JP2006073970A - Ｃｗ深紫外線光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザーヘッド部の小型化を実現した紫外線レーザー装置を提供する。
【解決手段】
少なくとも２つのレーザー光を用いて和周波混合により、波長２００ｎｍ以下のＣＷレーザー光を発生させる装置であって、前記少なくとも２つのレーザー光のうち、少なくとも一方のレーザー光はファイバーレーザーである装置を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は和周波混合による深紫外領域のレーザー光を発生するレーザー装置に関するものである。

レーザー光はその高コヒーレント性から加工、計測、通信などの分野で重要な用途に用いられている。しかもより短い波長のレーザーは物質へ吸収されやすく表面部分の加工、たとえばアブレーション加工などに有利であり、光子のエネルギーが高く光化学作用が大きいので半導体表面の汚染物分解除去などのクリーニングに有効であることや、回折限界が小さいことから高解像度のパターン形成用の光源、微細な回路基板の穴あけ加工などへの応用への要求が高くなっている。

特に近年では半導体の高集積化に伴うパターンの微細化に障害となるクリーンルームなどのごみの検出、半導体ウエハ表面検査などレーザー計測の分野で紫外光レーザーの重要性が認識されている。その他、例えばタンパク質質量分析で知られているマトリックス支援レーザー脱離イオン化法では紫外線レーザーは必須のエネルギー源として使用されている。さらに高密度記録においては、長時間記録用に短波長レーザーによる微細な記録用ピットの形成のための光源として、短波長レーザーは必須の光源となっている。

短波長光は物質へ吸収されやすく、微細な点に集光できるので特に紫外線レーザーはバイオフォトニックス、ナノテクノロジーの分野で必須であり、これは他のもので代用できるものではない。特に現在は糖鎖構造の研究や、環境調査における微量元素の分析など質量分析装置の需要も増大しており、これに伴い紫外線レーザーの需要も増加している。

また、紫外線レーザーは波長が短いことからきわめて微細な加工には必須の光源である。特に半導体製造工程において、リソグラフィー用の光源として紫外線は重要な光源である。通常はエキシマレーザーがリソグラフィー光源として用いられているが、リソグラフィー装置には多数の光学部品が用いられ、それらの精密検査には短波長の小型簡便な紫外線レーザーが必要である。あるいは半導体装置やマイクロマシンなどの製造プロセス加工にはドライエッチングなどが用いられ、例えばコンタクトホールを形成するなどの加工に紫外線が用いられる。これは回折限界が小さいことからスポット径を小さくでき、また材料に対する光化学作用が大きいので除去加工能力が高い性質を利用して可能となる技術である。

以上のように実用的に使用できる紫外線レーザー装置の開発にともない各分野で用いられる例が増加しているが、一般に紫外線レーザー装置は筐体が大きく扱いにくい。従来、紫外線レーザーの発生装置としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーなどでパルス発振の基本波（例えば、１０６４ｎｍ）を得て、これを非線形光学結晶を用いて２００ｎｍ近傍の紫外線レーザーを発生させる技術が特開２００２−２５８３３９などに公開されている。
紫外線レーザーの応用には、特定の紫外域の波長が用いられることが多く、そのためにその特定波長に合わせてレーザー光を発生させるため高調波波長変換や和周波混合技術が用いられる。例えば波長１９８ｎmを発生させる場合は、１０６４ｎｍと２４４ｎｍの波長が用いられる。このとき波長１０６４ｎｍはＮｄ：ＹＡＧレーザーが用いられ、波長２４４ｎｍにはＳＨ：Ａｒイオンレーザーが用いられる。しかしながらＮｄ：ＹＡＧレーザーのレーザー発振装置は、例えば出力１０Ｗ程度の場合、増幅部分の水冷装置を含めると、そのサイズが大きくなってしまう。さらにＮｄ：ＹＡＧレーザーと増幅器をカスケードに２段接続する構成になると、装置自体が大型化してしまう。

また、アルゴンイオンレーザーにより波長４８８ｎｍを発振させ、この出力を非線形光学結晶による第２高調波（ＳＨ）を得るSH：Ａｒイオンレーザーの採用が必要な場合にはレーザーヘッドが大きいため、やはりＮｄ：ＹＡＧレーザーの装置をたとえ小型化できたとしても、装置全体としては大型化してしまう。よってこれらの装置で波長１０６４nmと２４４ｎｍの2波長の和周波混合による紫外線レーザーを出力しようとすると、大型化は避けられないため、紫外線レーザーの応用にはきわめて不便である。
特開２００２−２５８３３９

本発明は、２つのレーザー波長を和周波混合や高調波発生を用いて小型化した使用上簡便に扱える紫外線ＣＷレーザーを、少なくとも１のファイバーレーザーを用いることにより実現する。ＣＷの和周波混合や高調波波長変換は非線形現象を用いるので、変換効率が低い。このため、少なくとも１つのレーザー出力に対しては光の電場をＣＷで高めるために共鳴型の外部共振器を入射波長に整合させて、さらに縦モードを発生させる手段を導入することで効率向上を図る。

よって本発明は上記の問題を解決するために、少なくとも２つのレーザー光を用いて非線形光学結晶により和周波混合を行い、波長２００ｎｍ以下のＣＷレーザー光を発生させる装置であって、前記少なくとも２つのレーザー光のうち、一方のレーザー光はファイバーレーザーである装置を提供する。ファイバーレーザーを用いることによって、紫外線レーザー発生装置全体を小型化することができる。

このような装置において、前記光ファイバーレーザー光の波長は１０５０ｎｍ〜１１００ｎｍ、または１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍの範囲内にあるものが存在する。この範囲の波長のレーザーは従来技術では結晶を用いた固体レーザー装置に用いられ、比較に大型であったが、ファイバーレーザーでは小型の装置が設計できるので紫外線光源の基本波発生源として採用することが好ましい。

ファイバーレーザーを用いることで装置の小型化が図れ、少なくとも和周波混合の基本波用のレーザーの内の１つのレーザー光をファイバーレーザーとして、非線形光学結晶に導入する装置を提供する。これによって紫外線レーザーの発生装置の全体体積はより小型化できる。このように２つのファイバーレーザーは一方の波長は１０５０ｎｍ〜１１００ｎｍ、または１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍの範囲にあり、他方は９６０ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲にある。これによって和周波混合に用いる２つの波長光を導入することができる。さらに非線形光学結晶に導入する前に、和周波混合用の入射波長を得るための波長変換に共鳴型外部共振器内の非線形光学結晶に導入する前にＱＰＭ素子（擬似位相整合素子：周期的に分極されたリチウムナイオベートやリチウムタンタレート、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴなど）を初段の波長変換素子として提供する。

また本発明の装置において、ファイバーレーザーから得られるレーザー光は単一波長レーザーであり、この単一波長レーザーの波長変換に共鳴型外部共振器を提供してもよく、２段目も共鳴型外部共振器でよい。単一波長のレーザー光に対しては共鳴型のリング外部共振器の共振器長を入射波長の整数倍に整合させると高い光電場が共振器内に形成され、その中に非線形結晶を設置すると結晶は高電界にさらされ効率のよい非線形現象を生起できる。和周波混合用の非線形光学結晶は、複数のミラーにより構成される外部共振器に配置されていてもよい。

以下に本発明を図により説明する。図１は本発明による和周波混合紫外線レーザー発生装置の概略図である。和周波混合のために波長１０６４ｎｍの単一縦モード（ＳＬＭ）ファイバーレーザー１と、波長２４４ｎｍの２倍波アルゴンイオンレーザー２が設置されている。ＳＬＭファイバーレーザー１のレーザー光は増幅器３で増幅され、光学系５によって共鳴型共振器４に導入される。一方、第２高調波のアルゴンイオンレーザー（波長２４４ｎｍ）２は光学系５によって共振器４に導入される。

このようなシステムにおいて、本発明ではファイバーレーザー１と増幅器３が接続される。ファイバーレーザーの大きさは、イオンレーザーやレーザー結晶を用いたレーザーより比較的小型にできる。よって一方のレーザーを小さな筐体にすることができ、共振器４およびＳＨ：Ａｒイオンレーザーを、応用装置である加工装置、あるいはレーザー利用の測定器に取り付けることで装置全体の小型化が図れる。また本発明の装置はファイバーレーザー１を用いて共鳴型共振器４に光を導入する構造として説明するが、共振器４のタイプには限定されず、他のタイプの共振器にも応用できる。ＣＷの波長変換においては変換効率が共鳴共振器を用いる図１の構成より低い効率となるがこれによっても課題を解決できる。

本実施例では和周波発生用のレーザー結晶９としてＣＬＢＯを用いている。また共振器４内のミラーに位相変調用のサーボコントローラ１０を接続することができる。サーボコントローラ１０は共振器４のリング共鳴光路長を、導入するＳＬＭレーザー光の波長に整合させ、これによって共振器内部の電場強度を１００倍程度増強する。さらに共鳴で増強された一方のレーザー光の中に非線形光学結晶９を置く。ここに第２高調波のアルゴンイオンレーザー２から周波数混合用にレーザー光が結晶９へ導入されることで高い変換効率を実現する。このような装置によって波長１９９ｎｍの紫外光１１を出力することができる。

次に、本発明の他の実施例を図２、３により説明する。図２、３は和周波混合紫外線レーザーの概略図である。まず、図２に示したように、波長９７６ｎｍのＳＬＭファイバーレーザー１１をＱＰＭ素子１２によって第２高調波である波長４８８ｎｍのビームに波長変換し、そのビームをミラーやレンズＬ１、Ｌ２、１／２波長板などからなる光学系１３を経由して共振器１４に導入する。共振器１４は、ミラーＭ１〜Ｍ４、和周波発生用のレーザー結晶ＣＬＢＯ９および位相変調用のサーボコントローラ１０から構成されており、基本波の波長９７６ｎｍから波長変換された波長２４４ｎｍの出力ビーム１６を出力する。

ＱＰＭ素子１２は単体のＣＬＢＯやＢＢＯよりも格段に非線形光学定数が大きく、シングルパスで十分なＳＨ出力が得られるために、構成の簡素化を図ることができるのが特徴である。したがって、まずＱＰＭ素子１２を用いて、ＳＬＭファイバーレーザー１１から出力された波長９７６ｎｍのビームを第２高調波ＳＨＧ４８８ｎｍに波長変換する構成となっている。さらに短波長ビームを得るために、基本波から２度目の波長変換は高効率波長変換が期待できるＣＬＢＯ（またはＢＢＯ）を内蔵した外部共振器を使用し、非線形光学結晶における共振器内の電界強度増強作用を利用する。その結果波長２４４ｎｍの光１６が得られる。
偏光ビームスプリッタ２２は、ミラーＭ１から共振器外部に漏れてくるビームを偏光方向が直交する２成分に分離する。さらにサーボコントローラ１０によってピエゾ駆動素子２３に搭載されたミラーＭ４の位置を最適な共鳴条件に保持する。これは共振器１４に入射した第２高調波のビームの整合条件が満足されて、電界の増強が起こる条件を生成するためであり、該ビームスプリッタ２２は前記共振器１４を最適共鳴条件にするために、該共振器内部のビーム状態を検出する検出器を構成する。検出器ＰＤ１、ＰＤ２は最適共振条件を維持するためのものであり、前記共振器１４の面内方向に直線偏光された光がビームの光路に設置された１／２波長板を通過し、ビームの偏光成分のうち直交成分も発生させて、その成分の割合をＰＤ１，ＰＤ２の出力比率で求める。このように共振器内の共振条件により、入射したビームの電界強度が１００倍程度増強されるため、ＱＰＭ１２からの第２高調波でも比較的高い高調波変換が実現でき、結果として波長２４４ｎｍが得られる。

一方、図３に示した他の実施例では、波長１０６４ｎｍのＳＬＭファイバーレーザー１８からのレーザービームは増幅器３を経由して増幅され、レンズ、ミラーなどから構成される光学系１９を経由して共振器１７に導入される。さらに共振条件を制御された状態で導入される。

共振器１７の共振器長の制御は、前記共振器１４の場合と同様に最適共振条件から外れた場合のエラー信号検出器１８を図２の構成と類似の偏光ビームスプリッタ２２と光検出器ＰＤ１、ＰＤ２を使用して行うことができる。該エラー信号はサーボコントローラ１０に送られ、該サーボコントローラ１０が共振器ミラーの１つであるＭ１を駆動する。これによって共振器長が制御され共振条件が最適に制御される。結果的に非線形光学結晶内に強電界が形成され、非線形効果が増大される。共振器１７を循環する波長１０６４ｎｍの増大されたレーザビームと図２の構成で得られた波長２４４ｎｍのビームとが、ＣＬＢＯ非線形光学結晶内で和周波混合を起こし、波長１９８．５ｎｍの紫外光２０が得られる。本実施例において、共振器１７内の和周波発生用のレーザー結晶９はＣＬＢＯである。

本実施例の実施形態において、紫外線レーザ光を得る方法として和周波混合用いている。例えば波長１０６４ｎｍのＳＬＭファイバーレーザー１又は波長９７６ｎｍのＳＬＭファイバーレーザー１２と、波長２４４ｎｍのアルゴンイオンレーザー又はＱＰＭ素子を通過した波長４８８ｎｍのレーザー光を使用している。これらの波長帯は石英光ファイバーを経由して低損失で遠方まで伝送できるので、これらの比較的設置場所の大きな部分を、加工装置あるいは計測器等から離れた場所に設置し、近くの場所に和周波混合による波長変換システムを設置することができる。これによって紫外線を利用する場所を最小にすることができる。従来は紫外線レーザーの光ファイバーによる伝送損失が紫外線域で大きいので実用上困難であったが、２波長の和周波混合の方法では、光ファイバの伝送損失の比較的小さな波長域の近紫外から赤外線域を光ファイバーで伝送するために、低損失で伝送できる。また実際に紫外線レーザーを利用する目的の装置の近傍で波長変を短波長に変換するようにできるので、伝送効率低下を防止でき、さらに小型化による空間的な有効利用を可能にした。

上記の実施例は波長が１０６４ｎｍ、９７６ｎｍ、２４４ｎｍ等のレーザー光を用いているがこれに限定されるものではなく、本発明の装置に使用できる波長は、１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍ、１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍおよび９５０ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲の光を用いることができる。

上記の実施例では少なくともリング共振器４、１４、１７に制御されながら該共振器４、１４、１７に入射したレーザーは単一縦モード（ＳＬＭ）であるように説明したが、縦マルチモード発振のレーザーでもよい。この場合は共鳴型外部共振器のモード間隔に合わせるように設計して複数の入射光のモードに整合して共振器内部の電場が増強されるようにすれば変換効率の低下を多少は回避できる。

一方のレーザーをファイバーレーザーとしたときの実施例である。 両方のレーザーをファイバーレーザーとしたときの実施例の一部を示す図である。 図２に図示した実施例の他の部分を示す図である。

符号の説明

１ ＳＬＭファイバーレーザー
２ ＳＨ：Ａｒ^＋レーザー
３ 増幅器
４、１４,１７ 共振器
５ 光学系
９ ＣＬＢＯ非線形光学結晶
１０ サーボコントローラ
１３ ＱＰＭ素子

Claims (14)

1. ２つのレーザー光を非線形光学結晶により和周波混合を行い、紫外域波長のＣＷレーザー光を発生させる装置であって、前記２つのレーザー光のうち、少なくとも一方のレーザー光はファイバーレーザーである装置。
2. 前記ファイバーレーザーの発振波長は１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲内である請求項１に記載の装置。
3. 前記ファイバーレーザーが単一周波数レーザーである請求項１または２に記載の装置。
4. 和周波混合用の非線形光学結晶が複数のミラーにより構成される外部共振器に配置され、ファイバーレーザー光の少なくとも一方を共振させる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
5. 和周波混合するレーザー光の内、少なくとも一方が、レーザーの高調波である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. ２つのファイバーレーザーにより構成され、その発振波長は１０２０ｎｍ〜１１００ｎｍ、９５０ｎｍ〜９９０ｎｍ、１５００ｎｍ〜１５８０ｎｍの範囲から２つの範囲を選んで使用される請求項１ないし５のいずれか１項にに記載の装置。
7. 高調波発生にＱＰＭ素子を用いた請求項５または６に記載の装置。
8. 高調波発生に外部共振器を用いた請求項５ないし７のいずれか１項に記載の装置。
9. 和周波発生用結晶がＢＢＯ結晶である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
10. 和周波発生用結晶がＣＬＢＯ結晶である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置。
11. ファイバーレーザーは縦モードがマルチモード発振ファイバーレーザーであり、波長変換用外部共振器のモード間隔が前記ファイバーレーザー縦モードのモード間隔に整合したものである請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置。
12. ファイバーレーザーは縦モードがマルチモード発振ファイバーレーザーであり、その発振出力が増幅されており、波長変換用外部共振器のモード間隔が前記増幅されたファイバーレーザー縦モードのモード間隔に整合したものである請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の装置。
13. ファイバーレーザーは縦モードがマルチモード発振ファイバーレーザーないしはその発振出力を増幅した縦マルチモードのファイバーレーザーのいずれかであり、この出力を初段の波長変換素子としてＱＰＭ素子に導入した請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
14. ２波長のレーザーを和周波混合により紫外線レーザーを得る波長変換システムにおいて、ファイバーレーザーから離れた場所からファイバーで伝送し、最終出力近傍において非線形結晶で紫外線レーザーに変換する請求項１ないし１３のうちのいずれか１項に記載の装置。

Images