JPH0643514A

JPH0643514A - 波長変換レーザ装置および波長変換レーザプロセシング装置

Info

Publication number: JPH0643514A
Application number: JP9788493A
Authority: JP
Inventors: Kimiharu Yasui; 公治安井; Tetsuo Kojima; 哲夫小島; Hiroshi Ito; 寛伊藤; Tatsuki Okamoto; 達樹岡本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-04-27
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1994-02-18
Anticipated expiration: 2017-07-24
Also published as: JP3306990B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高出力域においても時間変動を伴わず、安定
に高出力の波長変換レーザビームを長期にわたり効率良
く得ることを目的としている。さらに任意形状の波長変
換レーザビームを得ることを目的としている。【構成】波長変換素子３の近傍または側面に、入射光
に対して全反射で波長変換されたレーザビームに対して
全透過である波長選択反射手段４と、この波長選択反射
手段により全反射されたレーザビームを再び波長変換素
子に向けて全反射させる全反射手段５とを備え、その組
み合わせにより、波長変換素子３に導入したレーザビー
ム２を、波長変換素子内を複数回往復させるとともに、
往復する光路の複数箇所から波長変換されたレーザビー
ム７を選択的に外部に取り出すように構成したものであ
る。また、複数箇所から発生されるレーザビームが互い
に重なりを持つように配置したものでもある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、波長変換されたレー
ザビームを、高出力域においても効率良く、時間変動な
く安定に、さらに長期間にわたり安定して発生させる波
長変換レーザ装置、ならびに、波長変換されたレーザビ
ームを用いてレーザプロセシングを行う波長変換レーザ
プロセシング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２０は、例えば、特開平３ー２５２１
８６号公報に示された、従来の波長変換レーザ装置であ
る。図２０において、１は基本波レーザビームを発生す
るレーザ発振器で、たとえばNd: YAGレーザの第２高調
波として発生されるグリーンレーザ発生装置、２はレー
ザ発振器１から発生された基本波レーザビーム、３は波
長変換素子である非線形光学素子で、たとえば、チタン
酸りん酸カリウムKTP(KTiOP₄)や、ほう酸バリウムBBO(b
-BaB₂O₄)などの光学結晶、７は波長変換されたレーザビ
ーム、１２は波長変換素子３の温度調節器、１００は光
学基板である。

【０００３】従来のレーザビーム波長変換装置は、上記
のように構成され、入射基本波レーザビーム２は、波長
変換素子３にある角度で入射すると、波長変換素子の非
線形効果により、その一部が波長変換され、高調波レー
ザビーム７として外部に出力される。その波長変換効率
は入射レーザビーム２のパワー密度に比例して増大す
る。

【０００４】また、波長変換素子３内の進行方向に沿っ
た各点で発生した波長変換レーザビームが、互いに打ち
消し合わないようになる条件、いわゆる位相整合条件を
満たすには、波長変換素子３にある特定の方角からレー
ザビーム２を入射させる必要がある。この入射角度は波
長変換素子３の温度変動に従って変化するため、高出力
域で効率良く波長変換を実行するには、光学素子の温度
を温度調節器１２により細かく調整する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の波
長変換レーザ装置では、波長変換素子３の吸収率は入射
基本波レーザビーム２に対しては小さく無視できるが、
波長変換レーザビーム７については大きい。

【０００６】このことから、基本波レーザビーム２を集
光して波長変換素子３に入射させたり、基本波レーザビ
ーム２の出力を上げることにより波長変換素子３内での
入射ビームのパワー密度を上昇させて波長変換効率を上
げたり、さらに従来の実施例のように、複数の固体素子
を直列に配置して、基本波レーザビーム２と波長変換素
子３との相互作用を増大させて波長変換出力を増大させ
ようとすると、高出力の波長変換レーザビーム７の一部
が波長変換素子３に吸収され、波長変換素子３をレーザ
ビームの光路近傍で局所加熱して、これを局所温度上昇
をさせてしまい、この温度上昇により波長変換素子３の
位相整合状態が崩れ波長変換出力が減少し、従って入射
レーザビーム２の出力に比例して波長変換レーザビーム
７は上昇せず、結果として高出力の波長変換レーザビー
ム７を得ることはできなかった。

【０００７】また、この温度上昇を温度調節器１２によ
り抑えようと努力しても、波長変換素子３内の温度分布
が、レーザビームの分布に対応して局所的に発生し、こ
のために波長変換素子３が局所的に熱変形し、これが通
過するレーザビームの波面を乱すために、波長変換効率
が減少し、温度調節器１２を用いて波長変換素子３全体
の温度を調整するだけでは、この減少を抑えることはで
きなかった。例えば、BBO結晶からなる波長変換素子３
による、グリーンレーザビームの紫外レーザビームへの
波長変換の実験例では、レーザビームの出力は入射グリ
ーン出力の10W以上に対して飽和してしまい、平均出力
として最高で2W程度が得られているに過ぎない。

【０００８】また、波長変換素子３の温度上昇による波
長変換レーザビーム７の減少と、その減少による波長変
換素子３の温度下降による波長変換レーザビーム７の出
力の再上昇の繰り返しが短時間で起こり、これにより波
長変換レーザビーム７の出力が短時間内に大きく変動し
不安定になるという問題もあった。

【０００９】さらに、百時間程度の長期間の運転を行う
と、波長変換レーザビーム７の波長変換素子３への吸収
により、波長変換素子３内にカラーセンターが生成さ
れ、これが波長変換素子３に色を付け、曇らせ、これに
より波長変換素子３の吸収率が増大し、波長変換レーザ
ビーム７の出力が減少するばかりでなく、極端な場合に
は波長変換レーザビーム７の発生が止ってしまうことも
あった。

【００１０】さらに、入射レーザビーム２と波長変換レ
ーザビーム７の波長変換素子３内での進行方向が異な
る、いわゆるウオークオフにより、出射ビームが図２１
に示すように偏平状となる強い方向性を示してしまい、
例えば半導体露光装置用の光源としての応用を考えた場
合、矩形状の広い領域を照射できるレーザ半導体露光プ
ロセシングが一度に行えず、生産の効率が低かった。

【００１１】この発明は、かかる問題点を解決するため
になされたものであり、高出力域においても、波長変換
素子の温度上昇による位相整合のずれ、温度の短時間変
動による不安定発振、および波長変換素子内のカラーセ
ンターの発生が少なく、効率良く、安定に高出力の波長
変換レーザビームを長期にわたり得るとともに、その波
長変換レーザビームを用いて、効率的で、安定なレーザ
プロセシングを行うことを目的としている。

【００１２】さらにこの発明は、半導体露光装置などの
光源用として最適な、例えば矩形状、円形状の広い領域
を均一に照射できるビーム形状をもつ波長変換レーザビ
ームを得るとともに、その波長変換レーザビームを用い
て、効率的で、安定なレーザプロセシングを行うことを
目的としている。

【００１３】さらにこの発明は、パルス状の基本波レー
ザビームを用いて複数のパルス状波長変換レーザビーム
を得ると共に、それらを合成してレーザプロセシングに
最適なパルス形状を得ることを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
わる波長変換レーザ装置は、波長変換素子の近傍または
側面に、入射光に対して全反射で波長変換されたレーザ
ビームに対して全透過である波長選択反射手段と、この
波長選択反射手段により全反射されたレーザビームを再
び上記波長変換素子に向けて全反射させる全反射手段と
を備え、その組み合わせにより、上記波長変換素子に導
入したレーザビームを、波長変換素子内を複数回往復さ
せ、往復する光路の複数箇所から、波長変換されたレー
ザビームを選択的に外部に取り出すものである。

【００１５】請求項２に係わる波長変換レーザ装置は、
波長変換素子の近傍または側面に、入射光に対して全反
射で波長変換されたレーザビームに対して全透過である
波長選択反射手段と、この波長選択反射手段により全反
射されたレーザビームを再び上記波長変換素子に向けて
全反射させる全反射手段とを備え、その組み合わせによ
り、上記波長変換素子に導入したレーザビームを、波長
変換素子内を複数回往復させ、往復する光路の複数箇所
から、波長変換されたレーザビームを選択的に外部に取
り出すと共に、上記複数箇所から外部に取り出されるレ
ーザビームが互いに重なりを持つように制御するレーザ
ビーム制御手段を備えたものである。

【００１６】請求項３に係わる波長変換レーザ装置は、
レーザビームの光路上に複数個の波長変換素子を配置
し、これら各波長変換素子間に入射光に対して全透過で
波長変換されたレーザビームに対して全反射である波長
選択反射手段を備え、上記各波長変換素子により波長変
換されたレーザビームを複数箇所から選択的に外部に取
り出すものである。

【００１７】請求項４に係わる波長変換レーザプロセシ
ング装置は、上記請求項１ないし３の何れかに記載され
た波長変換レーザ装置により、複数箇所から外部に取り
出されたレーザビームを、それぞれ別に用意した複数の
光ファイバーまたは一つの光ファイバーに入射させて、
互いに近接したまたは合成された一つのレーザビームと
し、このレーザビームを用いてレーザプロセシングを行
うものである。

【００１８】請求項５に係わる波長変換レーザ装置およ
び波長変換レーザプロセシング装置は、パルス状のレー
ザビームを発生するレーザ装置から発生されるレーザビ
ームを非線形素子でなる波長変換素子により波長変換し
て入射光と波長の異なる複数の波長変換レーザビームを
発生させ、これら複数の波長変換レーザビームを互いに
近接または合成するとともに、上記複数のレーザビーム
間の干渉度合いを、上記レーザビームのパルス波形、パ
ルス周波数、または上記パルスレーザビームが上記波長
変換素子中を通過する時間間隔を制御して、上記複数の
波長変換レーザビーム波形が時間的に重なる部分を持つ
ように調整するものである。

【００１９】

【作用】この発明の請求項１においては、波長変換素子
の近傍または側面に設けられた入射光の全反射手段と、
入射光に対して全反射で波長変換されたレーザビームに
対して全透過である波長選択反射手段との組み合わせに
より、入射レーザビームを波長変換素子中で複数回往復
させ、往復する光路の複数箇所から波長変換されたレー
ザビームが大きくなる前に、波長変換素子の外部に取り
出され、波長変換素子への波長変換レーザビーム吸収に
よる波長変換素子の発熱を最低限に押さえることができ
る。これにより、高出力域においても波長変換レーザ出
力は飽和することなく、高出力の波長変換レーザビーム
が得られる。また、長期間の動作においてもカラーセン
ターなどの波長変換素子の曇りの発生が少なく、波長変
換素子に色がつくことなく長期にわたり安定な動作が保
証される。さらに、入射光は複数回波長変換素子を通過
するために、波長変換の効率は往復回数の増大により容
易に増大させることができる。このために、１回の波長
変換素子の通過による波長変換効率が低い条件でも効率
良く波長変換を行うことができる。このことから、従来
の装置を用いた場合と同じ波長変換レーザ出力を得るた
めに、必要な入射パワーを低くでき、従って発振の効率
を上げることができる。また入射パワー密度を下げるこ
ともでき、波長変換素子表面の損傷が減少し長期間の安
定動作が実現できる。

【００２０】また、請求項２においては、レーザビーム
制御手段により、複数箇所から発生されたレーザビーム
が空間的に互いに重なりを持つように制御することによ
り、一つのレーザビームとして外部にて用いるように
し、波長変換素子中の波長変換レーザビームの方向ずれ
によるビーム形状の変形を目立たなくすることができ、
さらにレーザ加工に必要な任意形状、例えばリソグラフ
ィー用に矩形状の波長変換レーザビームを作り出すこと
ができる。

【００２１】また、請求項３においては、複数の波長変
換素子を用い、複数の波長変換素子の近傍または側面
に、入射光に対して全透過で波長変換されたレーザビー
ムに対して全反射である波長選択反射手段により、複数
の固体素子中を通過するレーザビーム光路の複数箇所か
ら、波長変換されたレーザビームが大きくなる前に、直
ちに波長変換素子の外部に取り出され、波長変換素子へ
の波長変換レーザビーム吸収による波長変換素子の発熱
を最低限に押さえることができる。これにより、高出力
域においても波長変換レーザ出力は飽和することなく、
高出力の波長変換レーザビームが得られる。また、長期
間の動作においてもカラーセンターなどの波長変換素子
の曇りの発生が少なく、波長変換素子に色がつくことな
く長期にわたり安定な動作が保証される。さらに、入射
光は複数個の波長変換素子を通過するために、波長変換
の効率は波長変換素子個数の増大により容易に増大させ
ることができる。このために、１個の波長変換素子の通
過による波長変換効率が低い条件でも効率良く波長変換
を行うことができる。このことから、従来の装置を用い
た場合と同じ波長変換レーザ出力を得るために必要な入
射パワーを低くでき、従って発振の効率を上げることが
できる。また入射パワー密度を下げることもでき、波長
変換素子表面の損傷が減少し長期間の安定動作が実現で
きる。さらに、小型の波長変換素子を利用できるので安
価に構成できる。

【００２２】また、請求項４においては、波長変換素子
の複数箇所から外部に取り出されたレーザビームを、そ
れぞれ別に用意した複数の光ファイバーまたは、一つの
光ファイバーに入射させて、互いに近接した、もしくは
合成された一つのレーザビームとし、このレーザビーム
を用いてレーザプロセシングを行うようにしたので、効
率良く安定なレーザプロセシングが実現できる。

【００２３】また、請求項５においては、パルス発振す
るレーザビームのパルス波形、パルス周波数、または複
数の波長変換素子から発生される波長変換レーザビーム
の時間間隔を制御し、合成される複数の波長変換レーザ
ビームが時間的に重なる部分を持つように調整するよう
にしたので、レーザプロセシングに最適な波長変換レー
ザビームの時間波形を得ることができる。

【００２４】

【実施例】

実施例１．図１は請求項１の発明の一実施例の構成を示
す側面図であり、図において、１、２、３、１００は上
記従来装置と全く同一のものである。４、５は反射ミラ
ーで、ミラー４は入射基本波レーザビーム２を反射さ
せ、波長変換されたレーザビーム７を全透過させる波長
選択光学薄膜６０と波長変換レーザビーム７に対する無
反射光学薄膜４０とを備えている。また、ミラー５は入
射基本波レーザビーム２を全反射させる光学薄膜５０が
施されている。９０は反射ミラー４、５や波長変換素子
３の角度を調整する角度調整器である。

【００２５】上記のように構成された波長変換レーザ装
置において、レーザ発振器１から発生した基本波レーザ
ビーム２は、波長変換素子３により波長変換され、波長
変換されたレーザビームは光学薄膜６０の作用によりそ
のほとんどが波長変換レーザビーム７として外部に取り
出される。

【００２６】入射レーザビーム２のうち波長変換されな
かった成分は、光学薄膜６０の作用により、そのほとん
どがミラー４により反射され、再び波長変換素子３を紙
面左方向に通過するが、この方向では位相整合条件が満
たされないため波長変換はされず、ほとんど減衰するこ
となく光学薄膜５０の作用によりミラー５で全反射され
る。

【００２７】再び紙面右方向に、波長変換素子３中を位
相整合条件を満たしながら、従って波長変換されながら
進行し、波長変換レーザビーム７を外部に出射する。こ
うして入射レーザビーム２は、波長変換素子３中をミラ
ー４と５の作用により複数回往復し、各往復毎に外部に
波長変換レーザビーム７を出射する。

【００２８】また、波長変換素子３への波長変換レーザ
ビーム７の一部吸収による温度上昇に伴う位相整合角の
変化に対応して、ミラー４、５、および波長変換素子３
の角度を、光学部品角度調整手段９０により調整して、
波長変換条件が高出力域においても保たれるようにする
ことができる。なお、この位相整合角の調整は、ミラー
４、５および波長変換素子３のどちらか一方を調整する
ことにより行ってもよい。

【００２９】実施例２．次に、請求項２の発明の一実施
例について説明する。上記実施例１で得られた波長変換
レーザビーム７を、波長変換素子３外部において重ね合
わせて任意形状のビームパターンを作る。例えば、図２
に示すよう配置すれば、半導体露光装置用の光源として
最適な、矩形状のビームパターンを得ることができる。

【００３０】実施例３．なお、上記実施例１で用いた反
射ミラー４および５のいずれか、または両方を波長変換
素子３の側面に光学薄膜を施して、例えば図３に示すよ
うに構成してもよい。この図３では、波長変換素子３の
側面に波長選択薄膜６０を施すと共に、他方の側面に、
入射レーザビーム２に対する全透過光学薄膜４１と、全
反射光学薄膜５０を部分選択的に施すことにより、上記
実施例と同様な効果を得ることができる。

【００３１】実施例４．上記実施例３では、波長変換素
子３の各反射点からビームを出射する構成を示したが、
図４に示すように、波長選択反射光学薄膜６０を施す波
長変換素子の側面に、波長変換選択反射薄膜６０と全反
射光学薄膜５０を交互に施すようにして、一部の反射点
からのみ波長変換レーザビーム７を取り出すようにして
もよい。

【００３２】実施例５．また、例えば図５に示すよう
に、光路中に集光レンズ８などの集光光学系を配置する
か、反射ミラー４、５の表面を凹面状にして、集光ビー
ム状の基本波レーザビーム２が波長変換素子３中を通過
するようにしてもよく、こうすれば波長変換の効率が上
昇する。

【００３３】実施例６．また、図６に示すように、両端
面に全反射光学薄膜５０を施したブロック９を配置し
て、波長変換素子３内を基本波レーザビーム２が複数回
往復する光路が、２周以上となるようにしてもよく、こ
うすれば基本波レーザビーム２の波長変換素子３中での
往復回数が増して波長変換の効率が増す。

【００３４】実施例７．また、図７に示すように、プリ
ズム形状の反射ミラー１０を、波長変換素子３側面に配
置して、基本波レーザビーム２が波長変換素子３中を複
数回往復するように構成してもよい。このようにすれ
ば、構造が簡素化し、また各光路の位置調整が独立して
行える効果もある。

【００３５】実施例８．また、図８に示すように、波長
変換素子３の最終位置で、レーザビームを反射ミラー５
により反射させてレーザ発振器１に戻るようにしてもよ
い。こうすれば波長変換されなかった基本波レーザビー
ム２は、再びレーザ１の共振器中で増幅されて波長変換
に寄与するため、波長変換の効率が上昇する。

【００３６】実施例９．また、図９に示すように、波長
変換素子３を複数個に分割して往復する各光路に対応し
て備えるようにしてもよく、こうすると小さな波長変換
素子３が使えるために、安価に構成できる。

【００３７】実施例１０．次に、請求項３の発明につい
て説明する。図１０に示すように、安価な複数の小型の
波長変換素子３を光路上に配置すると共に、各波長変換
素子３の間に、入射基本波レーザビーム２を全透過さ
せ、波長変換されたレーザビームを全反射させる波長選
択光学薄膜６１、入射基本波レーザビーム全透過させる
光学薄膜４１を施した波長選択ビームスプリッター１１
を配置する。こうすると小さな波長変換素子が使えるた
めに、安価に構成できる。また、波長変換されたレーザ
ビームは直ちに外部に取り出され、波長変換素子への波
長変換レーザビーム吸収による波長変換素子の発熱を最
低限に押さえることができる。これにより、高出力域に
おいても波長変換レーザ出力は飽和することなく、高出
力の波長変換レーザビームが得られる。また、長期間の
動作においてもカラーセンターなどの波長変換素子の曇
りの発生が少なく、波長変換素子に色がつくことなく長
期にわたり安定な動作が保証される。さらに、入射光は
複数個の波長変換素子を通過するために、波長変換の効
率は波長変換素子個数の増大により容易に増大させるこ
とができる。このために、１回の波長変換素子の通過に
よる波長変換効率が低い条件でも効率良く波長変換を行
うことができる。このことから、従来の装置を用いた場
合と同じ波長変換レーザ出力を得るために必要な入射パ
ワーを低くでき、従って発振の効率を上げることができ
る。また入射パワー密度を下げることもでき、波長変換
素子表面の損傷が減少し長期間の安定動作が実現でき
る。

【００３８】実施例１１．なお、上記各実施例では何れ
も、波長変換素子３の位相整合条件を、光学部品角度調
整器９０により調整する場合について示したが、図１１
に示すように、波長変換素子３の全体温度を波長変換素
子３に接触して設けられた温度調節器１２により調節し
て行ってもよい。

【００３９】実施例１２．次に上記のようにして得られ
た波長変換レーザビームを波長変換レーザプロセシング
装置に利用する場合について説明する。図１２に示す実
施例では、複数の波長変換レーザビームを、反射ミラー
１３でまとめてレーザ加工プロセシングステーションに
導いている。

【００４０】この例では、レーザプロセシングステーシ
ョンは、波長変換レーザビーム７をまとめて集光する集
光レンズ１４、これにより集光されたレーザビームによ
り、切断、熔接、焼き入れ、表面改質、蒸発加工などの
レーザ加工プロセシングを施される、鉄、アルミ、セラ
ミック、プリント基盤などの加工対象物１７、加工を効
率良く行うために、酸素、アルゴン、ヘリウムなどのガ
スを吹き込むための導入口１６、このガスを閉じ込める
ためのノズル１５からなる。

【００４１】波長変換レーザビーム７は、反射ミラー１
３により方向を変えられた後、レーザプロセシングステ
ーションに導かれ、集光レンズ１４により集光され、ガ
ス導入口１６から導入されたガスの雰囲気の中で、加工
物１７のレーザ加工を行う。

【００４２】例えば、基本波レーザビーム２と相性の悪
い加工材を効率良くレーザ加工でき、また短波長に変換
された波長変換レーザビーム７を用いた場合には、レン
ズ１３によりより小さな集光スポットに絞られ、高い集
光強度を得て、効率良くレーザ加工が行える。

【００４３】さらに、複数の波長変換レーザビーム７を
合成して生成された波長変換レーザビーム７は、強度が
高く、従って短時間で効率良くレーザ加工プロセシング
を行うことができる。

【００４４】実施例１３．図１３に示す実施例では、複
数の波長変換レーザビームを、反射ミラー１３でまとめ
てレーザ半導体露光装置プロセシングステーションに導
いている。

【００４５】この実施例では、レーザプロセシングステ
ーションは、波長変換レーザビーム７をまとめて集光す
る第１の集光レンズ１８、その集光性を調整するフライ
アイレンズなどからなる光学素子１９、第２の集光レン
ズ２０、パターンを転写するためのレチクル２１、レチ
クル２１上のパターンを半導体２３上に転写するための
投影レンズ２２、さらに半導体の位置を変化させる移動
ステージ２４からなる。

【００４６】波長変換レーザビーム７は、反射ミラー１
３により方向を変えられた後、レーザプロセシングステ
ーションに導かれ、レチクル２１のパターンを半導体２
３の上に転写するが、基本波レーザビームより波長が短
くなるように発生させられた波長変換レーザビーム７
は、回折効果が小さく、より細かいレチクル２１上のパ
ターンを半導体２３上に転写できる。このため、密度の
高い電子回路を半導体上に転写でき、集積度の高い集積
回路を製造することができる。

【００４７】さらに、複数の波長変換レーザビームを合
成して生成された波長変換レーザビーム７は強度が高
く、従って短時間で効率良く転写プロセシングを行うこ
とができ、生産性を向上させる。

【００４８】実施例１４．図１４に示す実施例では、複
数の波長変換レーザビーム７を、反射ミラー１３でまと
めて色素セル励起プロセシングステーションに導いてい
る。

【００４９】この実施例では、レーザプロセシングステ
ーションは、波長変換レーザビーム７をまとめて集光す
る集光レンズ１４、これにより集光されたレーザビーム
により、レーザ励起される色素が、アルコールなどの液
体に溶かされて詰められた色素セル２５、励起された色
素セルからレーザビームを取り出す、全反射ミラー２７
と部分反射ミラー２６からなるレーザ共振器からなる。

【００５０】波長変換レーザビームは、反射ミラー１３
により方向を変えられた後、集光レンズ１４により色素
が詰められた色素セル２５中で集光され、これをレーザ
励起する。

【００５１】レーザ励起された色素セル２５から発生さ
れたレーザビーム２８は、全反射ミラー２７と部分反射
ミラー２６の間を往復し増幅され、ある一定以上の大き
さになると、レーザビーム２９として外部に取り出され
る。

【００５２】レーザ励起された色素セル２５は、広い波
長のレーザビームを発生する能力があり、従って共振器
の構成を変えて種々の波長を持つレーザビームを発生さ
せ、これにより例えば、レーザによるウラン濃縮などの
応用で必要とされる特殊な波長のレーザビームを発生さ
せることができる。

【００５３】さらに、複数の波長変換レーザビームを合
成して生成された波長変換レーザビーム７は強度が高
く、従って色素セルを励起して、高いゲインを持つレー
ザ媒質を発生させることができ、このために高出力のレ
ーザビーム２９が効率良く得られる。

【００５４】実施例１５．次に、請求項４の発明の一実
施例について説明する。図１５（ａ）（ｂ）に示す実施
例では、（ａ）に示すように、複数の波長変換レーザビ
ーム７を、集光レンズ１４で光ファイバー３０に導き、
光ファイバー３０中で合成するか、（ｂ）に示すよう
に、それぞれの波長変換レーザビーム７に対して複数の
光ファイバー３０を備えて離れた場所に伝送後に合成
し、合成された高出力波長変換レーザビーム７０を作り
出している。

【００５５】こうすれば、ほぼ均一な強度分布を持つ、
出力の高い波長変換レーザビーム７０が得られ、さらに
波長変換レーザ装置から離れた場所まで、光ファイバー
３０により安全に高出力波長変換レーザビーム７０を導
くことができる。

【００５６】さらに、光ファイバー３０を、例えば酸化
物ガラスにより構成された非線形光学素子としたり、例
えば希土類元素をドープしたガラスからなるアップコン
バージョン光学素子とし、光ファイバー３０中で２段目
の波長変換を行うようにすれば、高出力の波長変換レー
ザビームの作用により、効率良く２段階波長変換された
レーザビーム７０を取り出すこともできる。

【００５７】実施例１６．図１６に示す実施例では、実
施例１５で示した装置により、光ファイバー３０中で合
成された高出力波長変換レーザビームにより、レーザ加
工プロセシングを行っている。この場合、光ファイバー
３０から出射されるレーザビーム７０は、高出力で均一
なビームパターンを持つために、これを集光して効率良
く安定なレーザ加工が実現できる。

【００５８】さらに、図１６に示す例では、光ファイバ
ー３０端面のビームパターンを、２つの集光レンズ１４
により加工物１７上に像転写している。こうすれば、光
ファイバー端面で鋭く端切りされたレーザビームパター
ンを加工物１７上に再現でき、これを用いて熱影響の小
さい、精度の高い安定なレーザ加工が実現できる。

【００５９】実施例１７．図１７に示す実施例では、実
施例１４で示した装置により、光ファイバー３０中で合
成された高出力波長変換レーザビーム７０を、レーザ半
導体露光プロセシングステーションに導いている。光フ
ァイバー３０から出射されるレーザビーム７０は高出力
で均一なビームパターンを持つために、これを用いて効
率良く安定なレーザ半導体露光プロセシングが実現でき
る。

【００６０】実施例１８．図１８に示す実施例では、実
施例１５で示した装置により、光ファイバー３０中で合
成された高出力波長変換レーザビーム７０を、レーザ色
素セル励起プロセシングステーションに導いている。こ
の場合、光ファイバー３０から出射されるレーザビーム
７０は高出力で均一なビームパターンを持つために、こ
れを集光して効率良くゲインの高い均質なレーザ媒質を
色素セル２５中に発生させることができ、これから安定
に、効率良く、高出力で高品質のレーザビーム２９が取
り出される。

【００６１】実施例１９．次に、請求項５の発明の一実
施例について説明する。この実施例１９では、Ｑスイッ
チ、またはモードロックなどのパルス動作によりパルス
発振するレーザ発振装置１を用いて、パルス状に出力さ
れる基本波レーザビーム２を用いている。波長変換の変
換効率は、光強度のピークの値に比例するために、パル
ス発振の基本波レーザビームがしばしば用いられる。従
って、通常波長変換レーザビームはパルス状のものが得
られる。

【００６２】図１９を用いて動作を説明する。複数の波
長変換レーザビームは、それぞれ異なる光路を持つため
に、図２、図１２、図１５で説明したそれらの合成は、
時間的にずれて実行される。図１９（ａ）は、横軸に時
間を取った場合のレーザビームの強度分布を示す。図
中、７００は最初に波長変換素子を通過して発生された
波長変換レーザビーム、７０１は波長変換素子を一回往
復後に発生された波長変換レーザビーム、以下７０２、
７０３、．．．はそれぞれ２、３、．．．回往復後に発
生された波長変換レーザビームである。

【００６３】ここで例えば、時間的に連続した強度を持
つ波長変換レーザビームを得たい場合には、波長変換素
子内の往復する光路を短くして、複数の波長変換レーザ
ビーム７００〜７０３間の時間間隔を短くするか、基本
波レーザビームのパルス幅を増大させて、図１９（ｂ）
に示すように、複数の波長変換レーザビーム７００〜７
０３が互いに重なる部分を持つようにすればよい。

【００６４】さらに、パルス周波数の間隔を短くして、
図１９（ｃ）に示すように、時間的にほぼ連続したレー
ザビームを発生させることができる。この時間的に連続
した光強度を持つ波長変間レーザビームを用いれば、安
定なレーザプロセシングが実行できる。

【００６５】なお、上記何れの実施例においても、特に
説明しなかったが、光学素子のうち特に指示のない部分
にも、レーザビームが通過する部分には通常の光学素子
のように無反射薄膜を施せば光学素子通過によるロスが
減少し、効率の良い波長変換を実現することができる。

【００６６】また、上記何れの実施例における波長変換
レーザ装置も、何れの波長変換レーザプロセシング装置
とも組み合わせて用いることができる。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
１によれば、波長変換素子に導入したレーザビームを、
波長変換素子内を複数回往復させ、往復する光路の複数
箇所から、波長変換されたレーザビームを選択的に外部
に取り出すようにしたので、波長変換されたレーザビー
ムは直ちに外部に取り出され、波長変換素子への波長変
換レーザビーム吸収による波長変換素子の発熱を最低限
に押さえることができる。これにより、高出力域におい
ても波長変換レーザ出力は飽和することなく、高出力の
波長変換レーザビームが得られる。また、長期間の動作
においてもカラーセンターなどの波長変換素子の曇りの
発生が少なく、波長変換素子に色がつくことなく長期に
わたり安定な動作が保証される。さらに、入射光は複数
回波長変換素子を通過するために、波長変換の効率は往
復回数の増大により容易に増大させることができる。こ
のために、１回の波長変換素子の通過による波長変換効
率が低い条件でも効率良く波長変換を行うことができ
る。このことから、従来の装置を用いた場合と同じ波長
変換レーザ出力を得るために、必要な入射パワーを低く
でき、従って発振の効率を上げることができる。また入
射パワー密度を下げることもでき、波長変換素子表面の
損傷が減少し長期間の安定動作が実現できる。

【００６８】また、請求項２によれば、複数の波長変換
レーザビームを外部で重ね合わせるように構成したの
で、ウオークオフによるビーム形状の偏平変形を目だた
なくすることができ、さらにレーザ加工に必要な任意形
状、例えばリソグラフィー用に矩形状の波長変換レーザ
ビームを作り出すことができる。

【００６９】また、請求項３によれば、レーザビームの
光路上に複数個の波長変換素子を配置し、これら各波長
変換素子間に入射光に対して全透過で波長変換されたレ
ーザビームに対して全反射である波長選択反射手段を備
え、上記各波長変換素子により波長変換されたレーザビ
ームを複数箇所から選択的に外部に取り出すので、波長
変換されたレーザビームは直ちに外部に取り出され、波
長変換素子への波長変換レーザビーム吸収による波長変
換素子の発熱を最低限に押さえることができる。これに
より、高出力域においても波長変換レーザ出力は飽和す
ることなく、高出力の波長変換レーザビームが得られ
る。また、長期間の動作においてもカラーセンターなど
の波長変換素子の曇りの発生が少なく、波長変換素子に
色がつくことなく長期にわたり安定な動作が保証され
る。さらに、入射光は複数個の波長変換素子を通過する
ために、波長変換の効率は波長変換素子個数の増大によ
り容易に増大させることができる。このために、１回の
波長変換素子の通過による波長変換効率が低い条件でも
効率良く波長変換を行うことができる。このことから、
従来の装置を用いた場合と同じ波長変換レーザ出力を得
るために必要な入射パワーを低くでき、従って発振の効
率を上げることができる。また入射パワー密度を下げる
こともでき、波長変換素子表面の損傷が減少し長期間の
安定動作が実現できる。さらに、小型の波長変換素子を
利用できるので安価に構成できる。

【００７０】また、請求項４によれば、波長変換素子の
複数箇所から外部に取り出されたレーザビームを、それ
ぞれ別に用意した光ファイバーまたは一つの光ファイバ
ーに入射させて、互いに近接したまたは合成された一つ
のレーザビームとし、このレーザビームを用いてレーザ
プロセシングを行うようにしたために、効率良く安定な
レーザプロセシングが実現できる。

【００７１】また、請求項５によれば、パルス発振する
レーザビームのパルス波形、パルス周波数、または複数
の固体素子から発生される波長変換レーザビームの時間
間隔を制御し、合成される波長変換レーザビームが時間
的に重なる部分を持つように調整するようにしたため
に、レーザプロセシングに最適な波長変換レーザビーム
の時間波形を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の構成を示す側面図であ
る。

【図２】この発明の実施例２により得られたビームパタ
ーンを示す説明図である。

【図３】この発明の実施例３の構成を示す側面図であ
る。

【図４】この発明の実施例４の構成を示す側面図であ
る。

【図５】この発明の実施例５の構成を示す側面図であ
る。

【図６】この発明の実施例６の構成を示す側面図であ
る。

【図７】この発明の実施例７の構成を示す側面図であ
る。

【図８】この発明の実施例８の構成を示す側面図であ
る。

【図９】この発明の実施例９の構成を示す側面図であ
る。

【図１０】この発明の実施例１０の構成を示す側面図で
ある。

【図１１】この発明の実施例１１の構成を示す側面図で
ある。

【図１２】この発明の実施例１２の構成を示す側面図で
ある。

【図１３】この発明の実施例１３の構成を示す側面図で
ある。

【図１４】この発明の実施例１４の構成を示す側面図で
ある。

【図１５】この発明の実施例１５の構成を示す側面図で
ある。

【図１６】この発明の実施例１６の構成を示す側面図で
ある。

【図１７】この発明の実施例１７の構成を示す側面図で
ある。

【図１８】この発明の実施例１８の構成を示す側面図で
ある。

【図１９】この発明の実施例１９の動作を説明する説明
図である。

【図２０】従来の波長変換装置の構成を示す側面図であ
る。

【図２１】従来の波長変換装置により得られるビームパ
ターンを示す説明図である。

【符号の説明】

１レーザ発振器２基本波レーザビーム３波長変換素子４反射ミラー５反射ミラー７波長変換レーザビーム８集光レンズ１０プリズム１２温度調節器１３反射ミラー１７加工対象物２３半導体２５色素セル３０光ファイバー４０無反射光学薄膜４１無反射光学薄膜５０反射光学薄膜６０波長選択反射光学薄膜６１波長選択反射光学薄膜７０波長変換レーザビーム９０光学部品角度調整器１００光学基板７００波長変換レーザビーム７０１波長変換レーザビーム７０２波長変換レーザビーム７０３波長変換レーザビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本達樹尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ装置から発生されたレーザビーム
を非線形素子でなる波長変換素子により波長変換して入
射光と波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波
長変換レーザ装置において、上記波長変換素子の近傍ま
たは側面に、入射光に対して全反射で波長変換されたレ
ーザビームに対して全透過である波長選択反射手段と、
この波長選択反射手段により全反射されたレーザビーム
を再び上記波長変換素子に向けて全反射させる全反射手
段とを備え、その組み合わせにより、上記波長変換素子
に導入したレーザビームを、波長変換素子内を複数回往
復させ、往復する光路の複数箇所から、波長変換された
レーザビームを選択的に外部に取り出すことを特徴とす
る波長変換レーザ装置。
【請求項２】レーザ装置から発生されたレーザビーム
を非線形素子でなる波長変換素子により波長変換して入
射光と波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波
長変換レーザ装置において、上記波長変換素子の近傍ま
たは側面に、入射光に対して全反射で波長変換されたレ
ーザビームに対して全透過である波長選択反射手段と、
この波長選択反射手段により全反射されたレーザビーム
を再び上記波長変換素子に向けて全反射させる全反射手
段とを備え、その組み合わせにより、上記波長変換素子
に導入したレーザビームを、波長変換素子内を複数回往
復させ、往復する光路の複数箇所から、波長変換された
レーザビームを選択的に外部に取り出すと共に、上記複
数箇所から外部に取り出されるレーザビームが互いに重
なりを持つように制御するレーザビーム制御手段を備え
たことを特徴とする波長変換レーザ装置。
【請求項３】レーザ装置から発生されたレーザビーム
を非線形素子でなる波長変換素子により波長変換して入
射光と波長の異なる波長変換レーザビームを取り出す波
長変換レーザ装置において、上記レーザビームの光路上
に複数個の波長変換素子を配置し、これら各波長変換素
子間に入射光に対して全透過で波長変換されたレーザビ
ームに対して全反射である波長選択反射手段を備え、上
記各波長変換素子により波長変換されたレーザビームを
複数箇所から選択的に外部に取り出すことを特徴とする
波長変換レーザ装置。
【請求項４】上記請求項１ないし３の何れかに記載さ
れた波長変換レーザ装置により、複数箇所から外部に取
り出されたレーザビームを、それぞれ別に用意した複数
の光ファイバーまたは一つの光ファイバーに入射させ
て、互いに近接したまたは合成された一つのレーザビー
ムとし、このレーザビームを用いてレーザプロセシング
を行うことを特徴とする波長変換レーザプロセシング装
置。
【請求項５】パルス状のレーザビームを発生するレー
ザ装置から発生されるレーザビームを非線形素子でなる
波長変換素子により波長変換して入射光と波長の異なる
複数の波長変換レーザビームを発生させ、これら複数の
波長変換レーザビームを互いに近接または合成するとと
もに、上記レーザビームのパルス波形、パルス周波数、
または上記パルスレーザビームが上記波長変換素子中を
通過する時間間隔を制御して、上記複数の波長変換レー
ザビーム波形が時間的に重なる部分を持つように調整す
ることを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の
波長変換レーザ装置および波長変換レーザプロセシング
装置。