JP4238530B2 - レーザ光発生装置及びレーザ光発生方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造用露光装置、紫外線検査装置等の光源として用いられるレーザ光を発生するレーザ光発生装置及びレーザ光発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連続波レーザの励起には連続波の励起光を用いるのが当たり前であった。この励起光は、レーザ効率を高めるためには輝度が高いことが望ましく、また、通常励起されるレーザの発振波長より短波長である必要があるため、波長変換等により短波長化された品質の良いレーザ光が多用されてきた。
【０００３】
このため、システムの効率向上のためには、励起光発生のための波長変換を効率良く行うことが前提になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常の連続波光を用いて簡単に効率の良い波長変換を行うことは困難であった。
【０００５】
高出力の励起光を得る際に、波長変換効率を高くするためには、連続波の場合、よほど平均出力が大きくない限り、外部共振器などのエンハンスの手段が必要である。外部共振器を用いる場合、入射する元の光源（基本波）が縦単一モードであることが実用的に必要であるなど、技術的制約が大きかった。
【０００６】
また、共振器内で連続波のＳＨＧを発生する方法では、効率は悪くないものの、実用上問題となるモード結合による不安定化を防止するために、種々の手段を講じる必要があり、装置が複雑化または大型化する嫌いがあった。
【０００７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、装置を複雑化又は大型化することなく、安定に略連続波のレーザ光を効率良く出力することができるレーザ光発生装置及びレーザ光発生方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ光発生装置は、前記課題を解決するために、パルス光を発生する第１のレーザ発振手段と、前記第１のレーザ発振手段からのパルス光によって励起される、第２のレーザ発振手段とを備え、前記第１のレーザ発振手段は前記第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆｒよりも３倍以上高い繰り返し周波数ｆｐのパルス光を発生し、前記第２のレーザ発振手段は前記パルス光によって励起されて略連続波のレーザ光を出力する。
【０００９】
パルス光では、同じ平均パワーの時にピークパワーが連続波より高くなる（およそデューティー比分の１倍になる）。従って、波長変換、特に第二高調波の変換効率を容易に高く出来、励起光源として好適な、前記第１のレーザ発振手段による短波長光を効率良く得ることができる。
【００１０】
特に、前記第１のレーザ発振手段のパルス繰り返し周波数ｆpを、緩和発振周波数の３倍以上の周波数にし、ｆp≧３ｆrを成立させたときには第２のレーザ発振手段に、平均値±２０％以内の変動に抑えた略連続波のレーザ光を出力させることができる。
【００１１】
本発明に係るレーザ光発生方法は、前記課題を解決するために、パルス光を発生する第１のレーザ発振手段と、前記第１のレーザ発振手段からのパルス光によって励起される第２のレーザ発振手段とを用いてレーザ光を発生するためのレーザ光発生方法であって、前記第１のレーザ発振手段には前記第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆｒよりも３倍以上高い繰り返し周波数ｆｐのパルス光を発生させ、前記第２のレーザ発振手段には、平均値±２０％以内の変動に抑えられた略連続波のレーザ光を出力させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ光発生装置及びレーザ光発生方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、図１に示すように、第１のレーザ発振器１０と、第１のレーザ発振器１０の発生光によって励起される第２のレーザ発振器２０とを備える、レーザ光発生装置１である。
【００１３】
第１のレーザ発振器１０は、繰り返し周波数ｆpのパルス光Ｐulを発生する。第２のレーザ発振器２０は、前記第１のレーザ発振器１０からのパルス光Ｐulによって励起される。特に、第１のレーザ発振器１０は第２のレーザ発振器２０の緩和発振周波数ｆrよりも高いパルス繰り返し周波数ｆpのパルス光Ｐulを発生し、第２のレーザ発振器２０は前記パルス光Ｐulによって光励起されて前記パルス光のパルスデューティ比よりも高いパルスデューティ比の略連続波レーザ光ＣＷであって、パルス光の波長λ１よりも長い波長λ２（λ２＞λ１）の略連続波レーザ光ＣＷを出力する。
【００１４】
第１のレーザ発振器１０と第２のレーザ発振器２０の間には、第１のレーザ発振器１０によって発生された繰り返し周波数ｆpで波長λ１のパルス光Ｐulを励起光として第２のレーザ発振器２０に投影するための光学系（レンズ、ミラーなどからなる）１９が配置されている。
【００１５】
第１のレーザ発振器１０は、前記パルス光Ｐulを得るために、波長λ０（λ０＞λ１）の基本波レーザ光ＲＷを発生する元レーザ（基本波レーザ）１１と、基本波レーザ光ＲＷを増幅する増幅器１２と、増幅器１２により増幅された基本波レーザ光ＲＷを投影するためのレンズ１３と、レンズ１３で投影された基本波レーザ光ＲＷを波長変換する非線形光学結晶素子１４と、波長変換されたレーザ光を反射し、基本波レーザ光ＲＷを透過する波長選択性のある波長分離ミラー１５とを備えている。
【００１６】
基本波レーザ１１は、例えば半導体レーザ又は半導体励起固体レーザであり、波長λ０の基本波レーザ光ＲＷを発生する。この基本波レーザ光ＲＷは、必要に応じて増幅器１２により増幅された後、レンズ１３により投影され、波長変換素子１４に入射する。
【００１７】
波長変換素子１４は、基本波レーザ光ＲＷを波長変換し、波長λ１の例えば第２高調波（ＳＨＧ）である前記パルス光Ｐulを発生する。この第２高調波であるパルス光Ｐulは、波長選択性のある波長分離ミラー１５により反射されて、第１のレーザ発振器１０の出力光（励起光）として光学系１９を介して第２のレーザ発振器２０に入射する。波長分離ミラー１５の波長選択性は、波長λ１の光を反射し、波長λ０の光を透過するような性質である。このため、波長分離ミラー１５は、基本波レーザ１１からの波長λ０の基本波レーザ光ＲＷを透過する。
【００１８】
この第１のレーザ発振器１０では、前記波長変換光（第２高調波であるパルス光Ｐul）を得るのに、シングルパスでの変換を行っているが、効率向上のために共振器内波長変換などを利用するようにしてもよい。
【００１９】
第２のレーザ発振器２０は、結晶、ガラス、焼結体、ファイバーなどからなる固体レーザ媒質２１と、この固体レーザ媒質２１を挟んで共振器を形成するために配設される光学系２２、２３とからなる。この光学系２２、２３は、必要に応じてその種類と数を決めるものとする。
【００２０】
固体レーザ媒質２１は、前記第１のレーザ発振器１０からの前記パルス光Ｐulによって光励起されて波長λ２の略連続波レーザ光ＣＷを出力する。この略連続波レーザ光ＣＷは連続波に準ずるものである。
【００２１】
このとき、第１のレーザ発振器１０のパルス繰り返し周波数ｆpは、前述したように、第２のレーザ発振器２０の緩和発振周波数ｆrよりも高い周波数であり、ｆp＞ｆrの関係を満たすものである。
【００２２】
さらに、第１のレーザ発振器１０のパルス繰り返し周波数ｆpが、
ｆp≧３ｆr （１）
のように、第２のレーザ発振器２０の緩和発振周波数ｆrの３倍以上の高い周波数であるときには、ほとんど連続波のレーザ光ＣＷを出力することができる。
【００２３】
上記（１）式の条件を満足することにより、ほとんど連続波のレーザ光ＣＷは、図２に示すように、例えば時間ｔ０が100μsec（100000nsec）であるときの、出力変動Ｐmを平均値Ｐavの±20%以内に抑えられるものとなった。
【００２４】
ここで、緩和発振周波数ｆrは、参考文献「"Lasers", ed. Siegman, University Science Books, (1986)」などにより、
ｆr＝１／２π・√（ｒ−１）／（τcτf） （２）
で与えられることが知られている。
【００２５】
なお、上記（２）式においてｒ、τc、τfは以下に示すように定義されている。ｒは閾値励起パワーに対する励起平均パワーの比であり、Ｐop／Ｐth（Ｐopは動作時の励起平均パワー、Ｐthは閾値励起パワー）で求められる。
【００２６】
また、τcは共振器減衰時間（sec）であり、下記の（３）式で与えられる。
τc＝Ｔ／δc （３）
ここで、Ｔは共振器の周回時間（sec）、δcは発振光の周回損失率を表す。つまり、このτcは、第２のレーザ発振器２０の特性によって決まる。ミラー２２とミラー２３間の光路長や、固体レーザ媒質２１の材料、さらに、これらの反射率等に影響され、共振器内で出力光のパワーが１／ｅになるまでの時間と等価である。
【００２７】
また、τfは上準位緩和時間（sec）であり、固体レーザ媒質２１の特性にかかわる。いわゆる蛍光寿命と表現されることもある。短いパルス光を前記固体レーザ媒質等に当てたとき、原子は瞬間的に光るが、ある時間を経過すると活性がなくなり、暗くなる。その暗くなるまでの平均時間である。つまり、光を当てたとき上がった準位が減衰するまでの平均時間である。
【００２８】
次に、前記レーザ光発生装置１の具体例について説明する。この具体例は、基本波レーザ（元レーザ）１１がNd:YVO４レーザ、非線形光学結晶素子１４がLBO結晶、元レーザの波長が1064nm、パルス光Ｐulの波長が532nm、固体レーザ媒質２１がチタンサファイヤ（Ti:Sapphire）レーザ結晶、略連続波レーザ光ＣＷの波長が750nmであるレーザ光発生装置である。
【００２９】
図１に示した構成のレーザ光発生装置１では、チタンサファイヤレーザ結晶である固体レーザ媒質２１を含む第２のレーザ発振器２０が２枚のミラー２２と２３に挟まれて構成されており、定在波型共振器である。
【００３０】
このような構成のレーザ光発生装置１の具体例において、第１のレーザ発振器１０内の基本波レーザ（Nd:YVO４レーザ）１１は、波長λ０＝1064nmの基本波レーザ光ＲＷを発生する。この基本波レーザ光ＲＷは増幅器１２によって増幅された後、レンズ１３によって投影され、非線形光学結晶素子１４（LBO結晶）に入射する。非線形光学結晶素子１４（LBO結晶）は、基本波レーザ光ＲＷを波長変換し、λ１＝532nmのパルス光Ｐulを発生する。波長λ１＝532nmのパルス光Ｐulは、波長分離ミラー１５によって90度に反射され、光学系１９を介して第２の発振器２０に向かう。
【００３１】
第２の発振器２０内の固体レーザ媒質（チタンサファイヤレーザ結晶）２１は、前記λ１＝532nmのパルス光Ｐulによって光励起され、ミラー２２及び２３で形成される共振器内でレーザ光を共振させてから波長λ２＝750nmの光を出力する。
【００３２】
図３にはチタンサファイヤレーザ結晶２１の吸収、発光特性を示す。吸収特性（実線）は500nm付近をピークとし、発光特性（破線）は750nm付近をピークとしている。このような特性により、チタンサファイヤレーザ結晶２１は波長532nmのパルス励起光を吸収して750nmから800nm付近で連続波レーザ光を発振する。
【００３３】
このレーザ光発生装置１の具体例において、固体レーザ媒質（チタンサファイヤレーザ結晶）２１を前記λ１＝532nmのパルス光Ｐulによって光励起したときの出力応答について図４〜図９を用いて説明する。ある励起レベルにおいて、パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを変化させたときの、出力光の立ち上がり過渡応答を示したものである。固体レーザ媒質（チタンサファイヤレーザ結晶）２１の緩和発振周波数ｆrは約600KHzである。パルス励起光の繰返し周波数ｆpはそれぞれ、図４が200kHz、図５が500kHz、図６が1MHz、図７が2MHz、図８が5MHz、図９が10MHzであり、横軸は時間(nsec)、縦軸は相対強度を表す。図６、図７、図８、図９に示された例では、図中の立ち上がり時に尖塔値の高いピークが見受けられるが、励起光の平均値を徐々に上昇させるなどの方法を用いることで、この大きな尖塔値のピークを低く抑えることが可能である。
【００３４】
図４、図５に示した出力応答では、パルスデューティ比は高くなるが出力応答が全く落ち着かず、かつ明らかに出力変動が激しすぎる。もちろん、連続波レーザ光とはほど遠いものとなっている。図６はパルス繰り返し周波数ｆpが1MHzのときの出力応答であるが、20000nsec（20μsec）を経過すると出力変動がある程度は落ち着く。図７は前記ｆpが2MHzのときの出力応答である。励起開始から20000nsec（20μsec）を経過すると出力変動がある程度は落ち着きだし、100μsecのときには前記図２で示したように出力変動率を約±20%以内に抑えることができる。前記ｆpが5MHzの図８、10MHzの図９に示す出力応答では、出力変動率をさらに低下させることができ、ほとんど連続波レーザ光ＣＷである出力を得ることができる。
【００３５】
これらの出力応答は一例であるが、繰返し周波数ｆpを2MHz以上にすればノイズ約±20%以内に抑圧することができ、実用的な連続波レーザ光に準じた略連続波レーザ光ＣＷを生成することができる。繰り返し周波数ｆpは2MHz以上であるので、固体レーザ媒質２１の緩和発振周波数ｆr＝600kHzの３倍以上となっており、前記（１）式の条件を満たしている。
【００３６】
ところで、ＳＨＧのような波長変換において、パルス波を発生するときには、平均パワーに対して尖頭値が高くなっている。おおむねパルスデューティ比が0.01以下である。平均値に対して100倍位ピーク値が高くなっている。100倍位ピークが高ければエネルギー（平均値）が同じでも、変換効率はピークの２乗に比例するので、波長変換における変換効率は励起光が連続波レーザ光であるときよりも高くなる。
【００３７】
したがって、繰返し周波数ｆpが2MHz以上であり、尖頭値のパルスデューティ比が0.01以下であるようなパルス光を励起光として用いるとレーザ光発生装置１の具体例はほとんど連続波レーザ光ＣＷである出力光を効率良く発生することができる。
【００３８】
もちろん、略連続波レーザ光ＣＷの用途によっては、図６に示したｆp＝1MHz程度のパルス光によって光励起された出力光を用いることもある。この場合、励起光のパルス繰り返し周波数ｆpは固体レーザ媒質の緩和発振周波数ｆrよりも大である条件を満たしている。
【００３９】
なお、図１０には、励起用パルスの波形を示す。パルス幅Δｔは一定であり、繰り返し周波数ｆpに反比例するパワーを有するものとする。よって、ピークパワーは平均パワー／（ｆp・Δｔ）によって求められ、またデューティーは１／（ｆp・Δｔ）によって求められる。
【００４０】
また、図１に示した第１のレーザ発振器１０は、前記Nd:YVO４レーザのほかにもNd、Yb、Cr、Tiなどの金属イオンをドープした固体レーザ結晶、セラミック、ガラスを利用した赤外レーザ出力やその出力を増幅後してから、非線形光学結晶により、波長変換（第二高調波や和周波、差周波）を発生させた光源が考えられる。たとえば、Nd:YAG、Nd:YVO４、Nd:YLF、Nd:YALO、Nd:GLASS、Nd:FAP、NLP、ないしは、Yb:YAG、Yb:YVO４、Yb:GLASSなどがある。
【００４１】
また、第１のレーザ発振器１０は、半導体レーザにより励起された、希土類元素ドープのファイバーレーザの第２高調波を発生してもよい。また、第１のレーザ発振器１０は、半導体レーザにより励起された、希土類元素ドープのファイバー増幅器で増幅されたレーザ光の第２高調波を発生してもよい。
【００４２】
増幅器１２としては、エンドポンプ型のほか、サイドポンプ、光ファイバーなどが考えられる。
【００４３】
これらの第１のレーザ発振器１０（赤外パルスレーザ）は、光源自体のパルス動作の他、Ｑスイッチ、光ファイバー、或いは過飽和吸収体によりパルス動作するものでもよい。
【００４４】
過飽和吸収体は、基本波レーザ１１が連続波励起であるときにパルス発振させるものであり、Cr:YAGなどの誘電体材料のほかに、半導体過飽和吸収体として知られるSESAM（semiconductor saturable-absorber mirror）を用いることができる。このSESAMについては、「J.Opt.Soc.Am.B/Vol.16,No.3/March 1999 P376-P388」に開示されている。
【００４５】
また、第１のレーザ発振器１０自体である励起光源は、GaAs系(GaAlAs)、InGaAlP系などの半導体をパルス駆動した光源であっても良い。また、GaN系(InGaN、AlGaN)、AlN系などの短波長の半導体をパルス駆動した光源であっても良い。これらの場合、パルス駆動することで、見かけの閾値が下がり、また、熱特性を改善することができ、効率向上に役立つ、または、パルスでしか駆動できない高出力のものも利用できる。吸収波長に応じて、Tiドープのレーザ（Ti:Sapphire）や、Crドープのレーザ（Cr:LiSAF、Cr:LiCAF）などに有効である。また、第１のレーザ発振器１０自体を、モードロックレーザ、繰返しの早いＱスイッチレーザとしてもよい。
【００４６】
また、第２のレーザ発振器２０の共振器内または外部に置かれた共振器において、更なる波長変換用結晶を配置して、和周波発生、差周波発生、第二高調波を発生させれば高い効率で波長変換が可能となる。
【００４７】
なお、前記図１に示した第２のレーザ発振器２０のような定在波型共振器では、空間ホールバーニングによりゲインの空間分布が均一でなくなるため、縦多モード発振しやすいことがある。そこで、図１１に示すような1/4波長板（３１、３１’）を固体レーザ媒質２１の両側に配置したツイストモード法を適用した第２のレーザ発振器３０を用いてもよい。この第２のレーザ発振器３０を用いることにより、レーザ光発生装置は、縦多モード発振を抑えることができるので、波長制御を行いやすくなる。
【００４８】
また、図１２に示すような第２のレーザ発振器４０を用いてもよい。この第２のレーザ発振器４０は、ミラー数（４１、４２）を増やしたり全反射を用いるなどにより一方向リング型共振器を構成し、空間ホールバーニングを低減する。特に、一方向発振のために４３で示すファラデーローテータと波長板の組合せを配置している。このほか、記載しない複屈折フィルタ、エタロン、レファレンス共振器を配置するなどの手段が必要な用途もある。また、固体レーザ媒質２１はブリュースターカットされている。これは偏光制御をして一方向発振する場合に好適であるが、減反射コートされた平行な対抗面を有するものであっても良い。
【００４９】
また、第２のレーザ発振器２０，３０及び４０に搭載された固体レーザ媒質２１は、チタンイオン又はクロムイオンをドープされた固体レーザ媒質であってもよい。
【００５０】
また、第２のレーザ発振器２０，３０及び４０を構成する共振器中に、更なる波長変換用結晶を配置し、第２のレーザの第２高調波を発生するようにしてもよい。また、同様に、第２のレーザ発振器２０，３０及び４０を構成する共振器中に、更なる波長変換用結晶を配置し、和周波、又は差周波を発生するようにしてもよい。
【００５１】
また、図１２に示すような第２のレーザ発振器２０，３０及び４０を構成する共振器に、外部から安定したレーザー光を注入してもよい。この場合、共振器内にファラデーローテータなどの素子が不要になる場合もある。縦単一周波数の連続波光源と、インジェクションロッキングの技術を用いることで、波長の安定なレーザ光を増幅可能である。第２のレーザ共振器がリング共振器であるときに、発振光のゲインのある波長の光を外部より導入し、インジェクションロッキングすれば、自動的に片方向の光を発振させ、増幅して、高出力連続波光を得ることが可能になる。
【００５２】
また、図示しないが第１のレーザ発振器を複数台用意して、これらを第２のレーザ発振器の励起に用いることも有効である。第２のレーザ発振器のレーザ媒質を励起する際に、対抗する２方向から入射させる方法、角度をわずかに変えて同じ方向から励起する方法、これらの複合方法、あるいは側方からの励起方法により、さらなる高出力化が可能になる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ光発生装置及びレーザ光発生装置によれば、パルス光を発生する第１のレーザ発振手段は第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆrよりも高い繰り返し周波数ｆpのパルス光を発生し、第２のレーザ発振手段はそのパルス光によって励起されるので、発生効率、励起効率、又は、波長変換効率の高いパルス光源を利用でき、ほぼ連続波レーザ光の出力を得ることで、効率の高い連続波レーザを実現できる。また、連続波レーザしか許容できない損傷しやすい光学素子、対象物などに対し、パルスの励起光源を用いても、これをレーザを介することで損傷を低減できる連続波出力を得る事ができる。さらに波長変換して短波長、長波長の光を得るときに、その波長における連続波光源を、高効率に得ることができ、さらに損傷しにくい連続波光を得る事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態となる、レーザ光発生装置の構成を示す図である。
【図２】レーザ光発生装置における、第２のレーザ発振器の出力応答特性図である。
【図３】チタンサファイヤレーザ結晶の吸収、発光特性図である。
【図４】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを200kHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図５】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを500kHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図６】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを1MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図７】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを2MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図８】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを5MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図９】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを10MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図１０】励起用パルスの波形を示す図である。
【図１１】ツイストモード法を適用した第２のレーザ発振器の構成図である。
【図１２】一方向リング型共振器を構成した第２のレーザ発振器の構成図である。
【符号の説明】
１ レーザ光発生装置、１０ 第１のレーザ発振器、１１ 基本波レーザ、１２ 増幅器、１４ 非線形光学結晶、１５ 波長分離ミラー、２０ 第２のレーザ発振器、２１ 固体レーザ媒質、２２，２３ ミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造用露光装置、紫外線検査装置等の光源として用いられるレーザ光を発生するレーザ光発生装置及びレーザ光発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、連続波レーザの励起には連続波の励起光を用いるのが当たり前であった。この励起光は、レーザ効率を高めるためには輝度が高いことが望ましく、また、通常励起されるレーザの発振波長より短波長である必要があるため、波長変換等により短波長化された品質の良いレーザ光が多用されてきた。
【０００３】
このため、システムの効率向上のためには、励起光発生のための波長変換を効率良く行うことが前提になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常の連続波光を用いて簡単に効率の良い波長変換を行うことは困難であった。
【０００５】
高出力の励起光を得る際に、波長変換効率を高くするためには、連続波の場合、よほど平均出力が大きくない限り、外部共振器などのエンハンスの手段が必要である。外部共振器を用いる場合、入射する元の光源（基本波）が縦単一モードであることが実用的に必要であるなど、技術的制約が大きかった。
【０００６】
また、共振器内で連続波のＳＨＧを発生する方法では、効率は悪くないものの、実用上問題となるモード結合による不安定化を防止するために、種々の手段を講じる必要があり、装置が複雑化または大型化する嫌いがあった。
【０００７】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、装置を複雑化又は大型化することなく、安定に略連続波のレーザ光を効率良く出力することができるレーザ光発生装置及びレーザ光発生方法の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ光発生装置は、前記課題を解決するために、パルス光を発生する第１のレーザ発振手段と、前記第１のレーザ発振手段からのパルス光によって励起される、第２のレーザ発振手段とを備え、前記第１のレーザ発振手段は前記第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆｒよりも３倍以上高い繰り返し周波数ｆｐのパルス光を発生し、前記第２のレーザ発振手段は前記パルス光によって励起されて略連続波のレーザ光を出力する。
【０００９】
パルス光では、同じ平均パワーの時にピークパワーが連続波より高くなる（およそデューティー比分の１倍になる）。従って、波長変換、特に第二高調波の変換効率を容易に高く出来、励起光源として好適な、前記第１のレーザ発振手段による短波長光を効率良く得ることができる。
【００１０】
特に、前記第１のレーザ発振手段のパルス繰り返し周波数ｆpを、緩和発振周波数の３倍以上の周波数にし、ｆp≧３ｆrを成立させたときには第２のレーザ発振手段に、平均値±２０％以内の変動に抑えた略連続波のレーザ光を出力させることができる。
【００１１】
本発明に係るレーザ光発生方法は、前記課題を解決するために、パルス光を発生する第１のレーザ発振手段と、前記第１のレーザ発振手段からのパルス光によって励起される第２のレーザ発振手段とを用いてレーザ光を発生するためのレーザ光発生方法であって、前記第１のレーザ発振手段には前記第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆｒよりも３倍以上高い繰り返し周波数ｆｐのパルス光を発生させ、前記第２のレーザ発振手段には、平均値±２０％以内の変動に抑えられた略連続波のレーザ光を出力させる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のレーザ光発生装置及びレーザ光発生方法の実施の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、図１に示すように、第１のレーザ発振器１０と、第１のレーザ発振器１０の発生光によって励起される第２のレーザ発振器２０とを備える、レーザ光発生装置１である。
【００１３】
第１のレーザ発振器１０は、繰り返し周波数ｆpのパルス光Ｐulを発生する。第２のレーザ発振器２０は、前記第１のレーザ発振器１０からのパルス光Ｐulによって励起される。特に、第１のレーザ発振器１０は第２のレーザ発振器２０の緩和発振周波数ｆrよりも高いパルス繰り返し周波数ｆpのパルス光Ｐulを発生し、第２のレーザ発振器２０は前記パルス光Ｐulによって光励起されて前記パルス光のパルスデューティ比よりも高いパルスデューティ比の略連続波レーザ光ＣＷであって、パルス光の波長λ１よりも長い波長λ２（λ２＞λ１）の略連続波レーザ光ＣＷを出力する。
【００１４】
第１のレーザ発振器１０と第２のレーザ発振器２０の間には、第１のレーザ発振器１０によって発生された繰り返し周波数ｆpで波長λ１のパルス光Ｐulを励起光として第２のレーザ発振器２０に投影するための光学系（レンズ、ミラーなどからなる）１９が配置されている。
【００１５】
第１のレーザ発振器１０は、前記パルス光Ｐulを得るために、波長λ０（λ０＞λ１）の基本波レーザ光ＲＷを発生する元レーザ（基本波レーザ）１１と、基本波レーザ光ＲＷを増幅する増幅器１２と、増幅器１２により増幅された基本波レーザ光ＲＷを投影するためのレンズ１３と、レンズ１３で投影された基本波レーザ光ＲＷを波長変換する非線形光学結晶素子１４と、波長変換されたレーザ光を反射し、基本波レーザ光ＲＷを透過する波長選択性のある波長分離ミラー１５とを備えている。
【００１６】
基本波レーザ１１は、例えば半導体レーザ又は半導体励起固体レーザであり、波長λ０の基本波レーザ光ＲＷを発生する。この基本波レーザ光ＲＷは、必要に応じて増幅器１２により増幅された後、レンズ１３により投影され、波長変換素子１４に入射する。
【００１７】
波長変換素子１４は、基本波レーザ光ＲＷを波長変換し、波長λ１の例えば第２高調波（ＳＨＧ）である前記パルス光Ｐulを発生する。この第２高調波であるパルス光Ｐulは、波長選択性のある波長分離ミラー１５により反射されて、第１のレーザ発振器１０の出力光（励起光）として光学系１９を介して第２のレーザ発振器２０に入射する。波長分離ミラー１５の波長選択性は、波長λ１の光を反射し、波長λ０の光を透過するような性質である。このため、波長分離ミラー１５は、基本波レーザ１１からの波長λ０の基本波レーザ光ＲＷを透過する。
【００１８】
この第１のレーザ発振器１０では、前記波長変換光（第２高調波であるパルス光Ｐul）を得るのに、シングルパスでの変換を行っているが、効率向上のために共振器内波長変換などを利用するようにしてもよい。
【００１９】
第２のレーザ発振器２０は、結晶、ガラス、焼結体、ファイバーなどからなる固体レーザ媒質２１と、この固体レーザ媒質２１を挟んで共振器を形成するために配設される光学系２２、２３とからなる。この光学系２２、２３は、必要に応じてその種類と数を決めるものとする。
【００２０】
固体レーザ媒質２１は、前記第１のレーザ発振器１０からの前記パルス光Ｐulによって光励起されて波長λ２の略連続波レーザ光ＣＷを出力する。この略連続波レーザ光ＣＷは連続波に準ずるものである。
【００２１】
このとき、第１のレーザ発振器１０のパルス繰り返し周波数ｆpは、前述したように、第２のレーザ発振器２０の緩和発振周波数ｆrよりも高い周波数であり、ｆp＞ｆrの関係を満たすものである。
【００２２】
さらに、第１のレーザ発振器１０のパルス繰り返し周波数ｆpが、
ｆp≧３ｆr （１）
のように、第２のレーザ発振器２０の緩和発振周波数ｆrの３倍以上の高い周波数であるときには、ほとんど連続波のレーザ光ＣＷを出力することができる。
【００２３】
上記（１）式の条件を満足することにより、ほとんど連続波のレーザ光ＣＷは、図２に示すように、例えば時間ｔ０が100μsec（100000nsec）であるときの、出力変動Ｐmを平均値Ｐavの±20%以内に抑えられるものとなった。
【００２４】
ここで、緩和発振周波数ｆrは、参考文献「"Lasers", ed. Siegman, University Science Books, (1986)」などにより、
ｆr＝１／２π・√（ｒ−１）／（τcτf） （２）
で与えられることが知られている。
【００２５】
なお、上記（２）式においてｒ、τc、τfは以下に示すように定義されている。ｒは閾値励起パワーに対する励起平均パワーの比であり、Ｐop／Ｐth（Ｐopは動作時の励起平均パワー、Ｐthは閾値励起パワー）で求められる。
【００２６】
また、τcは共振器減衰時間（sec）であり、下記の（３）式で与えられる。
τc＝Ｔ／δc （３）
ここで、Ｔは共振器の周回時間（sec）、δcは発振光の周回損失率を表す。つまり、このτcは、第２のレーザ発振器２０の特性によって決まる。ミラー２２とミラー２３間の光路長や、固体レーザ媒質２１の材料、さらに、これらの反射率等に影響され、共振器内で出力光のパワーが１／ｅになるまでの時間と等価である。
【００２７】
また、τfは上準位緩和時間（sec）であり、固体レーザ媒質２１の特性にかかわる。いわゆる蛍光寿命と表現されることもある。短いパルス光を前記固体レーザ媒質等に当てたとき、原子は瞬間的に光るが、ある時間を経過すると活性がなくなり、暗くなる。その暗くなるまでの平均時間である。つまり、光を当てたとき上がった準位が減衰するまでの平均時間である。
【００２８】
次に、前記レーザ光発生装置１の具体例について説明する。この具体例は、基本波レーザ（元レーザ）１１がNd:YVO４レーザ、非線形光学結晶素子１４がLBO結晶、元レーザの波長が1064nm、パルス光Ｐulの波長が532nm、固体レーザ媒質２１がチタンサファイヤ（Ti:Sapphire）レーザ結晶、略連続波レーザ光ＣＷの波長が750nmであるレーザ光発生装置である。
【００２９】
図１に示した構成のレーザ光発生装置１では、チタンサファイヤレーザ結晶である固体レーザ媒質２１を含む第２のレーザ発振器２０が２枚のミラー２２と２３に挟まれて構成されており、定在波型共振器である。
【００３０】
このような構成のレーザ光発生装置１の具体例において、第１のレーザ発振器１０内の基本波レーザ（Nd:YVO４レーザ）１１は、波長λ０＝1064nmの基本波レーザ光ＲＷを発生する。この基本波レーザ光ＲＷは増幅器１２によって増幅された後、レンズ１３によって投影され、非線形光学結晶素子１４（LBO結晶）に入射する。非線形光学結晶素子１４（LBO結晶）は、基本波レーザ光ＲＷを波長変換し、λ１＝532nmのパルス光Ｐulを発生する。波長λ１＝532nmのパルス光Ｐulは、波長分離ミラー１５によって90度に反射され、光学系１９を介して第２の発振器２０に向かう。
【００３１】
第２の発振器２０内の固体レーザ媒質（チタンサファイヤレーザ結晶）２１は、前記λ１＝532nmのパルス光Ｐulによって光励起され、ミラー２２及び２３で形成される共振器内でレーザ光を共振させてから波長λ２＝750nmの光を出力する。
【００３２】
図３にはチタンサファイヤレーザ結晶２１の吸収、発光特性を示す。吸収特性（実線）は500nm付近をピークとし、発光特性（破線）は750nm付近をピークとしている。このような特性により、チタンサファイヤレーザ結晶２１は波長532nmのパルス励起光を吸収して750nmから800nm付近で連続波レーザ光を発振する。
【００３３】
このレーザ光発生装置１の具体例において、固体レーザ媒質（チタンサファイヤレーザ結晶）２１を前記λ１＝532nmのパルス光Ｐulによって光励起したときの出力応答について図４〜図９を用いて説明する。ある励起レベルにおいて、パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを変化させたときの、出力光の立ち上がり過渡応答を示したものである。固体レーザ媒質（チタンサファイヤレーザ結晶）２１の緩和発振周波数ｆrは約600KHzである。パルス励起光の繰返し周波数ｆpはそれぞれ、図４が200kHz、図５が500kHz、図６が1MHz、図７が2MHz、図８が5MHz、図９が10MHzであり、横軸は時間(nsec)、縦軸は相対強度を表す。図６、図７、図８、図９に示された例では、図中の立ち上がり時に尖塔値の高いピークが見受けられるが、励起光の平均値を徐々に上昇させるなどの方法を用いることで、この大きな尖塔値のピークを低く抑えることが可能である。
【００３４】
図４、図５に示した出力応答では、パルスデューティ比は高くなるが出力応答が全く落ち着かず、かつ明らかに出力変動が激しすぎる。もちろん、連続波レーザ光とはほど遠いものとなっている。図６はパルス繰り返し周波数ｆpが1MHzのときの出力応答であるが、20000nsec（20μsec）を経過すると出力変動がある程度は落ち着く。図７は前記ｆpが2MHzのときの出力応答である。励起開始から20000nsec（20μsec）を経過すると出力変動がある程度は落ち着きだし、100μsecのときには前記図２で示したように出力変動率を約±20%以内に抑えることができる。前記ｆpが5MHzの図８、10MHzの図９に示す出力応答では、出力変動率をさらに低下させることができ、ほとんど連続波レーザ光ＣＷである出力を得ることができる。
【００３５】
これらの出力応答は一例であるが、繰返し周波数ｆpを2MHz以上にすればノイズ約±20%以内に抑圧することができ、実用的な連続波レーザ光に準じた略連続波レーザ光ＣＷを生成することができる。繰り返し周波数ｆpは2MHz以上であるので、固体レーザ媒質２１の緩和発振周波数ｆr＝600kHzの３倍以上となっており、前記（１）式の条件を満たしている。
【００３６】
ところで、ＳＨＧのような波長変換において、パルス波を発生するときには、平均パワーに対して尖頭値が高くなっている。おおむねパルスデューティ比が0.01以下である。平均値に対して100倍位ピーク値が高くなっている。100倍位ピークが高ければエネルギー（平均値）が同じでも、変換効率はピークの２乗に比例するので、波長変換における変換効率は励起光が連続波レーザ光であるときよりも高くなる。
【００３７】
したがって、繰返し周波数ｆpが2MHz以上であり、尖頭値のパルスデューティ比が0.01以下であるようなパルス光を励起光として用いるとレーザ光発生装置１の具体例はほとんど連続波レーザ光ＣＷである出力光を効率良く発生することができる。
【００３８】
もちろん、略連続波レーザ光ＣＷの用途によっては、図６に示したｆp＝1MHz程度のパルス光によって光励起された出力光を用いることもある。この場合、励起光のパルス繰り返し周波数ｆpは固体レーザ媒質の緩和発振周波数ｆrよりも大である条件を満たしている。
【００３９】
なお、図１０には、励起用パルスの波形を示す。パルス幅Δｔは一定であり、繰り返し周波数ｆpに反比例するパワーを有するものとする。よって、ピークパワーは平均パワー／（ｆp・Δｔ）によって求められ、またデューティーは１／（ｆp・Δｔ）によって求められる。
【００４０】
また、図１に示した第１のレーザ発振器１０は、前記Nd:YVO４レーザのほかにもNd、Yb、Cr、Tiなどの金属イオンをドープした固体レーザ結晶、セラミック、ガラスを利用した赤外レーザ出力やその出力を増幅後してから、非線形光学結晶により、波長変換（第二高調波や和周波、差周波）を発生させた光源が考えられる。たとえば、Nd:YAG、Nd:YVO４、Nd:YLF、Nd:YALO、Nd:GLASS、Nd:FAP、NLP、ないしは、Yb:YAG、Yb:YVO４、Yb:GLASSなどがある。
【００４１】
また、第１のレーザ発振器１０は、半導体レーザにより励起された、希土類元素ドープのファイバーレーザの第２高調波を発生してもよい。また、第１のレーザ発振器１０は、半導体レーザにより励起された、希土類元素ドープのファイバー増幅器で増幅されたレーザ光の第２高調波を発生してもよい。
【００４２】
増幅器１２としては、エンドポンプ型のほか、サイドポンプ、光ファイバーなどが考えられる。
【００４３】
これらの第１のレーザ発振器１０（赤外パルスレーザ）は、光源自体のパルス動作の他、Ｑスイッチ、光ファイバー、或いは過飽和吸収体によりパルス動作するものでもよい。
【００４４】
過飽和吸収体は、基本波レーザ１１が連続波励起であるときにパルス発振させるものであり、Cr:YAGなどの誘電体材料のほかに、半導体過飽和吸収体として知られるSESAM（semiconductor saturable-absorber mirror）を用いることができる。このSESAMについては、「J.Opt.Soc.Am.B/Vol.16,No.3/March 1999 P376-P388」に開示されている。
【００４５】
また、第１のレーザ発振器１０自体である励起光源は、GaAs系(GaAlAs)、InGaAlP系などの半導体をパルス駆動した光源であっても良い。また、GaN系(InGaN、AlGaN)、AlN系などの短波長の半導体をパルス駆動した光源であっても良い。これらの場合、パルス駆動することで、見かけの閾値が下がり、また、熱特性を改善することができ、効率向上に役立つ、または、パルスでしか駆動できない高出力のものも利用できる。吸収波長に応じて、Tiドープのレーザ（Ti:Sapphire）や、Crドープのレーザ（Cr:LiSAF、Cr:LiCAF）などに有効である。また、第１のレーザ発振器１０自体を、モードロックレーザ、繰返しの早いＱスイッチレーザとしてもよい。
【００４６】
また、第２のレーザ発振器２０の共振器内または外部に置かれた共振器において、更なる波長変換用結晶を配置して、和周波発生、差周波発生、第二高調波を発生させれば高い効率で波長変換が可能となる。
【００４７】
なお、前記図１に示した第２のレーザ発振器２０のような定在波型共振器では、空間ホールバーニングによりゲインの空間分布が均一でなくなるため、縦多モード発振しやすいことがある。そこで、図１１に示すような1/4波長板（３１、３１’）を固体レーザ媒質２１の両側に配置したツイストモード法を適用した第２のレーザ発振器３０を用いてもよい。この第２のレーザ発振器３０を用いることにより、レーザ光発生装置は、縦多モード発振を抑えることができるので、波長制御を行いやすくなる。
【００４８】
また、図１２に示すような第２のレーザ発振器４０を用いてもよい。この第２のレーザ発振器４０は、ミラー数（４１、４２）を増やしたり全反射を用いるなどにより一方向リング型共振器を構成し、空間ホールバーニングを低減する。特に、一方向発振のために４３で示すファラデーローテータと波長板の組合せを配置している。このほか、記載しない複屈折フィルタ、エタロン、レファレンス共振器を配置するなどの手段が必要な用途もある。また、固体レーザ媒質２１はブリュースターカットされている。これは偏光制御をして一方向発振する場合に好適であるが、減反射コートされた平行な対抗面を有するものであっても良い。
【００４９】
また、第２のレーザ発振器２０，３０及び４０に搭載された固体レーザ媒質２１は、チタンイオン又はクロムイオンをドープされた固体レーザ媒質であってもよい。
【００５０】
また、第２のレーザ発振器２０，３０及び４０を構成する共振器中に、更なる波長変換用結晶を配置し、第２のレーザの第２高調波を発生するようにしてもよい。また、同様に、第２のレーザ発振器２０，３０及び４０を構成する共振器中に、更なる波長変換用結晶を配置し、和周波、又は差周波を発生するようにしてもよい。
【００５１】
また、図１２に示すような第２のレーザ発振器２０，３０及び４０を構成する共振器に、外部から安定したレーザー光を注入してもよい。この場合、共振器内にファラデーローテータなどの素子が不要になる場合もある。縦単一周波数の連続波光源と、インジェクションロッキングの技術を用いることで、波長の安定なレーザ光を増幅可能である。第２のレーザ共振器がリング共振器であるときに、発振光のゲインのある波長の光を外部より導入し、インジェクションロッキングすれば、自動的に片方向の光を発振させ、増幅して、高出力連続波光を得ることが可能になる。
【００５２】
また、図示しないが第１のレーザ発振器を複数台用意して、これらを第２のレーザ発振器の励起に用いることも有効である。第２のレーザ発振器のレーザ媒質を励起する際に、対抗する２方向から入射させる方法、角度をわずかに変えて同じ方向から励起する方法、これらの複合方法、あるいは側方からの励起方法により、さらなる高出力化が可能になる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ光発生装置及びレーザ光発生装置によれば、パルス光を発生する第１のレーザ発振手段は第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆrよりも高い繰り返し周波数ｆpのパルス光を発生し、第２のレーザ発振手段はそのパルス光によって励起されるので、発生効率、励起効率、又は、波長変換効率の高いパルス光源を利用でき、ほぼ連続波レーザ光の出力を得ることで、効率の高い連続波レーザを実現できる。また、連続波レーザしか許容できない損傷しやすい光学素子、対象物などに対し、パルスの励起光源を用いても、これをレーザを介することで損傷を低減できる連続波出力を得る事ができる。さらに波長変換して短波長、長波長の光を得るときに、その波長における連続波光源を、高効率に得ることができ、さらに損傷しにくい連続波光を得る事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態となる、レーザ光発生装置の構成を示す図である。
【図２】レーザ光発生装置における、第２のレーザ発振器の出力応答特性図である。
【図３】チタンサファイヤレーザ結晶の吸収、発光特性図である。
【図４】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを200kHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図５】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを500kHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図６】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを1MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図７】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを2MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図８】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを5MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図９】パルス励起光Ｐulのパルス繰返し周波数ｆpを10MHzとしたときの、出力光の立ち上がり過渡応答特性図である。
【図１０】励起用パルスの波形を示す図である。
【図１１】ツイストモード法を適用した第２のレーザ発振器の構成図である。
【図１２】一方向リング型共振器を構成した第２のレーザ発振器の構成図である。
【符号の説明】
１ レーザ光発生装置、１０ 第１のレーザ発振器、１１ 基本波レーザ、１２ 増幅器、１４ 非線形光学結晶、１５ 波長分離ミラー、２０ 第２のレーザ発振器、２１ 固体レーザ媒質、２２，２３ ミラー
Claims (10)
- パルス光を発生する第１のレーザ発振手段と、
前記第１のレーザ発振手段からのパルス光によって励起される、第２のレーザ発振手段とを備え、
前記第１のレーザ発振手段は前記第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆｒよりも３倍以上高い繰り返し周波数ｆｐのパルス光を発生し、前記第２のレーザ発振手段は前記パルス光によって励起されて略連続波のレーザ光を出力するレーザ光発生装置。 - 前記第２のレーザ発振手段は、平均値±２０％以内の変動に抑えられた略連続波のレーザ光を出力する請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第１のレーザ発振手段はパルスデューティ比が０．０１以下であるパルス光を発生し、前記第２のレーザ発振手段は前記パルスデューティ比が０．０１以下であるパルス光によって励起される請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第２のレーザ発振手段は、共振器内に非線形光学結晶素子を有し、この非線形光学結晶素子による波長変換されたレーザ光を出力する請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第１のレーザ発振手段は、半導体レーザによって励起された固体レーザからのレーザ光、またはそのレーザ光を増幅した増幅レーザ光を発生し、発生したレーザ光または増幅レーザ光を波長変換素子に導いて第２高調波レーザ光を出力し、その出力光である第２高調波レーザ光を前記第２のレーザ発振手段に入射する請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第１のレーザ発振手段は、半導体レーザからの半導体レーザ光、または半導体レーザ光を波長変換素子により波長変換した出力レーザ光を、前記第２のレーザ発振手段に入射する請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第１のレーザ発振手段は、半導体レーザによって励起された、希土類元素ドープのファイバーレーザにより第２高調波レーザ光を発生し、前記第２のレーザ発振手段に入射する請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第１のレーザ発振手段は、過飽和吸収体を含む固体レーザにより前記パルス光を発生し、前記第２のレーザ発振手段に入射する請求項１記載のレーザ光発生装置。
- 前記第１のレーザ発振手段は、半導体過飽和吸収体を含む固体レーザにより前記パルス光を発生し、前記第２のレーザ発振手段に入射する請求項８記載のレーザ光発生装置。
- パルス光を発生する第１のレーザ発振手段と、前記第１のレーザ発振手段からのパルス光によって励起される第２のレーザ発振手段とを用いてレーザ光を発生するためのレーザ光発生方法であって、
前記第１のレーザ発振手段には前記第２のレーザ発振手段の緩和発振周波数ｆｒよりも３倍以上高い繰り返し周波数ｆｐのパルス光を発生させ、前記第２のレーザ発振手段には、平均値±２０％以内の変動に抑えられた略連続波のレーザ光を出力させるレーザ光発生方法。
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