JP2013178462A - 波長変換器、波長変換装置、固体レーザ装置およびレーザシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】波長変換器は、第1非線形光学結晶と、前記第1非線形光学結晶の第1接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第1光学部材と、を含んでもよい。
【選択図】図4
Description
1.概要
2.用語の説明
3.波長変換素子を有する固体レーザ装置とArF増幅器とを備えたレーザシステム
3.1 構成
3.2 動作
4.非線形光学結晶の少なくとも1つの面側に光学素子が配置された波長変換器(実施の形態1)
4.1 構成
4.2 動作
4.3 作用
4.4 光学素子のバリエーション
4.4.1 第1例
4.4.2 第2例
4.4.3 第3例
5.非線形光学結晶の少なくとも1つの面側に中間層を挟んで光学素子が配置された波長変換器(実施の形態2)
5.1 構成
5.2 動作
5.3 作用
6.非線形光学結晶の少なくとも2つの面側それぞれに光学素子が配置された波長変換器(実施の形態3)
6.1 構成
6.2 動作
6.3 作用
7.非線形光学結晶の少なくとも2つの面側それぞれに中間層を挟んで光学素子が配置された波長変換器(実施の形態4)
7.1 構成
7.2 動作
7.3 作用
8.少なくとも2つの非線形光学結晶を備えた波長変換器
8.1 非線形光学結晶同士がオプティカルコンタクトを形成する場合(実施の形態5)
8.1.1 構成
8.1.2 動作
8.1.3 作用
8.1.4 変形例
8.2 非線形光学結晶間に中間層が配置された場合(実施の形態6)
8.2.1 構成
8.2.2 動作
8.2.3 作用
8.2.4 変形例
9.非線形光学結晶内の光の光路が2回以上折り返される波長変換器(実施の形態7)
9.1 構成
9.2 動作
9.3 作用
9.4 変形例
10.非線形光学結晶が2つの光学素子で挟まれた構造を有する波長変換器のホルダ(実施の形態8)
10.1 構成
10.2 作用
実施の形態の概要について、以下に説明する。
KBBF結晶とは、化学式KBe2BO3F2で表される非線形光学結晶であってよい。
まず、本開示にかかるレーザシステムの全体概要について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下では、レーザシステムとして、2ステージレーザ装置が例示される。
図1は、本開示にかかる2ステージレーザ装置の構成例を概略的に示す。図2は、図1に示される増幅装置における、図1に示される断面とは異なる断面の構成例を概略的に示す。
固体レーザ装置2は、波長がおよそ193nmのパルスレーザ光31を出力してもよい。低コヒーレンス化光学システム4は、パルスレーザ光31のコヒーレンシーを低下させてもよい。増幅装置3は、コヒーレンシーの低下したパルスレーザ光32を増幅してパルスレーザ光33として出力してもよい。パルスレーザ光33は、例えば図示していない露光装置へ送られて、リソグラフィ工程に使用されてもよい。
つぎに、図1における波長変換装置9の第一波長変換器91または第二波長変換器92として用いることができる波長変換器について、以下に図面を参照して詳細に説明する。
図3は、実施の形態1による波長変換器101の構成を概略的に示す斜視図を示す。図3に示されるように、波長変換器101は、プリズム110と、KBBF結晶210とを備えてもよい。なお、KBBF結晶210に限らず、LBO結晶やBBO結晶など、他の非線形光学結晶が用いられてもよい。また、KBBF結晶210は、1つの結晶体に限らず、複数の結晶体が積層されてなるKBBF積層構造体であってもよい。さらに、プリズム110に代えて、他の光学素子が用いられてもよい。この光学素子は、波長変換器101へ入射するレーザ光が、光学素子を介してKBBF等の結晶210へ位相整合角で入射する条件を満たすように形成されていればよい。
図5は、図3に示される波長変換器101をKBBF結晶210へ入射したレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。図5に示されるように、パルスレーザ光31cは、プリズム110の入射用面111に入射してもよい。パルスレーザ光31cは、偏光方向がKBBF結晶210の入射面に対して垂直(図5の紙面に対して垂直)な直線偏光の光であってもよい。プリズム110に入射したパルスレーザ光31cは、プリズム110を透過した後、KBBF結晶とそのプリズムとの接合部を介してKBBF結晶210内に入射してもよい。
実施の形態1によれば、非線形結晶のへき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域でKBBF結晶210とプリズム110とを接合することが可能となってよい。そのため、両者の接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。その結果、接合部の品質が高い波長変換器101を実現することができてもよい。
なお、KBBF結晶210と組み合わせされる光学素子は、プリズム110のような直角プリズムに限られない。以下に、光学素子のバリエーションを、いくつかの例を用いて説明する。
図6は、第1例による波長変換器102の構成を概略的に示す斜視図を示す。図7は、図6に示される波長変換器102をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
図8は、第2例による波長変換器103をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
図9は、第3例による波長変換器104をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
つぎに、波長変換器の他の形態について、以下に図面を用いて詳細に説明する。
図10は、実施の形態2による波長変換器301の構成を概略的に示す。図10は、波長変換器301をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
波長変換器301の動作は、上述した実施の形態1における波長変換器101の動作と同様であってよい。ただし、図10に示されるように、プリズム110に入射したパルスレーザ光31cは、中間層310を介してKBBF結晶210に入射してもよい。また、反射面212で反射したパルスレーザ光31および31cは、中間層310を介して再びプリズム110に入射してもよい。その後、パルスレーザ光31および31cは、異なる光路でプリズム110の出射面112から出射してもよい。
実施の形態2によれば、へき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域でKBBF結晶210と中間層310とが接合するため、両者の接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。また、これにより、平坦性が維持された中間層310に対してプリズム110が接合されるため、両者の接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。これらの結果、接合部の品質が高い波長変換器301を実現することができる。
つぎに、波長変換器の他の形態について、以下に図面を用いて詳細に説明する。
図11は、実施の形態3による波長変換器105の構成を概略的に示す。図11は、波長変換器105をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
波長変換器105の動作は、上述した実施の形態1による波長変換器101の動作と同様であってよい。ただし、図11に示されるように、KBBF結晶210で波長変換されたパルスレーザ光31および残りのパルスレーザ光31cは、KBBF結晶210の第2接合面212を介してプリズム110Bに入射してもよい。その後、パルスレーザ光31および31cは、それぞれ異なる光路でプリズム110Bの出射面111bから出射してもよい。
実施の形態3によれば、実施の形態1と同様に、へき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域でKBBF結晶210とプリズム110Aおよび110Bとをそれぞれ接合することが可能であってよい。そのため、それぞれの接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。その結果、接合部の品質が高い波長変換器105を実現することができてよい。
また、図11に示された波長変換器105に、図10において示された波長変換器301を適用することも可能である。以下、波長変換器301を波長変換器105に適用した形態を、実施の形態4として、図面を用いて詳細に説明する。
図12は、実施の形態4による波長変換器305の構成を概略的に示す。図12は、波長変換器305をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
波長変換器305の動作は、上述した実施の形態3における波長変換器105の動作と同様であってよい。ただし、図12に示されるように、プリズム110Aに入射したパルスレーザ光31cは、中間層310Aを介してKBBF結晶210に入射してもよい。また、KBBF結晶210から出射したパルスレーザ光31および31cは、中間層310Bを介してプリズム110Bに入射してもよい。その後、パルスレーザ光31および31cは、それぞれ異なる光路でプリズム110Bの出射面111bから出射してもよい。
実施の形態4によれば、実施の形態2と同様に、へき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域でKBBF結晶210と中間層310Aおよび310Bとがそれぞれ接合してもよい。そのため、それぞれの接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。また、これにより、それぞれKBBF結晶210よりも平坦性が維持された中間層310Aおよび310Bに対してプリズム110Aおよび110Bが接合されるため、それぞれの接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。これらの結果、接合部の品質が高い波長変換器305を実現することができてよい。
また、波長変換器に用いられる非線形光学結晶の数は、1つに限られず、2つ以上とすることができてよい。以下に、2つの非線形光学結晶が用いられた波長変換器について、図面を用いて詳細に説明する。
まず、非線形光学結晶同士がオプティカルコンタクトを形成する場合を、実施の形態5として、図面を用いて詳細に説明する。
図13は、実施の形態5による波長変換器106の構成を概略的に示す。図13は、波長変換器106をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
波長変換器106の動作は、上述した実施の形態4における波長変換器105の動作と同様であってよい。ただし、図13に示されるように、KBBF結晶210で波長変換されたパルスレーザ光31および残りのパルスレーザ光31cは、つぎにKBBF結晶220に入射してもよい。KBBF結晶220に入射したパルスレーザ光31および31cのうち、パルスレーザ光31cの一部は、KBBF結晶220中を伝播する途中でパルスレーザ光31に変換されてもよい。その後、KBBF結晶220内を伝播するパルスレーザ光31および31cは、KBBF結晶220の接合面222を介してプリズム110Bに入射してもよい。その後、パルスレーザ光31および31cは、それぞれ異なる光路でプリズム110Bの出射面111bから出射してもよい。
実施の形態5によれば、実施の形態3と同様に、へき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域で、KBBF結晶210およびプリズム110と、KBBF結晶220およびプリズム150と、KBBF結晶210および220とをそれぞれ接合することが可能であってよい。そのため、それぞれの接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。その結果、接合部の品質が高い波長変換器106を実現することができてよい。また、複数のKBBF結晶210および220よりなる積層構造を採用することで、パルスレーザ光31cからパルスレーザ光31への変換効率を向上することが可能となってよい。その結果、より高い強度のパルスレーザ光31を得ることが可能となってよい。ここで、KBBF結晶210の接合面212の端部では必ずしもへき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域が接合面221と接合していない場合があってよい。その場合でも、波長変換器106全体としてはへき開等による面精度の低下を実質的に無視できればよい。
また、実施の形態4による波長変換器305と同様に、図13において示された波長変換器106に、図10に示された波長変換器301を適用することも可能である。図14は、波長変換器301を波長変換器106に適用した構造を備える波長変換器306の構成を概略的に示す。ただし、図14では、プリズム110および150の代わりに、プリズム110Aおよび110Bが用いられてもよい。
つぎに、非線形光学結晶同士が直接接触しない場合を、実施の形態6として、図面を用いて詳細に説明する。
図15は、実施の形態6による波長変換器107の構成を概略的に示す。図15は、波長変換器107をKBBF結晶210Aへ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
波長変換器107の動作は、上述した波長変換器106の動作と同様であってよい。ただし、図15に示されるように、KBBF結晶210Aで波長変換されたパルスレーザ光31および残りのパルスレーザ光31cは、中間層330を介してKBBF結晶210Bに入射してもよい。KBBF結晶210Bに入射したパルスレーザ光31および31cのうち、パルスレーザ光31cの一部は、KBBF結晶210B中を伝播する途中でパルスレーザ光31に変換されてもよい。その後、KBBF結晶210B内を伝播するパルスレーザ光31および31cは、KBBF結晶210Bの接合面212bを介してプリズム110Bに入射してもよい。その後、パルスレーザ光31および31cは、異なる光路でプリズム110Bの出射面111bから出射してもよい。
実施の形態6によれば、実施の形態5と同様に、へき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域で、KBBF結晶210Aおよびプリズム110Aと、KBBF結晶210Bおよびプリズム110Bとを接合し、さらに、KBBF結晶210A、中間層330およびKBBF結晶210Bとをそれぞれ接合することが可能であってよい。そのため、それぞれの接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。その結果、接合部の品質が高い波長変換器107を実現することができてよい。また、複数のKBBF結晶210および220を含む積層構造を採用することで、パルスレーザ光31cからパルスレーザ光31への変換効率を向上することが可能となってよい。その結果、より高い強度のパルスレーザ光31を得ることが可能となってよい。
また、実施の形態5の変形例による波長変換器306と同様に、図15において示された波長変換器107に、図10に示された波長変換器301を適用することも可能である。図16は、波長変換器301を波長変換器107に適用した構造を備える波長変換器307の構成を概略的に示す。
また、上述した実施の形態における2つのプリズムを用いた形態では、パルスレーザ光31cおよび31がそれぞれ折り返されずに各KBBF結晶を通過する場合が例示された。ただし、これらの形態に限られるものではない。たとえばパルスレーザ光31cおよび31の光路が波長変換素子(KBBF結晶)内で1回以上折り返されてもよい。以下では、KBBF結晶内部でパルスレーザ光31cおよび31の光路が2回折り返される構成を有する波長変換器を、実施の形態7として、図面を用いて詳細に説明する。
図17は、実施の形態7による波長変換器108の構成を概略的に示す。図17は、波長変換器108をKBBF結晶210へ入射させるレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
波長変換器108の動作は、上述した実施の形態3における波長変換器105の動作と同様であってよい。ただし、図17に示されるように、入射側のプリズム160Aを介してKBBF結晶210に入射したパルスレーザ光31cおよびパルスレーザ光31は、KBBF結晶210の第2接合面212が溝161b内部の空気層と接触する領域で高反射または全反射され得る。この反射されたパルスレーザ光31cおよび31のうちパルスレーザ光31cの一部は、再度、KBBF結晶210内を伝播する途中でパルスレーザ光31に変換されてもよい。つぎに、KBBF結晶210内を伝播するパルスレーザ光31cおよび31は、KBBF結晶210の第1接合面211が溝161a内部の空気層と接触する領域で再び高反射または全反射され得る。この反射されたパルスレーザ光31cおよび31のうちパルスレーザ光31cの一部は、再度、KBBF結晶210内を伝播する途中でパルスレーザ光31に変換されてもよい。つぎに、KBBF結晶210内を伝播するパルスレーザ光31および31cは、KBBF結晶210の第2接合面212を介してプリズム110Bに入射してもよい。その後、パルスレーザ光31および31cは、それぞれ異なる光路でプリズム110Bの出射面111bから出射してもよい。
実施の形態7によれば、実施の形態3と同様に、へき開等による面精度の低下を実質的に無視できる領域でKBBF結晶210とプリズム110Aおよび110Bとをそれぞれ接合することが可能であってよい。そのため、それぞれの接合部に高い品質のオプティカルコンタクトを形成することが可能となってよい。その結果、接合部の品質が高い波長変換器108を実現することができてよい。
また、実施の形態4による波長変換器305と同様に、図17において示された波長変換器108に、図10に示された波長変換器301を適用することも可能である。図18は、波長変換器301を波長変換器108に適用した構造を備える波長変換器308の構成を概略的に示す。ただし、図18では、プリズム160Aおよび160Bの代わりに、プリズム110Aおよび110Bが用いられてもよい。
つぎに、波長変換器のホルダについて、その一例を挙げて説明する。以下では、KBBF結晶が2つのプリズムで挟まれた構造の波長変換器を圧力をかけた状態に保持するホルダが例に挙げられる。
図19は、実施の形態8によるホルダ400および波長変換器の構成を概略的に示す斜視図を示す。図20は、図19に示される波長変換器をKBBF結晶210Aへ入射したレーザ光の入射面を含む面で切断した際の断面図を示す。
プリズム170Aと中間層310AとKBBF結晶210AとKBBF結晶210Bと中間層310Bとプリズム170Bとを互いに密着させる方向に圧力を加えた状態を保持する構成とすることで、それぞれの接合状態を向上することが可能となってよい。その結果、波長変素子による変換効率の向上や長寿命化を実現することができてもよい。
2 固体レーザ装置
3 増幅装置
4 低コヒーレンス化光学システム
5 ポンピングレーザ
6 Ti:サファイアレーザ
7 増幅器
9 波長変換装置
11、15、16、17 高反射ミラー
14 出力結合ミラー
18、19 ウィンドウ
20 チャンバ
21 アノード
22 カソード
23 放電空間
31、31a、31b、31c、32、33 パルスレーザ光
51、51a、51b 励起光
81 ビームスプリッタ
82 高反射ミラー
91 第一波長変換器
92 第二波長変換器
101、102、103、104、105、106、107、108、301、305、306、307、308 波長変換器
110、110A、110B、120、130、140、150、160A、160B、170A、170B プリズム
111、111a 入射用面
111b 出射面
112 出射面
113、113a、113b、163a、163b 接合面
124a、124b、124c、134a、134b、144a、144b 部分
161a、161b 溝
210、210A、210B、220 KBBF結晶
211 接合面(第1接合面)
212 反射面(接合面、第2接合面)
211a、211b、212a、212b、221、222 接合面
310、310A、310B、340A、340B 中間層
331、332、343a、343b 接合面
341a、341b 溝
400 ホルダ
410 第1部材
411 窓
412 端部
420 第2部材
422 端部
421 窓
431 ボルト
Claims (25)
- レーザ光を入力して、該レーザ光と異なる波長の光を出力する波長変換器であって、
第1非線形光学結晶と、
前記第1非線形光学結晶の第1接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第1光学部材と、
を含む波長変換器。 - 前記第1非線形光学結晶は、KBBF結晶である、請求項1記載の波長変換器。
- 前記第1非線形光学結晶と前記第1光学部材との接合は、オプティカルコンタクトである、請求項1記載の波長変換器。
- 前記第1光学部材は、プリズムを含む、請求項1記載の波長変換器。
- 前記第1非線形光学結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第2接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2光学部材をさらに備える、
請求項1記載の波長変換器。 - 前記第1非線形光学結晶と前記第2光学部材との接合は、オプティカルコンタクトである、請求項5記載の波長変換器。
- 前記第1および第2光学部材は、それぞれプリズムを含む、請求項5記載の波長変換器。
- 前記第1非線形光学結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第2接合面と接合された第2非線形光学結晶をさらに備える、
請求項1記載の波長変換器。 - 前記第1非線形光学結晶と前記第2非線形光学結晶との接合は、オプティカルコンタクトである、請求項8記載の波長変換器。
- 前記第2非線形光学結晶は、前記第1非線形光学結晶の前記第2接合面における外周から所定距離以上内側の前記領域に接合する、
請求項8記載の波長変換器。 - 前記第2非線形光学結晶において前記第1非線形光学結晶との第3接合面とは反対側に位置する第4接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2光学部材をさらに備える、
請求項8記載の波長変換器。 - 前記第2非線形光学結晶と前記第2光学部材との接合は、オプティカルコンタクトである、請求項11記載の波長変換器。
- 前記第1および第2光学部材は、それぞれプリズムを含む、請求項11記載の波長変換器。
- 前記第1非線形光学結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第2接合面側に配置された第2非線形光学結晶と、
前記第1非線形光学結晶の前記第2接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合され、かつ、前記第2非線形光学結晶において前記第1非線形光学結晶側に位置する第3接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された中間層と、
をさらに備える、請求項1記載の波長変換器。 - 前記第2非線形光学結晶において前記第3接合面とは反対側に位置する第4接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2光学部材をさらに備える、
請求項14記載の波長変換器。 - 前記第1および第2光学部材は、それぞれプリズムを含む、請求項15記載の波長変換器。
- レーザ光を入力して、該レーザ光と異なる波長の光を出力する波長変換器であって、
第1非線形光学結晶と、
前記第1非線形光学結晶の第1接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第1中間層と、
前記第1中間層において前記第1接合面とは反対側に位置する第2接合面に接合された第1光学部材と、
を含む波長変換器。 - 前記第1非線形光学結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第3接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2光学部材をさらに含む、
請求項17記載の波長変換器。 - 前記第1非線形光学結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第3接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2中間層と、
前記第2中間層の前記第3接合面とは反対側に位置する第4接合面に接合された第2光学部材と、
をさらに含む、請求項17記載の波長変換器。 - 前記第1非線形結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第3接合面に接合された第2非線形光学結晶と、
前記第2非線形光学結晶において前記第3接合面とは反対側に位置する第4接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2中間層と、
前記第2中間層において前記第4接合面とは反対側に位置する第5接合面に接合された第2光学部材と、
をさらに含む、請求項17記載の波長変換器。 - 前記第1非線形光学結晶は、前記第1非線形光学結晶の前記第3面における外周から所定距離以上内側の領域に接合されている、請求項20記載の波長変換器。
- 前記第1非線形光学結晶において前記第1接合面とは反対側に位置する第3接合面側に配置された第2非線形光学結晶と、
前記第1非線形光学結晶の前記第3接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合され、かつ、前記第2非線形光学結晶において前記第1非線形光学結晶側に位置する第4接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第2中間層と、
前記第2非線形光学結晶において前記第4接合面とは反対側に位置する第5接合面における外周から所定距離以上内側の領域に接合された第3中間層と、
前記第3中間層において前記第5接合面とは反対側に位置する第6接合面に接合された第2光学部材と、
をさらに含む、請求項17記載の波長変換器。 - レーザ光を入力して、該レーザ光と異なる波長の光を出力する波長変換装置であって、
請求項5、11、18、19、20または22記載の波長変換器と、
前記第1プリズムを前記第1および第2中間層と前記第1および第2非線形光学結晶とを挟んで前記第2プリズム側へ付勢する圧力をかけた状態に保持するホルダと、
を備える波長変換装置。 - レーザ光を出力するように構成されたレーザと、
前記レーザ光を増幅するように構成された増幅部と、
増幅後の前記レーザ光を波長変換するように構成された、請求項1記載の波長変換器と、
を備える固体レーザ装置。 - 請求項24記載の固体レーザ装置と、
前記固体レーザ装置から出力されたレーザ光を増幅するように構成された増幅装置と、
を備えるレーザシステム。
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