JP5605688B2 - 波長変換光学系及びレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長が互いに異なる第１、第２、第３レーザ光が入射する第１波長変換光学素子、及び第１波長変換光学素子により波長変換された第４レーザ光と第１波長変換光学素子を透過したレーザ光から第５レーザ光を発生させる第２波長変換光学素子を備えた波長変換光学系に関する。また、このような波長変換光学系を備えたレーザ装置に関する。

上記のような波長変換光学系を備えたレーザ装置として、例えば、露光装置や各種検査装置、光治療装置等に好適に用いられるレーザ装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

このような従来のレーザ装置に用いられてきた波長変換部の概要構成を図６に示す。この波長変換部１３０は、基本波レーザ光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃が入射する第１，第２，第３の３つの系列と、これら３つの系列の出力光が略同軸に重ね合わされて入射する第４系列とを有して構成される。例えば、下記特許文献２に記載された構成例では、第１系列に入射した基本波レーザ光Ｌ₁は波長変換されることなく基本波ω１がミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３を介して第４系列の波長変換光学素子１３５に入射する。第２系列に入射した基本波レーザ光Ｌ₂は、この系列に設けられた波長変換光学素子１３１により波長変換されて周波数が２倍の第２高調波ω２が発生され、ミラーＭ２及びＭ３を介して第４系列の波長変換光学素子１３５に入射する。第３系列に入射した基本波レーザ光Ｌ₃は、この系列に設けられた３つの波長変換光学素子１３２，１３３，１３４により順次波長変換されて周波数が５倍の第５高調波ω３が発生され、ミラーＭ３を介して第４系列の波長変換光学素子１３５に入射する。

第４系列に設けられた波長変換光学素子１３５では、第２系列の波長変換光学素子１３１から出射した第２高調波ω２と、第３系列の波長変換光学素子１３４から出射した第５高調波ω３との和周波発生（ＳＦＧ）が行われ、周波数が基本波の７倍の第７高調波ω４が発生する。波長変換光学素子１３５で発生した第７高調波ω４と、波長変換光学素子１３５を透過した基本波ω１が波長変換光学素子１３６に入射する。波長変換光学素子１３６では、第７高調波ω４と基本波ω１の和周波発生が行われ、周波数が基本波の８倍、波長が１／８の第８高調波ω５が発生して出力される。これにより、例えば、基本波レーザ光の波長を１５４７ｎｍとした場合には、波長変換部１３０から１９３ｎｍの深紫外光が出力される。

ここで、第４系列の波長変換光学素子１３５において効率的に波長変換を行わせるためには、第２系列の波長変換光学素子１３１から出射した第２高調波ω２と、第３系列の波長変換光学素子１３４から出射した第５高調波ω３とを、同軸に重ね合わせる（光軸を一致させる）必要がある。また、第４系列の波長変換光学素子１３６において効率的に波長変換を行わせるためには、波長変換光学素子１３５により発生された第７高調波ω４と、第１系列から出射した基本波ω１とを同軸に重ね合わせる必要がある。そのため、ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３には、各ミラーに入射するレーザ光ω１，ω２，ω３の入射位置と、ミラーの傾斜角度を調整する調整機構が付帯して設けられている。

特開２００８−１２２７８５号公報 特開２０１０−９３２１０号公報

本願発明者らは、波長変換光学素子を透過するレーザ光を利用することにより、レーザ装置全体の構成を簡明化する手法を考案した。例えば、図６に示した従来の構成例においては、第２系列の波長変換光学素子１３１において、入射する基本波ω１の第２高調波発生（ＳＨＧ）が行われ第２高調波ω２が発生されるが、この波長変換光学素子１３１を波長変換されずに透過する基本波がある。この透過した基本波ω１を利用することにより、波長変換部における第１系列、及び第１系列に基本波レーザ光Ｌ₁を入射させるレーザ光出力部を削減することができ、レーザ装置全体を簡明化することができる。これは、第２系列の波長変換光学素子１３１において和周波発生や差周波発生を行うような構成の場合も同様である。

しかしながら、上記のように第１系列を削除した波長変換光学系では、第４系列の第２番目の波長変換光学素子１３６において２つのレーザ光を同軸に調整することが困難である。前記構成例に基づき図７を参照して具体的に説明すると、第４系列の波長変換光学素子１３５で発生する第７高調波ω４はウォークオフ（Walk-off）によりビームがシフトし、基本波ω１は複屈折によりビームがシフトする。このとき、両者のシフト量が異なるため、波長変換光学素子１３５から出射する第７高調波ω４と基本波ω１とは同軸からずれる。第２系列の波長変換光学素子１３１から略同軸で出射する基本波ω１及び第２高調波ω２の波長変換光学素子１３５への入射光軸を調整するミラー４１は共通であり、基本波ω１と第２高調波ω２とを個別に調整できないことから、同軸からずれた第７高調波ω４と基本波ω１とを再び同軸に調整することは困難である。

上記具体例は、基本波ω１、第２高調波ω２及び第５高調波ω３が波長変換光学素子１３５に垂直入射する場合であるが、上記３つのレーザ光及び波長変換光学素子１３５で発生するレーザ光のうち少なくともいずれかが紫外光である場合に、紫外光が戻り光となって可視〜赤外領域の光学素子に損傷を与えないように、波長変換光学素子１３５の入射面が所定角度傾斜して配設されることがある。このとき、基本波ω１と第２高調波ω２とは波長変換光学素子１３５における屈折率が異なるため、波長変換光学素子１３５から出射する基本波ω１と第７高調波ω４とは上記平行シフトのみならずビームの出射角度も変化する。これは、波長変換光学素子１３５においてウォークオフや複屈折が生じない場合においても発生する。そして、角度変位により同軸からずれた第７高調波ω４と基本波ω１とを、ミラーＭ４により再び同軸に調整することも困難である。

そのため、図７に示したような波長変換光学系では第４系列の波長変換効率が大きく低下し、構成を簡明化した波長変換光学系及びレーザ装置を実現することは困難と考えられていた。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、波長変換部の構成簡明化と第１，第２波長変換光学素子におけるレーザ光の重複度向上とを両立可能とする波長変換光学系を提供することを目的とする。併せて、波長変換部にレーザ光を出力するレーザ光出力部を含めて装置全体の構成を簡明化したレーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明を例示する第１の態様は波長変換光学系である。この波長変換光学系は、（１）互いに波長が異なり第１部材（例えば、実施形態における波長変換光学素子３１）から略同軸に出射される第１レーザ光及び第２レーザ光（例えば、実施形態における基本波ω及び第２高調波２ω）と、第１、第２レーザ光と波長が異なり第２部材（例えば、実施形態における波長変換光学素子３４）から出射される第３レーザ光（例えば、実施形態における第５高調波５ω）とが入射して、第１レーザ光を透過し第２レーザ光と第３レーザ光との和周波発生または差周波発生により第４レーザ光（例えば、実施形態における第７高調波７ω）を発生させる第１波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３５）と、（２）前記第１波長変換光学素子から出射した第１レーザ光及び前記第４レーザ光が入射し、第１レーザ光と第４レーザ光との和周波発生または差周波発生により第５レーザ光（例えば、実施形態における第８高調波８ω、レーザ光Ｌｖ）を発生させる第２波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３６）と、（３）前記第１部材と前記第１波長変換光学素子との間に位置して設けられ、略同軸で入射する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸を、第１波長変換光学素子において第２レーザ光と第３レーザ光とが同軸に重なり、かつ第２波長変換光学素子において第１レーザ光と第４レーザ光とが同軸に重なるように、所定の相対角度となるように角度変位させる光軸変位手段（例えば、実施形態における光軸変位装置５０）とを備えて構成される。

なお、前記光軸変位手段が、略同軸で入射する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸を光軸直行方向に相対変位させるハービングと、ハービングから出射した第１レーザ光及び第２レーザ光の出射光軸が所定の相対角度となるように角度変位させるウェッジ板（例えば、実施形態におけるウェッジ板５２）とを有することは、好ましい構成形態である。

あるいは、前記光軸変位手段が、略同軸で入射する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸を光軸直行方向に相対変位させる第１のウェッジ板（例えば、実施形態におけるウェッジ板５３）と、第１のウェッジ板と対向配置され第１のウェッジ板から出射した第１レーザ光及び第２レーザ光の出射光軸が所定の相対角度となるように角度変位させる第２のウェッジ板（例えば、実施形態におけるウェッジ板５４）と備えることも好ましい構成形態である。

本発明を例示する第２の態様はレーザ装置である。このレーザ装置は、所定波長の基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、このレーザ光出力部から出力された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部とを備えて構成される。そのうえで、波長変換部は、第１の態様の波長変換光学系を有して、前記第１部材、前記第２部材、前記第１波長変換光学素子、及び前記第２波長変換光学素子が波長変換部に設けられた波長変換光学素子であり、レーザ光出力部から出力された基本波レーザ光が、波長変換部により波長変換されて第２波長変換光学素子から出力されるように構成される。

なお、前記レーザ光出力部から出力される基本波レーザ光は赤外〜可視領域の光であり、前記第１部材から出射される第１レーザ光及び第２レーザ光、前記第２部材から出射される第３レーザ光、及び前記第１波長変換光学素子から出射される第４レーザ光の少なくともいずれかは、紫外領域の光であることは好ましい構成形態である。さらに、前記第２波長変換光学素子から出力されるレーザ光が、波長２００ｎｍ以下の深紫外光であることが好ましい構成形態である。

第１の態様の波長変換光学系によれば、第１レーザ光及び第２レーザ光が略同軸に出射する第１部材と、第１，第２，第３レーザ光が入射する第１波長変換光学素子との間に、第１レーザ光及び第２レーザ光の出射光軸を相対変位させる光軸変位手段が設けられている。このため、第１部材から略同軸に出射する第１，第２レーザ光の出射光軸を光軸変位手段により相対変異させることができ、これにより第１，第２波長変換光学素子の両者においてレーザ光の重複度を向上させることができる。

従って、本発明によれば、波長変換部の構成簡明化と第１，第２波長変換光学素子におけるレーザ光の重複度向上とを両立可能な波長変換光学系を提供することができる。また、このような波長変換光学系を波長変換部に用いることにより、装置全体の構成を簡明化したレーザ装置を提供することができる。

本発明の態様として例示するレーザ装置の全体図である。 上記レーザ装置における波長変換部の構成例を示す概要構成図である。 第１構成形態の光軸変位装置の概要図である。 第２構成形態の光軸変位装置の概要図である。 第３構成形態の光軸変位装置の概要図である。 従来の波長変換部の構成を説明するための説明図である。 従来の波長変換部を簡明化する場合の構成及び作用を説明するための説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様として例示するレーザ装置ＬＳを図１に示す。レーザ装置ＬＳは、大別的には、所定波長の基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部１と、レーザ光出力部１から出力された基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部３と、レーザ光出力部１及び波長変換部３を含むレーザ装置全体の作動を制御する制御部８などから構成される。

図１に示すレーザ装置ＬＳは、レーザ光出力部１を、第１の基本波レーザ光を出力する第１レーザ光出力部１ａと、第２の基本波レーザ光を出力する第２レーザ光出力部１ｂとにより構成した形態を例示する。ここで、第１レーザ光出力部１ａから出力する第１の基本波レーザ光の波長、及び第２レーザ光出力部１ｂから出力する第２の基本波レーザ光の波長は、このレーザ装置ＬＳから出力するレーザ光の波長や波長変換部３の構成に応じて適宜設定することができる。

また、図１では、レーザ光出力部１を、シード光を出力するレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０から出力されたシード光を増幅する光増幅部２０とにより構成した形態を示す。レーザ光発生部１０には、第１基本波のシード光Ｌs₁を発生する第１レーザ光源１１、第２基本波のシード光Ｌs₂を発生する第２レーザ光源１２が設けられる。光増幅部２０には、第１レーザ光源１１から出力された第１基本波のシード光Ｌs₁を増幅する第１ファイバ光増幅器２１、第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs₂を増幅する第２ファイバ光増幅器２２が設けられている。

すなわち、本構成形態のレーザ光出力部１は、第１レーザ光出力部１ａにおいて、第１レーザ光源１１から出力された第１基本波のシード光Ｌs₁が、第１ファイバ光増幅器２１により増幅され、増幅された第１の基本波レーザ光Ｌa₁が波長変換部３に出力される。また、第２レーザ光出力部１ｂにおいて、第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs₂が、第２ファイバ光増幅器２２により増幅され、増幅された第２の基本波レーザ光Ｌa₂が波長変換部３に出力される。

なお、第１，第２ファイバ光増幅器２１，２２は、各々複数のファイバ光増幅器を直列に接続して複数段からなるファイバ光増幅器群として構成しても良い。また、第１レーザ光出力部１ａから出力する第１の基本波レーザ光Ｌa₁と第２レーザ光出力部１ｂから出力する第２の基本波レーザ光Ｌa₂の波長が同一の場合には、シード光を発生するレーザ光源を共通化し（例えば第１レーザ光源１１とし）、レーザ光源から出力された基本波のシード光を光分割器等により並列分岐して、第１ファイバ光増幅器２１及び第２ファイバ光増幅器２２に入射させるように構成しても良い。

波長変換部３には、複数の波長変換光学素子及びミラー等からなる波長変換光学系３０が設けられている。波長変換光学系３０は、第１レーザ光出力部１ａの第１ファイバ光増幅器２１から出力された第１の基本波レーザ光Ｌa₁が入射して伝播する第１系列Ｉ、第２レーザ光出力部１ｂの第２ファイバ光増幅器２２から出力された第２の基本波レーザ光Ｌa₂が入射して伝播する第２系列II、及び第１系列Ｉを伝播したレーザ光と第２系列IIを伝播したレーザ光が重ね合わされて伝播する第３系列IIIにより構成される。

第１〜第３系列には、波長変換光学素子３１〜３６が設けられており、波長変換部３に入射した第１の基本波レーザ光Ｌa₁及び第２の基本波レーザ光Ｌa₂が、波長変換光学系３０の第１系列Ｉ，第２系列II，第３系列IIIを伝播する過程で各経路に設けられた波長変換光学素子により順次波長変換され目的に応じた所定波長のレーザ光Ｌｖが波長変換部３から出力される。第１系列Ｉの波長変換光学素子３１と第３系列の波長変換光学素子３５との間に、後に詳述する光軸変位装置５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）が設けられる。

なお、波長変換光学系３０の具体的な構成は、レーザ装置ＬＳの用途及び機能に応じて公知の波長変換光学素子を組み合わせ、適宜な出力波長の構成とすることができる。

次に、以上のように概要構成されるレーザ光出力部１及び波長変換部３の、より具体的な構成例を説明する。以下では、レーザ光出力部１における第１レーザ光出力部１ａから出力する第１の基本波レーザ光Ｌa₁、及び第２レーザ光出力部１ｂから出力する第２の基本波レーザ光Ｌa₂を、ともに波長が１５４７ｎｍの赤外領域のレーザ光とし、これを波長変換光学系３０の第１〜第３系列に設けられた波長変換光学素子３１〜３６により順次波長変換して、波長変換部３から波長１９３ｎｍの深紫外領域のレーザ光Ｌｖを出力する場合の構成例について説明する。

この場合、第１レーザ光出力部１ａ及び第２レーザ光出力部１ｂの基本的な構成は同様になる。波長が１５４７ｎｍの基本波のシード光Ｌs₁，Ｌs₂を発生するレーザ光源１１，１２として、例えば、発振波長が１．５μｍ帯のＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ペルチェ素子等を利用した温度調整器により温度制御した状態で発振させることにより、波長１５４７ｎｍの単一波長のシード光を発生させることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することにより任意強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができる。

なお、レーザ光発生部１０にＥＯＭ（Electro-Optic Modulator）等の外部変調器を設け、ＣＷ発振させたＤＦＢ半導体レーザの出力光を外部変調器によりパルス変調して、レーザ光発生部１０からパルス光を出力するように構成しても良い。

レーザ光発生部１０から出力された波長１５４７ｎｍの赤外光を増幅する光増幅部２０の第１ファイバ光増幅器２１及び第２ファイバ光増幅器２２として、コアにエルビウム（Ｅｒ³⁺）がドープされたエルビウムドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）を好適に用いることができる。

光増幅部２０から出力された波長１５４７ｎｍの赤外光を波長１９３ｎｍの深紫外光に変換する波長変換光学系３０の具体的な構成例を図２に示す。この図において、光路上に楕円形で示すものはコリメータレンズや集光レンズであり、個々の説明を省略する。また、偏光面が紙面に平行なｐ偏光を矢印で、偏光面が紙面に垂直なｓ偏光をドット付きの○印で示す。また、基本波をω、そのｎ次高調波をｎωで示す。

既述したように、波長変換光学系３０は、第１ファイバ光増幅器２１から出力された第１の基本波レーザ光Ｌa₁が入射して伝播する第１系列Ｉ、第２ファイバ光増幅器２２から出力された第２の基本波レーザ光Ｌa₂が入射して伝播する第２系列II、及び第１系列Ｉを伝播したレーザ光と第２系列IIを伝播したレーザ光が重ね合わされて伝播する第３系列IIIの３つの系列からなる。

本構成例の波長変換光学系３０は、各系列に設けられた６つの波長変換光学素子３１〜３６と、２枚のミラー４１，４２と、光軸変位装置５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）とを主体として構成される。第１系列Ｉには波長変換光学素子３１、第２系列IIには波長変換光学素子３２，３３，３４、第３系列には波長変換光学素子３５，３６が設けられている。まず、この波長変換光学系３０の概要について説明する。

第１系列Ｉでは、第１ファイバ光増幅器２１から出力された波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第１の基本波レーザ光Ｌa₁が、波長変換光学素子３１によりω→２ωに波長変換され、発生した第２高調波２ωと波長変換光学素子３１を透過した基本波ωが出力される。

第２系列IIでは、第２ファイバ光増幅器２２から出力された波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第２の基本波レーザ光Ｌa₂が、この系列に設けられた波長変換光学素子３２，３３，３４によりω→２ω→３ω→５ωの順に波長変換され、発生した第５高調波５ω（及び波長変換されずに透過した各周波数の光）が出力される。

第３系列IIIでは、波昌変換光学素子３５において、第１系列から出射した第２高調波２ωと第２系列から出射した第５高調波５ωの和周波発生により第７高調波７ωが発生され、波長変換光学素子３６において、第７高調波７ωと第１系列から出射した基本波ωの和周波発生により、周波数が基本波ωの８倍、波長が基本波の１／８である波長１９３ｎｍの第８高調波８ωが生成される。以下、各系列の波長変換光学素子を含め波長変換光学系３０の詳細構成を説明する。

（第１系列Ｉ）
第１系列Ｉには波長変換光学素子３１が配設されている。第１ファイバ光増幅器２１から出力された第１の基本波レーザ光Ｌa₁は、波長変換光学素子３１に集光入射して第２高調波発生（ＳＨＧ）を行わせ、周波数が基本波ωの２倍、波長が半分（７７３．５ｎｍ）の第２高調波２ωを発生させる。波長変換光学素子３１により発生したｐ偏光の第２高調波２ωと、波長変換光学素子３１を波長変換されずに透過したｓ偏光の基本波ωは、ミラー４１に入射させる。第２高調波発生用の波長変換光学素子３１として、ＬＢＯ結晶を用いることができるほか、ＰＰＬＮ結晶やＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶などの疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）結晶を用いることができる。

なお、波長変換光学素子３１としてＱＰＭ結晶を用いる場合には、波長変換光学素子３１にｐ偏光の基本波レーザ光を入射し、波長変換光学素子３１から出射したｐ偏光の基本波ω及びｐ偏光の第２高調波２ωを２波長波長板を透過させて基本波ωだけをｓ偏光に変換する。２波長波長板は、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板は、一方の波長の光（基本波ω）に対して偏光面を回転させ、他方の波長の光（第２高調波２ω）に対しては、偏光面が回転しないように、波長板の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。

（第２系列II）
第２系列IIには波長変換光学素子３２，３３，３４が配設されている。第２ファイバ光増幅器２２から第２系列に入射した第２の基本波レーザ光Ｌa₂は、ｐ偏光で波長変換光学素子３２に集光入射し、この波長変換光学素子３２において第２高調波発生によりｐ偏光の第２高調波２ωを発生させる。発生したｐ偏光の第２高調波２ωと波長変換光学素子３２を透過したｐ偏光の基本波ωは、波長変換光学素子３３に集光入射し、和周波発生によりｓ偏光の第３高調波３ωを発生させる。波長変換光学素子３２，３３は、例えば、第２高調波発生用の波長変換光学素子３２としてＰＰＬＮ結晶、第３高調波発生用の波長変換光学素子３３としてＬＢＯ結晶が好適に用いられる。なお、波長変換光学素子３２として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。

波長変換光学素子３３により発生されたｓ偏光の第３高調波３ωと、波長変換光学素子３３を透過したｐ偏光の第２高調波２ωは、２波長波長板４３を透過させて第２高調波２ωだけをｓ偏光に変換する。２波長波長板の構成及び作用は上述したとおりであるが、一方の波長の光（第２高調波２ω）に対して偏光面を回転させ、他方の波長の光（第３高調波３ω）に対しては、偏光面が回転しないように、波長板の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。

ともにｓ偏光になった第２高調波２ω及び第３高調波３ωは、波長変換光学素子３４に集光入射し、和周波発生により周波数が基本波の５倍、波長が１／５（３０９．４ｎｍ）の第５高調波５ωを発生させる。第５高調波発生用の波長変換光学素子３４として、例えばＬＢＯ結晶が好適に用いられるが、ＢＢＯ結晶、ＣＬＢＯ結晶を用いることも可能である。波長変換光学素子３４としてＬＢＯ結晶を用いた場合には、波長変換光学素子３４から出射される第５高調波５ωは、ウォークオフのため断面が楕円形になっている。そこで、２枚のシリンドリカルレンズ４４v，４４hにより、楕円形の断面形状を円形に整形し、ミラー４２に入射させる。

ミラー４２は、基本波ω及び第２高調波２ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第５高調波５ωの波長帯域のレーザ光を反射するように波長選択性を有して構成されており、このミラー（ダイクロイックミラー）４２を透過したｓ偏光の基本波ωおよびｐ偏光の第２高調波２ωと、ミラー４２で反射されたｐ偏光の第５高調波５ωとが同軸に重ね合わされて第３系列IIIの波長変換光学素子３５に入射する。

（第３系列III）
第３系列IIIには、波長変換光学素子３５，３６が近接して配設されている。また、既述した基本波ω、第２高調波２ω、第５高調波５ωの各光路には、波長変換光学素子３５，３６に所定のスポットサイズで各波長の光が集光入射するように設定されたレンズが設けられている。波長変換光学素子３５では、第１系列Ｉから入射したｐ偏光の第２高調波２ωと、第２系列IIから入射したｐ偏光の第５高調波５ωによる和周波発生が行われ、周波数が基本波の７倍、波長が１／７（２２１ｎｍ）の第７高調波７ωが発生される。第７高調波発生用の波長変換光学素子３５として、ＣＬＢＯ結晶が好適に用いられる。

波長変換光学素子３５で発生したｓ偏光の第７高調波７ωと、波長第１系列Ｉから入射して波長変換光学素子３５を透過したｓ偏光の基本波ωとは、波長変換光学素子３６に入射し、和周波発生により周波数が基本波の８倍、波長が１／８（１９３．４ｎｍ）の第８高調波８ωが発生される。第８高調波発生用の波長変換光学素子３６として、ＣＬＢＯ結晶が好適に用いられる。

このような波長変換光学系３０では、波長変換光学素子３５で和周波発生に用いられる第２高調波２ωと、波長変換光学素子３６で和周波発生に用いられる基本波ωとが、第１系列の波長変換光学素子３１からほぼ同軸（ＱＰＭ結晶の場合には完全に同軸）に出射される。このような場合、波長変換光学素子３５において第２高調波２ωと第５高調波５ωとを同軸に重ね合わせ、かつ波長変換光学素子３５で発生した第７高調波７ωと波長変換光学素子３５を透過した基本波ωとを波長変換光学素子３６で同軸に重ね合わせることは、ミラー４１の調整のみでは困難である（本願発明の課題を参照）。

そこで、本発明の波長変換光学系３０では、第１系列の波長変換光学素子３１と第４系列の波長変換光学素子３５との間に、略同軸で入射する基本波ω及び第２高調波２ωの出射光軸を相対変位させる光軸変位装置５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）を設けている。図３に、第１構成形態の光軸変位装置５０Ａの概要図を示す。なお、図３（及び以降説明する図４、図５）においては、基本波ω、第２高調波２ω、第５高調波５ω等の光路を、理解容易のため、僅かにずらして表記している。

この光軸変位装置５０Ａは、第１系列の波長変換光学素子３１とミラー４１との間に設けられており、基本波ω及び第２高調波２ωを透過するハービング５１を主体として構成される。

ハービング５１は、光学ガラスを用いた平行平板であり、基本波ω及び第２高調波２ωの波長、及びハービング５１への入射角に応じて、基本波ωと第２高調波２ωの出射光軸を屈折率差に基づいたシフト量で平行に相対変位させる。基本波ω及び第２高調波２ωは赤外〜可視領域の光であり、公知の種々の屈折率の光学ガラスを用いることができる。

図７を参照して説明したように、波長変換光学素子３５で発生する第７高調波７ωはウォークオフ（Walk-off）によりビームがシフトし、波長変換光学素子３５を透過する基本波ωは複屈折によりビームがシフトして、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとが同軸からずれる。

光軸変位装置５０Ａでは、ハービング５１により、基本波ωの出射光軸と第２高調波２ωの出射光軸を、屈折率差に基づいたシフト量で平行に相対変位させ、これにより波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとが同軸に重なるようにする。

いま、波長変換光学素子３５で発生する第７高調波７ωのウォークオフに起因するビームのシフト量、及び、波長変換光学素子３５を透過する基本波ωの複屈折に起因するビームのシフト量は、波長変換光学素子３５の材質及び形状寸法等から算出することができる。そして、両者のシフト量の差に基づいて、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとのずれ量（シフトずれ）を算出することができる。

そのため、算出された基本波と第７高調波とのずれ量に基づいて、シフトずれを相殺するように仕様を設定したハービング５１を配設することにより、シフトずれを相殺するオフセットを基本波ωと第２高調波２ωに与えることができ、これにより波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとを同軸に重ね合わせることができる。なお、ハービング５１の仕様に基づいて形状等を定める具体的な要素として、ハービングの材質（屈折率）、厚さ、基本波ω及び第２高調波２ωの光軸に対する傾斜角（設置角度）等がある。

従って、このような光軸変位装置５０Ａを備えた波長変換光学系３０によれば、波長変換光学素子３５における第２高調波２ωと第５高調波５ωの重複度を保持し、かつ波長変換光学素子３６における第７高調波７ωと基本波ωの重複度を向上させて、第３系列IIIの波長変換効率を高めることができる。

なお、ハービング５１を紙面に直行する軸回りに傾動操作可能（すなわち、基本波ω及び第２高調波２ωの入射角を調整可能）なハービング調整機構を備えて構成することは、好ましい構成例である。このような構成によれば、ハービング５１の傾き角度をハービング調整機構により調整操作することにより、基本波ωと第２高調波２ωの出射光軸のオフセット量を微調整することができる。これにより、個々の光学素子にばらつき等があっても、波長変換光学素子３６における第７高調波７ωと基本波ωの重複度を高い状態に設定することができる。

ところで、波長変換光学素子３５に入射する３つのレーザ光及び波長変換光学素子３５で発生するレーザ光のうち、少なくともいずれかが紫外領域の光である場合、波長変換光学素子３５の入射面で反射した紫外光や出射面で反射した紫外光が、光路を逆方向に進む戻り光となって可視〜赤外領域の光学素子に損傷を与えないようにする必要がある。例示する波長変換光学系３０においては、波長変換光学素子３５に入射する第５高調波５ωが波長３０９ｎｍの紫外光、波長変換光学素子３５で発生する第７高調波７ωが波長２２１ｎｍの紫外光であり、波長変換光学素子３５の入射面で反射した第５高調波５ωや波長変換光学素子３５の出射面で反射した第７高調波７ωが戻り光となって、波長変換部３における波長変換光沢素子３１，３２，３３やレーザ光出力部の第１，第２ファイバ光増幅器２１，２２等に損傷を与えないようにする必要がある。

このような戻り光による光学素子の損傷防止手段のひとつとして、波長変換光学素子３５の入射面が所定角度傾斜するように配設し、波長変換光学素子３５への入射角が垂直入射とならないようにする手法がある。この様な手法を用いた場合、波長が異なる基本波ωと第２高調波２ωでは波長変換光学素子３５における屈折角が異なるため、波長変換光学素子３５から出射する基本波ωと第７高調波７ωとは、上記平行シフトのみならずビームの出射角度も異なったものとなる。

第２構成形態の光軸変位装置５０Ｂは、上記のような場合にも、波長変換光学素子３５において第２高調波２ωと第５高調波５ωとを同軸に重ね合わせ、かつ波長変換光学素子３５で発生した第７高調波７ωと波長変換光学素子３５を透過した基本波ωとを波長変換光学素子３６で同軸に重ね合わせることを可能とするものである。

第２構成形態の光軸変位装置５０Ｂは、第１構成形態の光軸変位装置５０Ａと同様に、第１系列の波長変換光学素子３１とミラー４１との間に設けられる。図４に、光軸変位装置５０Ｂの概要図を示す。なお、図４は光軸変位装置５０Ｂの基本構成のみを示しており、波長変換光学結晶３１〜３６及びミラー４１，４２の記載を省略している。

光軸変位装置５０Ｂは、既述した第１構成形態の光軸変位装置のハービング５１に加えて、ハービング５１を透過した基本波ω及び第２高調波２ωが透過するウェッジ板５２を備えて構成される。ウェッジ板５２は、入射面と出射面が所定の相対角度傾斜して形成された光学素子であり、基本波ω及び第２高調波２ωの波長及びウェッジ板の角度に応じて、基本波ωと第２高調波２ωの出射光軸を屈折率差に基づいた屈折角で相対変位させる。基本波ω及び第２高調波２ωは赤外〜可視領域の光であり、公知の種々の屈折率の光学ガラスを用いることができる。

ここで、波長変換光学素子３５から出射する基本波ωの出射角度、及び、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωの出射角度は、波長変換光学素子３５の材質、入射面及び出射面の傾斜角度等から算出することができる。そして、両者の出射角度の差に基づいて、波長変換光学素子３５から出射する基本波ωと第７高調波７ωとの出射角度のずれ量（角度ずれ）を算出することができる。

そのため、算出された角度ずれに基づいて、この角度ずれを相殺する仕様のウェッジ板５２をハービング５１に加えて配設することにより、角度ずれを相殺する相対角を基本波ωと第２高調波２ωに与え、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとを同軸に重ね合わせることができる。ウェッジ板５２の仕様に基づいて形状等を定める具体的な要素として、ウェッジ板の材質（屈折率）、ウェッジ角度（入出射面の相対角度）等がある。

従って、上記のような光軸変位装置５０Ｂを備えた波長変換光学系３０によれば、紫外光の戻り光防止手段として波長変換光学素子３５の入出射面を傾斜させるような手法を採用した場合でも、波長変換光学素子３５における第２高調波２ωと第５高調波５ωの重複度を保持し、かつ波長変換光学素子３６における第７高調波７ωと基本波ωの重複度を向上させて、第３系列IIIの波長変換効率を高めることができる。

次に、第３構成形態の光軸変位装置５０Ｃについて、図５を参照して説明する。光軸変位装置５０Ｃは、既述した光軸変位装置５０Ａ，５０Ｂと同様に、第１系列の波長変換光学素子３１とミラー４１との間に設けられる。なお、図５は光軸変位装置５０Ｃの基本構成のみを示しており、波長変換光学結晶３１〜３６及びミラー４１，４２の記載を省略している。

光軸変位装置５０Ｃは、上述した第２構成形態の光軸変位装置５０Ｂにおけるハービング５１とウェッジ板５２に代えて、対向配置された第１ウェッジ板５３と第２ウェッジ板５４の２枚のウェッジ板により同様の機能の光軸変位装置を構成した構成例である。

すなわち、本構成例の光軸変位装置５０Ｃでは、第１ウェッジ板５３により、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとのシフトずれを相殺するオフセットを基本波ωと第２高調波２ωに与え、対向配置された第２ウェッジ板５４により、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとの角度ずれを相殺する角度で基本波ωと第２高調波２ωを出射する。

第１構成形態の説明で既述したように、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとのずれ量（シフトずれ）を算出することができ、基本波及び第２高調波にシフトずれを相殺するオフセットを生じさせる第１ウェッジ板５３の仕様及び第２ウェッジ板５４との配置間隔を設定できる。

同様に、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとの角度ずれを算出することができ、第１ウェッジ板５３で屈折された基本波ω及び第２高調波２ωの拡がり角度を補正して、第７高調波７ωと基本波ωとの角度ずれを相殺する相対角を基本波ωと第２高調波２ωとに与える第２ウェッジ板５４の仕様を設定できる。

これらのウェッジ板を透過する基本波及び第２高調波は赤外〜可視領域の光であり、公知の光学ガラスから、適宜な屈折率の素材を選択し、上記仕様に応じたウェッジ角度のウェッジ板を製作して、光軸変位装置５０Ｃを構成することができる。

これにより、波長変換光学素子３５から出射する第７高調波７ωと基本波ωとのシフトずれを相殺するオフセットが基本波ω及び第２高調波２ωに与えられ、第７高調波７ωと基本波ωとの角度ずれを相殺する相対角度が基本波ω及び第２高調波２ωに与えられる。

従って、本構成の光軸変位装置５０Ｃを備えた波長変換光学系３０によれば、紫外光の戻り光防止手段として波長変換光学素子３５の入出射面を傾斜させるような手法を採用した場合でも、波長変換光学素子３５における第２高調波２ωと第５高調波５ωの重複度を保持し、かつ波長変換光学素子３６における第７高調波７ωと基本波ωの重複度を向上させて、第３系列IIIの波長変換効率を高めることができる。

なお、第１ウェッジ板５３と第２ウェッジ板５４との光軸方向の間隔を調整可能なウェッジ間隔調整機構を備えて構成することは、本構成形態の好ましい構成例である。このような構成によれば、２枚のウェッジ間隔をウェッジ間隔調整機構により調整操作することにより、基本波ωと第２高調波２ωの出射光軸のシフト量を微調整することができる。これにより、個々の光学素子にばらつき等があっても、波長変換光学素子３６における第７高調波７ωと基本波ωの重複度を高い状態に保持することができる。

以上説明したような光軸変位装置５０（５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ）を備えた波長変換光学系３０は、基本波の入射系列を２系列とし構成を簡明化することができる。さらに、このような波長変換光学系を用いたレーザ装置ＬＳは、波長変換部３に基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部１を第１レーザ光出力部１ａ及び第２レーザ光出力部１ｂの２系列とすることができ、レーザ装置全体の構成を大幅に簡明化することができる。

従って、本発明の態様によれば、波長変換部３の構成簡明化と波長変換光学素子３５，３６におけるレーザ光の重複度向上とを両立させた波長変換光学系を提供することができる。そして、このような波長変換光学系を備えた波長変換部を用いることにより、装置全体の構成を大幅に簡明化したレーザ装置を提供することができる。

このようなレーザ装置は、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、例えば、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光造形装置や露光装置等の光加工装置検査装置、光治療装置等に好適に適用することができる。

ＬＳ レーザ装置
Ｌa₁ 第１の基本波レーザ光（第１レーザ光）
Ｌa₂ 第２の基本波レーザ光
Ｌｖ 出力光（第５レーザ光）
ω 基本波（第１レーザ光）
２ω 第２高調波（第２レーザ光）
５ω 第５高調波（第３レーザ光）
７ω 第７高調波（第４レーザ光）
８ω 第８高調波（第５レーザ光）
１ レーザ光出力部
１ａ 第１レーザ光出力部
１ｂ 第２レーザ光出力部
３ 波長変換部
１０ レーザ光発生部
２０ 光増幅部
３０ 波長変換光学系（Ｉ 第１系列、II 第２系列、III 第３系列）
３１〜３６ 波長変換光学素子
３１ 波長変換光学素子（第１部材）
３４ 波長変換光学素子（第２部材）
３５ 波長変換光学素子（第１波長変換光学素子）
３６ 波長変換光学素子（第２波長変換光学素子）
５０ 光軸変位装置（光軸変位手段）
５０Ａ 第１構成形態の光軸変位装置
５０Ｂ 第２構成形態の光軸変位装置
５０Ｃ 第３構成形態の光軸変位装置
５１ ハービング
５２ ウェッジ板
５３ 第１ウェッジ板
５４ 第２ウェッジ板

Claims (7)

1. 互いに波長が異なり第１部材から略同軸に出射される第１レーザ光及び第２レーザ光と、前記第１、第２レーザ光と波長が異なり第２部材から出射される第３レーザ光とが入射し、前記第１レーザ光を透過し前記第２レーザ光と前記第３レーザ光との和周波発生または差周波発生により第４レーザ光を発生させる第１波長変換光学素子と、
   前記第１波長変換光学素子から出射した前記第１レーザ光及び前記第４レーザ光が入射し、前記第１レーザ光と前記第４レーザ光との和周波発生または差周波発生により第５レーザ光を発生させる第２波長変換光学素子と、
   前記第１部材と前記第１波長変換光学素子との間に位置して設けられ、略同軸で入射する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸を、前記第１波長変換光学素子において前記第２レーザ光と前記第３レーザ光とが同軸に重なり、かつ前記第２波長変換光学素子において前記第１レーザ光と前記第４レーザ光とが同軸に重なるように、所定の相対角度となるように角度変位させる光軸変位手段とを備えたことを特徴とする波長変換光学系。
2. 前記光軸変位手段は、略同軸で入射する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸を光軸直行方向に相対変位させるハービングと、前記ハービングから出射した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸が所定の相対角度となるように角度変位させるウェッジ板とを有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換光学系。
3. 前記光軸変位手段は、略同軸で入射する前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸を光軸直行方向に相対変位させる第１のウェッジ板と、前記第１のウェッジ板と対向配置され前記第１のウェッジ板から出射した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光の出射光軸が所定の相対角度となるように角度変位させる第２のウェッジ板とを有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換光学系。
4. 所定波長の基本波レーザ光を出力するレーザ光出力部と、前記レーザ光出力部から出力された前記基本波レーザ光を波長変換して出力する波長変換部とを備え、
   前記波長変換部は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長変換光学系を有して、前記第１部材、前記第２部材、前記第１波長変換光学素子、及び前記第２波長変換光学素子が前記波長変換部に設けられた波長変換光学素子であり、
   前記レーザ光出力部から出力された前記基本波レーザ光が、前記波長変換部により波長変換されて前記第２波長変換光学素子から出力されることを特徴とするレーザ装置。
5. 前記レーザ光出力部は、所定波長の第１の基本波レーザ光を出力する第１レーザ光出力部と、所定波長の第２の基本波レーザ光を出力する第２レーザ光出力部とからなり、
   前記第１レーザ光出力部から出力された前記第１の基本波レーザ光及び前記第２レーザ光出力部から出力された前記第２の基本波レーザ光のいずれか一方が前記波長変換光学系における前記第１部材が設けられた系列に入射し、他方が前記波長変換光学系における前記第２部材が設けられた系列に入射することを特徴とする請求項４に記載のレーザ装置。
6. 前記レーザ光出力部から出力される前記基本波レーザ光は赤外〜可視領域の光であり、
   前記第１部材から出射される前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光、前記第２部材から出射される前記第３レーザ光、及び前記第１波長変換光学素子から出射される前記第４レーザ光の少なくともいずれかは、紫外領域の光であることを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ装置。
7. 前記第２波長変換光学素子から出力されるレーザ光は、波長が２００ｎｍ以下の深紫外光であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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