JP2019053250A - レーザ光源装置及び波長変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形光学素子の自己加熱の影響を低減して、安定して大きなパワーの波長変換光を得ることができるレーザ光源装置を提供する。【解決手段】赤外域のパルス光を種光として出力する種光源と、種光を増幅する固体増幅器と、固体増幅器から出力される種光を波長変換して深紫外域のパルス光を出力する非線形光学素子とを備え、非線形光学素子は、種光を中間波長域のパルス光に波長変換する第１波長変換素子と、中間波長域のパルス光を深紫外域のパルス光に変換する第２波長変換素子を備えて構成され、中間波長域のパルス光のスペクトル幅が、第２波長変換素子の波長許容幅以下になるように、固体増幅器の利得帯域及び増幅率が設定され、第２波長変換素子の自己加熱による温度変動が第２波長変換素子の温度許容幅に収まるように結晶長が設定されているレーザ光源装置。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源装置及び波長変換方法に関する。

特許文献１には、固体増幅器でパルス光を増幅する際のエネルギー利用効率を向上させるとともに、固体増幅器の発熱ロスを低減して、比較的安価で小型のレーザ光源装置を提供することを目的とした深紫外域の光パルスを生成するレーザ光源装置が提案されている。

当該レーザ光源装置は、ゲインスイッチング法でパルス光を出力する種光源と、前記種光源から出力されるパルス光を増幅するファイバ増幅器と、前記ファイバ増幅器から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力されるパルス光を波長変換して出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、前記ファイバ増幅器と前記固体増幅器との間に、前記ファイバ増幅器から出力されたパルス光から特定波長範囲の光を回折して前記固体増幅器に導く回折格子を備えている。

ファイバ増幅器で増幅される過程で光ファイバ内の自己位相変調やラマン散乱等によって広帯域化されたパルス光が、周波数領域でＡＳＥノイズ等を除去するノイズフィルタとして機能する回折格子によって回折される結果、目的とする特定波長範囲の回折光のみが固体増幅器に導かれるようになる。

上述の非線形光学素子として、例えば種光源から出力された波長１０６４ｎｍのレーザパルス光を波長５３２ｎｍに波長変換するＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）や、波長５３２ｎｍのパルス光を波長２６６ｎｍに波長変換するＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）等が用いられる。

また、特許文献２には、潮解性を有する波長変換光学素子による波長変換を、高い変換効率で長期安定して行なえるように、波長変換光学素子を加熱するヒータと、波長変換光学素子の温度を検出する温度検出部と、温度検出部による検出温度に基づいてヒータを制御して、波長変換光学素子の温度が所定温度範囲内に維持されるように調節する温度制御部を備えた構成が開示されている。

特開２０１５−１５２６９８号公報 特開２０１１−５９３２４号公報

特許文献１に開示されたようなレーザ光源装置を用いることにより、パルス幅が数十から数百ピコ秒、平均出力が数ワットの深紫外レーザパルスが得られる。この程度の平均出力では非線形光学素子の自己加熱による熱影響は無視できるほど小さく、安定したレーザ光源装置が実現されていた。

しかし、対象物を高品位且つ高速に加工すべく、平均出力が数十ワット以上の深紫外レーザパルスを得ようとすると、非線形光学素子の自己加熱の影響が無視できず、常時安定したレーザ光源装置を実現するのが困難であった。

また、レーザパルスのピークパワーを高くするためにパルス幅をさらに短くすると、逆にスペクトル幅が大きくなり、非線形光学素子の波長変換効率が低下するという問題もあった。光パルスの時間強度波形とスペクトル形状は互いにフーリエ共役の関係にあり、パルス幅Δtとスペクトル幅Δνの間には以下の数式で示される不確定性関係が成立するためである。

Δt・Δν＝ｋ
ここに、パルス幅Δt、スペクトル幅Δνは共に半値全幅(FWHM: Full Width Half Maximum )を示す。ｋはスペクトルの分布関数に依存し、ガウス型の場合は０．４４１、ハイパボリック関数（ｓｅｃｈ）型の場合は０．３１５となる。

さらに、このような大出力の深紫外レーザパルスを得ようとすると非線形光学素子の寿命が短くなり、非線形光学素子が非常に高価であることからランニングコストが上昇するという問題があり、長寿命化のために一層の改良の余地があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、非線形光学素子の自己加熱の影響を低減して、安定して大きなパワーの波長変換光を得ることができるレーザ光源装置及び波長変換方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるレーザ光源装置の第一特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、赤外域のパルス光を種光として出力する種光源と、前記種光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力される種光を波長変換して深紫外域のパルス光を出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、前記非線形光学素子は、前記種光を中間波長域のパルス光に波長変換する第１波長変換素子と、前記中間波長域のパルス光を深紫外域のパルス光に変換する第２波長変換素子を備えて構成され、前記中間波長域のパルス光のスペクトル幅が、前記第２波長変換素子の波長許容幅以下になるように、前記固体増幅器の利得帯域及び増幅率が設定され、前記第２波長変換素子の自己加熱による温度変動が前記第２波長変換素子の温度許容に収まるように結晶長が設定されている点にある。

種光源から出力された赤外域のパルス光が固体増幅器によって増幅された後に第１波長変換素子に入射され、波長変換されて中間波長域のパルス光が得られる。第２波長変換素子の波長変換効率は、入射光となる中間波長域のパルス光のスペクトル幅（半値全幅）Δλlと第２波長変換素子の波長許容幅（半値全幅）Δλnloの比γ（γ＝Δλl/Δλnlo ）を変数として表され、γ＝１でγ＝０のときの７０％に低下する。

一般に、ピークパワーを高くするために種光のパルス幅を小さくすると、スペクトル幅が大きくなって非線形光学素子による波長変換効率が低下する。しかし、利得帯域の半値全幅及び増幅率が所定の値に設定された増幅器で赤外域のパルス光が増幅される過程でスペクトルの狭窄化が図られ、その結果、第１波長変換素子で波長変換された中間波長域のパルス光のスペクトル幅（半値全幅）Δλlが第２波長変換素子の波長許容幅（半値全幅）Δλnlo以下に波形整形できるようになり、波長変換効率の上昇が図られる。

また、そのような中間波長域のパルス光が第２波長変換素子に入射して、波長変換される過程で発生する自己加熱により第２波長変換素子が温度上昇すると、位相整合状態から逸脱して波長変換効率が低下することになる。しかし、自己加熱による温度上昇値が第２波長変換素子の温度許容幅に収まるような結晶長の第２波長変換素子を採用することにより、安定した強度の波長変換光が得られるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記種光は、パルス幅が２０ピコ秒以下に設定され、前記固体増幅器は、中心波長に対して利得帯域が０．５〜１．０ｎｍに設定され、少なくとも２０ｄＢの増幅率に設定されている点にある。

種光のパルス幅を２０ピコ秒以下に設定することにより高いピークパワーが得られ、集光することなく平行な大きなビーム径のパルス光を波長変換素子に入射させることができ、波長変換素子の角度許容幅内に入射ビームの広がり成分が入るように入射光の光軸を容易に調整することができる。一方で、種光源から出力されるパルス光のスペクトル幅が第２波長変換素子の波長許容幅より広くても、利得帯域の半値全幅が０．５〜１．０ｎｍに設定され、少なくとも２０ｄＢの増幅率に設定された固体増幅器で増幅することにより、効果的なスペクトルの狭窄化が図られ、第１波長変換素子で波長変換された中間波長域のパルス光のスペクトル幅（半値全幅）Δλlが第２波長変換素子の波長許容幅（半値全幅）Δλnlo以下に波形整形できるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記種光は、ゲインスイッチング法で得られるパルス光またはモード同期法で得られるパルス光が含まれる点にある。

ゲインスイッチング法またはモード同期法を用いることにより短光パルスが容易に得られ、このようなパルス光が固体増幅器で増幅されることにより効果的にスペクトルの狭窄化が図られるようになる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記第２波長変換素子へのパルス光の入射を一時的に停止するスイッチ機構を備えている点にある。

例えばレーザ光源装置から出力される深紫外パルス光を加工に用いる際に、加工対象物を移動させてレーザパルス光の照射位置を調整するために、深紫外パルス光の出力を一時的に停止させたい場合がある。そのような場合に、スイッチ機構により第２波長変換素子へのパルス光の入射を停止することにより、その間の波長変換素子による波長変換動作を停止することができる。その結果、非線形光学素子の無駄な消耗が回避されるので長寿命化を図ることができる。また、スイッチ機構により第２波長変換素子へのパルス光の入射を再開した場合でも、速やかに所望のパワーの波長変換光が得られるので、同様に光学素子の無駄な消耗が回避され、波長変換素子の寿命を延ばすことができるようになる。

本発明による波長変換方法の第一の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、種光源から赤外域のパルス光を種光として出力する種光生成ステップと、前記種光を固体増幅器で増幅する増幅ステップと、増幅された前記種光を第１波長変換素子により中間波長域のパルス光に波長変換する第１波長変換ステップと、中間波長域のパルス光を第２波長変換素子により深紫外域のパルス光に波長変換する第２波長変換ステップと、を備えている波長変換方法であって、前記増幅ステップは、前記中間波長域のパルス光のスペクトル幅が前記第２波長変換素子の波長許容幅以下になるように、利得帯域及び増幅率が設定された固体増幅器により前記種光が増幅されるように構成され、前記第２波長変換ステップは、自己加熱による温度変動が温度許容幅に収まるように設定された結晶長の前記第２波長変換素子により前記中間波長域のパルス光が波長変換されるように構成されている点にある。

同第二の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記種光生成ステップは、前記種光源から２０ピコ秒以下のパルス幅のパルス光が生成されるように構成され、前記増幅ステップは、中心波長に対して利得帯域が０．５〜１．０ｎｍに設定され、少なくとも２０ｄＢの増幅率に設定された固体増幅器により増幅されるように構成されている点にある。

同第三の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記種光生成ステップは、ゲインスイッチング法またはモード同期法を用いてパルス光を出力するように構成されている点にある。

同第四の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記第２波長変換ステップで前記第２波長変換素子へのパルス光の入射を一時的に停止するスイッチステップを備えている点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、非線形光学素子の自己加熱の影響を低減して、安定して大きなパワーの波長変換光を得ることができるレーザ光源装置及び波長変換方法を提供することができるようになった。

本発明によるレーザ光源装置のブロック構成図 波長変換効率のスペクトル幅依存性を示す特性図 （ａ）は種光源から出力されたパルス光の固体増幅器によるスペクトル幅の狭窄化を示す説明図、（ｂ）は種光源から出力されたパルス光の固体増幅器によるパルス幅の短縮化を示す説明図 理論値に基づく非線形光学素子のホルダ温度と自己加熱の影響による位相整合状態の変化特性の説明図 （ａ）は結晶長５ｍｍの非線形光学素子の実験値に基づく非線形光学素子のホルダ温度と自己加熱の影響による位相整合状態の変化特性の説明図、（ｂ）結晶長１５ｍｍの非線形光学素子の実験値に基づく非線形光学素子のホルダ温度と自己加熱の影響による位相整合状態の変化特性の説明図、（ｃ）は結晶長５ｍｍの非線形光学素子と結晶長１５ｍｍの非線形光学素子の自己発熱の特性説明図 光スイッチ素子で種光源から出力されたパルス光を断続した場合の波長変換光のパワー特性図 別実施形態を示すレーザ光源装置のブロック構成図

以下、本発明によるレーザ光源装置及び波長変換方法の実施形態を説明する。
図１には、本発明によるレーザ光源装置１の一例となる構成が示されている。レーザ光源装置１は、光源部１Ａと、スイッチ機構の一例である光スイッチ部１Ｂと、固体増幅部１Ｃと、波長変換部１Ｄとが光軸Ｌに沿って配置され、さらに光源部１Ａや波長変換部１Ｄ等を制御する制御部１００を備えている。

光源部１Ａには、種光源１０と、種光源１０用のドライバＤ１と、光アイソレータＩＳＬ１等を備えている。光スイッチ部１Ｂには、光スイッチ素子４０となる音響光学変調器ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）が配置されている。固体増幅部１Ｃには、固体増幅器５０と、反射ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３と、レンズＬ１，コリメータＣＬ等を備えている。

波長変換部１Ｄは、非線形光学素子である第１波長変換素子６０を備えた第１波長変換部１Ｅ、及び、同じく非線形光学素子である第２波長変換素子７０を備えた第２波長変換部１Ｆで構成され、それぞれ高調波発生法により所望の波長に変換されるように構成されている。

光源部１Ａと光スイッチ部１Ｂと固体増幅部１Ｃとがアルミニウム等で構成される一つの金属ケースに収容され、波長変換部１Ｄが別の金属ケースに収容され、さらに波長変換部１Ｄの金属ケースに第２波長変換部１Ｆがさらに別の金属ケースに収容されている。尚、各ケースに収容される機能ブロック１Ａ〜１Ｄの区分けは特に制限されることはないが、第２波長変換部１Ｆは内部に収容される非線形光学素子の特性等によりパージガスによりパージ可能な金属ケースに収容されている。

種光源１０として単一縦モードのレーザ光を出力する分布帰還型レーザダイオード（以下、「ＤＦＢレーザ」と記す。）が用いられ、ゲインスイッチング法を採用する制御部１００から出力される制御信号によって、ＤＦＢレーザから単発または数メガヘルツ以下の所望の周波数で、２０ピコ秒以下の所望のパルス幅のパルス光が出力される。

種光源１０から出力された赤外域つまり波長１０６４ｎｍのレーザパルス光（以下、単に「種光」とも記す。）が固体増幅器５０で所望のレベルまで増幅される。固体増幅器５０で増幅されたパルス光は第１波長変換素子６０で中間波長域つまり波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに第２波長変換素子７０で深紫外域つまり波長２６６ｎｍに波長変換されて出力される。

種光源１０から出力された数ピコジュールから数百ピコジュールのパルスエネルギーの種光が、固体増幅器５０によって最終的に数十マイクロジュールから数十ミリジュールのパルスエネルギーのパルス光に増幅された後に、二段の非線形光学素子６０，７０に順に入力されることによって最終的に数マイクロジュールから数ミリジュールのパルスエネルギーで波長２６６ｎｍの深紫外線に波長変換される。

種光源１０と固体増幅器５０との間には、光アイソレータＩＳＬ１、光スイッチ部１Ｂ、一対の反射ミラーＭ１，Ｍ２が配置され、反射ミラーＭ１，Ｍ２間には固体増幅器５０で増幅されたパルス光を波長変換部１Ｄに導く光アイソレータＩＳＬ２が配置されている。

尚、光アイソレータＩＳＬ１，ＩＳＬ２は、何れも磁気光学効果を利用して順方向と逆方向で偏光面を逆方向に回転させることで戻り光を遮断する偏光依存型の光アイソレータであり、光軸に沿って上流側に配置された各光学素子が、高強度の戻り光によって熱破壊されることを回避する等のために設けられている。

固体増幅器５０としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶が好適に用いられる。発光波長８０８ｎｍまたは８８８ｎｍのレーザダイオードで構成される励起用光源５１から出力され、コリメータＣＬによってビーム成形された励起光によって固体レーザ媒体であるＮｄ：ＹＶＯ４結晶が励起されるように構成されている。

光スイッチ素子４０を通過したパルス光は、反射ミラーＭ１，Ｍ２を経由して固体増幅器５０に入射して増幅された後に、さらに反射ミラーＭ３で反射されて固体増幅器５０に再入射して再度増幅される。つまり、固体増幅器５０の往路及び復路でそれぞれ増幅されるように構成されている。尚、レンズＬ１はビーム整形用である。

固体増幅器５０で増幅されたパルス光は反射ミラーＭ２、光アイソレータＩＳＬ２で反射されて波長変換部１Ｄとなる第１波長変換部１Ｅ及び第２波長変換部１Ｆに順次入射して、所望の波長に変換された後に出力される。

第１波長変換部１Ｅには第１波長変換素子６０であるＬＢＯ結晶（ＬｉＢ_３Ｏ_５）が組み込まれ、第２波長変換部１Ｆには第２波長変換素子７０であるＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）が組み込まれている。種光源１０から出力された波長１０６４ｎｍのパルス光が非線形光学素子６０で波長５３２ｎｍに波長変換され、さらに非線形光学素子７０で波長２６６ｎｍに波長変換される。

反射ミラーＭ４，Ｍ８は非線形光学素子６０から出力される波長１０６４ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、反射ミラーＭ６は非線形光学素子７０から出力される波長５３２ｎｍのパルス光を分離するためのフィルタとして機能し、分離されたパルス光はそれぞれ光ダンパで減衰される。

第２波長変換部１ＦにはＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）を光軸と直交する面内で移動させる走査機構であるステージ７１が設けられている。紫外線が長時間同一箇所に照射されるとＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）に光学損傷が生じて強度分布の劣化と波長変換出力の低下を招くため、所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためである。

ステージ７１には非線形光学素子７０を調温する調温素子が設けられたホルダーによって非線形光学素子７０が固定され、非線形光学素子７０の温度が位相整合のための所定温度に維持されるように調温素子を制御する第１調温機構が制御部１００に組み込まれている。調温素子としてヒータやペルチェ素子が好適に用いられる。

制御部１００はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）及び周辺回路等を備えた回路ブロックで構成され、予めＦＰＧＡ内の記憶部に記憶したプログラムに基づいて複数の論理素子を駆動することにより、レーザ光源装置１を構成する各ブロックが例えばシーケンシャルに制御される。

尚、制御部１００はＦＰＧＡで構成される以外に、マイクロコンピュータと記憶部及びＩＯ等の周辺回路で構成されていてもよいし、プログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等で構成されていてもよい。

具体的に、制御部１００はゲインスイッチング法を用いて種光源１０を発光させるべく、種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１に所定パルス幅のトリガ信号を出力する。当該駆動回路からＤＦＢレーザにトリガ信号に応じて高ピークパルス電流を極短時間流すことで緩和振動が発生し、緩和振動による発光開始直後の最も発光強度が大きな第１波のみからなり第２波以降のサブパルスを含まないパルス状のレーザ光が出力される。ゲインスイッチング法とは、このような緩和振動を利用した短いパルス幅でピークパワーが大きいパルス光を発生させる方法をいう。

また、制御部１００は光スイッチ素子４０である音響光学変調器ＡＯＭを駆動するＲＦドライバＤ２にゲート信号を出力する。ＲＦドライバＤ２から高周波信号が印加されたトランスジューサ（ピエゾ変換素子）によって音響光学素子を構成する結晶に回折格子が生成され、音響光学素子に入射するパルス光の回折光が反射ミラーＭ１に入射する。ＲＦドライバＤ２が停止すると音響光学素子に入射したパルス光は回折せずにそのまま通過し、反射ミラーＭ１に入射することはない。尚、ＲＦドライバＤ２の停止時に音響光学素子を通過した光は光ダンパによって減衰されるように構成されている。

ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオンすると回折された光が固体増幅器５０へ伝播し、ゲート信号によって光スイッチ素子４０がオフすると光の固体増幅器５０への伝播が阻止される。

さらに、制御部１００は所定時期にＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトするためにステージ７１を制御してステップ的に移動させる。例えば、制御部１００は、波長変換された紫外線の強度をモニタし、モニタした強度の履歴が所定のパターンに一致するとステージ７１を移動させてＣＬＢＯ結晶（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）へのパルス光の照射位置をシフトする。

パルス光の光軸に直交するＸ−Ｙ平面でステージ７１が移動可能となるように、ステージ７１は制御部１００によりモータドライバＤ３を介して制御されるＸ方向移動モータ及び／またはＹ方向移動モータに駆動連結されている。

制御部１００によって光スイッチ素子４０がオフされると、その間は、後段の固体増幅器５０への伝播が阻止されるようになり、非線形光学素子６０，７０の無駄な消耗が回避されるようになる。

光スイッチ素子４０として、ＥＯ変調の強度変調を利用して電界により光をオンオフする電気光学素子を用いてもよく、マイクロマシーニング技術で製作した微少な揺動ミラー（ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）で構成されたミラー）を用いて、ファイバ増幅器３０の出力が固体増幅器５０に伝播するか否かを微少な搖動ミラーの搖動角度によって切り替えるように構成してもよい。また、偏光状態を動的に切替えて光の透過と遮断を制御可能な偏光デバイスを用いてもよい。つまり、光スイッチ素子は動的光学素子で構成されていればよい。

固体増幅器５０で増幅されたパルス光は、光アイソレータＩＳＬ２の入力側のエスケープポートから第１波長変換部１Ｅの非線形光学素子６０であるＬＢＯ結晶に入射して波長５３２ｎｍのパルス光に波長変換される。

さらに、パルス光はレンズＬ２，Ｌ３によって０．８〜１．２ｍｍのビーム径が２．５〜８．０ｍｍ程度に拡径された後に、第２波長変換部１Ｆの非線形光学素子７０であるＣＬＢＯ結晶に入射して波長２６６ｎｍのパルス光に波長変換された後に出力される。尚、レンズＬ２，Ｌ３で拡径されたパルス光は、レーザ光源装置１の後段に配置された光学系で縮径され、単位面積当たりのパワーを増大した後に照射対象に照射される。

非線形光学素子７０で波長変換された後、波長２６６ｎｍのパルス光が反射ミラーＭ６で反射され、さらに反射ミラーＭ５で反射されて出射窓から出力される。非線形光学素子７０から出力された波長５３２ｎｍのパルス光は反射ミラーＭ６を透過して光ダンパで減衰される。

反射ミラーＭ５と出射窓との間にサンプラーとなる反射ミラーＭ１０が配置され、波長２６６ｎｍのパルス光のごく一部（０．５％程度）が反射されるように構成されている。反射ミラーＭ１０からの反射光はさらに反射ミラーＭ９で反射されて受光素子ＰＳ１に入射する。受光素子ＰＳ１によってそのパワーが検出される。受光素子ＰＳ１で検出されたパワーは制御部１００に入力され、その値に基づいて非線形光学素子７０の位相整合条件等が調整される。

以上説明したように、レーザ光源装置１は、ゲインスイッチング法で種光となる赤外域のパルス光を出力する種光源１０と、種光源１０から出力されるパルス光を増幅する固体増幅器５０と、固体増幅器５０から出力されるパルス光を波長変換して深紫外域のパルス光を出力する非線形光学素子６０，７０とを備えて構成されている。

そして、非線形光学素子は、種光源１０から出力される赤外域のパルス光を中間波長域のパルス光に波長変換する第１波長変換素子６０と、中間波長域のパルス光を深紫外域のパルス光に変換する第２波長変換素子７０を備えている。

固体増幅器５０の利得帯域（半値全幅）及び増幅率は、中間波長域のパルス光のスペクトル幅（半値全幅）が、第２波長変換素子７０の波長許容幅（半値全幅）以下になるような値に設定され、第２波長変換素子７０の結晶長は、自己加熱による温度変動が第２波長変換素子の温度許容幅（半値全幅）に収まるような値に設定されている。

具体的に、固体増幅器５０は、中心波長に対して利得帯域（半値全幅）が０．５〜１．０ｎｍとなる特性の固体レーザ媒体が用いられ、少なくとも２０ｄＢの増幅率、好ましくは２３ｄＢ、より好ましくは３０ｄＢ以上の増幅率に設定されている。この様な固体レーザ媒体として、Ｎｄ：ＹＶＯ４結晶以外に、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４結晶、Ｎｄ：ＬｎＶＯ４結晶等、Ｎｄがドープされた固体レーザ媒体を用いることができる。尚、レーザ媒体自身の利得帯域が広い場合であっても回折素子や干渉素子を組み合わせて上記利得帯域を実現することも可能である。

また、種光源１０から出力される種光のパルス幅は２０ピコ秒以下になるように設定されている。種光源１０から出力されるパルス光のパルス幅を２０ピコ秒以下に設定することにより高いピークパワーが得られる。

その結果、集光することなく大きなビーム径の平行なパルス光を波長変換素子に入射させることができ、波長変換素子の角度許容幅内に入射ビームの広がり成分が入るように入射光の光軸を容易に調整することができる。

波長１０００ｎｍ帯の種光（基本波）から非線形光学素子を用いて深紫外域へ波長変換し、その変換光を産業用途に利用する場合には、種光のスペクトル線幅を狭くする必要がある。この理由は入射光のスペクトル幅が波長変換素子の波長許容幅に対して広いと波長変換効率が低下するためである。

図２には、入射パルス光のスペクトル幅（半値全幅）Δλlと波長変換素子の波長許容幅（半値全幅）Δλnloの比γ（γ＝Δλl/Δλnlo ）を横軸とし、γ＝０の場合で規格化したときの波長変換効率ηnを縦軸とした特性図が示されている。

γ＝１（Δλl＝Δλnlo）の場合、輝線スペクトル時（γ＝０）に比べて変換効率は７０％まで低下することが当該特性図から読み取れる。このため、効率的な波長変換を実現するためにはγを１以下の値となるように設定することが好ましいことが分かる。例えば、第２波長変換素子７０として、長さＬ＝１５ｍｍのＣＬＢＯ結晶を用いて２６６ｎｍの深紫外域の光パルスを生成する場合、波長許容幅（半値全幅）Δλnloは０．０９ｎｍとなるので、中間波長域である５３２ｎｍの入射パルス光のスペクトル幅（半値全幅）Δλlを０．０９ｎｍ以下に設定することが好ましい。

ところで、ＤＦＢ半導体レーザをゲインスイッチ駆動して得られるピコ秒のパルス幅のパルス光は、その動作原理から時間とともに波長が変化するチャープ特性を持つ。中心波長に対して利得帯域（半値全幅）が０．５〜１．０ｎｍに設定された、端面励起Ｎｄ:ＹＶＯ_４を用いた固体増幅器５０により、そのようなチャープ特性を持つパルス光を少なくとも２０ｄＢ以上、好ましくは３０ｄＢ以上に増幅すると、増幅過程でスペクトルの狭窄化が生じる。このため特定の時間域の光のみが強調されることとなり、スペクトル幅に加えてパルス幅も短くなる。尚、増幅率は、励起用光源５１から供給される励起エネルギーにより調整される。スペクトルの狭窄化という観点で、固体増幅器の利得特性は、中心波長で最大ピークを示すおおよその単峰形状であることが好ましい。

種光のスペクトル幅が第２波長変換素子７０の波長許容幅より広くても、効果的なスペクトルの狭窄化が図られ、第１波長変換素子６０で波長変換された中間波長域のパルス光のスペクトル幅（半値全幅）Δλlが第２波長変換素子７０の波長許容幅（半値全幅）Δλnlo以下に波形整形できるようになる。

図３（ａ）には、固体増幅器５０に入力されたパルス光のスペクトル幅と、固体増幅器５０から出力されたパルス光のスペクトル幅が示されており、図３（ｂ）には、固体増幅器５０に入力されたパルス光のパルス幅と、固体増幅器５０から出力されたパルス光のパルス幅が示されている。

ＤＦＢ半導体レーザから得られる波長１０６４ｎｍ、スペクトル幅０．５６ｎｍ、パルス幅１６ｐｓの種パルスが固体増幅器５０で増幅された後にはペクトル幅０．１２ｎｍ、パルス幅１３ｐｓと狭スペクトル化と短パルス化されていることがわかる。尚、図３（ａ）の例では、中心波長λｃが１０６４．６ｎｍに設定されているが、種光のチャープ特性に応じてどの領域を抽出するのかに応じて中心波長λｃを設定すればよい。

第１波長変換素子６０で波長変換して得られる５３２ｎｍのパルス光のスペクトル幅は種光のおよそ半分となる。このため、図３（ａ）の場合には、波長５３２ｎｍ、スペクトル幅０．０６ｎｍのパルス光がＣＬＢＯ結晶に入射することとなり、γ＝０．６７（＝０．０６／０．０９）の条件下で深紫外光への波長変換が実現できる。このように、ゲインスイッチ駆動のＤＦＢ半導体レーザと固体増幅器５０の組み合わせは深紫外波長変換に対して好適に機能する。

ところで、第２波長変換素子７０の自己加熱による温度変動が生じると位相整合条件がずれて波長変換光のパワーが低下することが知られている。ＣＬＢＯの温度許容幅（半値全幅）Ｔａ［℃・ｃｍ］は、結晶長さＬ［ｍｍ］に反比例するので、結晶長さＬ＝５ｍｍではＴａ＝１３．２℃・ｃｍ、結晶長さＬ＝１０ｍｍではＴａ＝６．６℃・ｃｍ、結晶長さＬ＝１５ｍｍではＴａ＝４．４℃・ｃｍ、結晶長さＬ＝２０ｍｍではＴａ＝３．３℃・ｃｍとなる。

この様な数値から、自己加熱による温度変動が大きい場合には、温度許容幅（半値全幅）Ｔａが大きな結晶長さＬの短いＣＬＢＯを選択することがコスト的にも望ましいと考えられていた。例えば、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、パルス幅５０ピコ秒、平均パワー２ワット程度の深紫外パルス光を出力する波長変換装置では、深紫外波長変換過程における第２波長変換素子７０の自己加熱による熱影響は無視できる程小さかった。

しかしながら、深紫外光パルスの高出力化に加えて短パルス化を指向する場合には、自己加熱の影響が無視できなくなることが判明した。

平面波近似を用いた波長変換効率ηは［数１］から［数５］で与えられる。ここで，ｓｎはJacobiの楕円関数である。δはdephasingと呼ばれ位相不整合を表す量で［数３］で与えられ、η_０はdriveと呼ばれる無次元量で、対象となっている波長変換素子への入力の強さの程度を表し、［数４］で与えられる。ここで、Ｃは結合係数と呼ばれ、［数５］で与えられる。また、Ｌは結晶長、Ｉω（０）は入射基本波強度で、基本波の入射平均出力Ｐωを用いて［数６］で与えられる。［数６］のｆ、τ、ωはそれぞれ基本波の繰り返し周波数、パルス幅、１／ｅ^２で定義されるビーム半径である。また、波長変換後の平均出力Ｐ_２ωは［数７］で表すことができる。

自己加熱による影響を確認するためδについて入射基本波の各種広がりに起因するものと、位相整合条件からのずれ量に起因するものとに分離すると、［数８］と表すことができる。さらに、非線形光学素子の自己加熱によって結晶温度が位相整合条件からずれることに注目すると、δは［数９］で表すことができる。［数９］のλｍ、θｍは位相整合波長と角度であり、δ₀はδ_T以外のdephasingを表す。位相不整合量Δｋは波長、角度、温度の関数であり負の１軸性結晶の場合、常光線、異常光線の屈性率をそれぞれとｎｏ，ｎｅとして[数１０]で表される。ここで、結晶温度Ｔは結晶長に対して均一であると仮定し、［数１１］とする。［数１１］の第１項のＴ_０はヒータによって加熱される温度を表し、第２項、第３項は線形吸収、非線形吸収による加熱をそれぞれ表す。また、パルス幅、ビーム半径は波長変換過程において変化しないと仮定すると変換光強度Ｉ_２ωは、［数１２］で与えられる。





そして、［数７］に［数１］、［数２］、［数９］、［数１０］、［数１１］、［数１２］を代入して、Ｐ₂ωについて解くことで自己加熱が生じる場合の波長変換出力を求めることができる。

図４には、波長変換出力の結晶ホルダー温度依存性の計算例が示されている。本計算では［数５］に対してフィッティングパラメータＢを導入して、［数１３］を用いて計算した。

図４では、δ0、αT、βT、Ｂをそれぞれ０，５．０，１．０，０．４と仮定し、入射パワーを１０Ｗ，２０Ｗ，３０Ｗとしてホルダー温度を１６５℃から１３５℃まで徐々に低下させて算出した。また、パルス幅、ビーム直径と結晶長はそれぞれ１３ピコ秒，２．５ｍｍ，５．０ｍｍとした。

図４に示したように、自己加熱が存在する場合には、波長変換出力のホルダー温度特性に非対称性が生じるとともに、出力が最大となるホルダー温度が低温側にシフトする現象が生じる。さらに、入射パワーが３０ワット時のように自己加熱の程度が大きく、変換光による加熱により位相整合条件が維持される状態では(１３７℃付近)、ホルダー温度がわずかに低温側にシフトするだけで急激に変換出力が低下するといった不安定な状態が生じる。

以下に、実験結果を示す。種光源１０を繰り返し周波数２００ｋＨｚで動作させ、長さ２０ｍｍのＬＢＯ結晶を用いて波長５３２ｎｍに変換した。変換後のパルス幅は１３ピコ秒であった。そして、５３２ｎｍピコ秒パルスをＣＬＢＯ結晶への入射光に用い波長２６６ｎｍのピコ秒パルスを発生させた。また、ＣＬＢＯ結晶の手前にアッテネータとビームエキスパンダを設置し、入射パワーとビーム径を適宜調整した。

図５（ａ）には、結晶長５ｍｍのＣＬＢＯ結晶に対して入射ビーム直径２．５ｍｍとした際の２６６ｎｍ平均パワーのホルダー温度依存性が示されている。入射パワーを５Ｗから３１．７Ｗの範囲で変化させ、ホルダー温度を高温側から低温側へ変化させて測定した。

図５（ｂ）には、結晶長１５ｍｍのＣＬＢＯ結晶に対して、入射ビーム直径６．０ｍｍとした際の２６６ｎｍ平均パワーのホルダー温度依存性が示されている。入射パワーを９．５Ｗから３７．２Ｗの範囲で変化させ、ホルダー温度を高温側から低温側へ変化させて測定した。

図５（ｃ）には、各結晶の最大出力となる最適ホルダー温度の変化を横軸２６６ｎｍパワーでプロットしたものである。図５（ａ），（ｂ）中、括弧内の数値は各入射パワー時の最大２６６ｎｍピークパワー密度を示しており、単位はＭＷ／ｃｍ^２である。

５ｍｍ長のＣＬＢＯ結晶特性を示す図５（ａ）では、入射パワーが５Ｗ，１０Ｗでは２６６ｎｍパワーが最大となるホルダー温度を中心に左右対称であるが、入射パワーが２０Ｗを超えると非対称性が現れ２６６ｎｍ光による自己加熱の影響が生じていることが確認できる。尚、２６６ｎｍ光による加熱が［数１１］の線形吸収を示す第２項、２６６ｎｍ光から生成される１３３ｎｍ光、５３２ｎｍ光と２６６ｎｍ光から生成される１７７ｎｍ光による加熱が［数１１］の非線形吸収を示す第３項となる。さらに入射パワーを高めると、出力が最大となるホルダー温度を下回る辺りで急激に出力が低下する現象が生じることが確認でき、自己加熱を考慮した計算結果である図４と定性的によく似た現象が確認された。

また、１５ｍｍ長結晶の図５（ｂ）においても同様な性状変化が確認されたが、２６６ｎｍパワーは５ｍｍ長結晶より高くなっている。
加えて、図５（ｃ）で明らかなように５ｍｍ長結晶に比べ１５ｍｍ結晶の方がホルダー温度の変化量が少ないことが分かる。特に、５ｍｍ長結晶では２６６ｎｍパワーに対する温度変化に非線形吸収とみられる高次の変化が生じていることが分かる。つまり、第２波長変換素子７０の自己加熱による温度変動が第２波長変換素子７０の温度許容範囲（半値幅）に収まるように結晶長が設定されていることが好ましい。

また、これら熱影響の程度差はレーザパルスのＯＮ/ＯＦＦを頻繁に行う用途では非常に重要な特性である。特にレーザ加工用途などではスキャンニングミラーやステージの動作に合わせてレーザパルスのＯＮ/ＯＦＦが頻繁に行われる。また、ＯＮ期間やＯＦＦ期間も数十μ秒から数百秒とランダムである。高品位な加工を実現するためにはＯＮ指令とともに２６６ｎｍパワーが直ちに定常値に達し加工が開始される必要がある。

ここで、５ｍｍ長結晶を１０Ｗで運用した場合を考える。自己加熱によって１１℃温度変化が生じることが図５（ｃ）より確認でき、５ｍｍ長の温度許容幅の半値半幅である６．５℃よりも大きいことが確認できる。この場合、レーザ放射直後は位相整合条件が十分満たされずにその出力は１０Ｗより低い値となる。そして、自己加熱により結晶が温まることによって整合温度に到達する。このため、徐々に出力が増加する特性となる。

一方、１５ｍｍ長結晶では温度変化が１．５℃と許容幅の半値半幅である２．２℃より小さい。このような場合には自己加熱による位相整合条件からのずれが少ないため、ホルダー温度を工夫することで直ちに設定されたパワーを発生させることが可能である。

例えば、ＣＬＢＯ結晶の温度を予め０．１℃〜０．５℃程度高めに設定しておけばよく、或いは、規定出力より低い出力で温度の最適化を実施するように制御すればよい。具体的には、１０Ｗ運用時には８Ｗで最も変換出力が高くなる温度に設定すればよい。制御部１００に備えた記憶部にＯＮ直後から直ちに安定する（３％以内）ＣＬＢＯ結晶温度を自動的に探索する「緩和調整プログラム」が格納され、当該プログラムに基づいて制御部１００が温度制御するように構成すればよい。

図６（ａ）には、１５ｍｍ長結晶を用いた際に、光スイッチ部１Ｂを制御してＯＮ/ＯＦＦした場合の特性が示されている。レーザ加工時のワーク(加工対象物)の搬送と加工を想定し、約３０秒間パルスをＯＦＦし約７０秒間ＯＮした。ＯＮ直後から７０秒間の安定性が３％-ｐｐと優れておりレーザ加工に適応可能な特性を有していることが確認できる。尚、念のために付言するが、図６（ａ）の特性図では、光スイッチ部１ＢがＯＮされた場合の特性としてパルス光が所定の繰返し周波数で出力されるように波形が示されていないが、実際には１００Ｈｚから５ＭＨｚ程度の範囲の繰返し光となる。

図６（ｂ），（ｃ）には、第２波長変換素子の自己加熱による温度変動が第２波長変換素子の温度許容を逸脱するような結晶長に設定されている場合の波長変換光の特性の例が破線で示されている。

図６（ｂ）では、光スイッチ部１Ｂを制御してＯＮした時点から目標とするパワーよりも大きなパワーが出力され、収束する迄の時間ｔ１が、第２波長変換素子が無駄に消耗する時間となり、図６（ｃ）では、光スイッチ部１Ｂを制御してＯＮした時点から目標とするパワーより小さなパワーが出力され、収束する迄の時間ｔ２が、第２波長変換素子が無駄に消耗する時間となる。温度許容幅を逸脱している場合、時間ｔ１，ｔ２は３０秒から１８０秒程度と長い時間となる。

つまり、本発明により、第２波長変換素子７０の波長許容幅よりもスペクトル幅が広く、２０ピコ秒以下の短パルスの種光を、減衰させることなく増幅過程により狭窄化することで、高出力の深紫外域の短パルス光を発生させることができる。

以下、本発明の別実施形態を説明する。
上述した実施形態では、種光源１０としてＤＦＢレーザを用い、ゲインスイッチング法を用いて種光を生成する構成を説明したが、種光源１０としてモード同期レーザを用いてモード同期法により種光を生成するように構成してもよい。さらにパルス幅が２０ピコ秒程度の種光を生成可能な任意の種光源を用いることも可能である。

上述した実施形態では、第２波長変換素子へのパルス光の入射を一時的に停止するスイッチ機構として、固体増幅器５０への種光の入射を一時的に停止する光スイッチ部１Ｂを例示したが、光スイッチ部１Ｂに代えて、制御部１００にスイッチ機構としての機能を持たせてもよい。種光源１０であるＤＦＢレーザのドライバＤ１にトリガ信号の出力を一時的に停止させるように制御部１００を構成すればよい。

固体増幅器５０に入射する種光が停止された時に、固体増幅器５０が過度な励起状態に到らないように、励起用光源５１から注入される励起エネルギーの注入量を調整すればよい。

また、種光源１０と固体増幅器５０との間に半導体光増幅器（ＳＯＡ: Semiconductor Optical Amplifier）を設けて、半導体光増幅器への注入電流を制御して、種光の停止時に半導体光増幅器から固体増幅器５０に連続光が入力され、過剰な励起状態が解消されるように構成してもよい。

この場合、種光の出力時に、種光の繰返し周波数に応じて半導体光増幅器への注入電流を制御することにより、固体増幅器５０へ入射される種光のパワーを適正な値に調整することも可能になる。

光スイッチ部１Ｂは、固体増幅器５０の前段に設けることが必須ではなく、少なくとも第２波長変換素子７０の前段に設置されていればよい。

上述した実施形態では、固体増幅部１Ｃが一段の固体増幅器５０を備えて構成された例を説明したが、複数段の固体増幅器を備えていてもよい。
例えば、図７に示すように、固体増幅器５０で増幅されたパルス光が反射ミラーＭ２、光アイソレータＩＳＬ２で反射されて次段の固体増幅器５３でさらに増幅された後にミラーＭ２０，Ｍ３０を介して第１波長変換素子６０に導かれるように構成してもよい。

本発明による波長変換装置が組み込まれるレーザ光源装置は、発振波長が１０６４ｎｍとなる種光源に限定されるものでもなく、例えば、１０３０ｎｍ、１５５０ｎｍ、９７６ｎｍ等、用途によって適宜異なる波長の種光源を選択することが可能である。さらに、非線形光学素子を介してこれらの波長を基本波とする高調波、和周波、差周波を発生させることも可能である。非線形光学素子として、上述以外の非線形光学素子を用いることも可能である。例えば、ＣＬＢＯ結晶に代えて、ＢＢＯ結晶、ＫＢＢＦ結晶、ＳＢＢＯ結晶、ＫＡＢＯ結晶、ＢＡＢＯ結晶等を用いることができる。

上述した複数の実施形態は、何れも本発明の一実施態様の説明であり、該記載により本発明の範囲が限定されるものではない。また、各部の具体的な回路構成や回路に使用する光学素子は、本発明の作用効果が奏される範囲で適宜選択し、或いは変更設計可能であることはいうまでもない。

１：レーザ光源装置
１Ａ：光源部
１Ｂ：光スイッチ部
１Ｃ：固体増幅部
１Ｄ：波長変換部
１Ｅ：第１波長変換部
１Ｆ：第２波長変換部
１０：種光源
４０：光スイッチ素子
５０：固体増幅器
６０：第１波長変換素子（ＬＢＯ結晶）
７０：第２波長変換素子（ＣＬＢＯ結晶）
７２：調温素子

Claims (8)

1. 赤外域のパルス光を種光として出力する種光源と、前記種光を増幅する固体増幅器と、前記固体増幅器から出力される種光を波長変換して深紫外域のパルス光を出力する非線形光学素子と、を備えているレーザ光源装置であって、
   前記非線形光学素子は、前記種光を中間波長域のパルス光に波長変換する第１波長変換素子と、前記中間波長域のパルス光を深紫外域のパルス光に変換する第２波長変換素子を備えて構成され、
   前記中間波長域のパルス光のスペクトル幅が、前記第２波長変換素子の波長許容幅以下になるように、前記固体増幅器の利得帯域及び増幅率が設定され、
   前記第２波長変換素子の自己加熱による温度変動が前記第２波長変換素子の温度許容に収まるように結晶長が設定されているレーザ光源装置。
2. 前記種光は、パルス幅が２０ピコ秒以下に設定され、
   前記固体増幅器は、中心波長に対して利得帯域が０．５〜１．０ｎｍに設定され、少なくとも２０ｄＢの増幅率に設定されている請求項１記載のレーザ光源装置。
3. 前記種光は、ゲインスイッチング法で得られるパルス光またはモード同期法で得られるパルス光が含まれる請求項１または２記載のレーザ光源装置。
4. 前記第２波長変換素子へのパルス光の入射を一時的に停止するスイッチ機構を備えている請求項１から３の何れかに記載のレーザ光源装置。
5. 種光源から赤外域のパルス光を種光として出力する種光生成ステップと、前記種光を固体増幅器で増幅する増幅ステップと、増幅された前記種光を第１波長変換素子により中間波長域のパルス光に波長変換する第１波長変換ステップと、中間波長域のパルス光を第２波長変換素子により深紫外域のパルス光に波長変換する第２波長変換ステップと、を備えている波長変換方法であって、
   前記増幅ステップは、前記中間波長域のパルス光のスペクトル幅が前記第２波長変換素子の波長許容幅以下になるように、利得帯域及び増幅率が設定された固体増幅器により前記種光が増幅されるように構成され、
   前記第２波長変換ステップは、自己加熱による温度変動が温度許容幅に収まるように設定された結晶長の前記第２波長変換素子により前記中間波長域のパルス光が波長変換されるように構成されている波長変換方法。
6. 前記種光生成ステップは、前記種光源から２０ピコ秒以下のパルス幅のパルス光が生成されるように構成され、
   前記増幅ステップは、中心波長に対して利得帯域が０．５〜１．０ｎｍに設定され、少なくとも２０ｄＢの増幅率に設定された固体増幅器により増幅されるように構成されている請求項４記載の波長変換方法。
7. 前記種光生成ステップは、ゲインスイッチング法またはモード同期法を用いてパルス光を出力するように構成されている請求項５または６記載の波長変換方法。
8. 前記第２波長変換ステップで前記第２波長変換素子へのパルス光の入射を一時的に停止するスイッチステップを備えている請求項５から７の何れかに記載の波長変換方法。