JP2020046492A - 波長変換装置、及び波長変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換光を安定して出力することができる波長変換装置、及び波長変換方法を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかる波長変換装置１００は、筐体１０と、筐体１０内に配置され、入射光の波長を変換して出力する波長変換素子２５と、筐体１０内に、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポート１１と、酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポート１２と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換装置、及び波長変換方法に関する。

特許文献１には、非線形光学結晶を用いて紫外線を発生する光学系が開示されている。特許文献１には、非線形光学結晶の雰囲気を、９９．９％以上の窒素とする点が開示されている。あるいは、雰囲気を９９．９％の乾燥空気とする点が開示されている。

特許文献２には、非線形結晶を含む共振キャビティに、加湿浄化ガスを供給するレーザ式照明システムが開示されている。具体的には、浄化ガスが、湿気注入システムを通ることで、水蒸気が加えられている。浄化ガスは、例えば、汚染物のない乾燥した空気、窒素、または不活性ガスの他の組み合わせである。

特開平１１−１６７１３２号公報 特表２０１５―５３６４８７号公報

このような非線形光学結晶を用いた場合、時間の経過とともに、非線形光学結晶からの波長変換光の出力が低下していくという問題点がある。さらに、雰囲気内に酸素がある場合、紫外光の照射によって、オゾンが発生してしまうという問題点がある。

本開示は、このような事情を背景としてなされたものであり、長時間安定して波長変換光を出力することができる波長変換装置、及び波長変換方法を提供するものである。

本実施形態の一態様にかかる波長変換装置は、筐体と、前記筐体内に配置され、入射光の波長を変換して出力する波長変換素子と、前記筐体の内部空間に、窒素ガスに対する酸素ガスの割合が１／９９９９〜１／９９の範囲となるガスを導入するガス供給手段と、を備えたものである。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

上記の波長変換装置において、前記筐体には、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポートと、酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポートと、が設けられていることが好ましい。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

本実施形態の一態様にかかる波長変換装置は、筐体と、前記筐体内に配置され、入射光の波長を変換して出力する波長変換素子と、前記筐体の内部空間に、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポートと、酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポートと、を備えたものである。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

上記の波長変換装置において、前記第２のガスの噴出口が前記第１のガスの噴出口よりも前記波長変換素子の近くに設けられていることが好ましい。オゾンによる汚染を防ぐことができる。

前記筐体内には、２つの波長変換素子が設けられ、２つの前記波長変換素子に対して、それぞれ第２のガスを噴出する前記噴出口が設けられていることが好ましい。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

本実施形態の一態様にかかる波長変換方法は、窒素ガスに対する酸素ガスの割合が１／９９９９〜１／９９の範囲となるガスを筐体内に導入するステップと、前記ガスを前記筐体内に導入しながら、前記筐体内に配置された波長変換素子に入射光を入射させて、波長変換光を発生させるステップと、を備えたものである。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

上記の波長変換方法において、前記筐体には、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポートと、酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポートと、が設けられていることが好ましい。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

本実施形態の一態様にかかる波長変換装置は、第１のポートから、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを筐体内に導入するとともに、第２のポートから、酸素ガスを１％以上含む第２のガスを前記筐体内に導入するステップと、前記第１及び第２のガスを前記筐体内に導入しながら、前記筐体内に配置された波長変換素子に入射光を入射させて、波長変換光を発生させるステップと、を備えたものである。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

上記の波長変換装置において、前記第２のポートの噴出口が前記第１のポートの噴出口よりも前記波長変換素子の近くに設けられていることが好ましい。オゾンによる汚染を防ぐことができる。

上記の波長変換装置において、前記筐体内には、２つの波長変換素子が設けられ、２つの前記波長変換素子に対して、それぞれ前記第２のガスを噴出する噴出口が設けられていることが好ましい。この構成によれば、長時間安定して波長変換光を出力することができる。

本開示によれば長時間安定して波長変換光を出力することができる波長変換装置、及び波長変換方法を提供することができる。

本実施の形態１にかかる波長変換装置の構成を示す模式図である。 波長変換光の出力変化を示すグラフである。 本実施の形態２にかかる波長変換装置の構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態の一例について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施形態を示すものであって、本発明の技術的範囲が以下の実施形態に限定されるものではない。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。

本実施の形態にかかる波長変換装置１００の構成について、図１を用いて説明する。図１は、波長変換装置１００の構成を模式的に示す図である。波長変換装置１００は、筐体１０と、外部共振器２０とを備えている。

筐体１０は、第１のポート１１と、第２のポート１２と、排気ポート１３と、を備えたチャンバーである。さらに、筐体１０は、窓１６と、窓１８と、を備えている。窓１６、及び窓１８は、レーザ光Ｌ１を透過する透明な材質により構成されている。基本波となるレーザ光Ｌ１が窓１６を通過して、筐体１０内の内部空間１４に入射する。

レーザ光Ｌ１の波長は４２０ｎｍ〜６００ｎｍとなっている。具体的には、レーザ光Ｌ１は、波長５３２ｎｍ又は波長４８８ｎｍの連続出力のレーザ光である。つまり、レーザ光Ｌ１は連続発振のＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザ光である。レーザ光Ｌ１は縦シングルモード光又は縦マルチモード光である。レーザ光Ｌ１が、後述する波長変換素子２５に入射する入射光となる。

筐体１０の内部空間１４には、外部共振器２０が配置されている。外部共振器２０から取り出された波長変換光Ｌ２が窓１８を通過して、筐体１０の外側に取り出される。外部共振器２０は、４つの光学鏡２１〜２４を有するリング型の外部共振器である。光学鏡２１〜２４は、例えば、高反射ミラーである。光学鏡２１、光学鏡２２は、平面鏡となっている。光学鏡２３、及び光学鏡２４は凹面鏡となっている。外部共振器２０の内部に波長変換素子２５が配置されている。

基本波のレーザ光Ｌ１は、部分反射ミラーである光学鏡２１の裏面から、外部共振器２０内に導かれる。外部共振器２０内に導入されたレーザ光Ｌ１は、光学鏡２１、光学鏡２２、光学鏡２３、光学鏡２４での反射を順番に繰り返していく。これにより、レーザ光Ｌ１が外部共振器２０内を循環するため、レーザ光Ｌ１が共振する。よって、レーザ光Ｌ１の強度を高くすることができる。

さらに、光学鏡２１から光学鏡２２までの光路中には、波長変換素子２５が配置されている。波長変換素子２５は、例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶、又は、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）結晶などの非線形光学結晶である。波長変換素子２５は、入射光であるレーザ光Ｌ１を波長変換して、波長変換光Ｌ２を発生させる。ここでは、波長変換素子２５としてＢＢＯ結晶を用いている。波長変換素子２５は、レーザ光Ｌ１の第２高調波を波長変換光Ｌ２として発生する。

レーザ光Ｌ１の波長は４２０ｎｍ〜６００ｎｍである場合、波長変換光Ｌ２の波長は２１０ｎｍ〜３００ｎｍとなる、具体的には、レーザ光Ｌ１が波長５３２ｎｍの場合、波長変換光Ｌ２は波長２６６ｎｍの紫外レーザ光となる。また、レーザ光Ｌ１が波長４８８ｎｍの場合、波長変換光Ｌ２は波長２４４ｎｍの紫外レーザ光となる。波長変換素子２５の角度と温度を適切に維持することで第２高調波発生に対する位相整合条件が満たされる。なお、波長変換の種類としては、第２高調波発生、和周波発生等がある。また、アクチュエータ等により光学鏡２２を駆動させることで、共振が保たれる。これにより、外部共振器２０内では、レーザ光Ｌ１のパワーが増強される。

そして、波長変換素子２５で発生した波長変換光Ｌ２は、光学鏡２２から取り出される。光学鏡２２には、例えば、第１のレーザ光Ｌ１の波長（４２０ｎｍ〜６００ｎｍ）に対して高反射、波長変換光Ｌ２の波長（２１０ｎｍ〜３００ｎｍ）に対して反射防止の膜が施されている。なお、光学鏡２２として、レーザ光Ｌ１を反射して、波長変換光Ｌ２を透過するダイクロイックミラー等を用いてもよい。そして、筐体１０内で発生した波長変換光Ｌ２は窓１８から外部に取り出される。波長変換光Ｌ２は、フォトマスクなどの光学検査装置に用いられる。

筐体１０の側壁には、第１のポート１１が設けられている。第１のポート１１は、筐体１０内に、第１のガスを導入する導入口となる。そのため、第１のポート１１には、第１のガス供給手段４１が取り付けられている。第１のガス供給手段４１は、ガスボンベなどであり、第１のガスを供給する。第１のポート１１の端にある噴出口１１ａから第１のガスが筐体１０内に噴出される。つまり、第１のガス供給手段４１からの第１のガスが、第１のポート１１を通じて、内部空間１４に導入される。

第１のガスは、窒素ガス（Ｎ_２ガス）を９９％以上含むガスである。例えば、第１のガスは、乾燥した窒素ガスである。これにより、筐体１０の内部空間１４に、窒素ガスが供給される。第１のガスの流量は、例えば、３ｌ／ｍｉｎである。

筐体１０の側壁には、第２のポート１２が設けられている。第２のポート１２は、筐体１０内に、第２のガスを導入する導入口となる。第２のポート１２には、第２のガス供給手段４２が取り付けられている。第２のガス供給手段４２は、ガスボンベなどであり、第２のガスを供給する。第２のポート１２の端にある噴出口１２ａから第２のガスが筐体１０内に噴出される。つまり、第２のガス供給手段４２からの第２のガスが、第２のポート１２を通じて、内部空間１４に導入される。

第２のガスは、酸素ガス（Ｏ_２ガス）を１％以上含むガスである。第２のガスは、例えば、乾燥空気である。これにより、筐体１０の内部空間１４に、乾燥空気が供給される。第２のガスの流量は、第１のガスの流量よりも小さくなっている。第２のガスの流量は、例えば、０．１５ｌ／ｍｉｎである。空気中の窒素ガスと酸素ガスの割合は約４：１であるので、酸素ガスの流量は、０．０３ｌ／ｍｉｎとなる。

第２のガスの噴出口１２ａは波長変換素子２５の近傍に配置される。そのため、第２のポート１２は、筐体１０の内部空間１４内に延びるガス配管１２ｂを含んでいる。ガス配管１２ｂは、筐体１０の側壁から波長変換素子２５の近傍まで延びている。よって、噴出口１２ａは、波長変換素子２５に向けて第２のガスを噴出する。

筐体１０の側壁には、排気ポート１３が設けられている。排気ポート１３は、筐体１０の外部空間につながっている。よって、筐体の内部空間１４内のガスが、排気ポート１３を通じて、外部空間に排出される。外部空間は、例えば、大気圧となっている。よって、内部空間１４の圧力が、大気圧以上の圧力で維持される。つまり、内部空間１４には、第１のガスと第２のガスとの混合ガスが大気圧以上の圧力で維持されている。

このようにすることで、筐体１０の内部空間１４は、第１のガス、及び第２のガスでパージされる。すなわち、筐体１０の内部空間１４は、第１のガス、及び第２のガスで満たされる。第１のガス及び第２のガスを筐体１０内に導入しながら、波長変換素子２５にレーザ光Ｌ１を入射させる。このようにすることで、波長変換光Ｌ２の出力低下を抑制することができる。つまり、窒素ガスとともに酸素ガスを導入することで、波長変換素子２５の劣化、損傷を抑制することができる。

図２は、波長変換光Ｌ２のレーザ出力の変化を示すグラフである。第１のガスのみを導入した例（Ｎ２）と、第１のガスに加えて、酸素を含む第２のガスを導入した例（Ｎ２＋Ｏ２）を示している。図２において、横軸は時間、縦軸は出力である。図２は、動作開始時の出力を１として、時間経過による出力低下を示すグラフである。図２に示すように、第１及び第２のガスを導入しながら、波長変換を行うことで、波長変換光Ｌ２の出力低下を抑制することができる。

さらに、第２のポート１２の噴出口１２ａが波長変換素子２５に向けて配置されている。したがって、第２のポート１２の噴出口１２ａから、波長変換素子２５に向けて、第２のガスが噴出されている。つまり、第２のポート１２の噴出口１２ａが、第１のポート１１の噴出口１１ａよりも波長変換素子２５の近くに配置されている。このようにすることで、内部空間１４の全体における酸素ガスの分圧を高くすることなく、波長変換素子２５を酸素ガスに曝すことができる。すなわち、波長変換素子２５の近傍における窒素ガスに対する酸素ガスの割合が、内部空間１４全体における窒素ガスに対する酸素ガスの割合よりも高くなる。

例えば、波長変換光Ｌ２によって、酸素がオゾンとなって、筐体１０内を汚染するおそれがある。本実施の形態では、噴出口１２ａを波長変換素子２５の近傍に配置しているため、第２のガスが波長変換素子に２５に対して、直接噴出される。したがって、内部空間１４における酸素ガスの圧力を高くすることなく、波長変換素子２５を酸素ガスに曝すことができる。よって、オゾンの発生を抑制しつつ、波長変換光Ｌ２の出力低下を抑制することができる。

なお、図１では、第１のガスと第２のガスとを異なるポートから導入したが、第１のガスと第２のガスとを同じポートから導入してもよい。すなわち、第１のガスと第２のガスとを混合した混合ガスを導入してもよい。この場合、例えば、混合ガス用のポートの噴出口を波長変換素子２５に向ける。このようにすることで、波長変換素子２５を酸素ガスに曝すことができる。

さらに、酸素ガスと窒素ガスを所定の割合で含むガスを用意して、筐体１０内に導入してもよい。筐体１０内に導入するガスにおいて、窒素ガスを９９％〜９９．９９％とし、酸素ガスを０．０１％〜１％とすることが好ましい。つまり、窒素ガスに対する酸素ガスの割合（酸素ガス／窒素ガス）をＡとすると、Ａ＝１／９９９９〜１／９９の範囲とすることが好ましい。窒素ガスに対する酸素ガスの割合が１／９９９９〜１／９９の範囲となるガスを導入すればよい。第１のガスと第２のガスとを別のポートから導入する場合、割合Ａは、第１のガスと第２のガスとを合わせた全体での割合である。

もちろん、筐体１０内に導入されるガスは、酸素ガスと窒素ガス以外のガスを含んでいてもよい。第１のポート１１と第２のポート１２の数は１つに限らず、２個以上であってもよい。例えば、第１のポート１１を複数設けて、第１のガスを複数の第１のポートから導入してもよい。あるいは、第２のポート１２を複数設けて、第２のガスを複数の第２のポート１２から導入してもよい。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる波長変換装置２００について、図３を用いて説明する。図３は、波長変換装置２００の構成を模式的に示す図である。本実施の形態では、筐体１０内に２つの外部共振器２０、３０が配置されている。外部共振器２０は、実施の形態１と同様の構成を有しているため、説明を省略する。また、実施の形態１と共通の内容についても、適宜説明を省略する。

外部共振器３０は、４つの光学鏡３１〜３４を有するリング型の外部共振器である。外部共振器３０の構成は、外部共振器２０と同様であるため、詳細な説明については省略する。光学鏡３１から光学鏡３２までの光路中には、波長変換素子３５が配置されている。波長変換素子３５は、例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）結晶などの非線形光学結晶を用いることができる。波長変換素子３５は、第２のレーザ光Ｌ１１及び波長変換光Ｌ２を入射光として、波長変換光Ｌ１２を発生させる。例えば、波長変換素子３５は、第２のレーザ光Ｌ１１と波長変換光Ｌ２との和周波又は差周波を発生させる非線形光学結晶である。

筐体１０には、窓１６〜１８が設けられている。窓１６からは、第１のレーザ光Ｌ１が入射する。第１のレーザ光Ｌ１は、実施の形態１のレーザ光Ｌ１と同様に、外部共振器２０内に導かれる。外部共振器２０の波長変換素子２５は、入射した第１のレーザ光Ｌ１の波長を変換して、波長変換光Ｌ２を出力する。第1のレーザ光Ｌ１の第２高調波が波長変換光Ｌ２として、外部共振器２０から出射する。外部共振器２０からの波長変換光Ｌ２は、図示しないミラーなどによって、外部共振器３０に導かれる。つまり、波長変換素子２５で波長変換された波長変換光Ｌ２は、窓１８から筐体１０の外部に取り出されずに、外部共振器３０まで導かれる。

窓１７は、第２のレーザ光Ｌ１１が入射する。窓１７からの第２のレーザ光Ｌ１１は、外部共振器３０内に導かれる。波長変換素子３５は、第２のレーザ光Ｌ１１と波長変換光Ｌ２とを入射光として、和周波又は差周波を波長変換光Ｌ１２として発生させる。波長変換素子３５で波長変換された波長変換光Ｌ１２は、光学鏡３２から取り出される。外部共振器３０からの波長変換光Ｌ１２は、窓１８から筐体１０の外部に取り出される。波長変換光Ｌ１２は、フォトマスクなどの光学検査の照明光として用いられる。

本実施の形態２においても、筐体１０には、第１のポート１１と、第２のポート１２とが設けられている。第１のポート１１からは、実施の形態１と同様に窒素ガスを９９％以上含む第１のガスが内部空間１４に導入される。第２のポート１２からは、酸素ガスを１％以上含む第２のガスが内部空間１４に導入される。

さらに、第２のポート１２では、ガス配管１２ｂの途中に分岐部１２ｃが設けられている。そして、分岐部１２ｃで分岐された一方のガス配管１２ｂの端である噴出口１２ａが波長変換素子２５に対して、第２のガスを噴出する。分岐部１２ｃで分岐された他方のガス配管１２ｂの端にある噴出口１２ｄが波長変換素子３５に対して、第２のガスを噴出する。このように、２つの波長変換素子２５、３５に対して、それぞれ第２のガスの噴出口１２ａ、１２ｄが設けられている

噴出口１２ａは、噴出口１１ａ、及び噴出口１２ｄよりも波長変換素子２５の近くに配置されている。噴出口１２ｄは、噴出口１１ａ、及び噴出口１２ａよりも波長変換素子３５の近くに配置されている。このようにすることで、波長変換素子２５、及び波長変換素子３５に第２のガスが直接噴出される。したがって、内部空間１４の酸素ガスの圧力を高くすることなく、波長変換素子２５、及び波長変換素子３５を酸素ガスに曝すことができる。よって、波長変換光Ｌ２、及び波長変換光Ｌ１２の出力低下を抑制することができる。さらに、内部空間１４内の酸素を低い圧力で維持することができるため、オゾンの発生を抑制することができる。

上記の説明では、ガス配管１２ｂに分岐部１２ｃを設けることで、２つの噴出口１２ａ、１２ｄを設けたが、２つの噴出口を設ける手段はこれに限られるものではない。例えば、筐体１０に２つの第２のポート１２を設けて、それぞれの第２のポートからガス配管を延ばしてもよい。このようにすることで、複数の波長変換素子２５、３５のそれぞれに対して、酸素ガスを直接噴出することができる。さらに、波長変換素子２５と波長変換素子３５とに噴出されるガスは、異なるガスであってもよい。もちろん、３以上の波長変換素子が設けられていてもよい。この場合、３以上の波長変換素子のそれぞれの近傍に第２のガスの噴出口を設けることが好ましい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態による限定は受けない。

１０ 筐体
１１ 第１のポート
１２ 第２のポート
１３ 排気ポート
１４ 内部空間
１６ 窓
１７ 窓
１８ 窓
２０ 外部共振器
２１〜２４ 光学鏡
２５ 波長変換素子
３０ 外部共振器
３１〜３４ 光学鏡
３５ 波長変換素子
１００ 波長変換装置
２００ 波長変換装置

Claims (10)

1. 筐体と、
   前記筐体内に配置され、入射光の波長を変換して出力する波長変換素子と、
   前記筐体の内部空間に、窒素ガスに対する酸素ガスの割合が１／９９９９〜１／９９の範囲となるガスを導入するガス供給手段と、を備えた波長変換装置。
2. 前記筐体には、
   窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポートと、
   酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポートと、が設けられている請求項１に記載の波長変換装置。
3. 筐体と、
   前記筐体内に配置され、入射光の波長を変換して出力する波長変換素子と、
   前記筐体の内部空間に、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポートと、
   酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポートと、を備えた波長変換装置。
4. 前記第２のガスの噴出口が前記第１のガスの噴出口よりも前記波長変換素子の近くに設けられている請求項２、又は３に記載の波長変換装置。
5. 前記筐体内には、２つの波長変換素子が設けられ、
   ２つの前記波長変換素子に対して、それぞれ第２のガスを噴出する前記噴出口が設けられている請求項４に記載の波長変換装置。
6. 窒素ガスに対する酸素ガスの割合が１／９９９９〜１／９９の範囲となるガスを筐体内に導入するステップと、
   前記ガスを前記筐体内に導入しながら、前記筐体内に配置された波長変換素子に入射光を入射させて、波長変換光を発生させるステップと、を備えた波長変換方法。
7. 前記筐体には、
   窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを導入する第１のポートと、
   酸素ガスを１％以上含む第２のガスを導入する第２のポートと、が設けられている請求項６に記載の波長変換方法。
8. 第１のポートから、窒素ガスを９９．９％以上含む第１のガスを筐体内に導入するとともに、第２のポートから、酸素ガスを１％以上含む第２のガスを前記筐体内に導入するステップと、
   前記第１及び第２のガスを前記筐体内に導入しながら、前記筐体内に配置された波長変換素子に入射光を入射させて、波長変換光を発生させるステップと、を備えた波長変換方法。
9. 前記第２のポートの噴出口が前記第１のポートの噴出口よりも前記波長変換素子の近くに設けられている請求項７、又は８に記載の波長変換方法。
10. 前記筐体内には、２つの波長変換素子が設けられ、
    ２つの前記波長変換素子に対して、それぞれ前記第２のガスを噴出する噴出口が設けられている請求項７〜９のいずれか１項に記載の波長変換方法。

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