周囲の温度の変化等によりミクロン単位で伸張する。図７（Ｂ）は、Ｌstartに対してＤ１だけ伸長した状態である。この状態で共振状態を維持し続けるには、ＶＣＭ９の反射ミラーＭ２位置をＶｃの位置に対してＤ１の長さ分だけ移動し、共振長をＬstartに保つ必要がある。

また、図７（Ｃ）は、Ｌstartに対してＤ２だけ収縮した状態である。この状態で共振状態を維持し続けるには、ＶＣＭ９の反射ミラーＭ２位置を、Ｄ２の長さ分だけ移動し、共振長をＬstartに保つ必要がある。

ここで、温度変化等により光共振器４の共振長に伸縮成分Ｄ１、Ｄ２が生じた場合に、図４（Ｂ）に示すような従来のＶＣＭを駆動する駆動回路により当該伸張成分Ｄ１、Ｄ２を吸収する例を図７とともに示す。なお、図８（Ａ）は、図７（Ｂ）と対応し、図８（Ｂ）は、図７（Ａ）に対応し、図８（Ｃ）は、図７（Ｃ）に対応する。

図８（Ａ）に示すような領域でＶＣＭ９の制御を行った場合、ＶＣＭ９の反射ミラーＭ２を伸張成分Ｄ１の位置に保つためには、＋Ｖ１の電圧が必要であり、また、Ｓ字信号における点ｄ’の位置に相当する電圧が必要となる。振動等の外乱を吸収する余裕は、ｃ方向には、点ｄ’〜点ｄまでしかない。

同様に、図８（Ｃ）に示すような領域でＶＣＭ９の制御を行った場合、ＶＣＭ９の反射ミラーＭ２を伸張成分Ｄ２の位置に保つためには、−Ｖ１の電圧が必要でありＳ字信号における点ｆ’の位置に相当する電圧が必要となる。振動等の外乱を吸収する余裕は、ｇ方向には、点ｆ’〜点ｆまでしかない。

結果としてわずかの振動等でサーボが外れやすく、また、不安定な系になってしまう。以下、サーボを外れやすくする＋Ｖ１や−Ｖ１の電圧を「オフセット電圧」と呼ぶ。

つぎに、本発明に係るレーザ光発信装置により伸縮成分Ｄ１、Ｄ２を吸収する例を図８とともに示す。なお、図９（Ａ）は、図７（Ｂ）と対応し、図９（Ｂ）は、図７（Ａ）に対応し、図９（Ｃ）は、図７（Ｃ）に対応する。

図９に示すように、温度変化等により生じる反射ミラー間とＶＣＭ間の伸縮変化は緩やかな変化である。本発明に係るレーザ光発生装置１では、駆動回路６によりオフセット電圧＋Ｖ１、Ｖ＿０及び−１Ｖを検出し、制御回路７により平均的なオフセット電圧成分＋Ｖ２、Ｖ＿００及び−Ｖ２を検出する。

図９（Ａ）〜（Ｃ）では、振動等の外乱成分は、Ｓ字信号の中心である点ｅ付近で制御していることを示す図である。図９（Ａ）においてＶＣＭ９の反射ミラーＭ２を伸縮成分Ｄ１の位置に保つためにＶＣＭ９のところで＋Ｖ２とＶｃ１を加算している。また、図９（Ｃ）においては、ＶＣＭ９の反射ミラーＭ２を伸縮成分Ｄ２の位置に保つためにＶＣＭ９のところで−Ｖ２とＶｃ３を加算している。

また、図４（Ａ）、（Ｂ）中に示したＳ１〜Ｓ６の各点の信号波形を図１０に示す。図１０に示すとおり、各Ｓ１〜Ｓ６から供給される信号には、温度変化による共振長の伸縮が発生していない領域（以下、オフセット無し領域という。）と、共振長の伸縮が発生している領域（以下、オフセット発生領域という。）がある。また、信号が小刻みに振動しているのは、外部振動成分の影響であり、さらに、オフセット発生領域の信号波形が階段状に変化しているのは、温度変化などによる緩やかなオフセット成分の影響である。

従来のレーザ光発生装置１では、オフセット無し領域において、Ｓ１（光検出器）から供給される信号（電圧）は、Ｓ字信号の中心付近ｅである。なお、Ｓ３から供給される信号は、ＶＣＭ９を駆動する電圧であり、小刻みに振動している信号振幅がＳ１から供給される信号振幅に比べて大きいのは、サーボの周波数特性（Ｆ特）補償により周波数成分の高い成分の増幅度が高いためである。

また、従来のレーザ光発生装置１では、オフセット発生領域において、Ｓ１から供給される信号は、Ｓ字信号の点ｄの領域に階段状に接近し、点ｅから遠ざかってしまう。このように、オフセットによって信号が点ｄ又は、点ｆの領域を超えてしまうと共振状態を維持できなくなってしまう。

一方、本発明に係るレーザ光発生装置１では、Ｓ２（光検出器５）から供給される信号にオフセットが発生していない場合には、Ｓ１から供給される信号と変わらず、また、Ｓ６から供給されるＶＣＭ９を駆動する信号もＳ３から供給される信号と変わらない。

ところが、本発明に係るレーザ光発生装置１では、Ｓ２から供給される信号にオフセットが発生している場合には、Ａ／Ｄ変換器によりＳ２から供給される信号に基づいてオフセット成分（電圧）を検出し、検出したオフセット成分をＣＰＵにより平均化を行い、平均化された信号をＤ／Ａ変換器によりアナログ信号に変換することにより、Ｓ２から供給される信号のオフセット成分がＳ字信号の点ｅの電圧（オフセット無し状態）になるまでＳ５から供給される信号を駆動回路６の加算部に出力し続ける。なお、オフセット成分は、Ｓ５から供給される信号に表れる。また、Ｓ４から供給される信号とＳ５から供給される信号は、加算部で加算される。また、Ｓ６から供給される信号は、従来のＳ３と等価である。

ゆえに、本発明に係るレーザ光発生装置１は、Ｓ２から供給される信号にオフセットが発生してもＳ字信号の中心付近ｅで動作し続けるため、外部振動に対してサーボが外れにくい構成となる。さらに、図６のＳ字信号ｅの位置で動作するため光パワーは、最も効率の良い位置（最大共振パワー）で動作させ続けることが可能である。

また、本発明に係るレーザ光発生装置１は、図２に示したＶＣＭ９のミラー移動可能範囲（±Ｍμｍ）までの領域の共振長の変化に対して、安定したＶＣＭ制御を行うことができる。また、レーザ光発生装置１は、ＶＣＭ９を制御するＳ字制御信号の平均電圧をＳ字信号の中心位置ｅに維持することが可能になる。

これにより、外部振動などの短周期の外乱に対して最も安定に動作するサーボ信号電圧の中心付近でＶＣＭ９のフードバック制御が可能になる。結果として外部振動にてサーボが外れにくくなるだけでなく、最大共振パワーを発生できる制御ポイントにて光共振器を動作させることができる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは勿論である。

本発明に係るレーザ光発生装置の構成を示すブロック図である。ＶＣＭの構成を示す図である。反射ミラー間の共振器長のずれにより生ずる位相ずれについての説明に供する図である。駆動回路及び制御回路の構成を示すブロック図である。Ｓ字信号についての説明に供する図である。波長λの光パワー出力特性を示す図である。光共振器の共振器長が変化した場合における反射ミラー間距離の相違についての説明に供する図である。共振器長の変化に応じて生じた伸張成分を、従来のＶＣＭを駆動する駆動回路により吸収する様子についての説明に供する図である。共振器長の変化に応じて生じた伸張成分を、本発明に係るレーザ光発生装置により吸収する様子についての説明に供する図である。図４中のＳ１〜Ｓ６の各点における信号波形を示す図である。光共振器の構造を示す図である。従来のＶＣＭを駆動する駆動回路の構成を示す図である。

符号の説明

１レーザ光発生装置、２レーザ光源、３位相変調器（ＥＯＭ）、４光共振器、５光検出器、６駆動回路、７制御回路、８波長変換素子（ＳＨＧ素子）、９ＶＣＭ、１０駆動信号生成部、１１加算部、１２駆動部、２０ＬＰＦ（Low Pass Filter）、２１Ａ／Ｄ変換部、２２ＣＰＵ、２３Ｄ／Ａ変換部

Claims

レーザ光を出射するレーザ光源と、
上記レーザ光を位相変調する位相変調器と、
レーザ光を反射する複数のミラーが、所定の共振長となるように対向配置されてなるミラー群と、上記ミラー群の一のミラーの位置を調整する調整素子と、上記ミラー群により反射されるレーザ光の波長を所定の波長に変換する波長変換素子とを有し、上記位相変調器により位相変調された上記レーザ光を上記ミラー群で反射し、当該反射光の波長を上記波長変換素子により所定の波長に変換し、高次のレーザ光を出射する光共振器と、
上記光共振器から出射されたレーザ光に基づき、上記光共振器の共振長が所定の長さとなるように上記調整素子を制御する信号を生成する制御信号生成部と、
上記光共振器から出射されたレーザ光のオフセット成分を検出するオフセット成分検出部と、
上記オフセット成分検出部により検出されたオフセット成分に基づき、所定の信号を生成する信号生成手段と、
上記制御信号生成部により生成された制御信号に、上記信号発生手段により生成された信号を加算する加算部とを備え、
上記調整素子は、上記加算部により加算された加算信号に基づき、上記ミラー群の一のミラーの位置を調整することを特徴とするレーザ光発生装置。