JPH1164904A - レーザ光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 紫外線領域のレーザ光を高パワーで長時間に
わたり発生する。 【解決手段】 レーザ発振器３が発生したグリーンレー
ザ光は第１のカーブミラー８の背面側から共振器４内に
入射し、各ミラーで反射して循環する。そして硼酸バリ
ウム結晶体６を通過することで、第２次高調波（紫外線
領域のレーザ光）が発生し、第２のカーブミラー１０を
通じて共振器４の外に取り出される。硼酸バリウム結晶
体６を通過するレーザ光のビームウエストは、第１のカ
ーブミラー８と第１のフラットミラー１２との間の距離
を調整することで、従来の半分の４６μｍに設定されて
いる。その結果、硼酸バリウム結晶体６におけるレーザ
光のパワー密度は従来の１／４となり、レーザ光ビーム
を絞りすぎることによる硼酸バリウム結晶体６の急速な
劣化を回避できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光発生装置に
関し、特に、レーザ発振器の外部に設けた共振器が硼酸
バリウム結晶体を含み、レーザ発振器が発生したレーザ
光から高調波成分を抽出して紫外線領域のレーザ光を出
力するレーザ光発生装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体製造の分野では、ステッパ
ー（逐次移動式露光装置）において紫外線領域のレーザ
光を用いることができれば、これまで以上の微細加工が
可能となり、集積度を一層高めた大容量のメモリ素子な
どを製造できるようになる。紫外線領域のレーザ光はこ
の例に限らず、光化学反応やバイオテクノロジーなどへ
の応用も可能であり、種々の分野で紫外線レーザの実用
化が望まれている。従来、紫外線領域のレーザ光を発生
させる実用性の高い方法として、レーザ発振器の外部に
設けた共振器内に、非線型光学結晶体である硼酸バリウ
ム結晶体を配置し、レーザ発振器が発生したレーザ光か
ら第２次高調波成分を抽出するという方法が採られてい
た。この方法で紫外線領域のレーザ光を発生させる場
合、硼酸バリウム結晶体の非線型変換係数は一般に小さ
いため、硼酸バリウム結晶体を通過させるレーザ光のビ
ームウエスト（すなわちビーム断面の半径）を絞り込む
ことで、必要な強度の高調波成分、すなわち紫外線レー
ザ光が得られるようにしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようにレ
ーザ光のビームウエストを絞り込む結果、硼酸バリウム
結晶体におてレーザ光のパワー密度が高くなり、その表
面および内部共に大きくダメージを受けるという問題が
生じていた。したがって、このような従来のレーザ光発
生装置では、使用を開始して当初は高出力の紫外線レー
ザ光が得られるものの、時間の経過と共に急激に出力が
低下し、長期にわたって高出力を維持することは困難で
あった。

【０００４】ちなみに、紫外線レーザ光のパワーを１０
０ｍＷとした場合、寿命は４００時間が限界であり、劣
化速度（パワーの低下速度）は１．３５×１０^-4［％／
時間］程度となっていた。また硼酸バリウム結晶体の損
傷は顕微鏡により明瞭に観察することができる。図４
は、ビームウエストが２３μｍの場合、硼酸バリウム結
晶体に形成されるビームパターンの痕跡を顕微鏡で観察
した結果を示す模式図である。この図は、硼酸バリウム
結晶体のレーザ光出射端面を正面から見た状態を表し、
点線１０２で囲んだ部分が、レーザ光ビームにより損傷
を受けた部分であり、周囲の正常箇所に比べ白く濁って
いる。なお、損傷部が横長になるのは、発生した高調波
成分がもとのレーザ光に対して４°程度の角度をもって
広がるためである。

【０００５】そこで、本発明の目的は、共振器を改良し
て紫外線領域のレーザ光を高パワーで長時間にわたり発
生できるレーザ光発生装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、レーザ発振器と、前記レーザ発振器が発生し
たレーザ光が入射する共振器と、前記共振器内の光路上
に配置された硼酸バリウム結晶体とを含み、前記レーザ
発振器が発生した前記レーザ光から高調波成分を抽出し
て紫外線領域のレーザ光を出力するレーザ光発生装置に
おいて、前記硼酸バリウム結晶体の前記光路に沿った長
さが２ｍｍないし６ｍｍの範囲内にあり、前記硼酸バリ
ウム結晶体を通過する前記レーザ光の、前記硼酸バリウ
ム結晶体の箇所におけるビームウエストが４０μｍない
し６０μｍの範囲内にある構成とした。

【０００７】また、本発明は、レーザ発振器と、前記レ
ーザ発振器が発生したレーザ光が入射する共振器と、前
記共振器内の光路上に配置された硼酸バリウム結晶体と
を含み、前記レーザ発振器が発生した前記レーザ光から
高調波成分を抽出して紫外線領域のレーザ光を出力する
レーザ光発生装置において、前記硼酸バリウム結晶体の
前記光路に沿った長さが６ｍｍより長く、前記硼酸バリ
ウム結晶体を通過する前記レーザ光の、前記硼酸バリウ
ム結晶体の箇所におけるビームウエストが６０μｍより
大きい構成とした。

【０００８】本発明のレーザ光発生装置では、硼酸バリ
ウム結晶体の光路に沿った長さが２ｍｍないし６ｍｍの
範囲内にあり、硼酸バリウム結晶体を通過するレーザ光
のビームウエストが４０μｍないし６０μｍの範囲内に
ある構成とするので、硼酸バリウム結晶体においてレー
ザ光のパワー密度が必要以上に高くなることがなく、硼
酸バリウム結晶体の寿命が増して長時間にわたり高出力
で紫外線レーザ光を発生することが可能となる。

【０００９】また、本発明のレーザ光発生装置では、硼
酸バリウム結晶体の光路に沿った長さが６ｍｍより長
く、硼酸バリウム結晶体を通過するレーザ光のビームウ
エストが６０μｍより大きい構成とするので、硼酸バリ
ウム結晶体においてレーザ光のパワー密度が必要以上に
高くなることがなく、硼酸バリウム結晶体の寿命が増し
て長時間にわたり高出力で紫外線レーザ光を発生するこ
とが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明を実施の形態例にもと
づき図面を参照して説明する。図１は本発明によるレー
ザ光発生装置の一例を示す要部構成図である。この図に
示すように、本実施の形態例のレーザ光発生装置２は、
レーザ発振器３と、レーザ発振器３が発生したレーザ光
が入射する共振器４と、共振器４内の光路上に配置され
た硼酸バリウム結晶体６などを含んで構成されている。
共振器４は、相互に間隔をおき概ね対向して配置された
第１および第２のカーブミラー８、１０と、相互に間隔
をおき概ね対向して配置された第１および第２のフラッ
トミラー１２、１４とを含んでいる。各ミラーは、本実
施の形態例では、上下を逆にした左右対象の仮想台形の
各頂点の位置に配置され、第１および第２のカーブミラ
ー８、１０は、上記台形の平行な２辺のうちのより長い
辺の両端部の頂点に配置され、一方、第１および第２の
フラットミラー１２、１４は、上記台形の平行な２辺の
うちのより短い辺の両端部の頂点に配置されている。ま
た、第１のカーブミラー８と第２のフラットミラー１４
とは相互に隣接して配置され、第２のカーブミラー１０
と第１のフラットミラー１２とは相互に隣接して配置さ
れている。

【００１１】そして、第１および第２のカーブミラー
８、１０どうしの間隔は本実施の形態例では約１２０ｍ
ｍ、第１のカーブミラー８と第１のフラットミラー１２
との間隔は本実施の形態例では９５±１０ｍｍとなって
いる。各ミラーはそれぞれ適切に傾斜させて配置されて
おり、その結果、第１のカーブミラー８で反射したレー
ザ光は第２のカーブミラー１０に入射し、第２のカーブ
ミラー１０で反射したレーザ光は第２のフラットミラー
１４に入射し、第２のフラットミラー１４で反射したレ
ーザ光は第１のフラットミラー１２に入射し、第１のフ
ラットミラー１２で反射したレーザ光は第１のカーブミ
ラー８に入射する。また、第１のフラットミラー１２に
入射するレーザ光と第１のフラットミラー１２で反射し
たレーザ光とが成す角度は本実施の形態例では約２０°
となっている。本実施の形態例では第２のカーブミラー
１０、ならびに第１および第２のフラットミラー１２、
１４はいずれも９９．９％以上の反射率を有し、第１の
カーブミラー８は９９％の反射率を有している。

【００１２】非線型光学結晶体としての硼酸バリウム結
晶体（ＢＢＯ）６は第１および第２のカーブミラー８、
１０の間に配置され、第１のカーブミラー８を出射した
レーザ光はこの硼酸バリウム結晶体６を通じて第２のカ
ーブミラー１０に入射する。硼酸バリウム結晶体６の、
光路に沿った長さは本実施の形態例では６ｍｍとなって
いる。硼酸バリウム結晶体６の、第１および第２のカー
ブミラー８、１０側の両端面１６にはそれぞれ、ＡＲ
（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ）コーティングが
施され、硼酸バリウム結晶体６に入射したレーザ光およ
び硼酸バリウム結晶体６を出射するレーザ光がほとんど
反射することなくこれらの端面１６を通過するよう図ら
れている。本実施の形態例では、残留反射率は０．０３
％となっている。

【００１３】レーザ発振器３は、本実施の形態例では波
長が５３２ｎｍのグリーンレーザ光を発生するものであ
り、レーザ発振器３が発生したレーザ光は、第１および
第２のカーブミラー８、１０を結ぶ仮想直線に沿って進
行し、第１のカーブミラー８の背面より共振器４内に入
射する。第１のカーブミラー８の背面側の近傍にはフォ
トデテクタ１８が配置され、レーザ発振器３を出射し、
第１のカーブミラー８に入射して反射したレーザ光を受
光可能となっている。また、第１のフラットミラー１２
はボイスコイルモータ２０に取り付けられており、第１
のフラットミラー１２をこのボイスコイルモータ２０に
よって駆動することで、第１のカーブミラー８と第１の
フラットミラー１２との間の距離を数ｎｍ程度のオーダ
ーで調整可能となっている。サーボ制御装置２２は、こ
のフォトデテクタ１８による検出結果を常時監視し、フ
ォトデテクタ１８が検出したレーザ光強度が最も小さく
なるようにボイスコイルモータ２０を制御することで、
レーザ発振器３からのグリーンレーザ光が効率よく共振
器４内に入射するように図る。

【００１４】このレーザ光発生装置の基本的な動作は次
のようなものである。レーザ発振器３により生成された
グリーンレーザ光は第１のカーブミラー８の背面より共
振器４内に入射する。その際、第１のカーブミラー８に
おいて背面側に反射したレーザ光はフォトデテクタ１８
により検出される。そして、サーボ制御装置２２は、上
述したようにフォトデテクタ１８による検出結果を常時
監視しており、フォトデテクタ１８が検出したレーザ光
強度が最も小さくなるようにボイスコイルモータ２０を
制御する。これにより、レーザ発振器３からのグリーン
レーザ光は効率よく共振器４内に入射し、結果的に高パ
ワーの紫外線レーザ光が得られることになる。

【００１５】共振器４内に入射したレーザ光は直進し、
硼酸バリウム結晶体６を通過して第２のカーブミラー１
０に入射する。第２のカーブミラー１０に入射したレー
ザ光は第２のカーブミラー１０で反射し、第２のフラッ
トミラー１４に入射する。そして、第２のフラットミラ
ー１４に入射したレーザ光は第２のフラットミラー１４
で反射して第１のフラットミラー１２に向い、第１のフ
ラットミラー１２に入射して、第１のフラットミラー１
２で反射する。その後、第１のカーブミラー８に入射し
て第１のカーブミラー８で反射し、以降、以上の経路で
共振器４内を循環する。

【００１６】そして、レーザ光が硼酸バリウム結晶体６
を通過する際に、硼酸バリウム結晶体６において波長が
５３２ｎｍであるもとのグリーンレーザ光の第２次高調
波、すなわち波長が２６６ｎｍの紫外線レーザ光が発生
し、第２のカーブミラー１０を通じて共振器４より出射
する。

【００１７】ここで、上述したように硼酸バリウム結晶
体６を通過するレーザ光のビームを細く絞ることで硼酸
バリウム結晶体６において容易に第２次高調波を発生さ
せるようになるため、第１および第２のカーブミラー
８、１０によりレーザ光ビームが適度に絞りこまれてい
る。

【００１８】ただし、本実施の形態例では、レーザ光ビ
ームを細くし過ぎることの悪影響を排除するため、第１
のカーブミラー８と第１のフラットミラー１２との間の
距離を調整することで、硼酸バリウム結晶体６の位置に
おけるレーザ光のビームウエスト（ビーム断面の半径）
を適切な値に設定している。図２は、第１のカーブミラ
ー８と第１のフラットミラー１２との間の距離Ｌ（した
がって第２のカーブミラー１０と第２のフラットミラー
１４との間の距離）と、硼酸バリウム結晶体６の位置に
おけるビームウエストとの関係を示すグラフであり、上
記距離Ｌを変化させた場合のビームウエストの計算値を
プロットしたものである。このグラフから分るように、
距離Ｌを長くするのにしたがって、ビームウエストはし
だいに小さくなっており、距離Ｌを８５ｍｍから１０５
ｍｍまで変化させると、ビームウエストは約５５μｍか
ら約４６μｍまで変化する。本実施の形態例のレーザ光
発生装置２では、距離Ｌを調整してビームウエストを、
従来の半分である４６μｍに設定した。その結果、硼酸
バリウム結晶体６におけるレーザ光のパワー密度は従来
の１／４となり、レーザ光ビームを絞りすぎることによ
る硼酸バリウム結晶体６の急速な損傷を回避することが
可能となった。

【００１９】図３は、共振器４の寿命を実際に調べた結
果を示すグラフである。図中、横軸は時間を表し、縦軸
はレーザ光のパワー（ｍＷ）を表している。そして、折
れ線２４が、共振器４が出力する紫外線レーザ光のパワ
ーを示し、折れ線２６はレーザ発振器３が発生したレー
ザ光のパワーを、折れ線２８は、第１のカーブミラー８
を透過して共振器４内に入射したレーザ光のパワーをそ
れぞれ示している。実験では、紫外線レーザ光のパワー
が常に１００ｍＷとなるように、レーザ発振器３が発生
するレーザ光のパワーを調整しつつ、上記各パワーを測
定した。したがって、硼酸バリウム結晶体６の損傷が進
行すると、共振器４に供給すべきレーザ光のパワーはし
だいに大きくなることになる。しかし、図３のグラフか
ら分るように、１２００時間の長時間にわたってレーザ
光発生装置２を作動させても、レーザ発振器３から共振
器４に供給するレーザ光のパワーはほとんど増加してい
ない。すなわち、１２００時間に及ぶ長寿命が実現され
ている。

【００２０】そして、劣化速度はこの実験結果より６．
９×１０^-5［％／時間］となり、従来の１．３５×１０
^-4［％／時間］に比べて大幅に改善されている。この劣
化速度より寿命を推定すると５０００時間程度となる。
また、硼酸バリウム結晶体６を顕微鏡で観察しても、図
４に示したようなビームパターンの痕跡はまったく観測
されなかった。

【００２１】そして、硼酸バリウム結晶体６の長さ、お
よび硼酸バリウム結晶体６を通過するレーザ光のビーム
ウエストを種々に変更して実験を行った結果、光路に沿
った硼酸バリウム結晶体６の長さが２ｍｍから６ｍｍの
場合には、硼酸バリウム結晶体６を通過するレーザ光の
ビームウエストを４０μｍ〜６０μｍの範囲内に設定す
れば、１０００時間以上の長時間にわたって、１００ｍ
Ｗ以上の高パワーの紫外線レーザ光を得ることができ
た。また、同様の実験により、光路に沿った硼酸バリウ
ム結晶体６の長さが６ｍｍより長い場合には、硼酸バリ
ウム結晶体６を通過するレーザ光のビームウエストを６
０μｍより大きくすることで、１０００時間以上の長時
間にわたって、１００ｍＷ以上の高パワーの紫外線レー
ザ光を得ることができることが予想される。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明のレーザ光発
生装置では、硼酸バリウム結晶体の光路に沿った長さが
２ｍｍないし６ｍｍの範囲内にあり、硼酸バリウム結晶
体を通過するレーザ光のビームウエストが４０μｍない
し６０μｍの範囲内にある構成とするので、硼酸バリウ
ム結晶体においてレーザ光のパワー密度が必要以上に高
くなることがなく、硼酸バリウム結晶体の寿命が増して
長時間にわたり高出力で紫外線レーザ光を発生すること
が可能となる。また、本発明のレーザ光発生装置では、
硼酸バリウム結晶体の光路に沿った長さが６ｍｍより長
く、硼酸バリウム結晶体を通過するレーザ光のビームウ
エストが６０μｍより大きい構成とするので、硼酸バリ
ウム結晶体においてレーザ光のパワー密度が必要以上に
高くなることがなく、硼酸バリウム結晶体の寿命が増し
て長時間にわたり高出力で紫外線レーザ光を発生するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ光発生装置の一例を示す要
部構成図である。

【図２】第１のカーブミラーと第１のフラットミラーと
の間の距離Ｌと、硼酸バリウム結晶体の位置におけるビ
ームウエストとの関係を示すグラフである。

【図３】共振器の寿命を実際に調べた結果を示すグラフ
である。

【図４】ビームウエストが２３μｍの場合、硼酸バリウ
ム結晶体に形成されるビームパターンの痕跡を顕微鏡で
観察した結果を示す模式図である。

【符号の説明】

２……レーザ光発生装置、３……レーザ発振器、４……
共振器、６……硼酸バリウム結晶体、８……第１のカー
ブミラー、１０……第２のカーブミラー、１２……第１
のフラットミラー、１４……第２のフラットミラー、１
８……フォトデテクタ、２０……ボイスコイルモータ、
２２……サーボ制御装置。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器と、前記レーザ発振器が発
   生したレーザ光が入射する共振器と、前記共振器内の光
   路上に配置された硼酸バリウム結晶体とを含み、前記レ
   ーザ発振器が発生した前記レーザ光から高調波成分を抽
   出して紫外線領域のレーザ光を出力するレーザ光発生装
   置において、 前記硼酸バリウム結晶体の前記光路に沿った長さが２ｍ
   ｍないし６ｍｍの範囲内にあり、 前記硼酸バリウム結晶体を通過する前記レーザ光の、前
   記硼酸バリウム結晶体の箇所におけるビームウエストが
   ４０μｍないし６０μｍの範囲内にある、 ことを特徴とするレーザ光発生装置。
2. 【請求項２】 レーザ発振器と、前記レーザ発振器が発
   生したレーザ光が入射する共振器と、前記共振器内の光
   路上に配置された硼酸バリウム結晶体とを含み、前記レ
   ーザ発振器が発生した前記レーザ光から高調波成分を抽
   出して紫外線領域のレーザ光を出力するレーザ光発生装
   置において、 前記硼酸バリウム結晶体の前記光路に沿った長さが６ｍ
   ｍより長く、 前記硼酸バリウム結晶体を通過する前記レーザ光の、前
   記硼酸バリウム結晶体の箇所におけるビームウエストが
   ６０μｍより大きい、 ことを特徴とするレーザ光発生装置。
3. 【請求項３】 前記共振器は、相互に間隔をおき概ね対
   向して配置された第１および第２のカーブミラーと、相
   互に間隔をおき概ね対向して配置された第１および第２
   のフラットミラーとを含み、 前記第１のカーブミラーで反射した前記レーザ光は前記
   硼酸バリウム結晶体を通じて前記第２のカーブミラーに
   入射し、 前記第２のカーブミラーで反射した前記レーザ光は前記
   第２のフラットミラーに入射し、 前記第２のフラットミラーで反射した前記レーザ光は前
   記第１のフラットミラーに入射し、 前記第１のフラットミラーで反射した前記レーザ光は前
   記第１のカーブミラーに入射し、 前記硼酸バリウム結晶体は前記第１および第２のカーブ
   ミラーの間に配置されている、 ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ光発
   生装置。
4. 【請求項４】 前記硼酸バリウム結晶体のレーザ光入射
   面および出射面にはＡＲコーティングが施されているこ
   とを特徴とする請求項３に記載のレーザ光発生装置。
5. 【請求項５】 前記硼酸バリウム結晶体の表面における
   残留反射率は０．０３％以下であることを特徴とする請
   求項４記載のレーザ光発生装置。
6. 【請求項６】 前記第１および第２のカーブミラーの間
   の距離は約１２０ｍｍであることを特徴とする請求項３
   記載のレーザ光発生装置。