JP5194795B2 - レーザ光源のスタンバイ方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザから発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、その後、波長変換素子を用いた波長変換光学系により深紫外光を形成するレーザ光源をスタンバイさせる方法（高速にオン・オフさせる方法を含む）に関するものである。

レーザ光は近年において種々の用途に用いられており、例えば、金属の切断や加工を行ったり、半導体製造装置におけるフォトリソグラフィ装置の光源として用いられたり、各種測定装置に用いられたり、外科、眼科、歯科等の手術および治療装置に用いられたりしている。

このようなレーザ光源として固体レーザ（本明細書においては、半導体レーザ（ダイオードレーザを含む概念として使用する））を用いる場合、固体レーザから放出されるレーザ光の波長は、可視領域から赤外領域であり、直接紫外光を発生させる方法は確立されていない。例えば検査装置に使用するには、波長が長すぎて向いていない。そこで、このような固体レーザから放出される長波長の光を、非線形光学結晶を用いることにより短波長の深紫外光（例えば８倍波：波長193nm）に変換して用いる方法が開発され、例えば特開２００１−３５３１７６号公報（特許文献１）に記載されている。このような目的に用いられる非線形光学結晶としては、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶等が知られている。

このようなレーザ光源においては、たとえばＤＦＢ−ＬＤから発生するレーザ光を複数の光ファイバ増幅器（ＦＤＦＡ）を用いて増幅し、その後、上記のような波長変換光学系により深紫外光にするのが一般的である。
特開２００１−３５３１７６号公報

このような目的に使用される光ファイバ増幅器、特にErを添加した波長1.55μｍの光を増幅する光ファイバ増幅器は、高出力動作時に多量の熱を発生する。また、このような光ファイバ増幅器をオン・オフすると大きな温度変化が発生し、その際にさまざまな不安定状態を引き起こす。このような光ファイバ増幅器を小型のパッケージに納めて使うと、高出力動作の後段の光ファイバ増幅器の発熱により筐体の温度が上昇し、それにつれて低出力動作の発熱していない前段の光ファイバの温度も上昇する。光ファイバの温度が上昇すると、それにつれて、光ファイバ増幅器から出力される光の偏光の状態が変化する。偏光の状態が変化すると、光ファイバ増幅器からの出力が入力される波長変換光学系における変換効率が変化し、最終的に得られるレーザ出力光が変動するという問題がある。

従って、従来は、このようなレーザ光源の使用を開始する前に、十分な時間のウォームアップを行い、熱的平衡が確立し、最終的に得られるレーザ出力光の変動が許容範囲に収まってから使用を開始する方法が行われていた。しかし、熱的平衡が確立するまでに２４時間程度を必要とする場合があり、その長さが問題となっていた。

この対策として、レーザ光源からの出力光を使用しない間でも、常にレーザ光源を出力状態にしておく方法が考えられる。しかしながら、レーザ光源をオン状態にしておくと、深紫外光発生部分に使用される波長変換素子又はレンズ等の光学素子がダメージを受けるので、出力光を使用しないときにまで出力状態を保つことは、レーザ光源の短寿命化につながるという問題点がある。他の対策として、光ファイバ増幅器からの光が波長変換光学系に入る前に、機械的なシャッタで、レーザ光を遮ることが考えられる。しかしながら、この場合には、波長変換光学系の熱的平衡が崩れ、その結果、最終的に得られるレーザ出力光の変動が避けられないという問題点がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、レーザ発振部から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、その後、波長変換素子を用いた波長変換光学系により波長変換するレーザ光源の立ち上げ時間を短縮することが可能な、レーザ光源のスタンバイ方法、及びより高速にオン・オフを行う方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、レーザ発振部から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、波長変換素子を用いた波長変換光学系により波長変換し、深紫外光を形成するレーザ光源をスタンバイさせる方法であって、スタンバイ時には、前記光ファイバ増幅器を熱平衡状態とするように通常使用される場合とほぼ同じ出力のレーザ光を前記光ファイバ増幅器に入射させるとともに、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させて深紫外光の発生を抑えることを特徴とするレーザ光源のスタンバイ方法である。

波長変換素子の波長変換効率を低下させると、発生する変換された周波数の光の出力が下がり、特に、深紫外光はほとんど発生しなくなる。よって、深紫外光によって波長変換素子がダメージを受けることが極めて少なくなる。レーザ光源をスタンバイ状態から使用状態にするには、波長変換素子の波長変換効率を元に戻すことによって、迅速に使用状態とすることができる。

なお、本明細書及び請求の範囲において「波長変換素子の波長変換効率を低下させる」とは、完全に０となる場合を含む意味に使用している。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させる方法が、前記レーザ発振部を構成する半導体レーザの少なくとも１つの、発振波長を制御する温度を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の温度と異なる温度にし、前記レーザ発振部から発生するレーザ光の波長を変化させることであることを特徴とするものである。

なお、本明細書及び請求の範囲において、「レーザ光源が通常使用されている」とは、レーザ光源から所望のレーザ光が出力されていることをいう。

スタンバイ時に、半導体レーザの温度を、レーザ光源が通常使用されている場合の温度と異なる温度とすると、半導体レーザから発生するレーザ光（基本波）の波長が変化する。このようにしても、光ファイバ増幅器の出力はほぼ一定に保たれて波長変換光学系に入るので、光ファイバ増幅器及び波長変換光学系の熱的平衡は、レーザ光源の使用時と同等に保たれる。光ファイバ増幅器からの出力は、そのまま波長変換光学系に送られるが、波長が異なっているため波長変換効率が下がり、特に、深紫外光はほとんど発生しなくなる。よって、深紫外光によって波長変換素子がダメージを受けることが極めて少なくなる。スタンバイ状態から使用状態に移行する場合には、半導体レーザの温度を元に戻せばよい。温度の変化は僅かでよく、かつ、半導体レーザの熱容量が小さいので、スタンバイから使用状態への移行は迅速に行われる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記波長変換素子が温度位相整合結晶で構成され、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させる方法が、前記温度位相整合結晶の位相整合状態を崩すように、前記波長変換素子のうち温度制御されている波長変換素子の少なくとも１つの温度を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の温度と異なる温度することであることを特徴とするものである。

レーザ光源をスタンバイ状態にするときは、波長変換素子の温度を、レーザ光源が通常使用されている時の温度から変化させる。このようにすると、波長変換素子の位相整合状態が崩れ、波長変換効率が下がり、特に、深紫外光はほとんど発生しなくなる。よって、深紫外光によって波長変換素子がダメージを受けることが極めて少なくなる。スタンバイから使用状態に移行する場合には、波長変換素子の温度を元に戻せばよい。温度の変化は僅かでよく、かつ、波長変換素子の熱容量が小さいので、スタンバイから使用状態への移行は迅速に行われる。特に、波長変換光学系の前段で使用される温度位相整合結晶の温度を変化させることが好ましい。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、前記波長変換素子が非線形光学結晶であり、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させる方法が、前記非線形光学結晶の結晶軸と光軸とのなす角度を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の角度と異なる角度にする方法であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、複数のレーザ発振部から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、波長変換素子を用いた波長変換光学系により深紫外光を形成するレーザ光源をスタンバイさせる方法であって、スタンバイ時には、前記光ファイバ増幅器を熱平衡状態とするように通常使用される場合とほぼ同じ出力のレーザ光を前記光ファイバ増幅器に入射させるとともに、前記各レーザ発振部から発生するパルスレーザ光のタイミングの相対的な関係を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の相対的な関係からずらせることを特徴とするレーザ光源のスタンバイ方法である。

複数のレーザ発振部から発生するレーザ光から、波長変換素子を用いた波長変換光学系により深紫外光を形成するレーザ光源においては、これらの各レーザ発振部から発生するパルスレーザ光の位相を合わせて同一光路とし、波長変換素子に入射させることにより、波長変換を行っている。よって、各レーザ発振部から発生するパルスのタイミングの関係を、これらのレーザ光源が通常使用されている場合のタイミングからずらすと、この位相が合わなくなり、波長変換素子の変換効率が低下し、特に深紫外光はほとんど発生しなくなる。スタンバイ状態から使用状態にする場合には、位相が合うようにすることにより、極めて迅速に使用状態にすることができる。

なお、本手段において、レーザ発振部から発生するパルスのタイミングをずらすことによって制御を行っているので、nsecのオーダで制御が可能である。よって、「スタンバイ」状態の時間は極めて短くすることができ、例えばnescのオーダの時間を含む概念である。よって、本手段によれば、パルス単位でのオン・オフや、任意のパルスパターンの発生、パルスエネルギーの制御が可能になる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記レーザ発振部が半導体レーザと電気光学素子（ＥＯＭ）を有し、前記各レーザ発振部から発生するパルスレーザ光のタイミングの相対的な関係は、前記半導体レーザから発生するパルスレーザ光の相対的な関係、又は前記ＥＯＭによってパルス切り出しされるパルスレーザ光のタイミングの相対的な関係であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第５の手段であって、前記レーザ光源が、前記各レーザ光を、前記各レーザ発振器に対応して設けられた光ファイバ増幅器を用いて光増幅するものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ発振部から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、その後、波長変換素子を用いた波長変換光学系により波長変換するレーザ光源の立ち上げ時間を短縮することが可能な、レーザ光源のスタンバイ方法、及びより高速にオン・オフを行う方法を提供することができる。

本発明の第１実施の形態であるレーザ光源のスタンバイ方法を説明するための図である。 パルスの発生タイミングをずらせたときの８倍波のパルス波形を示す図である。

符号の説明

１…半導体レーザ、２…光ファイバ増幅器、３…集光レンズ、４…２倍波発生器、５…集光レンズ、６…３倍波発生器、７…集光レンズ、８…５倍波発生器、９…半導体レーザ、１０…光ファイバ増幅器、１１…集光レンズ、１２…２倍波発生器、１３…集光レンズ、１４…ダイクロイックミラー、１５…集光レンズ、１６…７倍波発生器、１７…８倍波発生器、１８…ＬＤ温度コントローラ、１９…ＬＤ温度コントローラ、２０…結晶温度コントローラ、２１…結晶温度コントローラ、２２…パルス発生器

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態であるレーザ光源のスタンバイ方法を説明するための図であり、レーザ光源の概要を示す図である。

第１の半導体レーザ１（ＤＦＢ−ＬＤ）から放出されたレーザ光（基本波）は、第１の光ファイバ増幅器２（ＦＤＦＡ）で増幅され、波長変換光学系に入る。波長変換光学系に入った光は、まず、集光レンズ３により、ＬＢＯからなる２倍波発生器４に集光され、２倍波発生器４からは、基本波と共に２倍波が発生する。これらの光は集光レンズ５により、ＬＢＯからなる３倍波発生器６に集光され、３倍波発生器６からは、２倍波と共に３倍波が発生する。これらの光は、集光レンズ７により、ＢＢＯからなる５倍波発生器８に集光され、５倍波発生器８からは５倍波が発生する。

一方、第２の半導体レーザ９（ＤＦＢ−ＬＤ）から放出されたレーザ光（基本波）は、第２の光ファイバ増幅器１０（ＦＤＦＡ）で増幅され、波長変換光学系に入る。波長変換光学系に入った光は、まず、集光レンズ１１により、ミラーＭを介してＬＢＯからなる２倍波発生器１２に集光され、２倍波発生器１２からは、基本波と共に２倍波が発生する。これらの光は、集光レンズ１３とダイクロイックミラー１４を通して、ＣＬＢＯからなる７倍波発生器１６に集光される。先に、５倍波発生器８から発生した５倍波は、集光レンズ１５を通り、ダイクロイックミラー１４で反射されて、７倍波発生器１６に集光される。７倍波発生器１６からは、７倍波が発生するが、２倍波と共に７倍波発生器１６に入った基本波はそのまま７倍波発生器１６を通過し、７倍波と基本波がＣＬＢＯからなる８倍波発生器１７に集光される。８倍波発生器１７からは８倍波が発生し、これがレーザ光源の出力となる。

第１の実施の形態においては、このようなレーザ光源をスタンバイさせるとき、半導体レーザ１と半導体レーザ９の温度を、レーザ光源からレーザ光（８倍波）を出力させているとき（レーザ光源が使用されているとき）の通常の温度（通常は常温程度）より３℃程度変化させる。半導体レーザ１と半導体レーザ９とは、それぞれＬＤ温度コントローラ１８、１９で温度制御されているので、その設定温度を変えることにより、温度変化を容易に実現することができる。３℃程度の温度変化で、半導体レーザ１，９から発生するレーザ光の波長は0.3nm程度変化する。この変化は、光ファイバ増幅器２と光ファイバ増幅器１０にはほとんど影響を与えないが、波長変換光学系の各波長変換素子での変換効率を変化させ、特に深紫外光はほとんど発生しなくなる。よって、レーザ光を波長変換光学系に入射させたままでも、波長変換素子がダメージを受けることが無くなる。

スタンバイ状態から使用状態（レーザ光（８倍波）を出力させる状態）に移るときは、ＬＤ温度コントローラ１８，１９の設定を変えて、半導体レーザ１と半導体レーザ９の温度を元に戻せばよいが、温度が元に戻るまでには１分以内程度しか要しないので、ウォームアップ時間を１分以内にすることができる。なお、スタンバイ時に温度を変化させるのは、半導体レーザ１と半導体レーザ９の両方でなくてもよく、そのうち任意の１個でも効果を有する。

どの程度の温度変化を与えればよいかは、波長変換光学系によって異なるので、波長変換光学系において深紫外光が問題になるほど発生しなくなるような温度変化を、実験的に決定して与えればよい。ウォームアップ時間を短縮する意味からは、温度変化はなるべく少なくすることが好ましい。

第２の実施の形態においては、このようなレーザ光源をスタンバイさせるとき、２倍波発生器４と３倍波発生器６と２倍波発生器１２の温度を、通常レーザ光源が使用されているときの温度より１℃程度変化させる。これら、２倍波発生器４，３倍波発生器６，２倍波発生器１２は、温度位相整合結晶であるＬＢＯから構成されており、赤外光を可視光にしたり、可視光をより波長の短い可視光にするのに用いられている。これらの波長変換素子は、結晶温度コントローラ２０，２１で温度制御（通常１２０℃〜１５０℃）されているので、温度を変化させるのは容易である（なお、他の波長変換素子も温度制御されているが、温度コントローラの図示を省略している。）。

温度を１℃程度ずらすと、これらの温度位相整合結晶の位相整合状態が崩れ、波長変換効率が低下する。従って、深紫外光の発生が大幅に低下し、深紫外光を扱う波長変換素子１６，１７の損傷を防止することができる。

スタンバイ状態からオペレーション状態に移るときは、結晶温度コントローラ２０，２１の設定を変えて、２倍波発生器４，３倍波発生器６，２倍波発生器１２の温度を元に戻せばよいが、温度が元に戻るまでには１分以内程度しか要しないので、ウォームアップ時間を１分以内にすることができる。なお、スタンバイ時に温度を変化させるのは、２倍波発生器４，３倍波発生器６，２倍波発生器１２全部でなくてもよく、そのうち任意の１個ないし２個でも効果を有する。７倍波発生器１６の温度を変化させても、ある程度の効果がある。しかし、なるべく前段の倍波発生器の温度を変化させる方が有効である。

どの程度の温度変化を与えればよいかは、波長変換光学系によって異なるので、波長変換光学系において深紫外光が問題になるほど発生しなくなるような温度変化を、実験的に決定して与えればよい。ウォームアップ時間を短縮する意味からは、温度変化はなるべく少なくすることが好ましい。

第３の実施の形態においては、このようなレーザ光源をスタンバイさせるとき、半導体レーザ１から発生するパルスのタイミングと半導体レーザ９から発生するパルスのタイミングを、各半導体レーザ１、９に信号を供給するパルス発生器２２の出力タイミングをずらすことにより、ずらす。波長変換光学系においては、半導体レーザ１から発生した基本波から形成された５倍波がダイクロイックミラー１４によって反射されて７倍波発生器１６に入射するタイミングと、半導体レーザ９から発生した基本波と、それから形成された２倍波が、ダイクロイックミラー１４を透過して７倍波発生器１６に入射するタイミングを同じとして、これらのうち２倍波と５倍波を重ね合わせ、それにより７倍波を効率良く発生させている。この半導体レーザ１から発生するパルスのタイミングと半導体レーザ９から発生するパルスのタイミングを、使用動状態のタイミングからずらせると、２倍波と５倍波の重なりが少なくなったり、全く重なり合わなかったりする。これにより、７倍波の発生効率が下がったり、７倍波が発生しなくなったりする。よって、深紫外光の発生が低下し、７倍波発生器１６や８倍波発生器１７にダメージを与えることがない。

スタンバイ状態から使用状態に戻すには、パルスの発生タイミングの相対的な関係を元に戻せばよく、瞬間的に使用状態に入ることができる。図２は、このようにしてパルスの発生タイミングをずらせたときの８倍波のパルス波形を示す図である。この場合、８倍波は、500nsec間隔で発生しているが、途中で１パルスが欠落しているところがある。この場所が、パルスの発生タイミングの相対的な関係を通常の使用状態からずらせた場所である。すなわち、この場合、500nsecで、スタンバイ状態から使用状態に移れることが分かる。又、このような方法を使用すれば、任意のパルス列のパターンを発生したり、個々のパルスのエネルギーを制御することも可能である。

又、半導体レーザ１及び半導体レーザ９の近傍にそれぞれ電気光学素子（ＥＯＭ）を配置し、各電気光学素子から発生するパルスレーザ光のタイミングを相対的にずらすために、電気光学素子のパルスレーザ光を切り出すタイミングを相対的にずらすようにしてもよい。この場合の、波長変換光学系に関する説明は、第３の実施の形態と同じである。

以上、３つの実施の形態について説明してきたが、本発明は、波長変換素子の波長変換効率を、何らかの方法で低下させれば成り立つものである。たとえば、波長変換素子が非線形光学結晶の場合は、その結晶軸と光軸とのなす角を変えるとか、波長変換光学系の各素子の位置的関係を変えるような方法でも、本発明を実現することができる。

Claims (7)

1. レーザ発振部から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、波長変換素子を用いた波長変換光学系により波長変換し、深紫外光を形成するレーザ光源をスタンバイさせる方法であって、スタンバイ時には、前記光ファイバ増幅器を熱平衡状態とするように通常使用される場合とほぼ同じ出力のレーザ光を前記光ファイバ増幅器に入射させるとともに、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させて深紫外光の発生を抑えることを特徴とするレーザ光源のスタンバイ方法。
2. 前記波長変換素子の波長変換効率を低下させる方法が、前記レーザ発振部を構成する半導体レーザの少なくとも１つの、発振波長を制御する温度を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の温度と異なる温度にし、前記レーザ発振部から発生するレーザ光の波長を変化させることであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源のスタンバイ方法。
3. 前記波長変換素子が温度位相整合結晶で構成され、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させる方法が、前記温度位相整合結晶の位相整合状態を崩すように、前記波長変換素子のうち温度制御されている波長変換素子の少なくとも１つの温度を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の温度と異なる温度することであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源のスタンバイ方法。
4. 前記波長変換素子が非線形光学結晶であり、前記波長変換素子の波長変換効率を低下させる方法が、前記非線形光学結晶の結晶軸と光軸とのなす角度を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の角度と異なる角度にする方法であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源のスタンバイ方法。
5. 複数のレーザ発振部から発生するレーザ光を、光ファイバ増幅器を用いて光増幅し、波長変換素子を用いた波長変換光学系により深紫外光を形成するレーザ光源をスタンバイさせる方法であって、スタンバイ時には、前記光ファイバ増幅器を熱平衡状態とするように通常使用される場合とほぼ同じ出力のレーザ光を前記光ファイバ増幅器に入射させるとともに、前記各レーザ発振部から発生するパルスレーザ光のタイミングの相対的な関係を、当該レーザ光源が通常使用されている場合の相対的な関係からずらせて深紫外光の発生を抑えることを特徴とするレーザ光源のスタンバイ方法。
6. 前記レーザ発振部が半導体レーザと電気光学素子（ＥＯＭ）を有し、前記各レーザ発振部から発生するパルスレーザ光のタイミングの相対的な関係は、前記半導体レーザから発生するパルスレーザ光の相対的な関係、又は前記ＥＯＭによってパルス切り出しされるパルスレーザ光のタイミングの相対的な関係であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源のスタンバイ方法。
7. 前記レーザ光源は、前記各レーザ光を、前記各レーザ発振器に対応して設けられた光ファイバ増幅器を用いて光増幅するものであることを特徴とする請求項５に記載のレーザ光源のスタンバイ方法。

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