JP2007133310A

JP2007133310A - パルス多重化波長変換光学系

Info

Publication number: JP2007133310A
Application number: JP2005328630A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Oshita; 善紀尾下
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】従来周波数変換時に捨てられていた光を利用してパルスの多重化を行うことにより、効率の良いパルス多重化波長変換光学系を提供する。
【解決手段】５倍波発生光学素子３から放出されてダイクロイックミラー６で反射された３倍波と、２倍波発生光学素子３から発生してハーフミラー４で分割された２倍波の１部は、光遅延回路８でタイミングを同一とされ、光遅延回路９で遅延され、ミラー１０で反射された後、ダイクロイックミラー１１で反射されて、ダイクロイックミラー６を透過した５倍波と同一光路とされる。これら２倍波と３倍波が５倍波発生光学素子１２に入ると新たに５倍波が発生する。５倍波発生光学素子５で発生した５倍波のパルス列の中央に、５倍波発生光学素子１２で発生した５倍波のパルス列が来るように、光遅延回路９を調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス多重化波長変換光学系に関するものである。

固体紫外レーザ装置としては、半導体レーザから放出されるレーザ光を、非線形光学素子を用いて高調波に波長変換することにより紫外光を形成して利用するものが、一般的に用いられている。

一例として、波長1547nmの半導体レーザの光を、ファイバーアンプや半導体アンプなどで増幅し、その増幅した1547nmの基本波を、波長変換光学系により８倍波に波長変換し193nmの光を得るものがある。ここでは、具体的なレーザ装置の構成の説明は行わないが、例えば特開２０００−２００７４７号公報（特許文献１）等に記載されて公知となっている。

特開２０００−２００７４７号公報

これらのレーザ光源を使用する装置のうち、半導体検査装置等においては、繰り返し周波数が高いレーザ光が要求される。繰返し周波数を上げる１つの方法は、種光となるレーザーの繰返し周波数を増加する方法である。しかし、光ファイバーを用いた光増幅装置（ＥＤＦＡ）では、種光となるレーザの繰返し周波数の増加に伴い増幅率が低下し、各パルス光のピークパワーが低下してしまう。

繰り返し周波数を上げる他の方法として、ビームスプリッタなどを用いて光を分割し、分割した光の一方を遅延させることによるパルス多重化の方法が考えられる。しかしこの方法では、多重化毎にパワーが半減し、例えば1つのパルスを８個のパルスに多重化するとき、個々のパルスは１／６４、全パワーは１／８のパワーになってしまうという問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、従来周波数変換時に捨てられていた光を利用してパルスの多重化を行うことにより、効率の良いパルス多重化波長変換光学系を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、第１の周波数を有する第１の光を発生する第１の光源と、第２の周波数を有する第２の光を発生する第２の光源と、前記第２の光を２つに分割するビームスプリッタと、分割された前記第２の光の一方と前記第１の光とを同一光路に合成する第１のダイクロイックミラーと、前記第１のダイクロイックミラーにより同一光路に合成された前記第１の光の一部を、それらの周波数の和の周波数を有する第３の光に変換する第１の周波数変換素子と、分割された前記第２の光の他方を遅延させる第１の光遅延器と、前記第１の周波数変換素子から放出される、前記第３の光と前記第１の光を分離する第２のダイクロイックミラーと、前記第２のダイクロイックミラーで分離された前記第１の光と、前記第１の光遅延器から放出される光とを同一光路に合成する第３のダイクロイックミラーと、前記第３のダイクロイックミラーにより同一光路に合成された光を遅延する第２の光遅延器と、前記第２のダイクロイックミラーにより分離された第３の光と、前記第２の光遅延器から放出される光とを同一光路に合成する第４のダイクロイックミラーと、前記第４のダイクロイックミラーにより同一にされた光路から入射する前記第１の光と前記第２の光の一部を、それらの周波数の和の周波数を有する第３の光に変換する第２の周波数変換素子とを有することを特徴とするパルス多重化波長変換光学系である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であってビームスプリッタの光分配率が変化可能とされていることを特徴とするものである。

本発明によれば、従来周波数変換時に捨てられていた光を利用してパルスの多重化を行うことにより、効率の良いパルス多重化波長変換光学系を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態であるパルス多重化波長変換光学系において、異なる波長で同一繰り返し数を持つ２つのパルス列から、それらの和の周波数を持つ、繰り返し数が２倍のパルス列を形成する光学系の例を示す図である。本実施の形態に係るパルス多重化波長変換光学系は、後述する図２に示す波長変換光学系の一部（破線で囲まれた部分）と置き換えて使用される。この例においては、３倍波発生光学素子から出力される１つのパルスと、２倍波発生光学素子から出力される１つのパルスを合成して、５倍波のパルスを２つ形成するものである。図１に示す光学系は、例えば図２に示されるような波長変換光学系の一部として使用される場合もあり、単独で使用される場合もある。この例においては、２倍波発生光学素子、３倍波発生光学素子を光源と見なしており、特許請求の範囲及び課題を解決するための手段に言う「光源」とは、このような２次光源をも含むものである。また、このようなｘ倍波発生光学素子は、従来周知のものと変わるところが無く、ＰＰＬＮ、ＬＢＯ、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ等の非線形結晶を使用して実現できる。

第１の光源である３倍波発生光学素子１から発生した３倍波３ωは、ダイクロイックミラー２を透過する。第２の光源である２倍波発生光学素子３から発生した２倍波２ωは、ハーフミラー等のビームスプリッタ４で２つに分割され、その一方がダイクロイックミラー２で反射されて、３倍波発生光学素子１から放出された３倍波３ωと光路を同一にされると共に、パルスのタイミングが一致するように、その発生タイミングや光路長が調整される。

このようにして、重なり合って５倍波発生光学素子５に入射した２倍波２ωと３倍波３ωから５倍波５ωが合成されるが、３倍波３ωの一部が変換されずに残り、５倍波５ωと共に放出される。これらのうち５倍波５ωは、ダイクロイックミラー６を透過し、３倍波３ωは、ダイクロイックミラー６で反射される。

一方、ハーフミラー等のビームスプリッタ４で分割された残りの２倍波２ωは、光遅延回路８を通り、ダイクロイックミラー７を透過する。ダイクロイックミラー６で反射された３倍波３ωは、ダイクロイックミラー７でも反射され、ダイクロイックミラー７を透過した２倍波２ωと光路を同一にされる。光遅延回路８は、２倍波２ωを遅延させ、ダイクロイックミラー７に入射してくる３倍波３ωと同一タイミングとするためのものである。これにより、ダイクロイックミラー７を出力した２倍波２ωと３倍波３ωは、光路とタイミングが重なり合ったものとなる。これらの光は、光遅延回路９を通った後、ミラー１０で反射され、ダイクロイックミラー１１でも反射される。ダイクロイックミラー６を透過した５倍波５ωはダイクロイックミラー１１をも透過する。そして、５倍波５ωと、重なり合った２倍波２ω、３倍波３ωの光路が同一となる。

光遅延回路９を調節し、５倍波５ωのパルス列のパルス間の中央に、重なり合った２倍波２ω、３倍波３ωのパルスが位置するようにする。ダイクロイックミラー１１を通った光は、５倍波発生光学素子１２に入るが、このとき、重なり合った２倍波２ω、３倍波３ωから新たに５倍波５ωが発生し、もともとあって入射した５倍波５ωはそのまま透過する。よって、５倍波発生回路１２から発生する５倍波のパルスは、光源のパルス１つに対して２つとなり、光源の２倍の周波数を有する５倍波を形成することができる。

５倍波発生光学素子５で形成される５倍波５ωの波高値と、５倍波発生光学素子１２で形成される５倍波の波高値は必ずしも一致しない。これを一致させるために、ビームスプリッタ４の反射率と透過率を調整する。ビームスプリッタ４の反射率を高くすると、５倍波発生光学素子５に供給される２倍波２ωが多くなり、それに伴って発生する５倍波５ωの量が多くなって、残る３倍波３ωの量が少なくなると共に、ビームスプリッタ４を透過する２倍波２ωの量も少なくなるので、５倍波発生光学素子５で発生する５倍波５ωの波高値が高く、５倍波発生光学素子１２で発生する５倍波５ωの波高値が低くなる。ビームスプリッタ４の反射率を低くすると逆の現象が起こる。よって、調節により、５倍波発生光学素子５で形成される５倍波５ωの波高値と、５倍波発生光学素子１２で形成される５倍波の波高値を一致させることができる。

このようにビームスプリッタ４の光の分配率（出射する２つの光の強度の比）を調節することにより、最終的に出力される２系列の光パルスのパルス高さを同一にすることができる。ビームスプリッタ４の光の分配率を変えるには、たとえば、反射率の異なるハーフミラーを複数枚用意し、これらを切り換えて使用できるような構成としておき、最適なものを適宜選択して使用するようにすればよい。発生する２系列のパルスの波高値を観察し、これらを同一にするように、ビームスプリッタ４の光の分配率を調節するような、自動制御を行うことも考えられる。

図１に示すような光学系においては、従来捨てていた光を、別の５倍波を形成するために使用しているので、光の有効利用が図れ、周波数を倍にしても、パルスの高さはあまり小さくならない。

又、図１においては、３倍波と２倍波から５倍波を形成する例について説明したが、倍波の関係はこれに制限されるものではない。例えば、７倍波と基本波から８倍波を発生させる光学系も、図１における３倍波を７倍波、２倍波を基本波と読み替えるだけで、同様にパルスの多重化を実現することができる。このように、図１に示す光学系は、２つの異なる周波数の光を発生する光源から、その和の周波数を有する光を形成する光学系に適用することができる。

その光学系の例を、図２を用いて説明する。ＥＤＦＡ３１によって増幅された周波数ωの基本波は、非線形光学結晶（ＮＬＣ）を用いた波長変換素子３２に入射し、波長変換素子３２からは、基本波ωとその２倍の周波数を持つ２倍波２ωが放出される。これらは、ミラー３３で反射され、ＮＣＬを用いた波長変換素子３４に入射し、波長変換素子３４からは基本波の３倍の周波数を持つ３倍波３ωが放出される。

ＥＤＦＡ３５によって増幅された周波数ωの基本波は、ＮＬＣを用いた波長変換素子３６に入射し、波長変換素子３６からは、基本波ωと２倍波２ωが放出される。これらの基本波ωと２倍波２ωは、ダイクロイックミラー３７を透過する。一方、波長変換素子３４から放出された３倍波３ωは、ダイクロイックミラー３７で反射され、これにより、ダイクロイックミラー３７を透過した基本波ω、２倍波２ωと、３倍波３ωが同一光路上を進行する。そして、ＮＬＣを用いた波長変換素子３８に入射し、２倍波２ωと３倍波３ωとから、基本波の５倍の周波数を有する５倍波５ωが形成される。

ＥＤＦＡ３９によって増幅された周波数ωの基本波は、ミラー４０で反射され、ダイクロイックミラー４１を透過する。一方、ＥＤＦＡ４２によって増幅された周波数ωの基本波は、ＮＬＣを用いた波長変換素子４３に入射し、波長変換素子４３からは、基本波ωとその２倍の周波数を持つ２倍波２ωが放出される。このうち、２倍波２ωはダイクロイックミラー４１で反射され、ダイクロイックミラー４１を透過した基本波ωと同一光路となり、ダイクロイックミラー４４を透過する。

波長変換素子３８で発生した５倍波５ωは、ダイクロイックミラー４４で反射されダイクロイックミラー４４を透過した基本波ω、２倍波２ωと同一光路となり、ＮＬＣを用いた波長変換素子４５に入射し、ここで５倍波５ωと２倍波２ωが合成されて、基本波の７倍の周波数を有する７倍波７ωが発生する。この７倍波７ωは、ＮＬＣを用いた波長変換素子４６に入射し、波長変換素子４５を透過した基本波ωと合成されて基本波の８倍の周波数を有する８倍波８ωが形成される。

本発明の実施の形態であるパルス多重化波長変換光学系において、異なる波長で同一繰り返し数を持つ２つのパルス列から、それらの和の周波数を持つ、繰り返し数が２倍のパルス列を形成する光学系の例を示す図である。本発明の実施の形態のパルス多重化波長変換光学系が用いられる、波長変換光学系の例を示す図である。

符号の説明

１…３倍波発生回路、２…ダイクロイックミラー、３…２倍波発生光学素子、４…ビームスプリッタ、５…５倍波発生光学素子、６…ダイクロイックミラー、７…ダイクロイックミラー、８…光遅延回路、９…光遅延回路、１０…ミラー、１１…ダイクロイックミラー、１２…５倍波発生光学素子

Claims

第１の周波数を有する第１の光を発生する第１の光源と、第２の周波数を有する第２の光を発生する第２の光源と、前記第２の光を２つに分割するビームスプリッタと、分割された前記第２の光の一方と前記第１の光とを同一光路に合成する第１のダイクロイックミラーと、前記第１のダイクロイックミラーにより同一光路に合成された前記第１の光の一部を、それらの周波数の和の周波数を有する第３の光に変換する第１の周波数変換素子と、分割された前記第２の光の他方を遅延させる第１の光遅延器と、前記第１の周波数変換素子から放出される、前記第３の光と前記第１の光を分離する第２のダイクロイックミラーと、前記第２のダイクロイックミラーで分離された前記第１の光と、前記第１の光遅延器から放出される光とを同一光路に合成する第３のダイクロイックミラーと、前記第３のダイクロイックミラーにより同一光路に合成された光を遅延する第２の光遅延器と、前記第２のダイクロイックミラーにより分離された第３の光と、前記第２の光遅延器から放出される光とを同一光路に合成する第４のダイクロイックミラーと、前記第４のダイクロイックミラーにより同一にされた光路から入射する前記第１の光と前記第２の光の一部を、それらの周波数の和の周波数を有する第３の光に変換する第２の周波数変換素子とを有することを特徴とするパルス多重化波長変換光学系。
前記ビームスプリッタの光分配率が変化可能とされていることを特徴とする請求項１に記載のパルス多重化波長変換光学系。