JP2011145493A

JP2011145493A - 光源装置

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Publication number: JP2011145493A
Application number: JP2010006264A
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Inventors: Akira Tokuhisa; 章徳久
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Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: JP5397773B2

Abstract

【課題】レーザ光の出射光路を制御可能な新たな構成の光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１は、各々レーザ光を出射する第１，第２レーザ出力部II,IIIと、第１のウォークオフ角で配置され第１，第２レーザ出力部II,IIIから出射されたレーザ光が入射する第１非線形光学結晶３５と、第１のウォークオフ角と直交する第２のウォークオフ角で配置され第１波長変換光学素子３５から出射したレーザ光が入射する第２非線形光学結晶３６と、ビーム制御装置８０とを備える。ビーム制御装置８０は、第１非線形光学結晶３５における位相整合条件及び第２非線形光学結晶３６における位相整合条件の少なくともいずれかを変化させ、ビームポインティングを変化させることにより、第２非線形光学結晶３６から出射されるレーザ光の出射光路を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のレーザ出力部から出射されたレーザ光が波長変換部で波長変換され出射される光源装置に関し、なお詳細には、波長変換部から出射されるレーザ光の光路を高速で調整可能な光源装置に関するものである。

複数のレーザ出力部から出射されたレーザ光が波長変換部で波長変換され出射される光源装置として、半導体レーザにより発生された赤外〜可視領域のレーザ光（シード光）を、ファイバー光増幅器等の光増幅部により増幅し、これを複数の波長変換光学素子からなる波長変換部により波長変換して紫外領域のパルス光を出力する全固体型の光源装置がある。このような光源装置は、微細構造を観察するレーザ顕微鏡や各種の光学検査装置、レチクルの微細パターンを転写する露光装置、眼科治療に用いる医療装置等の分野において、好適な光源として利用が進展している（例えば特許文献１）。

一般的に、光源装置から出射されるレーザ光のビームポインティング（Beam Pointing）は時間的に変動している。これは気流や、光源装置を構成する部材の熱的安定、共振などによるものと考えられている。微細加工や光学的な検査などの一部の用途においては、レーザ光のポインティングを安定させることが求められる。従来では、光路上に設けたミラーをガルバノメータ等で制御することにより変動する入射光の出射光路を調整し、これにより光源装置から出射されるレーザ光のポインティングを安定させる手法が用いられていた。

特開２００４−８６１９３号公報

しかしなら、上記のようにミラーを制御する構成では、機構部品の損耗や発塵の問題、短波長領域でのミラーダメージ等の問題があった。また、ミラーの応答速度には限度があり、現実的に使用可能な応答速度は周波数でkHzのオーダーである。そのため、ミラーに入射するレーザ光のビームポインティングがmsec以下のオーダーで高速変動するような場合には、これに応答して出射光路を調整し、ビームポインティングを安定させることが困難であるという課題もあった。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、これらの課題を解決しレーザ光の出射光路を制御可能な新たな光源装置を提供することを目的とする。

本発明を例示する態様に従えば、各々レーザ光を出射する第１レーザ出力部及び第２レーザ出力部と、第１非線形光学結晶（例えば、実施形態における波長変換光学素子３５）が第１の角度方向にウォークオフ（Walk off）を生じる配置の角度位相整合で用いられ、第１レーザ出力部から出射されたレーザ光及び第２レーザ出力部から出射されたレーザ光の少なくとも一方のレーザ光が入射して波長変換される第１波長変換部（例えば、実施形態における波長変換部３０）と、第２非線形光学結晶（例えば、実施形態における波長変換光学素子３６）が前記第１の角度方向と直交する角度方向にウォークオフを生じる配置の角度位相整合で用いられ、第１波長変換部から出射されたレーザ光及び他方のレーザ光（第１レーザ出力部から出射されたレーザ光及び第２レーザ出力部から出射されたレーザ光がともに第１波長変換部に入射する場合には第１波長変換部から出射されたレーザ光）が入射して波長変換される第２波長変換部（例えば、実施形態における波長変換部３０）と、前記第１非線形光学結晶における位相整合状態及び前記第２非線形光学結晶における位相整合状態の少なくともいずれかを変化させ、位相不整合量に応じてビームポインティングを変化させることにより、前記第２波長変換部から出射されるレーザ光の出射光路を変化させるビーム制御装置とを備えて光源装置が構成される。

なお、前記ビーム制御装置は、前記第１レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長及び前記第２レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長の少なくともいずれかを変化させることにより、前記第１、第２非線形光学結晶における位相不整合量を変化させるように構成することができる。

この場合において、前記第１及び第２レーザ出力部の少なくともいずれかは、パルス発振するレーザ光源と、このレーザ光源により発生されたパルス状のレーザ光の一部を切り出して出射させる光変調器とを備え、前記ビーム制御装置が、光変調器による切り出しタイミングを変化させることにより、出射されるレーザ光の波長を変化させるように構成することが一つの好ましい態様である。

なお、レーザ光を出射する第３レーザ出力部をさらに備えるとともに、前記第１、第２、第３レーザ出力部から出射されたレーザ光の少なくともいずれかが前記第１波長変換部に入射され、第１波長変換部から出射されたレーザ光及び第１、第２、第３レーザ出力部から出射されたレーザ光の少なくとも他のいずれかが第２波長変換部に入射され（第１〜第３レーザ出力部から出射されたレーザ光が全て第１波長変換部に入射する場合には第１波長変換部から出射されたレーザ光）、前記ビーム制御装置は、第１、第２、第３レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長の少なくともいずれか二つを変化させることにより、前記第１、第２非線形光学結晶における位相不整合量を変化させ、前記第２波長変換部から出射されるレーザ光の出射光路を光軸に直行する任意方向に調整可能に構成することも好ましい態様である。

以上の本発明において、前記第２波長変換部から出射されたレーザ光の光軸直行方向の位置を検出するビーム位置検出器を備え、前記ビーム制御装置が、ビーム位置検出器により検出されたレーザ光の光軸直行方向位置に基づいてレーザ光の出射光路を調整するように構成することが好ましい態様である。

本発明の光源装置によれば、ウォークオフの角度が直交する方向で配置された第１、第２非線形光学結晶の少なくともいずれかに位相不整合量を与えてビームポインティングを変化させることにより、第２非線形光学結晶から出射されるレーザ光の出射光路が制御される。すなわち、第１非線形光学結晶に位相不整合量を与えることにより第１の角度方向（例えばＸ軸方向）にビームポインティングを変化させ、第２非線形光学結晶に位相不整合量を与えることにより第１の角度方向と直交する角度方向（例えばＹ軸方向）にビームポインティングを変化させ、これにより第２非線形光学結晶から出射されるレーザ光の出射光路をＸ−Ｙ平面内の任意方向に変化させることができる。このため、ミラー制御系を用いない斬新な構成で、レーザ光の出射光路を制御可能な光源装置を提供することができる。なお、第１、第２レーザ出力部から出射されたレーザ光の一方を第１非線形光学結晶に入射させ、他方を第２非線形光学結晶に入射させるような場合でも、第１非線形光学結晶と第２非線形光学結晶とを近接配置することにより第２非線形光学結晶でのビームの重なりを保持することができる。また、第１非線形光学結晶と第２非線形光学結晶との間にレンズを配置し、レンズの焦点位置に第２非線形光学結晶を配置することにより、第１非線形光学結晶から出射されるレーザ光のポインティング変化に拘わらず良好なビームの重ね合わせを確保することができる。

なお、ビーム制御装置が、第１レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長及び第２レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長の少なくともいずれかを変化させることにより、第１、第２非線形光学結晶における位相不整合量を変化させるような構成によれば、取り扱いが容易な波長領域を利用して比較的簡明な構成で上記効果を有する光源装置を提供することができる。この場合において、レーザ光源により発生されたパルス状のレーザ光の一部を切り出して出射させる光変調器を備え、光変調器による切り出しタイミングを変化させることにより、出射されるレーザ光の波長を変化させるような構成によれば、パルス光の１パルス単位（ナノ秒〜ミリ秒単位）でレーザ光の出射光路を制御可能な光源装置を提供することができる。

さらに、第２波長変換部から出射されたレーザ光の光軸直行方向の位置を検出するビーム位置検出器を備え、ビーム制御装置が、ビーム位置検出器により検出されたレーザ光の光軸直行方向位置に基づいてレーザ光の出射光路を調整するような構成によれば、ビームポインティングの安定性が高い光源装置を提供することができる。

本発明を例示する光源装置の概要構成図である。波長変換部の構成例を示す概要構成図である。７倍波発生用の非線形光学結晶について、高調波出力及びビームポインティングの位相不整合に対する依存性を示した図表である。８倍波発生用の非線形光学結晶について、高調波出力及びビームポインティングの位相不整合に対する依存性を示した図表である。第１構成形態のレーザ光発生部の概要構成図である。レーザ光発生部が発生するパルス光と、光変調器の透過率との関係を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、本発明を適用した光源装置１の概要構成を例示する図１を参照しながら説明する。本実施形態では、レーザ顕微鏡や形状測定器などの光学検査装置に好適に用いられる光源装置を例として説明する。

光源装置１は、大別的には、レーザ光を発生させるレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０により発生されたレーザ光を増幅する光増幅部２０と、光増幅部２０により増幅されたレーザ光を波長変換して出力する波長変換部３０と、光源装置１を構成する各部の作動を制御する制御装置８とを備えて構成される。実施形態には、レーザ光発生部１０及び光増幅部２０が並列３系統からなる構成例を示しており、説明の便宜上、図１における上方から第１系列、第２系列、第３系列と称して説明する。なお、図１中に一点鎖線で囲む領域が、特許請求の範囲における第１〜第３レーザ出力部に相当し、以降説明する実施形態においては、第１レーザ出力部II、第２レーザ出力部III、第３レーザ出力部Ｉとなる。

レーザ光発生部１０は、第１，第２，第３の各系列に設けられ、赤外〜可視領域において所定波長のパルス状のレーザ光（以下、便宜的に「シード光」Ｌsという）を発生するレーザ光源１１，１２，１３と、各レーザ光源により発生されたシード光の一部を切り出して短パルスのシード光（以下、便宜的に「パルスシード光」Ｌpという）を出射させる光変調器１５，１６，１７とを備えて構成される。

レーザ光源１１，１２，１３は、光源装置１の出力波長、及び波長変換部３０の構成に応じて各々適宜な発振波長、発振形態のものを用いることができるが、本実施形態では、レーザ光源１１〜１３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、いずれも波長λ＝１．５４４[μm]の単一波長のシード光を発生させる構成を示す。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、制御装置８がレーザ光源１１〜１３の作動を制御し、各レーザ光源から繰り返し周波数が数百[kHz]〜数[MHz]程度、パルス幅１〜２０[nsec]程度の単一波長のシード光Ｌs（Ｌs₁，Ｌs₂，Ｌs₃）を発生させる。なお、以下では、レーザ光源１１〜１３を、適宜「ＤＦＢ半導体レーザ」とも表記する。

光変調器１５，１６，１７は、第１，第２，第３系列のレーザ光源により発生されたシード光Ｌsの一部を各々時間的に切り出して出射する。光変調器１５〜１７として、例えば、電気光学変調器（ＥＯＭ）が用いられる。光変調器１５〜１７は、制御装置８により各レーザ光源１１〜１３と同期制御され、レーザ光源が発生したパルス幅１〜２０[nsec]のシード光Ｌsからパルス幅０．３〜１[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（Ｌp₁，Ｌp₂，Ｌp₃）がレーザ光発生部１０から出射される。

光増幅部２０は、系列ごとに設けられたファイバー光増幅器２１，２２，２３を主体として構成され、レーザ光発生部１０から出射されたパルスシード光Ｌp（Ｌp₁，Ｌp₂，Ｌp₃）を、波長変換部３０の構成や求められる高調波出力に応じて各ファイバー光増幅器で増幅する。波長１．５[μm]帯の赤外光を増幅するファイバー光増幅器２１〜２３として、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）やラマン・レーザ励起のＥＤＦＡが用いられる。ファイバー光増幅器２１〜２３により増幅された光（以下、便宜的に「パルス光」という）Ｌa（Ｌa₁，Ｌa₂，Ｌa₃）は、光増幅部２０から出射され波長変換部３０に入射される。

波長変換部３０は、光増幅部２０から入射するパルス光Ｌaを、光源装置１の仕様に応じた波長に変換して出力する。ここで、本発明の光源装置１は、波長変換部３０に、直行方向にウォークオフを生じる二つの非線形光学結晶が直列に配置される構成を含むものであればよく、波長変換部３０に入射するパルス光Ｌa（Ｌa₁，Ｌa₂，Ｌa₃）の波長や波長変換部３０から出射される出力光の波長、当該波長に変換するための波長変換部３０の具体的な構成（波長変換光学素子の組み合わせや配置等）は、既に公知の種々の形態に適用することができる。

本実施形態では、波長λ＝１．５４４[μm]の基本波を、８倍波に相当する波長λ＝１９３[nm]の紫外波に変換する構成を代表例として図２に例示し、この構成について説明する。なお、図２において、光路上に楕円形で示す図形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。

波長変換部３０は、６つの波長変換光学素子３１〜３６を主体として構成される。第１系列のファイバー光増幅器２１により増幅され波長変換部３０に入射した周波数ω（基本波）のパルス光Ｌa₁は、この系列に設けられた波長変換光学素子によりω→２ω→３ω→５ωの順に波長変換される。第２系列のファイバー光増幅器２２により増幅され波長変換部３０に入射した周波数ωのパルス光Ｌa₂は、この系列に設けられた波長変換光学素子によりω→２ωに波長変換される。そして、第１系列の５倍波と第２系列の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系列のファイバー光増幅器２３により増幅された周波数ωのパルス光Ｌa₃の和周波発生により８倍波８ωが生成される。

第１系列では、ファイバー光増幅器２１から出射したＰ偏光の基本波（パルス光）Ｌa₁が波長変換光学素子３１に集光入射され、Ｐ偏光の２倍波（２ω）が発生される。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）が発生される。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結晶が例示されるが、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。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。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できる。波長変換光学素子３３から出射された５倍波はシリンドリカルレンズ４２v，４２hにより整形し、ダイクロイックミラー４３に入射させる。

第２系列では、ファイバー光増幅器２２から出射したＰ偏光の基本波（パルス光）Ｌa₂が波長変換光学素子３４に集光入射され、Ｐ偏光の２倍波（２ω）を発生される。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、波長変換光学素子３１と同様の結晶が用いられる。

第３系列では、ファイバー光増幅器２３から出射した基本波（パルス光）Ｌa₃をＳ偏光で波長変換部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で反射された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、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、例えば、ＣＬＢＯ結晶（ＣsＬiＢ₆Ｏ₁₀結晶）が、タイプＩの角度位相整合（ＣＰＭ：Critical Phase Matching）で用いられる。

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、近接配置された波長変換光学素子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、例えば、上記同様にＣＬＢＯ結晶が、タイプＩの角度位相整合で用いられる。

このようにして、光増幅部２０から出力された波長１．５４４[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が出射される。

以上のように構成される光源装置１にあって、制御装置８に、波長変換光学素子３５における位相整合状態、及び波長変換光学素子３６における位相整合状態の少なくともいずれかを変化させ、位相不整合量に応じてビームポインティングを変化させることにより、波長変換部３０から出射される紫外光Ｌvの出射光路を変化させるビーム制御装置８０が備えられている。以下では、まず上記作用を実現するための原理から説明する。

いま、波長変換部３０に入射する基本波の周波数を変化させたとき、７倍波発生用の非線形光学結晶（波長変換光学素子）３５での位相不整合量の変化Δk₇、８倍波発生用の非線形光学結晶（波長変換光学素子）３６での位相不整合量の変化Δk₈は、下記（１）式で与えられる。なお、非線形光学結晶３５，３６のウォークオフの方向は、それぞれ紙面に垂直、水平方向である。

ここで、位相不整合量の変化は、本来的には、d(Δk_i)のように表わされるが、本明細書においては、記載表現簡略化のため、Δk_iと表記する。なお、（１）式中のα_i,β_iは結晶材料の持つ分散から決まり、例えばα₂は、結晶の屈折率ｎを用いて以下のように求められる。

df_iはi倍波（i次高調波）の周波数シフトであり、７倍波及び８倍波では次式の関係がある。

上記（１）,（３）式より、

ビームポインティングの変化Δθ及び位相不整合量の変化Δkは、以下に示す数値計算の結果からわかる通り、概ね比例関係にある。

（５）式から、位相不整合量をΔk₇変化させることにより、非線形光学結晶３５から出射する７倍波のビームポインティングを垂直方向にΔθ₇変化させることができ、位相不整合量をΔk₈変化させることにより、非線形光学結晶３６から出射する８倍波のビームポインティングを水平方向にΔθ₈変化させることができることが分かる。また（４）式から、位相不整合量をΔk₇変化させる手段として、２倍波及び５倍波の少なくともいずれかについて周波数（波長）を変化させればよく、位相不整合量をΔk₈変化させる手段として、基本波、２倍波及び５倍波の少なくともいずれかの周波数（波長）を変化させればよいことが分かる。

ここでは、簡単のため、第１系列のレーザ光源１１から出射する基本波の波長を一定とし、７倍波発生用の非線形光学結晶３５に入射する５倍波の波長を一定（df₅＝０）とする。

この場合、例えば、垂直方向にΔθ_７のポインティング変化のみを発生させたいときには、（４）式より、第２系列の２倍波にdf₂を与え、水平方向についてdk₈＝０になるように第３系列の基本波でdf_１を調整すれば良い。一方、水平方向にΔθ₈のポインティング変化のみを発生させたいときには、第３系列の基本波についてdf₁を与えれば良い。以上から、第３系列のdf₁、と第２系列のdf_２を適宜に与えることで、任意のΔθ₇、Δθ₈の組み合わせを発生させることができ、これにより波長変換部３０から出射される紫外光Ｌvの出射光路を、この出射光の光軸に直交する平面内の任意方向に変化させることができる。

なお、ここでは、３つのレーザ光源１１，１２，１３を使用しているが、（４）式から明らかなように、７倍波発生に用いる５倍波と２倍波をレーザ光源１１の基本波から発生させ、８倍波発生に用いる基本波をレーザ光源１３から発生させるようにしても良い。このような構成によれば、基本波（シード光）を発生するレーザ光源の数は２つで良く、光源装置１の構成を簡明化することができる。

次に、ビームポインティングと位相不整合の関係について具体的に説明する。図３及び図４に、高調波（異常光）のポインティングシフトΔθと位相不整合量Δkの関係を表す数値計算の結果を示す。この計算は、ビームの回折効果、ウォークオフ、入射基本波の枯渇などを含む一般的なものである。なお、計算方法の詳細については、例えば、［Smith and Bowers, Phase distortions in sum- and difference-frequency mixing in crystals, JOSA B, Vol.12, No.1, p.49-,(1995)］に開示されている。

図３は、波長変換光学素子３５としてＣＬＢＯ結晶を用い、２倍波と５倍波の和周波発生により７倍波を発生させる場合の、高調波出力及びビームポインティングの位相不整合に対する依存性を示し、図４は、波長変換光学素子３６としてＣＬＢＯ結晶を用い、基本波と７倍波の和周波発生により８倍波を発生させる場合の、高調波出力及びビームポインティングの位相不整合に対する依存性を示したグラフである。

両図において、横軸は位相不整合量Δk[rad/cm＝cm^-1]、縦軸は、位相不整合量Δk＝０のときの高調波出力を１として規格化した規格化出力：Normalized efficiency、及びビームポインティング：Pointing[mrad]である。計算にあたり、入射波のビーム直径は２００[μm]程度、結晶長はいずれも１０[mm]とし、７倍波発生用のＣＬＢＯ結晶のウォークオフ角は約１０[mrad]、８倍波発生用のＣＬＢＯ結晶のウォークオフ角は約３８[mrad]とした。

図示するように、位相不整合Δkを与えると、高調波（７倍波、８倍波）の規格化出力が変化するとともに、ビームポインティングも変化する。これらの変化は、規格化出力がΔk＝０を最大として正負方向ともなだらかに低下するのに対し、ビームポインティングはΔkの変化に伴い一次的に線形変化する。

この変化は、図３中に付記するように、ＣＬＢＯ結晶による７倍波発生において、ポインティングと位相不整合の関係は、Δθ₇／Δk₇≒０．１２[mrad・cm]であることがわかる。また、図４中に付記するように、ＣＬＢＯ結晶による８倍波発生において、ポインティングと位相不整合の関係は、Δθ₈／Δk₈≒０．０７[mrad・cm]であることがわかる。

一方、Δk＝１[cm^-1]を発生させるのに必要な波長シフトについては、ＣＬＢＯ結晶を用いた７倍波発生（２ω＋５ω→７ω）のプロセスでは、２倍波（２ω）の波長変化Δλ₂＝０．０４１[nm]が、Δk₇＝１[cm^-1]に対応する。これを２倍波のもととなる基本波の波長変化に換算すると、基本波（ω）での波長変化Δλ₁＝０．０８２[nm]である。また、ＣＬＢＯ結晶を用いた８倍波発生（ω＋７ω→８ω）のプロセスでは、基本波（ω）の波長変化Δλ₁＝０．０８６[nm]が、Δk₈＝１[cm^-1]に対応する。

まとめると、７倍波，８倍波ともに、Δk＝１[cm^-1]を与えることで１００[μrad]程度のポインティングシフトを発生させることができ、Δk＝１[cm^-1]を発生させるには、基本波の波長λ₁を約０．０８[nm]変化させれば良いことが分かる。

レーザ光源１１〜１３として用いるＤＦＢ半導体レーザの発振波長は、駆動電流Ｉを変化させると、これに伴ってわずかに変化する。この駆動電流Ｉの変化に対する発振波長λの変化の度合いは、ＤＦＢ半導体レーザの型式等により異なるが、一般的に、Δλ／ΔＩ＝０．０１５[nm／mA]程度である。従って、０．０８[nm]程度の波長シフトを発生させるには、レーザ光源１２，１３の駆動電流を５[mA]程度変化させれば良い。なお、シード光発生時におけるＤＦＢ半導体レーザの駆動電流Ｉは、通常ではＩ＝１００[mA]程度であり、この程度の駆動電流変化は十分かつ高速で制御可能である。

また、図３及び図４から、位相不整合量Δkを−１〜＋１[cm^-1]まで変化させ、これにより−１００〜＋１００[μrad]の範囲でポインティングシフトを発生させたとしても、高調波出力は、Δk＝０の最適位相整合状態に対して９０％以上を確保でき、かつ、位相不整合Δkが−１[cm^-1]のときと１[cm^-1]のときとで、ほぼ同じ出力を得ることができる。従って、レーザ光源１２，１３の駆動電流を制御し、波長変換部３０に入射する基本波の波長を制御することにより、波長変換部３０から出射される紫外光Ｌvの出射光路を高速で任意方向に調整可能であることが理解される。

このように、波長変換部３０に入射する基本波の波長を変化させて位相不整合Δkを変化させる手法によれば、短波長の高調波領域と比較して、取り扱いが容易な基本波領域を利用して簡明な構成で上記効果を有する光源装置を提供することができる。

次に、波長変換部３０に入射する基本波の波長を変化させる具体的な手法について説明する。本構成形態では、レーザ光発生部１０から出射するパルスシード光Ｌpの波長を変化させることにより、波長変換部３０に入射するパルス光Ｌaの波長を変化させる二つの構成形態を例示する。第１構成形態のレーザ光発生部１０の概要構成を図５に示す。なお、図５では、３系統からなるレーザ光発生部１０のうち、代表例として第３系統のみを示している。

レーザ光発生部１０は、ＤＦＢ半導体レーザからなりパルス状のシード光Ｌs（Ｌs₃）を発生するレーザ光源１３と、レーザ光源１３により発生されたシード光Ｌsの一部を切り出して出射させる光変調器１５とを備え、制御装置８に設けられたビーム制御装置８０が、光変調器１５による光パルスの切り出しタイミングを変化させることにより、レーザ光発生部１０から出射するパルスシード光Ｌp（Ｌp₃）の波長を変化させるように構成される。そのため、光変調器１５は、ＤＦＢ半導体レーザ１３の発振周波数よりも高速でオン/オフ動作可能な光学素子が用いられ、例えば、電気光学変調器（ＥＯＭ）が用いられる。光変調器１５は、制御装置８に設けられたビーム制御装置８０によりレーザ光源（ＤＦＢ半導体レーザ）１３と同期制御される。

ビーム制御装置８０は、各部の作動を同期制御するための基準となるクロック８１、クロック８１を基準として所定間隔でトリガパルスを発生するトリガパルス発生器８２、トリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスに基づいて、ＤＦＢ半導体レーザ（レーザ光源）１３を駆動するレーザ駆動信号Ｓ１３を生成するレーザ駆動信号生成部８３、トリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスを所定範囲で遅延させるトリガパルス遅延部８４、トリガパルス遅延部８４を介して入力されるトリガパルスに基づいて光変調器１５を駆動するパルス変調信号Ｓ１５を生成するパルス変調信号生成部８５などから構成される。

レーザ駆動信号生成部８３は、トリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスに応答してＤＦＢ半導体レーザ１３を駆動するレーザ駆動信号Ｓ１３を生成し、ＤＦＢ半導体レーザ１３に出力してパルス発振させる。レーザ駆動信号Ｓ１３は、繰り返し周波数が数百[kHz]〜数[MHz]程度、パルス幅１〜２０[nsec]程度のパルス信号である。パルス変調信号生成部８５は、トリガパルス遅延部８４を介してトリガパルス発生器８２から入力されるトリガパルスに応答し、光変調器１５を駆動するパルス変調信号Ｓ１５を生成して光変調器１５に出力する。パルス変調信号Ｓ１５は、パルス幅がレーザ駆動信号Ｓ１３よりも狭く、立ち上がりがレーザ駆動信号よりも所定時間遅延して出力される。

図６は、レーザ駆動信号Ｓ１３により発生されるシード光Ｌsの光パルスと、パルス変調信号Ｓ１５による光変調器１５の透過率Ｔとの関係を例示したものである。この実施例においては、繰り返し周波数１[MHz]、パルス幅１０[nsec]で、強度変調をかけたレーザ駆動信号Ｓ１３をＤＦＢ半導体レーザ１３に出力し、図のようなレーザ駆動信号に比例したパルス波形のシード光Ｌsを発生させ、パルス幅が１[nsec]程度のパルス変調信号Ｓ１５を光変調器１５に出力し、図のように透過率Ｔを変化させてシード光Ｌsの一部を切り出す場合を例示する。なお、図６の縦軸は、シード光Ｌsに関しては光強度、光変調器１５に関しては透過率を示し、パルス発振されるシード光Ｌsのひとつの光パルスについて各波形を示している。

ここで、ＤＦＢ半導体レーザ１３は温度制御されており、本実施形態において発振波長はλ₁＝１．５４４[μm]を基準とした狭帯域化された光である。一方、既述したように、ＤＦＢ半導体レーザ１３は、駆動電流が変化すると発振波長がわずかに変化し、そのレートはΔλ／ΔＩ＝０．０１５[nm／mA]程度である。そのため、ＤＦＢ半導体レーザ１３の駆動電流を５[mA]程度変化させれば、発振波長λ₁を０．０８[nm]程度シフトさせることができ、８倍波発生用の非線形光学結晶３６でΔk₈＝１[cm^-1]を与えることができる。

第１構成形態のレーザ光発生部では、駆動電流Ｉ＝１００[mA]に対して、例えば±１０％程度範囲で強度変調をかけたレーザ駆動信号Ｓ１３によりＤＦＢ半導体レーザ１３をパルス発振させ、トリガパルス遅延部８４によりレーザ駆動信号Ｓ１３に対するパルス変調信号Ｓ１５の遅延時間、すなわち光パルスの切り出しタイミングを変化させることによりレーザ光発生部１０から出射するパルスシード光Ｌpの波長を変化させる。

具体的には、駆動電流Ｉ＝１００[mA]で発振波長が１．５４４[μm]（Δk₈＝０）となるようにＤＦＢ半導体レーザ１３の温度を調整しておき、駆動電流Ｉが１１０から９０[mA]に減少する傾斜パルス形状のレーザ駆動信号Ｓ１３によりＤＦＢ半導体レーザ１３を駆動する。そして、トリガパルス遅延部８４により光パルスの切り出しタイミングを変化させ、例えば駆動電流Ｉ＝９５[mA]の部分の光パルスを切り出して、レーザ光発生部１０から出射するパルスシード光Ｌpの波長を変化させる。

第２構成形態のレーザ光発生部では、中心的な駆動電流Ｉ＝１００[mA]に対し、駆動電流を直接制御する。すなわち、駆動電流Ｉ＝１００[mA]で発振波長が１．５４４[μm]（Δk₈＝０）となるようにＤＦＢ半導体レーザ１３の温度を調整しておき、オン時の駆動電流が一定（フラットトップ）の矩形パルス形状のレーザ駆動信号Ｓ１３によりＤＦＢ半導体レーザ１３を駆動する。そして、オン時の駆動電流Ｉを、例えば９０〜１１０[mA]の範囲で直接制御することにより、レーザ光発生部１０から出射するパルスシード光Ｌpの波長を変化させる。

以上は、ＤＦＢ半導体レーザの駆動電流（励起強度）を変化させ、これにより発振波長を変化させる構成を説明したが、ＤＦＢ半導体レーザの発振波長を直接変化させるように構成してもよい。例えば、レーザ光源１２，１３として、[μsec]〜[nsec]オーダーで高速に波長チューニング可能なＤＦＢ半導体レーザを用い、ビーム制御装置８０が、ＤＦＢ半導体レーザの発振波長を直接制御するように構成することができる。

このような高速の波長チューニング可能なＤＦＢ半導体レーザとして、２つのＤＦＢ部と、その間に設けられた位相シフト部とを有し、位相シフト部に注入する電流を制御することにより発振波長を調整可能とした電流制御波長可変ＤＦＢ半導体レーザが例示される。このような構成（第３構成形態）によれば、位相シフト部への注入電流を制御することでＤＦＢ半導体レーザの発振波長を直接、高速に制御することができる。

以上説明したような構成によれば、数百[kHz]〜数[MHz]程度でパルス発振するＤＦＢ半導体レーザ（レーザ光源）の光パルス１パルス単位、すなわち[μsec]〜[nsec]オーダーで光源装置１から出射される紫外光Ｌvの出射光路を変化させることができる。

次に、波長変換部３０から出射される紫外光のビームポインティングを一定化させる光源装置の構成について図１を参照しながら説明する。この光源装置１は、波長変換部３０の出力光軸上に設けられ、波長変換光学素子３６から出射された紫外光Ｌvの一部を取り出す光学素子５１と、取り出された紫外光Ｌvの光軸直行方向の位置を検出するビーム位置検出器５５とからなるポインティング検出部５０をさらに備えて構成され、ビーム制御装置８０が、ビーム位置検出器５５により検出された紫外光Ｌvの光軸直行方向の位置に応じて、レーザ光発生部１０から出射するパルスシード光Ｌp（既述した実施形態においてＬp₂，Ｌp₃）の波長を変化させ、波長変換部３０から出射される紫外光の出射光路を一定化させる。

光学素子５１は、例えば部分反射鏡が用いられ、波長変換光学素子３６から出射された紫外光Ｌvの０．１〜１％程度を反射して、ビーム位置検出器５５に入射させる。ビーム位置検出器５５は、入射された紫外光ビームの水平方向及び垂直方向の位置を検出し、水平方向及び垂直方向の検出信号（ビーム位置検出信号という）をビーム制御装置８０に出力する。レーザ光のビーム位置を高速・高精度に検出する位置検出器は種々のものがあるが、例えば４分割されたフォトダイオードからなる位置検出器が例示される。

ビーム制御装置８０は、ビーム位置検出器５５から入力されるビーム位置検出信号に基づいて、波長変換光学素子３６から出射された紫外光Ｌvのポインティング変化を算出し、これを補正するようにパルスシード光Ｌpの波長を変化させて、波長変換部３０から出射される紫外光Ｌvの出射光路を一定化させる。

例えば、ビーム位置検出器５５から入力される位置検出信号により、出力ビームのポインティングが水平方向に１００[μrad]変動したと判断されるとき、ビーム制御装置８０は、ＤＦＢ半導体レーザ１３の駆動電流を５[mA]程度変化させて出力ビームに逆方向に１００[μrad]のポインティングシフトを発生させ、波長変換部３０から出射される紫外光Ｌvの出射光路を一定化させる。同様に、位置検出信号から算出される出力ビームのポインティングが垂直方向に５０[μrad]変動したと判断されるとき、ビーム制御装置８０は、ＤＦＢ半導体レーザ１２の駆動電流を２．５[mA]程度変化させて逆方向に５０[μrad]のポインティングシフトを発生させ、波長変換部３０から出射される紫外光Ｌvの出射光路を一定化させる。

このような構成によれば、波長変換光学素子３６から出射される紫外光のポインティング変動が高速でフィードバック制御され、出力光の出射光路が一定化されるため、ポインティングの安定性が高い光源装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、レーザ光発生部から出射される基本波の波長をλ＝１．５４４[μm]とし、８倍波であるλ＝１９３[nm]の紫外光を発生させる場合について例示したが、本発明は、波長変換部３０に、直行方向にウォークオフを生じる二つの非線形光学結晶が直列に配置される構成を含むものであればよく、波長変換部に入射するパルス光Ｌaの波長や波長変換部３０から出射される出力光の波長、当該波長に変換するための波長変換部３０の具体的な構成等は、適宜に構成し同様の効果を得ることができる。

Ｉ第３レーザ出力部
II 第１レーザ出力部
III 第２レーザ出力部
１光源装置
８制御装置
１０レーザ光発生部
１１，１２，１３レーザ光源
１５，１６，１７光変調器
２０光増幅部
２１，２２，２３ファイバー光増幅器
３０波長変換部（第１波長変換部、第２波長変換部）
３１〜３６波長変換光学素子（３５:第１非線形光学結晶、３６:第２非線形光学結晶）
５０ポインティング検出部
５１ビーム位置検出器
８０ビーム制御装置

Claims

各々レーザ光を出射する第１レーザ出力部及び第２レーザ出力部と、
第１非線形光学結晶が第１の角度方向にウォークオフを生じる配置の角度位相整合で用いられ、前記第１レーザ出力部から出射されたレーザ光及び前記第２レーザ出力部から出射されたレーザ光の少なくとも一方のレーザ光が入射して波長変換される第１波長変換部と、
第２非線形光学結晶が前記第１の角度方向と直交する角度方向にウォークオフを生じる配置の角度位相整合で用いられ、前記第１波長変換部から出射されたレーザ光及び他方のレーザ光が入射して波長変換される第２波長変換部と、
前記第１非線形光学結晶における位相整合状態及び前記第２非線形光学結晶における位相整合状態の少なくともいずれかを変化させ、位相不整合量に応じてビームポインティングを変化させることにより、前記第２波長変換部から出射されるレーザ光の出射光路を変化させるビーム制御装置とを備えたことを特徴とする光源装置。
前記ビーム制御装置は、前記第１レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長及び前記第２レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長の少なくともいずれかを変化させることにより、前記第１、第２非線形光学結晶における位相不整合量を変化させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記第１及び第２レーザ出力部の少なくともいずれかは、パルス発振するレーザ光源と、前記レーザ光源により発生されたパルス状のレーザ光の一部を切り出して出射させる光変調器とを備え、
前記ビーム制御装置が、前記光変調器による切り出しタイミングを変化させることにより、出射されるレーザ光の波長を変化させるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
レーザ光を出射する第３レーザ出力部をさらに備えるとともに、前記第１、第２、第３レーザ出力部から出射されたレーザ光の少なくともいずれかが前記第１波長変換部に入射され、
前記第１波長変換部から出射されたレーザ光及び前記第１、第２、第３レーザ出力部から出射されたレーザ光の少なくとも他のいずれかが前記第２波長変換部に入射され、
前記ビーム制御装置は、前記第１、第２、第３レーザ出力部から出射されるレーザ光の波長の少なくともいずれか二つを変化させることにより、前記第１、第２非線形光学結晶における位相不整合量を変化させ、前記第２波長変換部から出射されるレーザ光の出射光路を光軸に直行する任意方向に調整可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記第２波長変換部から出射されたレーザ光の光軸直行方向の位置を検出するビーム位置検出器を備え、
前記ビーム制御装置が、前記ビーム位置検出器により検出されたレーザ光の光軸直行方向位置に基づいてレーザ光の出射光路を調整するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。