JP5454972B2 - レーザ光発生装置およびそれを用いた光学装置 - Google Patents
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Description
1.第1の実施の形態(レーザ光発生装置)
1−1.変形例(第1の実施の形態の変形例)
2.第2の実施の形態(他のレーザ光発生装置)
3.第3の実施の形態(他のレーザ光発生装置)
4.第4の実施の形態(紫外線顕微鏡)
5.第5の実施の形態(ディスクマスタリング装置)
図1は本発明の第1の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。本実施の形態に係るレーザ光発生装置1は、第1のレーザ光発生器10と第2のレーザ光発生器11、および、2つのレーザ光発生器10,11から出力された互いに異なる2つの波長のレーザ光を波長変換して第3の波長のレーザ光を出力する波長変換部12により主として構成されている。
θB =tan-1(n)
で表される。屈折率nは波長や偏光状態によって異なる値をとり、ここで波長λ1 の光と波長λ2 の光はそれぞれの波長に対応した角度θB で入射面15aに入射される。これにより、波長λ1 の光と波長λ2 の光を共にp偏光として非線形光学素子15における反射損失を低減することができる。
F=π(R1 Rm )1/4 /{1−(R1 Rm )1/2 } …(1)
(R1 ;入射ミラー反射率、Rm ;共振器内のその他のミラーおよび光学素子における光有効利用率の積)
により与えられる。光有効利用率は、ミラーでは反射率であり、光学素子では透過率である。ここでR1 をインピーダンスマッチングがとれるように選択できた場合には、
R1 =Rm ≡R
であり、R〜1においては、
F〜π/(1−R) …(2)
となる。例えば、第1の共振器において、入射ミラー30をほぼR1 =Rm となるように選び、角度θB で入射するために非線形光学素子15における損失が無視できるとする。このとき、式(2)によれば、その他のミラー31〜33の反射率Rm が約97%以上でF値を100以上とすることができる。反射率R1 ,Rm を97%またはそれ以上とすることは現実に可能であり、非線形光学素子15における吸収・散乱を考慮してもF値を100以上とすることは充分に実現可能である。更に、反射率R1 ,Rm を99%以上としたり、非線形光学素子15として例えば直接法(C2法)引上げによって製造された高品質のBBO結晶を用いて非線形光学素子15における吸収・散乱を0.5%以下にしたりするなどのうえで入射ミラー30の反射率を高くすると、F値を300以上もの高い値とすることができる。これは、第2の共振器についても同様である。
上記第1の実施の形態のように非線形光学素子15の内部で波長λ1 の光および波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態となるように設定すると、これらのビームの重なりが小さくなり和周波変換効率が低下する可能性がある。しかし、前述の反射損に代表される共振器損失を効果的に低減できれば、変換効率の低下を補って和周波出力を大きくすることも可能である。ここでは、そのような観点から他の入射角または出射角の設定方法について説明する。
Lδθ<<D
(L;非線形光学素子15の長さ、δθ;非線形光学素子15の内部での分離角の増分、D;非線形光学素子15の内部における入射光の平均ビーム径)
であるときには和周波出力に大きな影響を与えることはない。また、このときに分離角を位相整合角の非臨界方向(非線形光学素子15の結晶軸のうちc軸となす角度を一定とする方向)にとれば、位相非整合による出力の減少を抑制することができる。
図5は本発明の第2の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。このレーザ光発生装置2は、第1の実施の形態におけるレーザ光発生装置1において、第2のレーザ光発生器16が第2の共振器14の内部に設けられたものであり、例えば、光や電流等の出力により第2のレーザ光発生器16を励起する手段(図示せず)が接続されている。従って、第1の実施の形態では第2の共振器14は第2のレーザ光発生器11の外部共振器であったが、ここでは、第2の共振器14の内部に第2のレーザ光発生器16というレーザ媒質が組み込まれるように構成されて、両者が一体化している。なお、本実施の形態においては、第1の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
図6は本発明の第3の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。このレーザ光発生装置3は、第1の実施の形態におけるレーザ光発生装置1において、第2の共振器14の内部に増幅器としてレーザ利得媒体44を付加したものである。これは、インジェクションロッキングと呼ばれる1つの増幅方式である。なお、本実施の形態においては、第1の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
図7は本発明の第4の実施の形態に係る紫外線顕微鏡の概略構成を表している。この紫外線顕微鏡100は、レーザ光発生装置101、光学系102、ビームスプリッタ103、対物レンズ104、被検物105を載置するためのステージ106、結像光学系107、画像取得部108、画像変換部109および画像表示部110を備えている。ここで、レーザ光発生装置101は、本発明のレーザ光発生装置であり、例えば、上記第1〜第3の実施の形態のいずれかによって構成されている。また、光学系102は、ビーム整形、スペックル低減、一様ビーム形成、ビーム偏向、偏光制御、光量調節、絞りなどの機能を有するものであり、レンズ、ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されている。更に、ビームスプリッタ103は、偏光ビームスプリッタとしてもよく、その場合にはビームスプリッタ103と対物レンズ104とのに間に1/4波長板を入れるようにしてもよい。なお、被検物105としては、例えば、半導体基板、半導体集積回路、光学素子、液晶基板、液晶機能素子、ディスクヘッド、生物体、その他紫外線の一部を反射・散乱する微細構造を有する物体などを挙げることができる。
図8は本発明の第5の実施の形態に係るディスクマスタリング装置200の概略構成を表している。このディスクマスタリング装置200は、レーザ光発生装置201、光学系202、ミラー203、対物レンズ204、マスターディスク205、ステ−ジ206を備えている。ここで、レーザ光発生装置201は、本発明のレーザ光発生装置であり、例えば、上記第1〜第3の実施の形態のいずれかによって構成されている。また、光学系202は、ビーム整形、光量調整装置、多ビーム発生装置、変調器、ビーム偏向器、偏光制御、絞りなどの機能を有するものであり、レンズ、ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されている。更に、ミラー203は、レーザ光発生装置201からのレーザ光の進行方向をステージ206の方向へ調整するためのものであり、ビームスプリッタであってもよい。また、ステージ207は、マスターディスク205を載置するものであり、回転および並進する機能を備えている。なお、このディスクマスタリング装置200には図示しないデータ再生装置、フォーマットエンコーダ、ステージ制御装置、除震装置等が付設されている。
d=1.22λ/NA
(λはレーザ光の波長、NAは開口数)
で与えられるので、同じ開口数のレンズを使用した場合に、従来入手できた連続波レーザーの波長である266nmのレーザーに比べて3割程度小さいスポットが形成される。これによれば、理論的には約2倍の記録密度の向上を見込むことができる。
Claims (19)
- 第1の波長のレーザ光を出力する第1のレーザ発生器および前記第1の波長のレーザ光を共振させる第1の共振器と、
第2の波長のレーザ光を出力する第2のレーザ発生器および前記第2の波長のレーザ光を共振させる第2の共振器と、
前記第1の共振器および前記第2の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを備え、
前記非線形光学素子の内部を通過する前記第1の波長のレーザ光と前記第2の波長のレーザ光との和周波混合により第3の波長のレーザ光を発生するレーザ光発生装置において、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角はそれぞれ、波長に対応したブリュースター角の±5°の角度範囲内であり、かつ、前記非線形光学素子は、タイプ1の位相整合を行なうものであり、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記入射面より前記非線形光学素子に入射され、
前記第1の波長のレーザ光、前記第2の波長のレーザ光および前記第3の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、
前記非線形光学素子の内部において、前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角の差(分離角Δθ)は、前記非線形光学素子に対する前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角(φ)の2倍よりも大きく、かつ
前記非線形光学素子に対する入射角または出射角は、前記第1および第2の波長のレーザ光のうちの一方では予め固定され、他方では角度を変化させたときに前記第3の波長のレーザ光の出力を極大値とする角度に設定されている
レーザ光発生装置。 - 前記非線形光学素子を前記入射面と同一面内で移動するように平行移動させ、前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の光路を移動調整する光路調整手段を備えた
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記非線形光学素子は、BBO(β−BaB2O4),CLBO(CsLiB6O10),SBBO(Sr2Be2B2O7),KBBF(KBe2BO3F2)のうちのいずれかの結晶により構成されている
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記非線形光学素子は、直接引上法により製造されたBBO(β−BaB2O4)結晶である
請求項3記載のレーザ光発生装置。 - 前記第1の共振器または前記第2の共振器の少なくとも1方の共振器フィネスが100以上である
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記第1の共振器は外部共振器であり、前記第2の共振器はレーザ増幅器または外部共振器である
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記第2のレーザ発生器は、半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザである
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記第2のレーザ発生器は、単一周波数で発振または共振する
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記第2のレーザ発生器は、チタンサファイアレーザ、アレクサンドライトレーザ、Cr:LiCAFレーザ、Cr:LiSAFレーザのいずれかである
請求項7記載のレーザ光発生装置。 - 前記第2の共振器が半導体増幅器または固体レーザ増幅器である
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記第2の共振器は前記半導体レーザをマスターレーザとしたインジェクションロッキングにより前記第2の波長のレーザ光を増幅する
請求項10記載のレーザ光発生装置。 - 前記固体レーザ増幅器は、チタンサファイア結晶、アレクサンドライト結晶、Cr:LiCAF結晶、Cr:LiSAF結晶のいずれかにより構成されている
請求項10記載のレーザ光発生装置。 - 前記固体レーザ増幅器は、半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザによって励起される
請求項10記載のレーザ光発生装置。 - 前記第1の共振器および前記第2の共振器の少なくとも一方は、その光路長を可変とする光路長調節手段を含んで構成されている
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記光路長調節手段は、PZT素子、VCM素子および電気光学結晶のいずれかよりなる
請求項14記載のレーザ光発生装置。 - 前記第1の共振器および前記第2の共振器の少なくとも一方は、前記光路長調節手段を用いたFMサイドバンド法または偏光法により共振状態を保持する
請求項14記載のレーザ光発生装置。 - 前記第1の波長が250nm以上275nm以下の範囲内であり、前記第2の波長が650nm以上785nm以下の範囲内であり、かつ、前記第3の波長が180nm以上204nm以下の範囲内である
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 前記第3の波長のレーザ光の波長幅は10pm以下である
請求項1記載のレーザ光発生装置。 - 第1の波長のレーザ光を出力する第1のレーザ発生器および前記第1の波長のレーザ光を共振させる第1の共振器と、第2の波長のレーザ光を出力する第2のレーザ発生器および前記第2の波長のレーザ光を共振させる第2の共振器と、前記第1の共振器および前記第2の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを含むレーザ発生手段を備え、
前記レーザ発生手段から前記非線形光学素子の内部を通過する前記第1の波長のレーザ光と前記第2の波長のレーザ光との和周波混合により得られた第3の波長のレーザ光を発生する光学装置において、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角はそれぞれ、波長に対応したブリュースター角の±5°の角度範囲内であり、前記非線形光学素子は、タイプ1の位相整合を行なうものであり、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記入射面より前記非線形光学素子に入射され、
前記第1の波長のレーザ光、前記第2の波長のレーザ光および前記第3の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、
前記非線形光学素子の内部において、前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、
前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角の差(分離角Δθ)は、前記非線形光学素子に対する前記第1の波長のレーザ光および前記第2の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角(φ)の2倍よりも大きく、かつ
前記非線形光学素子に対する入射角または出射角は、前記第1および第2の波長のレーザ光のうちの一方では予め固定され、他方では角度を変化させたときに前記第3の波長のレーザ光の出力を極大値とする角度に設定されている
光学装置。
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