JP2009053597A - 光波長変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の調整が簡便で、高効率で真空紫外光を発生させることが可能な光波長変換装置を提供する。
【解決手段】 レーザ３が出力する波長１０６４ｎｍのパルス光を、高調波発生器５、９で３５４．７ｎｍに変換し、ＯＰＯ３０、４０に入力してパラメトリック発振を行う。ＯＰＯ３０側からは、高調波発生器５３を経て波長２０５〜２３５ｎｍの光λ５、ＯＰＯ４０側からは、１９８８〜２０９０ｎｍの光λ６が出力され、和周波発生部９０に入力される。和周波発生部９０では、入力された光をＬＢＯ結晶８２で和周波混合し、真空紫外光を出力する。このとき、ＬＢＯ結晶８２は、入射光λ５、λ６の光路方向と光学的弾性軸のｚ軸が一致している。また、光λ５、λ６は、ＬＢＯ結晶８２の位相整合条件がθ＝φ＝０となるように選択されており、装置の調整が簡便であるとともに、高効率で波長変換を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は光波長変換装置に関する。

現在用いられている様々な電子機器は、高性能化と共に小型化が求められているものが多い。このような要求に伴い、高密度の集積回路の必要性が重要なものとなっている。高密度の集積回路を作成するためには、パターニングに用いる波長の短い真空紫外光を高効率で発生させることが不可欠である。

真空紫外光を発生させる例として、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５）の結晶を用いた周波数変換器により、２００ｎｍより短い波長のコヒーレントな放射を得られる例がある。この周波数変換器では、三ホウ酸リチウムの結晶に、ネオジウム：ヤグ（Ｎｄ−ＹＡＧ）レーザ光の第５高調波である２１３ｎｍの紫外線レーザ光と、他の何らかの光源から得られた１２００〜２６００ｎｍの光を入射して、和周波混合により１８１〜１９７ｎｍの真空紫外光を発生させる。（例えば、特許文献１参照）。

また、チタン：サファイアレーザと四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）の結晶を用いて真空紫外光を発生させる例がある。この例では、チタン：サファイアレーザを７５６〜８４０ｎｍの範囲で発振させ、出力光を２分した後、一方でパラメトリック増幅を行って１６００〜２５００ｎｍの波長の光を発生させ、他方で第４高調波１８９〜２１０ｎｍを発生させて、共に四ホウ酸リチウム結晶に入射させる。これを四ホウ酸リチウム結晶で和周波混合して、１７０．７５〜１８３．８ｎｍの真空紫外光を発生させている。（例えば、非特許文献１参照）。

他の方法として、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの出力から、第５高調波２１３ｎｍの光と、パラメトリック発振器による２０９０ｎｍの光とを発生させ、共にＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０結晶に入射させ、これらを和周波混合して、１９３ｎｍの光を発生させる例がある。（例えば、非特許文献２参照）。
特公平７−５８３７８号公報 V.Petrov et al.、 J.Appl.Phys.、 vol.84(1998)、 5887、 "Vacuum ultraviolet application of Li2B4O7 crystals: Generation of 100fs pulses down to 170nm" .、 Max-Born-Institute、 三菱マテリアル 出来恭一ら、 レーザー研究、 第２７巻（１９９９） ８月号、 ｐ５２５、 "ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０結晶(ＣＬＢＯ)を用いた１９３ｎｍ光源の開発"、 ウシオ総合技術研究所、 大阪大学

しかしながら、特許文献１に記載の例では、三ホウ酸リチウムの結晶に入射する光の波長を変化させるたびに、光の入射方向に対して結晶の角度を変えて位相整合させなければならない。その際の許容角度は、例えば０．１度程度であり、調整が非常に困難である。また、上記のような波長の組み合わせでは、出力される波長が短くなるほど特性上有効非線形定数が小さくなり、発光効率が低下してしまう。

非特許文献１に記載の例でも、入射波長に合わせて四ホウ酸リチウムの結晶に入射する光の入射方向に対して結晶の角度を変えるように、結晶を回転して位相整合させなければならず、調整が困難である。また、波長によっては入射角度が９０度のときに位相整合となってウォークオフがゼロとなるが、全波長領域でウォークオフゼロかつ有効非線形定数が最大となるわけではない。さらに、光源として用いられるチタンサファイアレーザは、フェムト秒単位のパルス発振を行うタイプでバンド幅が２０〜３０ｎｍ程度あり、最終的に得られる真空紫外光のバンド幅を狭くすることができない。

非特許文献２に記載の例では、１９３ｎｍという固定波長の発生のみを想定しているが、入射光の波長を可変させれば波長可変の光の発生が可能である。入射光の波長を可変させるにはパラメトリック発振器からの発振波長を変えればよいが、第５高調波の波長が一定であるので、やはり入射光の方向に対して結晶を回転させて位相整合させなければならず、調整が困難である。さらに、この例ではＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０結晶の位相整合角がウォークオフをゼロにする角度になっていないため、発光効率が低下してしまう。

そこで本発明は、装置の調整が簡便で、高効率で真空紫外光を発生させることが可能な光波長変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、第１波長の第１光及び第２波長の第２光の入射に応じて光周波数混合により第１光、第２光、及び第３波長の第３光を出射する非線形光学媒質と、第１光及び第２光を非線形光学媒質に入射する光入力手段と、非線形光学媒質の出射光から第３光を選択的に出力する出力光選択手段と、を有し、第１波長および第２波長は、得ようとする第３波長との関係において非線形光学媒質の位相整合条件を一定とするように選定されることを特徴とする光波長変換装置である。

このような構成によれば、光入力手段は、位相整合条件が一定の状態で所望の波長の第３光を得るための第１光及び第２光を非線形光学媒質に入力する。非線形光学媒質は、第１光及び第２光の入射方向に対し固定されている。出力光選択手段は、第３光を出力する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光波長変換装置において、光入力手段は、パルス光を出力する励起光源と、パルス光を２分する分波手段と、分波手段の一方の出力を波長変換して第１光を生成する第１波長変換手段と、分波手段の他方の出力を波長変換して第２光を生成する第２波長変換手段と、を有することが好ましい。

このような構成によれば、光入力手段は、同一光源から生成した第１光及び第２光を、非線形光学媒質へ入力する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の光波長変換装置において、非線形光学媒質は、三ホウ酸リチウム結晶であり、その光学的弾性軸をｘ軸、ｙ軸及びｚ軸、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸それぞれに対応する屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚ（ｎｘ＜ｎｙ＜ｎｚ）とするとき、第１光及び第２光の非線形光学結晶内での進行方向はｚ軸方向とすることができる。

このような構成によれば、入射光の進行方向が、非線形光学結晶の光学的弾性軸と一致するため、常光と異常光とが同一の光路で結晶内を伝播する。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光波長変換装置において、第１光は、ｘ軸方向の偏光方向を有する直線偏光、第２光は、ｙ軸方向の偏光方向を有する直線偏光であることが好ましい。

このような構成によれば、光入力手段が入力する上記第１光及び第２光に対し、有効非線形定数が最大となる。

請求項１に記載の光波長変換装置によれば、第１波長及び第２波長を、得ようとする第３波長との関係において位相整合条件を一定とするように選択して非線形光学媒質に入力するので、高密度の集積回路のパターニング等に適する、波長の短い真空紫外光を発生させることが可能となる。また、位相整合条件を変化させる必要がないので、光波長変換装置の調整が簡便である。

請求項２に記載の光波長変換装置によれば、第１光及び第２光を非線形光学媒質へ入力するタイミングを合致させることが容易になり、出力効率を向上させることができる。また、第１波長及び第２波長のいずれの波長も変えることが可能である。よって第１波長及び第２波長を位相整合条件を一定とするように選択して、所望の第３波長の光を発生させることができる。

請求項３に記載の光波長変換装置によれば、第１光及び第２光の入射方向を光学的弾性軸と一致させると、ウォークオフ角がゼロになり、結晶長全体に亘って波長変換の効果があり、より高効率の光波長変換装置となる。また、出射光のビームパターンが理想的に保持され、微細加工等に用いるために好適な光源となる。

請求項４に記載の光波長変換装置によれば、入射光をｘ軸方向およびｙ軸方向に偏光方向を有する直線偏光としているので、有効非線形定数を常に最大とすることが可能になるとともに、利用可能な入射光の波長の全範囲において出力光の高い発生効率を保持できる。

（第１の実施の形態）

以下、本発明の第１の実施の形態を図１から図７を参照して説明する。図１に示すように、第１の実施の形態による光波長変換装置１は、レーザ３、高調波発生器５、９、パラメトリック発振器（以下、ＯＰＯという）３０、４０、波長制御部５１、高調波発生器５３、及び和周波発生部９０を有している。レーザ３、高調波発生器５、９、ＯＰＯ３０、４０、波長制御部５１、高調波発生器５３は、得ようとする出力光の波長に応じた２種類の異なる波長の光を生成する光入力手段となっており、和周波発生部９０は、生成された２種類の異なる波長の光を変換して、所望の波長の光を出力している。また、光波長変換装置１において、波長の選択、光路の変更、光の分配、光路および光路長の調整等のため、フィルタ１３、ハーフミラー１５、ガラス板１７、６９、ミラー１９、７１、７３及び遅延光路６０を用いている。図中の波長λ１〜λ７は、それぞれの箇所での光の波長または光そのものを表すが、詳細は後述する。

以下、光波長変換装置１の構成を詳細に説明する。ここで、図１および図３においては、光波長変換装置１の光学系を鉛直方向上方から見た図として示している。以下、光学系に対して鉛直方向に相当する方向、すなわち図１、図３において紙面に垂直な方向をｐ軸、和周波発生部９０からの出射光の光路の方向にほぼ平行な紙面内の水平方向をｒ軸、ｐ軸、ｒ軸に直交する方向をｑ軸ということにする。

図１に示すように、レーザ３は、Ｑスイッチ、ネオジウム：ヤグ（Ｎｄ−ＹＡＧ）レーザで、発振波長λ１＝１０６４ｎｍ、エネルギは１パルスあたり６００ｍＪ、パルス幅７ｎｓ、繰り返し１０Ｈｚの励起光源である。

高調波発生器５は、レーザ３の出力光の光路上に備えられている。高調波発生器５は、β―ＢａＢ_２Ｏ_４結晶（以下、ＢＢＯ結晶という）７を有しており、波長λ１の光が入射すると、その入射光の一部と、第２高調波、すなわち入射光の１／２の波長λ２＝λ１／２＝５３２ｎｍの光とを、ほぼ入射光の光路の延長上に出射する第２高調波発生器（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＳＨＧ）である。ＢＢＯ結晶７は、入射光の波長λ１に応じて位相整合する角度（例えば、切り出し面の法線がθ＝２２．９°、φ＝０°）にカッティングされている。ここで、結晶の光学的弾性軸をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸(以下、単にｘ軸、ｙ軸、ｚ軸という)とするとき、角度θは、注目する方向成分がｚ軸となす角度、角度φは、注目する方向成分のｘｙ平面への投影成分がｘｙ平面内においてｘ軸となす角度をいう。

高調波発生器９は、高調波発生器５の出射光の光路上に備えられている。高調波発生器９は、ＢＢＯ結晶１１を有している。高調波発生器９は、高調波発生器５から出射された波長λ１の光（以下、光λ１という。以下同様）とその第２高調波（光λ２）とが入射し、それらの入射光の一部と、入射光の和周波混合による波長λ１の第３高調波（波長λ３＝λ１／３＝３５４．７ｎｍの光λ３）とを、ほぼ入射光の光路の延長上に出射する第３高調波発生器（Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＴＨＧ）である。ＢＢＯ結晶１１は、光λ１及び光λ２に対し位相整合する角度（切り出し面の法線がθ＝３２．９°、φ＝０°）にカッティングされている。

フィルタ１３は、高調波発生器９の出射光の光路上に、光路に対し約４５度の角度に配置されている。フィルタ１３は、多層膜で構成され、３５４．７ｎｍの波長の光を反射し、５３２ｎｍおよび１０６４ｎｍの波長の光を透過する波長選択素子である。このため、フィルタ１３は、高調波発生器９からの出射光である光λ１、光λ２および光λ３のうち、光λ３を反射し、光λ１及び光λ２を透過させる。

吸収体１４は、フィルタ１３の透過光の光路上に設けられ、光λ１および光λ２を吸収する。

ハーフミラー１５は、フィルタ１３の反射光の光路上に、光路に対し約４５度の角度に配置されている。ハーフミラー１５は、光λ３の約半分を反射し（光λ３Ａ）、それ以外（光λ３Ｂ）を透過する分波手段である。ここで、波長λ３Ａ＝λ３Ｂ＝λ３である。

ガラス板１７は、ハーフミラー１５の透過光の光路上に設けられている。ガラス板１７は、光λ３がハーフミラー１５を透過することで生ずる光路のずれを補正する光路補正素子である。ガラス板１７は、光λ３Ｂの光路に対して所定の角度に配置され、ガラス板１７の透過光の光路とハーフミラー１５の入射側の光路とが一直線上になるように補正する。

ミラー１９は、ガラス板１７の透過光の光路上に、光路に対して約４５度の角度に配置されている。ミラー１９は、ガラス板１７の透過光である光λ３Ｂを全反射する全反射ミラーである。

パラメトリック発振器３０は、共振器ミラー３１、３４、回転台３２、ＢＢＯ結晶３３、回転台３５、ガラス体３６、フィルタ３７を有している。

共振器ミラー３１は、ハーフミラー１５の反射光の光路上に、光路に垂直に備えられている。共振器ミラー３１は、波長３５４．７ｎｍの光に対し９０％以上の透過率を持ち、約４１０〜２１００ｎｍの光に対し５０％前後の反射率を持つミラーである。

ＢＢＯ結晶３３は、共振器ミラー３１の出力側に配置されている。ＢＢＯ結晶３３は、回転台３２に載置され、共振器ミラー３１からの出力光の光路上の一点を回転中心として、図１の紙面内で回転可能に備えられている。ＢＢＯ結晶３３は、光λ３Ａが入射すると、入射光の一部と、ＢＢＯ結晶の光学的弾性軸に対する入射光の角度に応じた波長のシグナル光及びアイドラ光を出射する。出射光の詳細については後述する。

共振器ミラー３４は、ＢＢＯ結晶３３の出力側の光路上に共振器ミラー３１と互いに平行に対向して備えられている。共振器ミラー３４は、波長３５４．７ｎｍの光に対し９０％以上の透過率を持ち、約４１０〜２１００ｎｍの光に対し５０％前後の反射率を持つミラーである。共振器ミラー３４は、共振器ミラー３１との間で共振器を構成し、ＢＢＯ結晶３３から出射されるシグナル光及びアイドラ光を増幅する。

ガラス体３６は、共振器ミラー３４の出力側の光路上に配置されている。ガラス体３６は、回転台３５に載置され、共振器ミラー３４からの出力光の光路上の一点を回転中心として紙面内で回転可能に備えられている。ガラス体３６は、回転台３５の回転により光路に対し所定の角度に調整され、共振器ミラー３１への入射光の光路と、ガラス体３６の透過光の光路とが一直線上になるように補正する光路補正素子である。

フィルタ３７は、多層膜で構成され、ガラス体３６の透過光の光路上に備えられ、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長の光を透過し、３５４．７ｎｍの波長の光を吸収する波長選択素子である。このため、フィルタ３７は、後述するように、４１０〜４７０ｎｍの波長範囲内の波長を有するシグナル光λ４を透過し、１９８８〜２０９０ｎｍの波長範囲内の波長を有するアイドラ光及び波長３５４．７ｎｍの入射光λ３を吸収または反射する。

回転台３２、３５は、ステッピングモータ、あるいはエンコーダつきのサーボモータを搭載した回転テーブルであり、波長制御装置５１により回転を制御されている。回転台３２、３５により、ＢＢＯ結晶３３及びガラス体３６は、紙面内で光路に対し任意の角度に設置することができる。このとき回転台３２、３５は、連動して互いに逆方向に同一角度回転するように構成することが好ましい。

ＯＰＯ３０は、以上のような構成により、光λ３Ａを入力されて４１０〜４７０ｎｍの波長範囲内の波長λ４のシグナル光λ４を出力する、第１波長変換手段である。出力される光λ４の波長は、ＢＢＯ結晶３３の入射光路に対する角度に依存する。

パラメトリック発振器４０は、パラメトリック発振器３０と同様の構成の共振器ミラー３１、３４、回転台３２、ＢＢＯ結晶３３、回転台３５、ガラス体３６を有しており、フィルタ３７に替えてフィルタ４７を備えている。ＯＰＯ４０は、ミラー１９の反射光の光路上に備えられている。

フィルタ４７は、多層膜で構成され、ガラス体３６の透過光の光路上に備えられ、８００ｎｍ以上の波長の光を透過し、３５４．７ｎｍの波長の光を吸収する波長選択素子である。このため、フィルタ４７は、後述するように、波長１９８８〜２０９０ｎｍのアイドラ光λ６を透過し、波長４２７〜４３２ｎｍのシグナル光及び波長３５４．７ｎｍの入射光λ３Ｂを吸収または反射する。

ＯＰＯ４０は、以上のような構成により、光λ３Ｂを入力されて１９８８〜２０９０ｎｍの波長範囲内の波長λ６のアイドラ光λ６を出力する、第２波長変換手段である。出力される光λ６の波長は、ＢＢＯ結晶３３の入射光路に対する角度に依存する。

ここで、図２を参照しながら、ＢＢＯ結晶３３への入射光路の角度θと、出射されるシグナル光及びアイドラ光の波長λ４、λ６との関係について説明する。ＢＢＯ結晶３３は、光学的弾性軸ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対する屈折率ｎｘ、ｎｙ、ｎｚを、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚとし、例えば波長１０６４ｎｍのとき、ｎｘ＝ｎｙ＝１．６５５１、ｎｚ＝１．５４２５である。ＢＢＯ結晶３３は、ｚ軸を法線とする平面を端面とするようにカッティングされているとする。ＢＢＯ結晶３３は、ｚ軸がｑｒ平面に平行な面内にあるように回転台３２に載置し、回転台３２の回転に応じて入射光路の角度θ、すなわち、入射光の光路とＢＢＯ結晶３３のｚ軸とのなす角θを変化させる。この角度θに対する出射光の波長を示したものが図２である。

図２において、横軸が角度θ、縦軸が出射光λ４、λ６の波長である。図２に示すように、角度θが約２３〜３３度の範囲で、各角度に対し実質的に２種類ずつの波長の光が出射する。このとき、波長が短い方をシグナル光、長い方をアイドラ光という。詳しくは後述するが、光波長変換装置１の出力として真空紫外光を得るために、ＯＰＯ３０では、ＢＢＯ結晶３３のｚ軸と入射光のなす角度θが約２３〜２９度になるように調整して４１０〜４７０ｎｍの範囲内の波長のシグナル光λ４を出射させ、ＯＰＯ４０では、ＢＢＯ結晶３３のｚ軸と入射光のなす角度θが約２６〜２７度になるように調整して１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長のアイドラ光λ６を出射させる。ここで、ＢＢＯ結晶３３としては、出射するシグナル光およびアイドラ光が同一の偏光方向となるタイプ１の波長変換を行うものを用いている。

図１に戻って、高調波発生器５３は、ＯＰＯ３０の出力側の光路上に備えられ、ＢＢＯ結晶５５を有している。ＢＢＯ結晶５５は、ｚ軸に対し法線が所定の角度θ(例えば、θ＝７５°、φ＝０°)をなす平面を端面に持つようにカッティングされている。また、ＢＢＯ結晶５５は、紙面に平行なｑ−ｒ面内で回転可能な回転台（図示せず）に載置され、入射光λ４の光路に対し、ｑ−ｒ面内にあるｚ軸を任意の角度に調整し、入射波長に応じて位相整合がとれるように構成されている。ＢＢＯ結晶５５は、入射面及び出射面に後述する無反射コーティングを施されている。高調波発生器５３は、光λ４が入射すると、光λ４の一部と、波長がλ４の１／２の光λ５を出射する第２高調波発生器である。

フィルタ５７は、多層膜で構成され、高調波発生器５３からの出射光の光路上に設置され、２０５ｎｍ〜２３５ｎｍの波長の光を透過し４１０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長の光を吸収する波長選択素子である。このため、フィルタ５７は、高調波発生器５３からの出射光のうち光λ５を透過する。

遅延光路６０は、ＯＰＯ３０側の光路からの光λ５と、ＯＰＯ４０側の光路からの光λ６との光路長の差を調整して夫々のパルス光の発光のタイミングを合致させるための遅延光路であり、ミラー６１〜６４を有している。ミラー６１〜６４は、光λ５を全反射するミラーであり、夫々入射光の光路に対し約４５度の角度に設置されている。遅延光路６０は、ハーフミラー１３からＯＰＯ３０を経てミラー７３までの光路長と、ハーフミラー１３からＯＰＯ４０を経てミラー７３までの光路長とを等しくするように光路長を調整する。

ガラス板６９は、ミラー６４からの反射光の光路上に、光路に対し所定の角度で設置され、ミラー６１への入射光の光路と、ミラー７３の出力光の光路とが一直線上になるように光路を補正する光路補正素子である。

ミラー７１は、ＯＰＯ４０の出射光λ６の光路に対し、約４５度の角度に設置され、光λ５の光路方向に光λ６を反射する全反射ミラーである。

ミラー７３は、光λ５の光路に対し約４５度の角度に設置され、２０５ｎｍ〜２３５ｎｍの波長の光を透過し１９８８ｎｍ〜２０９０ｎｍの波長の光を全反射するダイクロイックミラーである。このため、ミラー７３は、高調波発生器５５の出射光λ５を透過し、ＯＰＯ４０からの出射光λ６を全反射する。

和周波発生部９０は、本発明の非線形光学媒質を含む和周波混合器８０、及びフィルタ８４を有し、ミラー７３の出射側の光路上に設けられ、光λ５および光λ６が入射している。

和周波混合器８０は、非線形光学媒質として三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶（以下、ＬＢＯ結晶という）８２を有している。ＬＢＯ結晶８２は、光学的弾性軸ｘ、ｙ、ｚ軸における屈折率ｎｘ、ｎｙ、ｎｚをｎｘ＜ｎｙ＜ｎｚとなるように定めると、例えば、波長２６６ｎｍにおいて、ｎｘ＝１．５９７３、ｎｙ＝１．６２８６、ｎｚ＝１．６４４４である。図５に示すように、ＬＢＯ結晶８２は、ｚ軸を法線とする平面を端面に持つようにカッティングされており、入射光λ５、λ６の光路がｚ軸と平行になるように設置されている。よって、ＬＢＯ結晶８２のｘ軸およびｙ軸は、入射光の光路に対し垂直であり、かつｘ軸が図１の紙面に垂直なｐ軸と平行になるように配置されている。また、切断面は研磨され、さらに後述する無反射コーティングが施されている。

和周波混合器８０には光λ５と光λ６とが入射し、それら入射光と和周波混合による光λ７（ここで、１／λ７＝１／λ５＋１／λ６）とを、入射光の光路とほぼ一直線上に出射する。

フィルタ８４は、多層膜で構成され、１８６．７ｎｍ〜２１０ｎｍの波長の光を透過し２１０ｎｍ超〜２３５ｎｍおよび１９８８〜２０９０ｎｍの波長の光を吸収するための波長選択手段である。このため、フィルタ８４は、和周波混合器８０の出射光のうち、光λ７を透過し、光λ５および光λ６を吸収する出力光選択手段として機能する。

次に、第１の実施の形態による光波長変換装置１の動作を説明する。

レーザ３は、波長λ１＝１０６４ｎｍで、図１のｑ軸に平行な偏光方向の直線偏光のパルス光λ１(以下、単に光λ１という)を出力する。光λ１は、図示しない半波長板により偏光方向を調整され、高調波発生器５のＢＢＯ結晶７に、ｐ軸に平行な偏光方向の直線偏光である常光として入射する。ＢＢＯ結晶７は、和周波混合により光λ１を周波数変換して、光λ１の第２高調波となるｑ軸に平行な直線偏光（異常光）の光λ２（波長λ２＝１０６４÷２＝５３２ｎｍ）を、光λ１の一部と共に出射する。

ＢＢＯ結晶７から出射した光λ１と光λ２とは、図示しない波長板を透過する。このとき光λ１は、波長板の透過後もｐ軸に平行な偏光方向の直線偏光であり、光λ２は偏光方向を調整されてｐ軸に平行な偏光方向の直線偏光となる。よって、光λ１と光λ２とは共に、高調波発生器９のＢＢＯ結晶１１に常光として入射する。

ＢＢＯ結晶１１は、入射光の光λ１および光λ２を和周波混合により周波数変換し、ｑ軸に平行な直線偏光（異常光）の光λ３（λ３＝３５４．７ｎｍ）を光λ１および光λ２の一部と共に出射する。ＢＢＯ結晶１１から出射した光λ１〜光λ３は、フィルタ１３に入射する。フィルタ１３は、光λ１及び光λ２を透過し、光λ３を入射光路に対し約９０度の方向に反射する。フィルタ１３を透過した光λ１および光λ２は、吸収体１４に吸収される。

フィルタ１３で反射された光λ３は、ハーフミラー１５に入射し、入射光の約半分が入射光路に対し約９０度の方向に光λ３Ａとして反射され、他の半分が光λ３Ｂとして透過する。

ハーフミラー１５で反射された光λ３Ａは、ＯＰＯ３０の共振器ミラー３１に入射する。共振器ミラー３１は、光λ３Ａの約９０％を透過する。この透過光λ３Ａは、ｑ軸に平行な偏光方向の直線偏光であり、異常光としてＢＢＯ結晶３３に入射する。

ＢＢＯ結晶３３は、光λ３Ａを励起光として、入射光λ３ＡのＢＢＯ結晶３３に対する入射角度に応じた波長のシグナル光とアイドラ光を出射する。入射角度と出射光の波長とは、光λ３Ａを励起光とした場合、図２を参照して説明したような関係がある。ＢＢＯ結晶３３は、波長制御部５１により回転を制御される回転台に載置されており、入射光λ３Ａに対し、得たいシグナル光の波長λ４に位相整合する角度に調整されている。図２に示すように、例えば、波長λ４として４１０ｎｍを得たい場合には、θは約２３°となる。このように、ＢＢＯ結晶３３への励起光の入射角度を調整することで、得たいシグナル光λ４の位相整合条件を満たすようにする。

共振器ミラー３４は、ＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光とアイドラ光とを約５０％反射し、他を透過する。よってＯＰＯ３０において、共振器ミラー３１、３４間でパラメトリック発振が行われ、所望の周波数のシグナル光λ４と、それに対応するアイドラ光を出力する。すなわち今、ＢＢＯ結晶３３が、位相整合角θ＝２３°、φ＝０°となるように調整されているとすると、シグナル光として波長λ４が約４１０ｎｍの光λ４、アイドラ光としては、波長約２７００ｎｍの光が出力されることになる。ここで出力されるシグナル光λ４及びアイドラ光は、共にｐ軸に平行な偏光方向の直線偏光（常光）となっている。

ＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光λ４及びアイドラ光は、ガラス体３６に入射する。ガラス体３６は、波長制御部５１により制御される回転台３５に載置され、紙面に平行な面内での角度を制御されて、共振器ミラー３１に入射する入射光の光路と一直線上になる方向にシグナル光λ４とアイドラ光とを出射する。このとき、回転台３５は、回転台３２と、互いに逆方向に同一角度回転するように構成され、簡便に光路補正を行えるようになっている。

シグナル光λ４と光λ４に対応するアイドラ光とは、光λ３Ａの光路の延長線方向からフィルタ３７に入射し、シグナル光λ４は透過し、アイドラ光は吸収される。よって、ＯＰＯ３０から、回転台３２の回転角に応じて約４１０〜４７０ｎｍの範囲内の波長を有するシグナル光λ４が出射される。

一方ハーフミラー１５を透過した光λ３Ｂは、ガラス板１７によりハーフミラー１５の入射側の光路と一直線上になるように光路を補正され、ミラー１９により全反射されてＯＰＯ４０の共振器ミラー３１に入射する。この光λ３Ｂは、ｑ軸に平行な偏光方向の直線偏光であり、異常光としてＢＢＯ結晶３３に入射する。

ＢＢＯ結晶３３は、ＯＰＯ３０と同様に光λ３Ｂを励起光として、入射光λ３ＢのＢＢＯ結晶３３に対する入射角度に応じた波長のシグナル光とアイドラ光λ６を出力する。図２に示すように、例えば、波長λ６として２０９０ｎｍを得たい場合には、θは約２６°となる。すなわち今、ＯＰＯ４０においてＢＢＯ結晶３３が、位相整合角θ＝２６°、φ＝０°となるように調整されているとすると、シグナル光として波長が約４４０ｎｍの光、アイドラ光λ６としては、波長約２０９０ｎｍの光が出力されることになる。ここで出力されるシグナル光及びアイドラ光λ６は、共にｐ軸方向の偏光方向の直線偏光（常光）となる。

ＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光及びアイドラ光λ６は、ガラス体３６に入射して光路を調整され、フィルタ４７に共振器ミラー３１に入射する入射光の光路と一直線上になる方向で入射する。フィルタ４７は、シグナル光を吸収し、アイドラ光λ６は透過する。よって、ＯＰＯ４０から、約１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長を有するアイドラ光λ６が出射される。

図３に示すようにＯＰＯ３０から出射した光λ４は、高調波発生器５３のＢＢＯ結晶５５に入射する。ＢＢＯ結晶５５は、ｚ軸に対し所定の角度をなす法線を有する平面でカッティングされており、ｐ軸に平行な直線偏光の常光として光λ４が入射すると、光λ４の一部と、波長がλ４の２分の１の光λ５を出射する。光λ５は、ｑ軸に平行な直線偏光として出射する。

図４に、ＢＢＯ結晶５５の入出射面における透過率の波長依存性を、無反射コーティングの有無に対して示す。図の横軸は入射光の波長、縦軸は透過率である。図４に示すように、入出射面において、無反射コーティング(以下、ＡＲコートという)無しの破線で表した場合には、入射光の波長が約２００〜５５０ｎｍに対してほぼ一定の約８８％の透過率である。ＡＲコートを施した実線で表した場合には、ＢＢＯ結晶５５からの出射光の波長２０５〜２３５ｎｍ、および入射光の波長４１０〜４７０ｎｍの波長範囲で、１００％に近い透過率を示している。これにより、入射光λ４はほぼ１００％、ＢＢＯ結晶に入射し、生成された光λ５はほぼ１００％、ＢＢＯ結晶５５から出射する。

高調波発生器５３から出射した光λ４と光λ５とはフィルタ５７に入射し、光λ４は吸収され、光λ５は透過する。光λ５は遅延光路６０に入射し、ミラー６１〜６４で順次反射され、ガラス板６９でミラー６１への入射光とミラー７３の出力光とが同一直線上になるように光路を調整され、ミラー７３に入射する。

ＯＰＯ４０から出射されたｐ軸に平行な直線偏光の光λ６は、ミラー７１によって全反射されてミラー７３に入射する。このとき、光λ５と光λ６とは遅延光路６０により光路調整され、和周波混合器８０内のＬＢＯ結晶８２でパルスの発光タイミングが同期するように光路調整されている。ミラー７３で光λ５は透過し、光λ６は反射されて、共に実質的に同一の光路を経て和周波発生部９０の和周波混合器８０に入射する。

図３および図５に示すように、和周波混合器８０はＬＢＯ結晶８２を有しており、このＬＢＯ結晶８２に、異常光である光λ５と、常光である光λ６とが入射する。ＬＢＯ結晶８２は、上述したように入射光の光路と平行にｚ軸、ｐ軸と平行な方向にｘ軸が配置されており、入射光の光路とＬＢＯ結晶８２のｚ軸とのなす角θ＝０、入射光の光路とＬＢＯ結晶８２のｘ軸とのなす角φ＝０となっている。このため、θ＝φ＝０で位相整合がとれるように波長λ５、λ６を選択してＬＢＯ結晶８２に入射させている。

このとき、上述のように、ＢＢＯ結晶５５からの出射光λ５は２０５〜２３５ｎｍの範囲内の波長を有し、ＯＰＯ４０からの出射光λ６は約１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長を有している。図６には、上記範囲の波長の光がＢＢＯ結晶８２に入射した場合に和周波混合により生成される光の波長λ７を、２．５ｎｍごとに示している。ここで、図６における波長λ５と波長λ６との組み合わせは、位相整合条件θ＝φ＝０を満たしている。また、図６には示していないが、例えば、第１の実施の形態におけるシグナル光λ４の最小波長とアイドラ光λ６の最大波長との組み合わせとなるλ５＝２０５ｎｍ、λ６＝２０９０ｎｍの光が入射するとき、ＬＢＯ結晶８２での和周波混合により、λ７＝１８６．７ｎｍの光λ７を出射する。このように、位相整合条件θ＝φ＝０においてλ７＝１８６．７ｎｍから少なくともλ７＝２１０ｎｍまでの波長範囲の光λ７が、表に示したλ５、λ６の組み合わせを含む１／λ７＝１／λ５＋１／λ６を満たす波長の組み合わせにより出力される。

図７に、ＬＢＯ結晶８２の入出射面における透過率の波長依存性の変化を、無反射コーティングの有無に対して示す。図７に示すように、入射面において、ＡＲコート無しの破線で示した場合には、入射光の波長が約１７０〜２３００ｎｍに対して約８８〜９０％の透過率である。ＡＲコートを施した実線で示した場合には、１７０〜２３５ｎｍ、および１９８０〜２１４０ｎｍの波長範囲で、１００％に近い透過率を示している。よって、光λ５、光λ６はＬＢＯ結晶８２にほぼ１００％入射し、ＬＢＯ結晶８２で和周波混合された光λ７は、ほぼ１００％出射する。

上述のようにして光波長変換装置１は、１８６．７〜２１０ｎｍの範囲内の波長を有する真空紫外光λ７を出力する。

以上説明したように、第１の実施の形態による光波長変換装置１によれば、和周波混合器８０のＬＢＯ結晶８２に対する入射光の角度θ＝φ＝０度が位相整合条件になるように、ＯＰＯ３０及びＯＰＯ４０からの出射光λ４、λ６の波長をＬＢＯ結晶８２から出力させたい波長に応じて選択することができる。よって、高密度の集積回路のパターニング等に必要とされる真空紫外光を発生させることが可能になる。このとき、位相整合条件がθ＝φ＝０度の一定条件で固定されているので、光波長変換装置１の調整が簡便である。

光波長変換装置１では、１つのレーザ３からのパルス光を光源として、ＯＰＯ３０、４０で波長変換を行い、ＬＢＯ結晶８２に入射させるので、入射光λ５、λ６のタイミングを合致させることが容易であり、パルス幅を小さくできると共に、真空紫外光の出力効率を向上させることができる。また、入射光λ５、λ６のバンド幅を縮小することができるので、発生する真空紫外光λ７のバンド幅も縮小化が可能である。

このとき、ＬＢＯ結晶８２における位相整合条件がθ＝φ＝０度であるので、ウォークオフ角がゼロになり、出力されるビームの形状を高密度のパターニング等に適した形状に保つことが可能であるとともに、波長変換が高効率の光波長変換装置となっている。また、θ＝φ＝０度のとき、入射光の偏光方向を一方をｐ軸、他方をｑ軸にそろえることで、有効非線形定数を常に最大とすることができ、利用可能な入射光λ５、λ６の波長の全範囲において出力光の発生効率をさらに向上させることが可能となっている。

さらに、ＢＢＯ結晶５５、ＬＢＯ結晶８２に、夫々入出射波長の透過率を増大させることのできる無反射コーティングを施したので、光周波数変換装置１の変換効率をさらに向上させることができる。
（第１の実施の形態の変形例）

次に、図８から図１０を参照しながら、第１の実施の形態による光波長変換装置１の変形例について説明する。図８は、光波長変換装置１の変形例である、光波長変換装置１００の構成を示す図である。図８に示すように、光波長変換装置１００は、光波長変換装置１に、パラメトリック発振器（ＯＰＯ）４０ａ及び、和周波混合部９２を追加し、遅延光路８５でパルス光が和周波混合器８０に到達するタイミングのずれを補正し、ミラー９４、９６で光を所定の方向に進行させるようにした構成である。なお、図８において、図１のレーザ３から高調波発生器７、９、フィルタ１３、ハーフミラー１５、ガラス板１７、ミラー１９を経て光λ３Ａと光λ３Ｂとが出力される部分をまとめて励起光源３ａとして示している。また、光波長変換装置１およびＯＰＯ４０ａは、得ようとする出力光の波長に応じた２種類の異なる波長の光を生成する光入力手段となっており、和周波発生部９２は、生成された２種類の異なる波長の光を変換して、所望の波長の光を出力している。

以下、光波長変換装置１００の構成を詳細に説明する。光波長変換装置１と重複する構成要素については、同一の部材番号を付し、詳細説明を省略する。

光波長変換装置１は、上述したように１８６．７〜２１０ｎｍの範囲内の波長λ７を有する真空紫外光を出射する。本変形例においては、光波長変換装置１が第１波長変換手段となる。

ＯＰＯ４０ａは、ＯＰＯ４０と同様の構成であり、励起光源３ａにおける高調波発生器９（図１参照、図８では図示省略）から出力される光λ３（λ３＝３５４．７ｎｍ）の一部が入射される。たとえば、励起光源３ａにおけるフィルタ１３とハーフミラー１５（図１参照、図８では図示省略）との間にハーフミラーを追加することにより、光λ３（λ３＝３５４．７ｎｍ）の一部λ３Ｃ（λ３Ｃ＝３５４．７ｎｍ）が分岐されてＯＰＯ４０ａに入射される。ＯＰＯ４０ａは、かかる光λ３Ｃが入射され、パラメトリック発振及び波長選択を行うことにより、２０８５〜２１３５ｎｍの範囲内の波長λ８を有するアイドラ光を出射する。ＯＰＯ４０ａは、本変形例の第２波長変換手段である。

遅延光路８５は、光波長変換装置１からの出射光λ７（λ７＝１８６．７〜２１０ｎｍ）と、ＯＰＯ４０ａの光路からの光λ８との光路長の差を調整してパルス光の発光のタイミングを合致させるための遅延光路であり、ミラー８６〜８９を有している。ミラー８６〜８９は、光λ７を全反射するミラーであり、夫々入射光の光路に対し約４５度の角度に設置されている。遅延光路８５は、出射光λ７とＯＰＯ４０ａからの出射光λ８とが和周波混合器８０に同時に入射するように調整する。

ミラー９４は、ＯＰＯ４０ａからの出射光λ８の光路上に、光路に対して約４５度の角度に設置され、光λ８を、ミラー９６の方向に全反射する。

ミラー９６は、光λ７の光路に対し約４５度の角度に設置され、遅延光路８５の出射光λ７を透過し、ＯＰＯ４０ａからの出射光λ８を全反射するダイクロイックミラーである。

和周波発生部９２は、入出射する光の波長が異なることを除けば光波長変換装置１の和周波発生部９０と実質的に同一の構成である。和周波発生部９２は、和周波混合器８０、フィルタ９８を有し、ミラー９６の出射側の光路上に設けられている。

和周波混合器８０には光λ７と光λ８とが入射し、それら入射光と、和周波混合による光λ９（ここでは、１／λ９＝１／λ７＋１／λ８）を、入射光の光路とほぼ一直線上に出射する。

フィルタ９８は、多層膜で構成され、１８７ｎｍ超〜２１０ｎｍおよび２０８５ｎｍ〜２１３５ｎｍの波長の光を吸収し１７２ｎｍ〜１８７ｎｍの波長の光を透過する波長選択素子である。したがって、フィルタ９８は、和周波混合器８０の出射光のうち、光λ７および光λ８を吸収し、光λ９を透過する出力光選択手段として機能する。

次に、光波長変換装置１００の動作について説明する。和周波発生部９０から光λ７が出力されるまでの部分、およびＯＰＯ４０ａから光λ８が出力されてミラー９４で４５度方向に反射されるところまでは、第１の実施の形態においてすでに説明した動作と同様であるので省略する。

同期調整回路８５で光路長を調整された光λ７はミラー９６を透過し、ミラー９４で反射された光λ８は、ミラー９６で直角方向に反射される。光λ７と光λ８とは、互いに同一のタイミングで和周波混合器８０に入射する。

第１の実施の形態と同様、和周波混合器８０はＬＢＯ結晶８２を備えており、図示せぬ波長板で偏光方向をｑ軸に平行な方向に調整され異常光となった光λ７と、常光となる光λ８とが入射する。ＬＢＯ結晶８２は、上述したように入射光の光路と平行にｚ軸、ｐ軸と平行な方向にｘ軸が配置されており、入射光の光路とＬＢＯ結晶８２のｚ軸とのなす角θ＝０、入射光の光路とＬＢＯ結晶８２のｘ軸とのなす角φ＝０となっている。このため、第１の実施の形態における場合と同様に、θ＝φ＝０で位相整合がとれるように波長λ７、λ８を選択してＬＢＯ結晶８２に入射させている。このとき、波長λ７は、１８６．７〜２１０ｎｍの範囲内の値を有し、波長λ８は、２０８５〜２１３５ｎｍの範囲内の値を有する。

ＬＢＯ結晶８２は、光λ７と光λ８とを和周波混合して、光λ７および光λ８の一部と共に光λ９を出力する。光λ７〜光λ９は、フィルタ８４に入射し、光λ７と光λ８とはフィルタ８４に吸収され、光λ９は透過し、出力光として得られる。

図９は、入射光の角度θ＝φ＝０度となる位相整合条件を満たす光λ７および光λ８に対して、和周波混合により生成される光λ９を２．５ｎｍ刻みで表した表である。図９は、計算上波長が１７０ｎｍ以上の範囲の出射光について示しているが、本変形例においては、波長λ７は上述のように１８６．７〜２１０ｎｍ、波長λ８は、２０８５〜２１３５ｎｍであるので、出力される波長λ９は、１７２〜１８７ｎｍとなる。
図１０は、図６および図９をまとめ、さらに、波長λ５として出力可能な最大波長（図２参照）である約２９０ｎｍまで、および波長λ６として出力可能な最小波長（図２参照）である約１７８０ｎｍまで拡張してグラフに示した図である。横軸には、波長λ５、λ７および波長λ６、λ８を示し、波長λ５と波長λ６より生成される波長λ７、波長λ７と波長λ８より生成される波長λ９を縦軸に示している。このように、波長約１７０〜２５０ｎｍの範囲の光を出力することが可能になる。

以上説明したように、第１の実施の形態の変形例による光波長変換装置１００によれば第１の実施の形態による光波長変換装置１の構成に加えてＯＰＯ４０ａを備えたことにより、より短波長の光λ９まで出力することが可能になっている。
（第２の実施の形態）

次に、図１１を参照しながら、第２の実施の形態による光波長変換装置２００について説明する。図１１に示すように第２の実施の形態による光波長変換装置２００は、レーザ３、高調波発生器５、９、２０５、ＯＰＯ３０、２４０、高調波発生器５３、及び和周波発生部９０を有している。ここで、レーザ３、高調波発生器５、９、２０５、ＯＰＯ３０、２４０、高調波発生器５３は、得ようとする出力光の波長に応じた２種類の異なる波長の光を生成する光入力手段となっており、和周波発生部９０は、生成された２種類の異なる波長の光を変換して、所望の波長の光を出力している。また、光波長変換装置２００において、波長の選択、光路の変更、光の分配、光路および光路長の調整等のため、フィルタ１３、２１３、ガラス板６９、ミラー２９、７１、７３、２１９及び遅延光路６０を用いている。図中の波長λ１〜λ７は、それぞれの箇所での光の波長または光そのものを表す。

以下、光波長変換装置２００の構成を詳細に説明する。

光波長変換装置２００において、レーザ３から高調波発生器５、９、ＯＰＯ３０、高調波発生器５３、遅延回路６０、ガラス板６９の光路は、ハーフミラー１５に替えてミラー２９が備えられておりフィルタ１３で反射した光λ３の全部がＯＰＯ３０に入射することを除けば光波長変換装置１と同様の構成であり、動作が実質的に同一であるので説明を省略する。

光波長変換装置２００では、フィルタ１３の透過光を利用する点が光波長変換装置１と異なっている。フィルタ１３の透過光は、波長λ１＝１０６４ｎｍの光λ１と、その第２高調波の波長λ２＝５３２ｎｍの光λ２である。ただしここでは、光λ２は光λ１に比べて光量が有意に弱い。

高調波発生器２０５は、ＢＢＯ結晶７を有しており、高調波発生器５と同一の構成である。高調波発生器２０５には、フィルタ１３の透過光λ１及び光λ２が入射するが、上記のように光λ２は光λ１よりも十分弱く、高調波発生器２０５は、光λ１の第２高調波発生器として作用し、光λ１の一部とその第２高調波である光λ２Ａ（波長λ２Ａ＝５３２ｎｍ）を出射する。

フィルタ２１３は、多層膜で構成され、高調波発生器２０５の出射光の光路上に光路に対し約４５度の角度に備えられ、光λ１を透過し、光λ２および光λ２Ａ（以下まとめて光λ２Ａという）を反射する波長選択素子である。吸収体２１４は、フィルタ２１３を透過した光λ１を吸収する。

ミラー２１９は、フィルタ２１３の反射光の光路上に、光路に対し約４５度の角度に備えられ、光λ２Ａを全反射するミラーである。

パラメトリック発振器２４０は、共振器ミラー２４１、２４４、回転台３２、ＢＢＯ結晶３３、回転台３５、ガラス体３６、フィルタ２４７を有している。

共振器ミラー２４１は、ミラー２１９の反射光の光路上に、光路に垂直に備えられている。共振器ミラー２４１は、波長５３２ｎｍの光に対し９０％以上の透過率を持ち、波長約７１０ｎｍ〜７３０ｎｍの光に対し、５０％以上の反射率を持つミラーである。

共振器ミラー２４１の出力側にＢＢＯ結晶３３が配置されている。ＢＢＯ結晶３３は、回転台３２に載置され、共振器ミラー２４１からの出力光の光路上の一点を回転中心として、図１１の紙面内で回転可能に備えられている。ＢＢＯ結晶３３は、光λ２Ａが入射すると、入射光の一部と、入射光のＢＢＯ結晶の光学的弾性軸に対する角度に応じた波長のシグナル光及びアイドラ光を出射する。出射光の詳細については後述する。

共振器ミラー２４４は、ＢＢＯ結晶３３の出力側の光路上に共振器ミラー２４１と互いに平行に対向して備えられている。共振器ミラー２４４は、波長５３２ｎｍの光に対し９０％以上の透過率を持ち、約７１０ｎｍ〜７３０ｎｍの光に対し、５０％前後の反射率を持つミラーである。共振器ミラー２４４は、共振器ミラー２４１との間で共振器を構成し、ＢＢＯ結晶３３から出射される光を増幅する。なお、共振器ミラー２４１および共振器ミラー２４４が約７１０ｎｍ〜７３０ｎｍの光に対し５０％前後の反射率を有するので、波長５３２ｎｍの入射光によるパラメトリック発振により、約７１０ｎｍ〜７３０ｎｍのシグナル光とともに、対応する約１９６１ｎｍ〜２１２２ｎｍのアイドラ光が発振することになる。

共振器ミラー２４４の出力側の光路上に、ガラス体３６が配置されている。ガラス体３６は、回転台３５に載置され、共振器ミラー２４４からの出力光の光路上の一点を回転中心として紙面に平行な面内で回転可能に備えられている。ガラス体３６は、回転台３５の回転により光路に対し所定の角度に調整され、共振器ミラー２４１への入射光の光路と、ガラス体３６の透過光の光路とが一直線上になるように補正する光路補正素子である。

フィルタ２４７は、多層膜で構成され、ガラス体３６の透過光の光路上に光路に垂直に備えられ、１８００ｎｍ〜２２００ｎｍの光を透過し５３２ｎｍの光を吸収する波長選択素子である。したがって、フィルタ２４７は、１９８８〜２１３５ｎｍの範囲内の波長を有するアイドラ光を透過し、５３２ｎｍの波長を有する入射光λ２Ａを吸収または反射する。

ミラー７１は、ＯＰＯ２４０から出力されたアイドラ光をミラー７３の方向に反射する。

次に、光波長変換装置２００の動作について説明する。レーザ３から高調波発生器５、９、ＯＰＯ３０、高調波発生器５３、遅延回路６０、ガラス板６９の光路は、第１の実施の形態においてすでに説明した動作と同様であるので省略する。

図１１において、フィルタ１３には、第１の実施の形態と同様に光λ１〜光λ３が入射する。ここで波長λ１＝１０６４ｎｍ、波長λ２＝５３２ｎｍ、波長λ３＝３５４．７ｎｍである。フィルタ１３は、光λ３をミラー２９の方向に反射すると共に、光λ１および光λ２を透過する。このとき、光λ１および光λ２は偏光方向がｐ軸に平行な常光として高調波発生器２０５に入射する。上述のように、光λ２は光λ１に比べて強度が十分低いので、高調波発生器２０５は、光λ１の第２高調波光λ２Ａを主に発生させ、ｑ軸に平行な偏光方向の光λ２Ａと、入射した光λ１の一部を出力する。

フィルタ２１３は、光λ１を透過し、光λ２Ａを入射方向に対し約９０度の方向に反射する。フィルタ２１３を透過した光λ１は、吸収体２１４に吸収される。反射された光λ２Ａは、ミラー２１９にさらに反射され、ＯＰＯ２４０の共振器ミラー２４１に入射する。共振器ミラー２４１は、光λ２Ａの約９０％を透過する。この透過光λ２Ａは、ｑ軸に平行な偏光方向の直線偏光であり、異常光としてＢＢＯ結晶３３に入射する。

ＢＢＯ結晶３３は、光λ２Ａを励起光として、入射光λ２ＡのＢＢＯ結晶３３に対する入射角度に応じた波長のシグナル光とアイドラ光を出射する。ＢＢＯ結晶３３は、波長制御部(図示せず)により回転を制御される回転台に載置されており、入射光λ２Ａに対し、得たいアイドラ光の波長（この場合、１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長を含む）に位相整合する角度に調整されている。位相整合する角度と出射光の波長とは、図１２に示すような関係がある。第２の実施の形態においては、波長が５３２ｎｍの入射光λ２Ａが励起光であるから、図１２のλｐ＝５３２ｎｍの曲線で表される関係である。例えば図１２に示すように、角度θを約２３．５度から約２３．８度の範囲で調整することによって、波長１９００ｎｍから波長２３００ｎｍの光が、アイドラ光として得られる。すなわち、角度θを調整することによって、ＢＢＯ結晶３３は第１の実施の形態による光λ６と同様の１９８８〜２０９０ｎｍの波長範囲を有するアイドラ光λ６およびそれに対応するシグナル光を出射する。

共振器ミラー２４４は、少なくともＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光を約５０％反射する。よってＯＰＯ２４０において、共振器ミラー２４１、２４４間でパラメトリック発振によりシグナル光が発振し、同時にそのシグナル光に対応する所望の波長のアイドラ光λ６も発振し出力される。ここで出力されるシグナル光及びアイドラ光λ６は、共にｐ軸に平行な偏光方向の直線偏光（常光）となっている。

ＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光及びアイドラ光λ６、ガラス体３６に入射する。ガラス体３６は、図示せぬ波長制御部により制御される回転台３５に載置され、紙面に平行な面内での角度を制御されて、共振器ミラー２４１に入射する入射光の光路と一直線上になる方向にシグナル光とアイドラ光λ６を出射する。このとき、回転台３５は、回転台３２と、互いに逆方向に同一角度回転するように構成され、簡便に光路補正を行えるようになっている。

アイドラ光λ６と光λ６に対応するシグナル光とは、光λ２Ａの光路の延長線方向からフィルタ２４７に入射し、アイドラ光λ６は透過し、シグナル光は吸収される。よって、ＯＰＯ２４０から、回転台３２の回転角に応じて約１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長を有するアイドラ光λ６が出射される。

以上のような動作により、ＯＰＯ２４０は、光λ２Ａを入力されて、波長１９８８〜２０９０ｎｍのアイドラ光λ６を出力する。出力される光λ６の波長は、ＢＢＯ結晶３３の入射光路に対する角度に依存する。ＯＰＯ２４０から出力される光λ６は、第１の実施の形態におけるＯＰＯ４０から出力される光λ６と実質的に同一である。よって、光波長変換装置２００において、和周波混合部９０に光λ５と光λ６とが入射し、和周波混合されることにより、真空紫外光λ７が出力される。

以上説明したように、第２の実施の形態による光波長変換装置２００によれば、第１の実施の形態による光波長変換装置１のＯＰＯ４０に替えてＯＰＯ２４０を備え、ＯＰＯ２４０がＯＰＯ４０と同様の波長範囲の光λ６を出力するので、光波長変換装置１と同様の作用、効果に加え、第１の実施の形態においては利用しなかった光λ２を利用することによって、光源の出力利用効率を高めることができる。
（第３の実施の形態）

次に、図１３を参照しながら、第３の実施の形態による光波長変換装置３００について説明する。図１３に示すように、第３の実施の形態による光波長変換装置３００は、レーザ３、高調波発生器５、９、パラメトリック発振器（以下、ＯＰＯという）３０、３４０、高調波発生器５３、及び和周波発生部９０を有している。ここで、レーザ３、高調波発生器５、９、ＯＰＯ３０、３４０、高調波発生器５３は、得ようとする出力光の波長に応じた２種類の異なる波長の光を生成する光入力手段となっており、和周波発生部９０は、生成された２種類の異なる波長の光を変換して、所望の波長の光を出力している。また、光波長変換装置３００において、波長の選択、光路の変更、光の分配、光路および光路長の調整等のため、フィルタ１３、３１３、ガラス板６９、ミラー２９、３１９、遅延光路６０、ミラー７３およびミラー３７１を用いている。図中の波長λ１〜λ７は、それぞれの箇所での光の波長または光そのものを表す。

以下、光波長変換装置３００の構成を詳細に説明する。

光波長変換装置３００において、レーザ３から高調波発生器５、９、ＯＰＯ３０、高調波発生器５３、遅延回路６０、ミラー７３の光路は、光波長変換装置２００と同一の構成であるので説明を省略する。

光波長変換装置３００でも、光波長変換装置２００と同様、フィルタ１３の透過光を利用する。フィルタ１３の透過光は、波長λ１＝１０６４ｎｍの光λ１と、その第２高調波の波長λ２＝５３２ｎｍの光λ２である。

フィルタ３１３は、多層膜で構成され、フィルタ１３の透過光の光路上に光路に対し約４５度の角度に備えられ、光λ２を透過し、光λ１を反射する波長選択素子である。吸収体３１４は、フィルタ３１３を透過した光λ２を吸収する。

ミラー３１９は、フィルタ３１３の反射光の光路上に、光路に対し約４５度の角度に備えられ、光λ１を全反射するミラーである。

パラメトリック発振器３４０は、共振器ミラー３４１、３４４、回転台３２、ＢＢＯ結晶３３、回転台３５、ガラス体３６、フィルタ３４７を有している。

共振器ミラー３４１は、ミラー３１９の反射光の光路上に、光路に垂直に備えられている。共振器ミラー３４１は、波長１０６４ｎｍの光に対し９０％以上の透過率を持ち、波長約１９８０〜２１００ｎｍの光に対し、５０％以上の反射率を持つミラーである。

共振器ミラー３４１の出力側にＢＢＯ結晶３３が配置されている。ＢＢＯ結晶３３は、回転台３２に載置され、共振器ミラー３４１からの出力光の光路上の一点を回転中心として、図１３の紙面に平行な面内で回転可能に備えられている。ＢＢＯ結晶３３は、光λ１が入射すると、入射光の一部と、入射光のＢＢＯ結晶の光学的弾性軸に対する角度に応じた波長のシグナル光及びアイドラ光を出射する。出射光の詳細については後述する。

共振器ミラー３４４は、ＢＢＯ結晶３３の出力側の光路上に共振器ミラー３４１と互いに平行に対向して備えられている。共振器ミラー３４４は、波長１０６４ｎｍの光に対し９０％以上の透過率を持ち、波長約１９８０〜２１００ｎｍの光に対し、５０％前後の反射率を持つミラーである。共振器ミラー３４４は、共振器ミラー３４１との間で共振器を構成し、ＢＢＯ結晶３３から出射される光を増幅する。

共振器ミラー３４４の出力側の光路上に、ガラス体３６が配置されている。ガラス体３６は、回転台３５に載置され、共振器ミラー３４からの出力光の光路上の一点を回転中心として紙面内で回転可能に備えられている。ガラス体３６は、回転台３５の回転により光路に対し所定の角度に調整され、共振器ミラー３４１への入射光の光路と、ガラス体３６の透過光の光路とが一直線上になるように補正する光路補正素子である。

フィルタ３４７は、多層膜で構成され、ガラス体３６の透過光の光路上に光路に垂直に備えられ、１９００ｎｍ〜２２００ｎｍの波長の光を透過し１０６４ｎｍの波長の光を吸収する波長選択素子である。このため、フィルタ３４７は、１９８８〜２１３５ｎｍの範囲内の波長を有するアイドラ光を透過し、１０６４ｎｍの波長を有する入射光λ１を吸収または反射する。

ミラー３７１は、ＯＰＯ３４０から出力されたアイドラ光λ６をミラー７３の方向に反射する。

次に、光波長変換装置３００の動作について説明する。レーザ３から高調波発生器５、９、ＯＰＯ３０、高調波発生器５３、遅延回路６０、ガラス板６９の光路は、第１の実施の形態においてすでに説明した動作と同様であるので省略する。

図１３において、フィルタ１３には、第１の実施の形態と同様に光λ１〜光λ３が入射する。ここで波長λ１＝１０６４ｎｍ、波長λ２＝５３２ｎｍ、波長λ３＝３５４．７ｎｍである。フィルタ１３は、光λ３をミラー２９の方向に反射すると共に、光λ１および光λ２を透過する。このとき、光λ１および光λ２は偏光方向がｐ軸に平行な状態である。

フィルタ３１３は、光λ２を透過し、光λ１を入射方向に対し約９０度の方向に反射する。フィルタ３１３を透過した光λ２は、吸収体３１４に吸収される。反射された光λ１は、ミラー３１９にさらに反射され、図示しない波長板によりｑ軸に平行な偏光方向の直線偏光に変換され、異常光としてＯＰＯ３４０の共振器ミラー３４１に入射する。共振器ミラー３４１は、光λ１の約９０％を透過する。

ＢＢＯ結晶３３は、光λ１を励起光として、入射光λ１のＢＢＯ結晶３３に対する入射角度に応じた波長のシグナル光とアイドラ光を出射する。ＢＢＯ結晶３３は、波長制御部(図示せず)により回転を制御される回転台に載置されており、入射光λ１に対し、得たいアイドラ光の波長（この場合、１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長を含む）に位相整合する角度に調整されている。位相整合する角度と出射光の波長とは、図１２に示すような関係がある。第３の実施の形態においては、波長が１０６４ｎｍの入射光λ１が励起光であるから、図１２のλｐ＝１０６４ｎｍの曲線で表される関係である。例えば図１２に示すように、角度θを約２１．３度から約２１．７度の範囲で調整することによって、波長１９００ｎｍから波長２３００ｎｍの光が、アイドラ光として得られる。すなわち、角度θを調整することによって、ＢＢＯ結晶３３は第１の実施の形態による光λ６と同様の１９８８〜２０９０ｎｍの波長範囲を有するアイドラ光λ６を出射する。

共振器ミラー３４４は、ＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光とアイドラ光とを約５０％反射し、他を透過する。よってＯＰＯ３４０において、共振器ミラー３４１、３４４間でパラメトリック発振が行われ、所望の波長のアイドラ光λ６と、それに対応するシグナル光を出力する。ここで出力されるシグナル光及びアイドラ光λ６は、共にｐ軸に平行な偏光方向の直線偏光（常光）となっている。

ＢＢＯ結晶３３から出力されるシグナル光及びアイドラ光λ６は、ガラス体３６に入射する。ガラス体３６は、図示せぬ波長制御部により制御される回転台３５に載置され、紙面に平行な面内での角度を制御されて、共振器ミラー３４４に入射する入射光の光路と一直線上になる方向にシグナル光とアイドラ光λ６とを出射する。このとき、回転台３５は、回転台３２と、互いに逆方向に同一角度回転するように構成され、簡便に光路補正を行えるようになっている。

アイドラ光λ６と光λ６に対応するシグナル光とは、入射光λ１の光路の延長線方向からフィルタ３４７に入射し、アイドラ光λ６は透過し、シグナル光は吸収される。よって、ＯＰＯ３４０から、回転台３２の回転角に応じて約１９８８〜２０９０ｎｍの範囲内の波長を有するアイドラ光λ６が出射される。

以上のような構成により、ＯＰＯ３４０は、光λ１を入力されて、波長１９８８〜２０９０ｎｍのアイドラ光λ６を出力する。出力される光λ６の波長は、ＢＢＯ結晶３３の入射光路に対する角度に依存する。ＯＰＯ３４０から出力される光λ６は、第１の実施の形態におけるＯＰＯ４０から出力される光λ６と実質的に同一である。よって、光波長変換装置３００において、和周波混合部９０に光λ５と光λ６とが入射し、和周波混合されることにより、真空紫外光が出力される。

以上説明したように、第３の実施の形態による光波長変換装置３００によれば、第１の実施の形態による光波長変換装置１のＯＰＯ４０に替えてＯＰＯ３４０を備え、ＯＰＯ３４０がＯＰＯ４０と同様の波長範囲の光λ６を出力するので、光波長変換装置１と同様の作用、効果に加え、第１の実施の形態においては利用しなかった光λ１を利用することによって、光源の出力利用効率を高めることができる。

尚、本発明の波長変換装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、光入力手段は、上記実施の形態に限定されない。

一例として、ＯＰＯ４０、ＯＰＯ２４０またはＯＰＯ３４０において、ＢＢＯ結晶３３に替えてＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶を用いることもできる。図１４は、ＫＴＰ結晶による光パラメトリック発振を行う際の入射角θと出力光の波長との関係を示している。図１４に示したように、ＫＴＰ結晶によってもθ＝θ１またはθ２で波長１９８８ｎｍの光、θ＝θ３またはθ４で波長２０９０ｎｍの光を出力することが可能である。なおこのとき、ＫＴＰ結晶は、出力されるシグナル光とアイドラ光とが異なる偏光方向を有するタイプ２のものを用いている。よって、ＯＰＯ４０、ＯＰＯ２４０またはＯＰＯ３４０から出力される光λ６と実質的に同一の波長の光となるため、上記第１から第３の実施の形態による光波長変換装置と同様の作用、効果を得ることができる。

また、上記実施の形態においては、すべて非線形光学媒質の和周波混合を利用したが、差周波混合を利用するようにしてもよい。

本発明の光波長変換装置は、高密度の集積回路のパターニング等に利用可能である。

第１の実施の形態による光波長変換装置の構成を示す図。 ＢＢＯ結晶における入射光の角度とパラメトリック発振により生成される光の波長との関係を示す図。 第１の実施の形態による光波長変換装置の一部の構成を示す図。 ＢＢＯ結晶の入出射面における透過率の波長依存性における無反射コーティングの効果を示す図。 ＬＢＯ結晶の配置を示す図。 ＬＢＯ結晶による和周波混合により生成される光の波長を示す図。 ＬＢＯ結晶の入出射面における透過率の波長依存性における無反射コーティングの効果を示す図。 第１の実施の形態による光波長変換装置の変形例の構成を示す図。 第１の実施の形態の変形例において和周波混合により生成される光の波長を示す図。 第１の実施の形態およびその変形例において、ＬＢＯ結晶への入射光と出射光との波長の関係を示す図。 第２の実施の形態による光波長変換装置の構成を示す図。 第１の実施の形態および第３の実施の形態において、ＢＢＯ結晶における入射光の角度とパラメトリック発振により生成される光の波長との関係を示す図。 第３の実施の形態による光波長変換装置の構成を示す図。 ＫＴＰ結晶による光パラメトリック発振を行う際の入射角と出力光の波長との関係を示す図。

符号の説明

１：波長変換装置 ３：レーザ ５、７、５３：高調波発生器 １３：フィルタ １５：ハーフミラー １７、６９：ガラス板 １９：ミラー ３０、４０：パラメトリック発振器 ３３：ＢＢＯ結晶 ５１：波長制御部 ６０：遅延光路 ８０：和周波混合器 ８２：ＬＢＯ結晶 ８４：フィルタ ９０：和周波混合部

Claims (4)

1. 第１波長の第１光及び第２波長の第２光の入射に応じて光周波数混合により前記第１光、前記第２光、及び第３波長の第３光を出射する非線形光学媒質と、
   前記第１光及び前記第２光を前記非線形光学媒質に入射する光入力手段と、
   前記非線形光学媒質の出射光から前記第３光を選択的に出力する出力光選択手段と、
   を有し、
   前記第１波長および前記第２波長は、得ようとする前記第３波長との関係において前記非線形光学媒質の位相整合条件を一定とするように選定されることを特徴とする光波長変換装置。
2. 前記光入力手段は、
   パルス光を出力する励起光源と、
   前記パルス光を２分する分波手段と、
   前記分波手段の一方の出力を波長変換して前記第１光を生成する第１波長変換手段と、
   前記分波手段の他方の出力を波長変換して前記第２光を生成する第２波長変換手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の光波長変換装置。
3. 前記非線形光学媒質は、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶であり、
   前記三ホウ酸リチウム結晶の光学的弾性軸をｘ軸、ｙ軸及びｚ軸、前記ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸それぞれに対応する屈折率をｎｘ、ｎｙ、ｎｚ（ｎｘ＜ｎｙ＜ｎｚ）とするとき、前記第１光及び前記第２光の前記非線形光学結晶内での進行方向はｚ軸方向であることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長変換装置。
4. 前記第１光は、前記ｘ軸方向の偏光方向を有する直線偏光であり、前記第２光は前記ｙ軸方向の偏光方向を有する直線偏光であることを特徴とする請求項３に記載の光波長変換装置。

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