JP2011039246A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換光学素子の温度が均一になるようにし、波長変換時の位相整合性への影響を抑えることが可能なレーザ装置を提供する。
【解決手段】所定波長のレーザ光を射出するレーザ光発生部及びレーザ光を紫外光に変換する波長変換部を備えたレーザ装置において、レーザ光をレーザ光の波長と異なる波長のレーザ光に変換して射出するＣＬＢＯ結晶２７と、ＣＬＢＯ結晶２７を固定保持する第１及び第２治具５１，５２と、ＣＬＢＯ結晶２７を第１及び第２治具５１，５２を介して所定温度に加熱するヒータ５５と、ＣＬＢＯ結晶２７と第１治具５１の間におけるＣＬＢＯ結晶２７のヒータ５５に対向する面に接して設けられ、第１治具５１と異なる熱抵抗を持つ材質からなる第３治具５３とを備えることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、所定温度に加熱され昇温状態で使用される波長変換光学素子を含みレーザ光発生部から射出されたレーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部を備えたレーザ装置に関する。

波長変換を行うことにより紫外光を出力するレーザ装置としては、例えば、レチクルのパターンを基板に転写する露光装置や、各種光学式検査装置、レーザ治療装置等の光源として用いられている。この種のレーザ装置では、光増幅器により増幅された赤外波長領域のレーザ光を、複数の波長変換光学素子から成る波長変換部において順次波長変換し、最終的にＡｒＦエキシマレーザの発振波長と同じ波長である１９３ｎｍの紫外光として出力するような構成のものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

波長変換光学素子としては、非線形光学結晶（以下、結晶と称する）等が用いられ、その種別や組み合わせには種々の形態があるが、結晶に入射する光の位相整合として温度位相整合を利用する場合には、結晶をその結晶種別及び整合条件に応じて所定温度に加熱した昇温状態で温度制御する必要がある。また、波長変換光学素子として、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀（ＣＬＢＯ）結晶のような潮解性を有する光学素子を用いる場合には、大気中に含まれる水分の吸収を防止する必要があり、このため１５０℃程度の所定温度に加熱し昇温状態に保持することが求められる（例えば、特許文献２を参照）。よって、このような結晶を備えたレーザ装置では、結晶を加熱するヒータが設けられ、常時所定温度に加熱された状態で保持されるように構成されている。

特開２０００−２００７４７号公報 特開２００３−０４６１７３号公報

ところで、上述したようなレーザ装置には、ヒータを備え結晶を昇温状態で保持する結晶ホルダが設けられているものがある。結晶ホルダは、レーザ装置の構成上、コンパクトにすることが望ましく、そのためにはヒータの数を少なくし１つとすることが最適である。しかし、コンパクト性を重視しヒータの数を１つとしたホルダ構造では、結晶の上下左右面それぞれにおけるヒータからの距離が異なるため、その距離に応じて結晶の上下左右面それぞれにおいて温度が異なることがある。結晶のそれぞれの面において温度が異なる場合、結晶に入射するレーザ光の波長変換時の位相整合に影響が生じ、波長変換効率が変動するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、波長変換光学素子の温度が均一になるようにし、波長変換時の位相整合性への影響を抑えることが可能なレーザ装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係るレーザ装置は、所定波長のレーザ光を所定波長と異なる波長のレーザ光に変換する波長変換光学素子と、所定波長のレーザ光を入射させる入射部及び異なる波長のレーザ光を射出させる射出部を有し、入射部へのレーザ光の入射及び射出部からのレーザ光の射出が可能な状態で波長変換光学素子の外周を覆うように設けられ、波長変換光学素子を固定保持する光学素子保持部材と、光学素子保持部材により固定保持されている波長変換光学素子を、光学素子保持部材を介して所定温度に加熱するヒータと、波長変換光学素子及び光学素子保持部材に接する位置に、波長変換光学素子の表面に均一に熱を伝導させる熱伝導調整部材とを備えることを特徴とする。

なお、熱伝導調整部材は、波長変換光学素子から見てヒータ側に設けられ、光学素子保持部材と比較して熱伝導率が低い材質からなることが好ましい。また、波長変換光学素子は、その形状が直方体であり、１つの面が前記ヒータと対向するように固定保持され、波長変換光学素子のヒータに対向する面に対して垂直な面及び光学素子保持部材に接する位置に、光学素子保持部材から波長変換光学素子の垂直な面への熱伝導を遮断する断熱部材を備えることは本発明の好ましい構成態様である。

本発明に係るレーザ装置によれば、波長変換光学素子の表面に均一に熱を伝導させる熱伝導調整部材が設けられることにより、波長変換光学素子の各表面における温度を均一にして、波長変換時の位相整合性への影響を抑えることができる。

本発明におけるレーザ装置の概要構成である。 上記レーザ装置におけるレーザヘッドの概要構成である。 上記レーザ装置における波長変換部の構成図である。 上記レーザ装置の波長変換部における結晶ホルダの構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は波長変換光学素子の温度分布を示す図、（ｃ）及び（ｄ）は結晶ホルダの各部材における熱抵抗モデルを示す図である。 上記結晶ホルダが抱える問題を解消した新しい結晶ホルダの構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は波長変換光学素子の温度分布を示す図、（ｃ）及び（ｄ）は各部材における熱抵抗モデルを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明を適用したレーザ装置１は、例えば、レチクルのパターンを基板に転写する露光装置の光源装置として用いられるものである。レーザ装置１の概要構成を 図１に示すとともに、レーザ装置１におけるレーザヘッド２の概要構成を図２に示しており、まずこれらの図面を参照しながら、レーザ装置１について説明する。

レーザ装置１は、図１に示すように、紫外光を出力するレーザシステムへの組み込みが容易になるように構成されている小型箱状のレーザヘッド２と、レーザヘッド２の制御機能を備えレーザヘッド２と別置される大型筐体状の制御ラック３とを備えて構成され、レーザヘッド２と制御ラック３とが種々の電気ケーブルや、パージガス供給用のガスチューブ、冷却水配管等のインタフェース４により相互接続されている。

レーザヘッド２は、図２に示すように、波長１５４７[ｎｍ]の赤外領域の基本波のレーザ光を射出するレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０から射出された基本波のレーザ光を波長１９３[ｎｍ]の紫外光に波長変換する波長変換部２０とを備えて構成されている。レーザ光発生部１０は、種光となるレーザ光（シード光）Ｌｓを発生させるレーザ光源１１と、レーザ光源１１により発生されたシード光Ｌｓを増幅させる光増幅器１２，１３とから構成される。レーザ光源１１及び光増幅器１２，１３は、このレーザ装置１を用いるレーザシステムの用途及び機能に応じ、適切な発振波長、増幅率のものが用いられる。レーザ光源１１としては、例えば波長が１５４７[ｎｍ]の単一波長のレーザ光を発生させる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）を用いることが可能であり、第１段目の光増幅器１２としては、例えば半導体レーザ励起のエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）、第２段目の光増幅器１３としては、例えばラマン・レーザ励起のＥＤＦＡを用いることが可能である。

波長変換部２０は、後述する複数の波長変換光学素子を備えて構成され、この波長変換光学素子により、レーザ光発生部１０から射出されたレーザ光（光増幅器により増幅された基本波レーザ光）Ｌｒが、所定波長の紫外光に波長変換される。具体的には、レーザ光発生部１０から射出された波長１５４７[ｎｍ]の基本波レーザ光が、複数の波長変換光学素子によって順次波長変換され、最終的に基本波の８倍波（第８次高調波）でＡｒＦエキシマレーザと同一波長である１９３[ｎｍ]の紫外光Ｌｖが出力されるようになっている。このように、赤外領域（あるいは可視領域）の基本波レーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部の構成（波長変換光学素子の種別や組み合わせ）には、種々の公知の形態がある。

本実施形態では、レーザ光発生部１０から波長変換部２０に、Ｌｒ（Ｐ偏光Ｌｒ₁，Ｐ偏光Ｌｒ₂，Ｓ偏光Ｌｒ₃）を入射させて、基本波（波長λ＝１５４７[ｎｍ]）、２倍波（λ＝７７４[ｎｍ]）、及び５倍波（λ＝３０９[ｎｍ]）を生成し、これらの和周波発生により７倍波（λ＝２２１[ｎｍ]）、８倍波（λ＝１９３[ｎｍ]）を発生させる構成を採っている。この構成例を図３に示している。なお、上述した７倍波及び８倍波生成用の波長変換光学素子には、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）結晶を用いることができる。この波長変換部２０の構成について、図３を参照しながら以下で説明する。

まず、第１の基本波レーザ光Ｌｒ₁は、レンズ３１により波長変換光学素子２１に集光入射され、第２次高調波発生（ＳＨＧ）により周波数が基本波の２倍、波長が半分の２倍波を発生させる。波長変換光学素子２１により発生されたＰ偏光の２倍波、及び波長変換光学素子２１を透過したＰ偏光の基本波は、レンズ３２により波長変換光学素子２２に集光入射され、和周波発生により周波数が基本波の３倍のＳ偏光の３倍波を発生させる。これらの波長変換光学素子２１，２２としては、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子２１としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子２２としてＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子２１としては、ＰＰＬＮ結晶に代えて、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２２により発生されたＳ偏光の３倍波と、波長変換光学素子２２を透過したＰ偏光の基本波及び２倍波は、２波長波長板４１を透過し２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板４１としては、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、特定の波長の光（２倍波）に対して偏光を回転させ、上記特定の波長以外の波長の光に対しては偏光を回転させないように、波長板（結晶）の厚さを上記特定の波長の光に対してλ／２の整数倍で、上記特定の波長以外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。

Ｓ偏光に変換された２倍波及び３倍波は、レンズ３３により波長変換光学素子２３に共に集光入射され、和周波発生によりＰ偏光の５倍波を発生させる。波長変換光学素子２３からは、Ｐ偏光の５倍波と、Ｓ偏光の２倍波及び３倍波、並びにＰ偏光の基本波が射出される。なお、５倍波を発生させる波長変換光学素子２３としては、ＬＢＯ結晶を用いることが多いが、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶等を用いることも可能である。ここで、波長変換光学素子２３から射出されるＰ偏光の５倍波は、ウォークオフの影響を受けて断面が楕円形になっている。そこで、波長変換光学素子２３の後方に設けられた２枚のシリンドリカルレンズ３４ｖ，３４ｈにより、上記５倍波の楕円形の断面形状が円形に整形され、ダイクロイックミラー４４に入射されるようになっている。

第２の基本波レーザ光Ｌｒ₂は、レンズ３５により波長変換光学素子２４に集光入射され、第２次高調波発生（ＳＨＧ）によりＰ偏光の２倍波を発生させる。波長変換光学素子２４からは、Ｐ偏光の２倍波と基本波が射出され、レンズ３６，３７を介してダイクロイックミラー４５に入射される。波長変換光学素子２４としては、ＰＰＬＮ結晶を用いることができる他、ＰＰＫＴＰ結晶。ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。

第３の基本波レーザ光Ｌｒ₃は、レンズ３８を介してダイクロイックミラー４５に入射される。ダイクロイックミラー４５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、このダイクロイックミラー４５に入射し透過するＳ偏光の基本波と、波長変換光学素子２４により発生されダイクロイックミラー４５により反射されたＰ偏光の２倍波とが同軸上に合成されるようになっている。

上記合成されたＳ偏光の基本波及びＰ偏光の２倍波は、ダイクロイックミラー４４に入射される。ダイクロイックミラー４４は、基本波及び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させるように構成されており、このダイクロイックミラー４４に入射し透過するＳ偏光の基本波及びＰ偏光の２倍波と、波長変換光学素子２３により発生されダイクロイックミラー４４により反射されたＰ偏光の５倍波とが同軸上に合成されるようになっている。

このように、同軸上に合成されたＳ偏光の基本波，Ｐ偏光の２倍波、及びＰ偏光の５倍波は波長変換光学素子２５に入射される。波長変換光学素子２５により、Ｐ偏光の２倍波とＰ偏光の５倍波による和周波発生が行われＳ偏光の７倍波が発生される。波長変換光学素子２５からは、このＳ偏光の７倍波とともにＰ偏光の２倍波及び５倍波、並びにＳ偏光の基本波が射出される。７倍波を発生させる波長変換光学素子２５としては、上述したＣＬＢＯ結晶が用いられる。

波長変換光学素子２５から射出された光は、波長変換光学素子２６に入射され、波長変換光学素子２６によりＳ偏光の基本波とＳ偏光の７倍波が和周波発生により合成され、Ｐ偏光の８倍波が発生される。８倍波を発生させる波長変換光学素子２６としては、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子２６からは上記８倍波以外に、基本波、２倍波等、他の波長成分の光も射出されるが、波長変換部２０（レーザ装置１）から８倍波のみを出力させる場合には、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッタ、またはプリズム等を使用して、これらを分離すればよい。以上のように構成される波長変換部２０において、７倍波発生用の波長変換光学素子２５，及び８倍波発生用の波長変換光学素子２６は、いずれもＣＬＢＯ結晶を用いているが、このＣＬＢＯ結晶は潮解性を有するため、ヒータで１５０℃程度の所定の温度に加熱した昇温状態に保持し、波長の変換効率を確保するため温度が当該所定の温度で均一になるように厳密に温度管理する必要がある（例えば、温度勾配を０．１度以下に抑える必要がある）。また、ＣＬＢＯ結晶は傷みやすいため定期的に交換する必要もある。

そこで、レーザ装置１では、後述する結晶ホルダを用いて、波長変換光学素子２５，２６を昇温状態に保持している。結晶ホルダは、所望の波長のレーザ光を射出するための波長変換光学系の一部であり、装置の構成上、コンパクトにすることが望ましい。また、波長変換光学系において温度管理すべき結晶ホルダの数は通常複数であるため、ヒータの数は、少ない方がよりシンプルな制御系を構成でき１個とするのが最適である。そこで、よりコンパクト且つ制御系の構成をシンプルにするために、本実施形態における結晶ホルダは、ヒータの数を１個として、波長変換光学素子２５，２６は、後述する治具により挟み込まれる形でホールドされた状態で昇温状態に保持されるようになっている。

上記内容を踏まえて構成された結晶ホルダ１５０について、図４（ａ）を参照しながら説明する。なお、以下の図４及び後述する図５に関する説明では、紙面の上下左右方向をそのまま上下左右方向と称し、紙面に対して垂直な方向を前後方向と称する。光は前後方向に進行し光軸は前後方向に延びるようになっている。図４（ａ）は、結晶ホルダ１５０を光軸に対して直交する面で切断したときの断面図を示している。

結晶ホルダ１５０は、波長変換光学素子２５，２６（以下、ＣＬＢＯ結晶２７と称する）を保持する断面形状がＬ字形の第１治具１５１及び第２治具１５２と、ヒータ１５５とを備えて構成される。ＣＬＢＯ結晶２７は、第２治具１５２の上面に載置された状態で上方から第１治具１５１により覆い被されて固定保持され、この時、ＣＬＢＯ結晶２７の上面及び左右の面の一方が第２治具１５２に、下面及び左右の面の他方が第１治具１５１に接触し、ＣＬＢＯ結晶２７の端部が第１及び第２治具１５１，１５２に密着するようになっている。第１治具１５１と第２治具１５２は、ネジ等の固定手段（不図示）により互いに固定保持されているが、ばね等の弾性部材を介して固定保持することも可能である。ヒータ１５５は、第２治具１５２の下方に設けられ、ヒータ１５５から発生した熱は、第２治具１５２から直接、または、その上方の第１治具１５１を介して、上下左右からＣＬＢＯ結晶２７に供給されるようになっている。

ＣＬＢＯ結晶２７は、第１及び第２治具１５１，１５２に固定保持された状態で光が入射されるようになっているが、光を常にＣＬＢＯ結晶２７の同じ位置に入射させると劣化が早まり、ＣＬＢＯ結晶２７の交換頻度が増えるという問題がある。そこで、所定時間毎に、結晶ホルダ１５０が上下左右方向に移動し、この移動により、光が入射される位置を所定時間毎に変化させ、ＣＬＢＯ結晶２７の交換周期を長くすることが可能になっている。

しかし、結晶ホルダ１５０は以下に示す問題を有しており、これについて、図４（ｂ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。図４（ｂ）は、ＣＬＢＯ結晶２７の温度分布、図４（ｃ）は、ＣＬＢＯ結晶２７とヒータ１５５との間の熱抵抗（温度の伝わりにくさ、単位はＫ／Ｗ）の関係、図４（ｄ）は、ヒータ１５５、第１及び第２治具１５１，１５２、ＣＬＢＯ結晶２７、並びに外部の空気２００との間の熱抵抗モデル（熱の供給経路とその伝わりにくさ）を示した図である。

図４（ｃ）及び（ｄ）におけるＲ₁₀₀₁、Ｒ₁₀₀₂は、それぞれ第１治具１５１における、ヒータ１５５から第２治具１５２、ヒータ１５５からＣＬＢＯ結晶２７への熱抵抗、Ｒ₁₁₀₁は、第２治具１５２における第１治具１５１からＣＬＢＯ結晶２７への熱抵抗を示している。Ｒ₁₂₀₁、Ｒ₁₂₀₂は、それぞれＣＬＢＯ結晶２７における、第１治具１５１から空気２００、第２治具１５２から空気２００への熱抵抗、Ｒ₁₀₀₄、Ｒ₁₁₀₄、Ｒ₁₂₀₄は、それぞれヒータ１５５から空気２００、第１治具１５１から空気２００、第２治具１５２から空気２００への熱抵抗を示している。Ｒ₁₀₀₁、Ｒ₁₀₀₂、Ｒ₁₁₀₁、Ｒ₁₂₀₁、Ｒ₁₂₀₂、Ｒ₁₀₀₄、Ｒ₁₁₀₄、Ｒ₁₂₀₄の単位は、全てＫ／Ｗである。なお、図４（ｂ）及び後述する図５（ｂ）に示す温度分布については、白色に近く色が薄い部分が高温で黒色に近く色が濃い部分が低温というように、色の濃淡で温度分布がわかるようになっている。

ここで、ヒータ１５５を第１治具１５１（ＣＬＢＯ結晶２７）の下方に配置した場合においては、熱源（ヒータ１５５）からの距離が異なるため、ＣＬＢＯ結晶２７の上下面の温度が同一にならず、上下方向に温度勾配が生じる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、ヒータ１５５からの距離が短いＣＬＢＯ結晶２７の下面は温度が高くなり、ヒータ１５５からの距離が長いＣＬＢＯ結晶２７の上面は温度が低くなる。このように、ＣＬＢＯ結晶２７に温度勾配が生じると、結晶ホルダ１５０が上下方向に移動する度に波長の変換効率が変化し、入射された光の波長変換時の位相整合性に影響を与える問題が生じる。すなわち、光が入射するＣＬＢＯ結晶２７の温度が変化するため、適切に波長変換が行われなくなる虞があるという問題がある。

ところで、ＣＬＢＯ結晶２７の上下面の温度を等しくするための条件について、第２治具１５２からＣＬＢＯ結晶２７へ供給される熱量をＱ₁₂₃（単位はＷ）、第２治具からその外部へ放熱される熱量をＱ₁₂（単位はＷ）、第２治具１５２からＣＬＢＯ結晶２７に供給される伝熱量をａ、第１治具１５１からＣＬＢＯ結晶２７に供給される伝熱量をｂとして検討する。なお、本実施形態における熱量は、輻射熱、対流、及び空気への熱伝導によるものを含む。まず、ＣＬＢＯ結晶２７の上面の温度と下面の温度を同じにする場合、以下の式（１）を満たさなければならない。

また、ヒータ１５５と第１治具１５１との接合面から、第１治具１５１とＣＬＢＯ結晶２７との接合面までの熱経路の平均距離をＬ₁₀₀₂（単位はｍｍ）、第１治具１５１の熱伝導率をｋ₁（単位はＷ／（ｍ・Ｋ））、第１治具１５１におけるヒータ１５５からＣＬＢＯ結晶２７への熱経路の平均断面積をＡ₀₁₂（単位はｍｍ^２）とすると、式（２）の関係が成り立つ。なお、本実施形態における熱経路とは、各部材の接触面積から推測される各部品への伝熱経路のことを示す。

そして、ヒータ１５５と第１治具１５１との接合面から、第１治具１５１と第２治具１５２との接合面までの熱経路の平均距離をＬ₁₀₀₁（単位はｍｍ）、第１治具１５１と第２治具１５２との接合面から、第２治具１５２とＣＬＢＯ結晶２７との接合面までの熱経路の平均距離をＬ₁₁₀₁（単位はｍｍ）、第２治具１５２の熱伝導率をｋ₂（単位はＷ／（ｍ・Ｋ））、第１治具１５１におけるヒータ１５５から第２治具１５２への熱経路の平均断面積をＡ₀₁₁、第２治具１５２における他部品への熱経路の平均断面積をＡ₀₂とすると、式（２）と同様に式（３）の関係が成り立つ。

ここで、第１治具１５１と第２治具１５２が同じ材質で熱伝導率ｋ₁とｋ₂が共に１３８．１[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、また、Ｌ₁₀₀₁及びＬ₁₀₀₂が１５．５[ｍｍ]、Ｌ₁₁₀₁が８[ｍｍ] 、Ａ₀₁₁が５０[ｍｍ^２]、Ａ₀₁₂が４０[ｍｍ^２]、Ａ₀₂が２０[ｍｍ^２]とすると、式（２）及び式（３）より、Ｒ₁₀₀₁＝２．８０６[Ｋ／Ｗ]、 Ｒ₁₁₀₁＝５．７０２[Ｋ／Ｗ]、 Ｒ₁₀₀₂＝１．０８６[Ｋ／Ｗ]となる。

そして、第２治具１５２とＣＬＢＯ結晶２７の間の通過熱量Ｑ₁₂₃が２．６４１×１０^-2（Ｗ）、第２治具の放熱量Ｑ₁₂が１．０７６５×１０^-1（Ｗ）とすると、式（１）の左辺は４．５２７×１０^-1、式（１）の右辺は、２．８６８９×１０^-2×（ｂ／ａ）となる。以上、式（１）により、（ｂ／ａ）＝１５．７７となる。このように、ＣＬＢＯ結晶２７の上方（熱源がある方向に対して反対の方向）と接触する第２治具１５２からＣＬＢＯ結晶２７に供給される熱量が、ＣＬＢＯ結晶２７の下方（熱源がある方向）と接触する第１治具１５１からＣＬＢＯ結晶２７に供給される熱量の１５．７７倍となれば、ＣＬＢＯ結晶２７の上面の温度と下面の温度を同じにすることができるが、第１治具１５１と第２治具１５２の構成をどのように変更しても、また、いかなる材料を用いてもこれを１５．７７倍とすることは不可能である。

従って、結晶ホルダ１５０においては、ＣＬＢＯ結晶２７の上下方向の温度を均一にすることができず、ＣＬＢＯ結晶２７において、光が入射する位置により位相特性及び波長の変換効率が変動するため、波長変換の条件が上記位置によって変わり、適切に波長変換を行うことができない。そこで、本実施形態では、ＣＬＢＯ結晶２７の上下方向の温度を均一にすることが可能な結晶ホルダ５０について説明する。以下で、この結晶ホルダ５０について、図５（ａ）を参照しながら説明する。

図５（ａ）は、結晶ホルダ５０を光軸に対して直交する面で切断したときの断面図を示している。結晶ホルダ５０は、この図５（ａ）に示すように、ＣＬＢＯ結晶２７を保持する第１治具５１、第２治具５２、及び第３治具５３と、ヒータ５５とを備えて構成される。第３治具５３は、第１治具５１の上方に設けられ、ＣＬＢＯ結晶２７を固定保持するときにＣＬＢＯ結晶２７の下面が第３治具５３の上面に接触するように構成され、第２治具５２は、その下面がＣＬＢＯ結晶２７の上面と接するように、上方からＣＬＢＯ結晶２７を覆って固定保持するようになっている。この第３治具５３として熱伝導率が低い（熱が伝わりにくい）材質のものを用いることにより、ＣＬＢＯ結晶２７の上下面の温度を同一とすることができる。図５（ｂ）に示すように、ＣＬＢＯ結晶２７の上下面の温度を同一とすれば、結晶内の温度をおおよそ均一とすることができる。この第３治具５３を設けることにより、波長変換時の位相整合性に影響を与え適切に波長変換が行われなくなる問題を回避することが可能になっている。

ところで、ヒータ５５からＣＬＢＯ結晶２７の下方に供給される熱の熱量については、ＣＬＢＯ結晶２７の中央部分が最も大きく、中央部分から離れる程熱が外部に発散されるため小さくなる。従って、ＣＬＢＯ結晶２７の下面に均一に熱を供給するためには、熱伝導率が低い材質の第３治具５３を、上記中央部分には厚く、そして中央部分から離れる箇所ほど薄くすることが好ましい。従って、第３治具５３の下面（ヒータ側の面）は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、中央部分が下に突出する曲面となっている。なお、この第３治具５３の下面については、球の一部のような形状にしてもよい。

ヒータ５５は、第１治具５１の下方に設けられ、ヒータ５５から発生した熱は、第１治具５１及び第３治具５３を介して下方から、または、第１治具５１及び第２治具５２を介して上方から、ＣＬＢＯ結晶２７に供給されるようになっている。また、第３治具５３の上面から下面に向かって延び、ＣＬＢＯ結晶２７の両側面に密着するように、断熱部材５４が設けられ、ＣＬＢＯ結晶２７の両側面（左右方向）からは熱がＣＬＢＯ結晶２７に供給されず、左右方向に温度勾配が生じないようになっている。なお、断熱部材５４としては、極めて熱伝導率が低い材質のものを用いるか、または単なる空間（空気）としてもよい。

以上のように構成される結晶ホルダ５０においては、結晶ホルダ１５０と同様に、所定時間毎に上下左右方向に移動してＣＬＢＯ結晶２７に入射される光が所定時間毎に異なる位置に入射されるようになっている。また、ＣＬＢＯ結晶２７を均一な温度を維持して保持することが可能となっているが、この理由について、図５（ｂ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。図５（ｂ）は、結晶ホルダ５０及び第３治具５３の温度分布、図５（ｃ）は、ＣＬＢＯ結晶２７とヒータ５５との間の熱抵抗（温度の伝わりにくさ）の関係、図５（ｄ）は、ヒータ５５、第１〜第３治具５１，５２，５３、ＣＬＢＯ結晶２７、外部の空気２００との間の熱抵抗モデル（熱の供給経路とその伝わりにくさ）を示した図である。

図５（ｄ）におけるＲ₁₀₀₁、Ｒ₁₀₀₅は、それぞれ第１治具５１における、ヒータ５５から第２治具５２、ヒータ５５から第３治具５３への熱抵抗、Ｒ₁₁₀₁は、第２治具１５２における第１治具１５１からＣＬＢＯ結晶２７への熱抵抗を示しており、Ｒ₁₅₀₂、Ｒ₁₂₀₂は、それぞれＣＬＢＯ結晶２７における、第１治具１５１から空気２００、第２治具１５２から空気２００への熱抵抗、Ｒ₁₀₀₄、Ｒ₁₁₀₄、Ｒ₁₂₀₄、Ｒ₁₅₀₂は、それぞれヒータ５５から空気２００、第１治具５１から空気２００、第２治具５２から空気２００、第３治具５３から空気２００への熱抵抗を示している。また、Ｒ₁₅₀₁は、第３治具５３における第１治具５１からＣＬＢＯ結晶２７への熱抵抗を示している。Ｒ_1001、Ｒ₁₀₀₅、Ｒ₁₁₀₁、Ｒ₁₅₀₂、Ｒ₁₂₀₂、Ｒ₁₀₀₄、Ｒ₁₁₀₄、Ｒ₁₂₀₄、Ｒ₁₅₀₂の単位は、全てＫ／Ｗである。

上述したように、第３治具５３としては熱伝導率が低い材料を用いているが、どの程度の熱伝導率であれば最適であるかについて、以下で説明する。結晶ホルダ１５０の場合と同じ条件で、第２治具１５２とＣＬＢＯ結晶２７の間の通過熱量をＱ₁₂₃（単位はＷ）、ＣＬＢＯ結晶２７に第３治具５３から供給される伝熱量をｂ、ＣＬＢＯ結晶２７に第２治具５２から供給される伝熱量をａとし、更に、第１治具５１と第２治具５２との接合面の温度をＴ₁₁₂（単位はＫ）、第１治具５１と第３治具５３との接合面の温度をＴ₁₁₅（単位はＫ）とすると、第３治具５３における第１治具５１からＣＬＢＯ結晶２７への熱抵抗Ｒ₁₅₀₁を式（４）のように表現することができる。

ここで、上述したように、第２治具５２における第１治具５１からＣＬＢＯ結晶２７への熱抵抗Ｒ₁₁₀₁を２．８９６[Ｋ／Ｗ]、Ｔ₁₁₅＝１４９．５[Ｋ]、Ｔ₁₁₂＝１４８．５[Ｋ]とすると、式（４）より式（５）が導かれる。

また、第３治具５３における第１治具５１からＣＬＢＯ結晶２７への熱経路の平均断面積をＡ₀₅ [ｍｍ²]、第３治具５３の熱伝導率をｋ₅[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]、第３治具５３の上下方向の長さ（第１治具５１とＣＬＢＯ結晶２７との接合面の距離）をＬ₁₅₀₁[ｍｍ]とすると、Ｒ₁₅₀₁を、式（６）のように表すことができる。

そして、Ｌ₁₅₀₁＝３．０[ｍｍ]、Ａ₀₅＝５０[ｍｍ²]とし、これを式（６）に代入するとともに、式（５）のＲ₁₅₀₁の値を代入して計算すると、ｋ₅について、式（７）のように表される。

ＣＬＢＯ結晶２７にその下面から供給される熱量とＣＬＢＯ結晶２７にその上面から供給される熱量が等しいとすると、（ｂ／ａ）＝１となり、これと式（７）より、ｋ₅＝１．９６２７[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]となる。従って、ヒータ５５からＣＬＢＯ結晶２７までの距離を７．５[ｍｍ]、ＣＬＢＯ結晶２７の上下方向の長さを４．０[ｍｍ]とすると、第３治具５３として、ＣＬＢＯ結晶２７より若干熱伝導率が高い（１．９６２７[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]）物質を用いるとよいことがわかる。このような物質としては、例えば、容易に加工することが可能なエンジニアセラミックスのステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）やチタニア系が該当する。また、第３治具５３の厚さ（上下方向の長さ）をもう少し大きくすれば、熱伝導率が３．０[Ｗ／（ｍ・Ｋ）]であるジルコニア（ＺｒＯ₂）等を使用することもできる。

以上、本実施形態における結晶ホルダ５０においては、ＣＬＢＯ結晶２７の下面に熱伝導率が低い材質の第３治具５３を設けることにより、ＣＬＢＯ結晶２７の上面と下面の温度を同一にすることが可能となり、これにより、ＣＬＢＯ結晶２７内の温度の偏りを無くすことができ、結晶の温度の偏りにより適切に波長変換が行われなくなる問題を回避することができる。

なお、本実施形態では、７倍波及び８倍波を発生させる結晶について、ＣＬＢＯ結晶２７を例として挙げて説明したが、ＣＬＢＯ結晶以外の結晶に対しても、本発明を適用させることができる。

また、本実施形態では、ヒータ５５が、第１治具５１及び第３治具５３を介して、ＣＬＢＯ結晶２７の下方に設けられている例について説明したが、ヒータ、治具、及びＣＬＢＯ結晶の位置関係または構成についてはこれに限定されることなく、例えば、ヒータが、熱伝導率が低い第３治具を介して、ＣＬＢＯ結晶の上方に設けられる構成にしてもよいし、ＣＬＢＯ結晶から見てヒータと反対側に熱伝導率が高い部材を設けて、ヒータの反対側からの熱伝導を高くするようにしてもよい。

そして、本実施形態では、基本波のレーザ光を波長１９３ｎｍの紫外光に変換するレーザ装置１について説明したが、紫外光の波長は１９３ｎｍに限定されることなく、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ（２４８ｎｍ）やＦ₂レーザ（１５７ｎｍ）等と同じ波長帯域であってもよい。更に、本発明に係るレーザ装置の適用例としては、各種の光学式検査装置や、レーザ治療装置等、他の種々の装置においても用いることができる。

１ レーザ装置
２７ ＣＬＢＯ結晶（波長変換光学素子）
５１ 第１治具（第１保持部）
５２ 第２治具（第２保持部）
５３ 第３治具（熱伝導調整部材）
５４ 断熱部材
５５ ヒータ

Claims (5)

1. 所定波長のレーザ光を前記所定波長と異なる波長のレーザ光に変換する波長変換光学素子と、
   前記所定波長のレーザ光を入射させる入射部及び前記異なる波長のレーザ光を射出させる射出部を有し、前記入射部へのレーザ光の入射及び前記射出部からのレーザ光の射出が可能な状態で前記波長変換光学素子の外周を覆うように設けられ、前記波長変換光学素子を固定保持する光学素子保持部材と、
   前記光学素子保持部材により固定保持されている前記波長変換光学素子を、前記光学素子保持部材を介して所定温度に加熱するヒータと、
   前記波長変換光学素子及び前記光学素子保持部材に接する位置に、前記波長変換光学素子の表面に均一に熱を伝導させる熱伝導調整部材とを備えることを特徴とするレーザ装置。
2. 前記熱伝導調整部材は、前記波長変換光学素子から見て前記ヒータ側に設けられ、前記光学素子保持部材と比較して熱伝導率が低い材質からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
3. 前記波長変換光学素子は、その形状が直方体であり、１つの面が前記ヒータと対向するように固定保持され、
   前記波長変換光学素子の前記ヒータに対向する面に対して垂直な面及び前記光学素子保持部材に接する位置に、前記光学素子保持部材から前記波長変換光学素子の前記垂直な面への熱伝導を遮断する断熱部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
4. 前記光学素子保持部材が、前記波長変換光学素子から見て前記ヒータ側に設けられる第１保持部と、前記ヒータと反対側に設けられる第２保持部とから構成され、
   を満たすことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ装置。
   但し、Ｒ₁₅₀₁は前記熱伝導調整部材における前記第１保持部から前記波長変換光学素子への熱抵抗、
   Ｒ₁₁₀₁は前記第２保持部における前記第１保持部から前記波長変換光学素子への熱抵抗、
   Ｑ₁₂₃は前記第２保持部と前記波長変換光学素子の間の通過熱量、
   ａは前記第２保持部から前記波長変換光学素子への伝熱量、
   ｂは前記熱伝導調整部材から前記波長変換光学素子への伝熱量、
   Ｔ₁₁₅は前記第１保持部と前記熱伝導調整部材の接合面の温度、
   Ｔ₁₁₂は前記第１保持部と前記第２保持部の接合面の温度、
   Ｌ₁₁₀₁は前記第１保持部と前記第２保持部の接合面から前記第２保持部と前記波長変換光学素子の接合面までの熱経路の平均距離、
   ｋ₂は前記第２保持部の熱伝導率、
   Ａ₀₂は前記第２保持部における他部品への熱経路の平均断面積である。
5. 前記熱伝導調整部材の前記ヒータに対向する面は、その中央部分が前記ヒータ側に突出した曲面形状となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ装置。