JP2023530266A - 積み重ねられた四ホウ酸ストロンチウム板を使用した周波数変換 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「177nm and 133nm CW Lasers Using Stacked Strontium Tetraborate Plates」と題する、米国仮特許出願第63/038,134号の優先権を主張し、それは2020年6月12日に出願されたものであり、参照により本明細書に援用される。本出願は更に、「152nm and 177nm CW Lasers Using Stacked Strontium Tetraborate Plates」と題する、米国仮特許出願第63/076,391号の優先権を主張し、それは2020年9月10日に出願されたものであり、参照により本明細書に援用される。
ここで、mは奇数の整数(1,3,5,7など)であり、擬似位相整合臨界長Lc=π/Δk’であり、Δkは次のように定義される。
ここで、k(ω)は、非線形結晶135内の周波数ωの光の波動ベクトルである。中間光ビーム129-1のみが存在する実施形態では、この式のωyはωxに置換される必要があり、すなわち、
各周期構造における極間の間隔は、本明細書では厚さと呼ばれることがあり、それは間隔Λ1がSBO結晶板135-1の物理的厚さT1と実質的に等しく、間隔Λ2がSBO結晶板135-2の物理的厚さT2と実質的に等しいためであり、ここで、厚さT1及びT2は、対向する板表面間の結晶内光部分134の光伝播方向に平行に測定されることに留意されたい。1つの実施形態では、非線形結晶135は、大型SBO板を所望の厚さまで研磨し、次いでそれを個々の小さなピースに分割し、ピースを互いに対して正しい向き(後述)で組み立てて、積み重ねられたSBO結晶板を形成することによって生成され、隣接するSBO結晶板間の接続は、研磨された表面を共に光学的に接触させることによって達成される。この場合、所与の非線形結晶を形成する全てのSBO結晶板は同じ厚さを有し(例えば、厚さT1は厚さT2に等しい)、したがって積み重ねられた結晶板は、各極間の間隔が同じである周期構造を形成する(例えば、間隔Λ1は実質的に間隔Λ2に等しい)。別の代替の実施形態では、SBO結晶板135-1及び135-2の結晶軸は、光134がb軸に平行に伝播するように、又は2つの結晶板のa-b平面内で或る角度で伝播するように配向され得る。
Claims (23)
- 約125nm~約183nmの範囲内の対応する波長を備える出力周波数を有するレーザ出力光ビームを発生するためのレーザアセンブリであって、
対応する基本周波数を有する基本光ビームを発生するようにそれぞれ構成された1つ以上の基本波レーザと、
前記1つ以上の基本光ビームを使用して1つ以上の中間光ビームを発生するように集合的に構成される複数の中間周波数変換段であって、前記1つ以上の中間光ビームのそれぞれが関連する中間周波数を有している、複数の中間周波数変換段と、
前記1つ以上の中間光ビームを非線形結晶に通すように構成された最終周波数変換段と、を備え、
ここで前記非線形結晶は、積み重ねた構成で配置される複数の四ホウ酸ストロンチウムSrB4O7(SBO)結晶板を含み、各前記SBO結晶板は少なくとも1つの隣接する前記結晶板と界面表面を形成し、
ここで前記複数のSBO結晶板は、前記1つ以上の中間光ビームの疑似位相整合(QPM)を実現する周期構造を形成するように協調的に構成されることで、前記非線形結晶を出る光が前記出力周波数を有する前記レーザ出力光ビームを含む、
レーザアセンブリ。 - 前記複数のSBO結晶板は、前記各SBO結晶板の第1の結晶軸が前記隣接するSBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転するように構成される、請求項1に記載のレーザアセンブリ。
- 前記最終周波数変換段は、前記1つ以上の中間光ビームが、前記複数のSBO結晶板を通って前記第1及び第2の結晶軸の(i)a軸及び(ii)b軸のうちの1つに平行な方向に伝播するように構成される、請求項1に記載のレーザアセンブリ。
- 前記最終周波数変換段は更に、
前記1つ以上の中間光ビームを受け取って循環させるように構成されることで、前記1つ以上の中間光ビームのビームウエストが前記非線形結晶で生じる、複数のミラーと、
前記非線形結晶を出る前記光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタが前記出射光の第1の部分を反射して前記レーザ出力光ビームを形成するように、かつ前記出射光の第2の部分が前記ビームスプリッタを通過し、前記複数のミラーによって循環されるように構成されるビームスプリッタと、
を含む、請求項1に記載のレーザアセンブリ。 - 前記ビームスプリッタは、SBO結晶、SBOガラス、又はCaF2結晶のうちの1つを含む、請求項1に記載のレーザアセンブリ。
- 前記1つ以上の基本波レーザは、対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の基本周波数を有する基本光を発生するように構成され、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記基本光を受け取るように結合され、前記基本周波数の2倍に等しい第2次高調波周波数を有する第2次高調波光を発生するように構成された第1の周波数倍増段と、
前記第1の周波数倍増段から前記第2次高調波光を受け取るように結合され、前記基本周波数の4倍に等しい第4次高調波周波数を有する第4次高調波光として前記中間光ビームを発生するように構成された第2の周波数倍増段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第4次高調波光を周波数倍増するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記基本周波数の8倍に等しくなる、
請求項1に記載のレーザアセンブリ。 - 前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第8次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第4次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項6に記載のレーザアセンブリ。
- 前記複数のSBO結晶板は、第1の前記SBO結晶板の第1の結晶軸が、隣接する第2の前記SBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転されるように構成され、
前記第1及び第2のSBO結晶板の前記結晶軸は、前記第1及び第2のSBO結晶板の両方の結晶c軸が、前記第1及び第2のSBO結晶板を通過する前記第4次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記出力周波数は実質的に133nmに等しく、
前記第1及び第2のSBO結晶板の少なくとも1つは、前記周期構造の極間の間隔が0.13μmの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第4次高調波周波数と前記第8次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項6に記載のレーザアセンブリ。 - 前記1つ以上の基本波レーザは、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第1の基本周波数を有する第1の基本光を発生するように構成される第1の基本波レーザと、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第2の基本周波数を有する第2の基本光を発生するように構成される第2の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第1の基本光を受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の2倍に等しい第2次高調波周波数を有する第2次高調波光を発生するように構成された周波数倍増段と、
前記周波数倍増段から前記第2次高調波光と前記第2の基本光とを受け取るように結合され、前記中間光ビームを、前記第1の基本周波数の3倍に実質的に等しい第3次高調波周波数を有する第3次高調波光として発生するように構成された周波数合計段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第3次高調波光を周波数倍増するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記第1の基本周波数の6倍に実質的に等しくなる、
請求項1に記載のレーザアセンブリ。 - 前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第6次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第3次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項9に記載のレーザアセンブリ。
- 前記複数のSBO結晶板は、第1の前記SBO結晶板の第1の結晶軸が、隣接する第2の前記SBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転されるように構成され、
前記第1及び第2のSBO結晶板の前記結晶軸は、前記第1及び第2のSBO結晶板の両方の結晶c軸が、前記第1及び第2のSBO結晶板を通過する前記第3次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記出力周波数は実質的に177nmに等しく、
前記第1及び第2のSBO結晶板の少なくとも1つは、前記周期構造の極間の間隔が0.60μmの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第3次高調波周波数と前記第6次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項9に記載のレーザアセンブリ。 - 前記1つ以上の基本波レーザは、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第1の基本周波数を有する第1の基本光を発生するように構成される第1の基本波レーザと、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第2の基本周波数を有する第2の基本光を発生するように構成される第2の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第1の基本光を受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の2倍に等しい第2次高調波周波数を有する第2次高調波光を発生するように構成された第1の周波数倍増段と、
前記第1の周波数倍増段から前記第2次高調波光の第1の部分と前記第2の基本光とを受け取るように結合され、第1の前記中間光ビームを、前記第1の基本周波数の3倍に実質的に等しい第3次高調波周波数を有する第3次高調波光として発生するように構成された周波数合計段と、
前記第1の周波数倍増段から前記第2次高調波光の第2の部分を受け取るように結合され、第2の前記中間光ビームを、前記第1の基本周波数の4倍に等しい第4次高調波周波数を有する第4次高調波光として発生するように構成された第2の周波数倍増段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記周波数合計段から受け取った前記第3次高調波光と、前記第2の周波数倍増段から受け取った前記第4次高調波光とを合計するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記第1の基本周波数の7倍に実質的に等しくなる、
請求項1に記載のレーザアセンブリ。 - 前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第7次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第3次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項12に記載のレーザアセンブリ。
- 前記複数のSBO結晶板は、第1の前記SBO結晶板の第1の結晶軸が、隣接する第2の前記SBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転されるように構成され、
前記第1及び第2のSBO結晶板は、前記第1及び第2の結晶軸の両方の結晶c軸が、前記第1及び第2のSBO結晶板を通過する前記第3次及び第4次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記出力周波数は実質的に152nmに等しく、
前記第1及び第2のSBO結晶板の少なくとも1つは、前記周期構造の極間の間隔が0.30μmの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第3次高調波周波数、前記第4次高調波周波数、及び前記第7次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項12に記載のレーザアセンブリ。 - 前記1つ以上の基本波レーザは、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第1の基本周波数を有する第1の基本光を発生するように構成される第1の基本波レーザと、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第2の基本周波数を有する第2の基本光を発生するように構成される第2の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第1の基本光を受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の2倍に等しい第2次高調波周波数を有する第2次高調波光を発生するように構成された第1の周波数倍増段と、
前記第1の周波数倍増段から前記第2次高調波光の第1の部分を受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の4倍に等しい第4次高調波周波数を有する第4次高調波光を発生するように構成された第2の周波数倍増段と、
前記第2の周波数倍増段から前記第4次高調波光と前記第2の基本光とを受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の5倍に実質的に等しい第5次高調波周波数を有する第5次高調波光を発生するように構成された周波数合計段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第5次高調波光を前記第1の周波数倍増段からの前記第2次高調波光の第2部分と合計するように構成され、前記レーザ出力光の前記出力周波数が実質的に前記第1の基本周波数の第7次高調波周波数となる、
請求項1に記載のレーザアセンブリ。 - 前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第7次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第2次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項15に記載のレーザアセンブリ。
- 前記複数のSBO結晶板は、第1の前記SBO結晶板の第1の結晶軸が、隣接する第2の前記SBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転されるように構成され、
前記第1及び第2のSBO結晶板の前記結晶軸は、前記第1及び第2のSBO結晶板の両方の結晶c軸が、前記第1及び第2のSBO結晶板を通過する前記第3次及び第4次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記第1及び第2のSBO結晶板の少なくとも1つは、前記周期構造の極間の間隔が0.34μmの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第2次高調波周波数、前記第5次高調波周波数、及び前記第7次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項15に記載のレーザアセンブリ。 - 前記1つ以上の基本波レーザは、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第1の基本周波数を有する第1の基本光を発生するように構成される第1の基本波レーザと、
対応する基本波長が1μm~1.1μmの間の第2の基本周波数を有する第2の基本光を発生するように構成される第2の基本波レーザと、を含み、
前記複数の中間周波数変換段は、
前記第2の基本光を受け取るように結合され、前記第2の基本周波数の2倍に等しい第2次高調波周波数を有する第1の前記中間光ビームを発生するように構成された第1の周波数倍増段と、
前記第1の基本光を受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の2倍に等しい第2次高調波周波数を有する第2次高調波光を発生するように構成された第2の周波数倍増段と、
前記第2の周波数倍増段から前記第2次高調波光を受け取るように結合され、前記第1の基本周波数の4倍に等しい第4次高調波周波数を有する第2の前記中間光ビームを発生するように構成された第3の周波数倍増段と、を含み、
前記最終周波数変換段は、前記第1の中間光ビームと前記第2の中間光ビームとを合計するように構成されて、前記レーザ出力光の前記出力周波数が前記第1の基本周波数の6倍に実質的に等しい第6次高調波周波数を有する、
請求項1に記載のレーザアセンブリ。 - 前記最終周波数変換段は更に、ビームスプリッタであって、前記非線形結晶を出る光を受け取るように配置され、前記ビームスプリッタの表面から反射される前記出射光の反射部分が前記レーザ出力光ビームを形成する前記第6次高調波光を含むように、かつ前記ビームスプリッタを通過する前記出射光の反射されない部分が前記第2次高調波周波数の未消費の部分を含むように構成されるビームスプリッタを含む、請求項18に記載のレーザアセンブリ。
- 前記複数のSBO結晶板は、第1の前記SBO結晶板の第1の結晶軸が、隣接する第2の前記SBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転されるように構成され、
前記第1及び第2のSBO結晶板の前記結晶軸は、前記第1及び第2のSBO結晶板の両方の結晶c軸が、前記第1及び第2のSBO結晶板を通過する前記第2次及び第4次高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように配向され、
前記第1及び第2のSBO結晶板の少なくとも1つは、前記周期構造の極間の間隔が0.66μmの臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるような厚さを有し、前記第2次高調波周波数、前記第4次高調波周波数、及び前記第6次高調波周波数の疑似位相整合を可能にする、
請求項18に記載のレーザアセンブリ。 - 約125nm~約183nmの範囲内の対応する波長を備える出力周波数を有するレーザ出力光ビームを生成する方法であって、
1つ以上の基本光ビームを、前記基本光ビームの各々が約1μm~1.1μmの対応する基本波長を備える対応する基本周波数を有するように、発生することと、
前記1つ以上の基本光ビームを使用して1つ以上の中間光ビームを発生するように集合的に構成された複数の中間周波数変換段を利用することであって、前記1つ以上の中間光ビームのそれぞれは関連する中間周波数を有していることと、
最終周波数変換段を利用して、前記1つ以上の中間光ビームを、非線形結晶を介して通過させることと、を含み、
ここで前記非線形結晶は、積み重ねた構成で配置される複数の四ホウ酸ストロンチウムSrB4O7(SBO)結晶板を含み、各前記SBO結晶板は少なくとも1つの隣接する前記結晶板と界面表面を形成し、
ここで前記複数のSBO結晶板は、前記1つ以上の中間光ビームの疑似位相整合(QPM)を実現する周期構造を形成するように協調的に構成されることで、前記非線形結晶を出る光が前記出力周波数を有する前記レーザ出力光ビームを含む、
方法。 - 約125nm~約183nmの範囲内の対応する波長を備える出力周波数を有するレーザ出力光ビームを使用してサンプルを検査するように構成された検査システムであって、ここで、前記レーザ出力光ビームは、
対応する基本周波数を有する基本光ビームを発生するようにそれぞれ構成された1つ以上の基本波レーザと、
前記1つ以上の基本光ビームを使用して1つ以上の中間光ビームを発生するように集合的に構成される複数の中間周波数変換段であって、前記1つ以上の中間光ビームの各々が関連する中間周波数を有する複数の中間周波数変換段と、
前記1つ以上の中間光ビームを非線形結晶に通すように構成された最終周波数変換段と、を含むレーザアセンブリによって発生され、
ここで前記非線形結晶は、積み重ねた構成で配置される複数の四ホウ酸ストロンチウムSrB4O7(SBO)結晶板を含み、各前記SBO結晶板は少なくとも1つの隣接する前記結晶板と界面表面を形成し、
ここで前記複数のSBO結晶板は、前記1つ以上の中間光ビームの疑似位相整合(QPM)を実現する周期構造を形成するように協調的に構成されることで、前記非線形結晶を出る光が前記出力周波数を有する前記レーザ出力光ビームを含む、
検査システム。 - 1つ以上の入力光周波数を、約125nm~約183nmの範囲内の対応する波長を備える出力周波数に変換するように構成された非線形結晶であって、
複数の四ホウ酸ストロンチウムSrB4O7(SBO)結晶板であって、積み重ねられた構成で配置されることで、前記SBO結晶板の各々が、少なくとも1つの隣接する前記結晶板との界面を形成する、複数のSBO結晶板を備え、
ここで前記複数のSBO結晶板は、前記各SBO結晶板の第1の結晶軸が前記少なくとも1つの隣接するSBO結晶板の第2の結晶軸に対して反転されるように構成され、
ここで前記複数のSBO結晶板のうちの少なくとも1つの厚さは、臨界長の奇数倍に実質的に等しい極間の間隔を生成し、前記1つ以上の入力光周波数と前記出力周波数との疑似位相整合を可能にし、それによって前記非線形結晶を出る光が、前記出力周波数を有する前記レーザ出力光を含む、
非線形結晶。
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