JP2011090254A - レーザ光発生装置およびレーザ光発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い波長変換効率で、高品質の短波長化されたレーザ光を取得可能であり、且つ、前記短波長化されたレーザ光のウォークオフが無く、波長の異なる二つのレーザ光の和周波混合に対応可能なレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法を提供する。
【解決手段】 第１レーザ光照射手段１０により、第１レーザ光１１を第３レーザ光発生手段３０に照射する。一方、第２レーザ光照射手段２０により、第２レーザ光２１を前記第１レーザ光１１と非同軸で前記第３レーザ光発生手段３０に照射する。前記第３レーザ光発生手段３０は、第１の非線形光学結晶を含む。そして、前記第１の非線形光学結晶内において、前記第１レーザ光１１および前記第２レーザ光２１が同軸とされ、和周波混合されて第３レーザ光３１を発生させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光発生装置およびレーザ光発生方法に関する。

半導体製造用、ウェファ検査用、マスク検査用のレーザ光源の性能向上に関する要求は年々厳しくなっている。特に、その短波長化の要求は、現時点での技術の限界に近いものであるといっても過言ではない。現在、前記レーザ光の開発においては、波長１９０〜２００ｎｍの連続波または高繰り返しパルス波を発する光源の開発が主流となっている。

前記短波長化の一つの方法として、非線形光学効果を利用した波長変換方法が幅広く採用されている。前記波長変換は、例えば、非線形光学結晶（ＮＬＯ）を用いた和周波発生により行われる。前記和周波発生では、二つのレーザ光を同軸（コリニア）でＮＬＯに照射するのが一般的である。有効な波長変換のため、ＮＬＯに照射した二つのレーザ光（入力）の光子と和周波混合により発生する短波長化されたレーザ光（出力）の光子との間では、エネルギーの保存と運動量の保存が満たされている必要がある。すなわち、入力波長λ１およびλ２、出力波長λ３が、エネルギー保存のために、角周波数ωｉ＝２πｃ／λｉ（ｉ＝１，２，３；ｃ：光速）、ω１＋ω２＝ω３を満たす必要があり、運動量保存のために、波数ｋｉ＝２πｎｉ／λｉ（ｉ＝１，２，３；ｎ：屈折率）を満たす必要がある。これは、異方性のＮＬＯ中の光線の伝播方向を変えることにより、これらの連立方程式を満たすことで達成される。物理的には、非線形分極波と発生した短波長化されたレーザ光（和周波光）の位相速度が等しくなることを意味する。最も単純な和周波混合過程は、λ１＝λ２の場合の第二高調波発生である。この場合には、非線形分極波と基本波（入力）の位相速度は、当然等しい。したがって、位相整合条件は、基本波と第二高調波の位相速度が等しいことに他ならない。一般に、物質の屈折率は、波長によって異なる。したがって、異なる波長の光の屈折率は、同じ偏光では互いに異なる。そこで、前述のような位相整合を満たすためには、入力の二波長、出力の和周波光の偏光を異なるもので組み合わせることで達成される。同じ偏光の入力二波長から直交する偏光の和周波光を得る位相整合をｔｙｐｅＩ、直交する異なる偏光の二波長を入力に用いる場合のそれをｔｙｐｅＩＩと呼ぶ。例えば、入力波長の偏光と出力となる和周波光の偏光を、それぞれ、常光（Ｏｒｄｉｎａｒｙ、ｏ）、異常光（Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ、ｅ）で表し、「ｏｅｏ」、「ｅｏｅ」等と表記する。同じ材料でも異なる位相整合の組み合わせが有り得る場合があるが、実際にどの組み合わせを用いるかは実効的非線形光学定数の大きさ等によって決められることが多い。しかし、図５に示すように、常光９１および異常光９２を同軸でＮＬＯ９０に照射した場合、前記異常光９２の波数ベクトルｋからのポインティング・ベクトルＳのウォークオフにより、前記二つの照射光は空間的に離れていく。このため、波長変換効率が低くなり、和周波混合により発生する短波長化されたレーザ光の品質も低くなるという問題があった。なお、図５において、θは、前記ＮＬＯのｚ軸（一軸性結晶ではｃ軸に平行）と前記波数ベクトルｋとのなす角度である。このθ、あるいは一般にＮＬＯ中で光線を伝播させる方向は、前述の位相整合によって決定される。

前記二つの照射光のウォークオフの問題を解決するものとして、波長１０６４ｎｍの常光および異常光を、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）結晶に斜めに照射する方法が提案されている（非特許文献１）。この方法によれば、前記二つの照射光のウォークオフが補償される。しかし、この方法では、和周波混合により発生する波長５３２ｎｍの第二高調波（異常光）は、ウォークオフにより前記二つの照射光から空間的に離れていってしまう。これは、ＫＴＰ結晶における位相整合が「ｅｏｅ」と呼ばれる、異常光と常光とによる異常光の発生だからである。これに対し、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶への常光および異常光の照射においては、常光として発生する第二高調波のウォークオフが０（零）になることが指摘されている（非特許文献２）。これは、ｔｙｐｅＩＩのＬＢＯ結晶の位相整合が「ｏｅｏ」であり、発生する和周波光（第二高調波光）が常光であることによる。一方、ｔｙｐｅＩＩのＫＴＰ結晶の位相整合は「ｅｏｅ」であり、第二高調波は常にウォークオフする。

Ｊ．Ｌ．Ｎｉｇｈｔｉｎｇａｌｅ， "Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｌｋ−ｏｆｆ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ＫＴＰ"， ｉｎ ＯＳＡ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｂｌｕｅ−Ｇｒｅｅｎ Ｌａｓｅｒｓ． ｐａｐｅｒ ＪＷＤ２， （ＯＳＡ， Ｎｅｗ Ｏｒｉｅｎｅｓ， Ｌｏｕｉｓｉａｎａ， １９９３）． Ｋ Ａｓａｕｍｉ， "Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｌｋｏｆｆ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｔｙｐｅ ＩＩ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ＫＴｉＯＰＯ４ ａｎｄ ＬｉＢ３Ｏ５"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３７， ５５０−５６０（１９９８）．

しかし、前記第二高調波のウォークオフを０（零）にする方法は、波長の異なる二つのレーザ光の和周波混合には対応していない。

そこで、本発明は、高い波長変換効率で、高品質の短波長化されたレーザ光を取得可能であり、且つ、前記短波長化されたレーザ光のウォークオフが無く、波長の異なる二つのレーザ光の和周波混合に対応可能なレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のレーザ光発生装置は、
第１レーザ光を照射する第１レーザ光照射手段と、
第２レーザ光を照射する第２レーザ光照射手段と、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させて第３レーザ光を発生させる第３レーザ光発生手段とを備えたレーザ光発生装置であって、
前記第３レーザ光発生手段が、第１のＮＬＯを含み、前記和周波混合が、前記第１のＮＬＯに前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が非同軸で照射され、前記第１のＮＬＯ内において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が同軸とされることにより行われることを特徴とする。

また、本発明のレーザ光発生方法は、
第１レーザ光を発生させる第１レーザ光発生工程と、
第２レーザ光を発生させる第２レーザ光発生工程と、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させて第３レーザ光を発生させる第３レーザ光発生工程とを含むレーザ光発生方法であって、
前記第３レーザ光発生工程において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を第１のＮＬＯに非同軸で照射し、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を同軸とすることにより前記和周波混合を行うことを特徴とする。

本発明では、第１レーザ光および第２レーザ光を第１のＮＬＯに非同軸で照射し、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を同軸とすることにより和周波混合を行う。このため、本発明によれば、高い波長変換効率で、高品質の短波長化された第３レーザ光を取得可能であり、且つ、前記第３レーザ光が前記第１のＮＬＯ内において常光であるため前記第３レーザ光のウォークオフが無く、波長の異なる二つのレーザ光の和周波混合に対応可能である。

図１は、本発明のレーザ光発生装置の一例を示す模式図である。 図２は、第二高調波発生におけるＢｏｙｄおよびＫｌｅｉｎｍａｎによるフォーカシングパラメータの関数としてのｈ積分の曲線を示すグラフである。 図３は、本発明のレーザ光発生装置の別の例を示す模式図である。 図４は、本発明のレーザ光発生装置のさらに別の例を示す模式図である。 図５は、従来のレーザ光発生装置の概略を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明のレーザ光発生装置は、前述のとおり、
第１レーザ光を照射する第１レーザ光照射手段と、
第２レーザ光を照射する第２レーザ光照射手段と、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させて第３レーザ光を発生させる第３レーザ光発生手段とを備えたレーザ光発生装置であって、
前記第３レーザ光発生手段が、第１のＮＬＯを含み、前記和周波混合が、前記第１のＮＬＯに前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が非同軸で照射され、前記第１のＮＬＯ内において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が同軸とされることにより行われることを特徴とする。本発明のレーザ光発生装置は、前記第３レーザ光発生手段内の前記第１のＮＬＯから第３レーザ光を照射するレーザ光照射装置とも言える。

図１の模式図に、本発明のレーザ光発光装置の一例を示す。図示のとおり、このレーザ光発生装置１は、第１レーザ光照射手段１０、第２レーザ光照射手段２０および第３レーザ光発生手段３０を備えている。前記第３レーザ光発生手段３０は、第１のＮＬＯを含む。前記第１レーザ光照射手段１０は、前記第３レーザ光発生手段３０内の前記第１のＮＬＯに第１レーザ光１１を照射する。前記第２レーザ光照射手段２０は、前記第３レーザ光発生手段３０内の前記第１のＮＬＯに前記第１レーザ光１１と非同軸で第２レーザ光２１を照射する。そして、前記第１のＮＬＯは、所望の和周波混合に対して位相整合が満たされるように方位、結晶の温度等が設定されており、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光１１および前記第２レーザ光２１が同軸とされることにより和周波混合が行われ、第３レーザ光３１が発生する。

これら以外は、本発明のレーザ光発生装置は特に制限されない。例えば、前記第１レーザ光照射手段および前記第２レーザ光照射手段は、特に制限されず、公知のレーザ光源を用いてもよいし、適宜設計してもよい。さらに、本発明のレーザ光発生装置は、前記第１レーザ光照射手段、前記第２レーザ光照射手段、および前記第３レーザ光発生手段以外の構成要素を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。また、例えば、前記第１のＮＬＯを透過した光は、図１に示すように、前記第３レーザ光３１に加え、残留の第１レーザ光１１および第２レーザ光２１等を含んでいてもよい。そのような場合、例えば、適宜な分離手段により前記第３レーザ光３１とそれ以外の光を分離し、前記第３レーザ光のみを利用するようにしてもよい。このような場合に限らず、本発明において、光が、複数波長の混合光である場合、その混合光を、必要に応じて波長ごとに分離してもよい。分離手段は特に制限されないが、例えば、波長選択性反射ミラー、波長分散プリズム、回折格子等があげられる。前記波長選択性反射ミラーとしては、特に制限されないが、例えば、誘電体多層膜ミラー等があげられる。

また、本発明のレーザ光発生方法は、前述のとおり、
第１レーザ光を発生させる第１レーザ光発生工程と、
第２レーザ光を発生させる第２レーザ光発生工程と、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させて第３レーザ光を発生させる第３レーザ光発生工程とを含むレーザ光発生方法であって、
前記第３レーザ光発生工程において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を第１のＮＬＯに非同軸で照射し、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を同軸とすることにより前記和周波混合を行うことを特徴とする。
これら以外は、本発明のレーザ光発生方法は特に制限されない。例えば、本発明のレーザ光発生方法は、前記第１レーザ光発生工程、前記第２レーザ光発生工程、および前記第３レーザ光発生工程以外の工程を適宜含んでもよいし、含んでいなくてもよい。また、本発明のレーザ光発生方法は、どのような装置により実施してもよいが、前記本発明のレーザ光発生装置により実施することが好ましい。本発明のレーザ光発生方法は、前記第３レーザ光発生工程において、前記第１のＮＬＯから前記第３レーザ光を照射するレーザ光照射方法とも言える。

本発明のレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光は、特に制限されず、それぞれ、連続波でもパルス波（パルスレーザ光）でもよい。前記第１レーザ光および前記第２レーザ光がパルスレーザ光である場合は、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光のパルスのタイミングが同期されていることが必要である。また、前記第１のＮＬＯによる和周波混合の効率が向上するという観点から、パルスのタイミング同期がなるべく完全に近いことが好ましい。なお、本発明において、２つのレーザ光について「パルスのタイミングが同期されている」とは、前記２つのレーザ光パルスの周期および位相が、和周波混合を行うために適切に同期されていて、前記２つのレーザ光の瞬間強度が同時に高くなるように調整されていることをいう。

本発明では、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が同軸となるように、前記第１のＮＬＯに対する前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の照射角を決定する。このとき、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の波数ベクトルｋからのポインティング・ベクトルＳのウォークオフを考慮する。つぎに、図１に示したレーザ光発生装置１を用いた場合を例にとり、前記照射角の決定方法について説明する。

本例では、前記第１レーザ光１１が常光であり、前記第２レーザ光２１が異常光である。前記第１レーザ光（常光）１１は、前記第１のＮＬＯの結晶面に対して垂直に入射する。ここで、前記第２レーザ光（異常光）２１のウォークオフ角ρは、その波数ベクトルｋとポインティング・ベクトルＳのなす角度であるので、前記各ベクトルに垂直な電気変位ベクトルＤと電場ベクトルＥのなす角度に等しい。前記電気変位ベクトルＤと前記電場ベクトルＥとの間には、一般にＤ＝ε・Ｅの関係があり、等方的な物質内もしくは真空中の場合を除いてはεはテンソル量である。光学材料の場合、透磁率μはμ_０（真空の透磁率）としてよいので、

として差し支えない。ここで、ｉは、誘電主軸（前記第１のＮＬＯのｘ軸、ｙ軸およびｚ軸）と同じに取っている。したがって、下記の関係が成り立つ。

実際に用いられる光軸は、いずれかの誘電主軸で張られている平面（例えば、ｙｚ平面）内にあることから、このｙｚ平面内での考慮のみでよい。すなわち、

となる。ここで、

とすると、前記電気変位ベクトルＤと前記電場ベクトルＥのなす角度は、

であることがわかる。この角度が前記第１のＮＬＯ内での前記波数ベクトルｋと前記ポインティング・ベクトルＳとのなす角度、すなわち前記ウォークオフ角ρであり、主軸からθの角度をなして伝播する前記第２レーザ光（異常光）２１の前記波数ベクトルｋと前記ポインティング・ベクトルＳとのなす角度は、

とわかる。

一般にρは比較的小さく、ｓｉｎρ≒ρが適用できると考えると、前記第１のＮＬＯの結晶面に対する前記第２レーザ光（異常光）２１の照射角δ_ｅｘｔを、δ_ｅｘｔ≒ｎ_ｅ（θ）ρとすれば、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を同軸とすることが可能となる。

前記第２レーザ光２１の角周波数が、前記第１レーザ光１１の角周波数ω_１と同じである場合、すなわち、前記レーザ光発生装置１が第二高調波発生手段として機能する場合、前記第３レーザ光３１の出力Ｐ_ＳＨは、Ｂｏｙｄ ａｎｄ Ｋｌｅｉｎｍａｎ因子ｈに比例し、

となる。図２のグラフに、第二高調波発生におけるＢｏｙｄおよびＫｌｅｉｎｍａｎによるフォーカシングパラメータの関数としてのｈ積分の曲線を示す。同図において、横軸のξは、集光に関するパラメータ（フォーカシングパラメータ）を表し、ガウスビームのウェスト半径の二乗に反比例する。Ｂは、ウォークオフに関するパラメータを表し、第１のＮＬＯの長さ（素子長）Ｌの平方根とウォークオフ角に比例する。同図において、Ｂ＝０が本発明のように前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が同軸である場合に相当し、一般的に用いられているＮＬＯのＢ＝５以上の場合と比べ、最適フォーカシング時におけるｈがほぼ一桁程度大きくなり、前記第３レーザ光３１の出力Ｐ_ＳＨが向上することがわかる。Ｇ． Ｄ． Ｂｏｙｄ， ａｎｄ Ｄ． Ａ． Ｋｌｅｉｎｍａｎ， “Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｃｕｓｅｄ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍｓ，” Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ３９， ３５９７−３６３９（１９６８）．においては常光の基本波から異常光の第二高調波を発生させる場合を主に解析してあるが、本発明によるウォークオフの影響のない相互作用の場合、この論文におけるＢ＝０、つまりウォークオフ角ρ＝０とした場合の議論が成立する。また、前記第３レーザ光３１の出力Ｐ_ＳＨは、第１のＮＬＯの長さ（素子長）Ｌを長くすると大きくなる。後述のように、本発明によれば、前記第１のＮＬＯの長さ（素子長）Ｌを長くしても、高い波長変換効率で、高品質の短波長化された第３レーザ光を取得可能である。したがって、本発明によれば、前記第１のＮＬＯの長さ（素子長）Ｌを長くすることでも、前記第３レーザ光３１の出力Ｐ_ＳＨを向上可能である。

［１：第１レーザ光照射手段］
本発明において、前記第１レーザ光照射手段は、特に制限されないが、例えば、以下のとおりである。

前記第１レーザ光照射手段は、例えば、外部共振器を含み、前記第１レーザ光が、前記外部共振器による共振を経た光であってもよい。また、前記第１レーザ光照射手段は、例えば、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を含み、前記第１レーザ光が、前記光パラメトリック発振器による共振を経た光であってもよい。また、前記第１レーザ光照射手段は、例えば、内部共振器を含み、前記第１レーザ光が、前記内部共振器による共振を経た光であってもよい。これら、外部共振器、光パラメトリック発振器または内部共振器による共振を用いることが、前記第１レーザ光の発生効率、信頼性、デバイス寿命の観点から好ましい。また、前記第１レーザ光は、前述のとおり、連続波であってもよいし、パルス波であってもよい。

前記第１レーザ光照射手段は、例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を含み、前記第１レーザ光が、前記エルビウム添加ファイバ増幅器から発生したレーザ光であってもよい。また、前記第１レーザ光照射手段は、例えば、エルビウム・イットリビウム共添加ファイバ増幅器（ＥＹＤＦＡ）を含み、前記第１レーザ光が、前記エルビウム・イットリビウム共添加ファイバ増幅器から発生したレーザ光であってもよい。これらの場合、前記第１レーザ光の波長は、特に制限されないが、好ましくは１５４０〜１５６５ｎｍの範囲である。

また、前記第１レーザ光照射手段は、例えば、波長１５４０〜１５６５ｎｍのレーザ光を発する単一周波数エルビウム添加ファイバ光源と外部共振器とを含み、前記単一周波数エルビウム添加ファイバ光源から発せられたレーザ光を前記外部共振器で共振させて前記第１レーザ光とすることが好ましい。この場合、前記単一周波数エルビウム添加ファイバから発せられたレーザ光は、連続波でもパルス波でもよいが、例えば、連続波が好ましい。

また、前記第１レーザ光照射手段は、例えば、第１（Ａ）レーザ光を発生する第１（Ａ）レーザ光発生手段と、光パラメトリック発振器とを含み、前記第１（Ａ）レーザ光を前記光パラメトリック発振器により共振させて前記第１レーザ光とするものであってもよい。前記第１（Ａ）レーザ光発生手段は、特に制限されないが、例えば、ＹＤＦＡ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、イッテルビウム添加ファイバ光源）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ光源、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ光源、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ光源等でもよい。この場合、前記第１（Ａ）レーザ光波長は、特に制限されないが、例えば１０３０〜１０８０ｎｍ、好ましくは１０４５〜１０７０ｎｍ、特に好ましくは１０６４ｎｍである。前記光パラメトリック発振器も、特に制限されないが、例えば、適宜なＮＬＯを含み、前記ＮＬＯにより光パラメトリック発振を行うものであってもよい。前記ＮＬＯとしては、例えば、ＫＴＰ結晶、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ：周期分極ニオブ酸リチウム）結晶、ＰＰＬＴ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔａｎｔａｌａｔｅ：周期分極ニオブ酸タンタル）結晶、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）結晶、ＫＴＡ（ＫＴｉＯＡｓＯ_４）結晶、ＲＴＰ（ＲｂＴｉＯＰＯ_４）結晶等があげられる。また、この場合において、前記第１レーザ光の波長は、特に制限されないが、好ましくは１５４０〜１５６５ｎｍの範囲である。また、前記光パラメトリック発振器から発せられる光にシグナル光とアイドラ光とが存在する場合、前記シグナル光と前記アイドラ光との波長の関係は特に制限されない。一例として、前記第１（Ａ）レーザ光の波長が１０６４ｎｍ、前記シグナル光（前記第１レーザ光）の波長が１５４０〜１５６０ｎｍの場合、前記アイドラ光の波長は、例えば、約３４００ｎｍであってもよい。

［２：第２レーザ光照射手段］
つぎに、前記第２レーザ光照射手段について説明する。

前記第２レーザ光照射手段は、特に制限されない。前記第２レーザ光照射手段は、例えば、外部共振器を含み、前記第２レーザ光が、前記外部共振器による共振を経た光であってもよい。また、前記第２レーザ光照射手段は、例えば、光パラメトリック発振器を含み、前記第２レーザ光が、前記光パラメトリック発振器による共振を経た光であってもよい。また、前記第２レーザ光照射手段は、例えば、内部共振器を含み、前記第２レーザ光が、前記内部共振器による共振を経た光であってもよい。これらの外部共振器、光パラメトリック発振器または内部共振器による共振を用いることが、前記第２レーザ光の発生効率、信頼性、デバイス寿命等の観点から好ましい。また、第２レーザ光は、前述のとおり、連続波でもパルス波でもよい。

一例として、前記第２レーザ光照射手段は、例えば、レーザ光発生装置であって、
基本波を発生する基本波発生手段と、
第１の第二高調波発生手段と、
和周波混合手段と、
第２の第二高調波発生手段とを含み、
前記基本波を前記第１の第二高調波発生手段によって第二高調波に変換し、
前記第１の第二高調波発生手段を透過した残存の前記基本波と、前記第１の第二高調波発生手段から発生する第二高調波とを、前記和周波混合手段によって第三高調波に変換し、
前記和周波混合手段から発生する第三高調波を、前記第２の第二高調波発生手段によって第六高調波に変換して前記第２レーザ光とする、
レーザ光発生装置であってもよい。

本例において、前記基本波は、連続波でもよいし、パルス波（パルスレーザ光）であってもよい。前記基本波の波長は、特に制限されないが、例えば１５４０〜１５６５ｎｍ、特に好ましくは１５４７ｎｍである。前記第１の第二高調波発生手段から発生する第二高調波の波長は、特に制限されないが、前記基本波の波長の２分の１であり、例えば７７０〜７８３ｎｍ、特に好ましくは７７３．５ｎｍである。前記和周波混合手段から発生する第三高調波の波長は、特に制限されないが、例えば５１３〜５２２ｎｍ、特に好ましくは５１５．７ｎｍである。前記第２の第二高調波発生手段から発生する第六高調波の波長は、特に制限されないが、前記第三高調波の波長の２分の１であり、例えば２５６〜２６１ｎｍ、特に好ましくは２５７．８ｎｍである。

前記基本波発生手段は、特に制限されないが、例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、エルビウム・イットリビウム共添加ファイバ増幅器（ＥＹＤＦＡ）等、前述の第１レーザ光照射手段と同様のものを用いることができる。この場合、前記基本波の波長は、例えば、１５４７ｎｍであるが、厳密に１５４７ｎｍでなくても、例えば、前述のような適宜な波長でもよい。前記第１の第二高調波発生手段、前記和周波混合手段および前記第２の第二高調波発生手段は、特に制限されない。例えば、前記第１の第二高調波発生手段、前記和周波混合手段および前記第２の第二高調波発生手段は、それぞれ、適宜なＮＬＯを含み、前記ＮＬＯにより和周波混合（第二、第三および第六高調波への変換）を行うものであってもよい。前記ＮＬＯとしては、例えば、ＬＢＯ結晶、β−ＢＢＯ（ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）結晶等があげられる。前記ＮＬＯの結晶形も、特に制限されず、例えば、ｔｙｐｅＩでもｔｙｐｅＩＩでもよい。

前記基本波発生手段、前記第１の第二高調波発生手段、前記和周波混合手段および前記第２の第二高調波発生手段の位置関係、結合関係等も、特に制限されず、前述した波長変換動作が可能であればよい。また、本例の第２レーザ光照射手段において、前記和周波混合手段および前記第２の第二高調波発生手段は、他の高調波発生手段で代替され得る。

別の例として、前記第２レーザ光照射手段は、例えば、レーザ光発生装置であって、
基本波を発生する基本波発生手段と、
第１の第二高調波発生手段と、
第２の第二高調波発生手段とを含み、
前記基本波を前記第１の第二高調波発生手段によって第二高調波に変換し、
前記第１の第二高調波発生手段から発生する第二高調波を、前記第２の第二高調波発生手段によって第四高調波に変換して前記第２レーザ光とする、
レーザ光発生装置であってもよい。

本例において、前記基本波は、連続波でもよいし、パルス波（パルスレーザ光）であってもよい。前記基本波の波長は、特に制限されないが、例えば１０３０〜１０８０ｎｍ、好ましくは１０４５〜１０７０ｎｍ、特に好ましくは１０６４ｎｍである。前記第１の第二高調波発生手段から発生する第二高調波の波長は、特に制限されないが、前記基本波の波長の２分の１であり、例えば５１５〜５４０ｎｍ、好ましくは５２２〜５３５ｎｍ、特に好ましくは５３２ｎｍである。前記第２の第二高調波発生手段から発生する第四高調波の波長は、特に制限されないが、前記第二高調波の波長の２分の１であり、例えば２５７〜２７０ｎｍ、好ましくは２６１〜２６８ｎｍ、特に好ましくは２６６ｎｍである。

前記基本波発生手段は、特に制限されないが、例えば、ＹＤＦＡ（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、イッテルビウム添加ファイバ増振器）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ光源、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ光源、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ光源等でもよい。この場合、前記基本波の波長は、例えば、１０６４ｎｍであるが、厳密に１０６４ｎｍでなくても、例えば、前述のような適宜な波長でもよい。前記第１および第２の第二高調波発生手段は、特に制限されない。例えば、前記第１および第２の第二高調波発生手段は、それぞれ、適宜なＮＬＯを含み、前記ＮＬＯにより和周波混合（第二および第四高調波への変換）を行うものであってもよい。前記ＮＬＯとしては、例えば、ＬＢＯ結晶、β−ＢＢＯ（ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）結晶等があげられる。前記ＮＬＯの結晶形も、特に制限されず、例えば、ｔｙｐｅＩでもｔｙｐｅＩＩでもよい。

前記基本波発生手段、前記第１の第二高調波発生手段および前記第２の第二高調波発生手段の位置関係、結合関係等も、特に制限されず、前述した波長変換動作が可能であればよい。また、本例の第２レーザ光照射手段において、前記第２の第二高調波発生手段は、他の高調波発生手段で代替され得る。

［３：第３レーザ光発生手段］
本発明のレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させる第３レーザ光発生手段は、第１のＮＬＯを含む以外は特に制限されない。

前記第３レーザ光発生手段において、前記第１のＮＬＯも、特に制限されないが、ｔｙｐｅＩＩのＬＢＯ結晶の他、一般に用いられるものとしてはｔｙｐｅＩのＢＢＯ結晶、ｔｙｐｅＩのＣＬＢＯ結晶、ｔｙｐｅＩのＬＢＯ結晶が考えられるが、これらの中でも、ｔｙｐｅＩＩのＬＢＯ結晶は本発明との組み合わせによって特に好ましい結果が得られる。前記第１のＮＬＯの大きさも、特に制限されず、適宜設定可能である。前述のとおり、本発明では、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記第１のＮＬＯに非同軸で照射し、前記第１のＮＬＯ内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を同軸とすることにより和周波混合を行う。このため、本発明によれば、前記第１のＮＬＯの長さ（素子長）を長くしても、高い波長変換効率で、高品質の短波長化された第３レーザ光を取得可能である。前記素子長は、例えば２０ｍｍ以上、好ましくは４０ｍｍ以上、より好ましくは６０ｍｍ以上である。前記第１のＮＬＯの形状等も、特に制限されず、適宜設定可能である。前記第１のＮＬＯの製造方法も、特に制限されず、例えば、公知の製造方法を適宜用いることができる。

本発明のレーザ光発生装置は、
さらに、前記第１レーザ光および前記第３レーザ光を和周波混合させて第４レーザ光を発生させる第４レーザ光発生手段を備え、
前記第４レーザ光発生手段が、第２のＮＬＯを含み、前記和周波混合が、前記第２のＮＬＯに前記第１レーザ光および前記第３レーザ光が照射されることにより行われてもよい。この場合、前記第４レーザ光発生手段が、光学系を含み、前記光学系を介して、前記第２のＮＬＯに前記第１レーザ光および前記第３レーザ光が照射されることが好ましい。

また、本発明のレーザ光発生方法は、
さらに、前記第１レーザ光および前記第３レーザ光を第２のＮＬＯに照射し、前記第２のＮＬＯにより和周波混合させて第４レーザ光を発生させる第４レーザ光発生工程を含んでもよい。
この場合、前記第４レーザ光発生工程において、光学系を介して、前記第２のＮＬＯに前記第１レーザ光および前記第３レーザ光を照射することが好ましい。

図３の模式図に、本発明のレーザ光発光装置の別の例を示す。同図において、図１と同一部分には同一符号を付している。図示のとおり、このレーザ光発生装置３は、図１に示したレーザ光発生装置１の構成に加え、第４レーザ光発生手段４０および波長分散プリズム５０を備えている。前記第４レーザ光発生手段４０は、第２のＮＬＯ４２および集光光学系（集光レンズ４３）を含む。

本例のレーザ光発生装置３を用いたレーザ光発生方法では、前記第３レーザ光発生手段３０を透過した残存の前記第１レーザ光１１と、前記第３レーザ光発生手段３０から発生した第３レーザ光３１とを、前記第２のＮＬＯ４２によって和周波混合させて第４レーザ光４１を発生させる。このとき、前記第３レーザ光発生手段３０を透過した残存の前記第１レーザ光１１と、前記第３レーザ光発生手段３０から発生した第３レーザ光３１とが、同じ偏光（共に常光）で同軸となっているので、改めて二つのレーザ光の重なりを調整する必要がなく、第４レーザ光発生工程におけるアライメントが極めて容易となる。前記第４レーザ光発生手段４０を透過した残存の第１レーザ光１１と第３レーザ光３１と、前記第４レーザ光発生手段４０から発生した第４レーザ光４１とは、前記波長分散プリズム５０により分離される。前記第２のＮＬＯは、特に制限されないが、第４レーザ光として波長１９０〜２００ｎｍの紫外光が得られることから、ｔｙｐｅＩのＣＬＢＯ結晶、ｔｙｐｅＩのＢＢＯ結晶、ｔｙｐｅＩのＬＢＯ結晶が好ましく、これらの中でも、ｔｙｐｅＩのＣＬＢＯ結晶が特に好ましい。前記第２のＮＬＯの大きさ、形状等も特に制限されず、適宜設定可能である。また、前記第２のＮＬＯの製造方法も特に制限されず、例えば、公知の製造方法を適宜用いることができる。

図４の模式図に、本発明のレーザ光発光装置のさらに別の例を示す。同図において、図３と同一部分には同一符号を付している。図示のとおり、このレーザ光発生装置４は、前記第４レーザ光発生手段４０が、集光光学系（集光レンズ４３）に代えて色収差が補償された光学系（本例では、一対の凹面反射鏡４４ａ、４４ｂ）を含むこと以外、図３に示したレーザ光発生装置３と同様の構成である。本例のレーザ光発生装置４を用いたレーザ光発生方法によれば、集光光学系における色収差がなくなり、第４レーザ光発生工程における変換効率をより高くすることが可能である。前記色収差が補償された光学系は、前記一対の凹面反射鏡に代えて、例えば、回折レンズ等であってもよい。

つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、下記の実施例により限定および制限されない。

［実施例１］
図４に示すレーザ光発生装置４を用いて、レーザ光を発生させた。第１レーザ光１１には、波長１５４７ｎｍの常光を、第２レーザ光２１には、波長２５７．８ｎｍ（波長１５４７ｎｍの基本波の第六高調波）の異常光を、第１のＮＬＯには、ｔｙｐｅＩＩのＬＢＯ結晶を、第２のＮＬＯ４２には、ｔｙｐｅＩのＣＬＢＯ結晶を用いた。本例では、前記第１のＮＬＯの位相整合条件であるθ＝５７．５°、φ＝９０°においては第２レーザ光２１に対して、ｎ_ｚ＝１．６８１２５４、ｎ_ｙ＝１．６６４７４４であり、ρ＝８．９８ｍｒａｄであった。ここで、φは、波数ベクトルｋをｙｚ平面の投影したときのｘ軸からの角度であり、後述の実施例２においても同様である。

前記第１レーザ光１１は、前記第１のＮＬＯの結晶面に対して垂直に入射した。前記第１のＮＬＯの結晶面に対する前記第２レーザ光（異常光）２１の照射角δ_ｅｘｔは、ｎ_ｅ（θ）ρ＝１．６７６×８．９８＝１５．０５ｍｒａｄとした。この結果、第３レーザ光発生手段３０から波長２２１ｎｍの第３レーザ光（常光）３１が発生した。

その後、前記第３レーザ光発生手段３０を透過した残存の前記第１レーザ光１１と、前記第３レーザ光発生手段３０から発生した前記第３レーザ光３１とを、前記第２のＮＬＯ４２によって和周波混合させて波長１９３．４ｎｍの第４レーザ光４１を発生させた。このとき、前記第３レーザ光発生手段３０を透過した残存の前記第１レーザ光１１と、前記第３レーザ光発生手段３０から発生した前記第３レーザ光３１とが、同じ偏光（共に常光）で同軸となっていたので、改めて二つのレーザ光の重なりを調整する必要がなく、第４レーザ光発生工程におけるアライメントが極めて容易であった。

［実施例２］
図４に示すレーザ光発生装置４を用いて、レーザ光を発生させた。第１レーザ光１１には、波長１５６４ｎｍの常光を、第２レーザ光２１には、波長２６６ｎｍ（波長１０６４ｎｍの基本波の第四高調波）の異常光を、第１のＮＬＯには、ｔｙｐｅＩＩのＬＢＯ結晶を、第２のＮＬＯ４２には、ｔｙｐｅＩのＣＬＢＯ結晶を用いた。本例では、前記第１のＮＬＯの位相整合条件であるθ＝５０．５°、φ＝９０°においては前記第２レーザ光２１に対して、ｎ_ｚ＝１．６７５９５０、ｎ_ｙ＝１．６５９５８５であり、ρ＝９．６４ｍｒａｄであった。

前記第１レーザ光１１は、前記第１のＮＬＯの結晶面に対して垂直に入射した。前記第１のＮＬＯの結晶面に対する前記第２レーザ光（異常光）２１の照射角δ_ｅｘｔは、ｎ_ｅ（θ）ρ＝１．６６９×９．６４＝１６．０８ｍｒａｄとした。この結果、第３レーザ光発生手段３０から波長２６６ｎｍの第３レーザ光（常光）３１が発生した。

その後、前記第３レーザ光発生手段３０を透過した残存の前記第１レーザ光１１と、前記第３レーザ光発生手段３０から発生した前記第３レーザ光３１とを、前記第２のＮＬＯ４２によって和周波混合させて波長１９８．５ｎｍの第４レーザ光４１を発生させた。このとき、前記第３レーザ光発生手段３０を透過した残存の前記第１レーザ光１１と、前記第３レーザ光発生手段３０から発生した前記第３レーザ光３１とが、同じ偏光（共に常光）で同軸となっていたので、改めて二つのレーザ光の重なりを調整する必要がなく、第４レーザ光発生工程におけるアライメントが極めて容易であった。

以上説明したとおり、本発明のレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法によれば、高い波長変換効率で、高品質の短波長化されたレーザ光を取得可能であり、且つ、前記短波長化されたレーザ光のウォークオフが無く、波長の異なる二つのレーザ光の和周波混合に対応可能である。本発明によれば、半導体製造、ウェファ検査、マスク検査において、従来は実現不可能であった検査が可能となり、半導体産業に対する大きな影響が期待される。例えば、半導体製造工程、マスク製造工程に本発明を適用することで、例えば、検査精度の向上、歩留まりの向上、製造コストの低下等が可能である。また、本発明のレーザ光発生装置およびレーザ光発生方法は、前記半導体製造等の用途に限定されず、様々な用途に適用可能である。

１、３、４ レーザ光発生装置
１０ 第１レーザ光照射手段
１１ 第１レーザ光
２０ 第２レーザ光照射手段
２１ 第２レーザ光
３０ 第３レーザ光発生手段
３１ 第３レーザ光
４０ 第４レーザ光発生手段
４１ 第４レーザ光
４２ 第２のＮＬＯ
４３ 集光レンズ
４４ａ、４４ｂ 凹面反射鏡

Claims (10)

1. 第１レーザ光を照射する第１レーザ光照射手段と、
   第２レーザ光を照射する第２レーザ光照射手段と、
   前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させて第３レーザ光を発生させる第３レーザ光発生手段とを備えたレーザ光発生装置であって、
   前記第３レーザ光発生手段が、第１の非線形光学結晶を含み、前記和周波混合が、前記第１の非線形光学結晶に前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が非同軸で照射され、前記第１の非線形光学結晶内において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が同軸とされることにより行われることを特徴とするレーザ光発生装置。
2. 前記第１の非線形光学結晶が、ｔｙｐｅＩＩの位相整合を満たすＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）結晶である請求項１記載のレーザ光発生装置。
3. さらに、前記第１レーザ光および前記第３レーザ光を和周波混合させて第４レーザ光を発生させる第４レーザ光発生手段を備え、
   前記第４レーザ光発生手段が、第２の非線形光学結晶を含み、前記和周波混合が、前記第２の非線形光学結晶に前記第１レーザ光および前記第３レーザ光が照射されることにより行われる請求項１または２記載のレーザ光発生装置。
4. 前記第４レーザ光発生手段が、光学系を含み、
   前記光学系を介して、前記第２の非線形光学結晶に前記第１レーザ光および前記第３レーザ光が照射され、
   前記光学系が、色収差が補償された光学系である請求項３記載のレーザ光発生装置。
5. 前記第２の非線形光学結晶が、ＣＬＢＯ結晶である請求項３または４記載のレーザ光発生装置。
6. 第１レーザ光を発生させる第１レーザ光発生工程と、
   第２レーザ光を発生させる第２レーザ光発生工程と、
   前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を和周波混合させて第３レーザ光を発生させる第３レーザ光発生工程とを含むレーザ光発生方法であって、
   前記第３レーザ光発生工程において、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を第１の非線形光学結晶に非同軸で照射し、前記第１の非線形光学結晶内で、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を同軸とすることにより前記和周波混合を行うことを特徴とするレーザ光発生方法。
7. 前記第１の非線形光学結晶に、ｔｙｐｅＩＩの位相整合を満たすＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）結晶を用いる請求項６記載のレーザ光発生方法。
8. さらに、前記第１レーザ光および前記第３レーザ光を第２の非線形光学結晶に照射し、前記第２の非線形光学結晶により和周波混合させて第４レーザ光を発生させる第４レーザ光発生工程を含む請求項６または７記載のレーザ光発生方法。
9. 前記第４レーザ光発生工程において、
   光学系を介して、前記第２の非線形光学結晶に前記第１レーザ光および前記第３レーザ光を照射し、
   前記光学系に、色収差が補償された光学系を用いる請求項８記載のレーザ光発生方法。
10. 前記第２の非線形光学結晶に、ＣＬＢＯ結晶を用いる請求項８または９記載のレーザ光発生方法。

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