JP2006343786A - 波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長２００ｎｍ付近の紫外光等の所望波長の光を簡易な構成により高い出力で発生させ、かつ、その光を高い繰返し周波数で出力し、あるいは、連続出力する波長変換技術を提供する。
【解決手段】 レーザー発振器１で波長４５０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下のレーザー光（第１波長光Ｌ１）を発生させ、その第１波長光Ｌ１を非線形光学結晶２で波長２２５ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の光（第２波長光Ｌ２）に変換して結合ミラー５へ送る。また、レーザー発振器３で波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザー光（第３波長光Ｌ３）を発生させ、反射部材４を介して結合ミラー５へ送る。結合ミラー５を介した第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３をＣＬＢＯ結晶等の非線形光学結晶６で和周波混合し、波長１９０ｎｍ以上２１７ｎｍ以下の紫外光（第４波長光Ｌ４）を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光の波長を特定の波長に変換する波長変換装置に係り、例えば、特定波長の紫外コヒーレント光を発生させる光源装置等に利用可能な波長変換装置に関する。

各種半導体装置の製造に用いられる露光装置では、波長１９３ｎｍで発振する高出力のパルスレーザーであるＡｒＦ（フッ化アルゴン）エキシマレーザーが用いられようとしている。このような半導体産業分野の趨勢に対し、露光技術を支える各種検査用ないし校正用等の光源としては、２００ｎｍ未満の深紫外域で発振し、かつ、数１０ｋＨｚ以上の高い周波数での繰返し出力ないし連続出力が可能なコヒーレント光源が不可欠になってくる。また、近年のレーザー冷却応用分野の進展等に伴い、半導体産業以外の分野でも深紫外域で発振する同様の光源が強く求められている。そして、これらの半導体産業やレーザー冷却応用等の分野で用いる深紫外光源としては、いずれも数１０ｍＷ〜数１００ｍＷ程度の出力が必要と考えられている。しかし、深紫外の波長域で一般的に用いられているＡｒＦエキシマレーザーは、最大繰返し周波数が精々５ｋＨｚで高ピークパワー出力のパルスレーザーであるため、かかる半導体産業やレーザー冷却応用等の分野における種々の要請には適さない。さらに、そのパルスレーザー発振器は、大型でかつ取扱いが困難であるという難点があるため、この点でも前記要請には適さない。このようなことから、非線形光学結晶を用いた波長変換による紫外コヒーレント光源が広く検討されている。

波長変換によって２００ｎｍ近傍の紫外光を発生させる技術としては、例えば、波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー光の第５高調波（波長２１３ｎｍ）発生や波長１０４７ｎｍのＮｄ：ＹＬＦレーザー光の第５高調波（波長２０９ｎｍ）発生等が比較的よく用いられる技術として知られており、これらの高調波は連続出力させることも可能である。連続出力の他の紫外光発生例としては、Optics Letter誌, Vol.25, No.19, p.1457, 2000（以下「非特許文献１」という。）において、チタンサファイアレーザー光の第２高調波（波長３７３ｎｍ）と半導体レーザーからの近赤外光（波長７８０ｎｍ）をＢＢＯ結晶により和周波混合して波長２５２ｎｍの連続出力紫外光を得たことが報告されている。文献BerkLand et al, Applied Optics, Vol.36, P4159, 1997（以下「非特許文献２」という。）には、連続出力の波長１９４ｎｍの紫外光を発生させる技術が開示されている。この非特許文献２の技術では、アルゴンイオンレーザー（発振波長５１５ｎｍ）の第２高調波（波長２５７ｎｍ）と半導体レーザー光（波長７９２ｎｍ）をＢＢＯ結晶により和周波混合させることとしている。また、特開平１１−２５８６４５号公報（以下「特許文献１」という。）では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）にチタンサファイアレーザー光（波長約７００ｎｍ）の光をＢＢＯ結晶により和周波混合して波長１９０ｎｍ付近の光を得る技術が提案されている。さらに、文献Applied Optics, Vol.39, No.30, p.5505, 2000（以下「非特許文献３」という。）には、Ｎｄ：ＹＬＦレーザーの第３高調波（波長３４９ｎｍ）とチタンサファイアレーザー光（波長７８０ｎｍ）を和周波混合して波長２４２ｎｍの紫外光を得、この紫外光とＮｄ：ＹＬＦレーザー光（波長１０４７ｎｍ）をＣＬＢＯ結晶により和周波混合して波長１９６ｎｍの光を得たことが報告されている。
Optics Letter誌, Vol.25, No.19, p.1457, 2000 BerkLand et al, Applied Optics, Vol.36, P4159, 1997 Applied Optics, Vol.39, No.30, p.5505, 2000 特開平１１−２５８６４５号公報 特開２０００−１６２６５５号公報

このように、波長変換による様々な紫外光源が従来より検討されているが、従来の紫外光源では、装置構成が複雑ないし大型であるなどの解決すべき課題が少なくなく、上述した半導体産業分野等における要請を満たすにも至っていない。すなわち、従来より比較的よく用いられている上記Ｎｄ：ＹＡＧレーザーないしＮｄ：ＹＬＦレーザーの第５高調波発生は、３段階の波長変換が必要なために装置構成が複雑で大型なものとなってしまう上に、その発生波長が２１３ｎｍないし２０９ｎｍ近傍に限られるので波長同調が実質不可能であるという問題がある。さらに、それらの発生波長は、ＡｒＦエキシマレーザー露光の検査用光源としても、露光波長である１９３ｎｍから１０％以上離れている。ＡｒＦエキシマレーザー露光の検査用光源の波長としては、理想的には１９３．４ｎｍが望ましく、波長の誤差が最大でも±５％程度以内であることが実用上求められると考えられるので、かかる１９３ｎｍから１０％以上も離れているような発生波長の光源では、十分な検査精度は期待できないという問題もある。

また、上記非特許文献１の技術では、発生波長が２５０ｎｍ近傍であり、その更なる短波長化、高出力化は困難という課題がある。上記非特許文献２の技術では、半導体レーザー光を和周波混合するため、和周波光の出力としては２ｍＷ程度の低出力しか得られないという問題がある。上記特許文献１の技術では、３段階の波長変換を行う上に、第２高調波からの実質的な波長変換をするチタンサファイアレーザーを用いるため、装置構成が比較的複雑で大型なものになることが予想される。そして、非特許文献１、非特許文献２及び特許文献１のいずれの技術においても、和周波混合用結晶としてＢＢＯ結晶を用いることとしているが、ＢＢＯ結晶は、短波長側の吸収端が１９０ｎｍ近傍にあり、かつ、位相許容幅が狭いので、たとえ混合する光の出力を増大させても発生する紫外光の出力をあまり増加させることはできないという問題がある。一方、上記非特許文献３の技術では、高出力が可能なＮｄ：ＹＬＦレーザー光を用い、和周波混合用結晶としてＣＬＢＯ結晶を採用した構成とすることにより、低出力という課題の解決が図られており、平均出力１．５Ｗの紫外光を得ている。しかし、４段階の波長変換を行う等、装置構成が複雑なものとなっている上に、周波数５ｋＨｚ程度のパルス発振による出力しか得られないので、これも上述した半導体産業分野等の要請に応えるものにはなっていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上述した様々な問題を解決し、波長２００ｎｍ付近の紫外光等の所望波長の光を簡易な構成により高い出力で発生させることができ、かつ、その所望波長の光を高い繰返し周波数で出力し、あるいは、連続出力することもできる波長変換技術を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するため、本発明に係る波長変換装置は、第１の波長（例えば４５０ｎｍ〜５４０ｎｍ）のレーザー光を発生する第１のレーザー発振器と、そのレーザー光を波長変換して第２の波長（例えば２２５ｎｍ〜２７０ｎｍ）の光を発生させる第１の非線形光学結晶と、第３の波長（例えば１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ）で発振する第２のレーザー発振器と、前記第１の非線形光学結晶で発生させた前記第２の波長の光と前記第２のレーザー発振器からのレーザー光を和周波混合する第２の非線形光学結晶とを有する。これにより、比較的簡素な構成で高出力な波長２００ｎｍ付近の紫外コヒーレント光を発生させる。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。この波長変換装置は、波長２００ｎｍ付近の紫外コヒーレント光を発生させる基本的な形態によるものであり、図示のようにレーザー発振器１、非線形光学結晶２、レーザー発振器３、反射部材４、結合ミラー５及び非線形光学結晶６を具備している。

レーザー発振器１は、波長４５０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下のレーザー光（以下、この発明の実施の形態において「第１波長光」といい、符号「Ｌ１」で表す。）を発生する第１のレーザー発振器である。このレーザー発振器１としては、例えば、波長４５０ｎｍ以上５４０ｎｍ以下で発振する数Ｗ出力の装置が一般に市販されているアルゴンイオンレーザー等を用いることができる。非線形光学結晶２は、レーザー発振器１からの第１波長光Ｌ１を第２高調波に波長変換して波長２２５ｎｍ以上２７０ｎｍ以下の光（以下、この発明の実施の形態において「第２波長光」といい、符号「Ｌ２」で表す。）を発生させる第１の非線形光学結晶である。この非線形光学結晶２としては、例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４（ベータ硼酸バリウム））結晶やＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）結晶等を用いることができる。

レーザー発振器３は、波長１０００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のレーザー光（以下、この発明の実施の形態において「第３波長光」といい、符号「Ｌ３」で表す。）を発生する第２のレーザー発振器である。このレーザー発振器３としては、例えば、ネオジウムイオン又はイッテルビウムイオンをドープした固体のレーザー媒質を有するものを用いることができる。具体的には、波長変換に適した小さい広がり角で１０Ｗ以上の高出力も容易に得られる発振波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器や、発振波長が１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のＹｂ：ＹＡＧレーザー発振器、発振波長が１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のＹｂ：ｇｌａｓｓレーザー発振器、発振波長が１０４７ｎｍ以上１０５３ｎｍ以下のＮｄ：ＹＬＦレーザー発振器、発振波長が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザー発振器等を用いることができる。反射部材４は、レーザー発振器３からの第３波長光Ｌ３を反射して結合ミラー５へ導くものであり、レーザー発振器３の設置位置等に応じて適宜設ける。

結合ミラー５は、図示のように第２波長光Ｌ２を透過して第３波長光Ｌ３を反射すると共に、その透過と反射の際に第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３とを同軸化する結合ミラーである。非線形光学結晶６は、結合ミラー５を介した第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３を和周波混合する第２の非線形光学結晶である。この非線形光学結晶６としては、例えば、ＣＬＢＯ結晶等を用いることができる。また、非線形光学結晶６の幾何学的形態としては、入出射する各光の光軸と結晶法線の為す角が３５度以上７０度未満であり、かつ、位相整合するように切断されているもの等を採用することができ、矩形型や平行四辺形型等の非線形光学結晶６を用いることもできる。

以上のような構成において、レーザー発振器１からの第１波長光Ｌ１は、非線形光学結晶２に入射して第２波長光Ｌ２を発生させ、その第２波長光Ｌ２が結合ミラー５へ送られる。一方、レーザー発振器３からの第３波長光Ｌ３は、反射部材４によって結合ミラー５へと導かれ、結合ミラー５によって第２波長光Ｌ２と同軸化される。これにより、第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３は、結合ミラー５から非線形光学結晶６へ入射され、非線形光学結晶６によって和周波混合される。この結果、非線形光学結晶６からは、波長１９０ｎｍ以上２１７ｎｍ以下の紫外光（以下、この発明の実施の形態において「第４波長光」といい、符号「Ｌ４」で表す。）が和周波光として発生し、出力される。

例えば、アルゴンイオンレーザーをレーザー発振器１として用いて非線形光学結晶２に波長２３８ｎｍないし２４４ｎｍの第２波長光Ｌ２を発生させ、発振波長が１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下のＹｂ：ＹＡＧレーザー発振器ないしＹｂ：ｇｌａｓｓレーザー発振器をレーザー発振器３として用いた場合には、非線形光学結晶６で発生する和周波光（第４波長光Ｌ４）の波長は１９３．３ｎｍ以上１９９．７ｎｍ以下になる。また、アルゴンイオンレーザーをレーザー発振器１として用いて非線形光学結晶２に波長２３８ｎｍないし２４４ｎｍの第２波長光Ｌ２を発生させ、発振波長が１０４７ｎｍないし１０５３ｎｍのＮｄ：ＹＬＦレーザー発振器をレーザー発振器３として用いた場合には、発生する和周波光の波長は１９３．９ｎｍ以上１９８．１ｎｍ以下になる。さらに、アルゴンイオンレーザーをレーザー発振器１として用いて非線形光学結晶２に波長２３８ｎｍないし２４４ｎｍの第２波長光Ｌ２を発生させ、発振波長が１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器ないしＮｄ：ＹＶＯ４レーザー発振器をレーザー発振器３として用いた場合には、発生する和周波光の波長は１９４．６ｎｍないし１９８．５ｎｍになる。

なお、上記レーザー発振器１とレーザー発振器３については、いずれか一方ないし両方が単一周波数で発振するもの（単一周波数レーザー、インジェクションロック機構、フィルタ等、単一周波数で発振する手段を有するもの）であってもよく、両方共に連続発振出力をするものであってもよい。また、上記非線形光学結晶２と非線形光学結晶６については、一方ないし両方にＣＬＢＯ結晶を用いることとしてもよい（少なくとも非線形光学結晶６の方にＣＬＢＯ結晶を用いることとすると、高出力の第４波長光Ｌ４が得られることになる。）。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記レーザー発振器１が連続発振出力をするものである場合には、そのレーザー共振器内に上記非線形光学結晶２を設置することによって第２波長光Ｌ２の発生効率を高められる。すなわち、レーザー発振器１に少なくとも２枚の反射部材からなる光共振器を設け、その光共振器の内部に非線形光学結晶２を設置すれば、第２波長光Ｌ２の発生効率が高まる。あるいは、レーザー共振器内に設置された光分散素子等により単一周波数発振を行えば、第１波長光Ｌ１用の外部共振器（以下「第１の外部共振器」という。）内に非線形光学結晶２を設置し、その共振器間隔をレーザー光波長の整数倍に制御することにより、光強度を高めて第２波長光Ｌ２の発生効率が高められる。この場合の第１の外部共振器としては、例えば、第１波長光Ｌ１に対して８０％以上の反射率を有する少なくとも３枚の反射部材を具備し、入射する第１波長光Ｌ１を共振させる調整手段を備えたものを用いる。そして、その第１の外部共振器の内部（反射部材間）に非線形光学結晶２を設置する。

図２は、かかる第１の外部共振器を用い、その内部に非線形光学結晶２を設置した第２実施形態による波長変換装置の構成を示す図である（図２中、上記第１実施形態と共通する構成要素には図１と同一の符号が付してある。）。第１の外部共振器は、３枚の反射部材１０ａ、１０ｂ及び１０ｃと、調整手段に当たる光検出器１１、制御器１２及びアクチュエータ１３とによって構成されており、レーザー発振器１からの第１波長光入射側にある反射部材１０ａと結合ミラー５への第２波長光出射側にある反射部材１０ｂとの間に非線形光学結晶２が位置している。

反射部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ第１波長光Ｌ１に対して８０％以上の反射率を有しており、図示のように第１波長光Ｌ１が反射部材１０ａから入射し、第１の外部共振器内で第１波長光Ｌ１が反射部材１０ａ、１０ｂ、１０ｃの順に反射周回するように設置されている（非線形光学結晶２では、通常一部の入射第１波長光Ｌ１が波長変換されずに通過する。波長変換された第２波長光Ｌ２については、反射部材１０ｂが透過させて結合ミラー５側へ送る。）。反射部材１０ｂ、１０ｃを周回して戻った第１波長光Ｌ１は、その一部が反射部材１０ａを透過して光検出器１１へ供給される。光検出器１１は、反射部材１０ａを介して受けた第１波長光Ｌ１の強度を検出し、検出強度を制御器１２へ供給する。制御器１２は、光検出器１１からの検出強度に応じてアクチュエータ１３の動作を制御する。アクチュエータ１３は、ピエゾ素子等によって構成され、その可動部位に反射部材１０ｂが取り付けられており、制御器１２による制御の下で反射部材１０ｂの位置調整をする。

このような構成において、レーザー発振器１からの第１波長光Ｌ１は、反射部材１０ａから第１の外部共振器に入射し、第１の外部共振器内（反射部材間）を一周して反射部材１０ａに戻る。そして、反射部材１０ａから出射する第１波長光Ｌ１を光検出器１１によりとらえ、そのとらえられる第１波長光Ｌ１が増すように制御器１２がアクチュエータ１３に取り付けられた反射部材１０ｂの位置を調整する。これにより、第１の外部共振器の光学長が制御されて非線形光学結晶２に入射するレーザー光強度が高められ、第２波長光Ｌ２の発生効率が高まる。

なお、以上の第２実施形態では、レーザー発振器１として例えばアルゴンイオンレーザーを用いた場合、非線形光学結晶２としては、ＢＢＯ結晶の他、ＣＬＢＯ結晶を用いることができる。また、共振器でのレーザー光の共振は、レーザー光の波長を適宜変化させることによって実現することとしてもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。レーザー発振器１が単一周波数で発振するものである場合、その第２高調波である第２波長光Ｌ２も単一周波数となるので、必要に応じて和周波混合用の非線形光学結晶６を第２波長光Ｌ２の強度を高めるための外部共振器（以下「第２の外部共振器」という。）内に設置することが可能である。この場合の第２の外部共振器としては、例えば、第２波長光Ｌ２に対して８０％以上の反射率を有する少なくとも３枚の反射部材を具備し、入射する第２波長光Ｌ２を共振させる調整手段を備えたものを用いる。そして、その第２の外部共振器の内部（反射部材間）に非線形光学結晶６を設置する。

図３は、かかる第２の外部共振器を用い、その内部に非線形光学結晶６を設置した第３実施形態による波長変換装置の構成を示す図である（図３中、上記第１実施形態と共通する構成要素には図１と同一の符号が付してある。）。第２の外部共振器は、３枚の反射部材１４ａ、１４ｂ及び１４ｃと、調整手段に当たる光検出器１５、制御器１６及びアクチュエータ１７とによって構成されており、結合ミラー５からの第２波長光入射側にある反射部材１４ａと第４波長光Ｌ４の出力側にある反射部材１４ｂとの間に非線形光学結晶６が位置している。なお、本実施形態は、レーザー発振器１が単一周波数で発振する場合の形態なので、上述した第１の外部共振器を併用して図示のように上記反射部材１０ａ、１０ｂ及び１０ｃ、光検出器１１、制御器１２並びにアクチュエータ１３をも備えた構成にすることができる。

反射部材１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、それぞれ第２波長光Ｌ２に対して８０％以上の反射率を有しており、図示のように第２波長光Ｌ２が反射部材１４ａから入射し、第２の外部共振器内で第２波長光Ｌ２が反射部材１４ａ、１４ｂ、１４ｃの順に反射周回するように設置されている（共に入射する第３波長光Ｌ３は、反射部材１４ａを透過して非線形光学結晶６へ向かう。和周波混合後の第４波長光Ｌ４については、反射部材１４ｂが透過させて出力光とする。）。反射部材１４ｂ、１４ｃを周回して戻った第２波長光Ｌ２は、その一部が反射部材１４ａを透過して光検出器１５へ供給される。光検出器１５は、反射部材１４ａを介して受けた第２波長光Ｌ２の強度を検出し、検出強度を制御器１６へ供給する。制御器１６は、光検出器１５からの検出強度に応じてアクチュエータ１７の動作を制御する。アクチュエータ１７は、ピエゾ素子等によって構成され、その可動部位に反射部材１４ｂが取り付けられており、制御器１６による制御の下で反射部材１４ｂの位置調整をする。

このような構成において、結合ミラー５側からの第２波長光Ｌ２は、反射部材１４ａから第２の外部共振器に入射し、第２の外部共振器内（反射部材間）を一周して反射部材１４ａに戻る。そして、反射部材１４ａを透過した第２波長光Ｌ２を光検出器１５によりとらえ、そのとらえられる第２波長光Ｌ２が増すように制御器１６がアクチュエータ１７を制御して反射部材１４ｂの位置を調整する。これにより、第２の外部共振器の光学長が制御されて非線形光学結晶６に入射するレーザー光強度が高められ、和周波紫外光として出力される第４波長光Ｌ４の発生効率が高まる。なお、レーザー発振器３としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーのような高出力のレーザー発振器を利用できるので、このような簡素な構成で紫外光を発生させることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。レーザー発振器３に対しては、非線形光学結晶６に入射する第３波長光Ｌ３の強度を高めるための外部共振器（以下「第３の外部共振器」という。）を設けることとしてもよい。この場合の第３の外部共振器は、例えば、第３波長光Ｌ３に対して８０％以上の反射率を有する少なくとも３枚の反射部材と、レーザー発振器３の発振周波数を制御して単一の周波数で発振させる発振周波数制御手段とによって構成し、その第３の外部共振器の内部（反射部材間）に非線形光学結晶６を設置する。

図４は、かかる第３の外部共振器を用いた第４実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。第３の外部共振器は、３枚の反射部材１８ａ、１８ｂ及び１８ｃと、発振周波数制御手段に当たる光検出器１９及び制御器２０とによって構成されており、非線形光学結晶６として所定の角度でカットされた平行四辺形型のものを用いている。なお、図４中、上記第１実施形態と共通する構成要素には図１と同一の符号が付してあるが、本実施形態では、結合ミラー５は不要となる（後述する反射部材の配置と非線形光学結晶６の屈折率によって代用される。）。また、本実施形態では、上述した第１の外部共振器と第２の外部共振器を併用し、図示のように反射部材１０ａ、１０ｂ及び１０ｃと反射部材１４ａ、１４ｂ及び１４ｃとを設けることができる（光検出器１１、制御器１２及びアクチュエータ１３並びに光検出器１５、制御器１６及びアクチュエータ１７も有するが、煩雑になるので図示は省略してある。）。

第２波長光Ｌ２の波長は紫外であり、第３波長光Ｌ３の波長は赤外であるので、本実施形態では、非線形光学結晶６の波長分散による屈折角の違いを利用して第２、第３の外部共振器をそれぞれ独立に設けている。図５は、この非線形光学結晶６の波長分散による屈折角の違いの例を示している。第３波長光Ｌ３、第２波長光Ｌ２、第４波長光Ｌ４の波長がそれぞれ１０６４ｎｍ、２４４ｎｍ、１９８．５ｎｍである場合に非線形光学結晶６としてＣＬＢＯ結晶を用いると、タイプ１型位相整合が得られ、その場合の各波長に対する屈折率は、それぞれ１．５６、１．４８５、１．５４６であることが見出される。図５の非線形光学結晶６は、一つの頂角が３２．７°でカットされた平行四辺形型のＣＬＢＯ結晶であり、このＣＬＢＯ結晶を用いた場合、結晶内で３つの光はほぼ同軸であるが、波長１０６４ｎｍの第３波長光Ｌ３（実線）、波長２４４ｎｍの第２波長光Ｌ２（点線）、波長１９８．５ｎｍの第４波長光Ｌ４（破線）の入出射角は、それぞれ５３．３°、５６．５°、５７．３°となり、図示のようにそれぞれの入出射角が異なるものとなる。このようなことから、本実施形態では、反射部材１４ａ、１４ｂ及び１４ｃと反射部材１８ａ、１８ｂ及び１８ｃの配置を図４に示したようにずらして第２の外部共振器と第３の外部共振器を独立に設け、第２の外部共振器と第３の外部共振器の双方の内部に当たる位置に非線形光学結晶６を設置している。

反射部材１８ａ、１８ｂ、１８ｃは、それぞれ第３波長光Ｌ３に対して８０％以上の反射率を有しており、図示のように第３波長光Ｌ３が反射部材１８ｃから入射し、第３の外部共振器内で第３波長光Ｌ３が反射部材１８ｃ、１８ａ、１８ｂの順に反射周回するように設置されている。反射部材１８ａ、１８ｂを周回して戻った第３波長光Ｌ３は、その一部が反射部材１８ｃを透過して光検出器１９へ供給される。光検出器１９は、反射部材１８ｃを介して受けた第３波長光Ｌ３の強度を検出し、検出強度を制御器２０へ供給する。制御器２０は、光検出器１９からの検出強度に応じてレーザー発振器３の発振周波数（単一の発振周波数）を制御する。

このような構成において、第３波長光Ｌ３は、反射部材１８ｃから第３の外部共振器に入射し、第３の外部共振器内（反射部材間）を一周して反射部材１８ｃに戻る。そして、反射部材１８ｃを透過した第３波長光Ｌ３を光検出器１９によりとらえ、そのとらえられる第３波長光Ｌ３が増すように制御器２０がレーザー発振器３の発振周波数を制御する。これにより、第３波長光Ｌ３の整数倍が反射部材の間隔（反射部材１８ｃ、１８ａ及び１８ｂを一周する光路長）と等しくなるようにレーザー発振器３の単一発振周波数が制御され、非線形光学結晶６に入射するレーザー光強度が高められて和周波紫外光として出力される第４波長光Ｌ４の発生効率が高まる。

レーザー発振器３に対しては外部共振器を用いなくとも良いが、上述したように単一周波数発振の手段と少なくとも３枚の反射部材からなる第３の外部共振器を設けて、その発振波長の整数倍が和周波混合用光共振器の間隔と等しくなるよう制御することにより強度を高めてもよい。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。上記第４実施形態のように平行四辺形型の非線形光学結晶６を用いずに矩形型（長方形型ないし正方形型）の非線形光学結晶６を用いることにすれば、波長の違いによる屈折角の違いは生じないので、第２の外部共振器と第３の外部共振器の反射部材を共用することができる。この場合の外部共振器としては、例えば、第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３の双方に対して８０％以上の反射率を有する少なくとも３枚の反射部材と、第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３の双方を共振させる調整手段とによって構成し、その外部共振器の内部（反射部材間）に非線形光学結晶６を設置する。

図６は、かかる外部共振器を用いた第５実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。本実施形態での外部共振器は、上述した第２の外部共振器における反射部材１４ａ、１４ｂ及び１４ｃを第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３の双方に対して８０％以上の反射率を有する反射部材１４ａ′、１４ｂ′及び１４ｃ′に置き換え、第２波長光Ｌ２用の調整手段として上記第２の外部共振器同様の光検出器１５、制御器１６及びアクチュエータ１７を有し、第３波長光Ｌ３用の調整手段として上記第３の外部共振器同様の光検出器１９及び制御器２０を有するものとなっている。なお、図６中、上記第１実施形態と共通する構成要素には図１と同一の符号が付してあるが、本実施形態でも結合ミラー５は不要となる（レーザー発振器３からの第３波長光Ｌ３を反射部材１４ｃ′へ入射させるように反射部材４が設置され、この反射部材４と反射部材１４ａ′、１４ｂ′及び１４ｃ′の配置によって結合ミラー５の機能が代用される。）。また、本実施形態では、上記第１の外部共振器を併用し、図示のように反射部材１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを設けることができる（光検出器１１、制御器１２及びアクチュエータ１３も有するが、煩雑になるので図示は省略してある。）。

反射部材１４ａ′、１４ｂ′及び１４ｃ′においては、第２波長光Ｌ２が反射部材１４ａ′から入射し、反射部材１４ａ′、１４ｂ′、１４ｃ′の順に反射周回して戻った第２波長光Ｌ２の一部を反射部材１４ａ′が透過させて光検出器１５へ供給する。また、第３波長光Ｌ３が反射部材１４ｃ′から入射し、反射部材１４ｃ′、１４ａ′、１４ｂ′の順に反射周回して戻った第３波長光Ｌ３の一部を反射部材１４ｃ′が透過させて光検出器１９へ供給する。和周波混合後の第４波長光Ｌ４については、反射部材１４ｂ′が透過させて出力光とする。

このような構成において、第２波長光Ｌ２と第３波長光Ｌ３が外部共振器に入射し、それぞれ反射部材間を一周して反射部材１４ａ′、１４ｃ′に戻る。そして、反射部材１４ａ′を透過した第２波長光Ｌ２を光検出器１５によりとらえ、そのとらえられる第２波長光Ｌ２が増すように制御器１６がアクチュエータ１７を制御して反射部材１４ｂ′の位置を調整する。さらに、反射部材１４ｃ′を透過した第３波長光Ｌ３を光検出器１９によりとらえ、そのとらえられる第３波長光Ｌ３が増すように制御器２０がレーザー発振器３の発振周波数を制御する。これにより、第２波長光Ｌ２については、反射部材の位置変化によって光路長が調整されて非線形光学結晶６に入射するレーザー光強度が高められ、第３波長光Ｌ３については、その波長変化によって第３波長光Ｌ３の波長の整数倍が反射部材の間隔（反射部材１４ｃ′、１４ａ′及び１４ｂ′を一周する光路長）と等しくなるようにレーザー発振器３の単一発振周波数が制御されて非線形光学結晶６に入射するレーザー光強度が高められ、和周波紫外光として出力される第４波長光Ｌ４の発生効率が高まる。

非線形光学結晶６に矩形型の結晶を用いれば波長の違いによる屈折角の違いは生じないので、第２、第３の外部共振器を共通化できる。この場合には、上述したように第２波長光Ｌ２を参照して共振器長を制御しつつ、第３波長光Ｌ３の波長を変化させて両方の光が共振するように制御すればよい。なお、この制御形態を従来の波長変換技術に適用した例は、例えば、非特許文献１に述べられている。

＜他の具体例、変形例、応用例等＞
（１）上記レーザー発振器１として発振波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザー発振器を用いた場合、１０本程度ある発振線の中でもレーザー利得が２番目に高く、１Ｗ以上の高出力も容易に得られる。また、その第２高調波である波長２４４ｎｍの光としても数１００ｍＷが得られる。そして、波長２４４ｎｍの光は、ＣＬＢＯ結晶により、波長１０４７ｎｍないし１０５３ｎｍのＮｄ：ＹＬＦレーザー光、または波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー光と和周波混合することができ、１９８ｎｍ近傍において１００ｍＷ程度以上の高出力紫外光が発生可能である。したがって、上記レーザー発振器１として発振波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザー発振器を用いると共に、上記レーザー発振器３として発振波長１０４７ｎｍないし１０５３ｎｍのＮｄ：ＹＬＦレーザー発振器又は発振波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器を用い、上記非線形光学結晶６としてＣＬＢＯ結晶を用いることとすれば、波長１９８ｎｍ近傍の高出力（１００ｍＷ程度以上の）紫外光を発生させることができる。

（２）レーザー研究誌第２７巻５２９頁に述べられているように、ＣＬＢＯ結晶はその屈折率に温度依存性があり、波長２４０ｎｍ付近の光と波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザー光を和周波混合する場合、その温度を制御することにより位相整合する角度が９０度の臨界位相整合とすることができる。この場合、位相整合許容幅が増大し、より高効率な波長変換が可能となる。したがって、例えば、上記非線形光学結晶６にＣＬＢＯ結晶を用い、そのＣＬＢＯ結晶を位相整合許容幅が増大するように温度制御して波長変換効率の向上を図ることとしてもよい。

（３）特許文献２には、ＣＬＢＯ結晶を冷却し、特に−１８０℃以下に冷却することにより、波長１９３ｎｍ付近の光を発生させる技術が開示されている。これに対し、発明者らは、上述の実施形態で波長２４４ｎｍの光を和周波混合に用いる構成により、発生波長は１９８ｎｍ近傍となるものの、結晶は逆に１００℃以上の高温に保つことで臨界位相整合に近い条件が得られることを発見した。この構成では、結露等を防止する手段が必要な結晶の冷却に比して扱いが格段に容易となる上、吸湿性が高いＣＬＢＯ結晶が安定に動作できるという利点がある。したがって、上記実施形態においては、例えば、非線形光学結晶６にＣＬＢＯ結晶を用いると共に、そのＣＬＢＯ結晶の温度を１００℃以上２００℃未満に維持するオーブンや高温チャンバ等の温度維持手段を設けることとしてもよい。そのようにすれば、所望波長の紫外光を非線形光学結晶６の安定した和周波混合動作によって発生させることができ、波長変換装置の取扱も容易になる。

（４）以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明の実施形態は上述した形態に限定されるものではない。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーやＮｄ：ＹＬＦレーザーの代わりに同様の近赤外波長帯で発振するＹｂ：ＹＡＧレーザーやＹｂ：ｇｌａｓｓレーザー等を用いてもよい。また、和周波混合用の結晶は、ＣＬＢＯ結晶だけではなく、ＢＢＯ結晶やＬＢ４結晶等も必要とする出力等に応じて利用することができる。

（発明の効果）
以上説明したように本発明によれば、次の顕著な効果を得ることができる。
（１）第１のレーザー発振器として、波長４５０ｎｍ〜５４０ｎｍで発振するレーザー発振器、例えば、数Ｗ出力の装置が一般に市販されているアルゴンイオンレーザー発振器等を用いることができる。その基本波を非線形光学結晶で第２高調波に変換することにより、第２の波長（例えば２２５ｎｍ〜２７０ｎｍ）で最大１Ｗ程度の紫外光を発生させることができる。したがって、波長２６６ｎｍの紫外光を発するＮｄ：ＹＡＧレーザーの第４高調波やチタンサファイアレーザー光の高調波発生等に比して、より簡素な構成でかつ安定して和周波混合に必要な光を発生させることができる。

（２）第３の波長（例えば１０００ｎｍ〜１１００ｎｍ）のレーザー光を発生させる第２のレーザーとしては、例えば、波長変換に適した低広がり角で１０Ｗ以上の高出力も容易に得られるＮｄ：ＹＡＧレーザー発振器等を使用することができる。よって、第２の非線形光学結晶による第２の波長の紫外光との和周波混合においては、第２のレーザー発振器として半導体レーザーやチタンサファイアレーザーを用いる場合に比してより高出力の紫外光を発生させることができる。

（３）和周波混合用結晶である第２の非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶の他にＣＬＢＯ結晶を用いることができる。ＣＬＢＯ結晶は、ＢＢＯ結晶より短波長の吸収端が短いので、第２の非線形光学結晶としてＣＬＢＯ結晶を用いることにより、より高出力な２００ｎｍ近傍の紫外光を発生させることができる。

（４）従来の和周波混合による２００ｎｍ近傍の紫外光発生装置に比して簡素な装置構成であるため、メンテナンスが容易である。また、比較的高出力のレーザー光源で構成するため、連続発振出力も可能である。

本発明の第１の実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。 非線形光学結晶での波長分散による屈折角の違いの例を示す図である。 本発明の第５の実施形態による波長変換装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ レーザー発振器
２ 非線形光学結晶
３ レーザー発振器
６ 非線形光学結晶
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 反射部材
１１ 光検出器
１２ 制御器
１３ アクチュエータ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ 反射部材
１４ａ′、１４ｂ′、１４ｃ′ 反射部材
１５ 光検出器
１６ 制御器
１７ アクチュエータ
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ 反射部材
１９ 光検出器
２０ 制御器
Ｌ１ 第１波長光
Ｌ２ 第２波長光
Ｌ３ 第３波長光
Ｌ４ 第４波長光

Claims (1)

1. 連続発振出力の波長が４８８ｎｍの第１波長のレーザー光を発生するアルゴンイオン
   レーザー発振器と、
   第１波長のレーザー光を波長変換して連続発振出力の波長が２４４ｎｍの第２波長の
   光を発生する第１の非線形光学結晶と、
   連続発振出力の波長が１０３０ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の第３波長のレーザー光を
   発生するＹｂファイバーレーザーないしファイバー増幅器と、
   第２波長の光と第３波長のレーザー光とを和周波混合して連続発振出力の波長が１９７．３ｎｍ以上１９９．７ｎｍ以下の第４波長の光を発生する第２の非線形光学結晶と、
   を有し、
   第２の非線形光学結晶にＣＬＢＯ結晶を用いたことを特徴とする波長変換装置。

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