JP2011069945A - レーザ光発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のパルス光のタイミング調整を正確かつ容易に行うことが可能なレーザ光発生方法を提供する。
【解決手段】パルス光を発生させるパルス光発生ステップと、パルス光を第１パルス光と第２パルス光とに分割する光分割ステップと、トリガパルス発生器６０によりトリガパルスを発生させるトリガパルス発生ステップと、第１パルス光の発生タイミング及び第２パルス光の発生タイミングをそれぞれ上記トリガパルスの発生タイミングに合わせることにより、第１パルス光及び第２パルス光のタイミング調整を行うタイミング調整ステップと、タイミング調整が行われた第１パルス光及び第２パルス光を同軸に重ね合わせて波長変換光学系に入射させ、第１パルス光及び第２パルス光と異なる波長の光を射出させる波長変換ステップとを有することを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、赤外〜可視領域のレーザ光を増幅させ、紫外領域のレーザ光に波長変換して出力させるレーザ光発生方法に関する。

半導体製造装置等の分野での利用を目的として、近年、深紫外レーザの開発が盛んに行われている。特に、小型、高出力、有毒ガスを用いない等の利点を持つ、光ファイバーアンプと波長変換技術を組み合わせた１９３ｎｍ光固体レーザの開発が行われている。このようなレーザを出力するレーザ装置としては、複数の光ファイバーアンプが用いられ、それぞれの光ファイバーアンプで増幅された基本波が波長変換結晶に入射されることにより波長変換されて、１９３ｎｍの光が出力されるものが周知となっている（例えば、特許文献１を参照）。

このようなレーザ装置において、複数のファイバーアンプで増幅されたパルス光を重ね合わせるが、波長変換結晶への光の入射位置で複数のパルス光を重ねようとする時、何らかの方法でパルスの発生タイミングを合わせる作業が必要となる。そこで、一般的には、波長変換結晶の光の入射位置にフォトディテクタを配置し、フォトディテクタから発生する電気信号をオシロスコープで観察しながら、ファイバーの長さを調節して、タイミング調整を行っていた。

特開２００５−０１０４０２号公報

しかしながら、上述した方法でタイミング調整を行う場合、複数のパルス光の発生タイミングにおける時間差が小さくなると、オシロスコープで観察される複数の波形が重なる事象が発生し、この事象の発生により上記発生タイミングの時間差を正確に調整することが困難になるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、複数のパルス光のタイミング調整を正確かつ容易に行うことが可能なレーザ光発生方法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光発生方法は、パルス光を発生させるパルス光発生ステップと、パルス光発生ステップにて発生させたパルス光を第１パルス光と第２パルス光とに分割する光分割ステップと、第１パルス光と第２パルス光のタイミング調整を行うためのトリガパルスを発生させるトリガパルス発生ステップと、トリガパルスの発生タイミングと第１パルス光の発生タイミングとの時間差、及びトリガパルスの発生タイミングと第２パルス光の発生タイミングとの時間差をそれぞれ測定し、測定した時間差に基づいて、第１パルス光の発生タイミング及び第２パルス光の発生タイミングをそれぞれトリガパルスの発生タイミングに合わせることにより、第１パルス光及び第２パルス光のタイミング調整を行うタイミング調整ステップと、タイミング調整が行われた第１パルス光及び第２パルス光を同軸に重ね合わせて波長変換光学系に入射させ、第１パルス光及び第２パルス光と異なる波長の光を射出させる波長変換ステップとを有することを特徴とする。

なお、トリガパルス発生ステップにて発生させたトリガパルスは、レーザ光源を駆動させる光源駆動部により出力された電気信号であることが好ましいが、第１パルス光若しくは第２パルス光のいずれかの光が通る位置に設けられいずれかの光を光電変換させる光電変換部により出力された電気信号、または、波長変換光学系に設けられたミラーから射出された光を光電変換させる光電変換部により出力された電気信号であってもよい。

本発明に係るレーザ光発生方法によれば、トリガパルスを用いて複数のパルス光のタイミング調整を行うため、タイミング調整を正確かつ容易に行うことができる。

本発明のレーザ光発生方法の適用対象を示すレーザ装置の概要構成を示す図である。 上記レーザ装置における波長変換部の構成図である。 上記レーザ装置の光増幅部と波長変換部において、複数のパルス光を重ね合わせる位置の例を示した図である。 ２つのパルス光の波形がオシロスコープの表示部に示された図であり、（ａ）は、パルスの発生タイミングを調整する前、（ｂ）は、パルスの発生タイミングを調整した後の波形を示している。 上記レーザ装置において、トリガパルス発生部から発生したトリガパルスと、光増幅部により増幅された複数のパルス光による電気信号とが、異なるチャネルからオシロスコープに入射される様子を示した図である。 オシロスコープの表示部に示された、上記トリガパルスと複数のパルス光による電気信号の波形の例を示した図である。 トリガ発生器から出力された電気信号、光増幅部におけるパルス光の光電変換による電気信号、波長変換光学系のミラーから射出された光を光電変換した際の電気信号をそれぞれ上記トリガパルスとして用いる例を示した構成図である。

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。レーザ治療装置等に好適に用いられるものである。レーザ装置１の概要構成図を図１に示しており、レーザ装置１は、パルス光を発生するパルス光発生部１０と、パルス光発生部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射出する光増幅部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光学系３０とを備えて構成される。

パルス光発生部１０は、赤外〜可視領域において所定波長のレーザ光（シード光とも称する）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」と称する）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出力するが、レーザ光源１１としては、例えば波長が１．５４７［μｍ］の単一波長のシード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）を用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流の波形を制御することにより任意の強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができる。レーザ装置１では、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を発生させるようになっている。

光変調器１２は、レーザ光源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に射出する。光変調器１２としては、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レーザ光源１１と同期制御され、レーザ光源１１から射出されたパルス幅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に射出されるようになっている。

光増幅部２０は、パルス光発生部１０から射出されたパルスシード光Ｌｐを複数に並列分岐する光分割部２５と、分岐されたパルス光を各々増幅して射出する複数のファイバー光増幅器２１，２２，２３とを備えて構成される。本実施形態では、パルス光発生部１０から射出されたパルスシード光Ｌｐは、光分割部２５により３つに並列分岐された後、第１、第２、第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３に入射される。そして、各ファイバー光増幅器２１，２２，２３により増幅され、増幅された光が波長変換光学系３０に出力される。以下では、第１ファイバー光増幅器２１により増幅された光を「第１パルス光Ｌａ₁」、第２ファイバー光増幅器２２により増幅された光を「第２パルス光Ｌａ₂」、第３ファイバー光増幅器２３により増幅された光を「第３パルス光Ｌａ₃」と称する。なお、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としては、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）が用いられることもある。

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等の波長変換光学素子を備えて構成され、光増幅部２０から射出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光学系には種々の態様がある。波長１．５[μｍ]帯の赤外領域のレーザ光を、その８倍波に相当する波長１９３[ｎｍ]の紫外領域のレーザ光に波長変換する波長変換光学系３０について、図２を参照しながら説明する。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または集光レンズであり、これらの説明は省略する。また、上下方向の矢印で示すものはＰ偏光を、○中に点のある印はＳ偏光を示し、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を備え、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に入射された周波数ωの第１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に入射された周波数ωの第２パルス光Ｌａ₂（基本波）は、ω→２ωに波長変換される。そして、上記５ωの５倍波と２ωの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パルス光Ｌａ₃（基本波）の和周波発生により８倍波８ωが発生される。

第１ファイバー光増幅器２１から射出され、波長変換光学系３０に入射されたＰ偏光の第１パルス光Ｌａ_１は、波長変換光学系３０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に集光入射され、和周波発生によりＳ偏光の３倍波（３ω）が発生する。波長変換光学素子３１及び３２としては、例えばＰＰＬＮ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることができる。

波長変換光学素子３２から発生したＳ偏光の３倍波と、波長変換光学素子３２を透過したＰ偏光の基本波及び２倍波は、２倍波波長板４１を透過して、２倍波だけをＳ偏光に変換する。２倍波波長板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。上記のようにＳ偏光に変換された２倍波と、波長変換光学素子３２から発生したＳ偏光の３倍波は、波長変換光学素子３３に集光入射され、和周波発生によりＰ偏光の５倍波（５ω）が発生する。この５倍波を発生させる波長変換光学素子３３としては、例えばＬＢＯ結晶が用いられるが、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶等を用いることもできる。波長変換光学素子３３から射出される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３３の後方に設けられた２枚のシリンドリカルレンズ４２ｖ，４２ｈ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４３に入射されるようになっている。

第２ファイバー光増幅器２２から射出され、波長変換光学系３０に入射されたＰ偏光の基本波（第２パルス光Ｌａ₂）は、波長変換光学素子３４に集光入射され、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に入射される。２倍波発生用の波長変換光学素子３４としては、例えば、ＰＰＬＮ結晶、ＬＢＯ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶等を用いることができる。

第３ファイバー光増幅器２３から射出されたＳ偏光の基本波（第３パルス光Ｌａ₃）は、波長変換されることなく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、基本波の波長帯域の光を透過し、２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、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に入射される。ダイクロイックミラー４３は、基本波及び２倍波の波長帯域の光を透過させ、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偏光の基本波及び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に入射される。

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としては、例えばＣＬＢＯ結晶が用いられる。波長変換光学素子３５から発生した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に入射され、和周波発生によりＰ偏光の８倍波（８ω）が発生する。８倍波発生用の波長変換光学素子３６としては、例えば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、上記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倍波等が含まれるが、ダイクロイックミラー、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。

以上のように、光増幅部２０から出力された波長１．５４７［μｍ］の赤外領域のレーザ光が波長変換光学系３０において順次波長変換され、波長変換光学系３０から波長１９３［ｎｍ］の紫外領域のレーザ光Ｌｖが出力される。このように、ダイクロイックミラー４３により５倍波、２倍波及び基本波が同軸に重ね合わせられ、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。なお、波長変換光学系３０の構成は、上記の構成に限定されるものではなく、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。

ところで、上述したように、第１、第２、第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３によりそれぞれパルス光が出力されるが、これらのパルス光は、波長変換光学素子３５，３６等に入射させる位置（例えば、図３における位置Ａ）で重ね合わされる。重ね合わせの際に波長変換の効率が低下しないようにするため、それぞれのパルス光のタイミングを調整する必要があるが、この方法としては、例えば図３の位置Ａに、フォトディテクタ（光電変換素子）を配置し、このフォトディテクタから出力される電気信号の波形をオシロスコープにより観察しながらファイバーの長さの調整を行うことが挙げられる。上記オシロスコープに表示される電気信号の波形の一例を図４（ａ）及び（ｂ）に示すが、図４（ｂ）のように、２つのパルス光の時間差が小さくなると２つのパルス光が重なり始めるため、２つのパルス光の時間差を正確に測定することができなくなり、パルス光のタイミング調整を正確に行うことが困難になるという問題があった。

そこで、本実施形態では、トリガパルスを用いることにより、タイミング調整を正確且つ簡単に行うことを可能にしている。トリガパルスとは、複数の波形のタイミング調整を行うための基準となるパルスのことであり、光、電気信号等を用いることができる。このトリガパルスとして電気を用いた場合におけるタイミングを調整する方法の例について以下で説明する。まず、図５に示すように、トリガパルスを発生させるトリガパルス発生部６０と、オシロスコープ７０とを設け、トリガパルス発生部６０から出力させたトリガパルスと、第１、第２、第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３から出力されたパルス光がそれぞれ図示省略するフォトディテクタに入射されるようにする。なお、トリガパルスと上記それぞれのパルス光の時間差は、上記パルス光及びトリガパルス自身のパルス幅と比較して大きい値になっている。

オシロスコープ７０には、２つのチャネルＣｈ１及びＣｈ２及び図示省略する表示部が設けられ、２つのチャネルから入力された電気信号の波形が表示部に表示されるようになっている。図５に示すように、トリガパルスはチャネルＣｈ１に、フォトディテクタにより電気信号に変換されたパルス光はチャネルＣｈ２にそれぞれ入力されるようになっており、チャネルＣｈ１及びＣｈ２に入力された電気信号の波形が、例えば図６に示すように表示部に表示される。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すチャネルＣｈ１の波形がトリガパルスの波形、そして、図６（ａ）のＣｈ２に示す波形が第１パルス光Ｌａ₁の波形、図６（ｂ）のＣｈ２に示す波形が第２パルス光Ｌａ₂の波形を示している。そこで、図６（ａ）及び（ｂ）のように、
トリガパルスと第１パルス光Ｌａ₁との時間差をτ１、トリガパルスと第２パルス光Ｌａ₂との時間差をτ２とすると、第１パルス光Ｌａ₁と第２パルス光Ｌａ₂の時間差は（τ２−τ１）となる。従って、第１パルス光Ｌａ₁と第２パルス光Ｌａ₂が重なることがないため正確に時間差を測定することができ、精度良くそして容易に２つのパルス光のタイミングを調整することができる。このように、トリガパルスを用いれば、２つだけでなく３つ以上のパルス光のタイミング調整も容易に行うことができ、上述した第１、第２、第３パルス光Ｌａ₁、Ｌａ₂、Ｌａ₃全てのタイミング調整も精度良く行うことが可能となる。

以上、トリガパルス発生部６０を用いてトリガパルスを発生させる例について説明したが、既存の構成を大幅に変更することなく、既存の機器から出力される光や電気信号をトリガパルスをとして使用する方法がある。以下ではこの方法について３種の例（それぞれ第１〜第３の方法と称する）を挙げて、図７を参照しながら説明する。なお、図７では、パルス光を出力させる構成として、シード光を発生させるＤＦＢレーザを駆動するための電気信号を出力するトリガ発生器８１と、上記ＤＦＢレーザにより出力されたシード光の一部を時間的に切り出し、切り出したパルスシード光を光増幅部２０に出力するパルス発生器８２とを設けた例を示している。

まず、第１の方法は、図７のIに示すように、トリガ発生器８１から出力された電気信号を分岐させて、この電気信号トリガパルスとして使用するというものである。第１の方法では電気信号をトリガパルスとして用いているので、フォトディテクタにより光電変換をしないでオシロスコープに電気信号を入力することができる。

第２の方法では、第１〜第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３のいずれかの後段に、光を伝搬させる光パワーモニター用タップ９１，９２，９３を設け、これらの光パワーモニター用タップ９１，９２，９３を介して伝搬させた光が入射される位置にフォトディテクタ１０１，１０２，１０３を設ける。これらのフォトディテクタ１０１，１０２，１０３により、第１〜第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３及び光パワーモニター用タップ９１，９２，９３を介して入射されたパルス光を光電変換して、この光電変換により発生した電気信号をトリガパルスとして使用する（図７のII参照）。なお、上記では、フォトディテクタ及び光パワーモニター用タップが、第１〜第３ファイバー光増幅器２１，２２，２３に対応して３個ずつ設けられている例を示しているが、３個ずつでなくとも最低１個ずつ設けられていれば、第２の方法によりトリガパルスを得ることができる。

第３の方法は、波長変換光学系３０中の任意のミラーの後段にフォトディテクタ１１１，１１２を設けて、当該ミラーの漏れ光を使用するというものである（図７のIII参照）。このミラーの漏れ光をフォトディテクタ１１１，１１２により光電変換し、光電変換された電気信号をトリガパルスとして使用する。なお、図７においては、フォトディテクタが２個設けられている図を示しているが、いずれか１個設けられていれば、第３の方法を実現してトリガパルスを得ることが可能となる。

以上、本実施形態における上記第１〜第３のいずれかの方法を用いて既存の機器から出力される光や電気信号をトリガパルスとして利用し、このトリガパルスの波形に基づいて複数のファイバー光増幅器から出力されたパルス光のタイミング調整をすることにより、精度良く且つ容易に複数のパルス光のタイミング調整をすることができる。

また、上記第１〜第３のトリガパルスを発生させる方法について、本実施形態では、１９３ｎｍの固体レーザの光学システムに応用させる例について説明したが、本発明の応用範囲はこれに限定されることはなく、複数本のファイバー光増幅器を用いた光学システム等、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る光学系であれば、いずれの態様にも適用することが可能である。

Ｌａ₁ 第１パルス光 Ｌａ₂ 第２パルス光
１０ パルス光発生部 ２５ 光分割部
３０ 波長変換光学系 ６０ トリガパルス発生部
８１ トリガ発生器（光源駆動部）
１０１，１０２，１０３，１１１，１１２ フォトディテクタ（光電変換部）

Claims (4)

1. パルス光を発生させるパルス光発生ステップと、
   前記パルス光発生ステップにて発生させたパルス光を第１パルス光と第２パルス光とに分割する光分割ステップと、
   前記第１パルス光と前記第２パルス光のタイミング調整を行うためのトリガパルスを発生させるトリガパルス発生ステップと、
   前記トリガパルスの発生タイミングと前記第１パルス光の発生タイミングとの時間差、及び前記トリガパルスの発生タイミングと前記第２パルス光の発生タイミングとの時間差をそれぞれ測定し、測定した時間差に基づいて、前記第１パルス光の発生タイミング及び前記第２パルス光の発生タイミングをそれぞれ前記トリガパルスの発生タイミングに合わせることにより、前記第１パルス光及び前記第２パルス光のタイミング調整を行うタイミング調整ステップと、
   前記タイミング調整が行われた前記第１パルス光及び前記第２パルス光を同軸に重ね合わせて波長変換光学系に入射させ、前記第１パルス光及び前記第２パルス光と異なる波長の光を射出させる波長変換ステップとを有することを特徴とするレーザ光発生方法。
2. 前記トリガパルス発生ステップにて発生させたトリガパルスは、レーザ光源を駆動させる光源駆動部により出力された電気信号であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生方法。
3. 前記トリガパルス発生ステップにて発生させたトリガパルスは、前記第１パルス光または前記第２パルス光のいずれかの光が通る位置に設けられ、前記いずれかの光を光電変換させる光電変換部により出力された電気信号であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生方法。
4. 前記トリガパルス発生ステップにて発生させたトリガパルスは、前記波長変換光学系に設けられたミラーから射出された光を光電変換させる光電変換部により出力された電気信号であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生方法。

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