JPH1164903A

JPH1164903A - 波長変換素子及びその使用方法

Info

Publication number: JPH1164903A
Application number: JP22637697A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kaneda; 有史金田; Koichi Tatsuki; 幸一田附; Nobuhiko Umetsu; 暢彦梅津; Tatsuo Fukui; 達雄福井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1997-08-22
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】熱的安定性に優れ、安定かつ信頼性の高い非
線形光学結晶からなる波長変換素子、及びその使用方法
を提供すること。【解決手段】レーザ光入射面２とレーザ光出射面３と
を有する非線形光学結晶１からなり、非線形光学結晶中
１をレーザ光が、この光軸に対しほぼ垂直な面内でウォ
ークオフを発生しながら伝搬する波長変換素子であっ
て、レーザ光の非ウォークオフ方向ｘにおいて、前記レ
ーザ光の径に対し、非線形光学結晶１の厚みが１５倍以
下であることを特徴とする波長変換素子。非線形光学結
晶１をウォークオフ方向ｘに移動する波長変換素子の使
用方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学効果を
利用して波長変換を行う波長変換素子及びその使用方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光は、一般に、電波よりも周波数
が高いので情報収容能力が大きく、また、波長が同一で
あり位相がそろっているので単色性や指向性に優れ、通
常の光線にみられない干渉性をもっており、さらに、極
めて細く収束できるため、微小な面積にエネルギーを集
中して、局部的、瞬間的に高温、高圧を実現できるなど
の特徴を有しており、通信及び情報関係、計測関係、加
工技術への応用、医学面への応用など、多方面に応用さ
れている。

【０００３】レーザ光の波長を変換して例えば第２高調
波を発生せしめることができる非線形光学結晶からなる
波長変換素子は、例えば、半導体の微細加工に用いられ
るステッパなどの半導体露光装置に適用されるレーザ光
源や、安定な高出力レーザ光を発振できるレーザ光発生
装置などに採用されている。

【０００４】近年、このようなレーザ光源やレーザ光発
生装置（例えば、半導体製造装置に用いられる露光用光
源）に関して、レーザ光の高出力化、短波長化の研究が
なされている。

【０００５】前記レーザ光の高出力化、短波長化を達成
する手段として、現在、様々な手法が取られているが、
これらの中で最も有望なものの一つに、固体レーザの非
線形波長変換により短波長領域、特に紫外光領域のレー
ザ光を得る方法がある。固体レーザは、半導体レーザよ
りも、高効率でかつ安価に提供することが可能であり、
また、ＫｒＦやＡｒＦ等を用いるガスレーザに比べて信
頼性が高いと考えられる。

【０００６】ここで、例えば、波長１０６４ｎｍのレー
ザ光を発振するネオジミウム：イットリウム・アルミニ
ウム・ガーネットレーザ（以下、Ｎｄ：ＹＡＧレーザと
称する。）の第５高調波、すなわち、波長２１３ｎｍの
レーザ光は、高いエネルギー変換効率を有し、小型化可
能で比較的安価にて供給されるため、次世代露光装置の
光源として有望である。

【０００７】実際に第５高調波を得る方法としては、ま
ず、波長１０６４ｎｍの基本波から、第１のＳＨＧ（第
２高調波：Second Harmonic Generation；以下、同様）
の発生過程により波長５３２ｎｍの第２高調波を得て、
さらに、第２のＳＨＧ発生過程によって、さらに半分の
波長を有する波長２６６ｎｍのレーザ光（以下、便宜的
に第４高調波と称することがある。）を得る。そして、
第１のＳＨＧ発生過程で波長変換されずに残った波長１
０６４ｎｍの基本波レーザ光と波長２６６ｎｍの第４高
調波とを、和周波混合（以下、ＳＦＭと称する。）過程
によって第５高調波となる波長２１３ｎｍのレーザ光を
得る方法が実施されている。

【０００８】この第５高調波発生過程を図６を参照に説
明する。

【０００９】まず、図示省略したＮｄ：ＹＡＧレーザ発
振器から発振された波長１０６４ｎｍのレーザ光ａが非
線形光学結晶であるホウ酸リチウム結晶（以下、ＬＢＯ
結晶と称する。）２０を通過する（第１のＳＨＧ）。こ
の際、第２高調波である波長５３２ｎｍのレーザ光が発
生するが、ＬＢＯ結晶２０から出射するレーザ光ｂは、
波長１０６４ｎｍのレーザ光と波長５３２ｎｍのレーザ
光とを含むレーザ光である。

【００１０】次に、ＬＢＯ結晶２０から出射されるレー
ザ光ｂは、分離ミラー２４に入射し、ここで、波長１０
６４ｎｍのレーザ光ｅは透過し、波長５３２ｎｍのレー
ザ光ｃは反射されて光軸が９０度曲げられて、それぞれ
分離される。

【００１１】分離された波長５３２ｎｍのレーザ光ｃ
は、さらに全反射ミラー２５にて反射され、非線形光学
結晶であるβ−ホウ酸バリウム結晶（以下、ＢＢＯ結晶
と称する。）２１を透過して、第４高調波である波長２
６６ｎｍのレーザ光ｄが発生する（第２のＳＨＧ）。こ
の波長２６６ｎｍのレーザ光ｄは、全反射ミラー２６と
分離ミラー２７とにて反射され、和周波混合が可能な非
線形光学結晶であるＢＢＯ結晶２２に導かれる。

【００１２】一方、分離ミラー２４を透過した波長１０
６４ｎｍのレーザ光ｅは、分離ミラー２７を透過してＢ
ＢＯ結晶２２に導かれる。

【００１３】このＢＢＯ結晶２２において、波長１０６
４ｎｍのレーザ光ｅと波長２６６ｎｍのレーザ光ｄとが
和周波混合されて、基本波レーザ光の第５高調波である
２１３ｎｍの紫外レーザ光が発生し、この波長２１３ｎ
ｍのレーザ光ｆが出射される。

【００１４】ここで、上述したように、前記第１のＳＨ
Ｇには、非線形光学結晶としてＬＢＯ（ＬｉＢ₃Ｏ₄）
結晶が広く利用されている。このＬＢＯ結晶は、高いレ
ーザ損傷しきい値を有し、かつ、光学損失が低いことか
ら、波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光から波長５３２
ｎｍのレーザ光（第２高調波）の発生用途には好適であ
る。

【００１５】また、上述したように、前記第２のＳＨＧ
や、第５高調波発生のためのＳＦＭには、非線形光学結
晶としてＢＢＯ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）結晶やＣＬＢＯ
（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）結晶が用いられることが多い。な
お、第１のＳＨＧで用いられるＬＢＯ結晶は、その光学
特性上、位相整合条件を満たすことができず、波長２６
６ｎｍのレーザ光の発生等に用いることは不適当であ
る。

【００１６】ただし、ＣＬＢＯ結晶は、低繰り返しのパ
ルス（例えば、毎秒１０〜２０パルス程度）のレーザを
用いる場合には良好な波長変換特性を示すが、例えば、
半導体製造用の露光装置に用いられるような毎秒数千パ
ルスというような高繰り返し動作のもとでは、その高調
波出力が急速に低下するという問題を抱えている。

【００１７】従って、高繰り返しパルスレーザを必要と
する環境下では、前記第２のＳＨＧ（即ち、図６の非線
形光学結晶２１として）及び第５高調波発生のためのＳ
ＦＭに用いる非線形光学結晶として、主にＢＢＯ結晶が
用いられている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】ここで、ＢＢＯ結晶
（特に、図６の非線形光学結晶２１）を用いた波長変換
素子を図５に示す。

【００１９】図５（Ａ）に示す非線形光学結晶１１は、
横長ｘ’、縦長ｙ’を有するレーザ光入射面１２及びレ
ーザ光出射面１３を有し、光軸方向の長さｚ’（ｚ’＝
１０〜１５ｍｍ）を有する平行６面体の結晶である。一
般に、レーザ光入射面１２及びレーザ光出射面１３は、
横長ｘ’＝縦長ｙ’（ｘ’＝ｙ’＝３〜５ｍｍ）の正方
形となされている。なお、図示省略するが、入射面１２
及び出射面１３以外の面には、全て温度制御素子が配さ
れている。

【００２０】ここで、例えば波長５３２ｎｍのレーザ光
４は、レーザ光入射面１２から非線形光学結晶１１に入
射し、非線形光学結晶１１中、非線形光学効果を受けて
ウォークオフを発生しながら伝搬し、レーザ光出射面１
３から波長２６６ｎｍのレーザ光に波長変換される。

【００２１】すなわち、入射するレーザ光４は、非線形
光学結晶１１中で非線形光学効果を受けて、光軸方向の
長さｚ’を伝搬する間に徐々に偏平なレーザ光となりな
がら波長変換されて、レーザ光出射面１３に達し、図５
（Ａ）に示す如く、入射するレーザ光４がその光軸に垂
直な断面（即ち、レーザ光入射面１２）でほぼ円形をな
すレーザ光４’であれば、レーザ光出射面１３では、ウ
ォークオフ方向（即ち、図中ｘ軸方向）に偏平なレーザ
光５’となる。

【００２２】従って、図５（Ｂ）に示すように、非線形
光学結晶１１において、レーザ光、特にウォークオフ方
向に偏平なレーザ光５’の吸収によって熱が発生する。
特に、短波長レーザ光、さらには紫外光領域の波長を有
するレーザ光の場合は、前記熱の発生割合が大きい。な
お、前記熱の発生源（熱源）もレーザ光５’と同様の偏
平な形状となり、発生する熱は図中矢印１５に示す方向
に発散する。

【００２３】ここで、一般に、非線形光学結晶１１のレ
ーザ光入射面及びレーザ光出射面以外の面には、温度制
御素子１４が設けられている。この温度制御素子１４
は、前記熱を緩和、さらには制御するべく構成されてお
り、熱による非線形光学結晶１１の不安定性を取り除く
ことができる。

【００２４】しかしながら、通常の波長変換素子には、
このような熱の制御手段が配されているにもかかわら
ず、長期的な出力の低下や周期的な出力変動が生じるこ
とがあり、信頼性の高い波長変換素子とは言い難いもの
であった。

【００２５】すなわち、例えば、レーザ光発振器として
Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、第４高調波発生過程でＢＢ
Ｏ結晶を用いた場合、ＣＬＢＯ結晶を用いた場合ほどの
急速な出力劣化ではないが、周波数７ｋＨｚ、平均出力
７Ｗ程度で波長２６６ｎｍの第４高調波を発生させる
際、これを長時間行った場合に、高調波出力の低下を伴
う非線形光学結晶の劣化が観察される。ただし、これら
の出力劣化は、個体差によるものである。

【００２６】また、高出力のレーザ光光源を用い、例え
ば出力２Ｗ以上の波長２６６ｎｍの第４高調波の発生を
試みた実験では、一部の結晶サンプルで、熱的不安定性
によるものと思われる周期的な出力の変動が生じた。こ
れは、１分程度の周期で、出力が０．５Ｗ〜２Ｗ程度の
間で変動する現象であった。

【００２７】このような出力変動は、発生する短波長レ
ーザ光、特に紫外光を非線形光学結晶自身が吸収して結
晶の温度上昇を招き、非線形光学結晶は屈折率の温度依
存性を有していることから、必要な位相整合条件が満た
されなくなってしまうことに起因すると考えられる。な
お、これらの実験で用いた入力レーザ光ビームは、その
直径が約１５０μｍ〜２５０μｍ程度のほぼ円形のレー
ザ光である。

【００２８】従って、本発明者は、前記熱的不安定性
は、（１）高調波の発生（２）非線形光学結晶による短波長レーザ光（特に紫外
線レーザ光）の吸収（３）非線形光学結晶の（局部的な）温度上昇（４）位相整合条件が満たされなくなり、高調波出力の
低下（５）温度が初期状態に近くなるの繰り返し、即ち、周期的な挙動（以下、同様）によっ
て起こると考えた。

【００２９】これを解決するためには、短波長レーザ
光、特に紫外線レーザ光による吸収の全くない非線形光
学結晶を使用することが理想的な解決方法であることは
言うまでもないが、このような非線形光学結晶は現実的
に不可能である。

【００３０】また、前記周期的な挙動を部分的にでも緩
和させることができれば、前記熱的不安定性を低減でき
ると考えられるが、現在のところ、有効な手段は見出さ
れていない。

【００３１】つまり、現状では、典型的には、Ｎｄ：Ｙ
ＡＧレーザの第４高調波である波長２６６ｎｍの異常光
線では、２％／ｃｍ程度の吸収が存在しており、この吸
収による非線形光学結晶の局部的な温度上昇は、前記熱
的不安定性に関与するため、大きな問題となっている。

【００３２】本発明は、上述した実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、熱的安定性に優れ、安定かつ
信頼性の高い非線形光学結晶からなる波長変換素子、及
びその使用方法を提供することにある。

【００３３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上述した課
題を解決するべく鋭意検討を重ねた結果、非線形光学効
果を利用してレーザ光の波長を変換する非線形光学結晶
からなる波長変換素子において、前記非ウォークオフ方
向でのレーザ光の径に対する前記非線形光学結晶の径を
特定の値以下にすることにより、熱的安定性に優れ、安
定かつ信頼性の高い非線形光学結晶からなる波長変換素
子が得られることを見出した。

【００３４】すなわち、本発明は、レーザ光入射面とレ
ーザ光出射面とを有する非線形光学結晶からなり、前記
非線形光学結晶中をレーザ光が、この光軸に対しほぼ垂
直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬する波長変
換素子であって、前記レーザ光の非ウォークオフ方向に
おいて、前記レーザ光の径に対し、前記非線形光学結晶
の厚みが１５倍以下であることを特徴とする、波長変換
素子（以下、本発明の波長変換素子と称する。）に係る
ものである。

【００３５】本発明の波長変換素子によれば、レーザ光
入射面とレーザ光出射面とを有する非線形光学結晶から
なり、前記非線形光学結晶中をレーザ光が、この光軸に
対しほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しながら伝搬
する波長変換素子であって、前記レーザ光の非ウォーク
オフ方向において、前記レーザ光の径に対する前記非線
形光学結晶の厚みを１５倍以下としているので、前記非
線形光学結晶中を伝搬するレーザ光によって発生する熱
を容易に制御することができ、従って、非線形光学結晶
の局部的な温度上昇を抑制することによって、位相整合
条件が変動しにくく、熱的安定性に優れ、安定かつ信頼
性の高い波長変換素子を構成することができる。

【００３６】特に、前記非ウォークオフ方向に関し、前
記レーザ光の径に対する前記非線形光学結晶の厚みが１
５倍を越えると、前記レーザ光によって発生する熱の制
御が困難になり、得られるレーザ光が熱的に不安定性に
なる。なお、前記厚みは５倍以下であることがさらに好
ましい。

【００３７】ここで、前記「ウォークオフ」とは、異方
性を有する結晶中でのレーザ光のずれを意味し、また、
ウォークオフ方向とは、前記ずれによって生じるレーザ
光の広がり方向を意味する。

【００３８】すなわち、異方性（屈折率異方性）をもっ
た結晶中では、レーザ光は複屈折を生じせしめ、この複
屈折により生じる、異常光線と呼ばれる偏光を有するレ
ーザ光は、そのエネルギーの流れ方向がその波面の法線
方向と若干ずれる。例えば、前記ＢＢＯ結晶の場合、発
生する短波長のレーザ光が異常光線となり、波長２６６
ｎｍのレーザ光発生の場合、そのずれ角（ウォークオフ
角：以下、同様）は約４．８度となる。従って、非線形
光学結晶のレーザ光入射面付近で発生する高調波と、レ
ーザ光出射面付近で発生している高調波とは空間的に若
干離れたものとなる。

【００３９】この結果、波長変換を受けたレーザ光は、
この光軸に対しほぼ垂直な面内でウォークオフを発生
し、ウォークオフ方向には幅の広がったレーザ光とな
る。一方、ウォークオフ方向と垂直な方向（即ち、非ウ
ォークオフ方向：以下、同様）にはこの効果がないの
で、レーザ光は広がらず、結果的に、例えば縦横比＝
１：１のレーザ光を入射した場合、発生するレーザ光
（高調波）は、結晶中でも、さらに結晶中から出射され
た状態でも「偏平なレーザ光」となる。

【００４０】図３に、この様子を概念的に示す。

【００４１】図３中、（１）にあるのは入力されるビー
ムのパターンである。また、図中、入口付近で発生され
る高調波は（２）に示したビームのパターンを示し、ほ
ぼ、（１）に示した入力のビームパターンを反映する。
この（２）のビームパターンで発生された高調波は結晶
中を、図３で示すと、右の方（図中ｘ軸方向）にずれて
伝搬していく。一方、入力となるビーム、即ち基本波
は、ＢＢＯ結晶の場合、位相整合条件のために、常光線
の偏光を持ち、ウォークオフによるずれ（シフト）は起
こらない。従って、基本波は図中のｙ軸方向に伝搬して
いく。

【００４２】ここで、高調波は、基本波から、結晶全体
（伝搬方向の）方向に発生されるので、例えば、図中
（３）の位置で発生される高調波はｙ軸上にあるが、図
中（２）の位置で発生し、図中（３）の位置まで伝搬し
てきた高調波は右にずれた位置に来る。なお、図中
（４）〜（６）に関しては、その位置で発生される高調
波のパターンと（１）で発生され、伝搬してきた高調波
のみを示した。そして、図中（７）、すなわち結晶の出
口の位置には、これら（２）から（７）までの位置で発
生したそれぞれのビームパターンを示した。

【００４３】実際に出力として得られるレーザビーム
（レーザ光）は、非線形光学結晶の中で発生されたビー
ムパターン全ての重ね合わせであるから、図中（８）に
示したように、ウォークオフ方向に広がった扁平なパタ
ーンとなる。なお、図中、ｘ軸、ｙ軸はそれぞれウォー
クオフ方向、波面法線の方向を示す。

【００４４】なお、上述したように、非線形光学結晶の
熱的不安定性を取り除くためには、前述した周期的な挙
動を部分的にでも緩和することが必要であるが、その方
法の一つとして、例えば、その周期を短くすることで、
その振幅も小さくすることが可能である。つまり、この
周期的な挙動は、時間的な遅れによってもたらされるの
で、この時間的な遅れを少なくすること（つまり、熱緩
和時間の短縮）が重要である。

【００４５】本発明の波長変換素子によれば、前記非線
形光学結晶中を伝搬するレーザ光によって発生する熱を
容易に制御することができるので、熱緩和時間を短縮す
ることができ、上述した熱的不安定性の周期的な挙動の
周期を短くすることが可能であり、安定性の優れた波長
変換素子を提供できる。

【００４６】また、本発明は、本発明の波長変換素子の
使用方法として、レーザ光入射面とレーザ光出射面とを
有する非線形光学結晶からなり、前記非線形光学結晶中
をレーザ光が、この光軸に対しほぼ垂直な面内でウォー
クオフを発生しながら伝搬する波長変換素子であって、
前記レーザ光の非ウォークオフ方向において、前記レー
ザ光の径に対し、前記非線形光学結晶の厚みが１５倍以
下であることを特徴とする波長変換素子を使用するに際
し、前記非線形光学結晶を前記ウォークオフ方向に移動
させて前記レーザ光の入射位置を変更する、波長変換素
子の使用方法（以下、本発明の使用方法と称する。）も
提供するものである。

【００４７】本発明の使用方法によれば、本発明の波長
変換素子を使用するに際し、前記非線形光学結晶を前記
ウォークオフ方向に移動させて前記レーザ光の入射位置
（即ち、前記結晶におけるレーザ光の伝搬経路）を適宜
変更するので、例えば、長時間の使用によって結晶が部
分的に劣化するような場合でも、非線形光学結晶を移動
（例えば平行移動）させることによって、結晶性の劣化
していない部分（以下、フレッシュスポットと称するこ
とがある。）でレーザ光を伝搬、つまり波長変換させる
ことができ、非線形光学結晶を交換することなく波長変
換素子の長寿命化を図ることができる。

【００４８】

【発明の実施の形態】本発明の波長変換素子及び本発明
の使用方法においては、前記レーザ光の非ウォークオフ
方向において、前記レーザ光の直径に対し、前記非線形
光学結晶の前記厚みが２倍以上であることが望ましい。

【００４９】前記レーザ光の非ウォークオフ方向に関し
て、前記レーザ光の径に対し、前記非線形光学結晶の前
記厚みを小さくしすぎると、入力或いは出力するレーザ
光をクリップ（clip）して、有効な出力を望めなくなる
ことがある。従って、本発明の波長変換素子において
は、前記レーザ光の非ウォークオフ方向において、前記
レーザ光の径に対し、前記非線形光学結晶の厚みが２倍
以上であるのが望ましい。この厚みは２〜５倍であるこ
とがさらに望ましいが、これは、前記レーザ光の直径が
２００〜３００ｍｍ程度のとき、ハンドリング性や加工
の簡便さも考慮して、前記厚みが約１ｍｍと小さめの非
線形光学結晶を作製しうるからである。

【００５０】また、本発明の波長変換素子においては、
前記非線形光学結晶が平行６面体であって、この平行６
面体における前記光軸と垂直な断面が、前記レーザ光の
前記ウォークオフ方向に長辺を有し、非ウォークオフ方
向に短辺を有する四角形をなしており、前記レーザ光の
非ウォークオフ方向の径に対して前記短辺が１５倍以下
であることが望ましい。

【００５１】すなわち、前記非線形光学結晶を平行６面
体とし、前記非ウォークオフ方向に関して、前記レーザ
光の径に対して前記短辺を１５倍以下とすることによっ
て、レーザ光（特に短波長レーザ光）の吸収による熱の
発生源から、前記熱を効率よく排熱し、または制御し、
温度変化による位相整合条件の変動を抑制すると同時
に、温度上昇による非線形光学結晶の損傷も抑制するこ
とができる。

【００５２】また、このような場合でも、前記出射面又
は前記入射面の前記短辺は、前記クリップの防止の点か
ら、前記レーザ光の径の３倍以上が望ましい。

【００５３】つまり、もちろんレーザ光の波長や非線形
光学結晶の種類、サイズによっても異なるが、前記出射
面又は前記入射面が長方形である場合は、結晶加工やハ
ンドリングの簡便さも考慮して、（ウォークオフ方向の
辺の長さ）：（非ウォークオフ方向の辺の長さ）＝２
０：１〜２：１が望ましい。この比は、さらに５：１〜
３：１が望ましい。

【００５４】すなわち、ウォークオフによって広がった
ビームの大きさは、結晶の長さにほぼ比例するので、例
えば、結晶長（図１におけるｚ）が１０〜１５ｍｍ程度
の結晶を用いる場合、その出射側では、ウォークオフ方
向のビームの大きさ（即ち、ビーム幅）は約１ｍｍにな
る。従って、２ｍｍ以上の幅（図１におけるｙ）の結晶
が好適である。なお、結晶の平行移動によりフレッシュ
スポットを用いる事を考える場合は、さらに幅広のもの
が好適となる。

【００５５】例えばＢＢＯ結晶を用いる場合、その幅
（図１におけるｙ）が１０ｍｍを越えるものを作製する
ためには、比較的大きな結晶を成長させる必要があり、
また、成長した一個のブール（バルク）からとれるデバ
イスの量も限られてしまうので、例えば０．５ｍｍ厚の
結晶を使ったと仮定すると、ウォークオフ方向の辺の長
さは２０倍（即ち１０ｍｍ）までが現実的であると思わ
れる。

【００５６】また、本発明の波長変換素子においては、
前記非線形光学結晶において、前記レーザ光入射面及び
前記レーザ光出射面以外の面に、前記非線形光学結晶の
温度制御用の素子が設けられていることが望ましい。

【００５７】勿論、前記非線形光学結晶の長辺側の面に
のみ前記温度制御素子が設けられていてもよい。また、
前記温度制御素子は、例えば、ペルティエ（Peltier ）
素子に接続されている銅等の熱伝導性の高い金属などを
使用できる。また、これは、前記非線形光学結晶に密着
されていなくてもよく、例えば、熱伝導性の良好な樹脂
等を介して設けられていてもよい。また、ペルティエ素
子等の温度制御手段を直接に前記非線形光学結晶に設け
てもよい。更に、前記温度制御素子は、非線形光学結晶
を伝搬するレーザ光の光路の最も近い部分にのみ配され
ていてもよい。

【００５８】また、本発明の波長変換素子においては、
前記非線形光学結晶がβ−ホウ酸バリウムであることが
望ましい。

【００５９】上述したように、β−ホウ酸バリウム結晶
（ＢＢＯ結晶）は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波で
ある波長５３２ｎｍのレーザ光から、第４高調波である
波長２６６ｎｍのレーザ光の発生のために使用される非
線形光学結晶として有用なものである。すなわち、非線
形光学結晶によるレーザ光の吸収、発熱は、特に短波長
のレーザ光、更には紫外領域波長のレーザ光によって生
じるものであるから、前記非線形光学結晶がβ−ホウ酸
バリウム結晶であって、紫外光領域内にあるレーザ光を
発生せしめる場合、本発明の特徴的構成による効果が大
きい。

【００６０】本発明によれば、前記レーザ光出射面にお
いて、出射するレーザ光のウォークオフ方向の径に対し
て、前記ウォークオフ方向での前記非線形光学結晶の長
さ（又は幅：即ち、図１のｘ方向）が３倍以上であるこ
とが望ましい。

【００６１】前記ウォークオフ方向に関して、前記レー
ザ光の径に対して前記長さを３倍以上にすることによっ
て、長時間の使用によって結晶が劣化した場合、非線形
光学結晶を前記ウォークオフ方向に移動（平行移動）さ
せることによって、結晶性の劣化していない部分（フレ
ッシュスポット）でレーザ光を伝搬させることができ、
非線形光学結晶を交換することなく波長変換素子の長寿
命化（すなわち、単純計算で、一般的な波長変換素子の
３倍以上の寿命）を図ることができる。なお、前記長さ
の上限は特に限定されるものではないが、１０ｍｍ長
（ｚ方向）と長い非線形光学結晶を使用すると出射側で
は、約１ｍｍ幅（直径）のレーザ光が生じるので、前記
長さの上限はレーザ光の径の１０倍とするのがよい。

【００６２】次に、本発明を好ましい実施の形態例につ
いて説明する。

【００６３】図１は、例えば、波長１０６４ｎｍのレー
ザ光を発振するＮｄ：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長
５３２ｎｍ）から第４高調波（波長２６６ｎｍ）を生じ
せしめる際に使用可能な非線形光学結晶である。なお、
図１においては、ウォークオフ方向は図中ｘ軸方向であ
り、非ウォークオフ方向は図中ｙ軸方向である。

【００６４】図１（Ａ）に示す非線形光学結晶１１は、
横長ｘ、縦長ｙを有するレーザ光入射面２及びレーザ光
出射面３を有し、光軸方向の長さｚを有する平行６面体
の非線形光学結晶である。なお、図示省略するが、入射
面２及び出射面３以外の面には、全て温度制御素子が配
されている。

【００６５】ここで、例えば波長５３２ｎｍのレーザ光
４は、レーザ光入射面２から非線形光学結晶１に入射
し、非線形光学結晶１中、非線形光学効果を受けてウォ
ークオフを発生しながら伝搬し、レーザ光出射面３から
波長２６６ｎｍのレーザ光に波長変換される。

【００６６】すなわち、入射するレーザ光４は、非線形
光学結晶１中で非線形光学効果を受けて、光軸方向の長
さｚを伝搬する間に徐々に偏平なレーザ光となりながら
波長変換されて、レーザ光出射面３に達し、図１（Ａ）
に示す如く、入射するレーザ光４がその光軸に垂直な断
面でほぼ円形をなすレーザ光４’であれば、レーザ光出
射面３では、ウォークオフ方向（即ち、図中ｘ軸方向）
に偏平なレーザ光５’となる。

【００６７】従って、図２に示すように、前記ウォーク
オフ方向での径Ａを有する入射レーザ光４が非線形光学
結晶１に入射すると（もちろん、レーザ光４はこの時点
ではウォークオフされていないが）、ウォークオフ角θ
を有するレーザ光は、この非線形光学結晶１を進行する
につれてその幅がウォークオフ方向に大きくなり、レー
ザ光出射面３から出射される時点で、レーザ光５のウォ
ークオフ方向での幅は幅Ｂとなる。

【００６８】つまり、図４（Ａ）に示すように、（１）
非ウォークオフ方向の径ｔ及びウォークオフ方向の径Ａ
を有するレーザ光４’が非線形光学結晶１のレーザ光入
射面２に入射すると、非線形光学結晶１をレーザ光が伝
搬するにつれて、（２）その光軸に垂直な面では、レー
ザ光はウォークオフ方向での幅Ｃを有するようになり、
さらに、（３）その出射面３では、ウォークオフ方向で
の幅Ｂを有するレーザ光となって、非線形光学結晶１か
ら出射される。

【００６９】このように、非線形光学効果に基づき、異
方性を有する非線形光学結晶中を伝搬するレーザ光は、
ウォークオフ方向にはレーザ光の径が図中Ａ→Ｃ→Ｂの
ように徐々に広がっていくが、非ウォークオフ方向に
は、その径ｔはほぼ一定である。なお、本発明によれ
ば、図４（Ａ）において、非線形光学結晶１の非ウォー
クオフ方向の辺の長さｙはレーザ光４’の径ｔの１５倍
以下であって、その関係は、ｙ≦１５ｔが成り立ってい
る。

【００７０】例えば、非線形光学結晶がＢＢＯ結晶（長
さｚ＝１０ｍｍ）であり、波長５３２ｎｍのレーザ光
（円形レーザ光の径φ＝２００μｍ程度）を入射する場
合、そのウォークオフ角が約４．８°であり、従って、
前記径Ａが約０．２ｍｍ（２００μｍ）であるのに対し
て、前記幅Ｂは約１ｍｍとなり、前記ウォークオフ方向
でのレーザ光は約５倍に広がる。

【００７１】従って、図１（Ｂ）に示すように、非線形
光学結晶１によるウォークオフ方向に偏平なレーザ光
５’の吸収によって熱が発生するが、この熱も同様の形
状（熱源５’）となり、図中矢印７に示す方向に発散す
る。

【００７２】この際、非線形光学結晶１の側面には、温
度制御素子６が設けられているので、この温度制御素子
６によって、前記熱が制御され、熱による非線形光学結
晶１の不安定性、つまり、非線形光学結晶の（局部的
な）温度上昇を取り除くようになされている。

【００７３】このように、本実施の形態によれば、その
非ウォークオフ方向において、熱源と温度制御素子との
距離が比較的近く、非線形光学結晶１の局部的な温度上
昇を抑制することによって、位相整合条件が変動しにく
く、熱的安定性に優れ、安定かつ信頼性の高い波長変換
素子を構成することができる。また、その熱の緩和時間
を短くすることができるので、前述した周期的な挙動の
周期を短くすることができ、波長変換素子の安定性を向
上できる。

【００７４】これに対して、図５に示した非線形光学結
晶の場合、特に、非線形光学結晶としてＢＢＯ結晶を用
いる場合、このＢＢＯ結晶のサイズは、通常、光軸方向
の長さｚ’は１０ｍｍ〜１５ｍｍ程度であり、光軸と垂
直な方向（ｘ’及びｙ’、但し、ｘ’＝ｙ’）は、ハン
ドリング性などの点から約３ｍｍ〜５ｍｍ程度であるこ
とが一般的である。

【００７５】つまり、図５に示した非線形光学結晶にお
ける入射面１２及び出射面１３のサイズは、入射するレ
ーザ光（前述したＮｄ；ＹＡＧレーザにおける第４高調
波発生時では、直径約１５０μｍ〜２５０μｍ程度のほ
ぼ円形のレーザ光）の径に対して１５倍〜３０倍程度の
大きさとなっている。

【００７６】従って、高調波成分を有するレーザ光、特
に紫外光領域のレーザ光の吸収によって発生する熱は、
ヒートシンクの役割を果たすマウント、即ち、温度制御
素子１４に伝導されるまで、結晶中を、その熱源の大き
さの数倍以上の距離を伝導されなければならず、時間的
な遅れ、即ち、熱緩和時間の長時間化をもたらしてい
る。

【００７７】つまり、例えばペルティエ素子によって温
度制御さる結晶マウントとして用いられる金属の熱伝導
率が、例えば銅の場合、４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるの
に対して、ＢＢＯ結晶では１〜１．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度と
数百分の１程度であることを考えると、非線形光学結晶
１をその非ウォークオフ方向に小さく加工することの効
果は、発生した熱が緩和されるまでの時間に短縮に役立
つことは明らかである。

【００７８】この熱緩和時間の短縮は、光軸に対して結
晶の角度を細かく調整して位相整合条件を満たし、高調
波出力を大きくする際の微調整時にも役立つ。すなわ
ち、非線形光学結晶からなる波長変換素子を用いたレー
ザ光源（または波長変換装置）の製造時間の短縮につな
がる。

【００７９】これは、結晶の角度を変化させるなどして
高調波出力が変動した場合に、熱的な条件の変化により
高調波出力が一定値に収束するまでの時間が短縮される
ためである。

【００８０】また、高調波出力の低下を伴う非線形光学
結晶の劣化（長期劣化）を観察した際、例えば、非線形
光学結晶の光軸と垂直な断面の面積を従来の２０分の１
に変更したとき、前記劣化の割合が約８分の１に低下
（改善）した。すなわち、非線形光学結晶のサイズを特
に前記非ウォークオフ方向に小さく加工することによっ
て、前述の長期劣化も抑制することができるものと考え
られる。

【００８１】ここで、非線形光学結晶のサイズを、特に
前記非ウォークオフ方向に小さくすることについて説明
する。

【００８２】一般に用いられている非線形光学結晶に対
して言えることであるが、殊に、ＢＢＯ結晶中では非線
形光学効果によるウォークオフ角が存在し、発生する高
調波は、ウォークオフ方向とはほぼ垂直方向（即ち、非
ウォークオフ方向）には入力時と同じビームパラメータ
を持ち、ウォークオフ方向にはウォークオフが発生しな
がら離れていき、この結果、得られるレーザ光は偏平な
レーザ光となる。そして、非線形光学結晶の光学軸はこ
の面内に存在し、従って、位相整合角もこの面内で規定
される。

【００８３】また、ＢＢＯ結晶において、波長２６６ｎ
ｍのレーザ光を発生せしめる場合、そのウォークオフ角
は４．８°であり、従って、例えば長さ１０ｍｍの結晶
により発生されるレーザ光は、幅約１ｍｍの偏平な出力
パターンをもつ。従って、非線形光学結晶は、ウォーク
オフ方向にはある程度以上は小さくすることはできな
い。

【００８４】そこで、非ウォークオフ方向に小さくし
て、ウォークオフ方向には高調波レーザ光のウォークオ
フ幅よりも大きくすることで、非線形光学結晶の温度制
御を容易にし、即ち、熱的不安定性を抑制すると同時に
前述した長期劣化も抑制し、さらに、前述した周期的な
挙動の周期を短くすることによって、安定かつ光出力の
レーザ光を発生せしめることが可能な波長変換素子が可
能となる。

【００８５】さらに、図１におけるｘ軸方向、即ち、ウ
ォークオフ方向に非線形光学結晶を大きくすることで、
結晶が劣化した際に、結晶の平行移動で、劣化していな
い部分にレーザ光が当たるようにすることで、結晶を交
換することなく、波長変換素子の長寿命化を図ることが
できる。

【００８６】例えば、図４（Ｂ）に示すように、例えば
長時間の使用によって結晶が部分的（特に、ウォークオ
フ方向の幅Ｂ₂を有するレーザ光の光路５’）に劣化す
れば、結晶性の劣化した部分を避けて、非線形光学結晶
１をウォークオフ方向に移動（例えば平行移動）させる
ことによって、結晶性の劣化していない部分（フレッシ
ュスポット）９でレーザ光を伝搬、つまり波長変換させ
ることができ、非線形光学結晶を交換することなく波長
変換素子の長寿命化を図ることができる。

【００８７】以上、本発明を好ましい実施の形態につい
て説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定さ
れるものではない。

【００８８】すなわち、本発明の波長変換素子に関し
て、その形状、即ち、非線形光学結晶の形状は、上述し
たように、前記非ウォークオフ方向に関して、前記レー
ザ光の径に対し前記非線形光学結晶の少なくとも一部分
での厚みが１５倍以下であればよく、例えば、前記レー
ザ光入射面及び前記レーザ光出射面は互いに平行でなく
てもよい。また、その形状は平行６面体に限定されるも
のではなく、本発明の特徴的構成を満たすものであれ
ば、例えば、先細偏平形、円筒形、円錐台形等の任意の
形状であってもよい。また、本発明は、入射光が結晶内
で反射して内部共振後に出射される波長変換素子にも適
用してよく、この場合は、前記レーザ光出射面と前記レ
ーザ光入射面とは同一面であってもよい。

【００８９】また、非線形光学結晶において、レーザ光
の光軸と平行方向の面には、温度制御素子を設けること
が望ましいが、全ての面（つまり、前記光軸の全周囲）
に設ける必要はなく、一部であっても構わない。特に、
本発明の波長変換素子によれば、非ウォークオフ方向に
のみ温度制御素子を設けても構わない。

【００９０】さらに、前記非線形光学結晶に入射するレ
ーザ光の形状も、レーザ光の光軸に対して垂直な面で円
形でなくてもよく、楕円形や偏平形のレーザ光であって
もよい。

【００９１】また、前記非線形光学結晶は、特定方向に
のみレーザ光が伝搬するように構成してもよいし、この
結晶中を前記レーザ光が往復するように構成されていて
もよい。また、前記結晶中をレーザ光が複数の光軸を以
て伝搬するような波長変換素子であってもよい。

【００９２】また、本発明の波長変換素子は、例えば、
半導体露光装置用（ステッパ）の波長変換装置をはじ
め、例えば、光ディスク装置、レーザプリンタなどの光
エレクトロニクス分野におけるレーザ光波長変換装置に
用いることもできる。

【００９３】また、前記非線形光学結晶としては、ＢＢ
Ｏ（β−ＢａＢ₂Ｏ₄）の他に、前記した如きウォーク
オフを生じる他の非線形光学結晶を使用することもで
き、また、それぞれの結晶に適した形状に作製しうる。

【００９４】

【発明の作用効果】本発明の波長変換素子によれば、レ
ーザ光入射面とレーザ光出射面とを有する非線形光学結
晶からなり、前記非線形光学結晶中をレーザ光が、この
光軸に対しほぼ垂直な面内でウォークオフを発生しなが
ら伝搬する波長変換素子であって、前記レーザ光の非ウ
ォークオフ方向において、前記レーザ光の径に対する前
記非線形光学結晶の厚みを１５倍以下としているので、
前記非線形光学結晶中を伝搬するレーザ光によって発生
する熱を容易に制御することができ、従って、非線形光
学結晶の局部的な温度上昇を抑えることによって、位相
整合条件が変動しにくく、熱的安定性に優れ、安定かつ
信頼性の高い波長変換素子を構成することができる。

【００９５】また、本発明の使用方法によれば、本発明
の波長変換素子を使用するに際し、前記非線形光学結晶
を前記ウォークオフ方向に移動させて前記レーザ光の入
射位置（即ち、前記結晶におけるのレーザ光の伝搬経
路）を適宜変更するので、例えば、長時間の使用によっ
て結晶が劣化するような場合でも、非線形光学結晶を移
動（例えば平行移動）させることによって、結晶性の劣
化していない部分でレーザ光を伝搬させることができ、
非線形光学結晶を交換することなく波長変換素子の長寿
命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長変換素子の要部概略斜視図
（Ａ）、同波長変換素子のレーザ光出射側の正面図
（Ｂ）である。

【図２】同波長変換素子の概略平面図である。

【図３】ウォークオフ発生の原理を説明する概念図であ
る。

【図４】本発明に基づく非線形光学結晶のレーザ光入射
面からレーザ光出射面へのレーザ光のウォークオフの発
生を示す模式図（Ａ）、本発明の使用方法に基づき非線
形光学結晶を移動する場合のレーザ光出射面の模式図
（Ｂ）である。

【図５】一般的な波長変換素子の要部概略斜視図
（Ａ）、同波長変換素子のレーザ光出射側の正面図
（Ｂ）である。

【図６】一般的な波長変換装置の模式図である。

【符号の説明】

１、１１、２０、２１、２２…非線形光学結晶、２、１
２…レーザ光入射面、３、１３…レーザ光出射面、４、
４’…入射レーザ光、５、５’、９…出射レーザ光、
６、１４…温度制御素子、７、１５…熱の流れ、８…伝
搬するレーザ光、２４、２７…分離ミラー、２５、２６
…反射ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福井達雄東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光入射面とレーザ光出射面とを有
する非線形光学結晶からなり、前記非線形光学結晶中を
レーザ光が、この光軸に対しほぼ垂直な面内でウォーク
オフを発生しながら伝搬する波長変換素子であって、前
記レーザ光の非ウォークオフ方向において、前記レーザ
光の径に対し、前記非線形光学結晶の厚みが１５倍以下
であることを特徴とする、波長変換素子。
【請求項２】前記レーザ光の非ウォークオフ方向にお
いて、前記レーザ光の直径に対し、前記非線形光学結晶
の前記厚みが２倍以上である、請求項１に記載した波長
変換素子。
【請求項３】前記非線形光学結晶が平行６面体であっ
て、この平行６面体における前記光軸と垂直な断面が、
前記レーザ光の前記ウォークオフ方向に長辺を有し、非
ウォークオフ方向に短辺を有する四角形をなしており、
前記レーザ光の非ウォークオフ方向の径に対して前記短
辺が１５倍以下である、請求項１に記載した波長変換素
子。
【請求項４】前記非線形光学結晶において、前記レー
ザ光入射面及び前記レーザ光出射面以外の面に、前記非
線形光学結晶の温度制御用の素子が設けられている、請
求項１に記載した波長変換素子。
【請求項５】前記非線形光学結晶がβ−ホウ酸バリウ
ムである、請求項１に記載した波長変換素子。
【請求項６】前記レーザ光出射面において、出射する
レーザ光のウォークオフ方向の径に対して、前記ウォー
クオフ方向での前記非線形光学結晶の長さが３倍以上で
ある、請求項３に記載した波長変換素子。
【請求項７】レーザ光入射面とレーザ光出射面とを有
する非線形光学結晶からなり、前記非線形光学結晶中を
レーザ光が、この光軸に対しほぼ垂直な面内でウォーク
オフを発生しながら伝搬する波長変換素子であって、前
記レーザ光の非ウォークオフ方向において、前記レーザ
光の径に対し、前記非線形光学結晶の厚みが１５倍以下
であることを特徴とする波長変換素子を使用するに際
し、前記非線形光学結晶を前記ウォークオフ方向に移動
させて前記レーザ光の入射位置を変更する、波長変換素
子の使用方法。
【請求項８】前記レーザ光出射面において、出射する
レーザ光のウォークオフ方向の径に対して、前記ウォー
クオフ方向での前記非線形光学結晶の長さが３倍以上で
ある、請求項７に記載した波長変換素子の使用方法。