JP3885529B2 - レーザー光発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外域でのレーザー光を小型の装置で発生させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外域でのレーザー光発生装置に関して、例えば、２００ｎｍ（ナノメートル）程度の波長をもったレーザー光を得るための形態には下記のものが挙げられる。
【０００３】
（１）波長３００ｎｍ台で発振するエキシマレーザーにより励起され、４００ｎｍ付近で発振する色素レーザーの第二高調波として発生させる形態
（２）波長８００ｎｍ付近で発振するチタンサファイアレーザーや、アレクサンドライトレーザー等の固体レーザーの４次高調波として発生させる形態
（３）波長約１μｍで発振するＮｄレーザー（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）の５次高調波として発生させる形態。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、保守性や効率、サイズ等の面で下記に示す問題がある。
【０００５】
先ず、上記（１）の形態では、エキシマレーザーに使用されるガスについて毒性の問題や交換が面倒であるといった問題があり、また、色素レーザーについての保守性の悪さ等から、産業用途への利用について困難性を伴う。
【０００６】
また、上記（２）の形態では、固体レーザーの使用により保守性については改善されるが、例えば、チタンサファイアレーザーに要求される励起光源として、高出力の可視光光源が必要であり、全体の効率が低くなったり、装置全体がかなり大きなものになるため小型化が難しい等の問題がある。
【０００７】
そして、上記（３）の形態では、高次の高調波発生が必要になるため、例えば、各段階の効率を高くしても最終効率が低くなってしまうという欠点や、連続波を発生させることが困難であるといった問題がある。
【０００８】
尚、ＢＢＯ（硼酸バリウム）結晶のノンクリティカル位相整合（ＮＣＰＭ：Non Critical Phase Matching）で波長変換を行うことによって短波長のレーザー光が得られたという報告がなされているが、ウォークオフ（波数ベクトルとポインティングベクトルとの間になす角度であり、波面法線方向とエネルギー流の方向との間に角度差がある場合の指標。）によるビームの矩形比（縦横比率）の悪化がないという特長を有する反面、波長変換効率の点で問題がある。つまり、この場合の有効非線形定数ｄ31がｄ22に比べて１．８％でしかなく、出力がこの２乗にほぼ比例するため、波長変換効率が低い。特に、連続波で波長変換を行う場合には、有効非線形光学定数が小さいと、外部共振器を用いたとしても波長変換効率が極めて低くなってしまうので問題はさらに深刻である。また、フラックス法で成長されるＢＢＯ結晶では、成長速度が極めて遅く、大きな結晶を均質に得ることができないため、サイズの長い結晶を得るのが難しい。つまり、相互作用長を長くとれないので効率面で不利となる。
【０００９】
そこで、本発明は、紫外域のレーザー光を効率良く発生させるとともに装置の小型化を実現することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、窒化ガリウムを含む半導体レーザーによって得られる第一の波長をもった出力光が、非線形光学結晶を用いた外部共振器に導入され、当該非線形光学結晶を経ることで、第一の波長よりも短い第二の波長の紫外線をレーザー光として出力するようにし、上記非線形光学結晶として、タイプ１で位相整合する硼酸バリウム（β−ＢａＢ 2 Ｏ 4 ）結晶を用いるとともに、半導体レーザーによるレーザー光を外部共振器に導入して共振を維持するための制御手段を備え、実効非線形定数が、硼酸バリウム結晶の有効非線形定数ｄ 22 を含む項と、有効非線形定数ｄ 31 を含む項とによって表され、両項が同じ符号を有するように結晶方位を含む位相整合角を設定する構成にしたものである。
【００１１】
従って、本発明によれば、窒化ガリウムを含む半導体レーザーを用いるとともに、当該レーザーの出力光を非線形光学結晶に導入して、非線形光学現象を利用して短波長のレーザー光を得ることができるので、小型化及び効率面で優れている。
そして、非線形光学結晶として、タイプ１で位相整合する硼酸バリウム（β−ＢａＢ 2 Ｏ 4 ）結晶を用いるとともに、半導体レーザーによるレーザー光を外部共振器に導入して共振を維持するための制御手段を備えているので、硼酸バリウム結晶を用いた第二高調波発生について効率良く１回の波長変換で短波長のレーザー光を得ることができるので、高次の高調波発生や複数段階に亘る波長変換が不要になる。
実効非線形定数が、硼酸バリウム結晶の有効非線形定数ｄ 22 を含む項と、有効非線形定数ｄ 31 を含む項とによって表され、両項が同じ符号を有するように結晶方位を含む位相整合角を設定する構成にしたのであり、実効非線形定数の表式において、２つの項が互いに加算される関係となるように設定することで、実効非線形定数が大きくなり、これにより変換効率を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、紫外域、特に波長約２００ｎｍ付近若しくはそれ以下の深紫外線のレーザー光を発生させることのできるレーザー光発生装置に関するものであり、装置形態としては、例えば、図１乃至図７に示す構成が挙げられる。
【００１３】
図１に示すレーザー発生装置ＥＸ１では、半導体レーザー１と、非線形光学結晶（あるいは非線形光学素子）１５を用いた外部共振器１０を備えている。
【００１４】
半導体レーザー１は、窒化ガリウムを含む半導体レーザーである。当該レーザーの出力光について、その波長範囲例としては、常温環境下で４０９ｎｍ以上４１５ｎｍ以下、また、非線形光学結晶の低温環境下（０゜Ｃ以下）で３６０ｎｍ以上４１５ｎｍ以下が挙げられる。一例としては、波長約４１０ｎｍで連続発振するガリウムナイトライド（ＧａＮ）又はインジウムガリウムナイトライド（Ｉｎ1-xＧａxＮ）半導体レーザー光源が用いられる。尚、当該光源については、縦単一モード（あるいは単一縦モード）での発振が望ましく、そのためには、ＤＦＢ（分布帰還型）又はＤＢＲ（分布反射型）等の周期的構造を有しているものが良い。あるいは、半導体レーザー素子自体にはそのような内部構造がなくても（マルチモードのレーザーで良い。）、出力光の一部がグレーティング（例えば、ブレーズ型等）やプリズム等の分光手段により分光され、又は回折されて帰還する外部制御型（例えば、Littrow 型、Littman型等）のほぼ縦単一モード化されたレーザーであること、あるいは、こうしたレーザー光源の出力を増幅して得られる高出力のレーザー光源が望ましい。尚、出力光の一部が分光手段等によって帰還される方式の場合には、複合共振器の形成に起因する不安定性を回避するために、半導体レーザーの出射端面において、０．１％以下、できれば０．０１％以下の反射率を実現するために減反射コーティングを施すことが望ましい（波長選択により安定した縦単一モード動作が得られる）。また、光の有効利用という観点からは、当該出射端面とは反対側に面に高反射率を実現するコーティングを施すことが望ましい。そして、出力に関して、実用面では５０ｍＷ以上、さらには１００ｍＷ以上のものを使用することが好ましい。
【００１５】
半導体レーザー１の出力光２は、図示するように各種光学素子を経て外部共振器１０に導入されるが、当該外部共振器には非線形光学結晶１５が配置されている。この非線形光学結晶としては、例えば、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）、ＳＢＢＯ（Ｓｒ2Ｂｅ2Ｂ2Ｏ7 )又は周期分極反転構造を有するＭＢＦ4（ここで、ＭはＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか）等が挙げられ、３６０乃至４８０ｎｍのガリウムナイトライド（ＧａＮ）又はインジウムガリウムナイトライド（Ｉｎ1-xＧａxＮ）半導体レーザーの光を、第二高調波発生（ＳＨＧ）により１８０乃至２４０ｎｍの光に波長変換できるので、これらの結晶を外部共振器中に置いて、変換効率を上げることにより実用レベルの出力を得ることができる。また、タイプ１（２つの異常光線を入射して常光線の高調波を得る場合、又は２つの常光線を入射して異常光線の高調波を得る場合）で位相整合する硼酸バリウム（「β−ＢａＢ2Ｏ4」であり、以下、「ＢＢＯ」と記す。）結晶を用いて、例えば、４０９ｎｍ乃至４１５ｎｍの半導体レーザー光を、常温付近で第二高調波発生（ＳＨＧ）により２０４．５乃至２０７．５ｎｍの光に波長変換することができる。
【００１６】
尚、非線形光学結晶の温度を、低温に保つための手段を講じることで使用形態の幅を広げることができ、例えば、ＢＢＯ結晶をＯ゜Ｃ（２７３Ｋ）以下の温度に保持する温度制御手段を設ける場合には、第二高調波又は和周波発生の手段により半導体レーザーからの当該結晶への入射波長が３６０ｎｍ以上４１５ｎｍ以下の場合に、第二高調波発生により１８０ｎｍ以上２０７．５ｎｍ以下のレーザー光を得ることができる。
【００１７】
図２は、ＢＢＯ結晶の冷却構造について概要を示したものであり、断熱容器ＫＣには、液体窒素や液体ヘリウム等の冷却材ＣＬが収容されている。
【００１８】
ＢＢＯ結晶は、断熱真空容器ＶＣ内に配置されており、冷却材ＣＬによって冷やされたコールドフィンガーＣＦに対して熱的に接触されている。コールドフィンガーＣＦは、例えば、銅材料で形成されていて、これに付設されたヒーターＨＴにより温度制御が行われる。つまり、冷却材ＣＬ、コールドフィンガーＣＦ、ヒーターＨＴが、ＢＢＯ結晶の温度制御手段９を構成している。
【００１９】
半導体レーザーの出力光は、断熱真空容器ＶＣに設けられた窓Ｗiから入射してＢＢＯ結晶を透過し、波長変換された光が反対側の窓Ｗoから容器外に出射される。
【００２０】
また、図３に示す例では、断熱真空容器ＶＣに対して冷却装置ＣＣ（スターリング冷凍機等）が付設されており、コールドフィンガーＣＦを介して断熱真空容器ＶＣ内のＢＢＯ結晶が所定の温度に冷やされる。つまり、冷却装置ＣＣやコールドフィンガーＣＦによって温度制御手段９Ａが構成されている。尚、本例でも、半導体レーザーの出力光が、断熱真空容器ＶＣに設けられた窓Ｗiから入射してＢＢＯ結晶を透過し、波長変換された光が反対側の窓Ｗoから容器外に出射される。
【００２１】
いずれにしても、非線形光学結晶１５を経ることで、半導体レーザー１の出力光２に係る第一の波長よりも短い第二の波長の紫外線を発生させることができる。
【００２２】
図１に示す例では、外部共振器１０について、半導体レーザー１からの入射光の一部を透過して当該共振器内の非線形光学結晶１５へと導入する入射ミラー１１や、必要に応じた枚数（本例では３枚）で使用されるミラー１２乃至１４、光路長制御素子（図示せず。）で構成されている。尚、光路長制御素子を用いた制御形態には、例えば、ＶＣＭ（Voice Coil Motor）やＰＺＴ等の移動手段（あるいは駆動手段）にミラーやプリズムを取り付けてそれらの位置や姿勢を制御する形態、あるいは非線形光学結晶１５を含む電気光学結晶に制御電圧を印加して光路長を変化させる形態、あるいは温度を制御して光路長を変化させる形態等が挙げられる。例えば、外部共振器を構成する光学素子（ミラー等）のうち、少なくとも１つ（図１の例では、ミラー１３）がＶＣＭやＰＺＴ等の移動手段によってサーボ制御され、帰還回路と組み合わせて共振器長の制御を行うことで共振状態を維持する構成にしたもの等が知られている。この他、アパーチャーを配置して横モードを制御することも有効である。
【００２３】
図１に示す構成例では、半導体レーザー１の出力するレーザー光２が、位相変調器３を透過した後で、調整用ミラー４、５で反射された後、モードマッチング用レンズ６を透過して外部共振器１０へと導入される。尚、位相変調器３は後述するＦＭサイドバンド法（「Pound-Drever-Hall Locking」法）の場合に必要とされるものである。この場合、図示しない発振器からの変調信号が位相変調器３に印加され、これによりレーザー光２は位相変調を与えられてから光学系を経て外部共振器１０に入射される。また、途中の光学系を構成するミラー、レンズ等については、必要に応じた数や配置をもって適宜に設計される。
【００２４】
図１において、外部共振器１０に係る光検出については、例えば、ミラー１４で反射された後、ミラー１１を透過した光が、必要に応じて使用される集光レンズ７を介して光検出器８に到達し、受光及び検出が行われる構成になっている。光検出器については、偏光法（例えば、波長板を透過したレーザー光を共振器に入射させるとともに、共振器からの、偏光状態の異なる２つのビームの検出信号から差分をとることでエラー信号を得て、共振器の共振状態を維持する方法）やフリンジサイド法を用いる場合、ロッキングのサーボ帯域を充分にカバーする程度のもので良いが、ＦＭサイドバンド法を用いる場合には、キャリア周波数を充分に検出できる程度の帯域が必要になる。
【００２５】
外部共振器１０から出射された光はミラー２０を透過して光２２（例えば、未変換光）となり、またミラー２０での反射光２１（例えば、波長変換光）が得られる。
【００２６】
図１に示す構成例では、外部共振器１０内に４枚のミラー（１１乃至１４）が設けられていて、ミラー１１から非線形光学結晶１５を透過して、ミラー１２、１３、１４での反射後にミラー１１に再び戻る経路によって共振器が形成されているが、本発明に係る外部共振器の構成形態がミラー４枚を使ったリング型のものに限定される訳ではなく、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
【００２７】
（Ａ）２枚のミラーを用いるとともに、非線形光学結晶の端面での屈折を利用した形態（図４参照）
（Ｂ）２枚のミラーとプリズムを用いた形態（図５参照）
（Ｃ）非線形光学結晶内での全反射を利用した形態（図６参照）
（Ｄ）非線形光学結晶自体が外部共振器を構成する形態（図７参照）。
【００２８】
先ず、上記（Ａ）では、図４の構成例ＥＸ２に示すように、ミラー１１、１２を用いてリング型共振器を構成しており、両ミラーを通る主経路からやや外れたところに非線形光学結晶１５が配置されていて、図示のように当該結晶については台形状の縦断面をしている。つまり、ミラー１１から導入されたレーザー光がミラー１２で反射され、非線形光学結晶１５の一端部の端面で屈折した後、その他端部の端面で屈折してミラー１１に戻る経路により共振器が形成されている。光の巡回する方向はこの逆でも良く、ミラー１１から非線形光学結晶１５を経てミラー１２からミラー１１に戻る経路も可能である。
【００２９】
尚、非線形光学結晶１５から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。
【００３０】
また、上記（Ｂ）では、図５の構成例ＥＸ３に示すようにミラー１１と１２との間に非線形光学結晶１５が配置されており、その付近に三角断面のプリズム１６が配置されている。よって、ミラー１１から導入されたレーザー光が非線形光学結晶１５を透過した後にミラー１２で反射され、プリズム１６の入射端面で屈折した後、その出射端面で屈折してミラー１１に戻る経路により共振器が形成されている。本例でも、光の巡回方向が逆回りの構成が可能である（入射方向とレンズ７、光検出器８の位置も適宜入れ替わる。）。尚、プリズム１６から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。
【００３１】
上記（Ｃ）では、図６の構成例ＥＸ４に示すように外部共振器１０内にミラー１１、１７と非線形光学結晶１５が配置されており、非線形光学結晶１５がおよそ５角形状の縦断面（鋭角部の角度が９０゜よりやや小さくされている。）となっている。つまり、ミラー１１から導入されたレーザー光が非線形光学結晶１５に入射されて２回の全反射後に出射されてミラー１１に戻る経路により共振器が形成されている。また、非線形光学結晶１５における全反射面からミラー１７に対して出射され、当該ミラーで反射された光（第二高調波）が出力光２１となる（図示は省略したが、ミラー１７後のミラー２０による反射光が波長変換光となる。）。尚、非線形光学結晶１５から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。
【００３２】
上記（Ｄ）では、（外部）ミラーを全く用いずに非線形光学結晶自体が共振器を形成しているものであり、例えば、図７の構成例ＥＸ５に示すように当該結晶の縦断面が球面の一部を除去した如き形状を有している。この場合、レーザー光がそのまま非線形光学結晶１５に入射されて、その出射端面での全反射後に、さらに側面で全反射されて入射端面に戻る経路により共振器が形成されている。尚、非線形光学結晶１５から出射して集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。また、本形態では、ミラー等の光学素子がないので、共振維持のための機械的な駆動手段がないが、例えば、外部共振器を硼酸バリウム結晶のみで形成する場合等においては、その温度制御手段を設けること又は電圧を印加することで、当該結晶の光学的特性を変化させて、共振状態を維持することができる。
【００３３】
上記に説明した各構成例は、本発明に係る実施の一例を示すものに過ぎず、この他、必要に応じてミラー数や配置を変更する場合、あるいはミラー以外の共振器構成要素として、グレーティングやプリズム等が使用される場合もある。尚、上記各形態において外部共振器以外の構成要素及びその配置については図１と同様であるので、各部に同じ符号を付すことにより説明を省略した。
【００３４】
次に、上記した外部共振器の動作及び作用効果について図１の構成を例にして説明する。
【００３５】
外部共振器１０を構成するミラー１１の反射率を「Ｒ1」とし、その他のミラー（１２乃至１４）や非線形光学結晶１５を経た周回の後に再びミラー１１に戻る直前までの合成反射率を「Ｒm」と記すとき、共振器の光路が良好に調整されている場合に、ミラー１１から光が入射した場合における共振器１０全体の反射光は、光検出器８（フォトダイオード等）により検出され、その反射率（これを「Ｒ（δ）」と記す。）が下式で与えられる。
【００３６】
【数１】
【００３７】
尚、上式中の「δ」については、「δ＝２π・Ｌ／λ」である。ここで、「λ」はレーザー（半導体レーザー１）の光源波長、「Ｌ」は共振器の周回光路長をそれぞれ示している。
【００３８】
図８は上式に従う反射特性（δ依存性）を例示したグラフ図であり、横軸に上記「δ」をとり、縦軸に相対反射率（０乃至１）をとって両者の関係を示したものである。尚、グラフ曲線については、見易さを考慮して「Ｒ1＝Ｒm＝０．９０」とし、フィネスを実際よりも低めに設定している。
【００３９】
［数１］式中に正弦関数ｓｉｎ（δ／２）の二乗項が含まれていることから分かるように、「δ＝ｐ・π」（ｐは偶数）のときに、共振器１０のみかけの反射率が低下して、入射光が当該共振器内に入って内部の光強度（内部循環光強度）が大きくなる（これを「共振状態」と呼び、共振状態を保持させることを「ロックする」と称している。）。
【００４０】
図８では、下向きのピーク（ボトム）の先端が共振状態に相当しており、共振状態を維持できる限界を、許容周波数半値全幅を指標にして表すことができる。つまり、許容周波数半値全幅（半値幅を「δ0.5」と記すとき、その２倍、「２δ0.5」である。）は、共振器１０の光路長Ｌ、即ち、これに比例するδを変化させるときに、当該共振器の見かけの反射率に係る減少分が、ピーク点（δ＝０、２π等）での値の半分になる値から求められる（図９参照。）。これは、位相で示すと凡そ下式のようになる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
尚、これは、共振器のみかけの透過率がピーク点での値の半分になるδからも求められる（図１０参照。）。
【００４３】
周波数で示すと、下式のようになり、周波数幅「Δｆ」（単位：Ｈｚ）は［数２］式の右辺に「ＦＳＲ／（２π）」を掛けた式から求められる（ＦＳＲは、「Free Spectral Range」の略であり、Ｃ／Ｌである。ここで、「Ｃ」は光速度、「Ｌ」は共振器周回長を示す。）。
【００４４】
【数３】
【００４５】
半導体レーザー１に対する外部共振器１０は、入射光を内部に閉じ込めて循環パワーを大きくし、波長変換効率を高めるために用いるものであり、従って、当該共振器内に入射光を効率良く導入することが必要である。
【００４６】
そのために以下の事項（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）について考慮する必要がある。
【００４７】
（Ｉ）空間的なビーム重なりを良好にすること（モードマッチング）
（ＩＩ）周回光と入射光の位相関係を保持して共振状態を維持すること（ロッキング）
（ＩＩＩ）周回光の洩れと入射光の反射の振幅とのバランスがとれて共振状態での見かけの反射率がなるべく小さくなること（インピーダンスマッチング）。
【００４８】
先ず、（Ｉ）を実現するには、外部共振器へのビームの入射角度や位置、ビーム径及び波面の曲率を適切に調整して設定することが必要であり、図１において、２枚のミラー４、５により、ビームの光２について方向（あおり角）及び光軸に対する垂直方向の位置を調整するとともに、レンズ６等の光学系を用いてビーム径及び波面の曲率を調整することにより、外部共振器１０の入射ミラー１１上で入射光が共振光にほぼ合うようにセットすることが重要である。勿論、外部共振器１０が安定共振器を構成していることが前提となるが、モードマッチングのための、ミラーやレンズ等の組み合わせについては、ミラー１１上での入射光が共振光にほぼ合うという目的に反しない限り、各種各様の構成が可能である。
【００４９】
次に、（ＩＩ）については、「δ＝２π・Ｌ／λ」から分かるように、周回光路長Ｌ又は波長λの一方、あるいはその両方について制御すれば良い。つまり、周回光路長Ｌが入射波長λの自然数倍となるように制御する（「ｑ」を自然数変数とするとき、「（δ＝）２π・Ｌ／λ＝２π・ｑ」から「Ｌ＝ｑ・λ」が得られる。）ことで、共振状態を維持する。
【００５０】
周回光路長Ｌについては、外部共振器を満たす気体の流動や、透過する媒体の温度変化、ミラーの支持機構等についての振動や変形、温度変化等によって、急速かつ長期的に変動し、他方、レーザー光源の波長λについては、温度揺らぎや、振動、膨張や外乱（電流ノイズ等）の影響によって変動する。従って、周回光路長Ｌが入射波長λの自然数倍の関係となる（共振）状態を保持するためには、例えば、下記の制御形態が挙げられる。
【００５１】
（１）波長λを可変制御する形態
（２）周回光路長Ｌを可変制御する形態。
【００５２】
形態（１）については、半導体レーザー１の温度や電流等を変化させることにより波長λを変化させる形態、あるいは、レーザー結晶にＰＺＴ等で歪みを与える形態等が挙げられる。
【００５３】
また、形態（２）については、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
【００５４】
・ミラー等の光学素子をＰＺＴやＶＣＭにマウントして機械的に制御する形態
・非線形光学結晶を含めた結晶、あるいは光学素子に電圧や歪みを与えたり、温度制御等によってそれらの光学的特性（屈折率等）を変化させて制御する形態。
【００５５】
この他、（１）と（２）を組み合せることで各種の形態が挙げられるが、制御応答や安定性等を考慮して選定すべきである。
【００５６】
共振状態の維持には、上記のように周回光路長Ｌ又は入射波長λの可変制御手段を必要とし、さらには、外乱に応じて常にこれらを変化させて上記「Ｌ＝ｑ・λ」の関係を維持する手段（制御回路等）が必要である。尚、制御に必要なエラー信号の発生（生成）方法としては、フリンジサイドロッキング、ＦＭサイドバンドロキッング、偏光法ロッキング等、各種方式が提案されている（例えば、文献「T.W.Hansh,and B.Couillaud,Optics Communications ,Vol.35,No.3,p.441 (1980) 」を参照）。
【００５７】
そのうち、ＦＭサイドバンド法は、ノイズに強い方法であって安定な共振器ロッキング法であるので、その概要について図１１の例を使って説明する。
【００５８】
図には位相変調器３及び光検出器８を含む制御手段２３を示しており、局部発振器（信号源の記号で示す。）を含む信号発生部２４により、所定周波数の変調信号が発生され、当該信号が位相変調器３に印加されて半導体レーザー１からのレーザー光に位相変調がかけられる。
【００５９】
光検出器８による検出信号と、変調信号が検波部２５（図には、掛け算器で示す。）に送られて同期検波が行われ、これにより得られた誤差信号（これを「Ｅｒｒ」と記す。）がサーボ制御部２６に送られる。
【００６０】
サーボ制御部２６は誤差信号のレベルがゼロとなるように制御信号を生成して、当該信号によって共振器の周回光路長Ｌを制御する。例えば、図１の例において、外部共振器１０ではミラー１３について位置や姿勢が制御される。尚、ミラーの移動機構、駆動制御回路等や、信号処理に必要な回路（例えば、受光後の検出信号から高周波信号を取り出すのに必要なフィルタ等）については既知であり、よってそれらの説明や図示は省略する。
【００６１】
このような光路長の調整手段を設けてその駆動制御によりロッキングを実現する方法の他には、外部共振器１０中に置かれた非線形光学結晶１５に電圧や歪みを与えたり、あるいは光源自体を変調してロッキングを行う方法等が知られている（「W.Kozlovski 他,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.6,p913 (1988)」を参照。）。
【００６２】
尚、ＦＭサイドバンド法では、位相変調器３として、ＫＴＰやＢＢＯ等の、使用波長λにおける透過率の高い電気光学結晶が用いられ、これに高周波電圧を印可して、サイドバンド（側波あるいは側帯波）を発生させる。
【００６３】
また、変調周波数については、共振器からの反射光を検出する形態と、共振器の透過光を検出する形態とで異なる（検出信号の大きさの観点からは前者の形態が好ましい。）。
【００６４】
外部共振器のＦＳＲ（＝Ｃ／Ｌ）を、当該共振器フィネスＦで割った値を、共振器透過幅とすると、これは［数３］式で定義した「Δｆ」と同じである。
【００６５】
反射光からエラー（誤差）信号を検出する形態では、例えば、図１において、入射ミラー１１からの反射光が、集光レンズ７等の光学系を介して光検出器８で受光され、その検出信号を、局部発振器からの信号（変調周波数と同一周波数とされる信号）で同期検波してエラー信号を生成する。この場合の変調周波数はΔｆよりも充分大きい方が良い。何故なら、共振状態の近傍において、外部共振器内でサイドバンドが効率良く反射され、光検出器に到達するからである（変調周波数がΔｆよりも小さいと、透過成分の割合が多くなってしまう。）。
【００６６】
これに対して、透過光からエラー信号を検出する形態では、例えば、図１においてミラー１２の透過光を光検出器（図示せず）により受光し、その検出信号と局部発振器からの信号とから同期検波を行うことで、信号の大きさとしては小さくなるがエラー信号を生成できる。この場合には、上記の形態とは逆に、Δｆよりも変調周波数を小さくすることが好ましい。
【００６７】
図１２は、光検出信号及び変調信号に基いて生成されるエラー信号（Ｅｒｒ）の一例（δ依存性）を拡大して示したものであり、横軸に「δ」をとり、縦軸に信号値（相対値で示す。）をとって示している。
【００６８】
例えば、反射光を検出する形態において、エラー信号Ｅｒｒは、共振器の共振周波数がレーザー光の周波数付近に近づいたときに、反射する両側帯波信号（両側波）のバランスに基づいて得られる信号であり、共振位置（δ＝０）からのずれに関してその方向と大きさを示している。つまり、図１２の右半面においては、δ軸を正方向に進んでいくと値が上昇しての正のピーク値に達し、それから急に値が低下してボトム値を示してからδ軸に漸近していく。また、図１２の左半面においては、δ軸を負方向に進んでいくと値が低下してボトム値に達し、それから急に値が上昇してピーク値を示してからδ軸に漸近していく。このように、グラフ曲線がδ＝０の原点回りに１８０゜の回転対称性をほぼ有しているので、共振位置からのずれの方向と大きさをエラー信号から把握することができる。
【００６９】
よって、共振器の構成要素（ミラー等）の位置修正等を行うための負のフィードバック系を形成し（誤差がゼロになるように制御を行う。）、共振器の光路長を制御すれば、その共振状態を保つことができる。尚、反射光にサイドバンド（側波帯の成分）がなくべく多く含まれるようにすると、誤差信号の振幅が大きくなり、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を一般に大きくできる。
【００７０】
上記（ＩＩＩ）の実現には、［数１］式において、「Ｒ1＝Ｒm」となるように各ミラーの反射率を選定すれば良い。但し、Ｒmの算出には、非線形光学結晶の波長変換による、周回基本波の高調波（第二高調波）への変換分も含める必要がある（「W.Kozlovski 他,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.6,p913 (1988)」を参照。）。また、実際の問題として、波長変換結晶等の光学素子についてのバルク透過率、コーティング透過率（反射率）、ミラーの反射率等にバラツキがあることや、経時変化等が原因で、インピーダンスマッチングの状態を長期間に亘って維持することは難しいが、例えば、Ｒ1の値を、Ｒm値よりもやや小さめに設定することで、経時変化により損失が増加しても、周回基本波についてパワーの減少を少なくすることができ、高調波発生におけるパワーの減少を抑えることが可能である。
【００７１】
以上に説明した（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）の実現によって、波長変換効率を高めることができるとともに、共振状態を安定に維持することが可能になる。
【００７２】
次に、非線形光学結晶として、ＢＢＯを用いる場合の例について、以下に詳述する。
【００７３】
先ず、ＢＢＯ結晶の成長法に関して、フラックス法と直接法（Czochralski法）が知られており、フラックス法は、硼酸バリウムの融解液にフラックスと呼ばれる添加物を加えて凝固点降下により融液の温度を下げ、β相を成長させる方法であるが、フラックスが成長後にＢＢＯ結晶中に残存し易く、点状の欠陥が生じ易いこと等から、散乱が大きくなるという欠点を有する。他方、直接法の場合には、成長速度が速い上、フラックスを使わないため、インクルージョンが少なく、散乱が少ないため、外部共振器のように、損失を極めて低レベルに維持したい方式の場合には、直接法で製造したＢＢＯ結晶の方が優れている。
【００７４】
また、タイプ１で位相整合するＢＢＯ結晶では、第二高調波を発生できる最短入射波長が４１０ｎｍ弱であり、よって発生光の波長が２０５ｎｍ弱になる（「加藤、レーザ研究、Vol.18,p3 (1990) 」を参照。）。この場合、基本波を結晶のｃ軸に垂直（位相整合角θ＝９０゜）又はほぼ垂直方向に入射するＮＣＰＭ（ノンクリティカル位相整合）であり、相互作用長を長くできることや、ウォークオフによるビームの変形がないこと等の長所を有する。また、結晶長を長く取ること（例えば、１０ｍｍ以上）によって波長変換効率を高くすることが可能である。特に文献「G.D.Boyd他、Journal of Applied Physics,Vol.39,No8,p.3597,(1968)」に示されるように、結晶長「Ｌ」と、結晶内に集光した場合のスポット半径「ｗ」（ビーム強度のピークを１としたとき、「ｅ-2」となるときのスポット半径を示す。尚、「ｅ」は自然対数の底である。）の関数であるコンフォーカルパラメータ「ｂ」との間に、下式の関係があるときに効率が最大になる。
【００７５】
【数４】
【００７６】
尚、コンフォーカルパラメータ「ｂ＝ｋ・ｗ2＝（２πｎ／λ)・ｗ2」において、ｎは基本波屈折率、λは基本波波長をそれぞれ示す。
【００７７】
図１３は横軸にパラメータξ（＝Ｌ／ｂ）をとり、縦軸に効率「η」をとって、ウォークオフがゼロの場合のグラフを示したものであり、ξがほぼ２．８４のときに最大効率を示す。
【００７８】
つまり、「Ｌ／ｂ」の値がほぼ２．８４に等しい場合が最も望ましいことになるが、実用上はその近傍域（５％以内近傍域、１０％以内近傍域等）における設定も可能である。例えば、効率ηについて、その最大値ηmaxから約１０％減の範囲（０．９・ηmax）に抑えるためには、上記文献に従って計算すると、上記［数４］式から得られるスポット半径ｗ（≒√（Ｌ／（2.84ｋ））を中心として±４０％以内（図のξ1〜ξ2の範囲を参照。）に制限することが必要である。つまり、この範囲であれば、効率低下に関して問題が少ない。尚、ＢＢＯ結晶の場合に、例えば、波長や屈折率について数値を代入してみると、Ｌを１０ｍｍ以上として、スポット半径ｗとしては、「１０√（Ｌ）」μｍを中心として±４０％以内が好ましいことが分かる（Ｌの単位は「ｍｍ」である。）。
【００７９】
ところで、タイプ１で位相整合するＢＢＯの実効非線形定数（あるいは実効非線形光学定数であり、これを「ｄeff」と記す。）については、位相整合角を「θ」（非線形光学結晶の＋ｃ軸方向と光線方向との間になす角度）、ウォークオフを「ρ」とするとき、有効非線形定数ｄ31を含む項と、有効非線形定数ｄ22を含む項とによって表され、下式で与えられる。
【００８０】
【数５】
【００８１】
ＮＣＰＭの場合には、上式に「θ＝９０゜」、「ρ＝０゜」を代入することにより、「ｄeff＝ｄ31」である。
【００８２】
「庄司、博士論文、東京大学物理工学科(1998）」、「Handbook of Nonlinear Optical Crystals,Dmitriev 他著、3rd edition,Springer Verlag(1999)」等の文献によれば、ｄ31の大きさは、ｄ22の大きさに比べて０．０１８倍しかない（例えば、Miller則を適用して、ｄ22の大きさが3.0×10-12m/Vであれば、ｄ31の大きさは4.5×10-14m/Vである。）。よって、ＮＣＰＭという有利な変換を用いたとしても（波長変換ビーム形状が保存されるという特性をもつ。）、出力がｄeff（＝ｄ31）の二乗にほぼ比例するため、変換効率が低くなってしまう。
【００８３】
例えば、外部共振器のエンハンスメントファクター（増倍率）を２００にしても（フィネス６００程度）、応用面で通常必要な１ｍＷの出力を得るためには、レーザー光源１の出力に関して、波長４０９．５ｎｍでの平均入射パワーが１００ｍＷ以上必要となる。一例として、１２０ｍＷのレーザー光源を用いて、フィネス２００程度の外部共振器に結合効率８０％（モードマッチング及びインピーダンスマッチングを含む）でレーザービームが外部共振器に入射されて、ここで増倍される場合の出力は０．７ｍＷ程度である。
【００８４】
一方、この変換効率では、レーザー光源に課せられる負荷が大きく、低価格の光源として利用するには効率の向上が必要である。
【００８５】
上記の［数５］［ａ］式から分かるように、右辺については、第１項が「ｄ31・ｓｉｎ(θ＋ρ)」であり、第２項が「−ｄ22・ｃｏｓ（θ＋ρ)」であるので、両者が異符号の関係になる場合には、一方から他方が減算される結果として、実効非線形定数「ｄeff」の絶対値は、大きい方の項のみの場合よりも小さくなる。しかしながら、これら２項がお互いに足し合わされる関係（つまり、各項の符号が同じ関係）であれば、実効非線形定数「ｄeff」の絶対値が大きくなり、出力が大きくなるので、変換効率を高くすることが可能である。［数５］［ｂ］式についても同様である。
【００８６】
図１４は、横軸に位相整合角θをとり、縦軸には、実効非線形定数「ｄeff」（単位：「ｐｍ／Ｖ」。「ｐ」はピコ（１０-12）を示す。）の大きさ（絶対値）と、その二乗値「ｄeff^2」（ＮＣＰＭ、つまり、「θ＝９０゜、ρ＝０゜」のときの、ｄeffの二乗値を「１００」とした相対値で示す。）を両側にとって示したものであり、実線で示すグラフが「ｄeff」（の絶対値）を示し、破線で示すグラフがその二乗値を示している。尚、同図において、位相整合角がθ＜９０゜の範囲では、上記第１項と第２項が加算される（足し合う）ためにＮＣＰＭのときよりも、ｄeff値（絶対値）が大きくなり、また、θが約９１゜よりも大きい範囲では、第１項と第２項が互いに引き合ってＮＣＰＭのときよりも、ｄeff値（絶対値）が大きくなる。波長変換による基本波の損失が他の共振器損失に比べて無視できる程小さい場合には、ＢＢＯによる第二高調波の出力がｄeffの二乗に比例するため、ｄeffの最小値に関して、θが小さくなる方向に進んでも、θが大きくなる方向に進んでもｄeffの大きさが次第に増加していくが、θ＜９０゜の範囲の方（項加算の場合）が増加の度合いが大きいことが分かる。ｄ22、ｄ31の符号については、互いに異符号であるとしたが、同符合の場合には上記第１項と第２項との足し合い（引き合い）の関係が逆になることに注意を要する。
【００８７】
下表には、位相整合角９０゜及びその近辺における、実効非線形定数及びその二乗値、有効非線形定数（ｄ22、ｄ31）、ウォークオフ、位相整合する基本波の波長及び屈折率を示す。
【００８８】
【表１】
【００８９】
上表中に示す定数ｄ22、ｄ31については、Miller則による補正が施されている。尚、「^」はべき乗を意味する。
【００９０】
位相整合角９０゜及びその近辺における、基本波波長（出力光の波長については第二高調波波長であり、その半分である。）と基本波屈折率を下表２に示す。
【００９１】
【表２】
【００９２】
例えば、基本波波長を４１０．７５ｎｍの場合に、位相整合角を８５．１゜とすると、実効非線形定数の大きさが０．２５となって、計算上ではｄ31（ＮＣＰＭの場合）の約５．４倍になる。出力は実効非線形定数のほぼ二乗に比例するので、計算上では２９倍程度になる筈であるが、実際には８倍程度の増加となる。これは、ウォークオフ等により、ビーム重なり減少、最適スポット径の変化等が引き起こされることに依る。
【００９３】
ＮＣＰＭの場合、例えば、図１５に示すように、ビーム強度に関して綺麗なガウシアン分布が得られるが（ｘ軸及びｙ軸からなる２次元直交座標を平面に設定した場合に、図では、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ2)をとって示しており、ｘ軸、ｙ軸についてのスポット半径が等しい。）、ＮＣＰＭでない場合であっても、位相整合角θが、例えば、８８゜以上（あるいは９２゜以下）であれば、ほぼ円形状をしたビームを得ることができる。
【００９４】
位相整合角θが８８゜より小さくなり、あるいは９２゜より大きくなるに従って、ビーム形状の変化が問題となってくる。つまり、入射ビームが円形状であったとしても、ウォークオフのために波長変換後のビーム形状が変化してしまう。
【００９５】
図１６は位相整合角θ＝８５．１゜の場合について、図１５と同様にビームの分布形状例を示したものであり、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ2)をとって示している。
【００９６】
図中に、実線で示すグラフ曲線Ｇ１は、横軸をｘ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｙ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ガウシアン分布をもっている。
【００９７】
これに対して、図に一点鎖線で示すグラフ曲線Ｇ２は、横軸をｙ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｘ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ｙ＝０よりやや正方向にずれた位置にピークをもつ非対称性の形状である。
【００９８】
図１７は位相整合角θ＝８０．３゜の場合について、ビームの分布形状例を示したものであり、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ2)をとって示している。
【００９９】
図中に、実線で示すグラフ曲線Ｇ３は、横軸をｘ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｙ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ガウシアン分布をもっている。
【０１００】
これに対して、図に一点鎖線で示すグラフ曲線Ｇ４は、横軸をｙ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｘ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ｙ＝０よりややずれた位置にピークをもつ非対称性の形状であって、その横幅（ｙ軸方向の幅）が図１６に示すグラフ曲線Ｇ２の幅よりも大きくなっていることが分かる。
【０１０１】
このようなビーム形状の変化については、ビーム出力に対して配置される光学系の設計により、ある程度カバーすることができる（つまり、コヒーレント光源故に基本的には光学設計によってビームの形状補正が可能である。）が、光学系での負担等を考慮すると、実用上は位相整合角を８０゜以上、あるいは、１００゜以下の範囲に設定することが好ましい。尚、当該範囲の臨界値（８０゜又は１００゜）に関しては、軸対称の入力ビーム（レーザー光源１からの入射ビーム）から得られる出力光の縦横比が約１：１０に対応している（例えば、３３μｍの入力ビーム半径から、約１：１０の楕円ビームが得られるときの位相整合角θが８０゜あるいは１００゜程度である。）ことからも根拠付けることができ、位相整合角が８０゜よりも小さくなるか、あるい１００゜よりも大きくなると、縦横比が悪化して光学的な補正が難しくなる。また、例えば、光学ディスク用のＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）レーザーでは４００乃至４１５ｎｍ程度の波長帯（但し、４００乃至４０９ｎｍではＢＢＯの冷却を必要とする。）で開発が進んでおり、位相整合角に係る上記範囲によって当該波長帯を実用上十分にカバーできる。
【０１０２】
以上をまとめると、タイプ１で位相整合するＢＢＯ結晶の場合に、ＮＣＰＭでない場合の位相整合角については、８０゜以上９０゜未満（あるいは９０゜を越え１００゜以下）の範囲で設定することが好ましいと言える。尚、その際、半導体レーザー１については５０ｍＷ以上の出力を有するものが実用上望ましい。
【０１０３】
しかして、上記に説明した構成によれば、下記に示す利点が得られる。
【０１０４】
・紫外光を出力する半導体レーザーと、ＢＢＯ結晶等の非線形光学結晶をうまく組み合わせることにより、波長２００ｎｍ付近の深紫外線を最小回数（望ましくは１回）の波長変換で得ることができるため、効率が高く、消費電力の低減、冷却装置の小型化等に適している。また、装置全体のサイズを小さくできるので、コストの削減や低価格化にといって有利である。
【０１０５】
・ＮＣＰＭでない場合に、位相整合角を９０゜から少しずらした設定にして実効非線形定数が大きくなる方向（好ましくは、上記［数５］式に示す実効非線形定数の表式において、項同士が同符合となって足し合う関係となる方向）に、位相整合をとるといった分析と工夫により、ＮＣＰＭの場合に比して効率をさらに高めることができる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１に係る発明によれば、窒化ガリウムを含む半導体レーザーを用いるとともに、当該レーザーの出力光を非線形光学結晶に導入して、非線形光学現象を利用して短波長のレーザー光を得ることができる。よって、保守性は勿論、小型化及び効率面で優れている。
【０１０７】
そして、硼酸バリウム結晶を用いた第二高調波発生について効率良く１回の波長変換で短波長のレーザー光を得ることができるので、高次の高調波発生や複数段階に亘る波長変換が不要になる。
更に、実効非線形定数の表式において、２つの項が互いに加算される関係となるように設定することで、実効非線形定数が大きくなり、これにより変換効率を高めることができる。
【０１０８】
請求項２に係る発明によれば、硼酸バリウム結晶をＯ゜Ｃ以下の温度に保持することによってさらに短波長のレーザー光を得ることができる。
【０１０９】
請求項３、５に係る発明によれば、硼酸バリウム結晶のノンクリティカル位相整合で波長変換を行う場合における変換効率をほぼ最大にすることができる。
【０１１０】
請求項４、６に係る発明によれば、ノンクリティカル位相整合で波長変換を行う場合の変換効率を最大値の１０％以内に抑えることができる。
【０１１１】
請求項７、８に係る発明によれば、ノンクリティカル位相整合でない場合について位相整合角の範囲を限定することで変換効率を高めることができる。
【０１１２】
請求項９に係る発明によれば、損失を低く抑えることができるので、外部共振器に配置される結晶に適している。
【０１１３】
請求項１０に係る発明によれば、波長変換された出力を実用レベルにすることができる。
【０１１４】
請求項１１に係る発明によれば、単一波長について波長変換を効率良く行うことができる。
【０１１５】
請求項１２に係る発明によれば、小型化及び低価格化を図ることができる。
【０１１６】
請求項１３に係る発明によれば、半導体レーザー素子の内部構造ではなく、グレーティング等を用いた外部制御によって縦単一モード化されたレーザー光源を得ることができる。
【０１１７】
請求項１４に係る発明によれば、外部共振器内に入射光を効率良く導入することができる。
【０１１８】
請求項１５に係る発明によれば、外部共振器の構成が簡単になり、またロッキングに必要な駆動機構が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る構成例を示す図である。
【図２】非線形光学結晶の冷却構造について概要を示す図である。
【図３】非線形光学結晶の冷却構造について別例を示す図である。
【図４】本発明に係る構成の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る構成の別例を示す図である。
【図６】本発明に係る構成の別例を示す図であり、非線形光学結晶内での全反射を利用した例を示す。
【図７】本発明に係る構成の別例を示す図であり、非線形光学結晶のみで外部共振器を構成した例を示す。
【図８】相対反射率のδ依存性を示すグラフ図である。
【図９】相対反射率のδ依存性について要部を拡大して示す図である。
【図１０】相対透過率のδ依存性を示すグラフ図である。
【図１１】位相変調器及び光検出器を含む制御系についての説明図である。
【図１２】エラー信号のδ依存性を示す図である。
【図１３】効率について説明するための概略的なグラフ図である。
【図１４】位相整合角θと、実効非線形定数の大きさ及びその二乗値との関係を示すグラフ図である。
【図１５】ＮＣＰＭの場合において、ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。
【図１６】位相整合角θ＝８５．１゜の場合について、ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。
【図１７】位相整合角θ＝８０．３゜の場合について、ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザー、９、９Ａ…温度制御手段、１０…外部共振器、
１５…非線形光学結晶、２３…制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外域でのレーザー光を小型の装置で発生させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
紫外域でのレーザー光発生装置に関して、例えば、２００ｎｍ（ナノメートル）程度の波長をもったレーザー光を得るための形態には下記のものが挙げられる。
【０００３】
（１）波長３００ｎｍ台で発振するエキシマレーザーにより励起され、４００ｎｍ付近で発振する色素レーザーの第二高調波として発生させる形態
（２）波長８００ｎｍ付近で発振するチタンサファイアレーザーや、アレクサンドライトレーザー等の固体レーザーの４次高調波として発生させる形態
（３）波長約１μｍで発振するＮｄレーザー（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）の５次高調波として発生させる形態。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の装置では、保守性や効率、サイズ等の面で下記に示す問題がある。
【０００５】
先ず、上記（１）の形態では、エキシマレーザーに使用されるガスについて毒性の問題や交換が面倒であるといった問題があり、また、色素レーザーについての保守性の悪さ等から、産業用途への利用について困難性を伴う。
【０００６】
また、上記（２）の形態では、固体レーザーの使用により保守性については改善されるが、例えば、チタンサファイアレーザーに要求される励起光源として、高出力の可視光光源が必要であり、全体の効率が低くなったり、装置全体がかなり大きなものになるため小型化が難しい等の問題がある。
【０００７】
そして、上記（３）の形態では、高次の高調波発生が必要になるため、例えば、各段階の効率を高くしても最終効率が低くなってしまうという欠点や、連続波を発生させることが困難であるといった問題がある。
【０００８】
尚、ＢＢＯ（硼酸バリウム）結晶のノンクリティカル位相整合（ＮＣＰＭ：Non Critical Phase Matching）で波長変換を行うことによって短波長のレーザー光が得られたという報告がなされているが、ウォークオフ（波数ベクトルとポインティングベクトルとの間になす角度であり、波面法線方向とエネルギー流の方向との間に角度差がある場合の指標。）によるビームの矩形比（縦横比率）の悪化がないという特長を有する反面、波長変換効率の点で問題がある。つまり、この場合の有効非線形定数ｄ31がｄ22に比べて１．８％でしかなく、出力がこの２乗にほぼ比例するため、波長変換効率が低い。特に、連続波で波長変換を行う場合には、有効非線形光学定数が小さいと、外部共振器を用いたとしても波長変換効率が極めて低くなってしまうので問題はさらに深刻である。また、フラックス法で成長されるＢＢＯ結晶では、成長速度が極めて遅く、大きな結晶を均質に得ることができないため、サイズの長い結晶を得るのが難しい。つまり、相互作用長を長くとれないので効率面で不利となる。
【０００９】
そこで、本発明は、紫外域のレーザー光を効率良く発生させるとともに装置の小型化を実現することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、窒化ガリウムを含む半導体レーザーによって得られる第一の波長をもった出力光が、非線形光学結晶を用いた外部共振器に導入され、当該非線形光学結晶を経ることで、第一の波長よりも短い第二の波長の紫外線をレーザー光として出力するようにし、上記非線形光学結晶として、タイプ１で位相整合する硼酸バリウム（β−ＢａＢ 2 Ｏ 4 ）結晶を用いるとともに、半導体レーザーによるレーザー光を外部共振器に導入して共振を維持するための制御手段を備え、実効非線形定数が、硼酸バリウム結晶の有効非線形定数ｄ 22 を含む項と、有効非線形定数ｄ 31 を含む項とによって表され、両項が同じ符号を有するように結晶方位を含む位相整合角を設定する構成にしたものである。
【００１１】
従って、本発明によれば、窒化ガリウムを含む半導体レーザーを用いるとともに、当該レーザーの出力光を非線形光学結晶に導入して、非線形光学現象を利用して短波長のレーザー光を得ることができるので、小型化及び効率面で優れている。
そして、非線形光学結晶として、タイプ１で位相整合する硼酸バリウム（β−ＢａＢ 2 Ｏ 4 ）結晶を用いるとともに、半導体レーザーによるレーザー光を外部共振器に導入して共振を維持するための制御手段を備えているので、硼酸バリウム結晶を用いた第二高調波発生について効率良く１回の波長変換で短波長のレーザー光を得ることができるので、高次の高調波発生や複数段階に亘る波長変換が不要になる。
実効非線形定数が、硼酸バリウム結晶の有効非線形定数ｄ 22 を含む項と、有効非線形定数ｄ 31 を含む項とによって表され、両項が同じ符号を有するように結晶方位を含む位相整合角を設定する構成にしたのであり、実効非線形定数の表式において、２つの項が互いに加算される関係となるように設定することで、実効非線形定数が大きくなり、これにより変換効率を高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、紫外域、特に波長約２００ｎｍ付近若しくはそれ以下の深紫外線のレーザー光を発生させることのできるレーザー光発生装置に関するものであり、装置形態としては、例えば、図１乃至図７に示す構成が挙げられる。
【００１３】
図１に示すレーザー発生装置ＥＸ１では、半導体レーザー１と、非線形光学結晶（あるいは非線形光学素子）１５を用いた外部共振器１０を備えている。
【００１４】
半導体レーザー１は、窒化ガリウムを含む半導体レーザーである。当該レーザーの出力光について、その波長範囲例としては、常温環境下で４０９ｎｍ以上４１５ｎｍ以下、また、非線形光学結晶の低温環境下（０゜Ｃ以下）で３６０ｎｍ以上４１５ｎｍ以下が挙げられる。一例としては、波長約４１０ｎｍで連続発振するガリウムナイトライド（ＧａＮ）又はインジウムガリウムナイトライド（Ｉｎ1-xＧａxＮ）半導体レーザー光源が用いられる。尚、当該光源については、縦単一モード（あるいは単一縦モード）での発振が望ましく、そのためには、ＤＦＢ（分布帰還型）又はＤＢＲ（分布反射型）等の周期的構造を有しているものが良い。あるいは、半導体レーザー素子自体にはそのような内部構造がなくても（マルチモードのレーザーで良い。）、出力光の一部がグレーティング（例えば、ブレーズ型等）やプリズム等の分光手段により分光され、又は回折されて帰還する外部制御型（例えば、Littrow 型、Littman型等）のほぼ縦単一モード化されたレーザーであること、あるいは、こうしたレーザー光源の出力を増幅して得られる高出力のレーザー光源が望ましい。尚、出力光の一部が分光手段等によって帰還される方式の場合には、複合共振器の形成に起因する不安定性を回避するために、半導体レーザーの出射端面において、０．１％以下、できれば０．０１％以下の反射率を実現するために減反射コーティングを施すことが望ましい（波長選択により安定した縦単一モード動作が得られる）。また、光の有効利用という観点からは、当該出射端面とは反対側に面に高反射率を実現するコーティングを施すことが望ましい。そして、出力に関して、実用面では５０ｍＷ以上、さらには１００ｍＷ以上のものを使用することが好ましい。
【００１５】
半導体レーザー１の出力光２は、図示するように各種光学素子を経て外部共振器１０に導入されるが、当該外部共振器には非線形光学結晶１５が配置されている。この非線形光学結晶としては、例えば、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）、ＳＢＢＯ（Ｓｒ2Ｂｅ2Ｂ2Ｏ7 )又は周期分極反転構造を有するＭＢＦ4（ここで、ＭはＭｇ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのいずれか）等が挙げられ、３６０乃至４８０ｎｍのガリウムナイトライド（ＧａＮ）又はインジウムガリウムナイトライド（Ｉｎ1-xＧａxＮ）半導体レーザーの光を、第二高調波発生（ＳＨＧ）により１８０乃至２４０ｎｍの光に波長変換できるので、これらの結晶を外部共振器中に置いて、変換効率を上げることにより実用レベルの出力を得ることができる。また、タイプ１（２つの異常光線を入射して常光線の高調波を得る場合、又は２つの常光線を入射して異常光線の高調波を得る場合）で位相整合する硼酸バリウム（「β−ＢａＢ2Ｏ4」であり、以下、「ＢＢＯ」と記す。）結晶を用いて、例えば、４０９ｎｍ乃至４１５ｎｍの半導体レーザー光を、常温付近で第二高調波発生（ＳＨＧ）により２０４．５乃至２０７．５ｎｍの光に波長変換することができる。
【００１６】
尚、非線形光学結晶の温度を、低温に保つための手段を講じることで使用形態の幅を広げることができ、例えば、ＢＢＯ結晶をＯ゜Ｃ（２７３Ｋ）以下の温度に保持する温度制御手段を設ける場合には、第二高調波又は和周波発生の手段により半導体レーザーからの当該結晶への入射波長が３６０ｎｍ以上４１５ｎｍ以下の場合に、第二高調波発生により１８０ｎｍ以上２０７．５ｎｍ以下のレーザー光を得ることができる。
【００１７】
図２は、ＢＢＯ結晶の冷却構造について概要を示したものであり、断熱容器ＫＣには、液体窒素や液体ヘリウム等の冷却材ＣＬが収容されている。
【００１８】
ＢＢＯ結晶は、断熱真空容器ＶＣ内に配置されており、冷却材ＣＬによって冷やされたコールドフィンガーＣＦに対して熱的に接触されている。コールドフィンガーＣＦは、例えば、銅材料で形成されていて、これに付設されたヒーターＨＴにより温度制御が行われる。つまり、冷却材ＣＬ、コールドフィンガーＣＦ、ヒーターＨＴが、ＢＢＯ結晶の温度制御手段９を構成している。
【００１９】
半導体レーザーの出力光は、断熱真空容器ＶＣに設けられた窓Ｗiから入射してＢＢＯ結晶を透過し、波長変換された光が反対側の窓Ｗoから容器外に出射される。
【００２０】
また、図３に示す例では、断熱真空容器ＶＣに対して冷却装置ＣＣ（スターリング冷凍機等）が付設されており、コールドフィンガーＣＦを介して断熱真空容器ＶＣ内のＢＢＯ結晶が所定の温度に冷やされる。つまり、冷却装置ＣＣやコールドフィンガーＣＦによって温度制御手段９Ａが構成されている。尚、本例でも、半導体レーザーの出力光が、断熱真空容器ＶＣに設けられた窓Ｗiから入射してＢＢＯ結晶を透過し、波長変換された光が反対側の窓Ｗoから容器外に出射される。
【００２１】
いずれにしても、非線形光学結晶１５を経ることで、半導体レーザー１の出力光２に係る第一の波長よりも短い第二の波長の紫外線を発生させることができる。
【００２２】
図１に示す例では、外部共振器１０について、半導体レーザー１からの入射光の一部を透過して当該共振器内の非線形光学結晶１５へと導入する入射ミラー１１や、必要に応じた枚数（本例では３枚）で使用されるミラー１２乃至１４、光路長制御素子（図示せず。）で構成されている。尚、光路長制御素子を用いた制御形態には、例えば、ＶＣＭ（Voice Coil Motor）やＰＺＴ等の移動手段（あるいは駆動手段）にミラーやプリズムを取り付けてそれらの位置や姿勢を制御する形態、あるいは非線形光学結晶１５を含む電気光学結晶に制御電圧を印加して光路長を変化させる形態、あるいは温度を制御して光路長を変化させる形態等が挙げられる。例えば、外部共振器を構成する光学素子（ミラー等）のうち、少なくとも１つ（図１の例では、ミラー１３）がＶＣＭやＰＺＴ等の移動手段によってサーボ制御され、帰還回路と組み合わせて共振器長の制御を行うことで共振状態を維持する構成にしたもの等が知られている。この他、アパーチャーを配置して横モードを制御することも有効である。
【００２３】
図１に示す構成例では、半導体レーザー１の出力するレーザー光２が、位相変調器３を透過した後で、調整用ミラー４、５で反射された後、モードマッチング用レンズ６を透過して外部共振器１０へと導入される。尚、位相変調器３は後述するＦＭサイドバンド法（「Pound-Drever-Hall Locking」法）の場合に必要とされるものである。この場合、図示しない発振器からの変調信号が位相変調器３に印加され、これによりレーザー光２は位相変調を与えられてから光学系を経て外部共振器１０に入射される。また、途中の光学系を構成するミラー、レンズ等については、必要に応じた数や配置をもって適宜に設計される。
【００２４】
図１において、外部共振器１０に係る光検出については、例えば、ミラー１４で反射された後、ミラー１１を透過した光が、必要に応じて使用される集光レンズ７を介して光検出器８に到達し、受光及び検出が行われる構成になっている。光検出器については、偏光法（例えば、波長板を透過したレーザー光を共振器に入射させるとともに、共振器からの、偏光状態の異なる２つのビームの検出信号から差分をとることでエラー信号を得て、共振器の共振状態を維持する方法）やフリンジサイド法を用いる場合、ロッキングのサーボ帯域を充分にカバーする程度のもので良いが、ＦＭサイドバンド法を用いる場合には、キャリア周波数を充分に検出できる程度の帯域が必要になる。
【００２５】
外部共振器１０から出射された光はミラー２０を透過して光２２（例えば、未変換光）となり、またミラー２０での反射光２１（例えば、波長変換光）が得られる。
【００２６】
図１に示す構成例では、外部共振器１０内に４枚のミラー（１１乃至１４）が設けられていて、ミラー１１から非線形光学結晶１５を透過して、ミラー１２、１３、１４での反射後にミラー１１に再び戻る経路によって共振器が形成されているが、本発明に係る外部共振器の構成形態がミラー４枚を使ったリング型のものに限定される訳ではなく、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
【００２７】
（Ａ）２枚のミラーを用いるとともに、非線形光学結晶の端面での屈折を利用した形態（図４参照）
（Ｂ）２枚のミラーとプリズムを用いた形態（図５参照）
（Ｃ）非線形光学結晶内での全反射を利用した形態（図６参照）
（Ｄ）非線形光学結晶自体が外部共振器を構成する形態（図７参照）。
【００２８】
先ず、上記（Ａ）では、図４の構成例ＥＸ２に示すように、ミラー１１、１２を用いてリング型共振器を構成しており、両ミラーを通る主経路からやや外れたところに非線形光学結晶１５が配置されていて、図示のように当該結晶については台形状の縦断面をしている。つまり、ミラー１１から導入されたレーザー光がミラー１２で反射され、非線形光学結晶１５の一端部の端面で屈折した後、その他端部の端面で屈折してミラー１１に戻る経路により共振器が形成されている。光の巡回する方向はこの逆でも良く、ミラー１１から非線形光学結晶１５を経てミラー１２からミラー１１に戻る経路も可能である。
【００２９】
尚、非線形光学結晶１５から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。
【００３０】
また、上記（Ｂ）では、図５の構成例ＥＸ３に示すようにミラー１１と１２との間に非線形光学結晶１５が配置されており、その付近に三角断面のプリズム１６が配置されている。よって、ミラー１１から導入されたレーザー光が非線形光学結晶１５を透過した後にミラー１２で反射され、プリズム１６の入射端面で屈折した後、その出射端面で屈折してミラー１１に戻る経路により共振器が形成されている。本例でも、光の巡回方向が逆回りの構成が可能である（入射方向とレンズ７、光検出器８の位置も適宜入れ替わる。）。尚、プリズム１６から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。
【００３１】
上記（Ｃ）では、図６の構成例ＥＸ４に示すように外部共振器１０内にミラー１１、１７と非線形光学結晶１５が配置されており、非線形光学結晶１５がおよそ５角形状の縦断面（鋭角部の角度が９０゜よりやや小さくされている。）となっている。つまり、ミラー１１から導入されたレーザー光が非線形光学結晶１５に入射されて２回の全反射後に出射されてミラー１１に戻る経路により共振器が形成されている。また、非線形光学結晶１５における全反射面からミラー１７に対して出射され、当該ミラーで反射された光（第二高調波）が出力光２１となる（図示は省略したが、ミラー１７後のミラー２０による反射光が波長変換光となる。）。尚、非線形光学結晶１５から出射してミラー１１、集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。
【００３２】
上記（Ｄ）では、（外部）ミラーを全く用いずに非線形光学結晶自体が共振器を形成しているものであり、例えば、図７の構成例ＥＸ５に示すように当該結晶の縦断面が球面の一部を除去した如き形状を有している。この場合、レーザー光がそのまま非線形光学結晶１５に入射されて、その出射端面での全反射後に、さらに側面で全反射されて入射端面に戻る経路により共振器が形成されている。尚、非線形光学結晶１５から出射して集光レンズ７を透過した光が光検出器８に受光される。また、本形態では、ミラー等の光学素子がないので、共振維持のための機械的な駆動手段がないが、例えば、外部共振器を硼酸バリウム結晶のみで形成する場合等においては、その温度制御手段を設けること又は電圧を印加することで、当該結晶の光学的特性を変化させて、共振状態を維持することができる。
【００３３】
上記に説明した各構成例は、本発明に係る実施の一例を示すものに過ぎず、この他、必要に応じてミラー数や配置を変更する場合、あるいはミラー以外の共振器構成要素として、グレーティングやプリズム等が使用される場合もある。尚、上記各形態において外部共振器以外の構成要素及びその配置については図１と同様であるので、各部に同じ符号を付すことにより説明を省略した。
【００３４】
次に、上記した外部共振器の動作及び作用効果について図１の構成を例にして説明する。
【００３５】
外部共振器１０を構成するミラー１１の反射率を「Ｒ1」とし、その他のミラー（１２乃至１４）や非線形光学結晶１５を経た周回の後に再びミラー１１に戻る直前までの合成反射率を「Ｒm」と記すとき、共振器の光路が良好に調整されている場合に、ミラー１１から光が入射した場合における共振器１０全体の反射光は、光検出器８（フォトダイオード等）により検出され、その反射率（これを「Ｒ（δ）」と記す。）が下式で与えられる。
【００３６】
【数１】
尚、上式中の「δ」については、「δ＝２π・Ｌ／λ」である。ここで、「λ」はレーザー（半導体レーザー１）の光源波長、「Ｌ」は共振器の周回光路長をそれぞれ示している。
【００３８】
図８は上式に従う反射特性（δ依存性）を例示したグラフ図であり、横軸に上記「δ」をとり、縦軸に相対反射率（０乃至１）をとって両者の関係を示したものである。尚、グラフ曲線については、見易さを考慮して「Ｒ1＝Ｒm＝０．９０」とし、フィネスを実際よりも低めに設定している。
【００３９】
［数１］式中に正弦関数ｓｉｎ（δ／２）の二乗項が含まれていることから分かるように、「δ＝ｐ・π」（ｐは偶数）のときに、共振器１０のみかけの反射率が低下して、入射光が当該共振器内に入って内部の光強度（内部循環光強度）が大きくなる（これを「共振状態」と呼び、共振状態を保持させることを「ロックする」と称している。）。
【００４０】
図８では、下向きのピーク（ボトム）の先端が共振状態に相当しており、共振状態を維持できる限界を、許容周波数半値全幅を指標にして表すことができる。つまり、許容周波数半値全幅（半値幅を「δ0.5」と記すとき、その２倍、「２δ0.5」である。）は、共振器１０の光路長Ｌ、即ち、これに比例するδを変化させるときに、当該共振器の見かけの反射率に係る減少分が、ピーク点（δ＝０、２π等）での値の半分になる値から求められる（図９参照。）。これは、位相で示すと凡そ下式のようになる。
【００４１】
【数２】
尚、これは、共振器のみかけの透過率がピーク点での値の半分になるδからも求められる（図１０参照。）。
【００４３】
周波数で示すと、下式のようになり、周波数幅「Δｆ」（単位：Ｈｚ）は［数２］式の右辺に「ＦＳＲ／（２π）」を掛けた式から求められる（ＦＳＲは、「Free Spectral Range」の略であり、Ｃ／Ｌである。ここで、「Ｃ」は光速度、「Ｌ」は共振器周回長を示す。）。
【００４４】
【数３】
半導体レーザー１に対する外部共振器１０は、入射光を内部に閉じ込めて循環パワーを大きくし、波長変換効率を高めるために用いるものであり、従って、当該共振器内に入射光を効率良く導入することが必要である。
【００４６】
そのために以下の事項（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）について考慮する必要がある。
【００４７】
（Ｉ）空間的なビーム重なりを良好にすること（モードマッチング）
（ＩＩ）周回光と入射光の位相関係を保持して共振状態を維持すること（ロッキング）
（ＩＩＩ）周回光の洩れと入射光の反射の振幅とのバランスがとれて共振状態での見かけの反射率がなるべく小さくなること（インピーダンスマッチング）。
【００４８】
先ず、（Ｉ）を実現するには、外部共振器へのビームの入射角度や位置、ビーム径及び波面の曲率を適切に調整して設定することが必要であり、図１において、２枚のミラー４、５により、ビームの光２について方向（あおり角）及び光軸に対する垂直方向の位置を調整するとともに、レンズ６等の光学系を用いてビーム径及び波面の曲率を調整することにより、外部共振器１０の入射ミラー１１上で入射光が共振光にほぼ合うようにセットすることが重要である。勿論、外部共振器１０が安定共振器を構成していることが前提となるが、モードマッチングのための、ミラーやレンズ等の組み合わせについては、ミラー１１上での入射光が共振光にほぼ合うという目的に反しない限り、各種各様の構成が可能である。
【００４９】
次に、（ＩＩ）については、「δ＝２π・Ｌ／λ」から分かるように、周回光路長Ｌ又は波長λの一方、あるいはその両方について制御すれば良い。つまり、周回光路長Ｌが入射波長λの自然数倍となるように制御する（「ｑ」を自然数変数とするとき、「（δ＝）２π・Ｌ／λ＝２π・ｑ」から「Ｌ＝ｑ・λ」が得られる。）ことで、共振状態を維持する。
【００５０】
周回光路長Ｌについては、外部共振器を満たす気体の流動や、透過する媒体の温度変化、ミラーの支持機構等についての振動や変形、温度変化等によって、急速かつ長期的に変動し、他方、レーザー光源の波長λについては、温度揺らぎや、振動、膨張や外乱（電流ノイズ等）の影響によって変動する。従って、周回光路長Ｌが入射波長λの自然数倍の関係となる（共振）状態を保持するためには、例えば、下記の制御形態が挙げられる。
【００５１】
（１）波長λを可変制御する形態
（２）周回光路長Ｌを可変制御する形態。
【００５２】
形態（１）については、半導体レーザー１の温度や電流等を変化させることにより波長λを変化させる形態、あるいは、レーザー結晶にＰＺＴ等で歪みを与える形態等が挙げられる。
【００５３】
また、形態（２）については、例えば、下記に示す形態が挙げられる。
【００５４】
・ミラー等の光学素子をＰＺＴやＶＣＭにマウントして機械的に制御する形態
・非線形光学結晶を含めた結晶、あるいは光学素子に電圧や歪みを与えたり、温度制御等によってそれらの光学的特性（屈折率等）を変化させて制御する形態。
【００５５】
この他、（１）と（２）を組み合せることで各種の形態が挙げられるが、制御応答や安定性等を考慮して選定すべきである。
【００５６】
共振状態の維持には、上記のように周回光路長Ｌ又は入射波長λの可変制御手段を必要とし、さらには、外乱に応じて常にこれらを変化させて上記「Ｌ＝ｑ・λ」の関係を維持する手段（制御回路等）が必要である。尚、制御に必要なエラー信号の発生（生成）方法としては、フリンジサイドロッキング、ＦＭサイドバンドロキッング、偏光法ロッキング等、各種方式が提案されている（例えば、文献「T.W.Hansh,and B.Couillaud,Optics Communications ,Vol.35,No.3,p.441 (1980) 」を参照）。
【００５７】
そのうち、ＦＭサイドバンド法は、ノイズに強い方法であって安定な共振器ロッキング法であるので、その概要について図１１の例を使って説明する。
【００５８】
図には位相変調器３及び光検出器８を含む制御手段２３を示しており、局部発振器（信号源の記号で示す。）を含む信号発生部２４により、所定周波数の変調信号が発生され、当該信号が位相変調器３に印加されて半導体レーザー１からのレーザー光に位相変調がかけられる。
【００５９】
光検出器８による検出信号と、変調信号が検波部２５（図には、掛け算器で示す。）に送られて同期検波が行われ、これにより得られた誤差信号（これを「Ｅｒｒ」と記す。）がサーボ制御部２６に送られる。
【００６０】
サーボ制御部２６は誤差信号のレベルがゼロとなるように制御信号を生成して、当該信号によって共振器の周回光路長Ｌを制御する。例えば、図１の例において、外部共振器１０ではミラー１３について位置や姿勢が制御される。尚、ミラーの移動機構、駆動制御回路等や、信号処理に必要な回路（例えば、受光後の検出信号から高周波信号を取り出すのに必要なフィルタ等）については既知であり、よってそれらの説明や図示は省略する。
【００６１】
このような光路長の調整手段を設けてその駆動制御によりロッキングを実現する方法の他には、外部共振器１０中に置かれた非線形光学結晶１５に電圧や歪みを与えたり、あるいは光源自体を変調してロッキングを行う方法等が知られている（「W.Kozlovski 他,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.6,p913 (1988)」を参照。）。
【００６２】
尚、ＦＭサイドバンド法では、位相変調器３として、ＫＴＰやＢＢＯ等の、使用波長λにおける透過率の高い電気光学結晶が用いられ、これに高周波電圧を印可して、サイドバンド（側波あるいは側帯波）を発生させる。
【００６３】
また、変調周波数については、共振器からの反射光を検出する形態と、共振器の透過光を検出する形態とで異なる（検出信号の大きさの観点からは前者の形態が好ましい。）。
【００６４】
外部共振器のＦＳＲ（＝Ｃ／Ｌ）を、当該共振器フィネスＦで割った値を、共振器透過幅とすると、これは［数３］式で定義した「Δｆ」と同じである。
【００６５】
反射光からエラー（誤差）信号を検出する形態では、例えば、図１において、入射ミラー１１からの反射光が、集光レンズ７等の光学系を介して光検出器８で受光され、その検出信号を、局部発振器からの信号（変調周波数と同一周波数とされる信号）で同期検波してエラー信号を生成する。この場合の変調周波数はΔｆよりも充分大きい方が良い。何故なら、共振状態の近傍において、外部共振器内でサイドバンドが効率良く反射され、光検出器に到達するからである（変調周波数がΔｆよりも小さいと、透過成分の割合が多くなってしまう。）。
【００６６】
これに対して、透過光からエラー信号を検出する形態では、例えば、図１においてミラー１２の透過光を光検出器（図示せず）により受光し、その検出信号と局部発振器からの信号とから同期検波を行うことで、信号の大きさとしては小さくなるがエラー信号を生成できる。この場合には、上記の形態とは逆に、Δｆよりも変調周波数を小さくすることが好ましい。
【００６７】
図１２は、光検出信号及び変調信号に基いて生成されるエラー信号（Ｅｒｒ）の一例（δ依存性）を拡大して示したものであり、横軸に「δ」をとり、縦軸に信号値（相対値で示す。）をとって示している。
【００６８】
例えば、反射光を検出する形態において、エラー信号Ｅｒｒは、共振器の共振周波数がレーザー光の周波数付近に近づいたときに、反射する両側帯波信号（両側波）のバランスに基づいて得られる信号であり、共振位置（δ＝０）からのずれに関してその方向と大きさを示している。つまり、図１２の右半面においては、δ軸を正方向に進んでいくと値が上昇しての正のピーク値に達し、それから急に値が低下してボトム値を示してからδ軸に漸近していく。また、図１２の左半面においては、δ軸を負方向に進んでいくと値が低下してボトム値に達し、それから急に値が上昇してピーク値を示してからδ軸に漸近していく。このように、グラフ曲線がδ＝０の原点回りに１８０゜の回転対称性をほぼ有しているので、共振位置からのずれの方向と大きさをエラー信号から把握することができる。
【００６９】
よって、共振器の構成要素（ミラー等）の位置修正等を行うための負のフィードバック系を形成し（誤差がゼロになるように制御を行う。）、共振器の光路長を制御すれば、その共振状態を保つことができる。尚、反射光にサイドバンド（側波帯の成分）がなくべく多く含まれるようにすると、誤差信号の振幅が大きくなり、信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を一般に大きくできる。
【００７０】
上記（ＩＩＩ）の実現には、［数１］式において、「Ｒ1＝Ｒm」となるように各ミラーの反射率を選定すれば良い。但し、Ｒmの算出には、非線形光学結晶の波長変換による、周回基本波の高調波（第二高調波）への変換分も含める必要がある（「W.Kozlovski 他,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.6,p913 (1988)」を参照。）。また、実際の問題として、波長変換結晶等の光学素子についてのバルク透過率、コーティング透過率（反射率）、ミラーの反射率等にバラツキがあることや、経時変化等が原因で、インピーダンスマッチングの状態を長期間に亘って維持することは難しいが、例えば、Ｒ1の値を、Ｒm値よりもやや小さめに設定することで、経時変化により損失が増加しても、周回基本波についてパワーの減少を少なくすることができ、高調波発生におけるパワーの減少を抑えることが可能である。
【００７１】
以上に説明した（Ｉ）乃至（ＩＩＩ）の実現によって、波長変換効率を高めることができるとともに、共振状態を安定に維持することが可能になる。
【００７２】
次に、非線形光学結晶として、ＢＢＯを用いる場合の例について、以下に詳述する。
【００７３】
先ず、ＢＢＯ結晶の成長法に関して、フラックス法と直接法（Czochralski法）が知られており、フラックス法は、硼酸バリウムの融解液にフラックスと呼ばれる添加物を加えて凝固点降下により融液の温度を下げ、β相を成長させる方法であるが、フラックスが成長後にＢＢＯ結晶中に残存し易く、点状の欠陥が生じ易いこと等から、散乱が大きくなるという欠点を有する。他方、直接法の場合には、成長速度が速い上、フラックスを使わないため、インクルージョンが少なく、散乱が少ないため、外部共振器のように、損失を極めて低レベルに維持したい方式の場合には、直接法で製造したＢＢＯ結晶の方が優れている。
【００７４】
また、タイプ１で位相整合するＢＢＯ結晶では、第二高調波を発生できる最短入射波長が４１０ｎｍ弱であり、よって発生光の波長が２０５ｎｍ弱になる（「加藤、レーザ研究、Vol.18,p3 (1990) 」を参照。）。この場合、基本波を結晶のｃ軸に垂直（位相整合角θ＝９０゜）又はほぼ垂直方向に入射するＮＣＰＭ（ノンクリティカル位相整合）であり、相互作用長を長くできることや、ウォークオフによるビームの変形がないこと等の長所を有する。また、結晶長を長く取ること（例えば、１０ｍｍ以上）によって波長変換効率を高くすることが可能である。特に文献「G.D.Boyd他、Journal of Applied Physics,Vol.39,No8,p.3597,(1968)」に示されるように、結晶長「Ｌ」と、結晶内に集光した場合のスポット半径「ｗ」（ビーム強度のピークを１としたとき、「ｅ-2」となるときのスポット半径を示す。尚、「ｅ」は自然対数の底である。）の関数であるコンフォーカルパラメータ「ｂ」との間に、下式の関係があるときに効率が最大になる。
【００７５】
【数４】
尚、コンフォーカルパラメータ「ｂ＝ｋ・ｗ2＝（２πｎ／λ)・ｗ2」において、ｎは基本波屈折率、λは基本波波長をそれぞれ示す。
【００７７】
図１３は横軸にパラメータξ（＝Ｌ／ｂ）をとり、縦軸に効率「η」をとって、ウォークオフがゼロの場合のグラフを示したものであり、ξがほぼ２．８４のときに最大効率を示す。
【００７８】
つまり、「Ｌ／ｂ」の値がほぼ２．８４に等しい場合が最も望ましいことになるが、実用上はその近傍域（５％以内近傍域、１０％以内近傍域等）における設定も可能である。例えば、効率ηについて、その最大値ηmaxから約１０％減の範囲（０．９・ηmax）に抑えるためには、上記文献に従って計算すると、上記［数４］式から得られるスポット半径ｗ（≒√（Ｌ／（2.84ｋ））を中心として±４０％以内（図のξ1〜ξ2の範囲を参照。）に制限することが必要である。つまり、この範囲であれば、効率低下に関して問題が少ない。尚、ＢＢＯ結晶の場合に、例えば、波長や屈折率について数値を代入してみると、Ｌを１０ｍｍ以上として、スポット半径ｗとしては、「１０√（Ｌ）」μｍを中心として±４０％以内が好ましいことが分かる（Ｌの単位は「ｍｍ」である。）。
【００７９】
ところで、タイプ１で位相整合するＢＢＯの実効非線形定数（あるいは実効非線形光学定数であり、これを「ｄeff」と記す。）については、位相整合角を「θ」（非線形光学結晶の＋ｃ軸方向と光線方向との間になす角度）、ウォークオフを「ρ」とするとき、有効非線形定数ｄ31を含む項と、有効非線形定数ｄ22を含む項とによって表され、下式で与えられる。
【００８０】
【数５】
ＮＣＰＭの場合には、上式に「θ＝９０゜」、「ρ＝０゜」を代入することにより、「ｄeff＝ｄ31」である。
【００８２】
「庄司、博士論文、東京大学物理工学科(1998）」、「Handbook of Nonlinear Optical Crystals,Dmitriev 他著、3rd edition,Springer Verlag(1999)」等の文献によれば、ｄ31の大きさは、ｄ22の大きさに比べて０．０１８倍しかない（例えば、Miller則を適用して、ｄ22の大きさが3.0×10-12m/Vであれば、ｄ31の大きさは4.5×10-14m/Vである。）。よって、ＮＣＰＭという有利な変換を用いたとしても（波長変換ビーム形状が保存されるという特性をもつ。）、出力がｄeff（＝ｄ31）の二乗にほぼ比例するため、変換効率が低くなってしまう。
【００８３】
例えば、外部共振器のエンハンスメントファクター（増倍率）を２００にしても（フィネス６００程度）、応用面で通常必要な１ｍＷの出力を得るためには、レーザー光源１の出力に関して、波長４０９．５ｎｍでの平均入射パワーが１００ｍＷ以上必要となる。一例として、１２０ｍＷのレーザー光源を用いて、フィネス２００程度の外部共振器に結合効率８０％（モードマッチング及びインピーダンスマッチングを含む）でレーザービームが外部共振器に入射されて、ここで増倍される場合の出力は０．７ｍＷ程度である。
【００８４】
一方、この変換効率では、レーザー光源に課せられる負荷が大きく、低価格の光源として利用するには効率の向上が必要である。
【００８５】
上記の［数５］［ａ］式から分かるように、右辺については、第１項が「ｄ31・ｓｉｎ(θ＋ρ)」であり、第２項が「−ｄ22・ｃｏｓ（θ＋ρ)」であるので、両者が異符号の関係になる場合には、一方から他方が減算される結果として、実効非線形定数「ｄeff」の絶対値は、大きい方の項のみの場合よりも小さくなる。しかしながら、これら２項がお互いに足し合わされる関係（つまり、各項の符号が同じ関係）であれば、実効非線形定数「ｄeff」の絶対値が大きくなり、出力が大きくなるので、変換効率を高くすることが可能である。［数５］［ｂ］式についても同様である。
【００８６】
図１４は、横軸に位相整合角θをとり、縦軸には、実効非線形定数「ｄeff」（単位：「ｐｍ／Ｖ」。「ｐ」はピコ（１０-12）を示す。）の大きさ（絶対値）と、その二乗値「ｄeff^2」（ＮＣＰＭ、つまり、「θ＝９０゜、ρ＝０゜」のときの、ｄeffの二乗値を「１００」とした相対値で示す。）を両側にとって示したものであり、実線で示すグラフが「ｄeff」（の絶対値）を示し、破線で示すグラフがその二乗値を示している。尚、同図において、位相整合角がθ＜９０゜の範囲では、上記第１項と第２項が加算される（足し合う）ためにＮＣＰＭのときよりも、ｄeff値（絶対値）が大きくなり、また、θが約９１゜よりも大きい範囲では、第１項と第２項が互いに引き合ってＮＣＰＭのときよりも、ｄeff値（絶対値）が大きくなる。波長変換による基本波の損失が他の共振器損失に比べて無視できる程小さい場合には、ＢＢＯによる第二高調波の出力がｄeffの二乗に比例するため、ｄeffの最小値に関して、θが小さくなる方向に進んでも、θが大きくなる方向に進んでもｄeffの大きさが次第に増加していくが、θ＜９０゜の範囲の方（項加算の場合）が増加の度合いが大きいことが分かる。ｄ22、ｄ31の符号については、互いに異符号であるとしたが、同符合の場合には上記第１項と第２項との足し合い（引き合い）の関係が逆になることに注意を要する。
【００８７】
下表には、位相整合角９０゜及びその近辺における、実効非線形定数及びその二乗値、有効非線形定数（ｄ22、ｄ31）、ウォークオフ、位相整合する基本波の波長及び屈折率を示す。
【００８８】
【表１】
上表中に示す定数ｄ22、ｄ31については、Miller則による補正が施されている。尚、「^」はべき乗を意味する。
【００９０】
位相整合角９０゜及びその近辺における、基本波波長（出力光の波長については第二高調波波長であり、その半分である。）と基本波屈折率を下表２に示す。
【００９１】
【表２】
例えば、基本波波長を４１０．７５ｎｍの場合に、位相整合角を８５．１゜とすると、実効非線形定数の大きさが０．２５となって、計算上ではｄ31（ＮＣＰＭの場合）の約５．４倍になる。出力は実効非線形定数のほぼ二乗に比例するので、計算上では２９倍程度になる筈であるが、実際には８倍程度の増加となる。これは、ウォークオフ等により、ビーム重なり減少、最適スポット径の変化等が引き起こされることに依る。
【００９３】
ＮＣＰＭの場合、例えば、図１５に示すように、ビーム強度に関して綺麗なガウシアン分布が得られるが（ｘ軸及びｙ軸からなる２次元直交座標を平面に設定した場合に、図では、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ2)をとって示しており、ｘ軸、ｙ軸についてのスポット半径が等しい。）、ＮＣＰＭでない場合であっても、位相整合角θが、例えば、８８゜以上（あるいは９２゜以下）であれば、ほぼ円形状をしたビームを得ることができる。
【００９４】
位相整合角θが８８゜より小さくなり、あるいは９２゜より大きくなるに従って、ビーム形状の変化が問題となってくる。つまり、入射ビームが円形状であったとしても、ウォークオフのために波長変換後のビーム形状が変化してしまう。
【００９５】
図１６は位相整合角θ＝８５．１゜の場合について、図１５と同様にビームの分布形状例を示したものであり、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ2)をとって示している。
【００９６】
図中に、実線で示すグラフ曲線Ｇ１は、横軸をｘ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｙ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ガウシアン分布をもっている。
【００９７】
これに対して、図に一点鎖線で示すグラフ曲線Ｇ２は、横軸をｙ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｘ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ｙ＝０よりやや正方向にずれた位置にピークをもつ非対称性の形状である。
【００９８】
図１７は位相整合角θ＝８０．３゜の場合について、ビームの分布形状例を示したものであり、横軸にｘ軸又はｙ軸（単位：ｍｍ）をとり、縦軸に単位面積当たりのビームパワー「Ｉ2」（単位：Ｗ／ｃｍ2)をとって示している。
【００９９】
図中に、実線で示すグラフ曲線Ｇ３は、横軸をｘ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｙ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ガウシアン分布をもっている。
【０１００】
これに対して、図に一点鎖線で示すグラフ曲線Ｇ４は、横軸をｙ軸とした場合のビーム形状（つまり、ｘ軸方向から見たビーム形状）を示しており、ｙ＝０よりややずれた位置にピークをもつ非対称性の形状であって、その横幅（ｙ軸方向の幅）が図１６に示すグラフ曲線Ｇ２の幅よりも大きくなっていることが分かる。
【０１０１】
このようなビーム形状の変化については、ビーム出力に対して配置される光学系の設計により、ある程度カバーすることができる（つまり、コヒーレント光源故に基本的には光学設計によってビームの形状補正が可能である。）が、光学系での負担等を考慮すると、実用上は位相整合角を８０゜以上、あるいは、１００゜以下の範囲に設定することが好ましい。尚、当該範囲の臨界値（８０゜又は１００゜）に関しては、軸対称の入力ビーム（レーザー光源１からの入射ビーム）から得られる出力光の縦横比が約１：１０に対応している（例えば、３３μｍの入力ビーム半径から、約１：１０の楕円ビームが得られるときの位相整合角θが８０゜あるいは１００゜程度である。）ことからも根拠付けることができ、位相整合角が８０゜よりも小さくなるか、あるい１００゜よりも大きくなると、縦横比が悪化して光学的な補正が難しくなる。また、例えば、光学ディスク用のＩｎＧａＮ（インジウムガリウムナイトライド）レーザーでは４００乃至４１５ｎｍ程度の波長帯（但し、４００乃至４０９ｎｍではＢＢＯの冷却を必要とする。）で開発が進んでおり、位相整合角に係る上記範囲によって当該波長帯を実用上十分にカバーできる。
【０１０２】
以上をまとめると、タイプ１で位相整合するＢＢＯ結晶の場合に、ＮＣＰＭでない場合の位相整合角については、８０゜以上９０゜未満（あるいは９０゜を越え１００゜以下）の範囲で設定することが好ましいと言える。尚、その際、半導体レーザー１については５０ｍＷ以上の出力を有するものが実用上望ましい。
【０１０３】
しかして、上記に説明した構成によれば、下記に示す利点が得られる。
【０１０４】
・紫外光を出力する半導体レーザーと、ＢＢＯ結晶等の非線形光学結晶をうまく組み合わせることにより、波長２００ｎｍ付近の深紫外線を最小回数（望ましくは１回）の波長変換で得ることができるため、効率が高く、消費電力の低減、冷却装置の小型化等に適している。また、装置全体のサイズを小さくできるので、コストの削減や低価格化にといって有利である。
【０１０５】
・ＮＣＰＭでない場合に、位相整合角を９０゜から少しずらした設定にして実効非線形定数が大きくなる方向（好ましくは、上記［数５］式に示す実効非線形定数の表式において、項同士が同符合となって足し合う関係となる方向）に、位相整合をとるといった分析と工夫により、ＮＣＰＭの場合に比して効率をさらに高めることができる。
【０１０６】
【発明の効果】
以上に記載したところから明らかなように、請求項１に係る発明によれば、窒化ガリウムを含む半導体レーザーを用いるとともに、当該レーザーの出力光を非線形光学結晶に導入して、非線形光学現象を利用して短波長のレーザー光を得ることができる。よって、保守性は勿論、小型化及び効率面で優れている。
【０１０７】
そして、硼酸バリウム結晶を用いた第二高調波発生について効率良く１回の波長変換で短波長のレーザー光を得ることができるので、高次の高調波発生や複数段階に亘る波長変換が不要になる。
更に、実効非線形定数の表式において、２つの項が互いに加算される関係となるように設定することで、実効非線形定数が大きくなり、これにより変換効率を高めることができる。
【０１０８】
請求項２に係る発明によれば、硼酸バリウム結晶をＯ゜Ｃ以下の温度に保持することによってさらに短波長のレーザー光を得ることができる。
【０１０９】
請求項３、５に係る発明によれば、硼酸バリウム結晶のノンクリティカル位相整合で波長変換を行う場合における変換効率をほぼ最大にすることができる。
【０１１０】
請求項４、６に係る発明によれば、ノンクリティカル位相整合で波長変換を行う場合の変換効率を最大値の１０％以内に抑えることができる。
【０１１１】
請求項７、８に係る発明によれば、ノンクリティカル位相整合でない場合について位相整合角の範囲を限定することで変換効率を高めることができる。
【０１１２】
請求項９に係る発明によれば、損失を低く抑えることができるので、外部共振器に配置される結晶に適している。
【０１１３】
請求項１０に係る発明によれば、波長変換された出力を実用レベルにすることができる。
【０１１４】
請求項１１に係る発明によれば、単一波長について波長変換を効率良く行うことができる。
【０１１５】
請求項１２に係る発明によれば、小型化及び低価格化を図ることができる。
【０１１６】
請求項１３に係る発明によれば、半導体レーザー素子の内部構造ではなく、グレーティング等を用いた外部制御によって縦単一モード化されたレーザー光源を得ることができる。
【０１１７】
請求項１４に係る発明によれば、外部共振器内に入射光を効率良く導入することができる。
【０１１８】
請求項１５に係る発明によれば、外部共振器の構成が簡単になり、またロッキングに必要な駆動機構が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る構成例を示す図である。
【図２】非線形光学結晶の冷却構造について概要を示す図である。
【図３】非線形光学結晶の冷却構造について別例を示す図である。
【図４】本発明に係る構成の一例を示す図である。
【図５】本発明に係る構成の別例を示す図である。
【図６】本発明に係る構成の別例を示す図であり、非線形光学結晶内での全反射を利用した例を示す。
【図７】本発明に係る構成の別例を示す図であり、非線形光学結晶のみで外部共振器を構成した例を示す。
【図８】相対反射率のδ依存性を示すグラフ図である。
【図９】相対反射率のδ依存性について要部を拡大して示す図である。
【図１０】相対透過率のδ依存性を示すグラフ図である。
【図１１】位相変調器及び光検出器を含む制御系についての説明図である。
【図１２】エラー信号のδ依存性を示す図である。
【図１３】効率について説明するための概略的なグラフ図である。
【図１４】位相整合角θと、実効非線形定数の大きさ及びその二乗値との関係を示すグラフ図である。
【図１５】ＮＣＰＭの場合において、ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。
【図１６】位相整合角θ＝８５．１゜の場合について、ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。
【図１７】位相整合角θ＝８０．３゜の場合について、ビームの強度分布の一例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザー、９、９Ａ…温度制御手段、１０…外部共振器、
１５…非線形光学結晶、２３…制御手段
Claims (15)
- 第一の波長のレーザー光を出力する、窒化ガリウムを含む半導体レーザーと、非線形光学結晶を用いた外部共振器を備えており、
上記半導体レーザーの出力光が上記外部共振器に導入されるとともに、上記非線形光学結晶を経ることで、上記第一の波長よりも短い第二の波長の紫外線を発生させるようにされ、
上記非線形光学結晶として、タイプ１で位相整合する硼酸バリウム（β−ＢａＢ 2 Ｏ 4 ）結晶を用いるとともに、
半導体レーザーによるレーザー光を外部共振器に導入して共振を維持するための制御手段を備えたレーザー光発生装置であって、
実効非線形定数が、硼酸バリウム結晶の有効非線形定数ｄ 22 を含む項と、有効非線形定数ｄ 31 を含む項とによって表され、両項が同じ符号を有するように結晶方位を含む位相整合角が設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
硼酸バリウム結晶を０゜Ｃ以下の温度に保持する温度制御手段を設けるとともに、第二高調波発生により紫外線のレーザー光を出力するようにしたことを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
硼酸バリウム結晶のノンクリティカル位相整合で、結晶長「Ｌ」が１０ｍｍ以上とされ、コンフォーカルパラメーターｂ（「ｂ＝（２πｎ／λ）・ｗ2」であり、
「ｎ」は基本波屈折率、「λ」は基本波波長をそれぞれ示し、「ｗ」は結晶内に集光した場合のスポット半径であり、ビーム強度のピークを１としたときに「ｅ-2」となるときの半径を示す。）との関係について、「Ｌ／ｂ」の値がほぼ２．８４に等しいか又はその近傍に設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項３に記載したレーザー光発生装置において、
「ｋ＝２πｎ／λ」と記すとき、
スポット半径「ｗ」が√（Ｌ／（2.84ｋ））を中心として±４０％以内に設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項２に記載したレーザー光発生装置において、
硼酸バリウム結晶のノンクリティカル位相整合で、結晶長「Ｌ」が１０ｍｍ以上とされ、コンフォーカルパラメーターｂ（「ｂ＝（２πｎ／λ）・ｗ2」であり、
「ｎ」は基本波屈折率、「λ」は基本波波長をそれぞれ示し、「ｗ」は結晶内に集光した場合のスポット半径であり、ビーム強度のピークを１としたときに「ｅ-2」となるときの半径を示す。）との関係について、「Ｌ／ｂ」の値がほぼ２．８４に等しいか又はその近傍に設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項５に記載したレーザー光発生装置において、
「ｋ＝２πｎ／λ」と記すとき、
スポット半径「ｗ」が√（Ｌ／（2.84ｋ））を中心として±４０％以内に設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
ノンクリティカル位相整合でない場合の位相整合角について、８０゜以上９０゜未満あるいは９０゜を越え１００゜以下の値に設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項２に記載したレーザー光発生装置において、
ノンクリティカル位相整合でない場合の位相整合角について、８０゜以上９０゜未満あるいは９０゜を越え１００゜以下の値に設定されていることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
硼酸バリウム結晶が直接法によって成長されたものであることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
半導体レーザーが、５０ミリワット以上の出力を有することを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
半導体レーザーが、ほぼ縦単一モードで発振することを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１１に記載したレーザー光発生装置において、
半導体レーザーが、分布帰還型又は分布反射型の構造を有していることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１１に記載したレーザー光発生装置において、
半導体レーザーの出力光の一部が分光又は回折されて帰還する外部制御型の構成を有していることを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１１に記載したレーザー光発生装置において、
半導体レーザーの発振線幅が、外部共振器の透過幅と同等か又はそれ以下となるように設定されていることことを特徴とするレーザー光発生装置。 - 請求項１に記載したレーザー光発生装置において、
外部共振器が硼酸バリウム結晶のみで形成されており、その温度制御により共振状態が維持されることを特徴とするレーザー光発生装置。
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