JP2006106130A - レーザ光発生装置およびレーザ光発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高調波レーザ光の出力を自動的に安定に維持できるとともに、その出力設定を滑らかに変化させることができるレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法を提供する。
【解決手段】 基本波レーザ光ＧＬを発生するレーザ発生部３１と、基本波レーザ光ＧＬの出力を監視する基本波監視部３２と、基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１が入力され基本波レーザ光ＧＬの出力が目標値と対応するようにレーザ発生部を制御する制御部３４とを備え、基本波レーザ光ＧＬの高調波レーザ光ＵＶＬを監視する高調波監視部２６と、この高調波監視部２６の検出信号ＭＳ２に基づいて、基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１を調整し、当該調整した検出信号ＭＳ１を制御部３４へ出力する調整手段として微調量設定部３３を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ源から出射される基本波を基にしてより短波長のレーザ光を発生させるレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法に関し、更に詳しくは、レーザ光出力の自動安定化と滑らかな出力調整を可能とするレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法に関する。

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、レーザ光源からの出射光を基本波とし、これを外部光共振器で共振させ、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（基本波）の半分の波長となる出力光を発生させる、光波の第２高調波発生（ＳＨＧ；Second Harmonic generation）を利用する技術が知られている（例えば下記特許文献１参照）。

例えば、図４に概略構成を示すように、可視光ないしは近赤外線を発生する固体レーザユニットでなるレーザ源２と、光共振器３と、この光共振器３の内部に配置された波長変換素子４とを備えた連続発振紫外線レーザ光発生装置１が知られている。この連続発振紫外線レーザ光発生装置１は、レーザ源２から光共振器３に入射される波長５３２ｎｍの緑色レーザ光ＧＬを、光共振器３内に配置された波長変換素子４によって波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶＬに波長変換し、この波長変換した紫外線レーザ光ＵＶＬを光共振器３から取り出すようになっている。

光共振器３は、４つのミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３及びＭ４により構成され、電磁位置決め素子（ＶＣＭ；Voice Coil Motor）５の駆動によりミラーＭ１を微小移動させて、共振器長を微小変化させる。これにより、温度変化等の緩やかな共振器長変化成分と、外部振動による比較的短い周期の外乱（反射ミラー振動）を吸収し、光共振状態が維持されるようになっている。

一般に、波長変換素子４で波長変換された紫外線レーザ光ＵＶＬを高い波長変換効率で得ると共に、変換出力を安定に維持するためには、これらミラーＭ１〜Ｍ４の幾何学的位置関係を精密に維持する必要があり、更に、ミラーＭ１〜Ｍ４の高い反射率や、変換効率の高い波長変換素子４などが求められる。波長変換効率は、一般に１％以下と低いため、ＶＣＭ５によるミラーＭ１の位置制御を行うことで光の共振状態を作り出し、５３２ｎｍのレーザパワーを数十倍に増幅している。これにより、波長変換素子４を通過するレーザ光ＧＬの出力が増加するので、波長変換された紫外線レーザ光ＵＶＬの出力も増加することになる。

さて、この種の従来のレーザ光発生装置１において、レーザ源２を構成するレーザユニットには、ＡＰＣ（Auto Power Control）と呼ばれるレーザ出力安定化回路が設けられている。図５は、ＡＰＣ機能を備えた従来のレーザ源２の回路構成例を示している。

レーザ源２は、基準レーザである緑色レーザ光ＧＬを出射するレーザ発生部６と、このレーザ発生部６から出射された緑色レーザ光ＧＬの出力を監視するフォトセンサ７と、フォトセンサ７の出力信号を増幅するモニタ用アンプ８と、レーザ出力の目標値とフォトセンサ７による実測値とを比較し制御信号を生成する制御部９と、制御部９で生成された制御信号を増幅しレーザ発生部６へ入力する制御用アンプ１０とを備えている。

制御部９は、レーザ光ＧＬの出力設定値（目標値）が入力される目標値設定メモリ９Ａと、フォトセンサ７およびモニタ用アンプ８を介して供給されるレーザ光ＧＬの出力検出信号（電圧信号）ＭＳ１をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器９Ｂと、検出信号ＭＳ１に基づいてレーザ光ＧＬのレーザ出力が出力設定値と対応するようにレーザ発生部６を駆動制御するための制御信号を生成する制御演算器９Ｃと、生成された制御信号を制御用アンプ１０へ入力するためのＤ／Ａ変換器又はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）変換器９Ｄとを備えている。

図５において、制御部９の目標値設定メモリ９Ａには、外部から例えばＸｐ［ｍＷ］相当のレーザパワー値が指示、入力されたとする。レーザ発生部６から出力されるレーザ光ＧＬの出力は、フォトセンサ７にて検出され、モニタ用アンプ８で増幅される。なお、モニタ用アンプ８の出力値（ＭＳ１）は、レーザ光ＧＬの出力と対応（換算）がとれているものとする。

Ａ／Ｄ変換器９Ｂに入力されたレーザ光ＧＬの出力検出信号ＭＳ１は、制御演算器９Ｃにおいて出力設定値Ｘｐと比較、演算され、それらの誤差成分がゼロとなるように制御信号を変換器９ＤにおいてＤ／Ａ変換またはＰＷＭ変換し、制御用アンプ１０を介して、レーザ発生部６へレーザパワーをフィードバック制御する。従って、最終的には、レーザ光ＧＬは、出力設定値Ｘｐ［ｍＷ］に対応するレーザ出力に落ち着くことになる。

さて、従来のレーザ光発生装置１においては、レーザ源２から出射されるレーザ光ＧＬの出力設定値Ｘｐを規定のステップ（間隔）毎に可変としている。図６は、一般的なレーザ源２のレーザ出力可変間隔を示している。レーザ源２の出射可能なレーザ出力は、その最小出力（Ｐmin）から最大出力（Ｐmax）まで、階段状に調節できるようになっている。最小出力（Ｐmin）から最大出力（Ｐmax）までの可変ステップは、数十〜数百段階程度であり、出力可変間隔は、仕様により異なるものの、例えば４ｍＷである。

図６を参照して、出力設定値ＸｐをＰ（ｎ）段階の位置に設定した場合、レーザー源２は、その上述したＡＰＣ機能により、緑色レーザー光ＧＬの出力をａｐｃ（ｎ）に一定に維持し続ける。

図７は、図６のレーザ光出力ａｐｃ（ｎ）部分の拡大図である。Ｐ（ｎ）段階のレーザ出力ａｐｃ（ｎ）を得るために、レーザ源２の制御部９の目標値設定メモリ９Ａに入力される出力設定値はＸｐ（ｎ）［ｍＷ］である。また、出力設定値Ｘｐの出力可変間隔は、Ｇ２［ｍＷ］であり、レーザ源２のＡＰＣ機能による出力変動（安定性）はＧ１［ｍＷ］である。出力可変間隔Ｇ２と出力変動Ｇ１とを比べると、Ｇ１＜Ｇ２という関係が一般的である。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献を以下に示す。
特開平１０−２０３５１号公報 特開２００４−２２７０４号公報

レーザ源２のレーザパワーを図６に示すＰ（ｎ）段階の位置に固定して、紫外線レーザ光ＵＶＬを出力した場合を考える。レーザ源２としては、一定の出力ａｐｃ（ｎ）を出し続けることが望ましい。ところが、実際、波長変換された紫外線レーザ光ＵＶＬの出力は、時間の経過とともに変動する傾向にある。理由としては、温度変化等による反射ミラーＭ１〜Ｍ４のメカ的なズレ（アライメントズレの発生）や、反射ミラーＭ１〜Ｍ４の反射率低下、波長変換素子４の波長変換効率低下、供給レーザ源２の出力変化などがある。このため、従来のレーザ光発生装置１においては、レーザ源２の出力設定を変更して紫外線レーザパワーの低下を補う必要がある。

図８に一般的な紫外線レーザの出力変化を示す。紫外線レーザ光ＵＶＬの出力目標値をＡとしたとき、レーザ源２の制御部９に設定される出力設定値は当初、Ｘｐ（ｎ）である。時間の経過とともに紫外線レーザ光ＵＶＬの出力が目標値Ａを下回り、それが許容範囲を超えるようになると、装置の稼働を停止させ、レーザ源２の出力設定値をＸｐ（ｎ）から一段上のＸｐ（ｎ＋１）に変更した後、装置を再稼働させている。以降、同様にして、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力が低下するごとに、装置を停止させ、レーザ源２の出力設定値をＸｐ（ｎ＋１）からＸｐ（ｎ＋２）、更にはＸｐ（ｎ＋２）からＸｐ（ｎ＋３）に変更した後再稼働させ、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を目標値Ａに維持している。

なお、出力設定値Ｘｐ（ｎ）〜Ｘｐ（ｎ＋３）は、Ｐ（ｎ）〜Ｐmax 段階のレーザ出力にそれぞれ対応し、Ｐmax を超えるレーザ出力は、レーザ源２の劣化、暴走を引き起こすため、制御的に設定されないようになっている。

このように、従来のレーザ光発生装置１においては、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力が許容以上に低下する毎に、装置の運転を停止させ、レーザ源２の出力設定を変更する作業が必要となる。特にこの種のレーザ光発生装置１においては、電源投入後安定したレーザ出力が得られるのに多大な時間を要するため、レーザ光発生装置１の稼働効率が非常に悪くなるという問題がある。

また、レーザ源２の出力設定値Ｘｐは、粗い調整ピッチでしか変更できないので、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力変化が図８に示したようにギザギザに変化し、滑らかに変化させることができない。このため、従来のレーザ光発生装置１では、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を目標値Ａに安定に維持できないという問題がある。

本来的に、レーザ出力は、レーザ源２におけるレーザ発生部６（図５）を構成する素子の温度や位置、駆動電流などのパラメータを制御することにより、アナログ的に連続変化可能であるが、外部制御のし易さを理由にデジタル的な数値で出力設定値を指示するようにしている。その一方で、デジタル的な数値で指示する場合のビット精度の制約等があるために、レーザ出力設定が階段状で、かつその可変間隔Ｇ２を粗く設定せざるを得ないことが、紫外線レーザ光ＵＶＬのレーザ出力を滑らかに変化させることができない理由となっている。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、装置の運転を停止させることなく高調波レーザ光の出力を安定に維持できるとともに、その出力設定を滑らかに変化させることができるレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明のレーザ光発生装置は、基本波レーザ光を発生するレーザ発生部と、レーザ発生部から出射された基本波レーザ光の出力を監視する基本波監視手段と、基本波レーザ光の高調波を発生する波長変換素子を内部に有する光共振器と、基本波監視手段の検出信号が入力され基本波レーザ光の出力が目標値と対応するようにレーザ発生部を制御する制御手段とを備えたレーザ光発生装置において、光共振器から出射された高調波レーザ光の出力を監視する高調波監視手段と、この高調波監視手段の検出信号に基づいて、基本波監視手段の検出信号を調整し、当該調整した検出信号を制御手段へ出力する調整手段とを備えている。

上記構成において、制御手段は、基本波監視手段の検出信号が目標値となるようにレーザ発生部を制御する。そこで、本発明は、基本波監視手段の検出信号を調整し、この調整した検出信号を制御手段へ出力する調整手段を設けているので、制御手段は、調整手段により調整された検出信号を基にレーザ発生部の制御を行うことになる。これにより、レーザ発生部から発生する基本波の出力は、調整手段による上記検出信号の調整量に応じて可変となる。調整手段により調整される基本監視手段の検出信号の調整量は、高調波監視手段の検出信号に基づいて設定される。

従って、本発明のレーザ光発生装置によれば、高調波レーザ光のレーザ出力に基づいて基本波レーザ光の出力を微細に調整することができ、しかもその調整を自動的に行うことができるので、装置の稼働を停止させることなく、設定した出力で常に安定して高調波レーザ光を発生させることができるようになる。

本発明において、上記調整手段は、高調波監視手段の検出信号に基づいて、目標値を第１の設定可変間隔で設定する粗調量設定部と、高調波監視手段の検出信号に基づいて、上記第１の設定可変間隔よりも小さい第２の設定可変間隔で、基本波監視手段の検出信号の調整量を設定する微調量設定部とを有する。これにより、基本波出力およびその高調波出力を、目標値の設定可変間隔よりも細かな可変間隔で滑らかに変化させることが可能となる。

また、本発明のレーザ光発生方法は、基本波レーザ光を発生するレーザ発生部と、基本波レーザ光の高調波を発生する光共振器とを備え、レーザ発生部から出射された基本波レーザ光の出力を検出するステップと、基本波レーザ光の出力が目標値と対応するようにレーザ発生部を制御するステップとを有するレーザ光発生方法において、光共振器から出射された高調波レーザ光の出力を検出するステップと、この高調波レーザ光の出力に基づいて、基本波レーザ光の出力検出信号を調整し、当該調整した出力検出信号が目標値と対応するようにレーザ発生部を制御するステップとを有している。

以上述べたように、本発明によれば、基本波レーザ光の出力を微細に調整することができ、しかもその調整を自動的に行うことができるので、装置の稼働率向上を図りながら、設定した出力で安定に高調波レーザ光を発生させることができるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明が適用された連続発振紫外線レーザ光発生装置（以下「レーザ光発生装置」という。）２１の概略構成図である。このレーザ光発生装置２１は、例えば、半導体デバイス等の表面観察用顕微鏡のレーザ光源に用いられる。

本実施の形態のレーザ光発生装置２１は、基本波レーザ光を発生する固体レーザユニットでなるレーザ源２２と、光共振器２３と、この光共振器２３の内部に配置され基本波レーザ光の高調波を発生する波長変換素子２４とを備えている。このレーザ光発生装置２１は、レーザ源２２から光共振器２３に入射される波長５３２ｎｍの緑色レーザ光ＧＬを波長変換素子２４によって波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶＬに波長変換し、この波長変換した紫外線レーザ光ＵＶＬを光共振器２３から取り出すようになっている。

光共振器２３は、４つのミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３及びＭ４により構成され、電磁位置決め素子ＶＣＭの駆動によりミラーＭ１を微小移動させて、共振器長を微小変化させる。これにより、温度変化等の緩やかな共振器長変化成分と、外部振動による比較的短い周期の外乱（反射ミラー振動）を吸収し、光共振状態が維持されるようになっている。

本実施の形態のレーザ光発生装置２１には、光共振器２３から出射される紫外線レーザ光ＵＶＬのレーザパワー（出力）を安定化させるためのＡＰＣブロック２５が設けられている。このＡＰＣブロック２５は、紫外線レーザ光ＵＶＬのレーザ出力を監視する高調波監視部２６と、この高調波監視部２６の検出信号が入力されるコントローラ２７とで構成されている。

高調波監視部２６は、本発明の「高調波監視手段」に対応し、光共振器２３から出射される紫外線レーザ光ＵＶＬの一部を反射するミラー２８と、ミラー２８から反射された紫外線レーザ光を受光しその受光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオード等の光電変換素子２９と、光電変換素子２９で発生した電気信号を増幅しコントローラ２７へ供給するセンサ用アンプ３０とで構成されている。

一方、コントローラ２７は、ＡＰＣブロック２５の一構成要素であると同時に、レーザ光発生装置２１全体の機能を管理、制御する装置中枢部位を構成している。このコントローラ２７は、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力設定値（目標値）が入力される目標値設定メモリ２７Ａと、高調波監視部２６から供給される紫外線レーザ光ＵＶＬの出力検出信号（電圧信号）ＭＳ２をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２７Ｂと、検出信号ＭＳ２に基づいて紫外線レーザ光ＵＶＬが目標値となるようにレーザ源２２を制御するための制御信号を生成する制御演算器２７Ｃと、生成された制御信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２７Ｄとを備えている。

コントローラ２７からレーザ源２２へ供給される制御信号には、図１に示すように粗調信号ＳＸｐと、微調信号ＳＶｄａとが含まれている。これらの信号は、後述するように、レーザ源２２へ供給されることにより基本波である緑色レーザ光ＧＬの出力を変化させ、光共振器２３から出射される紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を制御する。

図２は、レーザ光発生装置２１のレーザ源２２を示す回路構成図である。

図２に示すように、レーザ源２２は、基準レーザ（基本波レーザ光）である緑色レーザ光ＧＬを出射するレーザ発生部３１と、このレーザ発生部３１から出射された緑色レーザ光ＧＬの出力を監視する基本波監視部３２と、コントローラ２７からの微調信号ＳＶｄａに基づいて基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１を調整する微調量設定部３３と、レーザ出力の目標値と微調量設定部３３の出力とを比較し制御信号を生成する制御部３４と、制御部３４で生成された制御信号を増幅しレーザ発生部３１へ入力する制御用アンプ３５とで構成されている。

基本波監視部３２は、本発明の「基本波監視手段」に対応し、レーザ発生部３１から出射される緑色レーザ光ＧＬの一部を反射するミラー３６と、ミラー３６から反射された緑色レーザ光を受光しその受光量に応じた電気信号を発生するフォトダイオード等の光電変換素子３７と、光電変換素子３７で発生した電気信号を増幅して得られる検出信号ＭＳ１を制御部３４へ供給するセンサ用アンプ３８とで構成されている。

ここで、基本波監視部３２は、図２のＰ−Ｖ３線図に示すように、検出する緑色レーザ光ＧＬの出力Ｐが大きいほど検出信号ＭＳ１の信号電圧Ｖ３は小さくなり、検出する緑色レーザ光ＧＬの出力Ｐが小さいほど検出信号ＭＳ１の信号電圧Ｖ３は大きくなる特性を有している。このような特性は、例えば、モニタ用アンプ３８を差動増幅器で構成し、その反転入力端子に光電変換素子３７の出力端子を接続し、非反転入力端子に参照用の基準電圧端子を接続する等の方法で実現することができる。

制御部３４は、本発明の「制御手段」に対応し、緑色レーザ光ＧＬの出力設定値（目標値）が入力される目標値設定メモリ３４Ａと、基本波監視部３２から後述する微調量設定部３３を介して供給されるレーザ光ＧＬの出力検出信号（電圧信号）ＭＳ１をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３４Ｂと、検出信号ＭＳ１に基づいてレーザ光ＧＬの出力が出力設定値と対応するようにレーザ発生部３１を駆動制御するための制御信号を生成する制御演算器３４Ｃと、生成された制御信号を制御用アンプ３５へ入力するためのＤ／Ａ変換器（又はＰＷＭ変換器）３４Ｄとを備えている。

次に、本発明に係る微調量設定部３３の構成について説明する。

微調量設定部３３は、基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１が当該微調量設定部３３を経由できるように、基本波監視部３２と制御部３４との間に設けられている。微調量設定部３３は差動増幅器３９でなり、その反転入力端子３９ａには、抵抗Ｒ１を介してコントローラ２７（図１）の微調信号ＳＶｄａの信号電圧Ｖｄａが入力され、非反転入力端子３９ｂには、抵抗Ｒ２を介して基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１の信号電圧Ｖ３が入力されるようになっている。

従って、図２に示すように、差動増幅器３９の出力端子には、
Ｖ４＝Ｖ３−（Ｒ２／Ｒ１）×Ｖｄａ ……（１）
の演算式で演算される電圧Ｖ４が出力されることになる。

また、この微調量設定部３３には、基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１として、信号電圧Ｖ３を直接制御部９へ入力する「微調無効モード」と、信号電圧Ｖ３を微調信号ＳＶｄａで調整した信号電圧Ｖ４に変換し当該変換した信号電圧Ｖ４を制御部９へ入力する「微調制御モード」のうち、何れかを選択する切替スイッチ４０が設けられている。この切替スイッチ４０の切替操作は、コントローラ２７からの切替信号ＳｗのＯＮ／ＯＦＦ制御によって行われるようになっており、切替スイッチ４０がオフ端子４０ａに接続されている場合は「微調無効モード」、ＯＮ端子４０ｂに接続されている場合は「微調設定モード」となっている。

さて、制御部３４は、Ａ／Ｄ変換器３４Ｂに入力される検出信号ＭＳ１の電圧の大きさに基づいて、緑色レーザ光ＧＬの出力を制御する。この緑色レーザ光ＧＬの出力は、制御部３４の目標値設定メモリ３４Ａに設定されている目標値と対応するようフィードバック制御される。そして、緑色レーザ光ＧＬの出力は、基本的に、目標値設定メモリ３４Ａに設定される出力設定値の設定可変幅に相当する可変ピッチで調整されることになる。

そこで本実施の形態では、上述した構成の微調量設定部３３を設けることによって、緑色レーザ光ＧＬを出力設定値Ｘｐの設定可変間隔よりも細かな設定可変間隔での出力調整が可能となっている。

すなわち、本発明に係る微調量設定部３３は、基本波監視部３２から出力される検出信号ＭＳ１の信号電圧をＶ３からＶ４に調整し、当該調整した信号電圧Ｖ４をＶ３の代わりに制御部３４へ出力する。これにより、制御部３４は、緑色レーザ光ＧＬの出力が信号電圧Ｖ４に相当する出力であると判断し、これを基に目標値を参照してレーザ光ＧＬの出力制御を行うことになるので、微調量設定部３３における信号電圧Ｖ３からＶ４への調整量に応じた電圧分だけ、緑色レーザ光ＧＬの出力を可変制御できるようになる。

従って、当該調整量の設定可変間隔（本発明の「第２の設定可変間隔」に相当）を、制御部３４の出力設定値Ｘｐの設定可変間隔Ｇ２（本発明の「第１の設定可変間隔」に相当）よりも細かなピッチに設定することによって、緑色レーザ光ＧＬの出力制御がより細かく、滑らかに変化させることが可能となる。例えば、出力設定値Ｘｐの設定可変間隔が４ｍＷに対して、微調量設定部３３における信号電圧Ｖ４の調整量を１ｍＷ〜０．０１ｍＷ毎、あるいはそれ以上の微細間隔に設定することができる。

本実施の形態では、微調設定モードにおいて、上記（１）式で示したように、微調量設定部３３により、検出信号ＭＳ１の信号電圧Ｖ３がＶ４に減少される方向に調整される。信号電圧Ｖ４への調整量は、微調信号ＳＶｄａの信号電圧Ｖｄａによって決まり、Ｖｄａが大きくなるほど、Ｖ３の減少量は大きくなる。その結果、制御部３４には、実際のレーザ出力Ｐよりも小さな出力の検出信号ＭＳ１が入力されるので、当該検出信号ＭＳ１の信号電圧を大きくするべく、緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力は、目標値設定メモリ３４Ａの出力設定値から信号電圧の調整量（Ｖ３−Ｖ４）に相当する出力を差し引いた出力に、安定制御される。

本実施の形態のレーザ光発生装置２１は以上のように構成される。上記構成において、ＡＰＣブロック２５および微調量設定部３３は本発明の「調整手段」に対応する。また、本発明の「粗調量設定部」は、コントローラ２７の内部に組み込まれ、レーザ源２２に対し粗調信号ＳＸｐを生成する部位に相当する。

次に、以上のように構成される本実施の形態のレーザ光発生装置２１の一動作例について説明する。

図１において、コントローラ２７の目標値設定メモリ２７Ａには、光共振器２３から出射される紫外線レーザ光ＵＶＬの出力設定値（目標値）［ｍＷ］が設定されている。コントローラ２７は、レーザ源２２の制御部３４に対して、設定されている紫外線レーザ光ＵＶＬのレーザ出力を得るのに必要な緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力設定値Ｘｐ［ｍＷ］を粗調信号ＳＸｐを介して目標値設定メモリ３４Ａに設定する。

なお、コントローラ２７は、レーザ源２２の微調量設定部３３に対して、切替スイッチ４０をオン端子４０ｂに接続させる切替信号Ｓｗを供給することにより、レーザ源２２の微調設定モードを選択しているが、電源投入時や使用途中での校正モード（キャリブレーションモード）実行時には、切替スイッチ４０をオフ端子４０ａに接続させる切替信号Ｓｗを発信し、レーザ源２２を微調無効モードに切り替え、これらの制御の実効性を確保している。

レーザ光発生装置２１は、レーザ源２２から光共振器２３に入射される波長５３２ｎｍの緑色レーザ光ＧＬを、光共振器２３内に配置された波長変換素子２４によって、半分の波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶＬに波長変換し、この波長変換した紫外線レーザ光ＵＶＬを光共振器２３から出射させる。レーザ光発生装置２１を微細構造物の表面観察用顕微鏡の光源に用いる本実施の形態においては、取り出された紫外線レーザ光ＵＶＬは、測定対象物表面に対する照射光として機能する。

レーザ光発生装置２１の稼働時において、光共振器２３から出射される紫外線レーザ光ＵＶＬの出力は、高調波監視部２６からの検出信号ＭＳ２に基づいて、コントローラ２７で管理される。コントローラ２７は、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力が目標値に安定して維持されているときは、微調信号ＳＶｄａの信号電圧Ｖｄａを０としている。

一方、レーザ源２２において、レーザ発生部３１から出射される緑色レーザ光ＧＬの出力は、基本波監視部３２からの検出信号ＭＳ１に基づいて、制御部３４で管理される。検出信号ＭＳ１の信号電圧Ｖ４は、差動増幅器３９の作用で上記（１）式により算出される電圧値とされるが、微調信号電圧Ｖｄａ＝０の場合は、Ｖ４＝Ｖ３となり、基本波監視部３２で検出された実際の信号電圧が検出信号ＭＳ１として制御部３４へ入力される。その結果、緑色レーザ光ＧＬは、制御部３４の目標値設定メモリ３４Ａに設定された設定値Ｘｐに安定に維持される。

さて、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を小さくしたい場合、これに対応して緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力を小さくする必要がある。従来のレーザ光発生装置においては、緑色レーザ光ＧＬの出力設定値の可変間隔に相当する可変幅でしかレーザ出力を調整することができなかった。

これに対して、本実施の形態のレーザ光発生装置２１においては、コントローラ２７からレーザ源２２の微調量設定部３３へ供給される微調信号ＳＶｄａの信号電圧Ｖｄａを適度に印加することによって、緑色レーザ光ＧＬの出力設定値を変更することなく、緑色レーザ光ＧＬの出力減少が可能となる。

例えば、図３を参照して、緑色レーザ光ＧＬの出力設定値Ｘｐ（ｎ）に対応するレーザ出力をａｐｃ（ｎ）とした場合、制御部３４に入力される基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１がａｐｃ（ｍ１）のレーザ出力に相当する電圧信号となるように、微調量設定部３３に供給される微調電圧Ｖｄａを設定する。これにより、制御部３４は、基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１が出力ａｐｃ（ｎ）に相当する電圧値となるようにレーザ発生部３１のフィードバック制御を行う。その結果、レーザ発生部３１はレーザ出力を小さくし、これを受けて基本波監視部３２の検出信号ＭＳ１の信号電圧が上昇し、最終的に、緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力は、Ｐ（ｎ）段階から「ｄａ１」だけ微小量減少した出力ａｐｃ（ｍ１）に落ち着くことになる。

以上のように、本実施の形態によれば、制御部３４の目標値設定メモリ３４Ａに設定される緑色レーザ光ＧＬの出力設定値は従来と同様に４ｍＷピッチの可変間隔とする一方、微調信号ＳＶｄａの信号電圧Ｖｄａを適度に調整することによって、緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力を１ｍＷ、０．１ｍＷあるいはそれ以上の微小可変間隔で微調整可能となり、従来よりも細かく、図３における理想値に沿って滑らかにレーザ出力を変化させることができるようになる。

なお、上記の例において、緑色レーザ光ＧＬの出力を４ｍＷ以上小さくする場合には、これを微調信号ＳＶｄａの信号電圧Ｖｄａだけでレーザ出力を低下させることも勿論可能ではあるが、制御部３４の目標値設定メモリ３４Ａに入力される粗調信号ＳＸｐの粗調機能を、微調信号ＳＶｄａの微調機能と組み合わせる実施例がより好適である。

次に、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を大きくしたい場合、これに対応して緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力を大きくする必要がある。従来のレーザ光発生装置においては、緑色レーザ光ＧＬの出力設定値の可変間隔に相当する可変幅でしかレーザ出力を調整することができなかった。

これに対して本実施の形態では、上述のように微調信号ＳＶｄａによる緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力の微小減少が可能であるので、制御部３４の目標値設定メモリ３４Ａに入力される粗調信号ＳＸｐをＸｐ（ｎ）からＸｐ（ｎ＋１）へ一段階上昇させるとともに、微調信号ＳＶｄａを適宜調整し、当該レーザ出力をＰ（ｎ＋１）段階から「ｄａ２」だけ減少させた出力ａｐｃ（ｍ２）に変化させる。これにより、緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力をａｐｃ（ｎ）からａｐｃ（ｍ２）へ微小量増加させることができる。

ここで、本実施の形態において、微調量設定部３３は、微調信号ＳＶｄａが供給されることにより、緑色レーザ光ＧＬのレーザ出力を常に減少させる方向（図３において「ｄａ１」、「ｄａ２」の方向）に調整するようにしている。これは、微調量設定部３３によって、レーザ発生部３１に対して出力許容レベルを超える出力指令値を発信するおそれを排除するためであり、これによりレーザ発生部３１の過大負荷による劣化、暴走を防止するフェイルセーフ機能を確保できる。なお、粗調信号ＳＸｐは、その最大出力（MaxＰ）が制限されているので、この粗調信号ＳＸｐによる粗調機能でレーザ発生部３１の過大負荷が問題視されることはない。

一方、本実施の形態においても、従来と同様、経時変化による紫外線レーザ光ＵＶＬの出力低下が発生し得る。この場合、従来のレーザ光発生装置においては、その都度、装置の稼働を停止させ、緑色レーザ光ＧＬの出力設定を高出力側に設定変更し、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力低下を補っていた。

これに対して本実施の形態では、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を監視する高調波監視部２６の出力に基づいて、コントローラ２７は、微調信号ＳＶｄａ、粗調信号ＳＸｐを適宜レーザ源２２へ供給することによって緑色レーザ光ＧＬの出力設定を自動的に変更し、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力を例えば目標値Ａ（図８）に長期にわたり安定に維持することが可能となる。

より具体的に、紫外線レーザ光ＵＶＬのレーザ出力が微量低下した場合、コントローラ２７は、レーザ源２２に対し微調信号電圧Ｖｄａ（＞０）を既に供給している場合、当該微調信号電圧Ｖｄａの電圧値を低減し緑色レーザ光ＧＬの出力を増大させることにより、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力低下を補うことができる。あるいは、上述したレーザ出力を大きくする場合の制御例のように、粗調信号ＳＸｐと微調信号ＳＶｄａを適宜組み合わせることにより、紫外線レーザ光ＵＶＬの出力低下を補うことができる。

したがって、本実施の形態によれば、装置の運転を停止させることなく、基本波レーザ光の出力設定を自動的に行うことができるので、高調波レーザ光の出力を長期にわたって安定化させることができるとともに、装置の稼働率の向上を図り、作業コストの削減は勿論、品質管理負担の低減効果をも得ることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、基本波レーザ光を波長５３２ｎｍの緑色レーザ光ＧＬとし、高調波レーザ光を波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶＬとして説明したが、基本波レーザ光および高調波レーザ光の波長は上記に限定されることなく、用いるレーザ源や必要とする高調波レーザ波長に応じて、適宜変更可能である。

また、以上の実施の形態では、高調波レーザ光を基本波レーザ光の第２高調波光として説明したが、これに代えて、高調波レーザ光を基本波レーザ光の第４高調波光あるいは更に高次の高調波光とすることも可能である。

更に、以上の実施の形態では、基本波レーザ光および高調波レーザ光の出力を監視する監視手段として、フォトダイオードとモニタ用アンプの２段構成としたが、これに限らず、例えばフォトトランジスタ等の増幅機能をも兼ねた光電変換素子を用いるようにしてもよい。

更に又、レーザ源２２における微調無効モードと微調設定モードの切替タイミングは上記の例に限られず、例えば、微調量設定部３３による検出信号ＭＳ１の微量調整時にのみ微調設定モードを選択する等の実施例も適用可能である。

本発明の実施の形態によるレーザ光発生装置２１の概略構成図である。 レーザ光発生装置２１におけるレーザ源２２の概略構成図である。 レーザ光発生装置２１による基本波レーザ光ＧＬの出力制御例を示す図である。 従来のレーザ光発生装置の概略構成図である。 従来のレーザ光発生装置におけるレーザ源の概略構成図である。 従来のレーザ源の出力制御例を示す図である。 図６における一部拡大図である。 従来のレーザ光発生装置による高調波レーザ光の出力制御例を示す図である。

符号の説明

２１…レーザ光発生装置、２２…レーザ源、２３…光共振器、２４…波長変換素子、２５…ＡＰＣブロック、２６…高調波監視部、２７…コントローラ、３１…レーザ発生部、３２…基本波監視部、３３…微調量設定部、３４…制御部、４０…切替スイッチ、ＧＬ…緑色レーザ光（基本波レーザ光）、ＵＶＬ…紫外線レーザ光（高調波レーザ光）。

Claims (8)

1. 基本波レーザ光を発生するレーザ発生部と、前記レーザ発生部から出射された基本波レーザ光の出力を監視する基本波監視手段と、前記基本波レーザ光の高調波を発生する波長変換素子を内部に有する光共振器と、前記基本波監視手段の検出信号が入力され前記基本波レーザ光の出力が目標値と対応するように前記レーザ発生部を制御する制御手段とを備えたレーザ光発生装置において、
   前記光共振器から出射された高調波レーザ光の出力を監視する高調波監視手段と、
   この高調波監視手段の検出信号に基づいて、前記基本波監視手段の検出信号を調整し、当該調整した検出信号を前記制御手段へ出力する調整手段とを備えた
   ことを特徴とするレーザ光発生装置。
2. 前記調整手段は、
   前記高調波監視手段の検出信号に基づいて、前記目標値を第１の設定可変間隔で設定する粗調量設定部と、
   前記高調波監視手段の検出信号に基づいて、前記第１の設定可変間隔よりも小さな第２の設定可変間隔で、前記基本波監視手段の検出信号の調整量を設定する微調量設定部とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生装置。
3. 前記微調量設定部は、前記基本波の出力が前記目標値よりも小さくなる方向に、前記基本波監視手段の検出信号を調整する
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ光発生装置。
4. 前記調整手段は、前記微調量設定部の機能を有効とするか否かを選択するための切換器を備えている
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ光発生装置。
5. 前記基本波レーザ光は可視光レーザであり、前記高調波レーザ光は紫外光レーザである
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生装置。
6. 基本波レーザ光を発生するレーザ発生部と、前記基本波レーザ光の高調波を発生する光共振器とを備え、前記レーザ発生部から出射された基本波レーザ光の出力を検出するステップと、前記基本波レーザ光の出力が目標値と対応するように前記レーザ発生部を制御するステップとを有するレーザ光発生方法において、
   前記光共振器から出射された高調波レーザ光の出力を検出するステップと、
   この高調波レーザ光の出力に基づいて、前記基本波レーザ光の出力検出信号を調整し、当該調整した出力検出信号が前記目標値と対応するように前記レーザ発生部を制御するステップとを有する
   ことを特徴とするレーザ光発生方法。
7. 前記基本波レーザ光の出力検出信号の調整は、前記目標値の設定可変間隔よりも小さな可変間隔で行われる
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ光発生方法。
8. 前記基本波レーザ光の出力検出信号の調整は、前記基本波レーザ光の出力が前記目標値よりも小さくなる方向に行われる
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ光発生方法。
   
   

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