JP2010237234A - 光源装置およびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡明かつ低廉な構成で、和周波発生素子における光パルスの重なりを調整可能な光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１は、パルス光を発生するレーザ光発生部１０と、発生されたパルス光を複数に並列分岐して各パルス光を各々増幅し出射する複数の光増幅器２１〜２３を備えた光増幅部２０と、これらの光増幅器から出射されたパルス光を同軸に重ね合わせて波長変換光学素子に入射させ、和周波発生により高調波を発生させる波長変換部３０とを備える。光増幅器２２，２３の出口部分には、波長変換部３０に出射されるパルス光を平行光にコリメートする光学素子５０と、波長変換部３０に対する光学素子５０の光軸方向の位置を調整設定可能な調整機構６０とが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置およびその調整方法に関し、なお詳細には、レーザ光発生部により発生された一つのパルス光を、光増幅部において複数の光増幅器により並列増幅し、これを波長変換部において同軸に合波させて波長変換光学素子に入射し、和周波発生により高調波を発生させるように構成された光源装置に関するものである。

上記のような光源装置は、感光物に微細なデバイスパターンを転写する露光装置や、微細構造を観察するレーザ顕微鏡等の各種の光学式検査装置、眼科治療用の医療装置、などに用いる光源として広く検討が進められている。このような光源装置は、例えば、半導体レーザおよびパルス変調器等からなるレーザ光発生部により発生されたパルス光を、光増幅部において複数に並列分岐して各々ファイバー光増幅器により増幅し、増幅されたパルス光を波長変換部において順次波長変換して、例えばＡｒＦエキシマレーザの発振波長と同じ波長１９３[ｎｍ]の紫外光を出力するように構成される（例えば、特許文献１を参照）。

ここで、波長変換部の構成、すなわち、波長変換光学系を形成する波長変換光学素子の種別や配置には種々の形態があるが、紫外光を高効率で発生させ、かつ良好なビーム品質で得るため、光増幅部で並列増幅されたパルス光を、波長変換部において異なる経路を通して異なる波長のパルス光に波長変換し（あるいは波長変換せず）、これらを所定の波長変換光学素子の直前で同軸に重ね合わせて、和周波発生により高調波を発生させる、という手法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

特許第４２３２１３０号公報 特開２００７−４７３３２号公報

このような光源装置においては、和周波発生を行う波長変換光学素子（ここでは、便宜的に「和周波発生素子」という）に和周波の対象となるパルス光が同時に入射し、和周波発生素子において二つの光パルスが時間的・空間的に重なっている必要がある。この点、対象となるパルス光は、レーザ光発生部から出射された同一のパルス光であり、光増幅器に入射するまでは時間的なずれは生じない。しかしながら、光増幅器に入射したのち、波長変換部において同軸に重ね合わされるまでは、各パルス光は異なる経路を通っており、パルス光の光路長は所定範囲で異なったものとなり得る。

このため、従来では、対象となるパルス光を増幅する二つの光増幅器の少なくとも一方に、光を遅延させるオプティカル・ディレイ（Optical Delay）を介装し、和周波発生素子で二つの光パルスが時間的に重なるように、光路長を調整する構成が用いられてきた（例えば、上記特許文献２を参照）。オプティカル・ディレイは、光増幅部において相対的なサイズが大きく高価格であることに加え、ファイバーの融着作業が煩雑である、という課題があった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡明かつ低廉な構成で、和周波発生素子における光パルスの重なりを調整可能な光源装置、およびその調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の態様による光源装置は、パルス光を発生するレーザ光発生部と、発生されたパルス光を複数に並列分岐して各パルス光を各々増幅し出射する第１光増幅器および第２光増幅器を備えた光増幅部と、第１光増幅器から出射されたパルス光および第２光増幅器から出射されたパルス光を、同軸に重ね合わせて波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３５，３６）に入射させ、和周波発生により高調波を発生させる波長変換部とを備える。そして、第１光増幅器および第２光増幅器の少なくとも一方の出口部分に、波長変換部に出射されるパルス光を平行光にコリメートする光学素子（例えば、実施形態におけるコリメート光学素子５０）と、波長変換部に対する光学素子の光軸方向の位置を調整設定可能な調整機構とを設けて構成される。

なお、前記第１，第２光増幅器はファイバー光増幅器であり、前記光学素子は、これらの光増幅器の少なくとも一方のファイバー端部に一体的に取り付けられるように構成することが好ましい。また、前記光学素子は、この光学素子に入射したパルス光をビーム径が１００倍以上の平行光にコリメートして出射するように構成することが望ましい。

本発明の態様による光源装置の調整方法は、上記各光源装置の調整方法であり、第１光増幅器から出射されて波長変換光学素子に入射するパルス光と、第２光増幅器から出射されて波長変換光学素子に入射するパルス光とが、波長変換光学素子においてほぼ同軸とした後、時間的に重なるように、調整機構により光学素子の光軸方向の位置を調整する。

本発明の光源装置においては、第１，第２光増幅器の少なくとも一方の出口に、パルス光をコリメートする光学素子と、この光学素子の光軸方向位置を調整設定可能な調整機構とが設けられている。このため、調整機構により光学素子の光軸方向の位置を調整することで、当該経路の光路長を調整することができ、これにより第１，第２光増幅器から出射された二つのパルス光が、和周波発生素子において時間的に重なるように、容易に調整することができる。従って、本発明によれば、簡明かつ低廉な構成で、和周波発生素子における光パルスの重なりを調整可能な光源装置、およびその調整方法を提供することができる。

なお、第１，第２光増幅器がファイバー光増幅器であり、出力光をコリメートする光学素子がファイバー端部に一体的に取り付けられるような構成によれば、ファイバー光増幅器の出射端部の位置を調整する極めて簡明な操作で、和周波発生素子における光パルスの重ね合わせを容易に調整することができる。また、ファイバー光増幅器が劣化して交換を行う必要が生じた場合でも、波長変換部において煩雑な光軸調整を行う必要がなく、交換作業を迅速に行うことができる。

本発明の適用例として示す光源装置の概要構成図である。 上記光源装置における波長変換部の構成例を示すブロック図である。 パルス光の空間的長さを説明するための説明図である。 調整機構の構成例を示す(ａ)側面図および(ｂ)平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に例示する光源装置は、半導体デバイス製造用の露光装置、各種の光学式検査装置、レーザ治療装置などに好適に用いられるものである。光源装置１の概要構成図を図１に示しており、この図を参照して光源装置１の全体構成について概要説明する。

光源装置１は、パルス光を発生するレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０により発生されたパルス光を複数に並列分岐し各々増幅して出射する光増幅部２０と、並列増幅された複数のパルス光を同軸に重ね合わせて和周波発生により高調波を発生させる波長変換部３０とを備えて構成される。

レーザ光発生部１０は、赤外〜可視領域において所定波長のレーザ光（シード光）を発生するレーザ光源１１と、レーザ光源１１により発生されたシード光の一部を切り出して、切り出された短パルス状のシード光（以下、便宜的に「パルスシード光」という）を出力する光変調器１２とを備えて構成される。

レーザ光源１１は、狭帯域化された単一波長のシード光を発生する。レーザ光源１１として、例えば、発振波長１．０２〜１．１５[μｍ]のＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザ、発振波長１．５１〜１．５９[μｍ]のＤＦＢ半導体レーザが例示される。本構成形態では、レーザ光源１１として、発振波長１．５[μｍ]帯のＤＦＢ半導体レーザを用い、ペルチェ素子等を利用した温度調整器により温度制御した状態で発振させることにより、波長λ＝１．５４７[μｍ]の単一波長のシード光を発生させる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することにより任意強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができる。光源装置１においては、繰り返し周波数２[MHz]、パルス幅１〜２[ｎsec]の単一波長のシード光Ｌsを発生させる。なお、以下においては、レーザ光源１１を、適宜「ＤＦＢ半導体レーザ１１」とも表記する。

光変調器１２は、ＤＦＢ半導体レーザ１１により発生されたシード光Ｌsの一部を時間的に切り出し、切り出されたパルスシード光を光増幅部２０に出射する。光変調器１２として、例えば電気光学変調器（ＥＯＭ）が用いられる。光変調器１２は、図示省略する制御装置によりＤＦＢ半導体レーザ１１と同期制御され、ＤＦＢ半導体レーザ１１から出射したパルス幅１〜２[ｎsec]のシード光から、パルス幅０．３[ｎsec]程度の光パルスを切り出し、切り出されたパルスシード光Ｌpが光増幅部２０に出射される。

光増幅部２０は、レーザ光発生部から出射されたパルスシード光Ｌpを複数に並列分岐する光分割器２５と、分岐されたパルス光を各々増幅して出射する複数の光増幅器と、後述するコリメート光学素子５０の光軸方向位置を調整設定可能な調整機構６０と、を備えて構成される。

本構成形態では、レーザ光発生部１０から出射されたパルスシード光Ｌpを、光分割器２５により３つに並列分岐して第１，第２，第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３に入射させ、各ファイバー光増幅器２１，２２，２３により増幅された光（以下、便宜的に「パルス光」という）Ｌa₁，Ｌa₂，Ｌa₃を波長変換部３０に出力する態様を示す。波長１．５[μｍ]帯の赤外光を増幅する第１，第２，第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３として、例えば、エルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）が用いられる。なお、波長１．１[μｍ]帯の赤外光を増幅する場合には、イットリビウム（Ｙｂ）・ドープ・ファイバー光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。

波長変換部（波長変換光学系）３０は、非線形光学結晶や周期分極反転結晶などの波長変換光学素子を備えて構成され、光増幅部２０から出射された複数のパルス光を同軸に重ね合わせて波長変換光学素子に入射させ、和周波発生により高調波を発生させる。このように、複数のパルス光を同軸に重ね合わせ、和周波発生により高調波を発生させる波長変換部には種々の態様がある。例えば、波長１．５[μｍ]帯の基本波レーザ光を８倍波に相当する波長１９３[ｎｍ]の紫外光に波長変換する波長変換光学系にあっても、種々の公知の態様がある（前述の特許文献１、特許文献２）。本発明は、異なる経路を通った複数のパルス光を同軸に重ね合わせて和周波発生を行わせる波長変換光学系であれば、いずれの態様にも適用可能である。そこで、図２に、波長変換光学系３０の代表的な構成例を示し、簡潔に説明する。なお、図２において、光路上に楕円形で示すものはコリメータレンズや集光レンズであり、個々の説明を省略する。また、Ｐ偏光を矢印で、Ｓ偏光を○中に点のある印で示し、基本波をω、そのｎ倍波をｎωで示す。

波長変換光学系３０は、６つの波長変換光学素子３１〜３６を主体とし、３つの光路により構成される。第１ファイバー光増幅器２１により増幅され波長変換光学系３０に入射した周波数ωの第１のパルス光Ｌa₁（基本波）は、ω→２ω→３ω→５ωの順に波長変換される。第２ファイバー光増幅器２２により増幅され波長変換光学系３０に入射した周波数ωの第２のパルス光Ｌa₂（基本波）は、ω→２ωに波長変換される。そして、５倍波と２倍波の和周波発生により７倍波７ωが発生され、この７倍波と第３ファイバー光増幅器２３により増幅された周波数ωの第３のパルス光Ｌa₃（基本波）の和周波発生により８倍波８ωが生成される。

第１ファイバー光増幅器２１から出射され、波長変換光学系３０に入射したＰ偏光の基本波（第１のパルス光Ｌa₁）は、波長変換光学素子３１に集光入射され、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生させる。発生した２倍波と波長変換光学素子３１を透過した基本波は、波長変換光学素子３２に集光入射し、和周波発生によりＳ偏光の３倍波（３ω）を発生させる。波長変換光学素子３１，３２は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子３２としてＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子３１として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。

波長変換光学素子３２により発生されたＳ偏光の３倍波と、波長変換光学素子３２を透過したＰ偏光の基本波および２倍波は、２波長波長板４１を透過させて２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板４１として、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板は、一方の波長の光（２倍波）に対して偏光を回転させ、他方の波長の光に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。

ともにＳ偏光になった２倍波および３倍波は、波長変換光学素子３３に集光入射させ、和周波発生によりＰ偏光の５倍波（５ω）を発生させる。なお、５倍波発生用の波長変換光学素子３３として、例えばＬＢＯ結晶が用いられるが、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることも可能である。波長変換光学素子３３から出射される５倍波は、ウォークオフのため断面が楕円形になっている。そこで、２枚のシリンドリカルレンズ４２v，４２hにより、楕円形の断面形状を円形に整形し、ダイクロイックミラー４３に入射させる。

第２ファイバー光増幅器２２から出射され、波長変換光学系３０に入射したＰ偏光の基本波（第２のパルス光Ｌa₂）は、波長変換光学素子３４に集光入射させ、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生させる。波長変換光学素子３４により発生された２倍波は、ダイクロイックミラー４４に入射させる。２倍波発生用の波長変換光学素子３４は、ＰＰＬＮ結晶を用いることができるほか、ＬＢＯ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶等を用いてもよい。

第３ファイバー光増幅器２３から出射された基本波（第３のパルス光Ｌa₃）は、Ｓ偏光で波長変換光学系３０に入射させ、波長変換することなくダイクロイックミラー４４に入射させる。ダイクロイックミラー４４は、基本波の波長帯域の光を透過し、２倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、ダイクロイックミラー４４を透過したＳ偏光の基本波と、ダイクロイックミラー４４に反射されたＰ偏光の２倍波とが同軸に重ね合わされてダイクロイックミラー４３に入射する。

ダイクロイックミラー４３は、基本波および２倍波の波長帯域の光を透過し、５倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー４３を透過したＳ偏光の基本波およびＰ偏光の２倍波と、ダイクロイックミラー４３で反射されたＰ偏光の５倍波とが同軸に重ね合わされて波長変換光学素子３５に入射する。

波長変換光学素子３５，３６は近接して配設されるとともに、基本波、２倍波、５倍波の各光路には、近接配設された波長変換光学素子３５，３６に数百[μｍ]程度の所定のスポットサイズで各波長の光が集光入射するように設定されたレンズが設けられている。波長変換光学素子３５では、Ｐ偏光の２倍波（２ω）とＰ偏光の５倍波（５ω）による和周波発生が行われ、７倍波（７ω）が発生される。７倍波発生用の波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。

波長変換光学素子３５により発生されたＳ偏光の７倍波（７ω）と、波長変換光学素子３５を透過したＳ偏光の基本波（ω）は、波長変換光学素子３６に入射し、和周波発生によりＰ偏光の８倍波（８ω）が発生される。８倍波発生用の波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子３６から出力される光には、８倍波以外に、波長変換光学素子３６を透過した基本波や２倍波等の他の波長成分が含まれるが、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズム等を使用することにより、これらを分離・除去することができる。

このようにして、光増幅部２０から出力された波長１．５４７[μｍ]の基本波レーザ光が波長変換部３０において順次波長変換され、波長変換部３０から波長１９３[ｎｍ]の紫外光Ｌvが出力される。なお、波長変換部３０の構成は、上記構成に限られるものではなく、例えば、いずれも本出願人に係る、特開２００４−８６１９３号公報に開示した構成、国際公開２００５−１１６７５１号公報に開示した構成などを適用することができる。

以上のように概要構成される光源装置１にあって、ダイクロイックミラー４３により５倍波、２倍波および基本波が同軸に重ね合わされ、７倍波発生用の波長変換光学素子３５において５倍波と２倍波の和周波発生、８倍波発生用の波長変換光学素子３６において７倍波と基本波の和周波発生が行われる。

いま、パルスシード光の繰り返し周波数を２[MHz]、パルス幅を０．１[ｎsec]とすると、図３にパルス光の空間的な概念図を示すように、パルス光における隣り合う光パルスのパルス間隔は約１５０[ｍ]、単一の光パルスの空間長は約３０[ｍｍ]となる。

そのため、第１ファイバー光増幅器２１から出射され、波長変換光学素子３１，３２，３３により順次波長変換されて波長変換光学素子３５に入射する５倍波と、第２ファイバー光増幅器２２から出射され、波長変換光学素子３４により波長変換されて波長変換光学素子３５に入射する２倍波の光路長とが３０[ｍｍ]を超えて相違すると、５倍波の光パルスと２倍波の光パルスとが重ならず、波長変換光学素子３５において和周波発生による７倍波発生が生じない。光路長の差異が３０[ｍｍ]以下であっても、その大きさに応じて７倍波の発生効率が低下する。

同様に、波長変換光学素子３５において発生し、波長変換光学素子３６に入射するする７倍波と、第３ファイバー光増幅器２３から出射され、波長変換光学素子３６に入射する基本波の光路長とが３０[ｍｍ]を超えて相違すると、７倍波の光パルスと基本波の光パルスとが重ならず、波長変換光学素子３６において和周波発生による８倍波発生が生じない。光路長の差異が３０[ｍｍ]以下であっても、その大きさに応じて８倍波の発生効率が低下する。

光源装置１では、第２ファイバー光増幅器２２の出口部、および第３ファイバー光増幅器２３の出口部に、それぞれファイバー光増幅器から出射するパルス光を平行光にコリメートするコリメート光学素子５０を設けるとともに、各コリメート光学素子５０の波長変換部３０に対する光軸方向の位置を調整設定可能な調整機構６０を設け、第２，第３のパルス光の光路長を調整設定可能としている。図４に調整機構６０の構成例を示す。ここで、図４(ａ)は調整機構６０の概要構成を示す側面図、同図(ｂ)は平面図である。

コリメート光学素子５０は、ファイバー光増幅器のファイバー端部から出射されるパルス光を、ビーム径が１００倍以上の平行光にコリメートして出射する。例えば、モード径が１０〜２０[μｍ]のファイバー端部から出射されたパルス光を、コリメートレンズを用いてビーム径φ２〜３[ｍｍ]程度の平行光として出射する。コリメート光学素子５０から出射された平行光束のパルス光Ｌa₂，Ｌa₃は波長変換部３０に入射し、各光路に設けられたレンズにより集光されて、例えば、図４(ａ)に示すように、第２のパルス光Ｌa₂が波長変換光学素子３４に入射する。

調整機構６０は、コリメート光学素子５０を、波長変換部３０の各光路の光軸CLに沿って光軸方向に移動させ、光軸方向の任意位置に固定可能に構成される。図４に例示する調整機構６０は、コリメート光学素子５０を着脱可能に係止するＬアングル状のブラケット６２と、ブラケット６２の脚部を支持するフレームに光軸CLと平行に延びて固定されたガイドステー６３、ブラケット６２の脚部に光軸方向に延びて形成された長孔および固定ネジ等からなるブラケット固定構造６４などから構成される。ブラケット６２およびガイドステー６３は、ブラケット６２の側面をガイドステー６３の側面に当接させて光軸方向に移動させたときに、コリメート光学素子５０が、光軸CLに沿って移動するように構成される。

このように構成された調整機構６０では、コリメート光学素子５０が取り付けられたブラケット６２の側端面をガイドステー６３に当接させ、その状態のままブラケット６２を光軸CL方向に移動させたときに、コリメート光学素子５０から出射されたパルス光は、光軸CLに直行する面内においてビーム位置が変化せず、空間を伝播するパルス光の伝播距離のみが変化する。空間を伝播するパルス光は平行光であり、波長変換部３０においてアライメントはほとんど変化しない。なお、調整機構６０は、コリメート光学素子５０を光軸CLに沿って移動調整可能であればよく、例えば１軸移動のステージなどを用いてもよい。

このため、調整機構６０を利用して，コリメート光学素子５０の波長変換部３０に対する光軸方向の位置を調整することにより、第１のパルス光Ｌa₁を基準として、第２のパルス光Ｌa₂、および第３のパルス光Ｌa₃の光路長を調整設定することができる。これにより、波長変換光学素子３５に入射する５倍波に対して２倍波の時間的位置を調整し、波長変換光学素子３６に入射する７倍波に対して基本波の時間的位置を調整することができる。

波長変換部３０における各光路の光路長、すなわち、第１のパルス光Ｌa₁が波長変換部３０に入射して波長変換光学素子３５に到達するまでの光路長、第２のパルス光Ｌa₂が波長変換部３０に入射して波長変換光学素子３５に到達するまでの光路長、第３のパルス光Ｌa₃が波長変換部３０に入射して波長変換光学素子３６に到達するまでの光路長、などは波長変換部３０の構成から既知であり、これらの光路長に合わせて各ファイバー光増幅器２１，２２，２３に融着される無ドープのファイバー長も設定されている。また、図３に示したように、パルス光の隣接する光パルスの間隔は空間的に１５０[ｍ]程度、各光パルスの空間長は３０[ｍｍ]程度である。

このため、調整機構６０におけるブラケット６２の光軸方向の調整範囲は、基準位置を中心として±５０[ｍｍ]程度あればよく、調整精度は０．５[ｍｍ]程度の比較的粗い精度でも十分に調整設定することができる。従って、大型でありかつ比較的高価なオプティカル・ディレイを用いない簡明かつ安価な構成で、和周波発生素子における光パルスの重ね合わせを容易に調整することができる。

また、ファイバー光増幅器のファイバー端部に、ビーム径を１００倍以上に拡大してコリメートするコリメート光学素子５０を設け、このコリメート光学素子５０の光軸方向位置を調整する。そのため、光路長を調整しても波長変換部に入射するパルス光の光軸ズレや波長変換部でのアライメントが変化するようなことがなく、ファイバー光増幅器の交換等を行う場合であっても、ファイバー端部の光軸直交面内の位置を数十[μｍ]オーダで微調整するような煩雑な調整作業の必要がなく、交換作業を容易かつ迅速に行うことができる。なお、ファイバー光増幅器のファイバー端部に、コリメートレンズを内蔵した光コネクタ（例えばＦＣコネクタやＳＣコネクタ等）を設け、ブラケット６２に光コネクタと嵌脱自在なレセプタクルを設けて接続するような構成によれば、ファイバー光増幅器の交換を更に容易にかつ高い再現性で交換することができる。

次に、調整機構６０を用いた具体的な調整手法について説明する。第１の調整方法は、ダイクロイックミラー４３と７倍波発生用の波長変換光学素子３５との間に、基本波〜５倍波の波長帯域の光パルスを検出可能な高速ディテクタを配置し、高速ディテクタの検出信号をオシロスコープにより観察しながら調整する。

このとき、まず第１ファイバー光増幅器２１と、第２ファイバー光増幅器２２とを駆動して、５倍波の光パルスと２倍波の光パルスの時間的なずれを観察する。そして、第２ファイバー光増幅器２２の出口に設けられた調整機構６０により第２ファイバー光増幅器２２の出口端部（コリメート光学素子５０）の光軸方向位置を調整し、２倍波の光パルスが、波長変換光学素子３５において５倍波の光パルスと重なるように調整する。

次いで、第１ファイバー光増幅器２１と、第３ファイバー光増幅器２３とを駆動して、５倍波の光パルスと基本波の光パルスの時間的なずれを観察する。そして、第３ファイバー光増幅器２３の出口に設けられた調整機構６０により第３ファイバー光増幅器２３の出口端部（コリメート光学素子５０）の光軸方向位置を調整し、基本波の光パルスが、波長変換光学素子３６において７倍波の光パルスと重なるように調整する。なお、基本波および７倍波が波長変換光学素子３５を通過する速度は既知であり、これに基づいて５倍波に対する基本波の光パルスの重ね合わせが調整される。

このような調整方法によれば、基本波、２倍波、５倍波が重ね合わされた位置において１台の高速ディテクタで、各周波数成分の光パルスの重なり具合を計測し調整するため、簡明な測定系で、高速ディテクタの個体差によるばらつきを排除した高精度の調整を行うことができる。また、和周波発生を効率的に行わせるための各周波数成分光の光路計算を比較的簡単に行うことができる。

調整機構６０を用いた第２の調整方法は、波長変換部３０の各光路への入射位置に、ファイバー光増幅器２１，２２，２３から出射されたパルス光Ｌa₁，Ｌa₂，Ｌa₃の光パルスを検出する高速ディテクタをそれぞれ配置し、各検出信号をオシロスコープにより観察する。

また、第１のパルス光Ｌa₁の検出位置から波長変換光学素子３５までの光路長、および第２のパルス光Ｌa₂の検出位置から波長変換光学素子３５までの光路長に基づいて、波長変換光学素子３５において５倍波と２倍波とを重ね合わせるための、第１のパルス光Ｌa₁と第２のパルス光Ｌa₂の検出位置におけるズレ時間（補正値）を算出する。そして、第１ファイバー光増幅器２１から出射されたパルス光Ｌa₁の検出タイミングを基準とし、第２ファイバー光増幅器２２から出射されたパルス光Ｌa₂が、上記算出されたズレ時間隔てて検出されるように、第２ファイバー光増幅器２２の出口端部の光軸方向位置を調整機構６０により調整する。

第３ファイバー光増幅器２３の出口端部の光軸方向位置についても同様であり、第１のパルス光Ｌa₁の検出位置から波長変換光学素子３６までの光路長、および第３のパルス光Ｌa₃の検出位置から波長変換光学素子３６までの光路長に基づいて、波長変換光学素子３５で発生された７倍波と基本波とを波長変換光学素子３６において重ね合わせるための、第１のパルス光Ｌa₁と第３のパルス光Ｌa₃の検出位置におけるズレ時間（補正値）を算出する。そして、第１ファイバー光増幅器２１から出射されたパルス光Ｌa₁の検出タイミングを基準とし、第３ファイバー光増幅器２３から出射されたパルス光Ｌa₃が、上記算出されたズレ時間隔てて検出されるように、第３ファイバー光増幅器２３の出口端部の光軸方向位置を調整機構６０により調整する。

このような調整方法によれば、ダイクロイックミラーやレンズ、波長変換光学素子が密接して配設される波長変換光学部に、検出光を導出するミラーや高速ディテクタ等を配置することなく、比較的配置の自由度が高い光増幅部２０と波長変換部３０との間に測定系を形成して調整を行うことができる。

調整機構６０を用いた第３の調整方法は、ファイバー光増幅器２１，２２，２３に設けられたモニター信号を利用して、各ファイバー光増幅器から出射されるパルス光Ｌa₁，Ｌa₂，Ｌa₃の出射タイミングを観察する。そして、上記第２の調整方法と同様の光路計算を行って、波長変換光学素子３５において５倍波と２倍波とを重ね合わせ、波長変換光学素子３６において７倍波と基本波を重ね合わせるための、波長変換部３０に入射する各パルス光Ｌa₂，Ｌa₃のズレ時間（補正値）を算出する。

そして、第１ファイバー光増幅器２１から出射されるパルス光Ｌa₁の検出タイミングを基準とし、第２ファイバー光増幅器２２から出射されたパルス光Ｌa₂が、算出された所定のズレ時間隔てて波長変換部３０に入射するように、第２ファイバー光増幅器２２の出口端部の光軸方向位置を調整機構６０により調整する。同様に、第１ファイバー光増幅器２１から出射されるパルス光Ｌa₁の検出タイミングを基準とし、第３ファイバー光増幅器２３から出射されたパルス光Ｌa₃が、算出された所定のズレ時間隔てて波長変換部３０に入射するように、第３ファイバー光増幅器２３の出口端部の光軸方向位置を調整機構６０により調整する。

このような調整方法によれば、光増幅部２０および波長変換部３０に、パルス光の検出光学系を組むことなく、簡明な手段でタイミング調整を行うことができる。

以上説明したように、本発明の光源装置１及びその調整方法によれば、複数に並列分岐されたパルス光を増幅するファイバー光増幅器の出口端部に、出射するパルス光を平行光にするコリメート光学素子５０が設けられるとともに、このコリメート光学素子５０の光軸方向位置を調整設定可能な調整機構６０が設けられている。このため、調整機構６０によりファイバー光増幅器の出口端部の位置を調整するだけで、当該経路の光路長を調整することができ、これにより同軸に重ね合わされた２つのパルス光が、和周波発生を行う波長変換光学素子において時間的に重なるように、容易に調整することができる。従って、本発明によれば、簡明かつ低廉な構成で、和周波発生素子における光パルスの重なりを調整可能な光源装置、およびその調整方法を提供することができる。

なお、実施形態においては、レーザ光発生部により発生されたパルスシード光を３つに並列分岐してファイバー光増幅器２１〜２３により増幅し、増幅された３つのパルス光を重ね合わせて順次和周波発生により高調波を発生させる構成を例とし、３つのファイバー光増幅器２１〜２３のうち、２つのファイバー光増幅器の出口部に調整機構６０を設けた構成について説明した。本発明は、係る形態に限定されるものではなく、２以上に並列分岐されたパルス光が波長変換部において同軸に重ね合わされ、和周波発生により高調波を発生させるような構成の光源装置であれば、同様に適用し、同様の効果を得ることができる。例えば、パルスシード光を２つに並列分岐して各々ファイバー光増幅器により増幅し、これらを重ね合わせて和周波発生させるような光源装置については、いずれか一方のファイバー光増幅器の出口に調整機構を設けて構成することができる。並列分岐数が４以上の場合についても同様である。

また、レーザ光発生部により発生されるシードパルス光は可視光であってもよく、光源装置から出射される光は波長１９３[ｎｍ]の紫外光に限るものではなく、例えば、ＫｒＦエキシマレーザと同じ波長２４８[ｎｍ]や、可視光を含む他の波長帯域であってもよい。

１ 光源装置
１０ レーザ光発生部
２０ 光増幅部
２１ 第１ファイバー光増幅器
２２ 第２ファイバー光増幅器
２３ 第３ファイバー光増幅器
２５ 光分割器
３０ 波長変換部
３１〜３６ 波長変換光学素子
５０ コリメート光学素子
６０ 調整機構

Claims (4)

1. パルス光を発生するレーザ光発生部と、
   前記レーザ光発生部により発生されたパルス光を複数に並列分岐し、分岐されたパルス光を各々増幅して出射する第１光増幅器および第２光増幅器を備えた光増幅部と、
   前記第１光増幅器から出射されたパルス光、および前記第２光増幅器から出射されたパルス光を、同軸に重ね合わせて波長変換光学素子に入射させ、和周波発生により高調波を発生させる波長変換部とを備え、
   前記第１光増幅器および前記第２光増幅器の少なくとも一方の出口部分に、
   前記波長変換部に出射されるパルス光を平行光にコリメートする光学素子と、
   前記波長変換部に対する前記光学素子の光軸方向の位置を調整設定可能な調整機構と
   を設けたことを特徴とする光源装置。
2. 前記第１光増幅器および前記第２光増幅器はファイバー光増幅器であり、
   前記光学素子は、前記第１光増幅器および前記第２光増幅器の少なくとも一方のファイバー端部に、一体的に取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光学素子は、該光学素子に入射したパルス光をビーム径が１００倍以上の平行光にコリメートして出射するように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 請求項１〜３に記載の光源装置の調整方法であって、
   前記第１光増幅器から出射されて前記波長変換光学素子に入射するパルス光と、前記第２光増幅器から出射されて前記波長変換光学素子に入射するパルス光とが、前記波長変換光学素子において時間的に重なるように、前記調整機構により前記光学素子の光軸方向の位置を調整することを特徴とする光源装置の調整方法。
   

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