JP3798127B2 - 二重高調波分割周波数レーザ - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計測の分野に関し、とりわけ、距離測定干渉計測の領域に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ・ビームに伴う干渉現象は、集積回路(IC)の製造に用いられるウェーハ・ステッパの制御におけるような、極めて正確な変位測定を行うために利用される。距離測定レーザ干渉計の場合、レーザ光源からの光は、2つのビームに分割される。基準ビームは、固定基準ミラーから反射され、一方、測定ビームは、移動測定ミラーから反射される。ビームは、波面が干渉する検出器において再結合される。結合される波面の光学強度は、基準光路と測定光路の光路長差によって決まる。光路長差の変化λ/mによって、干渉縞が生じるが、ここで、mは、ビーム分割器と測定ミラーの間を光が通過する回数である。結合された波面の光学強度の変化は、検出器によって電気信号に変換される。検出器の信号に処理を施し、信号の干渉縞をカウントすることによって、測定光路の光路長の全変化が、従って、測定ミラーの全位置変化が求められる。補間によって、λ/mをはるかに超える光路長測定の精度を得ることが可能である。
【0003】
距離測定干渉計には、2つのタイプがあり、DCとAC干渉計である。DC干渉計の場合、レーザは、単一周波数で発光する。測定ミラーが移動する場合に限り、ドップラ効果のために、干渉信号が時間変化する。測定ミラーが固定されている場合、干渉信号は一定である。レーザ・パワー・ドリフト及び電子ノイズのような妨害は、とりわけ測定ミラーが固定されている場合、簡単に動き信号と誤解釈される可能性がある。AC干渉計の場合、レーザは、直交偏光を有する、2つの光学周波数の光を放出する。該周波数の光は、偏光依存ビーム・スプリッタによって分割され、一方は基準ミラーに進み、他方は測定ミラーに進む。従って、検出器は、測定ミラーが固定されている場合だけでなく、移動する場合も、AC信号を発生する。一定の信号よりも時間変化信号によってノイズを検出するほうが簡単である。従って、AC干渉計は、そのノイズを除去する優れた能力に起因して、DC干渉計よりも正確である。
【0004】
Dukes 他による「1マイクロインチ目盛りの200フィート物差し」と題して、1970年版ヒューレット・パッカード社ジャーナル、第21冊、第203頁には、精密な距離測定を行うため、AC干渉計システムを用いた旨が記載されている。ICを製造する場合、問題となる量は、幾何学長dである。レーザ干渉計は、光路長lを測定し、これは次式によってdと関連づけられる。
【0005】
【数1】
【0006】
ここで、n(z)は、位置の関数として表される周囲媒体(通常は空気)の屈折率であり、バーnは、測定光路に沿って平均された値である。レーザ干渉計による測定は、空間的に一定であると仮定される、空気の屈折率に対して補正しなければならない。実際上、測定光路に沿った空気は、とりわけ、ステッパのウェーハ台を取り巻く領域において、乱流を生じる可能性がある。乱気流によって、ICの機能サイズを縮小する際に、重大な位置測定エラーを生じる可能性がある。
【0007】
空気の屈折率は、式2に示すように、空気の密度及び波長によって決まる。
【0008】
n(λ,r)=1+α(λ)ρ(r) (2)
α(λ)は、波長の関数として表された空気の屈折率である。量ρ(r)は、位置の関数として表された局所的な空気密度である。光路長は、2つの離隔間隔の広い波長λ1及びλ2において測定される。この場合、屈折率は、分散に起因して異なる。これらの測定結果によって、幾何学的距離dと、測定経路にわたって平均化された空気密度バーρとが、式3a及び3bに示すように、関連づけられる。
【0009】
2つの波長における屈折率が既知の場合、幾何学的距離dは、次式のようになる。
【0010】
【数2】
【0011】
干渉があると、式3a及び3bは、次のようになる。
【0012】
【数3】
【0013】
ここで、F1及びF2は、それぞれ、波長λ1及びλ2の干渉信号に処理を加えることによって発生する縞カウントである。角括弧内の係数は、幾何学的長さの一次推定値を表している。精度を保証するには、波長λ1 が正確に分かっていなければならない。補正係数(曲がった括弧で示す)が正確であるためには、波長比λ1/λ2が正確に分かっていなければならない。1つの方法は、波長を高調波的に関連づけることである。例えば、λ2がλ1の第2高調波である場合、波長比は、2に全く等しい。
【0014】
精密な距離測定を行うもう1つの方法は、3色法である。光路長は、3つの波長λm 、λc1、λc2において独立に測定される。測定波長λm は、HeNeレーザから導出されて、正確に分かっている。補正波長λc1及びλc2は、高調波的に関連しており、Nd:YAGレーザから発生する。幾何学的距離は、次のように表すことができる。
【0015】
【数4】
【0016】
従来技術による3色法の変形例の1つが、Lisによる米国特許第5,404,222 号に開示されている。このシステムには、測定波長λm で動作するHe−Neレーザ、及び波長λc1及びλc2で同じ測定光路にわたって動作するNd:YAG基本波及び第2高調波レーザが含まれている。2つの補正波長における測定光路の光路長の差は、次のように測定される。
【0017】
【数5】
【0018】
式8のテイラー級数展開が、空気圧が1次まで、式10に等しくなることは明らかである。このシステムは、コストが高く、必要な空間を浪費し、熱を発生する。この最後の2つの問題は、ステッパ・システムにおいて重大な問題である。さらに、非線形波長変換がレーザ空洞外で行われるので、第2高調波干渉計におけるS/N比が悪く、従って非効率的である。
【0019】
Sommargrenによる米国特許第4,684,828 号には、単一周波数で直線偏光型のレーザ・ビームを用いて、2つの直交偏光周波数を備えた効率の高いビームを得る旨の記載がある。AC干渉計の場合、各波長毎に、数MHzの周波数分割が必要とされる。音響・光学的変調器(AOM)によって、数十MHz〜100MHzの周波数偏移が生じる。周波数差によって所望の分割を得るには、各波長毎に、異なるRF周波数で駆動される2つのAOMを利用しなければならない。必要とされるコスト、スペース、及び光学・機械的複雑さは、大幅なものになる。
【0020】
望まれるのは、各波長毎に直交偏光間で数MHzの周波数分割を行い、高調波的に関連した波長において2つのオーバラップするビームを同時に発生するレーザである。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、共に高い絶対精度で既知である2つの離隔間隔の広い波長において、2つのオーバラップ・ビームを発生する単一のレーザにより、乱気流補正付き距離測定干渉計用の理想光源を提供することにある。
【0022】
各波長において、レーザは、0.5〜20MHzの範囲にわたって調整可能な周波数分割を有する、1対の直交偏光周波数を発生して、各種の測定ミラー速度によるAC干渉計測が容易になる。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザは、ツイスト・モード構成をとり、空洞内周波数を二倍にするために、2つの非線形結晶を含む。該2つの二倍化結晶段は、出力ミラーと第1の四分の一波長板の間に直列に配置される。利得媒体が、第1の四分の一波長板と第2の四分の一波長板の間に配置される。ミラーが、第2の四分の一波長板と結合光学素子の間に配置される。利得媒体は更に、励起源に結合される。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1には、従来技術のツイスト・モード型レーザが示されている。2つの四分の一波長板(QWP)が、その高速軸が角度ψだけオフセットするように、空洞の光学軸まわりを回転する。利得媒体が、十分な励起電力で駆動されて、その利得が空洞内損失に打ち勝つと、光学周波数が空洞の軸モード・スペクトルに一致するという条件で、レーザは、利得媒体の帯域幅内の多数波長で発振することが可能になる。レーザは、2組の軸モード周波数ν+ q及びν- qを有する。
【0025】
これらの周波数は、次式によって与えられる。
【0026】
【0027】
ここで、qは整数、cは光の速度、及びLは空洞の光路長である。光路長は、屈折率と、エア・スペースを含む空洞内における各素子の幾何学的長さとの積の和である。△νsplit 、すなわち、2組のモード間における分割は、2つのQWP間の角オフセット角度ψによって決まり、次式のようになる。。
【0028】
△νsplit=ν+ q−ν- q=(c/2L)・(2ψ/π) (12)
分割は、ψ=0゜の場合の0から、ψ=45゜の場合の最大値c/4Lまで変えることができる。典型的な空洞長L=10cmの場合、c/2L=1.5GHzとなる。10MHzの周波数分割は、ψ=0.6゜に設定することよって得られる。
【0029】
Jones のマトリックス計算を利用すると、2組のモードの偏光が、互いに直交偏光されることが分かる。2つのQWP間の領域において、一方の組のモード(「+」組)は、右に進む右円偏光(rcp)及び左に進む左円偏光(lcp)が施される。他方の組のモード(「−」組)は、右に進むlcp及び左に進むrcpが施される。QWPと隣接するミラー間の領域において、2組のモードは、互いに対して90゜の直線偏光、及び隣接QWPの高速軸に対して±45゜の直線偏光が施される。
【0030】
モード制御方法の1つは、一方の完全な組のモードを抑制し、また空間ホールバーニングを排除するために、ミラーの1つと隣接QWPの間に、直線偏光器を配置することである。残った組の各モードは、強度が均一であり、直線偏光が空間においてねじ曲げられる。
【0031】
図2には、本発明のレーザ10が示されている。2つの二倍化結晶段12A、12Bが、第1のミラー14と第1のQWP16の間に直列に配置されている。利得媒体18が、第1のQWP16と第2のQWP20の間に配置されている。第1の二倍化段12Aのe軸は、第2のQWP20の高速軸に対して+45゜をなし、第2の二倍化段12Bのe軸は、−45゜をなしている。各QWPは、基本波長においてλ/4の遅延を有し、その高速軸は、互いに角度ψだけビーム軸まわりを回転する。励起源30が、利得媒体18にエネルギを結合する。モード・セレクタ26が、第2のミラー22と第1のQWP20との間に配置されている。
【0032】
モード・セレクタ26は、エタロンが好適であるが、空洞内の任意の場所に配置することが可能である。モード選択によって、レーザは、固有の値qを備える、数MHz(1〜10MHzのオーダ)離隔した1対のモードν+ q及びν- qで発振することが可能になり、同時に、数GHz以上のオーダで離隔した他の全てのモード対を抑制する。この1対のモードは、基本周波数νf1及びνf2である。代替として、複屈折フィルタ及び回折格子を用いて、モード選択を行うことも可能である。レーザは、2つの基本周波数の第2高調波νsh1=2νf1、及びνsh2=νf2を発生しなければならない。第2高調波の発生は、二倍化結晶段を利用して、空洞内で周波数を二倍化することによって行われる。
【0033】
第2のミラー22は、基本波長における反射率が高い。基本波長における第1のミラー14の特性によれば、光の大部分が帰還され(例えば、98〜99%の反射率)、またわずかな出力結合しか許されない(例えば、1〜2%の透過率)。第2高調波の波長において、第2のミラーの透過率は高い(例えば、>80%)。こうした分光特性が得られるように、多層誘電体コーティングを設計し、透明基板に堆積させるのは容易に実施可能である。波長の絶対精度を108 分の1のオーダに高めるため、いくつかの周知の飽和分光学的方法の1つを取り入れた波長安定化ループを、レーザに追加することが可能である。
【0034】
第2光高調波の発生は、光学的な和周波数発生の特殊ケースである。比喩的に言えば、周波数ν1 の光子の1つと周波数ν2 の光子の1つが消滅し、同時に、周波数ν3 において光子が発生する。
【0035】
ν3=ν1+ν2 (13)
式13は、この周波数変換プロセスに関するエネルギ保存を表すものである。この効果は、材料の極めて弱い非線形光学特性によって左右される。周波数ν3 で発生するビームの強度は、周波数ν1及びν2におけるビーム強度の積に比例し、次のようになる。
【0036】
I(ν3)∝dI1(ν1)I2(ν2) (14)
ここで、dは、非線形結晶の特性、ビームの伝搬方向及び偏向、及びその相互作用長によって決まる比例定数である。かなりの量のエネルギ変換には、少なくとも数ミリメートルの長さの非線形結晶において、強力な光学フィールドの相互作用が必要になる。さらに、和周波数発生プロセスは、式15に示す位相整合の条件を満たさなければならない。
【0037】
k1+k2=k3 (15)
ここで、ki は、相互作用するビームの光波ベクトルである。光波ベクトルの大きさは、次式によって光周波数と関連づけられる。
【0038】
|ki|=2πνini/c (16)
量ni は、非線形結晶内において周波数νi のビームが被る屈折率である。
【0039】
式15は、ベクトルの関係を表現している。ベクトルは、図3及び4に示すように、それぞれ、共線的または非共線的のいずれかで位相整合する。長い距離にわたってオーバラップした状態を保つには、厳密にビームの焦点が合わせられるので、共線的位相整合が望ましい。共線的な場合、位相整合条件は、次のようになる。
【0040】
ν1n1+ν2n2=ν3n3 (17)
本発明は、特に、第2高調波の発生に関するものであるので、ν1=ν2=νf、及びν3=νsh=2νfとなる。等方性結晶の場合、式17は、nf=nsh になる。しかし、それに伴う周波数は、広く分離される。例えば、νf が近赤外領域の場合、νshは可視領域内にある。結晶は、これらの周波数において透明でなければならないので、その屈折率によって、通常の分散が示されることになり、それによって、等方性結晶内における位相整合が阻止される。
【0041】
位相整合は、異方性の複屈折結晶で行うことができる。相互作用ビームの伝搬方向及び偏向を適正に選択すれば、複屈折を利用して、分散効果を厳密に補償し、それによって、位相整合条件を満たし、非線形変換効率を改善することが可能になる。
【0042】
どんな結晶の屈折率特性も、3つの主たる屈折率nx、ny、及びnz によって記述される。等方性結晶の場合、3つの主たる屈折率は全て等しい。等しくなければ、その結晶は複屈折性である。2つの主たる屈折率が等しい場合、その結晶は、一軸性と呼ばれる。3つの主たる屈折率が全て異なる値の場合、その結晶は、二軸性と呼ばれる。
【0043】
光ビームの波面の伝搬は、位相速度ベクトルと群速度ベクトルによって記述される。波面の速度を表す位相速度ベクトルは、次式のようになる。
【0044】
vp=(2πν/k2)・k (18)
位相速度の大きさは、次の通りである。
【0045】
|vp|=c/n (19)
エネルギ流れの方向及び速度を表す群速度ベクトルは、次式のようになる。
【0046】
vg=2π▽kν(k) (20)
等方性結晶の場合、ベクトルvpとvgは平行である。これは、一般に、ある特定の伝搬方向の場合を除いて、複屈折結晶のケースではない。光ビームの偏光状態は、光ビームが複屈折結晶を通って伝搬すると、保存されない。どの伝搬方向の場合にも、必ず、2つの直交方向の直線偏光(固有偏光)と、2つのそれぞれの屈折率(固有屈折率)が存在する。初期に、いずれかの固有偏光方向に対して平行な直線偏光となる入射ビームは、その偏光が結晶によって摂動を受けることなく、対応する固有屈折率を用いて式19によって決まる位相速度で、伝搬する。
【0047】
2つの固有偏光は、常偏光及び異常偏光と呼ばれ、対応する固有屈折率は、常屈折率no 及び異常屈折率ne と呼ばれる場合が多い。常ビームの位相ベクトルと群速度ベクトルとは平行であるので、常ビームは、等方性結晶内に「通常に」あるかのように伝搬する。これに対し、異常ビームの位相ベクトルと群速度ベクトルは、一般に平行ではないので、「異常な」特性を示す。さらに、多くの結晶において、no の値は、伝搬方向に左右されないが、これに対してne の値は、伝搬方向によって決まる。図5には、複屈折結晶内における特定の任意に選定された伝搬方向について、常固有偏光軸(o)と異常固有偏光軸(e)が示されている。
【0048】
異常屈折率の方向依存性は、ne(θ、φ) で表され、ここで、θ及びφは、結晶軸のz主軸に対する伝搬方向の配向を示す。2つの固有屈折率に対応して、式16によって与えられる、次の2つの波ベクトルの大きさが存在する。
【0049】
【0050】
複屈折結晶の固有偏光状態を利用して、効率の良い第2高調波の発生を実現するのに必要な位相整合条件を満たすため、一般に用いられる技法が2つ存在し、すなわち、タイプ1及びタイプ2である。タイプ1の位相整合の場合は、基本ビーム及び第2高調波ビームは、直交偏光されるが、タイプ2の位相整合の場合、その偏光は直交しない。タイプ1の位相整合が望ましく、というのは、k1及びk2基本ビームの偏光は、同じであり、常方向と異常方向のいずれかに向けられるのが望ましいが、発生する第2高調波ビームは、基本ビームに対して直交偏光(異常か常のどちらか)されるためである、例えば、負の複屈折(no>ne)を有する結晶の場合、位相整合の達成は、以下の式のような位相整合条件を満たすために、基本ビームに関しては常偏光を利用し、第2高調波ビームに関しては異常偏光を利用することによってなされる。
【0051】
ko1+ko2=ke3(θ、φ) (22)
式22に記載のプロセスを、「ooe」タイプ1位相整合と呼ぶ。結晶が、正の複屈折(no<ne)を有する場合、基本ビーム及び第2高調波の偏光は、以下の位相整合条件を満たすために、逆になる。
【0052】
ke1(θ、φ)+ke2(θ、φ)=ko3 (23)
式23に記載のプロセスを、「eeo」タイプ1位相整合と呼ぶ。任意の特定の結晶に関して、これら2つのプロセスの一方(ooeまたはeeo)だけで、位相整合が生じることになる。その選定は、上記に示すように、複屈折の符号によって決まる。一方のプロセスから他方のプロセスへの切り換えは、波ベクトル方向まわりで基本偏光を90゜回転させるだけで行われる。タイプ1位相整合に関する2つの偏光構成が、図6及び7に示されている。
【0053】
本発明によれば、基本ビームの直交直線偏光に対する、空洞内タイプ1二倍化結晶対の固有偏光方向は、第2高調波周波数だけしか発生しないように方向決めされる。
【0054】
図8には、図2に示す二倍化結晶段12A、12Bが示されている。2つの二倍化結晶12A、12Bは、基本ビーム光路に沿って前後に配置されている。二倍化結晶段12A、12Bの各々には、1つ以上のタイプ1第2高調波結晶が含まれ、これは例えば、「ウォーク・オフ(walkoff)」を示す、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム(MgO:LiNbO3 )、または三ホウ酸リチウム(LBO)である。
【0055】
結晶が、正の複屈折(eeo位相整合)を有する場合、第1の結晶は、νsh1 =2νf1のビームを発生し、νf2のビームと、νf1及びνf2のビームの非変換部分を透過する。第2の結晶は、νsh2=2νf2 のビームを発生し、νf1ビームの非変換部分及びνf2ビームの非変換部分と共に、νsh1 のビームを透過する。結晶が、負の複屈折(ooe位相整合)を有する場合、第2高調波が発生する順序及びその偏光方向は、逆になる。図8には、フィールド偏光及び結晶配向の「eeo」構成が示されている。
【0056】
複屈折結晶の場合、異常ビームの群速度ベクトルvgeは、結晶内における波ベクトルのある特定の方向を除くと、常ビームの群速度ベクトルvgoに対して平行ではない。この非共線性によって、結晶光学素子に複屈折が生じる。常ビーム及び異常ビームは、結晶内部において角度が発散する。該ビームは、結晶を出る際に屈折を被ると、平行になるが、横方向にオフセットする。タイプ1高調波発生の場合、その効果は、結晶内において基本ビーム及び第2高調波ビームの角発散ρを生じさせ、これは「ウォーク・オフ」と呼ばれる。ウォーク・オフが生じると、出射する基本ビーム及び第2高調波ビームは、横方向にオフセットする。ウォーク・オフによって、ビームがオーバラップした状態に留まる距離が短くなるので、第2高調波の変換効率が低下する。
【0057】
乱気流補償の場合、λf 及びλshのビームは、補償方式が最大に効果を発揮するように、同じ空気経路のサンプリングを行うので、横方向ビーム分離は望ましくない。1990年版Optics Communicationの第76冊、第250−252頁のSamanta 他による「第2高調波出力電力の増強技法」と題する文献には、ウォーク・オフ方向は、図9に示すように、波ベクトル軸まわりにおいて、e軸結晶を180゜回転させることによって逆にすることができる、と教示されている。e軸を二倍化段12A、12Bの一方に関して互いに180゜反転させた、長さL/2の二倍化結晶対を用いることによって、長さLの単一結晶の場合に比べて、第2高調波電力が強くなり、基本ビームと第2高調波ビームの間の横方向分離を短くすることが可能になる。代替として、二倍化段に、一連の二倍化結晶対を含めることも可能である。
【0058】
図10には、図2の変形例である、本発明の第2実施例が示されている。利得媒体18は、Nd:YAG結晶であり、これは、偏光に依存しない利得を有し、空洞内ビーム方向に進む光に関して複屈折を生じないように配向される。Nd:YAGは、808nmでのNd:YAGの吸収帯域とその発光波長がオーバラップする励起レーザ・ダイオード30によって、軸方向構成で光学的に励起される。励起光は、レンズ及びプリズムといったコンポーネントを含む結合光学系24によって、第2のミラー、モード・セレクタ、及び第2のQWPを介して、Nd:YAGへと合焦される。第2のミラー22は、Nd:YAGの1064nmの波長において反射率が高く、808nmの励起波長において透過率が高い。
【0059】
図11には、図2の他の変形例である、本発明の第3実施例が示されている。ガラス繊維光学利得媒体が、利得媒体18として機能する。ガラス繊維には、エルビウムまたはプラセオジムといったレーザ発光不純物がドープされている。他のドーパントを利用して、さまざまな基本波長を得ることも可能である。ガラス繊維利得媒体は、ドーパント材料の吸収バンドに適合する励起波長を備えたレーザ・ダイオード30によって励起される。励起光は、結合光学系によってファイバ32の断面へと合焦される。励起ファイバ32は、ダイクロイック・ファイバ・カップラ33によってファイバ増幅器に接続される。利得媒体は導波管であるので、第1と第2の空洞内レンズ34A、34Bを用いて、基本波の光が、導波管内及び導波管外に結合される。
【0060】
図12には、図2の更に他の変形例である、本発明の第4実施例が示されている。利得媒体18は、半導体光学増幅器であり、これは例えば、1993年版Progress in Opticsの第31冊、第202頁のDutta による「光学増幅器」と題する文献に記載されているようなものである。導波管は、非複屈折であり、偏光に依存しない利得を有するように設計される。半導体光学増幅器は、両切開面に反射防止コーティングを施されたレーザ・ダイオードである。該レーザは、第1と第2の空洞内結合レンズ32A、32Bを必要とする。半導体光学増幅器18は、注入電流によって電気的に励起される。
【0061】
以下に、本発明の実施態様を列挙する。
【0062】
1.二重高調波分割周波数レーザにおいて、
励起源と、
第1と第2のミラーと、
第1と第2の四分の一波長板であって、該第1の四分の一波長板は、第1のミラーに隣接して配置され、第1と第2の四分の一波長板の高速軸が、レーザの光学軸のまわりで、ある調整角度だけ互いに相対して回転する、第1と第2の四分の一波長板と、
該第1と第2の四分の一波長板の間に挿入され、偏光に依存しない利得を有する、非複屈折性の利得媒体と、
該利得媒体に結合されて、レーザを第1と第2の基本周波数で発振させるべく動作する、モード制御素子であって、第1と第2の基本周波数間の分割を、第1と第2の四分の一波長板の高速軸間の角度により制御する、モード制御素子と、
第1の四分の一波長板と第1のミラーの間に挿入される第1と第2の二倍化段であって、第1の二倍化段は、第1の四分の一波長板の高速軸に対して、+45゜の異常軸を備え、第2の二倍化段は、第1の四分の一波長板の高速軸に対して、−45゜の異常軸を備える、第1と第2の二倍化段と、
からなるレーザ。
【0063】
2.前記2つの二倍化結晶段のうちの1つは、共線的に位相整合される少なくともM対の二倍化結晶を含まれ、Mは1以上であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0064】
3.前記2つの二倍化結晶は、複屈折結晶であることを特徴とする、前項2に記載のレーザ。
【0065】
4.前記M対の二倍化結晶のうちの1対は更に、
基本波ビームと第2高調波ビームの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第1の二倍化結晶と、
基本波ビームと第2高調波ビームの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第2の二倍化結晶が含まれることを特徴とする、前項3に記載のレーザ。
【0066】
5.前記二倍化結晶は、タイプ1の位相整合結晶であることを特徴とする、前項4に記載のレーザ。
【0067】
6.前記2つの二倍化段のうちの1つは、タイプ1の位相整合結晶であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0068】
7.前記光学利得媒体は、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0069】
8.前記利得媒体は、レーザ・ダイオードによって励起されることを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0070】
9.励起光が、軸方向幾何配置で利得媒体へと結合されることを特徴とする、前項8に記載のレーザ。
【0071】
10.前記タイプ1の位相整合二倍化段の1つは、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムの結晶であることを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0072】
11.前記タイプ1の位相整合二倍化結晶段の1つは、三ホウ酸リチウム結晶であることを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0073】
12.前記タイプ1の位相整合二倍化結晶段の1つは、M対の三ホウ酸リチウム結晶を含むことを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0074】
13.前記光学利得媒体は、光ファイバ増幅器であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0075】
14.前記光学利得媒体は、レーザ・ダイオードによって励起されることを特徴とする、前項13に記載のレーザ。
【0076】
15.前記レーザ・ダイオードは、ダイクロイック・ファイバ・カップラを介して、前記利得媒体へと結合されることを特徴とする、前項14に記載のレーザ。
【0077】
16.前記光学利得媒体は、半導体光学増幅器であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0078】
17.前記レーザは、干渉計測システムにおいて、乱気流補正付き距離測定を行うために用いられることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0079】
18.写真製版の逐次反復移動式カメラにおいて、ウェーハのステージ位置を制御するために用いられる、前項17に規定の干渉計測式の乱流補正付き距離測定システム。
【0080】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、各波長において、レーザは、0.5〜20MHzの範囲にわたって調整可能な周波数分割を有する1対の直交偏光周波数のビームを発生することにより、各種の測定ミラー速度によるAC干渉計測が容易になり、低コストで、必要スペースが少なく、光学系が簡単である、乱気流補正付き距離測定干渉計用の理想的な光源を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術のツイスト・モード型レーザを示す図である。
【図2】本発明のレーザを示す図である。
【図3】共線的な位相整合を示す図である。
【図4】非共線的な位相整合を示す図である。
【図5】固有偏光を示す図である。
【図6】タイプ1位相整合を示す図である。
【図7】タイプ1位相整合を示す図である。
【図8】図2に示す二倍化段を示す図である。
【図9】「ウォーク・オフ」を示す図である。
【図10】本発明の第2実施例を示す図である。
【図11】本発明の第3実施例を示す図である。
【図12】本発明の第4実施例を示す図である。
【符号の説明】
10 レーザ
12A,B 二倍化結晶段
14 第1のミラー
16 第1の四分の一波長板
18 利得媒体
20 第2の四分の一波長板
22 第2のミラー
26 モード・セレクタ
30 励起源
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計測の分野に関し、とりわけ、距離測定干渉計測の領域に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ・ビームに伴う干渉現象は、集積回路(IC)の製造に用いられるウェーハ・ステッパの制御におけるような、極めて正確な変位測定を行うために利用される。距離測定レーザ干渉計の場合、レーザ光源からの光は、2つのビームに分割される。基準ビームは、固定基準ミラーから反射され、一方、測定ビームは、移動測定ミラーから反射される。ビームは、波面が干渉する検出器において再結合される。結合される波面の光学強度は、基準光路と測定光路の光路長差によって決まる。光路長差の変化λ/mによって、干渉縞が生じるが、ここで、mは、ビーム分割器と測定ミラーの間を光が通過する回数である。結合された波面の光学強度の変化は、検出器によって電気信号に変換される。検出器の信号に処理を施し、信号の干渉縞をカウントすることによって、測定光路の光路長の全変化が、従って、測定ミラーの全位置変化が求められる。補間によって、λ/mをはるかに超える光路長測定の精度を得ることが可能である。
【0003】
距離測定干渉計には、2つのタイプがあり、DCとAC干渉計である。DC干渉計の場合、レーザは、単一周波数で発光する。測定ミラーが移動する場合に限り、ドップラ効果のために、干渉信号が時間変化する。測定ミラーが固定されている場合、干渉信号は一定である。レーザ・パワー・ドリフト及び電子ノイズのような妨害は、とりわけ測定ミラーが固定されている場合、簡単に動き信号と誤解釈される可能性がある。AC干渉計の場合、レーザは、直交偏光を有する、2つの光学周波数の光を放出する。該周波数の光は、偏光依存ビーム・スプリッタによって分割され、一方は基準ミラーに進み、他方は測定ミラーに進む。従って、検出器は、測定ミラーが固定されている場合だけでなく、移動する場合も、AC信号を発生する。一定の信号よりも時間変化信号によってノイズを検出するほうが簡単である。従って、AC干渉計は、そのノイズを除去する優れた能力に起因して、DC干渉計よりも正確である。
【0004】
Dukes 他による「1マイクロインチ目盛りの200フィート物差し」と題して、1970年版ヒューレット・パッカード社ジャーナル、第21冊、第203頁には、精密な距離測定を行うため、AC干渉計システムを用いた旨が記載されている。ICを製造する場合、問題となる量は、幾何学長dである。レーザ干渉計は、光路長lを測定し、これは次式によってdと関連づけられる。
【0005】
【数1】
【0006】
ここで、n(z)は、位置の関数として表される周囲媒体(通常は空気)の屈折率であり、バーnは、測定光路に沿って平均された値である。レーザ干渉計による測定は、空間的に一定であると仮定される、空気の屈折率に対して補正しなければならない。実際上、測定光路に沿った空気は、とりわけ、ステッパのウェーハ台を取り巻く領域において、乱流を生じる可能性がある。乱気流によって、ICの機能サイズを縮小する際に、重大な位置測定エラーを生じる可能性がある。
【0007】
空気の屈折率は、式2に示すように、空気の密度及び波長によって決まる。
【0008】
n(λ,r)=1+α(λ)ρ(r) (2)
α(λ)は、波長の関数として表された空気の屈折率である。量ρ(r)は、位置の関数として表された局所的な空気密度である。光路長は、2つの離隔間隔の広い波長λ1及びλ2において測定される。この場合、屈折率は、分散に起因して異なる。これらの測定結果によって、幾何学的距離dと、測定経路にわたって平均化された空気密度バーρとが、式3a及び3bに示すように、関連づけられる。
【0009】
2つの波長における屈折率が既知の場合、幾何学的距離dは、次式のようになる。
【0010】
【数2】
【0011】
干渉があると、式3a及び3bは、次のようになる。
【0012】
【数3】
【0013】
ここで、F1及びF2は、それぞれ、波長λ1及びλ2の干渉信号に処理を加えることによって発生する縞カウントである。角括弧内の係数は、幾何学的長さの一次推定値を表している。精度を保証するには、波長λ1 が正確に分かっていなければならない。補正係数(曲がった括弧で示す)が正確であるためには、波長比λ1/λ2が正確に分かっていなければならない。1つの方法は、波長を高調波的に関連づけることである。例えば、λ2がλ1の第2高調波である場合、波長比は、2に全く等しい。
【0014】
精密な距離測定を行うもう1つの方法は、3色法である。光路長は、3つの波長λm 、λc1、λc2において独立に測定される。測定波長λm は、HeNeレーザから導出されて、正確に分かっている。補正波長λc1及びλc2は、高調波的に関連しており、Nd:YAGレーザから発生する。幾何学的距離は、次のように表すことができる。
【0015】
【数4】
【0016】
従来技術による3色法の変形例の1つが、Lisによる米国特許第5,404,222 号に開示されている。このシステムには、測定波長λm で動作するHe−Neレーザ、及び波長λc1及びλc2で同じ測定光路にわたって動作するNd:YAG基本波及び第2高調波レーザが含まれている。2つの補正波長における測定光路の光路長の差は、次のように測定される。
【0017】
【数5】
【0018】
式8のテイラー級数展開が、空気圧が1次まで、式10に等しくなることは明らかである。このシステムは、コストが高く、必要な空間を浪費し、熱を発生する。この最後の2つの問題は、ステッパ・システムにおいて重大な問題である。さらに、非線形波長変換がレーザ空洞外で行われるので、第2高調波干渉計におけるS/N比が悪く、従って非効率的である。
【0019】
Sommargrenによる米国特許第4,684,828 号には、単一周波数で直線偏光型のレーザ・ビームを用いて、2つの直交偏光周波数を備えた効率の高いビームを得る旨の記載がある。AC干渉計の場合、各波長毎に、数MHzの周波数分割が必要とされる。音響・光学的変調器(AOM)によって、数十MHz〜100MHzの周波数偏移が生じる。周波数差によって所望の分割を得るには、各波長毎に、異なるRF周波数で駆動される2つのAOMを利用しなければならない。必要とされるコスト、スペース、及び光学・機械的複雑さは、大幅なものになる。
【0020】
望まれるのは、各波長毎に直交偏光間で数MHzの周波数分割を行い、高調波的に関連した波長において2つのオーバラップするビームを同時に発生するレーザである。
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、共に高い絶対精度で既知である2つの離隔間隔の広い波長において、2つのオーバラップ・ビームを発生する単一のレーザにより、乱気流補正付き距離測定干渉計用の理想光源を提供することにある。
【0022】
各波長において、レーザは、0.5〜20MHzの範囲にわたって調整可能な周波数分割を有する、1対の直交偏光周波数を発生して、各種の測定ミラー速度によるAC干渉計測が容易になる。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザは、ツイスト・モード構成をとり、空洞内周波数を二倍にするために、2つの非線形結晶を含む。該2つの二倍化結晶段は、出力ミラーと第1の四分の一波長板の間に直列に配置される。利得媒体が、第1の四分の一波長板と第2の四分の一波長板の間に配置される。ミラーが、第2の四分の一波長板と結合光学素子の間に配置される。利得媒体は更に、励起源に結合される。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1には、従来技術のツイスト・モード型レーザが示されている。2つの四分の一波長板(QWP)が、その高速軸が角度ψだけオフセットするように、空洞の光学軸まわりを回転する。利得媒体が、十分な励起電力で駆動されて、その利得が空洞内損失に打ち勝つと、光学周波数が空洞の軸モード・スペクトルに一致するという条件で、レーザは、利得媒体の帯域幅内の多数波長で発振することが可能になる。レーザは、2組の軸モード周波数ν+ q及びν- qを有する。
【0025】
これらの周波数は、次式によって与えられる。
【0026】
【0027】
ここで、qは整数、cは光の速度、及びLは空洞の光路長である。光路長は、屈折率と、エア・スペースを含む空洞内における各素子の幾何学的長さとの積の和である。△νsplit 、すなわち、2組のモード間における分割は、2つのQWP間の角オフセット角度ψによって決まり、次式のようになる。。
【0028】
△νsplit=ν+ q−ν- q=(c/2L)・(2ψ/π) (12)
分割は、ψ=0゜の場合の0から、ψ=45゜の場合の最大値c/4Lまで変えることができる。典型的な空洞長L=10cmの場合、c/2L=1.5GHzとなる。10MHzの周波数分割は、ψ=0.6゜に設定することよって得られる。
【0029】
Jones のマトリックス計算を利用すると、2組のモードの偏光が、互いに直交偏光されることが分かる。2つのQWP間の領域において、一方の組のモード(「+」組)は、右に進む右円偏光(rcp)及び左に進む左円偏光(lcp)が施される。他方の組のモード(「−」組)は、右に進むlcp及び左に進むrcpが施される。QWPと隣接するミラー間の領域において、2組のモードは、互いに対して90゜の直線偏光、及び隣接QWPの高速軸に対して±45゜の直線偏光が施される。
【0030】
モード制御方法の1つは、一方の完全な組のモードを抑制し、また空間ホールバーニングを排除するために、ミラーの1つと隣接QWPの間に、直線偏光器を配置することである。残った組の各モードは、強度が均一であり、直線偏光が空間においてねじ曲げられる。
【0031】
図2には、本発明のレーザ10が示されている。2つの二倍化結晶段12A、12Bが、第1のミラー14と第1のQWP16の間に直列に配置されている。利得媒体18が、第1のQWP16と第2のQWP20の間に配置されている。第1の二倍化段12Aのe軸は、第2のQWP20の高速軸に対して+45゜をなし、第2の二倍化段12Bのe軸は、−45゜をなしている。各QWPは、基本波長においてλ/4の遅延を有し、その高速軸は、互いに角度ψだけビーム軸まわりを回転する。励起源30が、利得媒体18にエネルギを結合する。モード・セレクタ26が、第2のミラー22と第1のQWP20との間に配置されている。
【0032】
モード・セレクタ26は、エタロンが好適であるが、空洞内の任意の場所に配置することが可能である。モード選択によって、レーザは、固有の値qを備える、数MHz(1〜10MHzのオーダ)離隔した1対のモードν+ q及びν- qで発振することが可能になり、同時に、数GHz以上のオーダで離隔した他の全てのモード対を抑制する。この1対のモードは、基本周波数νf1及びνf2である。代替として、複屈折フィルタ及び回折格子を用いて、モード選択を行うことも可能である。レーザは、2つの基本周波数の第2高調波νsh1=2νf1、及びνsh2=νf2を発生しなければならない。第2高調波の発生は、二倍化結晶段を利用して、空洞内で周波数を二倍化することによって行われる。
【0033】
第2のミラー22は、基本波長における反射率が高い。基本波長における第1のミラー14の特性によれば、光の大部分が帰還され(例えば、98〜99%の反射率)、またわずかな出力結合しか許されない(例えば、1〜2%の透過率)。第2高調波の波長において、第2のミラーの透過率は高い(例えば、>80%)。こうした分光特性が得られるように、多層誘電体コーティングを設計し、透明基板に堆積させるのは容易に実施可能である。波長の絶対精度を108 分の1のオーダに高めるため、いくつかの周知の飽和分光学的方法の1つを取り入れた波長安定化ループを、レーザに追加することが可能である。
【0034】
第2光高調波の発生は、光学的な和周波数発生の特殊ケースである。比喩的に言えば、周波数ν1 の光子の1つと周波数ν2 の光子の1つが消滅し、同時に、周波数ν3 において光子が発生する。
【0035】
ν3=ν1+ν2 (13)
式13は、この周波数変換プロセスに関するエネルギ保存を表すものである。この効果は、材料の極めて弱い非線形光学特性によって左右される。周波数ν3 で発生するビームの強度は、周波数ν1及びν2におけるビーム強度の積に比例し、次のようになる。
【0036】
I(ν3)∝dI1(ν1)I2(ν2) (14)
ここで、dは、非線形結晶の特性、ビームの伝搬方向及び偏向、及びその相互作用長によって決まる比例定数である。かなりの量のエネルギ変換には、少なくとも数ミリメートルの長さの非線形結晶において、強力な光学フィールドの相互作用が必要になる。さらに、和周波数発生プロセスは、式15に示す位相整合の条件を満たさなければならない。
【0037】
k1+k2=k3 (15)
ここで、ki は、相互作用するビームの光波ベクトルである。光波ベクトルの大きさは、次式によって光周波数と関連づけられる。
【0038】
|ki|=2πνini/c (16)
量ni は、非線形結晶内において周波数νi のビームが被る屈折率である。
【0039】
式15は、ベクトルの関係を表現している。ベクトルは、図3及び4に示すように、それぞれ、共線的または非共線的のいずれかで位相整合する。長い距離にわたってオーバラップした状態を保つには、厳密にビームの焦点が合わせられるので、共線的位相整合が望ましい。共線的な場合、位相整合条件は、次のようになる。
【0040】
ν1n1+ν2n2=ν3n3 (17)
本発明は、特に、第2高調波の発生に関するものであるので、ν1=ν2=νf、及びν3=νsh=2νfとなる。等方性結晶の場合、式17は、nf=nsh になる。しかし、それに伴う周波数は、広く分離される。例えば、νf が近赤外領域の場合、νshは可視領域内にある。結晶は、これらの周波数において透明でなければならないので、その屈折率によって、通常の分散が示されることになり、それによって、等方性結晶内における位相整合が阻止される。
【0041】
位相整合は、異方性の複屈折結晶で行うことができる。相互作用ビームの伝搬方向及び偏向を適正に選択すれば、複屈折を利用して、分散効果を厳密に補償し、それによって、位相整合条件を満たし、非線形変換効率を改善することが可能になる。
【0042】
どんな結晶の屈折率特性も、3つの主たる屈折率nx、ny、及びnz によって記述される。等方性結晶の場合、3つの主たる屈折率は全て等しい。等しくなければ、その結晶は複屈折性である。2つの主たる屈折率が等しい場合、その結晶は、一軸性と呼ばれる。3つの主たる屈折率が全て異なる値の場合、その結晶は、二軸性と呼ばれる。
【0043】
光ビームの波面の伝搬は、位相速度ベクトルと群速度ベクトルによって記述される。波面の速度を表す位相速度ベクトルは、次式のようになる。
【0044】
vp=(2πν/k2)・k (18)
位相速度の大きさは、次の通りである。
【0045】
|vp|=c/n (19)
エネルギ流れの方向及び速度を表す群速度ベクトルは、次式のようになる。
【0046】
vg=2π▽kν(k) (20)
等方性結晶の場合、ベクトルvpとvgは平行である。これは、一般に、ある特定の伝搬方向の場合を除いて、複屈折結晶のケースではない。光ビームの偏光状態は、光ビームが複屈折結晶を通って伝搬すると、保存されない。どの伝搬方向の場合にも、必ず、2つの直交方向の直線偏光(固有偏光)と、2つのそれぞれの屈折率(固有屈折率)が存在する。初期に、いずれかの固有偏光方向に対して平行な直線偏光となる入射ビームは、その偏光が結晶によって摂動を受けることなく、対応する固有屈折率を用いて式19によって決まる位相速度で、伝搬する。
【0047】
2つの固有偏光は、常偏光及び異常偏光と呼ばれ、対応する固有屈折率は、常屈折率no 及び異常屈折率ne と呼ばれる場合が多い。常ビームの位相ベクトルと群速度ベクトルとは平行であるので、常ビームは、等方性結晶内に「通常に」あるかのように伝搬する。これに対し、異常ビームの位相ベクトルと群速度ベクトルは、一般に平行ではないので、「異常な」特性を示す。さらに、多くの結晶において、no の値は、伝搬方向に左右されないが、これに対してne の値は、伝搬方向によって決まる。図5には、複屈折結晶内における特定の任意に選定された伝搬方向について、常固有偏光軸(o)と異常固有偏光軸(e)が示されている。
【0048】
異常屈折率の方向依存性は、ne(θ、φ) で表され、ここで、θ及びφは、結晶軸のz主軸に対する伝搬方向の配向を示す。2つの固有屈折率に対応して、式16によって与えられる、次の2つの波ベクトルの大きさが存在する。
【0049】
【0050】
複屈折結晶の固有偏光状態を利用して、効率の良い第2高調波の発生を実現するのに必要な位相整合条件を満たすため、一般に用いられる技法が2つ存在し、すなわち、タイプ1及びタイプ2である。タイプ1の位相整合の場合は、基本ビーム及び第2高調波ビームは、直交偏光されるが、タイプ2の位相整合の場合、その偏光は直交しない。タイプ1の位相整合が望ましく、というのは、k1及びk2基本ビームの偏光は、同じであり、常方向と異常方向のいずれかに向けられるのが望ましいが、発生する第2高調波ビームは、基本ビームに対して直交偏光(異常か常のどちらか)されるためである、例えば、負の複屈折(no>ne)を有する結晶の場合、位相整合の達成は、以下の式のような位相整合条件を満たすために、基本ビームに関しては常偏光を利用し、第2高調波ビームに関しては異常偏光を利用することによってなされる。
【0051】
ko1+ko2=ke3(θ、φ) (22)
式22に記載のプロセスを、「ooe」タイプ1位相整合と呼ぶ。結晶が、正の複屈折(no<ne)を有する場合、基本ビーム及び第2高調波の偏光は、以下の位相整合条件を満たすために、逆になる。
【0052】
ke1(θ、φ)+ke2(θ、φ)=ko3 (23)
式23に記載のプロセスを、「eeo」タイプ1位相整合と呼ぶ。任意の特定の結晶に関して、これら2つのプロセスの一方(ooeまたはeeo)だけで、位相整合が生じることになる。その選定は、上記に示すように、複屈折の符号によって決まる。一方のプロセスから他方のプロセスへの切り換えは、波ベクトル方向まわりで基本偏光を90゜回転させるだけで行われる。タイプ1位相整合に関する2つの偏光構成が、図6及び7に示されている。
【0053】
本発明によれば、基本ビームの直交直線偏光に対する、空洞内タイプ1二倍化結晶対の固有偏光方向は、第2高調波周波数だけしか発生しないように方向決めされる。
【0054】
図8には、図2に示す二倍化結晶段12A、12Bが示されている。2つの二倍化結晶12A、12Bは、基本ビーム光路に沿って前後に配置されている。二倍化結晶段12A、12Bの各々には、1つ以上のタイプ1第2高調波結晶が含まれ、これは例えば、「ウォーク・オフ(walkoff)」を示す、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム(MgO:LiNbO3 )、または三ホウ酸リチウム(LBO)である。
【0055】
結晶が、正の複屈折(eeo位相整合)を有する場合、第1の結晶は、νsh1 =2νf1のビームを発生し、νf2のビームと、νf1及びνf2のビームの非変換部分を透過する。第2の結晶は、νsh2=2νf2 のビームを発生し、νf1ビームの非変換部分及びνf2ビームの非変換部分と共に、νsh1 のビームを透過する。結晶が、負の複屈折(ooe位相整合)を有する場合、第2高調波が発生する順序及びその偏光方向は、逆になる。図8には、フィールド偏光及び結晶配向の「eeo」構成が示されている。
【0056】
複屈折結晶の場合、異常ビームの群速度ベクトルvgeは、結晶内における波ベクトルのある特定の方向を除くと、常ビームの群速度ベクトルvgoに対して平行ではない。この非共線性によって、結晶光学素子に複屈折が生じる。常ビーム及び異常ビームは、結晶内部において角度が発散する。該ビームは、結晶を出る際に屈折を被ると、平行になるが、横方向にオフセットする。タイプ1高調波発生の場合、その効果は、結晶内において基本ビーム及び第2高調波ビームの角発散ρを生じさせ、これは「ウォーク・オフ」と呼ばれる。ウォーク・オフが生じると、出射する基本ビーム及び第2高調波ビームは、横方向にオフセットする。ウォーク・オフによって、ビームがオーバラップした状態に留まる距離が短くなるので、第2高調波の変換効率が低下する。
【0057】
乱気流補償の場合、λf 及びλshのビームは、補償方式が最大に効果を発揮するように、同じ空気経路のサンプリングを行うので、横方向ビーム分離は望ましくない。1990年版Optics Communicationの第76冊、第250−252頁のSamanta 他による「第2高調波出力電力の増強技法」と題する文献には、ウォーク・オフ方向は、図9に示すように、波ベクトル軸まわりにおいて、e軸結晶を180゜回転させることによって逆にすることができる、と教示されている。e軸を二倍化段12A、12Bの一方に関して互いに180゜反転させた、長さL/2の二倍化結晶対を用いることによって、長さLの単一結晶の場合に比べて、第2高調波電力が強くなり、基本ビームと第2高調波ビームの間の横方向分離を短くすることが可能になる。代替として、二倍化段に、一連の二倍化結晶対を含めることも可能である。
【0058】
図10には、図2の変形例である、本発明の第2実施例が示されている。利得媒体18は、Nd:YAG結晶であり、これは、偏光に依存しない利得を有し、空洞内ビーム方向に進む光に関して複屈折を生じないように配向される。Nd:YAGは、808nmでのNd:YAGの吸収帯域とその発光波長がオーバラップする励起レーザ・ダイオード30によって、軸方向構成で光学的に励起される。励起光は、レンズ及びプリズムといったコンポーネントを含む結合光学系24によって、第2のミラー、モード・セレクタ、及び第2のQWPを介して、Nd:YAGへと合焦される。第2のミラー22は、Nd:YAGの1064nmの波長において反射率が高く、808nmの励起波長において透過率が高い。
【0059】
図11には、図2の他の変形例である、本発明の第3実施例が示されている。ガラス繊維光学利得媒体が、利得媒体18として機能する。ガラス繊維には、エルビウムまたはプラセオジムといったレーザ発光不純物がドープされている。他のドーパントを利用して、さまざまな基本波長を得ることも可能である。ガラス繊維利得媒体は、ドーパント材料の吸収バンドに適合する励起波長を備えたレーザ・ダイオード30によって励起される。励起光は、結合光学系によってファイバ32の断面へと合焦される。励起ファイバ32は、ダイクロイック・ファイバ・カップラ33によってファイバ増幅器に接続される。利得媒体は導波管であるので、第1と第2の空洞内レンズ34A、34Bを用いて、基本波の光が、導波管内及び導波管外に結合される。
【0060】
図12には、図2の更に他の変形例である、本発明の第4実施例が示されている。利得媒体18は、半導体光学増幅器であり、これは例えば、1993年版Progress in Opticsの第31冊、第202頁のDutta による「光学増幅器」と題する文献に記載されているようなものである。導波管は、非複屈折であり、偏光に依存しない利得を有するように設計される。半導体光学増幅器は、両切開面に反射防止コーティングを施されたレーザ・ダイオードである。該レーザは、第1と第2の空洞内結合レンズ32A、32Bを必要とする。半導体光学増幅器18は、注入電流によって電気的に励起される。
【0061】
以下に、本発明の実施態様を列挙する。
【0062】
1.二重高調波分割周波数レーザにおいて、
励起源と、
第1と第2のミラーと、
第1と第2の四分の一波長板であって、該第1の四分の一波長板は、第1のミラーに隣接して配置され、第1と第2の四分の一波長板の高速軸が、レーザの光学軸のまわりで、ある調整角度だけ互いに相対して回転する、第1と第2の四分の一波長板と、
該第1と第2の四分の一波長板の間に挿入され、偏光に依存しない利得を有する、非複屈折性の利得媒体と、
該利得媒体に結合されて、レーザを第1と第2の基本周波数で発振させるべく動作する、モード制御素子であって、第1と第2の基本周波数間の分割を、第1と第2の四分の一波長板の高速軸間の角度により制御する、モード制御素子と、
第1の四分の一波長板と第1のミラーの間に挿入される第1と第2の二倍化段であって、第1の二倍化段は、第1の四分の一波長板の高速軸に対して、+45゜の異常軸を備え、第2の二倍化段は、第1の四分の一波長板の高速軸に対して、−45゜の異常軸を備える、第1と第2の二倍化段と、
からなるレーザ。
【0063】
2.前記2つの二倍化結晶段のうちの1つは、共線的に位相整合される少なくともM対の二倍化結晶を含まれ、Mは1以上であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0064】
3.前記2つの二倍化結晶は、複屈折結晶であることを特徴とする、前項2に記載のレーザ。
【0065】
4.前記M対の二倍化結晶のうちの1対は更に、
基本波ビームと第2高調波ビームの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第1の二倍化結晶と、
基本波ビームと第2高調波ビームの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第2の二倍化結晶が含まれることを特徴とする、前項3に記載のレーザ。
【0066】
5.前記二倍化結晶は、タイプ1の位相整合結晶であることを特徴とする、前項4に記載のレーザ。
【0067】
6.前記2つの二倍化段のうちの1つは、タイプ1の位相整合結晶であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0068】
7.前記光学利得媒体は、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0069】
8.前記利得媒体は、レーザ・ダイオードによって励起されることを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0070】
9.励起光が、軸方向幾何配置で利得媒体へと結合されることを特徴とする、前項8に記載のレーザ。
【0071】
10.前記タイプ1の位相整合二倍化段の1つは、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムの結晶であることを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0072】
11.前記タイプ1の位相整合二倍化結晶段の1つは、三ホウ酸リチウム結晶であることを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0073】
12.前記タイプ1の位相整合二倍化結晶段の1つは、M対の三ホウ酸リチウム結晶を含むことを特徴とする、前項7に記載のレーザ。
【0074】
13.前記光学利得媒体は、光ファイバ増幅器であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0075】
14.前記光学利得媒体は、レーザ・ダイオードによって励起されることを特徴とする、前項13に記載のレーザ。
【0076】
15.前記レーザ・ダイオードは、ダイクロイック・ファイバ・カップラを介して、前記利得媒体へと結合されることを特徴とする、前項14に記載のレーザ。
【0077】
16.前記光学利得媒体は、半導体光学増幅器であることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0078】
17.前記レーザは、干渉計測システムにおいて、乱気流補正付き距離測定を行うために用いられることを特徴とする、前項1に記載のレーザ。
【0079】
18.写真製版の逐次反復移動式カメラにおいて、ウェーハのステージ位置を制御するために用いられる、前項17に規定の干渉計測式の乱流補正付き距離測定システム。
【0080】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、各波長において、レーザは、0.5〜20MHzの範囲にわたって調整可能な周波数分割を有する1対の直交偏光周波数のビームを発生することにより、各種の測定ミラー速度によるAC干渉計測が容易になり、低コストで、必要スペースが少なく、光学系が簡単である、乱気流補正付き距離測定干渉計用の理想的な光源を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術のツイスト・モード型レーザを示す図である。
【図2】本発明のレーザを示す図である。
【図3】共線的な位相整合を示す図である。
【図4】非共線的な位相整合を示す図である。
【図5】固有偏光を示す図である。
【図6】タイプ1位相整合を示す図である。
【図7】タイプ1位相整合を示す図である。
【図8】図2に示す二倍化段を示す図である。
【図9】「ウォーク・オフ」を示す図である。
【図10】本発明の第2実施例を示す図である。
【図11】本発明の第3実施例を示す図である。
【図12】本発明の第4実施例を示す図である。
【符号の説明】
10 レーザ
12A,B 二倍化結晶段
14 第1のミラー
16 第1の四分の一波長板
18 利得媒体
20 第2の四分の一波長板
22 第2のミラー
26 モード・セレクタ
30 励起源
Claims (16)
- 二重高調波分割周波数レーザであって、
エネルギを出力する励起源と、
第1と第2のミラーと、
第1と第2の四分の一波長板であって、その第1の四分の一波長板が前記第1のミラーに隣接して配置され、前記第1と第2の四分の一波長板の高速軸が、レーザの光学軸のまわりで、ある調整角度だけ互いに対して回転し、前記第2の四分の一波長板が前記第2のミラーに隣接して配置されている、第1と第2の四分の一波長板と、
前記第1と第2の四分の一波長板の間に挿入され、前記励起源からのエネルギを受け取る、偏光に依存しない利得を有する非複屈折性の利得媒体と、
前記利得媒体に結合されて、レーザを第1と第2の基本周波数で発振させるべく動作する、モード制御素子であって、前記第1と第2の基本周波数間の分割を、前記第1と第2の四分の一波長板の高速軸間の角度により制御する、モード制御素子と、及び
前記第1の四分の一波長板と前記第1のミラーとの間に挿入される第1と第2の二倍化段であって、その第1の二倍化段が、前記第1の四分の一波長板の高速軸に対して、+45゜の異常軸を備え、前記第2の二倍化段が、前記第1の四分の一波長板の高速軸に対して、−45゜の異常軸を備える、第1と第2の二倍化段とからなる、二重高調波分割周波数レーザ。 - 前記2つの二倍化段のうちの1つが、共線的に位相整合される少なくともM対の二倍化結晶を含み、Mが1より大きい、請求項1に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記2つの二倍化結晶が、複屈折結晶である、請求項2に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記M対の二倍化結晶のうちの1対が、
基本波ビームと第2高調波ビームとの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第1の二倍化結晶と、及び
基本波ビームと第2高調波ビームとの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第2の二倍化結晶とをさらに含む、請求項3に記載の二重高調波分割周波数レーザ。 - 前記二倍化結晶が、タイプ1の位相整合結晶である、請求項4に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記2つの二倍化段のうちの1つが、タイプ1の位相整合結晶である、請求項1に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記光学利得媒体が、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶である、請求項1に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記利得媒体が、レーザ・ダイオードによって励起される、請求項7に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 励起光が、軸方向の幾何学的配置で利得媒体へと結合される、請求項8に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記タイプ1の位相整合二倍化段の1つが、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムの結晶である、請求項7に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記タイプ1の位相整合二倍化結晶段の1つが、三ホウ酸リチウム結晶である、請求項7に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記タイプ1の位相整合二倍化結晶段の1つが、M対の三ホウ酸リチウム結晶を含み、Mが1より大きい、請求項7に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記光学利得媒体が、光ファイバ増幅器である、請求項1に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記光学利得媒体が、レーザ・ダイオードによって励起される、請求項13に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記レーザ・ダイオードが、ダイクロイック・ファイバ・カップラを介して、前記利得媒体へと結合される、請求項14に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
- 前記光学利得媒体が、半導体光学増幅器である、請求項1に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
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