JP3212931B2 - 波長変換方法及び波長変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は波長変換方法及び波
長変換素子に関し、特に半導体製造プロセス、微細加
工、医療等に応用され波長変換された短波長のレーザ光
を得るための波長変換方法及び波長変換素子に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光の波長変換を行う場合、波長変
換素子は当該素子中に含まれる不純物の不要吸収や残留
吸収、またはレーザ光の２光子吸収等の影響によって、
波長変換中に熱が発生する場合がある。また、波長変換
光が吸収端近傍の場合には、透過率が小なるために光の
一部が素子に吸収されて熱になる。波長変換素子の温度
が上昇すると、結晶中の屈折率が低下して位相整合条件
が崩れて変換光の出力が低下することになる。そこで、
安定した波長変換光を出力させるためには、素子の温度
を一定に維持することが必要になる。

【０００３】通常、銅やアルミニウム等の熱伝導率が大
なる金属で構成したホルダ中に波長変換素子を設置し
て、そのホルダをオーブンまたは温度コントロールされ
た水等の冷却媒体で常温以上に保持している。このと
き、ホルダの温度は常時モニタされ、温度が変化した場
合にはオーブンや冷却媒体の温度を制御して一定の温度
に維持するよう制御されている。

【０００４】また、素子の温度変化に対する屈折率が大
きな波長変換素子を使用する場合には、素子の温度変動
を波長変換効率が低下しない許容温度範囲以内に厳密に
制御する必要がある。この場合、波長変換素子はペルチ
ェ素子等を用いて精度良く温度制御がなされる。素子の
温度を更に安定化させるために、例えば、特開平５−４
１５５７号公報では、波長変換素子を穴の開いたペルチ
ェ素子中に埋め込む方法が提案されている。

【０００５】また、波長変換光の効率を向上させるため
には、結晶長を大とすることが考えられる。しかし、波
長変換結晶が有する複屈折性のために生じるウオークオ
フ角の問題があり、素子長を大としてもある一定の長さ
以上は有効に作用しない。そこで、当該ウオークオフ角
を補償すべく、２個以上の素子を位相整合方位に対して
１８０°回転させた方位に設置する技術が提案されてお
り、例えば、特開昭５０−１５０４５３号公報や米国特
許第５，０４７，６６８号公報等に開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年微細加工や半導体
製造プロセス等の分野では、より微細な加工が可能なよ
り短波長の波長変換光が求められている。また、加工の
生産性を向上せさるためにも、短波長光源の高出力化が
期待されている。

【０００７】しかしながら、短波長化は波長変換素子が
有する屈折率の分散特性と吸収端の波長により制限され
る高調波が発生可能な波長範囲に限られてくる。吸収端
近傍まで波長変換可能な材料があっても、吸収端付近で
は屈折率の分散が大きく、吸収や表面反射ロスのために
透過率が低く、効率の良い波長変換を行うことができな
い。

【０００８】また、波長変換を行っても吸収のため温度
上昇が大きく位相整合条件が崩れてしまい、電子雪崩現
象による誘電破壊も生じ易い。そのため、吸収端付近の
波長変換は実用化されていない。

【０００９】また、短波長の波長変換になる程、波長変
換素子の持つ屈折率の温度，波長，位相整合角度に対す
る許容範囲が小さくなる傾向があるため、安定した波長
変換が難しくなるという問題がある。また複屈折性のた
めのウォークオフ角が大きくなってしまう波長変換素子
もあり短波長の光程誘電破壊閾値も低くなるので、結晶
長を長くしたり素子中のエネルギ密度を大きくして波長
変換効率を向上させることは難しい。ウォークオフ角を
２個の素子を用いて補償する試みもなされているが、よ
り簡便な方法で波長変換効率を向上させることが求めら
れている。

【００１０】更に、光の波長が紫外領域になると２光子
のエネルギが波長変換材料のバンドキャップを越えてし
まうため２光子吸収により熱の発生効率が高くなる。熱
が発生すると素子中の屈折率が変化して位相整合条件が
崩れ変換光出力が低下してしまう。産業応用において
は、より高出力な紫外光が求められているため、効率良
く素子を温度制御することが必要である。

【００１１】温度が発生する部分は光が透過している素
子部分であるが、従来方法ではこの部分を素子の回りか
ら温度を制御しても波長変換素子の熱伝導率が小さいた
めに、十分に素子の内部まで制御することができないた
め、制御しやすい素子の開発が必要である。

【００１２】更にはまた、特に非線形光学定数の大きな
ベータバリウムボレイト（β−ＢａＢ₂ Ｏ₄ ：ＢＢＯ）
を用いて１９３ｎｍの紫外光を発生させる場合、この波
長はＢＢＯの吸収端である１８９ｎｍに近く、１９３ｎ
ｍでは透過率が２５％程度となってしまい、熱の発生が
大きくまた誘電破壊が生じ易いことである。１９３ｎｍ
はエキシマレーザのAr-Fが発振する光であり、この光は
次世代の半導体メモリーの生産に応用が期待されてい
る。

【００１３】しかしエキシマレーザは電気―光の効率が
低くまた危険なガスを用いるため安全対策が必要であ
り、ランニングコストが高い。また装置の大きさが大き
く、設置場所に面積を取られる。一方、もし１９３ｎｍ
を、ＢＢＯを用いた全固体レーザで置換えられれば、ラ
ンニングコスト，装置コストの低減だけでなく、スペー
スや光の安定性等の問題も解決できる。

【００１４】本発明の目的は短波長で高出力な紫外域の
波長変換光を得るため、変換効率が大きく、温度制御さ
れやすい波長変換方法及び波長変換素子を提供し、変換
光出力の信頼性を向上させることにより紫外レーザ装置
の産業応用を促進することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ベータ
バリウムボレイトからなる波長変換素子を用いて略１９
３ｎｍの変換光を得る波長変換方法であって、前期波長
変換素子を０℃以下に冷却することを特徴とする波長変
換方法が得られる。

【００１６】また、本発明によれば、波長変換素子から
出力されるレーザ光の進行方向をプリズムを用いて１８
０°回転させて、前記波長変換素子へ再入力することを
特徴とする波長変換方法が得られる。

【００１７】更に本発明によれば、３つの角度が９０
°，４５°，４５°に夫々加工された三角柱プリズム型
波長変換素子からなり、レーザ光をこの三角柱プリズム
型波長変換素子へ入射せしめ直交する２面にて２回反射
させることにより、入射レーザ光と波長変換された出力
光との進行方向を互いに１８０°異なるようにしたこと
を特徴とする波長変換素子が得られる。

【００１８】更にはまた、本発明によれば、波長変換用
部材と、より熱伝導率が大なる部材とが交互に複数枚積
層して接合されており、前記波長変換用部材の各々は、
ウオークオフ角を補償すべく位相整合方位を軸に１８０
°回転した位置で接合されていることを特徴とする波長
変換素子が得られる。

【００１９】本発明の作用を述べる。波長変換素子の温
度を冷却することにより吸収端が短波長側に伸びる材料
があり、吸収端近傍の波長に対する透過率が向上する。
透過率は冷却温度が低い程大きくなる。この特性を示す
波長変換素子を使用して透過率が冷却により改善される
領域の波長変換を行う場合、波長変換光が素子に吸収，
反射されないため熱の発生も少なく、変換効率が良く安
定した波長変換光を得ることができる。また吸収のため
励起された電子の数が減り、電子雪崩による誘電破壊も
生じにくくなる。

【００２０】また、従来は２個以上の素子を用いている
ウォークオフ角の補償を入力したレーザ光を１８０°回
転させることで１個の素子の内部で行うことが出来、レ
ーザ光の波長変換効率を簡便に向上させることが可能と
なる。

【００２１】また、波長変換素子が紫外光を吸収して加
熱した場合、最も熱を持っている結晶中の光路を効率良
く温度制御するために、レーザ光の入出力面に波長変換
素子よりも熱伝導率の大きな材料を接合した波長変換素
子を用い、この複合素子を温度制御することで発生した
熱を直接入出力面から奪い、光路中の温度を一定に保ち
やすくすることが出来る。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２３】図１は常温と０℃以下に冷却した波長変換
素子の吸収スペクトルを示す図である。図１を参照する
と、波長変換素子の持つ吸収端１から長波長側に１００
ｎｍ程度の範囲の波長は、屈折率が増大するために表面
反射が大きく、また材料に光が吸収されてしまうため、
透過率を測定すると曲線２の様に吸収端に近付くにつれ
て透過率が減少していく。

【００２４】位相整合可能波長が吸収端の波長まで許容
される波長変換素子を用いた場合、変換光３の透過率は
４で示され、変換光のエネルギの一部は材料に吸収され
てしまい熱の発生や誘電破壊を生じさせる。しかし波長
変換素子の温度を摂氏０℃以下に冷却することにより、
波長変換素子の吸収端を５に示した様に短波長側にシフ
トする材料では、冷却しない場合と比較して吸収スペク
トルが曲線６の様に変化し、変換光の透過率が７で示す
様に向上するため吸収の影響が小さくなり、誘電破壊や
熱の発生を抑制して安定した変換光出力を得ることが出
来る。

【００２５】波長変換素子がＢＢＯの場合、素子を冷却
すると、図２の様に吸収端から長波長側に１０ｎｍ程度
の範囲の透過率が変化し、吸収端は常温８の状態では１
８９ｎｍであるが、０℃のＢＢＯ９では１８８ｎｍ，−
５０℃のＢＢＯ１０では１８７ｎｍ，−１００℃のＢＢ
Ｏ１１では１８５ｎｍ，−１５０℃のＢＢＯ１２では１
８３ｎｍにシフトする。

【００２６】ＢＢＯはこの図に示した波長範囲で光混合
による高調波発生が可能であり、この範囲の高調波を得
る場合、素子を冷却することで変換光の吸収が減少し安
定した信頼性のある紫外波長変換光を得ることが可能で
ある。

【００２７】図３は本発明の基本的な実施の形態を示す
図である。レーザ光に対して高調波が得られる位相整合
方位に加工された波長変換素子１３に、光軸１４が含む
面を上部になる様に設置してレーザ光１５を入射する。
素子中の第１波長変換部１６で一部が波長変換された
後、素子から出力されたレーザ光及び波長変換光１７は
プリズム１８に入射される。

【００２８】第１反射面１９及び第２反射面２０で１８
０°方向を転換した光は再度波長変換素子１３に入射さ
れ、第２波長変換部２１で入射レーザ光は波長変換さ
れ、波長変換光２２が出力される。第１と第２の波長変
換部分は光の進行方向に対して光軸が１８０°回転して
いることになり、ウォークオフ角を補償することが可能
となる。また、１個の素子で素子長を２倍に取ることが
出来るため変換効率を向上させることが出来る。

【００２９】図４は本発明の他の実施の形態を示す図で
あり、図３と同等部分は同一符号にて示している。この
波長変換素子２３は図４に示す様に角度が９０°，４５
°，４５°のプリズム状に加工されており、入射面２４
から垂直に入射されたレーザ光１５に対して位相整合角
が取れる方位で光軸１４は入射面と垂直の方位になる様
に加工されている。入射されたレーザ光は第１波長変換
部１６で一部が波長変換され、第１反射面１９で垂直に
反射され、また、第２反射面２０で垂直に反射された
後、第２の波長変換部２１で入射光は波長変換され、素
子から波長変換光２２が出力される。

【００３０】第１と第２の波長変換部は共に位相整合方
位であるが、光軸が１８０°回転しているためウォーク
オフ角を補償することが可能となり、また１個の素子で
位相整合が取れる長さを２倍にすることが出来る素子で
あるため、波長変換効率が向上する。

【００３１】図５は本発明の更に他の実施の形態を示す
図である。両面研磨された波長変換素子１３に波長変換
素子よりも熱伝導率の良い材料２５をレーザ光及び波長
変換光１７が入出力する面２６に接合する。この複合素
子全体を銅やアルミ等で作製された金属ホルダー２７に
設置し、ホルダーは水や液体窒素等の媒体，オーブンや
ペルチェ素子等で温度制御する。

【００３２】素子の形態は矩形でも円形でも良いが、均
一に冷却することを考えれば円筒型の方が望ましい。ま
た、素子の大きさは出来るだけ必要最小限に加工した方
が温度制御されやすい。従来の方法では冷却が難しかっ
た波長変換素子中のレーザ光及び波長変換光の光路１７
に生じた熱を波長変換素子の熱伝導２８だけで冷却され
ていたが、波長変換素子から接合した熱伝導率の良い材
料への熱伝導２９が大きくなるため素子の温度を制御し
やすくなる。すなわち、この複合素子を用いることで素
子中の温度を均一に保つことが出来、安定した波長変換
光を出力出来る。

【００３３】図６は光学材料の熱伝導率と吸収端波長と
の関係を示す図であり、図５の接合のために用いる材料
に熱伝導率が大きく、また吸収端が短波長に伸びている
図６に示したダイヤモンド，サファイヤ，水晶，ガーネ
ットを用いる。

【００３４】図７は本発明の別の実施の形態を示す図で
ある。図７の様に、図４で示したプリズム型波長変換素
子２３に熱伝導の大きな材料２５を接合することで、光
路中で発生した熱が接合面３０を通して効率良く除去す
ることができる波長変換素子となる。

【００３５】図８は本発明の更に別の実施の形態を示す
図である。図８の様に、ディスク状にした波長変換素子
３１の間に、素子よりも熱伝導率が大きくレーザ光及び
波長変換に対して透明な材料２５を接合して使用し、こ
の複合素子全体を温度コントロールすることにより、素
子長が長い場合では冷却できなかった結晶の中心部分を
各々の短い素子長中で効率良く冷却することが出来る。
この複合素子は高出力の紫外光を出力する波長変換の場
合に非常に有効となる。

【００３６】図８で示した素子では、波長変換光がウォ
ークオフ角の影響により、素子数を多くしてもレーザ光
と波長変換光の相互作用長を長く取ることが出来ない。
しかし、図９の様に、波長変換素子の各々を結晶軸が１
８０°反転する様な配置で設置することで、ウォークオ
フ角を補償して効率良く波長変換を行うことが出来、ま
たディスク状の素子の枚数を増やして変換効率の向上が
可能となる。

【００３７】波長変換素子３１と冷却のための材料２５
との接合に関し、図１０の様に、まず接合面３０をＲＩ
Ｍ５Å程度に研磨する。次に光学材料を端から徐々に近
付けていき（３３）、完全に密着させる（３４）。この
とき密着が十分でない場合は素子を真空容器３５に入れ
て容器を真空ポンプ３６で引き、界面に残っている空気
を除去する。こうすることで界面はファンデルワールス
力で結合（オプティカルコンタクト）することが出来
る。

【００３８】

【実施例】次に実施例を用いて本発明を更に詳細に説明
する。この実施例では波長変換素子としてベータバリウ
ムボレイト（ＢＢＯ）を用いたが、これに限定されるも
のではない。

【００３９】（実施例１）ＢＢＯを用いてAr-Fエキシマ
レーザを発振する波長と同じ１９３ｎｍを発生させるた
めには、１９３ｎｍにおける透過率を向上させる必要が
ある。そこで、まずＢＢＯ素子の低温における１９３ｎ
ｍの透過特性を調べた。基本波にＴｉ：サファイヤの発
振する７７２ｎｍの第４高調波である１９３ｎｍを発生
させるための位相整合方位θ＝７０．９°にＢＢＯをカ
ットし、入射面６×６ｍｍで長さが５ｍｍの素子を用意
した。

【００４０】この素子を低温吸収スペクトル測定用の真
空チャンバー内の銅製のホルダー中に保持し、液体窒素
で−１９５℃まで冷却していき、１９３ｎｍの透過率の
変化を調べた。ＢＢＯの１９３ｎｍの屈折率は、屈折率
分散の次の式、 ｎｏ² ＝２．７３５９＋０．０１８７８／（λ² −０．
０１８２２）−０．０１３４５λ² ｎｅ² ＝２．３７５３＋０．０１２２４／（λ² −０．
０１６６７）−０．０１５１６λ² よりｎｏで１．９２９３２９、ｎｅで１．７２３２２８
である。

【００４１】θ＝７０．９での異常光の反射率Ｒ（＝
（１−ｎ）² ／（１−ｎ）² ）は１０％、両面透過させ
た場合は約２０％となる。図１１の様に−１９５℃まで
冷やすことにより透過率は８０％となり、表面反射のロ
スを差し引くと殆ど結晶中に吸収されないことが分かっ
た。

【００４２】次に、実際に１９３ｎｍを出力させるため
に、７７２ｎｍを発振するパルスＴｉ：サファイヤレー
ザ３７の基本波を用いた。出力は平均で１Ｗである。図
１２の様に、まずθ＝３６．５でカットしたＴｙｐｅＩ
のＬＢＯ３８で第２高調波（ＳＨＧ光）である３８６ｎ
ｍを発生し、次にθ＝４６．４°にカットしたＴｙｐｅ
ＩのＢＢＯ３９で第３高調波（ＴＨＧ光）である２５
７．３ｎｍに変換し、最後にθ＝７０．９°にカットし
たＴｙｐｅＩのＢＢＯ４０で基本波の７７２ｎｍとＴＨ
Ｇ光である２５７．３ｎｍを光混合して第４高調波（Ｆ
ＨＧ光）である１９３ｎｍに変換する構成とした。

【００４３】まず、ＳＨＧ結晶であるＬＢＯ３８は４×
４×１０ｎｍに加工し、素子には図１３の様にサファイ
ヤ３９を両面からオプティカルコンタクトで貼付け、銅
製のホルダー４０でマウントした後、ホルダー全体をペ
ルチェ素子４１で３０℃に保持した。サファイヤは一軸
性結晶であるが、ＢＢＯ中を透過するレーザ光及び波長
変換光に影響がない様に光軸方向に垂直加工してあるｃ
板を用いた。

【００４４】次に、ＴＨＧ結晶のＢＢＯ４２は厚さ２ｍ
ｍでφが４ｍｍの素子を２個用意し、図１４の様に３枚
のｃ板サファイヤ３９で挟み、夫々の素子はウォークオ
フ角を補償する方位になる様に設置してオプティカルコ
ンタクトさせ、全体は円筒型の穴の開いたペルチェ素子
４１に保持して約３０℃に保持した。

【００４５】ＦＨＧ結晶は、図１５の様に、厚さ５ｍｍ
でφ６ｍｍの結晶４３を銅製のコールドフィンガー４４
に保持し、サファイヤの窓４５がついている真空デュワ
ー４６中に保持して液体窒素４７で約１９５℃まで冷却
した。この素子構成で１９３ｎｍの発振実験を行ったと
ころ、図１６の性能４８の様に、約１００ｍＷの１９３
ｎｍ光が安定して５０時間出力されることが分かった。

【００４６】（比較例１）１９３ｎｍの発生を実施例１
と同じ構成で行い、３個の波長変換素子のうち１個だけ
の条件を変化させた場合の１９３ｎｍ出力の安全性を比
較した。まずＳＨＧ素子にサファイヤ基板を接合せずに
行ってみたところ、図１６の特性４９の様に、サファイ
ヤとＳＨＧ素子との界面反射ロスがなくなった分だけ初
期の出力は向上したが、レーザ光の光路中に温度勾配が
生じて徐々に出力が低下していった。

【００４７】次に、ＴＨＧ素子を８ｍｍの長さの素子１
個を用い、サファイヤの基板を接合せずに１９３ｎｍ発
生を行ったところ、図１６の特性５０の様にウォークオ
フの補償を行っていない分だけ初期出力が３０％程度低
下し、またその後出力も素子中に温度勾配が生じて位相
整合条件が崩れ、徐々に出力が低下していった。次に、
１９３ｎｍを得るためのＦＨＧ素子を液体窒素で冷やさ
ずに常温で行ったところ、１９３ｎｍの出力は、図１６
の特性５１の様に２０％以下となり、また出力は急激に
低下した。素子を観測したところ、１９３ｎｍの吸収の
ために誘電破壊が生じていることが分かった。

【００４８】（実施例２）ＢＢＯを用い、Ｎｄ：ＹＡレ
ーザの発振する１０６４ｎｍ光の第４高調波（ＦＨＧ）
が得られる方位はθ＝４７．６°である。この方位にな
る様に、図１７で示した３ｍｍの素子長で入射面積が５
×１０ｍｍの素子５２を加工し、入射面積が６×６ｍｍ
の石英ガラスで出来たプリズム５３を２個設置した。こ
の素子にＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波であるビーム
径１ｍｍの５Ｗの５３２ｎｍ光を入射したところ、第１
から第３の波長変換部（１６，２１，５４）で波長変換
され、またウォークオフ角も補償されるため変換効率が
向上し、１．５ＷのＦＨＧ光を得ることが出来た。

【００４９】（比較例２）実施例２と同じ素子を用い、
ワンパスで波長変換を行ったところ、出力は５００ｍＷ
しか得られず、図１７の場合と比較して約１／３の出力
しか得られなかった。

【００５０】（実施例３）ＢＢＯを用い、Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザの発振する得られる１０６４ｎｍの第３高調波
（ＴＨＧ）が得られる方位はＴｙｐｅＩでθ＝３１°で
ある。この方位が入射方位となる様に、図１８の様なプ
リズムに加工したＢＢＯ素子５５を２個用意した。この
プリズムに１０６４ｎｍ１Ｗと５３２ｎｍ５００ｍＷを
入射したところ、第１〜第４の波長変換部（１６，２
１，５４，５６）で波長変換され、またウォークオフ角
も補償することが出来たため変換効率が向上し、５００
ｍＷの３５５ｎｍ出力が得られた。

【００５１】（比較例３）ＢＢＯの結晶長が８ｎｍＴＨ
Ｇ素子を用い、実施例３と同じレーザ光を入射したとこ
ろ、３５５ｎｍ出力は３５０ｍＷであり、実施例３の７
０％の出力しか得られなかった。

【００５２】（実施例４）ＢＢＯ単結晶をＮｄ：ＹＡＧ
レーザの発振する第４高調波が得られる方位であるθ＝
４７．６°に加工した。素子の大きさは入出力面を６×
６ｍｍ，厚さを２ｍｍとし、この素子５７を４枚用意し
た。この素子と同じ大きさの冷却材料として用いるサフ
ァイヤ基板３９を５枚用意した。これ等の素子の入出力
を平面度ＲＩＭ５Å以下、平行度は５秒以下に加工研磨
した。ＢＢＯは互いの素子の光軸が１８０°回転させて
ウォークオフ角を補償する方位に調整し、この間にサフ
ァイヤ基板を挿入してこれ等の素子をオプティカルコン
タクトした後、図１９の様に穴の開いたペルチェ素子４
１にマウントし２５℃に保持した。

【００５３】この素子にＮｄ：ＹＡＧの発振する１００
Ｗの１０６４ｎｍからＢＢＯを用いて得られた第２高調
波（波長５３２ｎｍ）の５０Ｗの光を入射したところ、
１５Ｗの２６６ｎｍ光が得られた。連続的な波長変換の
安定性を調べたところ、図２０の特性５８の様に１００
時間に渡り±１％以内であり、非常に安定した紫外出力
が長時間安定して得られることが分かった。これは波長
変換素子で発生した第４高調波の光路の温度が常にサフ
ァイヤにより吸収されて２５℃に保持されており、位相
整合条件が一定しているためである。

【００５４】（比較例４）実施例２と同じＢＢＯ素子を
用い、サファイヤ基板を用いずにＢＢＯ素子だけを用い
て図２１の様に素子を一体化させ、同じペルチェ素子で
２５℃に保持した。波長５３２ｎｍの５０Ｗの光を入射
したところ、始めは実施例４と比較して界面表面反射ロ
スが少ないため１７Ｗの２６６ｎｍが得られたが、数分
後には図２０の特性５９の様に、１２Ｗ程度まで低下し
た。低下しきったところで素子の角度を再度調整したと
ころ出力は１６Ｗまで回復したが（６０）、また徐々に
低下していき、１００時間後に１２Ｗ程度まで低下した
（６１）。

【００５５】これはＢＢＯの各々の素子中のレーザ光路
中が十分に冷却されていないために時間と共に温度分布
が生じ、屈折率が変化してしまうために出力が低下して
しまう。また素子の角度を調整しても紫外出力が大きく
なると熱発生も大きく、屈折率が変化して変換効率が下
がり、また紫外出力が下がるという悪循環が生じて一定
した出力の光が得られない。

【００５６】

【発明の効果】第１の効果は、波長変換素子を用いて素
子の吸収端近傍の波長変換を行う場合、本発明によれば
吸収端を短波長側にシフトさせることが可能となり、波
長変換光の透過率が向上して出力の増大、安定性、信頼
性の向上が達成されることである。

【００５７】その理由は、素子の変換光に対する透過率
が向上することで光が結晶に吸収反射されることがなく
なり、エネルギーのロスが少なくなるからである。

【００５８】第２の効果は、１個の波長変換素子で位相
整合方位に２回以上のレーザ光を透過させることが出
来、波長変換効率を増大させることが可能であることで
ある。その理由は結晶長を２倍に稼ぐことが出来、また
ウォークオフ角を補償するからである。

【００５９】第３の効果は、波長変換素子を効率良く冷
却することで素子中に発生した熱による屈折率分布を抑
制することが出来ることである。その理由は屈折率の分
布は熱の分布と一致するため、熱勾配を抑制することに
より位相整合条件が安定し、変換光出力も安定化させる
ことが出来る。

【００６０】これ等の波長変換方法及び波長変換素子を
搭載した紫外発生レーザ装置は出力が安定し、信頼性が
向上するため微細加工，半導体プロセス，医療等に応用
される。また、特に１９３ｎｍ発生装置は次世代メモリ
のプロセスに用いるＡｒ−Ｆエキシマレーザの代替とし
て用いることが可能であるため、半導体産業に与える効
果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】常温と０℃以下に冷却した波長変換素子の吸収
スペクトルを示す図である。

【図２】ＢＢＯの冷却による吸収スペクトルの変化を示
す図である。

【図３】プリズムを用いたウォークオフ角補償方法の説
明図である。

【図４】プリズム型波長変換素子を示す図である。

【図５】熱伝導率の大きな材料を入出力面に接合した波
長変換素子を示す図である。

【図６】光学材料と熱伝導率と吸収端波長を示す図であ
る。

【図７】プリズム型波長変換素子に熱伝導率の大きな材
料を接合した波長変換素子を示す図である。

【図８】２個以上の波長変換素子を熱伝導率の大きな材
料で挟んで接合した波長変換素子を示す図である。

【図９】２個以上の波長変換素子をウォークオフ角が補
償する様に配置し、その間に熱伝導率の大きな材料を接
合した波長変換素子を示す図である。

【図１０】波長変換素子と熱伝導率の大きな材料とのオ
プティカルコンタクトを示す図である。

【図１１】ＢＢＯの冷却曲線と１９３ｎｍの透過率を示
す図である。

【図１２】１９３ｎｍ光の発生方法を示す図である。

【図１３】サファイヤ基板を接合したＬＢＯ，ＳＨＧ素
子を示す図である。

【図１４】ウォークオフ角を補償したＴＨＧ素子にサフ
ァイヤ基板を接合したＢＢＯの、ＴＨＧ素子を示す図で
ある。

【図１５】−１９５℃に冷却したＢＢＯ，ＦＨＧ素子を
示す図である。

【図１６】１９３ｎｍ出力の時間変化を示す図である。

【図１７】プリズム２個を用いて１個の波長変換素子に
レーザ光を３回透過させた波長変換方法を示す図であ
る。

【図１８】プリズム型波長変換素子２個を用いた波長変
換方法を示す図である。

【図１９】４個のＢＢＯ，ＦＨＧ素子波長変換素子をウ
ォークオフ角が補償する様に配置し、その間にサファイ
ヤ基板を接合した波長変換素子を示す図である。

【図２０】２６６ｎｍ出力の時間変化を示す図であ
る。。

【図２１】４個のＢＢＯ，ＦＨＧ波長波長変換素子をウ
ォークオフ角が補償する様に配置した波長変換素子を示
す図である。

【符号の説明】

１ 常温時の吸収端 ２ 常温時の吸収スペクトル ３ 波長変換光の波長 ４ 常温時の透過率 ５ 低温時の吸収端 ６ 低温時の吸収スペクトル ７ 低温時の透過率 ８ 常温時のＢＢＯの吸収スペクトル ９ ０℃でのＢＢＯの吸収スペクトル １０ −５０℃でのＢＢＯの吸収スペクトル １１ −１００℃でのＢＢＯの吸収スペクトル １２ −１５０℃でのＢＢＯの吸収スペクトル １３ 波長変換素子 １４ 光軸 １５ レーザ光 １６ 第１波長変換部 １７ レーザ光と波長変換光 １８ プリズム １９ 第１反射面 ２０ 第２反射面 ２１ 第２波長変換部 ２２ 波長変換光 ２３ プリズム型波長変換素子 ２４ 入射面 ２５ 熱伝導の大きな接合材料 ２６ 入出力面 ２７ 金属ホルダー ２８ 波長変換素子の熱伝導による熱流 ２９ 接合材料の熱伝導による熱流 ３０ 接合面 ３１ ディスク状波長変換素子 ３２ 銅製ホルダー ３５ 真空容器 ３６ 真空ポンプ ３７ Ｔｉ：サファイヤレーザ ３８ ＬＢＯ，ＳＨＧ素子 ３９，４２ ＢＢＯ，ＴＨＧ素子 ４０，４３，５２ ＢＢＯ，ＦＨＧ素子 ４１ ペルチェ素子 ４４ 銅製コールドフィンガー ４５ サファイヤの窓 ４６ 真空デュワー ４７ 液体窒素 ４８ 実施例１による出力結果 ５３ 石英プリズム ５４ 第３の波長変換部 ５５ プリズム型ＢＢＯ，ＴＨＧ素子 ５６ 第４波長変換部 ５７ ＢＢＯ，ＦＨＧ波長変換素子 ５８ 実施例４によるＦＨＧ出力 ５９ 比較例４の初期ＦＨＧ出力 ６１ 角度調整後のＦＨＧ出力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−11750（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−18833（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−202079（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−213689（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−301426（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−29595（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ ＰＨｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．62 Ｎｏ．11 （1993）ｐｐ．1203−1205 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｂ，Ｖｏｌ．Ｂ 45 Ｎｏ．４（1988) ｐｐ．245−247 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/39 H01S 3/00 - 3/17

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３つの角度が９０°，４５°，４５°に
   夫々加工された三角柱プリズム型波長変換素子からな
   り、レーザ光をこの三角柱プリズム型波長変換素子へ入
   射せしめ直交する２面にて２回反射させることにより、
   入射レーザ光と波長変換された出力光との進行方向を互
   いに１８０°異なるようにし、かつウォークオフ角を補
   償することを特徴とする波長変換素子。