JPH03282432A - 倍波発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の目的） 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非線形光学素子を利用した倍波発生装置に関
する。

〔従来の技術〕

発振されるレーザの波長を可変にする技術として、非線
形光学効果を利用することか古くから研究されている。

非線形光学効果とは、強い光電磁場ては誘起される分極
か場の強さに比例せず、非線形応答を示すことをいう。

この非線形光学効果を利用した波長変換技術としては、
変換される光の波長か元の光の波長の１／２になる光高
調波の発生が代表的であり、ルビーレーザ。Ｈｅ−Ｎｅ
レーザ、ＧａＡｓ半導体レーザ等の各種のレーザから第
２高調波を発生させる実験か行われてきている（レーザ
ハンドブック４１９頁参照）。商業的には、Ｎｄ　：　
ＹＡＧレーサ（波長１０１０６４ｎの第２高調波（５３
２ｎｍ）を用いる装置か最も良く知られており、例えば
プリント回路基板の回路パターンの整形用等に使用され
ている。

光高調波の発生においては、例えばレーザ発振基から発
振された元の光を基本波と呼び、非線形光学素子を一回
通って１／２波長になった光を第２高調波と呼ぶ。また
、さらに非線形光学素子中を通って基本波に対して１／
４波長になった光を第４高調波と呼ぶ。また基本波と第
２高調波との和周波の発生によって発生した高調波を第
３高調波と呼ぶが、この第３高調波が再度非線形光学素
子を通って１発生した高調波は、基本波に対しては第６
高調波と呼ばれる。

本発明においては、非線形光学素子に入射する光を単に
「入射波」と総称し、非線形光学素子中を通って１／２
の波長になった光のことを「倍波Ｊと総称することとす
る。

第３図は、従来の倍波発生装置の概略説明図である。６
０は非線形光学素子、３０は入射波無反射手段、９０は
倍波無反射手段、１００は波長選択手段をそれぞれ示す
。

非線形光学素子６０は、通常バルク状であり、第３図に
示すようにバルク状の非線形光学素子６０の端面ト＋、
から入射波７を入射させる。入射波７が入射する端面訓
には、入射波の表面反射を少なくするため、反射防止膜
よりなる入射波無反射手段３０が設けられている。

端面輯から入射した入射波７は、予め位相整合角に合わ
せて整形された非線形光学素子６０中を伝播し、倍波８
を発生させる。発生した倍波８は、倍波無反射手段９０
によって、非線形光学素子６０の他の端面歩喜から出射
する。また、入射波７も入射波無反射手段３０によって
出射する。

そして、波長選択フィルタよりなる倍波選択手段１００
によって、倍波８のみか選択され出力される。

入射させる入射波７か例えば波長１１０６４ｎのＮｄ：
ＹＡＧレーザの基本波の場合、出射される倍波８は波長
５３２ｎｍの第２高調波となる。

〔発明か解決しようとする技術的課題〕倍波発生装置に
おいて、非線形光学素子か入射波を倍波に変換する効率
は、一般に、入射波のパワー密度と光伝播方向の距離に
大きく依存する。

従って、入射波のパワー密度を一定として変換効率を上
げるためには、光伝播方向の距離を長くせざるを得ない
。

しかし、倍波発生においては、つオークオフ（ＷＡＬＫ
　　０ＦＦ）効果として知られる。入射波と倍波のミス
マツチが、光伝播方向の距離の増大にしたがって現れて
くる。このため、光伝播方向の距離を長くしても、変換
効率はある一定の値以上を示さなメなる。例えば、非線
形光学素子としてＢＢＯ（β−ＢａＢ２０４）を使用し
た場合には、バルクの厚みか７ｍｍを越えると上記つオ
ークオフ効果か顕著となり、入射波のパワー密度を上げ
ることなしに出力を大きくすることは不可能になる。入
射波のパワー密度をあげるためには、１ｎｓｅｃ程度の
レーザの超短パルス化を行い尖頭値を高くするという非
常に困難な技術か必要となる。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので
あり、入射波の超短パルス化を必要とすることなく、比
較的パルス幅か長くてパワー密度の低い入射波であって
も、高い変換効率で倍波に変換することかできる倍波発
生装置の提供を目的としている。

（発明の構成） 〔課題を解決するための手段〕 上記課題を解決するため、本発明の倍波発生装置は、板
状の非線形光学素子に入射波を入射させて倍波を発生さ
せる倍波発生装置であって、該非線形光学素子の位相整
合角に合わせて、入射波か非線形光学素子の第一の面の
端部から入射してなり、 非線形光学素子の第一の面に対向する第二の面に又は第
二の面を臨む位置には、発生した倍波を透過し基本波を
反射させる選択反射手段か設けられてなり、 第一の面の前記端部以外の部分に又は第一の面を臨む位
置には、入射波を反射させる反射手段か設けられてなり
、 第−の面、第二の面１選択反射手段の反射面及び反射手
段の反射面はすべて平行であり、さらに、第一の面と第
二の面の光伝播方向の距離は、ウオークオフ効果を無視
できる程度に短いものであることを特徴とする。

〔作用〕

上記構成にかかる本発明の倍波発生手段によれば、入射
した入射波が第一の面と第二の面に反射しなから板状の
非線形光学素子中を伝播して倍波に変換される。これに
より、ウオークオフ効果がなく疑似的に長い光伝播方向
の距離を得ることかでき、倍波の変換効率か飛躍的に高
くなる。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の実施例の倍波発生装置の説明図であ
る。７は入射波、８は倍波、６は非線形光学素子、１は
第一の面、５は第二の面、４は選択反射手段、２は反射
手段、梁は光伝播方向の距離を示す。

第１図において、角度θて入射する入射波７に対して、
非線形光学素子６か位相整合を満足する様な結晶方向を
持つように、非線形光学素子６をカットする。位相整合
角は、結晶方向に対して所定の方向として定められる「
光学軸Ｊに従い、決定される。この位相整合角は、例え
ば非線形光学素子としてＢＢＯを使用し、入射波として
ＮｄＹＡＧレーザ（発振波長１０１０６４ｎを入射させ
る場合は、「光学軸」に対して２３°である。第１図に
おいて、紙面の上下方向か「光学軸」になるように結晶
をカットすると、位相整合角は第１図の角θに等しくな
り、θ＝２３°で入射させれば位相整合の条件を満たす
ことになる。

第１図において、最初に入射波７が入射する第一の面ｌ
の端部１１には、入射波７の反射防止膜よりなる入射波
無反射手段３が施されている。

入射した入射波７は位相整合を満足する角度で非線形光
学素子６中を伝播するため、光伝播方向の距離！に比例
したある割合で倍波８に変換される。この距離２は非線
形光学素子６の厚さｄに対し１．（＝ｄ／ｃｏｓθて与
えられる。この距離）は非線形光学素子６に固有のウオ
ークオフ効果が現れない限界の距離に設定する。例えば
、非線形光学素子６としてＢＢＯを使用した場合には、
前述の通り光伝播方向の距離Ｊか７ｍｍ以上になるとウ
オークオフ効果か無視できなくなる。この場合、θか前
述の通り２３°とすると、ｄ＝３ｃ。

Ｓθより、ｄは６．４ｍｍ程度以下でなければならない
ことになる。

！ 入射波７と発生した倍波８はともに第二の面体に施され
た選択反射手段４に入射する。この選択反射手段４．Ｉ
よ例えば倍波８に対して反射防止、入射波７に対しては
高効率反射の誘電体多層膜を施すいわゆるデュアルコー
トか有効である。この選択反射手段４によって、倍波８
は透過し、入射波７は角度θて折り返される。

折り返された入射波７は、非線形光学素子６中を伝播す
るか、その伝播方向は位相整合を満足しないため、倍波
８の発生はない。折り返された入射波７か第一の面１に
施された反射手段２に反射する。この反射手段２は例え
ば入射波７に対する高効率反射の誘電体多層膜でもよい
か、作製コストの問題を考慮すれば、金属蒸着による無
選択反射膜てもよい。この反射手段２によって、入射波
７は折り返される。

再び折り返された入射波７は、非線形光学素子１中を伝
播するが、その伝播方向は位相整合を満たしているため
、倍波８が発生する。このプロセ得ることかでき、よっ
て、従来の倍波発生装置に比へ変換効率の飛躍的に高い
倍波発生装置とすることかできる。

第１図において、角度θは位相整合条件を満たさなけれ
ばならいことは前述の通りであるか、結晶をカットする
方向を適宜変えれば、「光学軸」も変わり位相整合角も
変わるので、角度θを自由に設定できることになる。こ
の場合、角度θを小さくすれば、入射波７か何回も反射
して非線形光学素子６中を伝播するので、倍波の総出力
は大きくなる。但し、選択反射手段４及び反射手段２と
して用いた蒸着膜に対して、あまりきつい角度で光が反
射すると、蒸着膜の劣化か激しくなると考えられるので
、この辺を考慮して角度θは適宜決定される。

第２図は、本発明の他の実施例の倍波発生装置の説明図
である。第２図の倍波発生装置は、反射又は透過を目的
とした薄膜を非線形光学素子６に直接蒸着することなし
に、本原理を用いて倍波８を発生させる目的に用いられ
る。即ち、本実施例は、例えばＫＤＰ　（ＫＨ２ＰＯ，
）のように、潮解性を示す７ため薄膜蒸着の不可能な非
線形光字素を 子牛を用いる場合に、特に有効である。また、非線形光
学素子すか発生する熱により蒸着膜か歪むことによって
生じる光路のズレが無視できるという利点もある。この
装置の反射手段２及び選択反射手段４は、光学ガラスま
たは合成石英板のような、入射波及び倍波ともに透過す
ることのできる材料の基盤２２．４２より構成される。

第２図のように、基盤２２の入射側の面のうちの入射部
分のみに入射波無反射手段３としての反す。この基盤２
２と平行に非線形光学素子６を配置し、他方の基盤４２
もまた、平行に配置する。

この基盤４２には、一方の基盤２２と向き合う面に選択
反射膜４３を施し、その反対の面には倍波に対する反射
防止膜よりなる倍波無反射手段９をを施す。従って、反
射手段２の反射面２１９選択反射手段４の反射面４１．
非線形光学素子６はすべて平行になっている。

以上の実施例においては、非線形光学素子６として、Ｂ
ＢＯを使用したかこれに限られず、ＫＴＰ　（ＫＴｉ　
ＯＰＯ，）等の他の素子でも良い。ＫＴＰの場合の位相
整合角は、「光学軸」に対して２５°である。

第１図又は第２図の倍波発生装置は、例えばＮｄ：ＹＡ
Ｇレーサの第４高調波発生装置に好適に用いることがで
きる。非線形光学素子６として、可視域から紫外域にか
けて高い変換効率を示すＢＢＯを用い、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーサの第２高調波（波長５３２ｎｍ）を入射させれば、
高効率、高出力にて波長２６６　ｎｍの第４高調波を発
生させることかでき、次世代のフォトリソグラフィ用の
露光光源として好適なものとなる。尚、この場合、本装
置から発生する倍波はビームか拡がったものになるため
、集光鏡等で集光する必要があるてあろう。また、第１
図又は第２図から明らかなように、出射される倍波は、
第１の面等での反射回数か多くなるにつれ、出射される
倍波の強さか弱くなるため、出射される倍波の強度分布
は不均一なものとなる。。しかし、フォトリソグラフィ
用の露光光学系には、通常ミキサーレンズか使用されて
照度を均一化しているので問題かない。また、エキシマ
レーザステッパーで周知のように、スキャンミラーを使
用すればさらに照度は均一になる。

また、第１図の場合には、非線形光学素子６の厚さｄを
調整し、ｆ’−ｄ／ｃｏｓθ＝ｎλ（但しλは入射波の
波長、ｎは整数）の条件を満足させればコヒーレンスの
良いレーザとして倍波を得ることも可能である。

（発明の効果） 以上、説明した通り、本発明の倍波発生装置によれば、
入射波のパワー密度を高くすることなく高い変換効率て
入射波を倍波に変換することかでき、もって高出力の倍
波発生装置となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の倍波発生装置の説明図であ
る。第２図は、本発明の他の実施例の倍波発生装置の説
明図である。第３図は、従来の倍波発生装置の概略説明
図である。 図中、 ６　−　・　板状の非線形光学素子 １　　−ｍ−第一の面 １１−一　　第一の面の端部 ５−−一第二の面 ４−　　・　選択反射手段 ４１　　　　選択反射手段の反射面 ２−−−−反射手段 ２１　−一反射手段の反射面 アー　・−光伝播方向の距離 を示す。 手続補正書 平成２年ｒ月２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 板状の非線形光学素子に入射波を入射させて倍波を発生
   させる倍波発生装置であって、 該非線形光学素子の位相整合角に合わせて、入射波が非
   線形光学素子の第一の面の端部から入射してなり、 非線形光学素子の第一の面に対向する第二の面に又は第
   二の面を臨む位置に、発生した倍波を透過し入射波を反
   射させる選択反射手段か設けられてなり、 第一の面の前記端部以外の部分に又は第一の面を臨む位
   置には、入射波を反射させる反射手段が設けられてなり
   、 第一の面、第二の面、選択反射手段の反射面及び反射手
   段の反射面はすべて平行であり、 さらに、第一の面と第二の面の光伝播方向の距離は、ウ
   ォークオフ効果を無視できる程度に短いものであること
   を特徴とする倍波発生装置。