JP4446300B2 - 第５高調波発生装置 - Google Patents

Description

本発明は第５高調波発生装置に関する。更に詳しくは、固体レーザー発振器から効率的に第５高調波を発生させてコヒーレントＵＶ光を得る第５高調波発生装置に関するものである。

従来、コヒーレントＵＶ光を得るためにエキシマレーザーやＦ２レーザーなどのガスレーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーなどの赤外レーザー光を非線形光学結晶に導入して高調波を発生させる装置がある。しかし、ガスレーザーは装置が大型であり、また放電発生のために高電圧を使用するのでノイズの発生を伴い、安定な出力が得られにくい欠点がある。また、連続発振光を直接得ることは不可能であるという欠点もあった。一方固体レーザーで赤外線レーザーを発生させ、このような非線形光学素子を用いて高調波出力を発生する方法では、高周波を発生させる際の変換効率が不十分なために、基本波である赤外線から高調波を発生する度にレーザーのパワーが低下し、２倍波、３倍波、４倍波と周波数の変換を重ねるにつれて出力は次第に減衰することになる。このために実用的な効率で得られるのは第４高調波までであって、第５高調波を実用的効率で発生させることはできなかった。

第４高調波を発生させるレーザー装置には、幾つかの方式がある。ＣＷレーザー光を用いる代表的な方法によれば、まず、単一縦モードＣＷ発振するＮｄ：ＹＡＧレーザーのレーザー光を非線形光学結晶によって第２高調波のＣＷグリーン光に変換し、次に、このグリーン光を非線形光学結晶を内蔵した第２の共鳴共振器に導入して第４高調波を得る。当該第２の共鳴共振器では、共振器の光路長を入射光の波長と一致させるとともに共振器内部の電場強度を高めて非線形結晶の変換効率を増大させることで、第４高調波の出力変換効率を高め、結果的に実用レベルのＵＶＣＷ出力を得ている。

パルスレーザー光を用いた代表的方法としては、パルスレーザー発振光を用いて非線形光学結晶によって第２高調波発生を２度行って第４高調波を発生する方法や、第２高調波と基本波の和周波発生により３倍波を発生させ、これと基本波の和周波発生により第４高調波を発生する方法などが実用化されている。しかし、上記いずれの方法による場合も、第５高調波を発生させるには変換効率が不十分であって、第５高調波を発生させる実用的な方法がなかったことは記述のとおりである。
特開２００３−５０４１２号 米国特許第４８２６２８３号 米国特許第５８３５５１３号 米国特許第５８５０４０７号 米国特許第５８９８７１７号 米国特許第５９３６９８３号 米国特許第６００２６９７号 米国特許第６０６１３７０号 米国特許第６２２９８２９号 米国特許第６５３２１００号 米国特許第６５８４１３４号 米国特許第６５８７４８７号

レーザーの応用技術分野、例えば半導体、通信、医用、微細加工、理科学分野、特に半導体分野の微細加工プロセス、検査工程や装置の検査等のために、益々短波長のレーザー光源が要求されている。本発明は、この需要にこたえるべく、実用的な高効率で短波長のＵＶレーザー光を得る方法を提供することを課題とする。本発明の他の課題は、特に効率的で小型のＵＶレーザー装置を提供することである。

本発明では、赤外線レーザー発振器が発生するレーザー光を非線形光学結晶素子を用いた第５高調波発生装置によって変換することにより短波長のＵＶ光源を得る。具体的には、少なくとも１つの第１のレーザー共振器１内に設置したレーザー利得媒体によって基本波ビームを発生させ、この基本波ビームを第１の非線形光学素子に導入して第２高調波を発生させ、この第２高調波を第２の非線形光学素子に導入して第４高調波を発生させ、第４高調波と基本波を第３の非線形光学素子に導入して光混合し和周波出力として第５高調波を発生させる。
前記第２の非線形光学素子は前記第１のレーザー共振器外に設けられたものであっても良く、前記第３の非線形光学素子は前記第１の共振器内に設けられたものであっても良い。

本発明の効果として、基本波の高いパワー密度と非線形光学結晶による第４高調波から第５高調波への変換効率の高い光混合を利用することによって、実用的な高効率でしかも小型の装置で短波長ＵＶレーザー装置を実現できることが挙げられる。

以下、本発明の実施の形態について、図１、図２を用いて説明する。

（実施例１）
本発明の実施例の基本構成を図１に示す。レーザー共振器を構成する１組の共振器ミラーは、ミラー１、６と内部光路の折り返しミラー２、５とから構成され、ミラー２、５の間の光軸上にレーザー媒質を設置し、ミラー５とミラー６の間には第３の非線形光学結晶であるＳＦＧ結晶を設置してレーザー発振器を構成する。

レーザー発振はミラー１、２、５、６により形成されるレーザー発振器内の光学経路を、レーザー媒質に特有の発振波長である基本波（周波数ω）のビームが多数回往復反射を行なうことによって行われる。高反射ミラー１は基本波周波数ωと第２高調波周波数２ωに対しては高反射率、共振器ミラー６は基本波に対しては高反射率、第５高調波の周波数５ωに対しては高い透過率を持った反射防止コーティングを施した特性を有し、ダイクロイックミラー２は基本波には高反射率、第２高調波には高い透過率特性を有し、ダイクロイックミラー５は基本波には高い反射率を有し、第４高調波の周波数４ωに対しては高い透過率を有する。更に該ミラー２を透過したビームの進行方向には、ミラー３が該ビーム方向に対して４５度に設置され、該ビームが反射した方向には第２の非線形光学結晶であるＦＨＧ結晶が置かれている。さらにＦＨＧ結晶を透過したビームはミラー４で９０度の方向に反射され、元のレーザー共振器のミラー５の方向に進行する。

ミラー３は第２高調波周波数２ωに対しては高い反射率を有し、同様にミラー４は第４高調波周波数４ωに対しては高い反射率を有する。第２高調波発生用の第１の非線形光学結晶であるＳＨＧ結晶がミラー１とミラー２の光軸上に設置される。レーザー媒質はミラー２とミラー５の間の光軸上に設置される。第４高調波用の第２の非線形光学結晶であるＦＨＧ結晶はミラー３とミラー４の間に設置される。第４高調波と基本波の和周波発生用の第３の非線形光学結晶はミラー５とミラー６の間に設置される。このような構成において動作を説明する。レーザー媒質は例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４などの結晶から構成され、図示していない光励起源、例えばレーザーダイオードやアークランプ、フラッシュランプ、その他のレーザー光の照射により励起される。

高反射ミラー１と出力ミラー６、折り返しミラー２、５によりレーザー共振器が形成されレーザー媒質で決まる周波数ωで発振し、基本波であるレーザー光を出力する。該基本波は本実施例では紙面に垂直な方向に偏光した偏波面で発振が起きるようにレーザー媒質を選択するか、共振器内に偏光要素を導入して偏光方向を規定する。この偏光した基本波はＳＨＧ結晶がタイプＩの第２高調波を発生する結晶であるとすれば第２高調波は紙面に平行で基本波に直交する偏波面でダイクロイックミラー２を通過し、ミラー３で反射してＦＨＧ結晶に入射し、結晶内で第４高調波に一部変換される。

ＦＨＧ結晶はタイプＩの周波数変換を行うので第４高調波のビームは、偏光方向が入射ビームである第２高調波の偏光方向に直交する方向に偏光されるので、紙面に平行な偏波面を有する。該ビームはミラー４で反射され、第４高調波の周波数４ωに対して高い透過率を持ったダイクロイックミラー５を透過して再びレーザー共振器の基本波の光軸と一致させられる。これら周波数ωと第４高調波の周波数４ωのビームは、紙面に平行な方向の偏光面を有し、同一軸上を伝播する２本のビームとして、和周波発生用の光混合非線形結晶に入射する。該結晶はタイプＩの動作用に結晶軸を選定されたＳＦＧ結晶である。これらのビームは結晶内を伝播するにつれて一部のビームエネルギーが第５高調波の周波数５ωに変換され、偏光方向が入射ビームの基本波と第４高調波の偏波面に対して直交した方向に偏光した直線偏光ビームとしてミラー６に向けて放射される。

ミラー６はこの周波数５ωの第５高調波ビームに対して高い透過率を備えているので、第５高調波の周波数５ω成分は透過してビーム７として出力ビームが得られる。基本波の周波数ωの成分はミラー６で元の方向に反射され、さらにミラー５で反射されてからレーザー媒質の方向にもどりレーザー共振器内の基本波の発振を継続するために用いられる。この第３の非線形光学結晶であるＳＦＧ結晶では、基本波の周波数ωの電界強度が高く、また基本波が共振器内を循環しているので、これに第４高調波の周波数４ωのビームが重畳して非線形作用により高い変換効率が得られる。基本波としてＮｄ：ＹＡＧレーザーやＮｄ：ＹＬＦ（基本波の波長はそれぞれ１０６４ｎｍ、１０４７ｎｍ）を用いた場合は第５高調波の波長はそれぞれ２１３ｎｍ、２０９ｎｍとなる。このときＳＨＧ結晶にはＬＢＯ結晶、ＫＴＰ結晶等を、ＦＨＧ結晶にはＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等を、ＳＦＧ結晶にはＢＢＯ結晶やＣＬＢＯ結晶等を用いることによって高出力の第５高調波周波数５ωのコヒーレントビームを得ることが出来る。レーザー媒質がＴｉ：サファイヤである場合には基本波を９６７ｎｍに波長選択して、第５高調波の波長として１９３.４ｎｍを得ることができる。このときＳＨＧ結晶にはＬＢＯ結晶等を、ＦＨＧ結晶にはＢＢＯ結晶やＣＬＢＯ結晶等、ＳＦＧ結晶にはＢＢＯ結晶等を使用することで、高い変換効率のコヒーレントＵＶ光を得ることが出来る。なお、結晶はその他ＬｉＮｂＯ_３、ＢａＮａ（ＮｂＯ_３）、ＬｉＯ_３、ＫＤＰなども特性に併せて使用が可能である。

（実施例２）
本発明の実施例２を図２に示す。第４高調波を得るためにミラーＭ１〜Ｍ４を有する共鳴型外部共振器を利用した例を示す。図１においてＦＨＧ結晶は、１パスで高調波を発生するものであるが、図２では周波数の倍化のために、レーザー発振器とは別に外部共振器を構成し、この共振周波数を入射ビームの周波数に整合させて、共振器内部の電界強度を増大させて、非線形光学結晶による周波数変換効率を向上させる。

基本波の波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ結晶を内蔵したレーザー共振器の構成は、基本波周波数ωと第２高調波２ωに対して高反射率を有するミラー１、第２高調波周波数２ωには高透過率で、基本波周波数ωには高反射率であるミラー４、基本波周波数ωには高い反射率であるミラーＭ６とミラーＭ５を有している。さらに共振光路内に設置された第１の非線形光学結晶であるＳＨＧ結晶としてＬＢＯ結晶が第２高調波発生用の結晶として用いられる。該ＳＨＧ結晶によって第２高調波である波長５３２ｎｍのグリーンビームが発生され、ミラー４から放出される。これがミラー１７、リレーレンズ１５、１４ミラー１３を経由して共鳴型外部共振器Ｍ１〜Ｍ４に導入される。

共振器ミラーＭ４は圧電素子１２により共振器の光路長を、入射レーザービームの波長に共鳴整合するように調整される。ミラーＭ３は第４高調波周波数４ωには高透過率であり、第２高調波２ωには高反射率である。ミラーＭ１、ミラーＭ２、ミラーＭ４は第２高調波周波数２ωに対して高反射率を有する。この４枚のミラーＭ１〜Ｍ４で構成された共振器の共鳴条件が整うと入射ビームである第２高調波のビームにより入射ビーム電界の約１００倍程度の強い電界強度が共鳴共振器内に成長し、そこに第２の非線形光学結晶としてＣＬＢＯ１が設置されると効率的に周波数が倍化され、波長２６６ｎｍの第４高調波がミラーＭ３から外部に放出される。ミラーＭ３は第２高調波に対しては高い反射率であるが、第４高調波の波長には高い透過率のコーティングを施しているので、第４高調波が該ミラーＭ３から放出される。また第２高調波に対してミラーＭ２は高い反射率であっても、共鳴共振器の共振波長がこの波長に一致すれば共振器内部に高い効率でパワーの結合が起こることは干渉理論から証明される。

第４高調波のビームはリレーレンズＬ３、Ｌ４、ミラー１０、ミラー１１、ミラー１８、ミラー１６により伝送され、レンズＬ５で和周波混合用の第３の非線形光学結晶ＣＬＢＯ２に入射する。このとき該第４高調波のビームは結晶内の基本波ビームのモード体積に整合するように導かれる。その結果、基本波と第４高調波の光混合により周波数５ωとして第３の非線形光学結晶ＣＬＢＯ２の結晶から第５高調波が出力される。該第５高調波はレーザー共振器外に放射され、これは基本波とは異なる方向である。この構成で１/２波長板は第４高調波の直線偏光方向を９０度回転するための素子である。なお、結晶は実施例に用いた結晶に限らず、その他ＬｉＮｂＯ_３、ＢａＮａ（ＮｂＯ_３）、ＬｉＯ_３、ＫＤＰなども特性に併せて使用が可能である。

本発明の活用例として、パルスレーザー発振からの高調波発生ばかりでなく、ＣＷレーザー発振から高調波発生させる場合でも、非線形光学結晶ＣＢＯ、ＣＬＢＯ１、ＣＬＢＯ２などを何れも高い電界強度の場に設置でき、非線形効果を十分高くでき、高い変換効率が得られるので、第５高調波発生においても高い変換出力が得られる。第２の実施例では、波長２１３ｎｍにおいて出力２００ｍＷのＣＷ出力が得られ、この値は従来のＣＷ出力では得られない高い出力である。本発明の実施例は何れも固体レーザー発振器が１ユニットの構成で第５高調波発生が高効率で実現できるので、装置の小型化、コストも低くでき、出力の安定性も確保できるなど実用的に有利なコヒーレントＵＶ光源が得られる。これは半導体プロセス分野でのリソグラフィ、微細加工プロセス、微細計測用途、医用、バイオ科学、理科学などの分野に短波長光源を利用することができ実用的な価値は大きい。

図１は実施例１の概略構成図である。 図２は実施例２の構成図である。

符号の説明

１〜６、１０、１１、１３、１７、１８、Ｍ１〜Ｍ６・・・ミラー
７・・・第５高調波ビーム
ω・・・レーザー発振器基本波周波数
１２・・・圧電素子
Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、１４、１５・・・レンズ

Claims (5)

1. レーザー媒質が内部に設置され、該媒質特有の発振波長である基本波で発振する、レーザー共振器と、
   該基本波から第２高調波を発生させる第１の非線形光学結晶と、
   第２高調波から第４高調波を発生させる第２の非線形光学結晶と、
   該基本波と第４高調波とから和周波を発生させる第３の非線形光学結晶とを有する、第５高調波発生装置において、
   第２の非線形光学結晶は該レーザー共振器外に設けられ、第３の非線形光学結晶は該レーザー共振器内に設けられたものである、装置。
2. 該レーザー共振器は第１のミラー及び第２のミラー及び内部光路折り返しミラーを構成する第３及び第４のミラーを有し、
   第１と第３とのミラーの間の光軸上に第１の非線形光学結晶を配置し、第２と第４とのミラーの間の光軸上に第３の非線形光学結晶を配置し、第３と第４とのミラーの間の光軸上に該レーザー媒質を設置し、
   該基本波のビームが第１共振器内の第１及び第２ミラー間で多数回往復反射を行い、
   第１のミラーは基本波及び第２高調波に対して高反射率、第３のミラーは基本波に対しては高反射率、第２高調波に対しては高い透過率を有し、
   第３のミラーで透過した第２高調波から第２の非線形光学結晶によって第４高調波が発生され、該第４高調波と第１及び第２ミラー間で多数回往復反射を行う該基本波とから第３の非線形光学結晶によって第５高調波が発生する、請求項１記載の装置。
3. さらに、
   第４のミラーは、基本波に対しては高反射率、第４高調波に対しては高い透過率を有するダイクロイックミラーであり。
   第２のミラーは、基本波に対しては高反射率、第５高調波に対しては高い透過率有するダイクロイックミラーであり、
   更に第５及び第６のミラーを有し、
   第３のミラーを透過したビームの進行方向には、第５のミラーが該ビーム方向に対して４５度に設置され、該ビームが反射した方向には第２の非線形光学結晶が設置されて第２高調波から第４高調波が発生し、さらに第２の非線形光学結晶を透過した第４高調波ビームが第６のミラーで９０度の方向に反射され、第４の共振器のミラーの方向に進行し、第４のミラーを透過して、前記基本波の光軸と一致させられて第３非線形光学結晶に入射し、第３非線形光学素子で発生した第５高調波ビームが、第２のミラーを透過することにより出力される、請求項２記載の装置。
4. 第１及び第２の非線形光学結晶がタイプＩの周波数変換を行うものであり、第３の非線形光学結晶がタイプＩの動作用に結晶軸が選定されている、請求項３記載の装置。
5. 第２及び第４のミラーは、前記基本波に対しては高反射率を有し、
   第２の非線形光学結晶が共鳴型共振器に設置されたものであり、第４高調波のビームが第３の非線形光学結晶に入射する際、該結晶内の前記基本波ビームのモード体積に整合するように導かれ、発生した第５高調波ビームが該基本波と異なる方向の該レーザー共振器外に放射される、請求項２記載の装置。

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