JP2012037813A - 紫外レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い出力範囲において迅速に紫外光を出力することができ、かつ、パワーレベルによらず高効率で紫外レーザ光を出力可能な紫外レーザ装置を提供する。
【解決手段】紫外レーザ装置ＬＳは、基本波レーザ光Ｌａを出力するレーザ光出力部１と、基本波レーザ光を紫外レーザ光Ｌｖに波長変換して出力する波長変換部３と、各部の作動を制御する制御部８とを備え、制御部８が基本波レーザ光の出力を制御することにより紫外レーザ光の出力を制御可能に構成される。制御部８には、基本波レーザ光の出力に応じた波長変換光学素子の位相整合条件を予め設定記憶する位相整合条件記憶回路を有し、制御部８が基本波レーザ光の出力に応じた位相整合条件を読み出して波長変換光学素子３５，３６の角度位置を調整し、波長変換光学素子が紫外レーザ光の出力パワーに合致した位相整合状態で動作するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光出力部から出力された赤外〜可視領域の基本波レーザ光を、波長変換部に設けられた波長変換光学素子により紫外領域の紫外レーザ光に波長変換して出力する紫外レーザ装置に関する。

上記のようなレーザ光出力部及び波長変換部を備えた紫外レーザ装置として、例えば、顕微鏡等の観察装置や測定装置、光造形装置や露光装置、治療装置等に好適に用いられるレーザ装置が知られている。紫外レーザ装置は、例えば、ＤＦＢ半導体レーザ等のレーザ光源から出射されたシード光をファイバ光増幅器により増幅し、増幅された基本波レーザ光を波長変換部に設けられた波長変換光学素子により波長変換して、紫外波長のレーザ光を出力するように構成される（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

このような全固体型の紫外レーザ装置を用いた露光装置や検査装置等においては、紫外レーザ装置から出力される紫外レーザ光のパワーが略一定（公知例において最大２００ｍＷ程度）の状態で用いられてきた。また、特に紫外レーザ光の光量を変化させる必要がある場合には、紫外レーザ光の照射時間を減少させたり、最終段の波長変換光学素子から出力された紫外レーザ光の一部を反射して出力光のパワーを減少させる減光光学素子等の減光手段により、紫外レーザ装置から出力される紫外レーザ光の光量を変化させるように構成されていた。

特開２００４−８６１９３号公報 特開２０１０−９３２１０号公報

発明者らは、紫外レーザ装置における出力効率の向上と、紫外レーザ光の出力（パワー）アップとを実現するため、レーザ光出力部から出力される基本波レーザ光のパワーを変化させ、これにより波長変換部から出力される紫外レーザ光のパワーを変化させる紫外レーザ装置の研究に取り組んできた。具体的には、ファイバ光増幅器を励起する励起光の光強度を変化させることによりレーザ光出力部から出力される基本波レーザ光のパワーを増減し、波長変換部に入射する基本波レーザ光のパワーを変化させることによって、紫外レーザ装置から出力される紫外レーザ光のパワーを増減させる構成の研究を行ってきた。

ここで、波長変換光学素子において所定の波長変換を実現するためには、波長変換光学素子に入射して素子中を伝播するレーザ光と、波長変換されて素子中を伝播するレーザ光との位相速度を一致させる必要がある。このように、波長変換前後の光の位相速度を一致させる条件を位相整合条件といい、結晶の複屈折を利用した波長変換光学素子（非線形光学結晶）では、臨界位相整合（ＣＰＭ：Critical Phase Matching、一般的に角度位相整合と称される）と、非臨界位相整合（ＮＣＰＭ：Non-Critical Phase Matching、一般的にＮＣＰＭと略称される）とがある。

角度位相整合は、波長変換光学素子に入射するレーザ光の屈折率と、波長変換により発生するレーザ光の屈折率とが等しくなる所定の位相整合角θpmに、波長変換光学素子の光学軸と入射レーザ光の光軸とがなす相対角度を合わせる位相整合方法である。一般的には、波長変換光学素子の使用条件を明示することにより、波長変換光学素子メーカから位相整合角を基準として結晶カットが行われた波長変換光学素子が提供される。ユーザは波長変換光学素子の入射面に垂直にレーザ光を入射し、波長変換光学素子を当該素子の回転軸（光学軸と位相整合条件を満たすｋベクトルが含まれる面に垂直な軸、ｎ軸とも称される）まわりに微小角度調整して、波長変換効率が最大となる角度位置にセットすることにより、位相整合条件が満たされるようになっている。

ＮＣＰＭは、波長変換光学素子に入射するレーザ光の屈折率と、波長変換により発生するレーザ光の屈折率とが等しくなる位相整合角θpmが９０度（または０度）近傍において満たされるように、波長変換光学素子の温度を合わせる位相整合方法である。波長変換光学素子に入射するレーザ光の波長と波長変換により発生させようとするレーザ光の波長、及び波長変換光学素子の材質等によってＮＣＰＭを適用可能な場面は限定されるが、位相整合角θpmが９０度（または０度）であることからウォークオフが発生せず、ビーム整形が不要な良好なビーム品質と、長い相互作用長に基づく高い変換効率とを得ることができる。

この場合にも、波長変換光学素子の使用条件を波長変換光学素子メーカに明示することにより、波長変換光学素子メーカから９０度（または０度）の位相整合角を基準として結晶カットされた波長変換光学素子が提供される。ユーザは波長変換光学素子の入射面に略垂直にレーザ光を入射し、当該波長変換光学素子の温度を位相整合温度を中心とした所定範囲で調整し、波長変換効率が最大となる温度にセットすることにより、位相整合条件が満たされるようになっている。

そのため、紫外レーザ装置では、波長変換光学素子を波長変換部の所定位置に所定角度姿勢で設置したのち、レーザ光を導入し、波長変換光学素子の角度、あるいは温度を調整して、波長変換光学素子から出力されるレーザ光のパワーが最大となる状態（すなわち位相整合状態）にセットされる。そして、波長変換光学素子の劣化に基づく入射位置のシフトや、上流側の波長変換光学素子の交換に基づく下流側の波長変換光学素子の再調整等の場合を除いて、上記のように初期設定された角度位置、あるいは結晶温度で、紫外レーザ装置が運転されるようになっていた。

このとき、波長変換部に入射する基本波レーザ光のパワーが変化しても、波長変換部に設けられた各波長変換光学素子において、位相整合条件を満足する位相整合角や位相整合温度は大きく変化しないと考えられていた。

実際に、波長変換後のレーザ光が赤外〜可視領域の波長変換光学素子においては、波長変換部に入射する基本波レーザ光のパワーを従来の所定パワー内で変化させても、所定パワーを超えて１０倍程度まで増大させても、位相整合条件を満足する位相整合角はほとんど変化が見られなかった。

ところが、波長変換後のレーザ光が紫外領域の波長変換光学素子においては、基本波レーザ光のパワーを従来の所定パワー内で変化させたときには、位相整合条件を満足する位相整合角にほとんど変化が見られなかった一方で、上記所定パワーを超えると数倍程度の増大でも位相整合条件を満足する位相整合角が変化する現象が見出された。すなわち、ある出力で波長変換効率が最大となる（すなわち位相整合条件を満たす）角度位置に設定しても、異なる出力では波長変換効率が最大とならず、別の角度位置に波長変換効率が最大となる状態が存在することが確認された（詳細は後述する）。このことは、波長変換光学素子に入射するレーザ光のパワーに応じて位相整合条件が変化することを意味する。このような現象は、波長が２３０ｎｍよりも短い深紫外領域で大きく、この波長帯域において好適に用いられるＣＬＢＯ結晶において明確に把握された。

そのため、従来よりも高いパワーの紫外レーザ光を出力する紫外レーザ装置では、各出力で高い効率を得るためには、レーザ光出力部から出力される基本波レーザ光のパワーを変化させて紫外レーザ光の出力を変化させるたびに、波長変換部の上流側に位置する波長変換光学素子から順に、出力が最大となるように各波長変換光学素子の位相整合状態を調整する必要が生じていた。

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、従来よりも数倍以上高パワーの幅広い出力範囲において、煩雑な調整操作を行うことなく迅速に任意パワーの紫外光を出力することができ、かつ、出力パワーにかかわらず高効率で紫外レーザ光を出力可能な紫外レーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明を例示する態様の紫外レーザ装置は、赤外〜可視領域の基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部から出力された基本波レーザ光を紫外領域の紫外レーザ光に波長変換して出力する波長変換部と、レーザ光出力部及び波長変換部の作動を制御する制御部とを備え、制御部がレーザ光出力部から出力する基本波レーザ光の出力を制御することにより波長変換部から出力される紫外レーザ光の出力を制御可能に構成された紫外レーザ装置である。そのうえで、この紫外レーザ装置は、前記制御部に、基本波レーザ光の出力に応じた波長変換光学素子の位相整合条件を予め設定記憶する位相整合条件記憶部（例えば、実施形態における位相整合条件記憶回路８３）を有し、前記波長変換部には、制御部から出力される位相整合制御信号（例えば、実施形態における位相整合補正信号、ステージ駆動信号）に基づいて、波長変換光学素子の位相整合状態を変化させる位相整合調整構造を有している。そして、制御部が、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光の出力に応じた位相整合条件を位相整合条件記憶部から読み出して当該位相整合条件に応じた位相整合制御信号を位相整合調整構造に出力し、波長変換光学素子が基本波レーザ光の出力に合致した位相整合状態で動作するように構成される。

本発明において、前記波長変換光学素子が、前記波長変換部に設けられた複数の波長変換光学素子における、紫外領域のレーザ光が出力される波長変換光学素子であることは好適な構成態様である。また、波長が２３０ｎｍ以下のレーザ光が出力される波長変換光学素子であることが好ましく、前記波長変換光学結晶がＣＬＢＯ結晶であることが好ましい適用例である。

本発明の態様によれば、位相整合条件記憶部に、基本波レーザ光の出力に応じて変化する波長変換光学素子の位相整合条件（例えば各出力に対応した位相整合角あるいは位相整合温度）が予め設定記憶され、波長変換部には、制御部から出力される位相整合制御信号に基づいて波長変換光学素子の位相整合状態を変化させる位相整合調整構造が設けられている。そして、レーザ光出力部から出力する基本波レーザ光の出力に応じた位相整合条件を制御部が位相整合条件記憶部から読み出して位相整合条件に応じた位相整合制御信号を位相整合調整構造に出力し、波長変換光学素子が基本波レーザ光の出力に合致した位相整合状態で動作するように構成される。

これにより、従来よりも数倍以上高パワーの幅広い出力範囲においても、各パワーに応じた位相整合条件が満足されるため、煩雑な調整操作を行うことなく迅速に任意パワーの紫外光を出力することができ、かつ、出力パワーにかかわらず高効率で紫外レーザ光を出力可能な紫外レーザ装置を提供することができる。

本発明の態様として例示する紫外レーザ装置の全体図である。 上記紫外レーザ装置における波長変換部の構成例を示す概要構成図である。 波長変換光学素子において観察された紫外レーザ光の出力と位相整合角との関係を示すグラフである。 位相整合条件のずれを補償する位相整合補償装置の概要ブロック図である。

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。本発明の態様として例示する紫外レーザ装置ＬＳを図１に示す。紫外レーザ装置ＬＳは、大別的には、赤外領域の基本波レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁，Ｌａ₂，Ｌａ₃）を出力するレーザ光出力部１、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部１から出力された基本波レーザ光Ｌａを紫外領域の紫外レーザ光Ｌｖに波長変換して出力する波長変換部３、レーザ光出力部１及び波長変換部３の作動を制御する制御部８、操作パネルやキーボード等を有しオペレータが紫外レーザ装置の運転状態を指示する入力部９などを備え、入力部９から入力される指令信号に基づいて、制御部８がレーザ光出力部１から出力する基本波レーザ光Ｌａの出力を制御し、波長変換部３から出力される紫外レーザ光Ｌｖの出力を制御するように構成される。

例示する紫外レーザ装置ＬＳにおいて、レーザ光出力部１は、第１の基本波レーザ光Ｌａ₁を出力する第１レーザ光出力部１ａと、第２の基本波レーザ光Ｌａ₂を出力する第２レーザ光出力部１ｂと、第３の基本波レーザ光Ｌａ₃を出力する第３レーザ光出力部１ｃとにより構成される。ここで、第１レーザ光出力部１ａから出力する第１の基本波レーザ光Ｌａ₁の波長、第２レーザ光出力部１ｂから出力する第２の基本波レーザ光Ｌａ₂の波長、及び第３レーザ光出力部１ｃから出力する第３の基本波レーザ光Ｌａ₃の波長は、紫外レーザ装置ＬＳから出力する紫外レーザ光Ｌｖの波長や波長変換部３の構成に応じて適宜設定することができる。

また、図１では、レーザ光出力部１を、シード光を出力するレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０から出力されたシード光を増幅する光増幅部２０とにより構成した形態を示す。レーザ光発生部１０には、第１基本波のシード光Ｌs₁を発生する第１レーザ光源１１、第２基本波のシード光Ｌs₂を発生する第２レーザ光源１２、及び第３基本波のシード光Ｌs₃を発生する第３レーザ光源１３が設けられる。

光増幅部２０には、第１レーザ光源１１から出力された第１基本波のシード光Ｌs₁を増幅する第１ファイバ光増幅器２１、第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs₂を増幅する第２ファイバ光増幅器２２、及び第３レーザ光源１３から出力された第３基本波のシード光Ｌs₃を増幅する第３ファイバ光増幅器２３が設けられている。

すなわち、本構成形態のレーザ光出力部１は、第１レーザ光出力部１ａにおいて、第１レーザ光源１１から出力された第１基本波のシード光Ｌs₁が第１ファイバ光増幅器２１により増幅され、増幅された第１の基本波レーザ光Ｌa₁が波長変換部３に出力される。また、第２レーザ光出力部１ｂにおいて、第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs₂が第２ファイバ光増幅器２２により増幅され、増幅された第２の基本波レーザ光Ｌa₂が波長変換部３に出力される。同様に、第３レーザ光出力部１ｃにおいて、第３レーザ光源１３から出力された第３基本波のシード光Ｌs₃が第３ファイバ光増幅器２３により増幅され、増幅された第３の基本波レーザ光Ｌa₃が波長変換部３に出力される。

なお、第１，第２,第３の各ファイバ光増幅器２１，２２，２３は、各々複数のファイバ光増幅器を直列に接続して複数段からなるファイバ光増幅器群として構成することもできる。また、第１，第２，第３の基本波レーザ光Ｌａ₁，Ｌa₂，Ｌａ₃のうち、波長が同一のものがある場合には、シード光を発生するレーザ光源を共通化し、レーザ光源から出力された基本波のシード光を光分割器等により並列分岐して、複数のファイバ光増幅器に入射させるように構成しても良い。例えば、第１〜第３の基本波レーザ光Ｌａ₁〜Ｌａ₃の波長が全て同一の場合には、単一のレーザ光源から出力された基本波のシード光（例えば第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs₂）を光分割器等により３つに並列分岐して、第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３に入射させるように構成することができる。

本構成形態においては、第１，第２，第３レーザ光源１１，１２，１３として、いずれも波長１５４７ｎｍの赤外領域のシード光Ｌｓ（Ｌｓ₁，Ｌｓ₂，Ｌｓ₃）を発生するレーザ光源１１〜１３を用い、各々対応するファイバ光増幅器２１〜２３により増幅して波長１５４７ｎｍの基本波レーザ光を出力する構成とする。

このとき、第１〜第３レーザ光源１１〜１３として、発振波長が１．５μｍ帯のＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、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１５４７ｎｍの単一波長のシード光を発生させることができる。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。なお、レーザ光発生部１０にＥＯＭ（Electro Optic Modulator）等の外部変調器を設け、ＣＷ発振させたＤＦＢ半導体レーザの出力光を外部変調器によりパルス変調して、レーザ光発生部１０からパルス光を出力するように構成しても良い。

波長１５４７ｎｍの赤外光を増幅する第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３として、コアにエルビウム（Ｅｒ）がドープされたエルビウムドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）を好適に用いることができる。第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３は、各ファイバにカプラを介して接続された励起光源の出力、すなわち励起光源から出力される励起光の光強度を制御することによりファイバ光増幅器の増幅率を変化させることができ、これにより、各ファイバ光増幅器から出力される基本波レーザ光Ｌａ₁，Ｌａ₂，Ｌａ₃のパワーを所定範囲で任意に設定することができる。第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３から出力される基本波レーザ光Ｌａ₁〜Ｌａ₃のパワーは制御部８により制御される。

第１ファイバ光増幅器２１により増幅されて出射する第１の基本波レーザ光Ｌa₁、第２ファイバ光増幅器２２により増幅されて出射する第２の基本波レーザ光Ｌa₂、及び第３ファイバ光増幅器２３により増幅されて出射する第３の基本波レーザ光Ｌa₃は、レーザ光出力部１（１ａ，１ｂ，１ｃ）から出力され、波長変換部３に入力される。

なお、以上は、レーザ光出力部１を、レーザ光発生部１０（第１〜第３レーザ光源１１〜１３）と光増幅部２０（第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３）とにより構成した形態を例示したが、レーザ光出力部１を、ファイバレーザ（第１〜第３ファイバレーザ）により構成しても良い。

波長変換部３には、複数の波長変換光学素子及びミラー等からなる波長変換光学系３０が設けられている。波長変換光学系３０の概要構成を図２に示す。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。また図中には、偏光面が紙面に平行なｐ偏光を上下方向の矢印で、偏光面が紙面に垂直なｓ偏光をドット付きの○印で示す。また、基本波をω、そのｎ次高調波をｎωで示す。

本構成例の波長変換光学系３０は、第１ファイバ光増幅器２１から出射された第１の基本波レーザ光Ｌa₁が入射して伝播する第１系列Ｉ、第２ファイバ光増幅器２２から出射された第２の基本波レーザ光Ｌa₂が入射して伝播する第２系列II、第３ファイバ光増幅器２３から出射された第３の基本波レーザ光Ｌａ₃が入射して伝播する第３系列III、及び第１，第２，第３系列を伝播したレーザ光が重ね合わされて伝播する第４系列IVからなり、各系列に設けられた６つの波長変換光学素子３１〜３６を主体として構成される。まず、この波長変換光学系３０の概要について説明する。

第１系列Ｉに入射した波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第１の基本波レーザ光Ｌa₁は、この系列に設けられた波長変換光学素子３１〜３３により順次ω→２ω→３ω→５ωに波長変換され、発生した第５高調波５ωが第４系列IVに入射する。第２系列IIに入射した波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第２の基本波レーザ光Ｌa₂は、この系列に設けられた波長変換光学素子３４によってω→２ωに波長変換され、発生した第２高調波が第４系列IVに入射する。第３系列IIIに入射した波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第３の基本波レーザ光Ｌａ₃は、波長変換されることなく第４系列IVに入射する。

第４系列IVでは、波長変換光学素子３５において、第１系列で発生した第５高調波５ωと第２系列で発生した第２高調波２ωの和周波発生により第７高調波７ωが発生され、波長変換光学素子３６において、第７高調波７ωと第３系列IIIから入射した基本波ω（第３の基本波レーザ光Ｌa₃）との和周波発生により、周波数が基本波ωの８倍、波長が基本波の１／８である波長１９３ｎｍの第８高調波８ωが生成される。以下、各系列の波長変換光学素子を含め波長変換光学系３０の詳細構成を説明する。

第１系列Ｉには、波長変換光学素子３１，３２，３３が配設されている。第１系列に入射した第１の基本波レーザ光Ｌａ₁は波長変換光学素子３１に集光入射し、この波長変換光学素子３１において擬似位相整合を用いた第２高調波発生によりｐ偏光の第２高調波２ωを発生させる。発生したｐ偏光の第２高調波２ωと波長変換光学素子３１を透過したｐ偏光の基本波ω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偏光の第３高調波３ωを発生させる。波長変換光学素子３１，３２は、例えば、第２高調波発生用の波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ（Periodically Poled ＬＮ）結晶、第３高調波発生用の波長変換光学素子３２としてＬＢＯ（ＬiＢ₃Ｏ₅）結晶が好適に用いられる。なお、第２高調波発生用の波長変換光学素子３１として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＬＴ結晶などの他の疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）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において発生したｓ偏光の第３高調波３ωと、波長変換光学素子３２を透過したｐ偏光の第２高調波２ωは、２波長波長板４５を透過させて第２高調波２ωだけをｓ偏光に変換する。２波長波長板は、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、一方の波長の光（第２高調波２ω）に対して偏光面を回転させ、他方の波長の光（第３高調波３ω）に対しては、偏光面が回転しないように、波長板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偏光になった第２高調波２ω及び第３高調波３ωは波長変換光学素子３３に集光入射し、和周波発生により周波数が基本波の５倍、波長が１／５（３０９ｎｍ）の第５高調波５ωを発生させる。第５高調波発生用の波長変換光学素子３３として、例えばＢＢＯ（β-ＢaＢ₂Ｏ₄）結晶が好適に用いられる。このとき、位相整合はTypeＩ角度位相整合である。なお、波長変換光学素子３３として、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ₆Ｏ₁₀）結晶を用いることも可能である。ＢＢＯ結晶から出射される第５高調波５ωは、ウォークオフに起因してビーム断面が楕円形になっているため、２枚のシリンドリカルレンズ４６v，４６hによりビーム断面を円形に整形し、ミラー４１に入射させる。

ミラー４１は、基本波ω及び第２高調波２ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第５高調波５ωの波長帯域のレーザ光を反射する波長選択性を有して構成されており、このミラー（ダイクロイックミラー）４１で反射されたｐ偏光の第５高調波５ωは、第４系列IVの波長変換光学素子３５に入射する。

第２系列IIには波長変換光学素子３４が配設されている。第２系列に入射した第２の基本波レーザ光Ｌa₂は波長変換光学素子３４に集光入射し、ｐ偏光の第２高調波２ωを発生させる。第２高調波発生用の波長変換光学素子３４として、ＰＰＬＮ結晶が好適に用いられる。なお、波長変換光学素子３４として、前記同様の他のＱＰＭ結晶等を用いることができる。波長変換光学素子３４において発生したｐ偏光の第２高調波２ωは、ミラー４２に入射させる。

ミラー４２は、基本波ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第２高調波２ωの波長帯域のレーザ光を反射する波長選択性を有して構成されており、ミラー（ダイクロイックミラー）４２で反射されたｐ偏光の第２高調波２ωは、ミラー４１を透過して第５高調波５ωと同軸に重ね合わされて第４系列IVの波長変換光学素子３５に入射する。

第３系列IIIには波長変換光学素子が設けられていない。第３系列に入射した第３の基本波レーザ光Ｌａ₃は、波長変換されることなくミラー４３に入射する。そして、ミラー４３で反射されたｓ偏光の基本波ωは、ミラー４２及びミラー４１を透過して、ミラー４２で反射された第２高調波２ω及びミラー４１で反射された第５高調波５ωと同軸に重ね合わされて第４系列IVの波長変換光学素子３５に入射する。

第４系列IVには、波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６が配設されている。また、既述した基本波ω、第２高調波２ω、第５高調波５ωの各光路には、波長変換光学素子３５，３６に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、第１系列Ｉから入射したｐ偏光の第５高調波５ωと第２系列IIから入射したｐ偏光の第２高調波２ωとによる和周波発生が行われ、周波数が基本波の７倍、波長が１／７（２２１ｎｍ）の第７高調波７ωが発生される。このとき、位相整合はTypeＩ角度位相整合とした。第７高調波発生用の波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ結晶が好適に用いられる。

波長変換光学素子３５で発生したｓ偏光の第７高調波７ωと、波長第３系列IIIから入射して波長変換光学素子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、和周波発生により周波数が基本波の８倍、波長が１／８（１９３ｎｍ）の第８高調波８ωが発生される。第８高調波発生用の波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶が好適に用いられる。このとき、位相整合はTypeＩ角度位相整合である。

そして、波長変換光学素子３６において発生した波長１９３ｎｍの紫外レーザ光（基本波レーザ光の第８高調波）Ｌｖが、波長変換部３から出力される。

このように構成される紫外レーザ装置ＬＳにおいて、レーザ光出力部１から波長変換部３に出力される基本波レーザ光のパワーを制御することにより、波長変換部３から出力される紫外レーザ光Ｌｖのパワーを制御することができる。より具体的には、第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３の各励起光源に駆動電力を供給して励起光の強度を変化させるファイバ光増幅器駆動信号（ここでは、ＦＡ駆動信号という）を制御することにより、波長変換部３から出力される紫外レーザ光Ｌｖのパワーを制御することができる。

発明者らは、光増幅部２０（第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３）の構成を強化し、レーザ光出力部１から波長変換部３に出力される基本波レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁，Ｌａ₂，Ｌａ₃）のパワーを増大させることによって、従来では最大２００ｍＷ程度であった紫外レーザ光Ｌｖの出力パワーを１Ｗ以上に増大させることに成功した。

ところが、レーザ光出力部１から波長変換部３に出力される基本波レーザ光Ｌａのパワーを増大させてゆくと、波長変換部３において、従来の紫外レーザ光のパワーレベルでは見られなかった現象が発生することがわかってきた。すなわち、波長変換光学素子に入射するレーザ光のパワーが高くなると、波長変換効率が最大となる（波長変換後のレーザ光のパワーが最大になる）波長変換光学素子の角度位置が変化するものがあるのである。これは、波長変換光学素子に入射するレーザ光のパワーに応じて位相整合条件が変化することを意味する。

この現象は、波長が長い赤外〜可視領域では起こらず、波長が短い紫外領域で生じていた。具体的には、波長が３０９ｎｍの第５高調波５ωを発生する波長変換光学素子３４において位相整合角の変化が僅かに見られ、これよりも波長が短い波長２２１ｎｍの第７高調波７ωを発生する波長変換光学素子３５、及び波長１９３ｎｍの第８高調波８ωを発生する波長変換光学素子３６において位相整合角の変化が顕著に見出された。一方、波長が５１６ｎｍの第３高調波３ωを発生する波長変換光学素子３３ではこの現象は見られなかった。

図３に、第８高調波発生用の波長変換光学素子（ＣＬＢＯ結晶）３６において観察された紫外レーザ光Ｌｖの出力パワーと位相整合角との関係を示す。図中、横軸は所定出力レベルでパワーが最大となった位相整合角θpmを基準とした波長変換光学素子３６の回転軸回りの角度（波数ベクトルｋと光学軸（ｚ軸）とを含む面内における位相整合角θpm近傍の結晶角度）、縦軸は波長変換光学素子３６から出力される波長１９３ｎｍの紫外レーザ光Ｌｖ（第８高調波８ω）のパワーである。そして、図中に丸、三角、四角等で識別して示す各データは、図中に示すように、第８高調波発生用の波長変換光学素子３６に入射する基本波ω（基本波レーザ光Ｌa₃）の各パワーごとの紫外レーザ光Ｌｖの出力と位相整合角との関係である。

この図から明らかなように、波長変換光学素子３６に入射するレーザ光のパワーが変化すると、紫外レーザ光Ｌｖのパワーが最大となる結晶の角度位置、すなわち位相整合角が異なってくることが分かる。

この影響は大きく、波長変換光学素子３６に入射する基本波レーザ光Ｌa₃のパワーが２Ｗの状態で初期設定した角度位置のまま、基本波レーザ光Ｌa₃のパワーを９Ｗ（位相整合条件が満足された状態で紫外レーザ光Ｌｖのパワーが約１．８Ｗとなる入射光パワー）まで上昇させても、波長変換光学素子３６から出力される紫外レーザ光Ｌｖのパワーは１．３Ｗ程度に過ぎず、位相整合条件が満足された状態と比べて紫外レーザ光Ｌｖのパワーが３０％近く低下することが分かる。

これを、位相整合角θpmの変化量Δθで見ると、紫外レーザ光Ｌｖのパワーが約３５０ｍＷの状態から上昇するに従って位相整合角θpmが増大する方向に変化し、その変化量Δθは、紫外レーザ光Ｌｖのパワーが約３５０ｍＷのときと約１．８Ｗのときとで、３〜４ｍrad程度異なっている。

そのため、従来の２倍を超えるような高いパワー領域で紫外レーザ光Ｌｖを高効率で得るためには、波長変換部から出力させる紫外レーザ光Ｌｖのパワーを変化させる際に、少なくとも、波長変換光学素子３５，３６について出力が最大となるように位相整合状態を調整する必要が生じた。発明者らは、鋭意研究の過程で上記現象を把握し、煩雑な調整操作を排除して迅速に任意パワーの紫外レーザ光を出力することができ、かつ、幅広い出力パワー範囲において高効率で紫外レーザ光Ｌｖを出力可能とする、位相整合補償装置を提案する。

図４に位相整合補償装置ＰＭＳの概要ブロック図を示す。位相整合補償装置ＰＭＳは制御部８に設けられたコントロールユニット８０と、波長変換部３に設けられコントロールユニット８０から出力される位相整合制御信号に基づいて、波長変換光学素子の位相整合状態を変化させる位相整合調整構造９０とを有して構成される。

コントロールユニット８０は、演算処理回路８１、ＦＡ駆動回路８２、位相整合条件記憶回路８３、ステージ駆動回路８５などを有して構成される。演算処理回路８１は、入力部９から制御装置８に入力された紫外レーザ光の出力指令信号に基づいて、紫外レーザ装置ＬＳの各部の作動を制御するための演算処理を行い算出された制御信号を各部に出力する。

ＦＡ駆動部８２は、演算処理回路８１から出力されるレーザ光出力部１の制御信号に基づいて、第１，第２，第３ファイバ光増幅器２１，２２，２３を駆動するＦＡ駆動信号を生成して出力し、紫外レーザ光の出力指令に応じたパワーの基本波レーザ光Ｌａ（Ｌａ₁，Ｌａ₂，Ｌａ₃）が波長変換部３に出力されるように制御する。

位相整合条件記憶回路８３には、紫外レーザ光Ｌｖの出力範囲において位相整合条件が変化する波長変換光学素子について、紫外レーザ光Ｌｖのパワーと位相整合条件との関係をまとめた位相整合補償データが予め設定記憶されている。

位相整合補償データは、例えば、前述した図３に示したグラフのように、紫外レーザ光Ｌｖの各パワーレンジごとに、波長変換光学素子の角度位置と紫外レーザ光Ｌｖのパワーとの関係を記録した複数のマップ状のデータとして設定記憶する構成が例示される。また、図３中に付記したように、所定出力時の位相整合角θpmを基準とし（例えば図３に示すように、紫外レーザ光Ｌｖのパワーが約３５０ｍＷのときの位相整合角θpmをΔθ＝０とし）、紫外レーザ光Ｌｖのパワーを変化させたときの位相整合角θpmの変化を、紫外レーザ光Ｌｖのパワーをパラメータとする関数（またはテーブル）として設定記憶する構成が例示される。

本構成形態の紫外レーザ装置ＬＳにおいては、第７高調波発生用の波長変換光学素子３５、及び第８高調波発生用の波長変換光学素子３６について、位相整合補償データが作成され、位相整合条件記憶回路８３に予め設定記憶されている。

演算処理回路８１は、入力部９から制御装置８に入力された紫外レーザ光の出力指令信号に基づいて、位相整合条件記憶回路８３から位相整合補償データを読出し、各波長変換光学素子３５，３６が出力パワーに応じた位相整合角になる（位相整合条件が満足される）ように位相整合補正信号をステージ駆動回路８５に出力する。例えば、紫外レーザ光の出力変化に対応したθpmに相当する位相整合補正信号、あるいは、所定出力を基準としたΔθに相当する位相整合補正信号がステージ駆動回路８５に出力される。

ステージ駆動回路８５は、次述する結晶回転ステージ９５，９６のパルスモータを駆動するステージ駆動信号を生成する回路であり、演算処理部８１から入力された位相整合補正信号に基づいて各パルスモータの駆動信号を生成し、生成されたステージ駆動信号を結晶回転ステージ９５，９６に出力する。

位相整合調整構造９０は、各々パルスモータを有し、第７高調波発生用の波長変換光学素子３５が保持された結晶ホルダを所定の角度範囲で回転させる結晶回転ステージ９５と、第８高調波発生用の波長変換光学素子３６が保持された結晶ホルダを所定の角度範囲で回転させる結晶回転ステージ９６とを備えて構成される。結晶回転ステージ９５，９６は、ステージ駆動回路８５から出力されたステージ駆動信号により駆動され、これにより波長変換光学素子３５，３６が紫外レーザ光のパワーに応じた位相整合角の角度位置に配設される。

このような位相整合補償装置ＰＭＳを備えた紫外レーザ装置ＬＳにおいては、オペレータが紫外レーザ光の出力設定を変化させ、あるいは紫外レーザ装置ＬＳの運転プログラム等により紫外レーザ光の出力設定が変化したときに、位相整合補償装置ＰＭＳが、制御装置８に入力された紫外レーザ光の出力指令信号、及び位相整合条件記憶回路８３に設定記憶された位相整合補償データに基づいて波長変換光学素子３５，３６の角度位置を調整し、これらの波長変換光学素子において位相整合条件が満たされるように動作する。

例えば、紫外レーザ光Ｌｖの出力指令信号が３５０ｍＷの状態から１．８Ｗに変化したときに、位相整合補償装置ＰＭＳでは、ＦＡ駆動部８２から当該出力に対応したＦＡ駆動信号が第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３に出力され、第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３から出力指令信号に応じたパワーの基本波レーザ光Ｌａ₁，Ｌａ₂，Ｌａ₃が波長変換部３に出力される。このとき同時に、位相整合条件記憶回路８３に設定記憶された位相整合補償データに基づいたステージ駆動信号が結晶回転ステージ９５，９６に出力され、長変換光学素子３５，３６が紫外レーザ光のパワーに対応した位相整合角の角度位置に配設される。

このため、紫外レーザ装置ＬＳにおいては、紫外レーザ光のパワー設定を適宜変更して迅速に任意パワーの紫外レーザ光を出力することができ、かつ、幅広い出力パワー範囲において高効率で紫外レーザ光Ｌｖを出力することができる。

なお、以上説明した構成形態では、波長変換部３に入力される基本波レーザ光Ｌａのパワーと波長変換部３から出力される紫外レーザ光Ｌｖのパワーが略比例関係にあることから、制御装置８に入力される紫外レーザ光の出力指令信号に基づいて位相整合補償データを読出す構成を例示したが、レーザ光出力部１から出力される基本波レーザ光のパワーをモニターし、基本波レーザ光のパワーに基づいて位相整合補償データを読出すように構成しても良い。

また、位相整合の例として角度位相整合を例示したが、これまでの説明からも明らかなように、位相整合がＮＣＰＭである場合においても、本発明を同様に適用し、同様の効果を得ることができる。さらに、レーザ光出力部１から波長１５４７ｎｍの赤外レーザ光を出力し、波長変換部３から１９３ｎｍの紫外レーザ光を出力する構成を例として説明したが、波長変換部３に入射する基本波レーザ光及び波長変換部３から出射する紫外レーザ光の波長、並びに波長変換部３の構成等は、紫外レーザ装置の用途や機能に応じ適宜変更して適用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、パワー設定を変化するたびに煩雑な調整操作を行うことなく迅速に任意パワーの紫外光を出力することができ、かつ、出力パワーにかかわらず高効率で紫外レーザ光を出力可能な紫外レーザ装置を提供することができる。

このような紫外レーザ装置は、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、例えば、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光造形装置や露光装置等の光加工装置検査装置、治療装置等に好適に適用することができる。

ＬＳ 紫外レーザ装置
ＰＭＳ 位相整合補償装置
Ｌｓ（Ｌｓ₁，Ｌｓ₂，Ｌｓ₃） シード光
Ｌａ（Ｌａ₁，Ｌａ₂，Ｌａ₃） 基本波レーザ光
Ｌｖ 紫外レーザ光
１ レーザ光出力部
３ 波長変換部
８ 制御部
９ 入力部
１０ レーザ光発生部
２０ 光増幅部
３０ 波長変換光学系（Ｉ：第１系列、II：第２系列、III：第３系列、IV：第４系列）
３１〜３６ 波長変換光学素子
８０ コントロールユニット
８１ 演算処理回路
８２ ＦＡ駆動回路
８３ 位相整合条件記憶回路
８５ ステージ駆動回路
９０ 位相整合調整構造
９５ 波長変換光学素子３５の結晶回転ステージ
９６ 波長変換光学素子３６の結晶回転ステージ

Claims (6)

1. 赤外〜可視領域の基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、波長変換光学素子を有し前記レーザ光出力部から出力された前記基本波レーザ光を紫外領域の紫外レーザ光に波長変換して出力する波長変換部と、前記レーザ光出力部及び前記波長変換部の作動を制御する制御部とを備え、前記制御部が前記レーザ光出力部から出力する前記基本波レーザ光の出力を制御することにより前記波長変換部から出力される前記紫外レーザ光の出力を制御可能に構成された紫外レーザ装置であって、
   前記制御部に、前記基本波レーザ光の出力に応じた前記波長変換光学素子の位相整合条件を予め設定記憶する位相整合条件記憶部を有し、
   前記波長変換部に、前記制御部から出力される位相整合制御信号に基づいて、前記波長変換光学素子の位相整合状態を変化させる位相整合調整構造を有し、
   前記制御部が、前記レーザ光出力部から出力する前記基本波レーザ光の出力に応じた位相整合条件を前記位相整合条件記憶部から読み出して、当該位相整合条件に応じた位相整合制御信号を前記位相整合調整構造に出力し、前記波長変換光学素子が前記基本波レーザ光の出力に合致した位相整合状態で動作するように構成したことを特徴とする紫外レーザ装置。
2. 前記位相整合条件が、前記波長変換光学素子に入射するレーザ光に対する前記波長変換光学素子の配設角度であることを特徴とする請求項１に記載の紫外レーザ装置。
3. 前記位相整合条件が、前記波長変換光学素子の温度であることを特徴とする請求項１に記載の紫外レーザ装置。
4. 前記波長変換光学素子は、前記波長変換部に設けられた複数の波長変換光学素子における、紫外領域のレーザ光が出力される波長変換光学素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。
5. 前記波長変換光学素子は、前記波長変換部に設けられた複数の波長変換光学素子における、波長が２３０ｎｍ以下のレーザ光が出力される波長変換光学素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。
6. 前記波長変換光学素子が、ＣＬＢＯ結晶であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。

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