JP2016505211A - レーザのスペクトル帯域幅の低減 - Google Patents

Abstract

半導体検査のためのレーザシステムは、ＵＶ−ＤＵＶレーザ光を生成するために周波数変換モジュールによって後に変換／混合される基本波光を生成するためのファイバベースの基本波光源を含む。基本波光源は、ファイバ増幅器（例えば、ドープファイバ又はラマン増幅器）による増幅の前にシード光レーザシステムに非線形チャープを追加する非線形チャープ要素（例えば、ブラッググレーティング又は電気光学的変調器）を含む。非線形チャープは、ｘ２又は更に高い非直線性を含み、シード光の帯域幅の５倍以内のスペクトルＥ９５帯域幅を有する基本波光が生成されるように、ファイバベースの増幅器の自己位相変調（ＳＰＭ）特性を補償するように構成される。複数の直列接続された増幅器が用いられる場合、１つの非線形チャープ要素が増幅器列の前に提供されるか、または各増幅器の前にチャープ要素が含まれる。

Description

本願は、２０１２年７月１２日出願の「レーザのスペクトル帯域幅の低減」と題された米国特許仮出願第６１／６７０，９２６号に対する優先権を主張する。

本発明は、一般に、例えば半導体ウェハ検査システム及びフォトマスク検査システムといった検査システムと関連して用いられる照明装置に関し、特に、そのような検査システムと伴に用いるためのファイバ増幅器を基礎とした光源に関する。

図１（Ａ）は、半導体製造業においてターゲットサンプル（例えば、ウェハ又はフォトマスク／レチクル）４１を検査するために用いられるＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システム４０を示す図である。検査システム４０は、一般的にＵＶ−ＤＵＶの範囲（例えば、３５０ｎｍより短い真空波長）でレーザ光Ｌ５０を生成する照明源５０、レーザ光の焦点をサンプル４１に合わせる１以上の対物レンズ４３を含む光学システム４２、（例えば、フォトマスク／レチクルを検査する目的で）サンプル４１を通り抜けるあらゆるレーザ光を受光するように配置されたセンサアレイ４６−１を含む通過検出器アセンブリ４５−１、及び（例えば、ウェハ表面の特徴を検査する目的で）サンプル４１から反射したあらゆるレーザ光を検出するように配置されたセンサアレイ４５−２を含む反射光検出器アセンブリ４５−２を含む。ただし、本明細書において特に但し書きがなく波長が記載される場合、真空における波長を指すことが仮定される。真空波長はλ＝ｃ／ｖであり、式中、ｃは真空における光の速度であり、ｖは単位時間ごとのサイクルにおける周波数である。角周波数ωは、２πｖに等しく、単位時間ごとのラジアン単位で示される。コントローラ（コンピューティングシステム）４７は、ソフトウェアオペレーティングプログラムに従って様々なサブシステムの動作を制御し、当該技術において知られている技術を用いて検出器アセンブリ４５−１及び４５−２から受け取った画像データを処理する。

一般に、短波長のレーザ光ほど高い解像度の画像を生成し、レーザ検査システムにおいて画像サンプルにおける特徴及び欠陥に関する情報を良好に提供することが理解されている。ますます高い解像度を有するレーザ光検査システムへの需要の増加に答えるために、半導体製造業における最近の傾向は、短波長のＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システム（すなわち、２５０ｎｍを下回るレーザ光を用いるシステム）の開発に向けられている。例えば、本願の譲受人は現在、２１３ｎｍ、２０６ｎｍ、又は１９３ｎｍのレーザ光で動作する低周波数ＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムの開発に取り組んでいる。

短波長のＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムを開発する上で重大な障害は、ＵＶレーザ光を効果的に画像化することができる光学システムを提供することである。ＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムの光学システム（例えば、図１（Ａ）の光学システム４２）に関する様々なレンズ及び部品を生成するために利用可能なたった２つの実用的な材料は、融解石英及びフッ化カルシウムであり、フッ化カルシウムは入手し、研磨し、取り付けるために多額の費用がかかるため、融解石英が好ましい。ＵＶ−ＤＵＶレーザ光を用いるシステムにおいて用いるための、全部が融解石英で製造された光学システムは、許容限度を超える性能低下の末に、限られた帯域幅しか処理できない。具体的には、開口率（ＮＡ）及び照射野が大きくなるほど、波長は短く、許容可能な帯域幅は小さくなりうる。例えば、０．８ＮＡ及び１．０ｍｍの視野を有する２６６ｎｍでの全屈折対物レンズは、５ｐｍの帯域幅にしか到達しえない。１つの非球面はいくつかの等価球面レンズを除去するので、より大きい帯域幅に対処するための１つのアプローチは、非球面を用いることによってガラス通路を低減することである。しかし、非球面の使用に関連する費用及び複雑さの増加は望ましくなく、このアプローチは、ほとんどのレーザシステムにおいてさほど役に立たない。

短波長のＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システム１００のための光学システム４２を生成するために必要となる費用及び複雑さを最小化するために、照明源５０は、実質的に全ての光エネルギが狭い帯域幅内にあるようにレーザ光Ｌ_５０を生成することができなければならない。光の帯域幅範囲を光のピークパワーの半分に指定する全幅半値（ＦＷＨＭ）の値を用いてレーザ光源の帯域幅を指定することが一般的である。しかし、ＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムにおいて、エネルギの９５％が含まれる帯域幅範囲（すなわち、光の「Ｅ９５」帯域幅値）が最も重要な値である。典型的な照明源４１は、比較的狭いＦＷＨＭ帯域幅値を有するが、そのＦＷＨＭの１０倍以上広いＥ９５の値を有する、レーザ光Ｌ_５０を生成する。従って、レーザ画像化システム４０において、両方が短波長のＵＶ（例えば、２５０ｎｍを下回る公称波長値を有するレーザ光）であり、狭いＥ９５帯域幅（すなわち、公称又は「中心」ＵＶ周波数の±１％以内、かつ好ましくは±０．１％以内）を有する狭帯域ＵＶレーザ光Ｌ_５０を生成する照明源５０を用いることが重要である。

狭帯域ＵＶ光は、一般に、長い波長（一般的に１ミクロンより長い）を有する基本波光を生成し、その後、非線形周波数変換及び周波数混合を実行する水晶振動子を用いて基本波光を変換し、所望の（より短い）波長を有するＵＶ光を生成することによって作られる。周波数変換／混合プロセスにおける制限により、基本波光は、指定された短波長でＵＶ光を生成するために特定の高い周波数を有さなければならない。他の非線形プロセス（例えば、ラマン、パラメトリック発生、四光波混合（ＦＷＭ））を用いて周波数変換／混合プロセスを実行することも可能であるが、それらの技術も、帯域幅の増加を招くことがあり、狭い帯域幅の光学レンズには適さない。周波数変換／混合の多数の段階は、時に、指定された周波数を有する短波長の光を生成することが必要とされ、各周波数対話段階中に光からパワーが失われる。従って、許容可能なパワーでＵＶレーザ光を生成するために、光学システムにおいて必要とされるよりも著しく高いピークパワーで基本波光を生成することが必要である。

狭帯域ＵＶ光の生成に用いられる２種類の基本波光源がある。固体レーザ及びファイバレーザである。固体レーザは、非常に狭い帯域幅及び高いピークパワーを有するレーザ光を生成することができ、あまり複雑でない（ゆえに費用が安い）光学システムの利用を可能にするが、固体レーザのための波長の選択肢は非常に限られており、いくつかのレーザ検査システムには適さず、固体レーザから信頼性のある高パワーの光を獲得することは非常に困難である。ファイバレーザは、例えばエルビウム、イッテルビウム、ネオジム、ジスプロシウム、ホルミウム、プラセオジム、ツリウムといった希土類元素によってドープされた光ファイバによって形成された能動利得媒体を含む。ファイバレーザは高いピークパワーを有するレーザ光を生成するので、レーザ検査システムにおいて基本波光を生成するための魅力的な選択肢であり、レーザ光の周波数は、ファイバにおけるドーピング剤の量を変更することによって指定された周波数に「調整」することができる。しかし、下記で説明するように、高いピークパワーのパルス基本波光を生成するためにファイバレーザを用いることの主な欠点は、自己位相変調（ＳＰＭ）である。一般に、ＳＰＭは、光−物質の相互作用の非線形光学効果であり、ファイバ媒体内を移動する超短光パルスは、光カー効果による媒体の様々な屈折率を誘発する。屈折率における変化は、光パルスにおける位相変位をもたらし、パルスの周波数スペクトルの変化を招く。非線形ＳＰＭ効果は、レーザ検査システムの光学要件を大幅に上回るほどファイバレーザのスペクトル帯域幅を著しく増加させうる。

図１（Ｂ）は、（図１（Ａ）に示す）検査システム４０においてＵＶレーザ光Ｌ_５０を生成するために用いられる、従来のファイバベース照明源５０を示す図である。ファイバベース照明源５０は一般に、指定された基本周波数ω_Ｆで基本波光Ｆ_５１を生成するための基本波光源５１と、光学システム４２（図１（Ａ）を参照）へ通るＵＶレーザ光Ｌ_５０を指定されたＵＶ周波数ω_ＵＶで生成するために上述した周波数変換／混合プロセスを実行する周波数変換モジュール５５とを含む。基本波光源５１は、初期パワーＰ_０で所望の基本波光周波数ω_Ｆを有するシード光Ｓ_５２を生成するシードレーザ５２と、適切なシード周波数ω_Ｓでポンプシード光ＰＳを生成するポンプレーザ５３と、当該技術において知られている方法でシード光Ｓ_５２を増幅するためにポンプシード光ＰＳを用いる１以上のファイバ増幅器５４とを含み、それによって基本波光Ｆ_５１は、所望の基本周波数ω_Ｆと、初期パワーＰ_０よりも実質的に高い増幅されたパワーＰ_Ａとを有するように生成される。基本波光Ｆ_５１はその後、周波数変換モジュール５５によって変換／混合され、（変換／混合プロセス中のエネルギ損失により）基本波光Ｆ_５１の増幅されたパワーＰ_Ａよりも実質的に低い出力パワーＰ_ＯＵＴで、所望のＵＶ周波数ω_ＵＶを有するＵＶレーザ光Ｌ_５０を生成する。

上述したように、基本波光Ｆ_５１は、当該技術において知られているように、ファイバ増幅器５４のＳＰＭ特性によって部分的に決定される帯域幅Δ_ωＦを有する。ＳＰＭは、
によって求められる強度依存である、増幅処理中の位相変位への増加を示す。式中、
かつ
である。式中、Φ_ＮＬは強度依存位相変位であり、Ｌはファイバ長さであり、Ｔは時間であり、Ｕはエネルギ分散であり、αはファイバ損失であり、Ｌ_ｅｆｆはファイバ損失を考慮したファイバの有効長さであり、Ｌ_ＮＬは著しいＳＰＭが発生した時のファイバ長さであり、Ｐ_０はパルスのピークパワーであり、Υは非線形係数である。シード光Ｓ_５２又はポンプシード光ＰＳのうちの１つがパルス化されるので、強度Φ_ＮＬは時間によって変化し、それによって、同様に時間によって変化する位相が生じる。光の位相が時間によって変化すると、波長スペクトルにおける変化が生じる。中央周波数値に対するスペクトルシフトδω（Ｔ）は、
によって求められる。

スペクトルシフトδω（Ｔ）は、チャープ、すなわちパルスにわたる瞬時周波数における変化としても知られる。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）は、（図１（Ｂ）に示す）従来の基本波光源５１によって生成される基本波光パルスＦ_５１及びシードパルスＳ_５２の例を示す光スペクトル図であり、従来のファイバベースの照明源５０（図１（Ｂ））において生成される強度依存位相変位によって生じる出力帯域幅を図示する。図２（Ａ）は、基本シード光Ｓ_５２は制限された初期変換であり、ガウスパルスは、基本周波数ω_Ｆ（例えば、１０３０ｎｍの波長に対応する周波数）付近に集中しており、かつ１１ＧＨｚのＦＷＨＭ値及び２３ＧＨｚのＥ９５エネルギ帯域幅を有する約６×１０^６Ｗのピークパワーを有することを示す。図２（Ｂ）は、シード光パルスＳ_５２及びポンプシード光ＰＳを用いて増幅器５４（図１（Ｂ））によって生成される基本波光パルスＦ_５２を示す。図２（Ｂ）は、基本波光パルスＦ_５２が一般に、１０ｋＷのピークパワーＰ_Ａに増幅されている間ずっと基本周波数ω_Ｆの付近に集中することを示す。しかし、ファイバ増幅器５４のＳＰＭ特性によって、基本波光パルスＦ_５２のＦＷＨＭ値は２２２ＧＨｚまで増加し、２８６ＧＨｚのＥ９５エネルギ帯域幅を示す。ファイバベース基本波光源によって示されるＥ９５エネルギにおけるこの概ね１０倍の増加は、昨今のレーザ検査システムにおいて必要な狭帯域ＵＶ光の類を生成するためには実用的でない。

米国特許出願公開第２００７／０２７３９６０号

必要とされるのは、ファイバベースのレーザの高いピークパワー及び周波数調整機能と、一般的に固体レーザと関連する簡易な（低価格の）光学システムとを併用する基本波光源である。

本発明は、レーザシステムにおいて基本波光Ｆを生成するためのファイバベースの基本波光源に関し、シード光及び／又は部分的に増幅された光は、ファイバベース増幅器の自己位相変調（ＳＰＭ）特性を補償する非線形チャープを含むように変更され、それによって、高いピークパワー及び狭い帯域幅の両方を有する基本波光が生成される。実際の実施形態によると、レーザシステムは、所望の短いＵＶ−ＤＵＶ波長（例えば、２１３ｎｍ、２０６ｎｍ、又は１９３ｎｍ）で関連する光学システムに向けられるレーザ出力光Ｌを生成するために、ファイバベースの基本波光源によって生成された基本波光を、比較的長い基本波長（例えば、１０３０ｎｍ）から変換する周波数変換モジュールも含む。ファイバベースの増幅プロセスが完了する前にＳＰＭを補償するために補償非線形チャープを用いることによって、本発明は、ファイバベースレーザの高いピークパワー及び周波数調整機能と、一般的に固体レーザに関連する簡易な光学システムとを併用することによって、高解像度レーザ検査システムの費用効率の高い製造を容易にする。

本発明の一態様によれば、１以上の非線形チャープ要素（例えば、ブラッググレーティング、ファイバブラッググレーティング、又は電気光学的変調器）は、補償非線形チャープを生成するために用いられ、非線形チャープは、ｘ^２又は更に高い次数における非線形性を有する。特定の実施形態において、非線形チャープＵ（０，Ｔ）は、
の式によって特徴付けられる経時的周波数を有し、式中、Ｔは時間であり、ｉは位相項を含む振幅の虚数部を示し、Ｅ、Ｆ及びＧのうちの少なくとも１つはゼロではない。本発明者は、シードレーザによって生成されるシード光の（例えば、１及び１００ＧＨｚの範囲内の）（初期）スペクトルＥ９５帯域幅の５倍として定義される範囲内にある狭いスペクトルＥ９５帯域幅を有する基本波光を達成するために、ｘ^２の又は更に高い非線形性を有する非線形チャープが必要であると判断した。比較として、本発明で用いられるのと同様の方法で（例えば、線形チャープを生成するように構成されたブラッググレーティングを用いて）生成された線形チャープは、シード光のＦＷＨＭ値と近いＦＷＨＭ値を生成することができるが、そのＥ９５帯域幅は、１０倍以上に上る。従って、ファイバベース増幅器（例えば、ドープファイバ増幅器又はファイバラマン増幅器の何れか）によって生成されるＳＰＭ特性は、高解像度レーザ検査システムによって必要な度合までＳＰＭ特性を十分に補償するために、（例えば、上記式中のＥ、Ｆ及びＧのうちの少なくとも１つがゼロ以外でなくてはならない）ｘ^２の又は更に高い非線形性を必要とする。一実施形態によれば、１つの非線形チャープ要素は、レーザ光路においてシードレーザと一連のファイバ増幅器との間に配置され、直列接続されたファイバ増幅器の全てによって生成された累積ＳＰＭを補償する１つの非線形チャープを生成するように構成される。この１つの要素を用いるアプローチの利点は、シード光／増幅された光が最小数の非線形チャープ要素にしか遭遇しないのでパワー損失が最小化されることである。別の実施形態によると、非線形チャープ要素は、レーザ光光路において直列接続された増幅器の各々の前に配置され、各非線形チャープ要素は、各々に後続するファイバ増幅器に関連する個々のＳＰＭ特性を補償する要素となる非線形チャープを生成するように構成される。この複数の要素を用いるアプローチの利点は、各ファイバ増幅器のＳＰＭ特性に対処することによって補償非線形チャープ計算が簡略化される（すなわち、複数の直列接続された増幅器の累積ＳＰＭに関する補償非線形チャープを計算する必要がない）ことである。

本発明の別の実施形態によれば、ラマン増幅器は、連続波（ＣＷ）シード光及びパルスポンプシード光の両方を受光し、非線形チャープＮＬＣは、位相変調器によってＣＷシード光に追加される。後続する「下流の」直列接続されたラマン増幅器は、パルスポンプシード光を受光するが、ＣＷシード光は受光しない。このラマン増幅器を用いるアプローチの利点は、ラマンスペクトルシフトは、標準的なファイバレーザによって可能な範囲の外の波長における高いパワーレベルでレーザが作動することが可能になる点である。

本発明のこれらの利点及びその他の利点は、本発明の以下の詳細な説明及び添付図面によって当業者に明らかとなるであろう。

添付図面の図において、本発明が、限定のためではなく例示のために示される。

レーザ検査システムを図示する簡略化ブロック図である。 従来のパルスファイバレーザを図示する簡略化ブロック図である。 図１（Ｂ）のパルスファイバレーザにおいてシードレーザによって生成されるシードパルスを示す出力スペクトル図である。 増幅された光を示し、ファイバレーザのスペクトル帯域幅における自己位相変調の効果を図示する、出力スペクトル図である。 本発明の一般化された実施形態に係るレーザシステムを示す簡略化ブロック図である。 図３のレーザシステムによって生成された増幅された基本波光を示す出力スペクトル図である。 線形チャープを用いて生成された増幅された基本波光を示す出力スペクトル図である。 本発明の実施形態に係るレーザシステムを示す簡略化ブロック図である。 本発明の別の実施形態に係るレーザシステムを示す簡略化ブロック図である。 本発明のさらに別の実施形態に係るレーザシステムを示す簡略化ブロック図である。 図８のレーザシステムによって生成された光を示す出力スペクトル図である。 図８のレーザシステムによって生成された光を示す出力スペクトル図である。

本発明は、レーザ技術の向上に関する。以下の説明は、特定の応用及びその要件の文脈で提供されることにより、当業者に、本発明の製造及び利用を可能とするために提示される。本明細書において用いられる場合、例えば「より高い」、「より低い」、「前」及び「下流」といった方向を示す用語は、説明を目的として相対的な位置を示すことが意図されており、絶対的な基準を示すことを意図するものではない。好適な実施形態に対する様々な改良が当業者には明らかとなり、本明細書で定義された一般原理は他の実施形態にも適用されうる。従って本発明は、図示され説明された特定の実施形態に限定されることは意図されておらず、本明細書において開示された原理及び新規特徴と整合が取れた最も広い範囲と一致するように意図されている。

図３は、本発明の一般化された実施形態に係るレーザシステム９０を示す。レーザシステム９０は、公称基本周波数ω_Ｆで基本波光Ｆを生成するためのファイバベースの基本レーザシステム１００と、その後関連する光学システム（図示せず）へ通るレーザ出力光Ｌを所望の公称出力周波数ω_ＯＵＴで生成するために基本波光Ｆを変換／混合するための様々な部品を含む周波数変換モジュール９４とを含む。

実施形態によると、レーザシステム９０は、図１（Ａ）を参照して上述された方法でＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムにおいて照明源として用いられる。図３の右側を参照すると、特定の実施形態において、基本波光Ｆは約１μｍの波長（例えば、１０３０ｎｍ）に対応する公称基本周波数ω_Ｆであり、周波数変換モジュール９４は、基本波光Ｆを、公称基本周波数の２．５倍を上回る指定された出力周波数ω_ＯＵＴに変換するように（すなわち、出力周波数ω_ＯＵＴが、公称基本周波数ω_Ｆの対応する波長の４０％を下回る対応する波長、例えば、４００ｎｍを下回る波長を有するように、更に具体的には、レーザ光Ｌが３５５ｎｍ、２６６ｎｍ、２１３ｎｍ、２０６ｎｍ、又は１９３ｎｍの公称波長を有するように）構成される。また、レーザ光Ｌは、基本波光Ｌの基本スペクトル帯域幅Δ_ωＦに比例する出力帯域幅Δω_ＯＵＴを有する。周波数変換モジュール９４の機能を実行することができる周波数変換構造は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれた、共有された同時係属の「１９３ｎｍのレーザを用いた検査システム及び固体レーザ」と題された米国特許出願第１３／５５８３１８号に開示されている。本発明は、本明細書においてＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムに特に言及して説明されるが、他のレーザシステムにおいても同様に役立つことが確信される。

図３の左側を参照すると、従来のファイバベースレーザと同様に、基本波光源１００は、シード光１０５、ファイバベース増幅器１３０、及びポンプシードレーザ１４０を含む。シードレーザ１０５（例えば、パルス光発振器、固体レーザ、ダイオードレーザ、利得スイッチレーザダイオード、又は量子ドットレーザ）は、（比較的低い）初期ピークパワーＰ_０及び初期スペクトル帯域幅Δω_Ｓを有するシード光Ｓ_０を生成し、周知の技術を用いて光路Ｏに沿ってシード光Ｓ_０を送る。増幅器１３０は、光路Ｏに配置され、増幅器１３０から出力される（増幅された）基本波光Ｆが、シード光Ｓ_０の初期ピークパワーＰ_０よりも実質的に（例えば、１０倍）高い基本ピークパワーＰ_１を有するようにシード光Ｓ_０を増幅するファイバベースの増幅機構（例えば、ドープファイバ増幅器又はファイバラマン増幅器）を含む。ポンプシードレーザ１４０（例えば、パルス光発振器、固体レーザ、ダイオードレーザ、利得スイッチレーザダイオード、又は量子ドットレーザ）は、周知の技術に従って、ポンプシード光ＰＳを生成し、増幅器１３０へ送る。

本発明の態様によると、基本波光源１００は、シード光Ｓ_０（すなわち、以下で説明するような、部分的に増幅されたシード光）と、増幅器１３０に固有のＳＰＭ特性を補償する非線形「プリチャープ」（チャープ）ＮＬＣとを結合する、光路Ｏに（例えば、シードレーザ１０５と増幅器１３０との間に）配置された非線形チャープ要素１５０を含む。１つの実施形態において、非線形チャープ要素１５０は、基本波光Ｆの基本スペクトル帯域幅Δω_Ｆが、シード光Ｓ_０の上記初期スペクトルＥ９５帯域幅Δω_Ｓの５倍として定義された範囲内であるように、増幅器のＳＰＭ特性を「反映する」（すなわち、非線形プリチャープＮＬＣの周波数振幅及び周波数帯域幅が、増幅器のＳＰＭ特性の周波数振幅及び周波数帯域幅の実質的に正反対になるようにし、それによって、非線形チャープＮＬＣが増幅器のＳＰＭ特性を補償（すなわち、効果的に除去又は大幅に低減）する）方法で非線形チャープＮＬＣを生成するように構成されるブラッググレーティング、ファイバブラッググレーティング、又は電気光学的変調器を用いて実装される。

本発明の別の態様によると、チャープ要素１５０は、ｘ^２又は更に高い次数における非線形性を有する非線形プリチャープを生成するように構成される。具体的には、１以上の非線形チャープ要素１５０は、
の式によって特徴付けられる経時的周波数を有する非線形プリチャープＵ（０，Ｔ）を生成するように構成され、式中、Ｔは時間であり、ｉは位相項を含む振幅の虚数部を示し、Ｅ、Ｆ、Ｇのうちの少なくとも１つはゼロではない。すなわち、非線形チャープ要素１５０を生成するために用いられる式は、Ｔ^２又は更に高い次数を有する少なくとも１つの経時的成分を有する。従って、非線形チャープ要素１５０は、周知の技術を用いて増幅器１３０のＳＰＭ特性をまず測定及び数量化することによって構成され、その後、測定／数量化された特性を補償（反映）するＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、及びＧについての値が計算され、その後非線形チャープ要素１５０は、必要な補償非線形プリチャープを含むように構成される（例えば、ブラッググレーティングは、計算された値によって定義される非線形性を実現する周期的な屈折率変化を有して構成される）。

図４は、本発明に従う、非線形プリチャープを用いてシードパルスから生成される基本波光Ｆに関する典型的な出力スペクトル図を示す。比較する目的のために、この例において用いられるシードパルスは、図２（Ａ）に示され上述されたものと同一である。但し、基本波光Ｆは、公称基本周波数ω_Ｆ（例えば、１０３０ｎｍ）付近の基本スペクトル帯域幅Δω_Ｆを有する１０ｋＷのピークパワーのレーザパルスであり、基本スペクトル帯域幅Δω_Ｆは、２１ＧＨｚのＦＷＨＭ値（シードパルスの１１ＧＨｚのＦＷＨＭ値と比較；図２（Ａ）を参照）及び４１ＧＨｚのスペクトルＥ９５帯域幅（図２（Ａ）に示すシードパルスの２３ＧＨｚのＥ９５値と比較）を有することによって特徴付けられる。非線形チャープを追加することによって提供される実質的な改善は、図４と図２（Ａ）とを比較することによって明確に示される――非線形チャープは、ＦＷＨＭにおいて１０倍の（すなわち、２２２ＧＨｚから２１ＧＨｚへの）低減、及びスペクトルＥ９５帯域幅において約７倍（すなわち、２８６ＧＨｚから４１ＧＨｚへの）改善をもたらした。

比較する目的のために、図５は、線形プリチャープを用いて生成された、１０ｋＷのピークパワーパルスを有する基本波光Ｆ_{ＬＩＮＥＡＲ}の出力スペクトル図を示す。すなわち、ｘ^２又は更に高い非線形性を有するプリチャープを用いるのではなく、図５は、以下の線形方程式（関数）を用いて構成されるプリチャープを用いて図２（Ａ）のシードパルスを変更することによる効果を示す。

非線形の例と同様に、線形プリチャープ要素は、固有のＳＰＭチャープが可能な限り多く補償されるように、上記式を用いて、増幅器によって生成されるＳＰＭの量及びファイバ特性に合わせられる。図５に示すように、基本波光Ｆ_{ＬＩＮＥＡＲ}は、非線形チャープによって生成される値と同様に比較的狭いＦＷＨＭ値（すなわち、２３ＧＨｚ）を有する中央スパイク波形を示す。しかし、図５の下部において見られるように、Ｅ９５エネルギ点におけるレーザパルスのスペクトル幅は極めて広い（すなわち、３００ＧＨｚ以上）。この大きいＥ９５値は、線形でない固有のチャープが未だ著しくパルスに存在するために現れる。そのため、ファイバベース増幅器の非線形ＳＰＭ特性を十分に補償する線形プリチャープを用いて、高解像度ＵＶ−ＤＵＶレーザ検査システムに必要な高いピークパワーで狭い帯域幅のレーザ光を生成することが可能であるとは思われない。

再び図３を参照すると、基本レーザシステム１００は、光路Ｏにおいてシードレーザ１０５と１つの増幅器１３０との間に配置された１つの非線形チャープ要素１５０を伴って図示される。この配置の場合、非線形チャープ要素１５０を出射している変更されたシード光Ｓ_１は、同一の公称波長ω_Ｓ、同様のピークパワーＰ_０´（すなわち、ピークパワーＰ_０´はシード光Ｓ_０の初期ピークパワーＰ_０とほぼ等しいがそれより僅かに低い）、及び、非線形チャープＮＬＣを含むために上記初期の狭いスペクトル帯域幅Δω_Ｓとは異なる変更されたスペクトル帯域幅Δω_１を有する。ファイバ増幅器１３０は、上記基本波光Ｆが必要なＵＶ−ＤＵＶ基本スペクトル帯域幅Δω_Ｆを有するように、変更されたシード光Ｓ_１を増幅するファイバベース増幅機構を含む。一部の実施形態において（例えば、ファイバ増幅器１３０がドープファイバ増幅器である場合）、基本波光Ｆの公称基本周波数ω_Ｆは、初期（シード）周波数ω_Ｓと実質的に同一である。他の実施形態において（例えば、ファイバ増幅器１３０がラマン増幅器である場合）、基本波光Ｆの公称基本周波数ω_Ｆは、初期（シード）周波数ω_Ｓとは実質的に異なる。

本発明は、簡潔を期するために１つのファイバベースの増幅器１３０を含むシステムを参照して上述されたが、ほとんどの高いピークパワーのファイバベースレーザシステムは、出力レーザ光が十分なパワーレベルを有するように十分に高い基本波光を達成するために、２つ以上の直列接続された増幅器を用いることが理解される。図６は、本発明の実施形態に係るレーザシステム９０Ａの一部を示し、この図においてファイバベースの基本レーザシステム１００Ａは、１つのシードレーザ１０５Ａ、複数の直列接続された増幅器１３０Ａ−１，１３０Ａ−２，…，１３０Ａ−ｎを含む増幅器部１３０Ａ、及び光路においてシードレーザ１０５Ａと増幅器部１３０Ａとの間に配置された１つの非線形チャープ要素１５０Ａを含む。この場合、１つの非線形チャープ要素１５０Ａは、直列接続されたファイバ増幅器１３０Ａ−１，１３０Ａ−２，…，１３０Ａ−ｎの全てによって生成される累積ＳＰＭ効果を補償するために、変更されたシード光Ｓ_１に追加される１つの非線形プリチャープＮＬＣを生成するように構成される。すなわち、直列接続された増幅器１３０Ａ−１，１３０Ａ−２，…，１３０Ａ−ｎの累積ＳＰＭ特性が決定及び数量化され、その後、非線形チャープ要素１５０Ａは、累積ＳＰＭ特性を補償する非線形プリチャープを生成するように構成される。１つの非線形チャープ要素１５０Ａを用いることによる利点は、この配置は、増幅器部１３０Ａへ通される変更されたシード光に対するパワー損失を最小限にすることである。

図７は、本発明の別の実施形態に係るレーザシステム９０Ｂの一部を示し、この図においてファイバベースの基本レーザシステム１００Ｂは、シードレーザ１０５Ｂ、複数の増幅器１３０Ｂ−１，１３０Ｂ−２，…，１３０Ｂ−ｎ、及び複数の非線形チャープ要素１５０Ｂ−１，１５０Ｂ−２，…を含み、少なくとも１つの非線形チャープ要素は、光路において２つの増幅器の間に配置される（例えば、要素１５０Ｂ−２は、増幅器１３０Ｂ−１と１３０Ｂ−２との間に配置される）。この場合、各非線形チャープ要素１５０Ｂ−１，１５０Ｂ−２，…は、関連するファイバ増幅器１３０Ｂ−１，１３０Ｂ−２，…，１３０Ｂ−ｎによって生成される個々のＳＰＭ効果を補償するために、シード光又は部分的に増幅されたシード光の何れかに追加される非線形プリチャープ（例えば、非線形プリチャープＮＬＣ２は、増幅された光Ｓ_Ｂ３を生成するために、要素１５０Ｂ−２によって、部分的に増幅された光Ｓ_Ｂ２へ追加される）を生成するように構成される。例えば、非線形プリチャープＮＬＣ１は、増幅器１３０Ｂ−１のＳＰＭ特性を補償し、変更されたシード光Ｓ_Ｂ１を生成するために、要素１５０Ｂ−１によってシード光Ｓ_０へ追加される。同様に、非線形プリチャープＮＬＣ２は、増幅器１３０Ｂ−２のＳＰＭ特性を補償し、増幅された光Ｓ_Ｂ３を生成するために要素１５０Ｂ−２によって、部分的に増幅された光Ｓ_Ｂ２へ追加される。非線形チャープ要素１５０Ｂ−１，１５０Ｂ−２，…の累積効果は、１つのチャープ要素を有する実施形態の効果と同様であるが、複数の要素を有するアプローチは、各ファイバ増幅器のＳＰＭ特性に個々に対処する（すなわち、複数の直列接続された増幅器の累積ＳＰＭに関する補償非線形チャープを計算する必要がない）ことによって補償非線形チャープ計算を簡略化する。

図８は、本発明の別の実施形態に係るレーザシステム９０Ｃの一部を示し、この図においてファイバベースの基本レーザシステム１００Ｂは、直列接続されたラマン増幅器１３０Ｃ−１，１３０Ｃ−２，…，１３０Ｃ−ｎを用いる。この場合、シードレーザ１０５Ｃ−１は、連続波（ＣＷ）レーザ（例えば、固体レーザ、ダイオードレーザ、及び量子ドットレーザのうちの１つ）によって実現され、非線形チャープ要素は、ラマン増幅器１３０Ｃ−１が位相変調器１５０Ｃからの非線形チャープＮＬＣとＣＷシード光Ｓ_０１との両方を受光するように、光路内の（第１の）ラマン増幅器１３０Ｃ−１とＣＷシードレーザ１０５Ｃとの間に配置された位相変調器１５０Ｃによって実現される。基本レーザシステム１００Ｂはまた、各ラマン増幅器１３０Ｃ−１，１３０Ｃ−２，…，１３０Ｃ−ｎへパルス式ポンプシード光をそれぞれ供給する複数のパルス式ポンプシードレーザ１０５Ｃ−２１，１０５Ｃ−２２，…，１０５Ｃ−２ｎ（例えば、利得スイッチレーザダイオード又はパルス光発振器）も含む。例えばパルス式ポンプシードレーザ１０５Ｃ−２１は、パルス式ポンプシード光Ｓ_０２１をラマン増幅器１３０Ｃ−１へ供給し、パルス式ポンプシードレーザ１０５Ｃ−２２は、パルス式ポンプシード光Ｓ_０２２をラマン増幅器１３０Ｃ−２へ供給する。図９（Ａ）及び９（Ｂ）は、図８に示す実施形態に従ってラマン増幅器に関する相互位相変調（ＸＰＭ）を補償するために非線形チャープを用いた結果を示す。ＸＰＭは、同一のピークパワーに関して標準的なファイバレーザにおいて取得されるＳＰＭよりも２倍悪化する。このラマン増幅器のアプローチを用いる利点は、標準的なファイバレーザによって利用可能な波長を上回る波長での高いパワーがより実用的となることである。波長を増加させるために１以上のラマンシフトを用いることができる。

本発明を、ある特定の実施形態に関して説明したが、本発明の発明的特徴は他の実施形態にも同様に適用することができ、その全てが本発明の範囲内に含まれることが意図されていることが当業者には明らかであろう。

Claims (20)

1. 公称ＵＶ−ＤＵＶ出力周波数を有するレーザ出力光を生成するためのレーザシステムであって、
   公称基本周波数で基本波光を生成するためのファイバベースの基本波光源であり、
   初期ピークパワー及び初期スペクトル帯域幅を有するシード光を生成するため及び光路に沿って前記シード光を送るための手段を含む１以上のシードレーザと、
   前記光路に配置された１以上の増幅器であって、前記１以上の増幅器から出力された増幅された光が、前記初期ピークパワーよりも実質的に高い基本ピークパワーを有するように、前記１以上のシードレーザによって生成された前記シード光を増幅するための手段を含む増幅器と、
   前記シード光及び前記増幅された光のうちの１つと、１以上の非線形チャープとを結合するための、前記光路に配置された１以上の非線形チャープ要素と、
   前記公称基本周波数からの公称出力周波数を有するレーザ出力光Ｌへ前記基本波光を変換するための手段を含む周波数変換モジュールと
   を含むファイバベースの基本波光源を備え、
   前記１以上の増幅器は、固有の自己位相変調（ＳＰＭ）特性を有し、
   前記非線形チャープは、前記レーザシステムによって生成された前記基本波光が、前記シード光の前記初期スペクトル帯域幅の５倍として定義される範囲内にある基本スペクトル帯域幅を有するように、前記１以上の増幅器の前記ＳＰＭ特性を補償する、レーザシステム。
2. 前記周波数変換モジュールは、前記出力周波数が、前記公称基本周波数の２．５倍を超えるように、レーザ出力光を生成するための手段を含む、請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記１以上のシードレーザ及び前記１以上の増幅器は、前記公称基本周波数が、約１μｍの対応する波長を有する周波数であるように、前記基本波光を生成するための手段を備え、
   前記周波数変換モジュールは、前記出力周波数が、１９０ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内にある対応する波長を有する周波数であるように、前記レーザ出力光を生成するための手段を含む、請求項２に記載のレーザシステム。
4. 前記１以上のシードレーザの各々は、パルス光発振器、固体レーザ、ダイオードレーザ、利得スイッチレーザダイオード、及び量子ドットレーザのうちの１つを備える、請求項１に記載のレーザシステム。
5. 前記１以上の増幅器は、ドープファイバ増幅器及びラマン増幅器のうちの１つを備える、請求項１に記載のレーザシステム。
6. 前記１以上の増幅器へポンプシード光を送信するためのポンプシードレーザを更に備える、請求項１に記載のレーザシステム。
7. 前記１以上の非線形チャープ要素の各々は、ブラッググレーティング、ファイバブラッググレーティング、及び電気光学的変調器のうちの１つを備える、請求項１に記載のレーザシステム。
8. 前記１以上の非線形チャープ要素は、Ｘ^２又は更に高い次数における非線形性を有する非線形プリチャープを生成するための手段を備える、請求項７に記載のレーザシステム。
9. 前記１以上の非線形チャープ要素は、
   の式によって特徴付けられる経時的周波数を有する前記非線形プリチャープＵ（０，Ｔ）を生成するための手段を備え、
   式中、Ｔは時間であり、ｉは振幅に関連し、Ｅ、Ｆ及びＧのうちの少なくとも１つはゼロではない、請求項７に記載のレーザシステム。
10. １以上の非線形チャープ要素は、前記１以上の非線形チャープ要素を出射する変更されたシード光が、前記初期ピークパワーと実質的に等しい変更されたパワー及び前記初期スペクトル帯域幅とは異なる変更されたスペクトル帯域幅を有するように、前記光路において前記１以上のシードレーザと前記１以上の増幅器との間に配置され、
    前記１以上の増幅器は、前記基本波光の前記公称基本周波数が前記ＵＶ−ＤＵＶの範囲内であるように、前記変更されたシード光を増幅するための手段を含む、請求項１に記載のレーザシステム。
11. 前記１以上の増幅器は、前記光路において直列接続された複数の増幅器を備える、請求項１０に記載のレーザシステム。
12. 前記１以上の増幅器は、第１の増幅器及び第２の増幅器を含む複数の増幅器を備え、
    前記１以上の非線形チャープ要素は、前記光路において前記第１の増幅器と前記第２の増幅器との間に配置された少なくとも１つの非線形チャープ要素を備える、請求項１に記載のレーザシステム。
13. 前記１以上のシードレーザは、連続波（ＣＷ）シード光を生成するためのＣＷレーザと、パルスポンプシード光を生成するためのパルスレーザとを備え、
    前記１以上の増幅器は、前記ＣＷシード光及び前記パルスポンプシード光を受光するように配置されたラマン増幅器を備え、
    前記１以上の非線形チャープ要素は、前記ラマン増幅器が、位相変調器からの前記ＣＷシード光と前記非線形チャープとの両方を受光するように、前記光路において前記ラマン増幅器と前記ＣＷレーザとの間に配置された位相変調器を備える、請求項１に記載のレーザシステム。
14. 前記ＣＷレーザは、固体レーザ、ダイオードレーザ、及び量子ドットレーザのうちの１つを備え、
    前記パルスレーザは、利得スイッチレーザダイオード及びパルス光発振器のうちの１つを備える、請求項１３に記載のレーザシステム。
15. 前記１以上の増幅器は、前記ラマン増幅器から出力された増幅された光を受光するために前記光路に配置された第２のラマン増幅器を備え、
    前記１以上のシードレーザは、第２のパルスポンプシード光を前記第２のラマン増幅器へ送るために配置された第２のパルスレーザを更に備える、請求項１３に記載のレーザシステム。
16. レーザシステムにおいて公称基本周波数で基本波光を生成するためのファイバベースの基本波光源であって、
    初期ピークパワー及び初期スペクトル帯域幅を有するシード光を生成するため、及び光路に沿って前記シード光を送るための手段を含む１以上のシードレーザと、
    １以上の増幅器から出力された増幅された光が、前記初期ピークパワーよりも実質的に高い基本ピークパワーを有するように、前記１以上のシードレーザによって生成された前記シード光を増幅するための手段を含む、前記光路に配置された１以上の増幅器と、
    前記１以上の増幅器の自己位相変調（ＳＰＭ）特性を補償する１以上の非線形チャープを含むように、前記シード光及び前記増幅された光のうちの１つを変更するための手段を含む、前記光路に配置された１以上の非線形チャープ要素と
    を備えるファイバベースの基本波光源。
17. 前記１以上の非線形チャープ要素の各々は、ブラッググレーティング、ファイバブラッググレーティング、及び電気光学的変調器のうちの１つを備える、請求項１６に記載のファイバベースの基本波光源。
18. １以上の非線形チャープ要素は、ｘ^２又は更に高い次数における非線形性を有する前記非線形プリチャープを生成するための手段を備える、請求項１７に記載のファイバベースの基本波光源。
19. 前記１以上の非線形チャープ要素は、
    の式によって特性付けられる経時的周波数を有する前記非線形プリチャープＵ（０，Ｔ）を生成するための手段を備え、
    式中、Ｔは時間であり、ｉは振幅に関連し、Ｅ、Ｆ及びＧのうちの少なくとも１つはゼロではない、請求項１８に記載のファイバベースの基本波光源。
20. ファイバベースのレーザシステムを用いて基本波光を生成するための方法であって、
    初期スペクトル帯域幅を有するシード光を生成することと、
    初期ピークパワーよりも実質的に高いピークパワーを有する増幅された光を生成するために、１以上のファイバベースの増幅器を用いて前記シード光を増幅することと、
    非線形チャープを含むように、前記シード光及び前記増幅された光のうちの１つを変更することと
    を備え、前記非線形チャープは、ｘ^２又は更に高い次数における非線形性を有し、前記基本波光が前記初期スペクトル帯域幅の５倍として定義された範囲内である基本スペクトル帯域幅を有するように、前記１以上のファイバーベースの増幅器の自己位相変調（ＳＰＭ）特性を実質的に全て補償する、方法。