JP2759893B2 - 倍波発生装置 - Google Patents
倍波発生装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の目的） 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非線形光学素子を利用した倍波発生装置に
関する。
関する。
発振されるレーザの波長を可変にする技術として、非
線形光学効果を利用することが古くから研究されてい
る。非線形光学効果とは、強い光電磁場では誘起される
分極が場の強さに比例せず、非線形応答を示すことをい
う。この非線形光学効果を利用した波長変換技術として
は、変換される光の波長が元の光の波長の1/2になる光
高調波の発生が代表的であり、ルビーレーザ,He−Neレ
ーザ,GaAs半導体レーザ等の各種のレーザから第２高調
波を発生させる実験が行われてきている（レーザハンド
ブック419頁参照）。商業的には、Nd:YAGレーザ（波長1
064nm）の第２高調波（532nm）を用いる装置が最も良く
知られており、例えばプリント回路基板の回路パターン
の整形用等に使用されている。
線形光学効果を利用することが古くから研究されてい
る。非線形光学効果とは、強い光電磁場では誘起される
分極が場の強さに比例せず、非線形応答を示すことをい
う。この非線形光学効果を利用した波長変換技術として
は、変換される光の波長が元の光の波長の1/2になる光
高調波の発生が代表的であり、ルビーレーザ,He−Neレ
ーザ,GaAs半導体レーザ等の各種のレーザから第２高調
波を発生させる実験が行われてきている（レーザハンド
ブック419頁参照）。商業的には、Nd:YAGレーザ（波長1
064nm）の第２高調波（532nm）を用いる装置が最も良く
知られており、例えばプリント回路基板の回路パターン
の整形用等に使用されている。
光高調波の発生においては、例えばレーザ発振器から
発振された元の光を基本波と呼び、非線形光学素子を一
回通って1/2波長になった光を第２高調波と呼ぶ。ま
た、さらに非線形光学素子中を通って基本波に対して1/
4波長になった光を第４高調波と呼ぶ。また基本波と第
２高調波との和周波の発生によって発生した高調波を第
３高調波と呼ぶが、この第３高調波が再度非線形光学素
子を通って発生した高調波は、基本波に対しては第６高
調波と呼ばれる。
発振された元の光を基本波と呼び、非線形光学素子を一
回通って1/2波長になった光を第２高調波と呼ぶ。ま
た、さらに非線形光学素子中を通って基本波に対して1/
4波長になった光を第４高調波と呼ぶ。また基本波と第
２高調波との和周波の発生によって発生した高調波を第
３高調波と呼ぶが、この第３高調波が再度非線形光学素
子を通って発生した高調波は、基本波に対しては第６高
調波と呼ばれる。
本発明においては、非線形光学素子に入射する光を単
に「入射波」と総称し、非線形光学素子中を通って1/2
の波長になった光のことを「倍波」と総称することとす
る。
に「入射波」と総称し、非線形光学素子中を通って1/2
の波長になった光のことを「倍波」と総称することとす
る。
第３図は、従来の倍波発生装置の概略説明図である。
60は非線形光学素子,30は入射波無反射手段,90は倍波無
反射手段,100は波長選択手段でそれぞれ示す。
60は非線形光学素子,30は入射波無反射手段,90は倍波無
反射手段,100は波長選択手段でそれぞれ示す。
非線形光学素子60は、通常バルク状であり、第３図に
示すようにバルク状の非線形光学素子60の端面から入射
波７に入射させる。入射波７が入射する端面には、入射
波の表面反射を少なくするため、反射防止膜よりなる入
射波無反射手段30が設けられている。
示すようにバルク状の非線形光学素子60の端面から入射
波７に入射させる。入射波７が入射する端面には、入射
波の表面反射を少なくするため、反射防止膜よりなる入
射波無反射手段30が設けられている。
端面から入射した入射波７は、予め位相整合角に合わ
せて整形された非線形光学素子60中を伝播し、倍波８を
発生させる。発生した倍波８は、倍波無反射手段90によ
って、非線形光学素子60の他の端面から出射する。ま
た、入射波７も入射波無反射手段３によって出射する。
そして、波長選択フィルタよりなる倍波選択手段100に
よって、倍波８のみが選択され出力される。
せて整形された非線形光学素子60中を伝播し、倍波８を
発生させる。発生した倍波８は、倍波無反射手段90によ
って、非線形光学素子60の他の端面から出射する。ま
た、入射波７も入射波無反射手段３によって出射する。
そして、波長選択フィルタよりなる倍波選択手段100に
よって、倍波８のみが選択され出力される。
入射させる入射波７が例えば波長1064nmのNd:YAGレー
ザの基本波の場合、出射される倍波８は波長532nmの第
２高調波となる。
ザの基本波の場合、出射される倍波８は波長532nmの第
２高調波となる。
倍波発生装置において、非線形光学素子が入射波を倍
波に変換する効率は、一般に、入射波のパワー密度と光
伝播方向の距離に大きく依存する。従って、入射波のパ
ワー密度を一定として変換効率を上げるためには、光伝
播方向の距離を長くせざるを得ない。
波に変換する効率は、一般に、入射波のパワー密度と光
伝播方向の距離に大きく依存する。従って、入射波のパ
ワー密度を一定として変換効率を上げるためには、光伝
播方向の距離を長くせざるを得ない。
しかし、倍波発生においては、ウォークオフ（WALK
OFF）効果として知られる，入射波と倍波のミスマッチ
が、光伝播方向の距離の増大にしたがって現れてくる。
このため、光伝播方向の距離を長くしても、変換効率は
ある一定の値以上を示さなくなる。例えば、非線形光学
素子としたBBO（β−BaB2O4）を使用した場合には、バ
ルクの厚みが7mmを越えると上記ウォークオフ効果が顕
著となり、入射波のパワー密度を上げることなしに出力
を大きくすることは不可能になる。入射波のパワー密度
をあげるためには、1nsec程度のレーザの超短パルス化
を行い尖頭値を高くするという非常に困難な技術が必要
となる。
OFF）効果として知られる，入射波と倍波のミスマッチ
が、光伝播方向の距離の増大にしたがって現れてくる。
このため、光伝播方向の距離を長くしても、変換効率は
ある一定の値以上を示さなくなる。例えば、非線形光学
素子としたBBO（β−BaB2O4）を使用した場合には、バ
ルクの厚みが7mmを越えると上記ウォークオフ効果が顕
著となり、入射波のパワー密度を上げることなしに出力
を大きくすることは不可能になる。入射波のパワー密度
をあげるためには、1nsec程度のレーザの超短パルス化
を行い尖頭値を高くするという非常に困難な技術が必要
となる。
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもの
であり、入射波の超短パルス化を必要とすることなく、
比較的パルス幅が長くてパワー密度の低い入射波であっ
ても、高い変換効率で倍波に変換することができる倍波
発生装置の提供を目的としている。
であり、入射波の超短パルス化を必要とすることなく、
比較的パルス幅が長くてパワー密度の低い入射波であっ
ても、高い変換効率で倍波に変換することができる倍波
発生装置の提供を目的としている。
（発明の構成） 〔課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するため、本発明の倍波発生装置は、
板状の非線形光学素子に入射波を入射させて倍波を発生
させる倍波発生装置であって、 該非線形光学素子の位相整合角に合わせて、入射波が
非線形光学素子の第一の面の端部から入射してなり、 非線形光学素子の第一の面に対向する第二の面に又は
第二の面を臨む位置に、発生した倍波を通過し、入射波
を反射させる選択反射手段が設けられてなり、 第一の面の前記端部以外の部分に又は第一の面を臨む
位置には、入射波を反射させる反射手段が設けられてな
り、 第一の面，第二の面，選択反射手段の反射面及び反射
手段の反射面はすべて平行であり、 さらに、第一の面と第二の面の光伝播方向の距離は、
ウォークオフ効果を無視できる程度に短いものであるこ
とを特徴とする。
板状の非線形光学素子に入射波を入射させて倍波を発生
させる倍波発生装置であって、 該非線形光学素子の位相整合角に合わせて、入射波が
非線形光学素子の第一の面の端部から入射してなり、 非線形光学素子の第一の面に対向する第二の面に又は
第二の面を臨む位置に、発生した倍波を通過し、入射波
を反射させる選択反射手段が設けられてなり、 第一の面の前記端部以外の部分に又は第一の面を臨む
位置には、入射波を反射させる反射手段が設けられてな
り、 第一の面，第二の面，選択反射手段の反射面及び反射
手段の反射面はすべて平行であり、 さらに、第一の面と第二の面の光伝播方向の距離は、
ウォークオフ効果を無視できる程度に短いものであるこ
とを特徴とする。
上記構成にかかる本発明の倍波発生手段によれば、入
射した入射波が第一の面と第二の面に反射しながら板状
の非線形光学素子中を伝播して倍波に変換される。これ
により、ウォークオフ効果がなく疑似的に長い光伝播方
向の距離を得ることができ、倍波の変換効率が飛躍的に
高くなる。
射した入射波が第一の面と第二の面に反射しながら板状
の非線形光学素子中を伝播して倍波に変換される。これ
により、ウォークオフ効果がなく疑似的に長い光伝播方
向の距離を得ることができ、倍波の変換効率が飛躍的に
高くなる。
以下、本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明の実施例の倍波発生装置の説明図で
ある。７は入射波,8は倍波,6は非線形光学素子,1は第一
の面,5は第二の面,4は選択反射手段,2は反射手段,lは光
伝播方向の距離を示す。
ある。７は入射波,8は倍波,6は非線形光学素子,1は第一
の面,5は第二の面,4は選択反射手段,2は反射手段,lは光
伝播方向の距離を示す。
第１図において、角度θで入射する入射波７に対し
て、非線形光学素子６が位相整合を満足する様な結晶方
向を持つように、非線形光学素子６をカットする。位相
整合角は、結晶方向に対して所定の方向として定められ
る「光学軸」に従い、決定される。この位相整合角は、
例えば非線形光学素子としてBBOを使用し、入射波とし
てNd:YAGレーザ（発振波長1064nm）を入射させる場合
は、「光学軸」に対して23゜である。第１図において、
紙面の上下方向が「光学軸」になるように結晶をカット
すると、位相整合角は第１図の角θに等しくなり、θ＝
23゜で入射させれば位相整合の条件を満たすことにな
る。
て、非線形光学素子６が位相整合を満足する様な結晶方
向を持つように、非線形光学素子６をカットする。位相
整合角は、結晶方向に対して所定の方向として定められ
る「光学軸」に従い、決定される。この位相整合角は、
例えば非線形光学素子としてBBOを使用し、入射波とし
てNd:YAGレーザ（発振波長1064nm）を入射させる場合
は、「光学軸」に対して23゜である。第１図において、
紙面の上下方向が「光学軸」になるように結晶をカット
すると、位相整合角は第１図の角θに等しくなり、θ＝
23゜で入射させれば位相整合の条件を満たすことにな
る。
第１図において、最初に入射波７が入射する第一の面
１の端部11には、入射波７の反射防止膜よりなる入射波
無反射手段３が施されている。
１の端部11には、入射波７の反射防止膜よりなる入射波
無反射手段３が施されている。
入射した入射波７は位相整合を満足する角度で非線形
光学素子６中に伝播するため、光伝播方向の距離ｌに比
例したある割合で倍波８に変換される。この距離ｌは非
線形光学素子６の厚さｄに対し、ｌ＝d/cosθで与えら
れる。この距離ｌは非線形光学素子６に固有のウォーク
オフ効果が現れない限界の距離に設定する。例えば、非
線形光学素子６としてBBOを使用した場合には、前述の
通り光伝播方向の距離ｌが7mm以上になるとウォークオ
フ効果が無視できなくなる。この場合、θが前述の通り
23゜とすると、ｄ＝lcosθより、ｄは6.4mm程度以下で
なければならないことになる。
光学素子６中に伝播するため、光伝播方向の距離ｌに比
例したある割合で倍波８に変換される。この距離ｌは非
線形光学素子６の厚さｄに対し、ｌ＝d/cosθで与えら
れる。この距離ｌは非線形光学素子６に固有のウォーク
オフ効果が現れない限界の距離に設定する。例えば、非
線形光学素子６としてBBOを使用した場合には、前述の
通り光伝播方向の距離ｌが7mm以上になるとウォークオ
フ効果が無視できなくなる。この場合、θが前述の通り
23゜とすると、ｄ＝lcosθより、ｄは6.4mm程度以下で
なければならないことになる。
入射波７と発生した倍波８はともに第二の面５に施さ
れた選択反射手段４に入射する。この選択反射手段４は
例えば倍波８に対して反射防止，入射波７に対しては高
効率反射の誘電体多層膜を施すいわゆるデュアルコート
が有効である。この選択反射手段４によって、倍波８は
透過し、入射波７は角度θで折り返される。
れた選択反射手段４に入射する。この選択反射手段４は
例えば倍波８に対して反射防止，入射波７に対しては高
効率反射の誘電体多層膜を施すいわゆるデュアルコート
が有効である。この選択反射手段４によって、倍波８は
透過し、入射波７は角度θで折り返される。
折り返された入射波７は、非線形光学素子６中を伝播
するが、その伝播方向は位相整合を満足しないため、倍
波８の発生はない。折り返された入射波７が第一の面１
に施された反射手段２に反射する。この反射手段２は例
えば入射波７に対する高効率反射の誘電体多層膜でもよ
いが、作製コストの問題を考慮すれば、金属蒸着による
無選択反射膜でもよい。この反射手段２によって、入射
波７は折り返される。
するが、その伝播方向は位相整合を満足しないため、倍
波８の発生はない。折り返された入射波７が第一の面１
に施された反射手段２に反射する。この反射手段２は例
えば入射波７に対する高効率反射の誘電体多層膜でもよ
いが、作製コストの問題を考慮すれば、金属蒸着による
無選択反射膜でもよい。この反射手段２によって、入射
波７は折り返される。
再び折り返された入射波７は、非線形光学素子１中を
伝播するが、その伝播方向は位相整合を満たしているた
め、倍波８が発生する。このプロセスを繰り返すことに
よって、疑似的にウォークオフ効果を生じさせることな
く長い光伝播方向の距離を得ることができ、よって、従
来の倍波発生装置に比べ変換効率の飛躍的に高い倍波発
生装置とすることができる。
伝播するが、その伝播方向は位相整合を満たしているた
め、倍波８が発生する。このプロセスを繰り返すことに
よって、疑似的にウォークオフ効果を生じさせることな
く長い光伝播方向の距離を得ることができ、よって、従
来の倍波発生装置に比べ変換効率の飛躍的に高い倍波発
生装置とすることができる。
第１図において、角度θは位相整合条件を満たさなけ
ればならないことは前述の通りであるが、結晶をカット
する方向を適宜変えれば、「光学軸」も変わり位相整合
角も変わるので、角度θを自由に設定できることにな
る。この場合、角度θを小さくすれば、入射波７が何回
も反射して非線形光学素子６中を伝播するので、倍波の
総出力は大きくなる。但し、選択反射手段４及び反射手
段２として用いた蒸着膜に対して、あまりきつい角度で
光が反射すると、蒸着膜の劣化が激しくなると考えられ
るので、この辺を考慮して角度θは適宜決定される。
ればならないことは前述の通りであるが、結晶をカット
する方向を適宜変えれば、「光学軸」も変わり位相整合
角も変わるので、角度θを自由に設定できることにな
る。この場合、角度θを小さくすれば、入射波７が何回
も反射して非線形光学素子６中を伝播するので、倍波の
総出力は大きくなる。但し、選択反射手段４及び反射手
段２として用いた蒸着膜に対して、あまりきつい角度で
光が反射すると、蒸着膜の劣化が激しくなると考えられ
るので、この辺を考慮して角度θは適宜決定される。
第２図は、本発明の他の実施例の倍波発生装置の説明
図である。第２図の倍波発生装置は、反射又は透過を目
的とした薄膜を非線形光学素子６に直接蒸着することな
しに、本原理を用いて倍波８を発生させる目的に用いら
れる。即ち、本実施例は、例えばKDP（KH2PO4）のよう
に、潮解性を示すための薄膜蒸着の不可能な非線形光学
素子７を用いる場合に、特に有効である。また、非線形
光学素子６が発生する熱により蒸着膜が歪むことによっ
て生じる光路のズレが無視できるという利点もある。こ
の装置の反射手段２及び選択反射手段４は、光学ガラス
または合成石英板のような、入射波及び倍波ともに透過
することのできる材料の基盤22,42より構成される。
図である。第２図の倍波発生装置は、反射又は透過を目
的とした薄膜を非線形光学素子６に直接蒸着することな
しに、本原理を用いて倍波８を発生させる目的に用いら
れる。即ち、本実施例は、例えばKDP（KH2PO4）のよう
に、潮解性を示すための薄膜蒸着の不可能な非線形光学
素子７を用いる場合に、特に有効である。また、非線形
光学素子６が発生する熱により蒸着膜が歪むことによっ
て生じる光路のズレが無視できるという利点もある。こ
の装置の反射手段２及び選択反射手段４は、光学ガラス
または合成石英板のような、入射波及び倍波ともに透過
することのできる材料の基盤22,42より構成される。
第２図のように、基盤22の入射側の面のうちの入射部
分のみに入射波無反射手段３としての反射防止膜の施
し、基盤22の反対側の面には、入射波が出射する部分以
外の部分に反射膜221を施す。この基盤22と平行に非線
形光学素子６を配置し、他方の基盤42もまた、平行に配
置する。この基盤42には、一方の基盤22と向き合う面に
選択反射膜43を施し、その反対の面には倍波に対する反
射防止膜よりなる倍波無反射手段９をを施す。従って、
反射手段２の反射面21,選択反射手段４の反射面41,非線
形光学素子６はすべて平行になっている。
分のみに入射波無反射手段３としての反射防止膜の施
し、基盤22の反対側の面には、入射波が出射する部分以
外の部分に反射膜221を施す。この基盤22と平行に非線
形光学素子６を配置し、他方の基盤42もまた、平行に配
置する。この基盤42には、一方の基盤22と向き合う面に
選択反射膜43を施し、その反対の面には倍波に対する反
射防止膜よりなる倍波無反射手段９をを施す。従って、
反射手段２の反射面21,選択反射手段４の反射面41,非線
形光学素子６はすべて平行になっている。
以上の実施例においては、非線形光学素子６として、
BBOを使用したがこれに限られず、KTP（KTiOPO4）等の
他の素子でも良い。KTPの場合の位相整合角は、「光学
軸」に対して25゜である。
BBOを使用したがこれに限られず、KTP（KTiOPO4）等の
他の素子でも良い。KTPの場合の位相整合角は、「光学
軸」に対して25゜である。
第１図又は第２図の倍波発生装置は、例えばNd:YAGレ
ーザの第４高調波発生装置に好適に用いることができ
る。非線形光学素子６として、可視域から紫外域にかけ
て高い変換効率を示すBBOを用い、Nd:YAGレーザの第２
高調波（波長532nm）を入射させれば、高効率，高出力
にて波長266nmの第４高調波を発生させることができ、
次世代のフォトリソグラフィ用の露光光源として好適な
ものとなる。尚、この場合、本装置から発生する倍波は
ビームが拡がったものになるため、集光鏡等で集光する
必要があるであろう。また、第１図又は第２図から明ら
かなように、出射される倍波は、第１の面等での反射回
数が多くなるにつれ、出射される倍波の強さが弱くなる
ため、出射される倍波の強度分布は不均一なものとな
る。しかし、フォトリソグラフィ用の露光光学系には、
通常ミキサーレンズが使用されて照度を均一化している
ので問題がない。また、エキシマレーザステッパーで周
知のように、スキャンミラーを使用すればさらに照度は
均一になる。
ーザの第４高調波発生装置に好適に用いることができ
る。非線形光学素子６として、可視域から紫外域にかけ
て高い変換効率を示すBBOを用い、Nd:YAGレーザの第２
高調波（波長532nm）を入射させれば、高効率，高出力
にて波長266nmの第４高調波を発生させることができ、
次世代のフォトリソグラフィ用の露光光源として好適な
ものとなる。尚、この場合、本装置から発生する倍波は
ビームが拡がったものになるため、集光鏡等で集光する
必要があるであろう。また、第１図又は第２図から明ら
かなように、出射される倍波は、第１の面等での反射回
数が多くなるにつれ、出射される倍波の強さが弱くなる
ため、出射される倍波の強度分布は不均一なものとな
る。しかし、フォトリソグラフィ用の露光光学系には、
通常ミキサーレンズが使用されて照度を均一化している
ので問題がない。また、エキシマレーザステッパーで周
知のように、スキャンミラーを使用すればさらに照度は
均一になる。
また、第１図の場合には、非線形光学素子６の厚さｄ
を調整し、ｌ＝d/cosθ＝ｎλ（但しλは入射波の波長,
nは整数）の条件を満足させればコヒーレンズの良いレ
ーザとして倍波を得ることも可能である。
を調整し、ｌ＝d/cosθ＝ｎλ（但しλは入射波の波長,
nは整数）の条件を満足させればコヒーレンズの良いレ
ーザとして倍波を得ることも可能である。
（発明の効果） 以上、説明した通り、本発明の倍波発生装置によれ
ば、入射波のパワー密度を高くすることなく高い変換効
率で入射波を倍波に変換することができ、もって高出力
の倍波発生装置となる。
ば、入射波のパワー密度を高くすることなく高い変換効
率で入射波を倍波に変換することができ、もって高出力
の倍波発生装置となる。
第１図は、本発明の実施例の倍波発生装置の説明図であ
る。第２図は、本発明の他の実施例の倍波発生装置の説
明図である。第３図は、従来の倍波発生装置の概略説明
図である。 図中、 ６……板状の非線形光学素子 １……第一の面 11……第一の面の端部 ５……第二の面 ４……選択反射手段 41……選択反射手段の反射面 ２……反射手段 21……反射手段の反射面 ｌ……光伝播方向の距離 を示す。
る。第２図は、本発明の他の実施例の倍波発生装置の説
明図である。第３図は、従来の倍波発生装置の概略説明
図である。 図中、 ６……板状の非線形光学素子 １……第一の面 11……第一の面の端部 ５……第二の面 ４……選択反射手段 41……選択反射手段の反射面 ２……反射手段 21……反射手段の反射面 ｌ……光伝播方向の距離 を示す。
Claims (1)
- 【請求項１】板状の非線形光学素子に入射波を入射させ
て倍波を発生させる倍波発生装置であって、 該非線形光学素子の位相整合角に合わせて、入射波が非
線形光学素子の第一の面の端部から入射してなり、 非線形光学素子の第一の面に対向する第二の面に又は第
二の面を臨む位置に、発生した倍波を透過し入射波を反
射させる選択反射手段が設けられてなり、 第一の面の前記端部以外の部分に又は第一の面を臨む位
置には、入射波を反射させる反射手段が設けられてな
り、 第一の面，第二の面，選択反射手段の反射面及び反射手
段の反射面はすべて平行であり、 さらに、第一の面と第二の面の光伝播方向の距離は、ウ
ォークオフ効果を無視できる程度に短いものであること
を特徴とする倍波発生装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8085390A JP2759893B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | 倍波発生装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8085390A JP2759893B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | 倍波発生装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03282432A JPH03282432A (ja) | 1991-12-12 |
| JP2759893B2 true JP2759893B2 (ja) | 1998-05-28 |
Family
ID=13729910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8085390A Expired - Fee Related JP2759893B2 (ja) | 1990-03-30 | 1990-03-30 | 倍波発生装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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