JP5232884B2 - 紫外レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光源から出力した基本波光を波長変換結晶で紫外レーザに変換して放射する紫外レーザ装置に関する。

例えば３５５ｎｍの紫外レーザは、図９に典型例を示すように、レーザ光源である固体レーザ発振媒体８に発生させた波長１０６４ｎｍの基本波光２１と、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）などの波長変換結晶９で波長変換された波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２とを、ＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）などの波長変換結晶１０によってさらに波長３５５ｎｍの第三次高調波光２３に変換することで得られる。従来、この種の紫外レーザ装置１００は、紫外レーザである第三次高調波光２３と基本波光２１および第二次高調波光２２とが波長変換結晶１０や反射鏡４において同一の光路を通過する光学系となっている。そのため、共振器７の筐体３内に接着剤や配線などから発生する有機物が存在していると、紫外レーザによって有機物が分解され、波長変換結晶１０や反射鏡４の表面の光路となる部分Ｘに付着する。すると、付着物は基本波光２１の透過率や反射率を減少させたり、レンズ効果を生じて空間モードを設計から外れた方向に変化させたりして、結果的にレーザ出力を低下させることになる。

この問題を解決するために従来は、清浄な気体を常時共振器へ送り、有機物の密度を下げたり（特許文献１参照）、接着剤などの有機物を一切用いない設計としたり（特許文献２参照）していた。

特開平１０−２４４３９２号公報 特開平１０−１５３７４６号公報

しかしながら、特許文献１のように清浄な気体を常時共振器へ送るためには、気体供給装置が別途必要となり、レーザ装置全体が大きくなってしまう。また、気体供給装置の設置コストやランニングコストも高くなる。一方、特許文献２のように有機物フリーの設計とすると、光学素子をメタライズして低融点金属で融着するため、作業が煩雑となり、やはりコストアップに繋がるという欠点があった。

本発明は、このような問題点を解消するべく案出されたものであり、紫外レーザを放射する紫外レーザ装置において、分解された有機物によるレーザ出力の低下を簡単な構成で抑制し、製造コストの低減を図ることをその目的とする。

本願発明者らは、上記問題が波長３５５ｎｍの紫外レーザと波長１０６４ｎｍのレーザ光とが波長変換結晶の表面において同一部位を通過することに起因して生じることに着目し、波長３５５ｎｍの紫外レーザと波長１０６４ｎｍのレーザ光とが波長変換結晶の表面において同一部位を通過しなければ、波長３５５ｎｍの紫外レーザの光路部位に分解した有機物が付着しても、波長１０６４ｎｍのレーザ光には影響を与えないとの観点から、本発明を案出するに至った。

すなわち、上記課題を解決するために本発明は、基本波光（２１）を発生するレーザ光源（８）と、当該基本波光およびその高調波光（２２）のうち少なくとも一方を入射光として紫外レーザ（２３）に波長変換する波長変換結晶（１０）とを有する紫外レーザ装置（１）であって、基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方と紫外レーザとのどちらか一方を透過させ且つどちから他方を反射させる反射面（１４）を、波長変換結晶の内部に基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方の光軸（Ａ）に対して傾斜する向きに形成する構成とした。

この発明によれば、波長変換結晶の表面における基本波光或いはその高調波光の光路の部位と異なる部位から紫外レーザを取り出すことができる。そのため、紫外レーザの光路となる波長変換結晶の表面には有機物が付着し得るが、レーザ発振媒体より出力された基本波光或いはその高調波光の光路となる表面への有機物の付着は抑制され、結果的に紫外レーザ装置の出力低下を大幅に改善することができる。なお、紫外レーザの透過率は付着した有機物によって低下するが、低下率が１％程度に留まるため実用上問題になることはない。また、波長変換結晶の内部に反射面を形成するという簡単な構成で実現できるため、製造コストの上昇を抑制することができる。

また、本発明の一側面によれば、波長変換結晶は、反射面に対して一方に配置された第１結晶（１１）と、反射面に対して他方に配置された第２結晶（１２）とを含み、反射面は、第１結晶に設けられたコート（１３）により形成される構成とすることができる。

この構成によれば、波長変換結晶を第１および第２結晶の２部材により構成して一方の結晶の端面にコートを設けることで、容易に波長変換結晶の内部に反射面を形成することができる。

また、本発明の一側面によれば、第２結晶は、第１結晶に設けられたコートの表面にオプチカルコンタクトで一体接合された構成とすることができる。

この構成によれば、第１結晶と第２結晶とを接着剤などを用いずに接合できる。そのため、接着剤による有機物の発生やレーザ光への影響を排除できるとともに、第１結晶と第２結晶とを高精度で接合することができる。

また、本発明の一側面によれば、第１結晶は位相整合条件を満たす結晶切り出し角度を有し、第２結晶は第１結晶と異なる結晶切り出し角度を有する構成とすることができる。

この構成によれば、第２結晶の切り出し角度が位相整合条件を満たさないものになるため、反射面を通過した基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方が第２結晶を伝搬中に紫外レーザに波長変換されることはなく、その出射光路となる表面へ有機物が付着することを防止できる。

また、本発明の一側面によれば、反射面は、基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方を透過させるとともに、紫外レーザを反射させる構成とすることができる。

この構成によれば、基本波光或いはその高調波光の光路の直線部分に波長変換結晶を配置した従来と同様の簡単な構造で共振器を構成することができる。また、従来のように紫外レーザを取り出すための光学系を別途設ける必要もない。そのため、装置の小型化を実現することができる。

このように本発明によれば、紫外レーザを放射する紫外レーザ装置において、分解された有機物によるレーザ出力の低下を簡単な構成で抑制し、製造コストの低減を図ることができる。

実施形態に係る紫外レーザ装置の光学系の概略図 図１に示すＬＢＯ結晶の概略側面図 図１に示すＬＢＯ結晶の製造手順の説明図 第１変形例に係るＬＢＯ結晶の概略側面図 第２変形例に係るＬＢＯ結晶の概略側面図 第３変形例に係る紫外レーザ装置の光学系の概略図 第３変形例に係るＬＢＯ結晶の概略側面図 第４変形例に係るＬＢＯ結晶の概略側面図 従来の紫外レーザ装置の光学系の概略図

以下、本発明の実施の形態に係る紫外レーザ装置１について図１〜図３を参照しながら説明する。

図１に示すように、紫外レーザ装置１は、紫外レーザ用の出力窓２を有する筐体３内に反射ミラー４を介して対峙するように配置された一対の共振器ミラー５，６により構成される共振器７を有している。共振器ミラー５と反射ミラー４との間には、レーザ光源として固体レーザ発振媒体８（ここではＮｄ：ＹＶＯ_４）が配置される。この固体レーザ発振媒体８は、図示外の半導体レーザなどが発する励起光により励起され、誘導放出によって波長１０６４ｎｍのレーザ光を基本波光２１として出力する。

共振器ミラー５は、光励起用の波長のレーザ光を透過させ、波長１０６４ｎｍの基本波光２１を反射する特性とされている。共振器ミラー６は、波長１０６４ｎｍの基本波光２１を反射する特性とされており、反射ミラー４は、波長１０６４ｎｍの基本波光２１を反射し且つ波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２を透過させる特性とされている。

なお、ここで「反射」および「透過」とは、概ね全光量を反射させることおよび透過させることを意図するものだが、光量の大部分を反射或いは透過させればよく、全反射或いは全透過に限定されるものではない。

反射ミラー４と共振器ミラー６との間には、共振器ミラー６側から順にＫＴＰ波長変換結晶９およびＬＢＯ波長変換結晶１０が配置される。固体レーザ発振媒体８で発生した基本波光２１は、共振器７内で共振して増幅されるとともに、その一部がＫＴＰ波長変換結晶９により波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２に変換される。波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２は、反射ミラー４と共振器ミラー６との間において同軸上を通過し、ＬＢＯ波長変換結晶１０を通過する際にその一部が光混合され、和周波である波長３５５ｎｍの第三次高調波光２３（紫外レーザ）に変換される。なお、これら各波光２１〜２３は同軸上を通過するが、便宜上図中には軸直角方向にオフセットして示している。

図２に示すように、ＬＢＯ波長変換結晶１０は、略直方体形状を呈しており、基本波光２１およびその第二次高調波光２２の光軸Ａに対して傾斜する反射面１４をその内部に有している。反射面１４は、ここでは光軸Ａに対して４５度傾斜するように設けられており、波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２を透過させ且つ波長５３２ｎｍの第三次高調波光２３を反射させる特性とされている。なお、反射面１４をその内部に有するとは、ＬＢＯ波長変換結晶１０が、入射する光を反射面１４以外では反射させないように構成されたことを意味するものであり、具体的には、単一の光学部材や、離間することなく互いに密接しまたは一体となった複数の光学部材、或いは、入射する光の光軸方向について、入射光のうち最も波長の短い光すなわち第二高調波２２の波長５３２ｎｍよりも小さな離間距離をもって近接配置された複数の光学部材から構成されることを意味する。

したがって、第１の面１０ａからＬＢＯ波長変換結晶１０へ入射した基本波光２１および第二次高調波光２２は、ＬＢＯ波長変換結晶１０内を直進して反射面１４を通過し、光軸Ａ上の反対側に位置する第２の面１０ｂから出射する。一方、ＬＢＯ波長変換結晶１０内で発生した波長３５５ｎｍの第三次高調波光２３は、反射面１４で反射することでＬＢＯ波長変換結晶１０内において伝搬方向を９０度転換し、ＬＢＯ波長変換結晶１０の第３の面１０ｃ（図中上側の側面）から直角に出射する。そして、出力窓２（図１参照）を介して筐体３の外部へ放出される。

なお、ＬＢＯ波長変換結晶１０は、図３に示すように、基本波光２１および第二次高調波光２２の光軸Ａに対してそれぞれ４５度傾斜する傾斜面１１ａ，１２ａを有する第１ＬＢＯ結晶１１および第２ＬＢＯ結晶１２を用意し、第１ＬＢＯ結晶１１の傾斜面１１ａに誘電体多層膜１３を設けることで、第１ＬＢＯ結晶１１と誘電体多層膜１３との界面に反射面１４を形成し、誘電体多層膜１３の表面に第２ＬＢＯ結晶１２をオプチカルコンタクトで一体接合することにより形成することができる。

ここで、第１ＬＢＯ結晶１１は、入射された光すなわち基本波光２１および第二次高調波光２２の位相と、発生した第三次高調波光２３の位相とが、光路のすべてでそろう位相整合条件を満たす結晶切り出し角とされており、第２ＬＢＯ結晶１２は、第１ＬＢＯ結晶と異なる結晶切り出し角度すなわち位相整合条件を満たさない結晶切り出し角とされている。そのため、反射面１４を通過した基本波光２１および第二次高調波光２２が第２ＬＢＯ結晶１２を伝搬中に第三次高調波光２３に波長変換されることはなく、その出射光路となる第２の面１０ｂへ有機物が付着することが防止される。

なお、ＬＢＯ結晶は熱膨張率が大きく、結晶の方位によっても熱膨張率が異なるため、第１ＬＢＯ結晶１１と第２ＬＢＯ結晶１２との結晶切り出し角度が大きく異なると、オプチカルコンタクトで一体接合された第２ＬＢＯ結晶１２が膨張率の差によって剥離する危険性が増大する。そのため、第２ＬＢＯ結晶１２の結晶切り出し角は、位相整合許容角の範囲外で可能な限り第１ＬＢＯ結晶１１の結晶切り出し角に近いことが好ましい。このような理由から、第２ＬＢＯ結晶１２の結晶切り出し角は、ここでは第１ＬＢＯ結晶１１の結晶切り出し角に対して１〜５°程度異なるように設定されている。

このように、ＬＢＯ波長変換結晶１０が第三次高調波光２３を反射する反射面１４をその内部に有することにより、基本波光２１の光路となるＬＢＯ波長変換結晶１０の第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂと異なる面（第３の面１０ｃ）から紫外レーザを出射させることができる。そのため、紫外レーザの光路となるＬＢＯ波長変換結晶１０の第３の面１０ｃには有機物が付着し得るが、固体レーザ発振媒体８より出力された基本波光２１の光路或いはＫＴＰ波長変換結晶９より出力された第二次調波光２２の光路となるＬＢＯ波長変換結晶１０の第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂには有機物が付着することはなく、これら基本波光２１或いは第二次高調波光２２の透過率が低下することはないので、結果的に紫外レーザ装置１の出力低下を大幅に改善することができる。

なお、紫外レーザの透過率はＬＢＯ波長変換結晶１０の第３の面１０ｃに付着した有機物によって低下するが、低下率は１％程度に留まるため実用上問題になることはない。また、ＬＢＯ波長変換結晶１０の内部に反射面１４を形成するという簡単な構成で紫外レーザを基本波光２１および第二次高調波光２２から分離できるため、紫外レーザ装置１の製造コストの上昇を抑制することができる。

一方、第１ＬＢＯ結晶１１および第２ＬＢＯ結晶１２の２部材によりＬＢＯ波長変換結晶１０を構成し、第１ＬＢＯ結晶１１の傾斜面１１ａに誘電体多層膜１３をコートすることで、容易にＬＢＯ波長変換結晶１０の内部に反射面１４を形成することができる。また、誘電体多層膜１３に第２ＬＢＯ結晶１２をオプチカルコンタクトで一体接合することで、第１ＬＢＯ結晶１１と第２ＬＢＯ結晶１２と接着剤などを用いずに接合することができる。そのため、接着剤による有機物の発生や基本波光２１或いは第二次高調波光２２への影響を排除できるとともに、第１ＬＢＯ結晶１１と第２ＬＢＯ結晶１２とを高精度で接合することができる。

そして、反射面１４が基本波光２１および第二次高調波光２２を透過させるとともに、第三次高調波光２３を反射させるため、基本波光２１および第二次高調波光２２の光路の直線部分にＬＢＯ波長変換結晶１０を配置した従来同様の簡単な構造で共振器７を構成することができる。そのため、従来のように紫外レーザを取り出すために別途の光学系を設ける必要がなく、紫外レーザ装置１の小型化を実現することができる。

さらに、反射面１４が基本波光２１の光軸Ａに対して４５度傾斜するように設けられているため、紫外レーザがＬＢＯ波長変換結晶１０の第３の面１０ｃから直角に放出される。そのため、紫外レーザによる有機物の付着を最小限に抑え、紫外レーザ装置１の出力低下を抑制することができる。

＜第１変形例＞
次に、図４を参照して第１変形例に係る紫外レーザ装置１について説明する。なお、上記実施形態と同様の部材や部位については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。以下の変形例においても同様とする。

図４に示すように、本変形例に係る紫外レーザ装置１は、反射面１４が基本波光２１および第二次高調波光２２の光軸Ａに対して４５度よりも大きな角度をもって傾斜するように形成されている点で上記実施形態と相違する。ＬＢＯ波長変換結晶１０内で発生した波長３５５ｎｍの第三次高調波光２３（紫外レーザ）は、反射面１４で反射することで、ＬＢＯ波長変換結晶１０内において９０度より大きな角度で伝搬方向を転換し、ＬＢＯ波長変換結晶１０の第３の面１０ｃから斜めに出射する。そして、紫外レーザの光路に設けられた出力窓２を介して筐体３の外部へ放出される。紫外レーザ装置１をこのように構成しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、基本波光２１および第二次高調波光２２の光軸Ａに対して４５度よりも小さな角度をもって傾斜するように反射面１４を形成することも可能である。

＜第２変形例＞
また、図５に示すように、反射面１４が基本波光２１および第二次高調波光２２の光軸Ａに対して４５度よりも大きな角度をもって傾斜するように形成し、さらに、紫外レーザがＬＢＯ波長変換結晶１０の第１の面１０ａから出射するような形態とすることもできる。このように構成しても、紫外レーザが第１の面１０ａにおける基本波光２１および第二次高調波光２２の経路と異なる部位を通ってＬＢＯ波長変換結晶１０から出射するため、第１変形例と同様に上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３変形例＞
次に、図６および図７を参照して第３変形例について説明する。本変形例の紫外レーザ装置１においても、ＬＢＯ波長変換結晶１０の反射面１４を介して対峙するように配置された一対の共振器ミラー５，６により共振器７が構成されている。共振器ミラー５と共振器ミラー６との間の屈曲する基本波光２１の光路上には、共振器ミラー５側から順に固体レーザ発振媒体８、ＫＴＰ波長変換結晶９およびＬＢＯ波長変換結晶１０が配置されている。共振器ミラー５は、光励起用の波長のレーザ光を透過させ、固体レーザ発振媒体８から出力される波長１０６４ｎｍの基本波光２１を反射する特性とされ、共振器ミラー６は、波長１０６４ｎｍの基本波光２１を反射し且つ波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２を透過させる特性とされている。

図７に併せて示すように、反射面１４は、波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２の光軸Ａに対して４５度傾斜するように設けられており、基本波光２１および第二次高調波光２２を反射させ且つ波長５３２ｎｍの第三次高調波光２３（紫外レーザ）を透過させる特性とされている。したがって、第１の面１０ａからＬＢＯ波長変換結晶１０へ入射した基本波光２１および第二次高調波光２２は、反射面１４で反射することで、ＬＢＯ波長変換結晶１０内において伝搬方向を９０度転換し、第１の面１０ａに対して直交配置されたＬＢＯ波長変換結晶１０の第２の面１０ｂから直角に出射する。一方、ＬＢＯ波長変換結晶１０内で発生した波長３５５ｎｍの第三次高調波光２３は、ＬＢＯ波長変換結晶１０内を直進して反射面１４を通過し、第１の面１０ａに対峙する位置に第１の面１０ａと平行に配置された第３の面１０ｃから出射する。そして、出力窓２を介して筐体３の外部へ放出される。

このように、反射面１４が波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２を反射させ且つ波長５３２ｎｍの第三次高調波光２３を透過させる特性とされても、基本波光２１或いは第二次高調波光２２の光路となるＬＢＯ波長変換結晶１０の第１の面１０ａおよび第２の面１０ｂとは異なる面（第３の面１０ｃ）から紫外レーザを出射させることができ、結果的に紫外レーザ装置１の出力低下を大幅に改善することができる。

＜第４変形例＞
また、図８に示すように、第３変形例の共振器７に対し、第２変形例（図５）で示したような反射面１４の傾斜角度を適用し、波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２がＬＢＯ波長変換結晶１０の第１の面１０ａから出射し、第三次高調波光２３が第１の面１０ａに対峙する位置に配置された第３の面１０ｃから出射するような形態とすることも可能である。このように構成しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、図示は省略するが、第３変形例の共振器７に対し、第１変形例（図４）で示したような反射面１４の傾斜角度を適用し、波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２がＬＢＯ波長変換結晶１０の第１の面１０ａに対して直交配置された第２の面１０ｂから斜めに出射するような形態とすることも当然に可能である。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、固体レーザ発振媒体８としてＮｄ：ＹＶＯ_４を用い、波長１０６４ｎｍの基本波光２１および波長５３２ｎｍの第二次高調波光２２から波長３５５ｎｍの紫外レーザを発生させているが、異なる固体レーザ発振媒体を用いて異なる波長の紫外レーザを発生させてもよい。また、上記実施形態では、波長１０６４ｎｍの基本波光２１およびその第二次高調波光２２を第三次高調波結晶（ＴＨＧ結晶）であるＬＢＯ波長変換結晶１０で光混合し、和周波である第三次高調波光２３の紫外レーザを発生させているが、和周波ではなく第四次高調波光の紫外レーザを発生する波長変換結晶（ＦＨＧ結晶）を用いてもよい。さらに、上記実施形態に示した部材の具体的形状や配置なども、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 紫外レーザ装置
８ 固体レーザ発振媒体（レーザ光源）
１０ ＬＢＯ波長変換結晶
１１ 第１ＬＢＯ結晶
１２ 第２ＬＢＯ結晶
１３ 誘電体多層膜（コート）
１４ 反射面
２１ 基本波光
２２ 第二次高調波光
２３ 第三次高調波光（レーザ光）
Ａ 光軸

Claims (5)

1. 基本波光を発生するレーザ光源と、当該基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方を入射光として紫外レーザに波長変換する波長変換結晶とを有する紫外レーザ装置であって、
   前記基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方と前記紫外レーザとのどちらか一方を透過させ且つどちから他方を反射させる反射面を、前記波長変換結晶の内部に前記基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方の光軸に対して傾斜する向きに形成したことを特徴とする紫外レーザ装置。
2. 前記波長変換結晶は、前記反射面に対して一方に配置された第１結晶と、前記反射面に対して他方に配置された第２結晶とを含み、
   前記反射面は、前記第１結晶に設けられたコートにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の紫外レーザ装置。
3. 前記第２結晶は、前記第１結晶に設けられた前記コートの表面にオプチカルコンタクトで一体接合されたことを特徴とする、請求項２に記載の紫外レーザ装置。
4. 前記第１結晶は位相整合条件を満たす結晶切り出し角度を有し、前記第２結晶は前記第１結晶と異なる結晶切り出し角度を有することを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の紫外レーザ装置。
5. 前記反射面は、前記基本波光およびその高調波光のうち少なくとも一方を透過させるとともに、前記紫外領域の光を反射させることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の紫外レーザ装置。

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