JPWO2015174388A1 - 深紫外レーザ発生装置および光源装置 - Google Patents

深紫外レーザ発生装置および光源装置 Download PDF

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Abstract

本発明のある態様では、波長１．８７〜２．１μｍの第１波長の第１レーザ光源１００と、波長１．５３〜１．５７μｍの第２波長の第２レーザ光源２００と、和周波混合過程によって波長８４１〜８９９ｎｍの近赤外光３１を生成する非線形波長変換素子３と、その近赤外光から第二高調波発生過程によって波長４２０〜４５０ｎｍの青色光４１を生成する非線形波長変換素子４と、その青色光からさらなる第二高調波発生過程によって波長２１０〜２２５ｎｍの深紫外光５１を生成する第３の非線形波長変換素子５とを備える深紫外レーザ発生装置１０００が提供される。第１レーザ光源はツリウム添加レーザ光源またはツリウム添加ファイバ光源とすることができ、第２レーザ光源は半導体レーザ光源、エルビウム添加ファイバ光源、またはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源とすることができる。

Description

本発明は深紫外レーザ発生装置および光源装置に関する。さらに詳細には本発明は、非線形波長変換技術を用い波長約２１３ｎｍの深紫外域（ｄｅｅｐ ＵＶ、ＤＵＶ）において連続波レーザを得るレーザ発生装置および光源装置に関する。
従来、非線形光学結晶における波長変換を用いたレーザ光源が盛んに産業応用され、その信頼性が課題となっている。その信頼性を制限しているものの一つが波長変換素子として使用される非線形光学結晶の損傷や劣化である。この損傷や劣化は、レーザ光が小さなスポットに絞って当該結晶に照射されることに起因しており、共振器を用いた波長変換レーザ装置の場合には、わずかなものであっても装置の効率を大幅に低下させる。特に、赤外〜可視域の基本波から紫外光を生成するものでは、高い光子エネルギーの紫外光による損傷が顕著である。
波長変換素子の多くの損傷は紫外光によって引き起こされ、素子に入力される基本波の光に対する光学損失を生じさせる。この点は、紫外光では波長に反比例して大きくなる光子エネルギーが物質に大きな影響を及ぼすこと、また多くの光学材料で波長が短くなるに従って光学吸収が無視できなくなることから理解される。吸収されたエネルギーは最終的には熱となり拡散するが、その過程で材料に及ぼす影響は小さくなく、多くの場合、長期的に素子が劣化し性能が低下する。このことは連続波光源で用いられる光共振器を用いた波長変換方式の場合に特に顕著である。
連続波の深紫外レーザ光は非線形波長変換によって得られるが、その変換効率は入力パワーに比例する。比例係数である「規格化変換効率」は一般に１０−４Ｗ−１程度、つまり１Ｗの出力を得るためには１００Ｗの入力が必要である。このため、光共振器の中に波長変換素子である非線形光学結晶を配し、素子に入射する光の強度を上げることで実用的な変換効率を得る手法が特に必要とされる。波長１．０６４μｍ（１０６４ｎｍ）の近赤外レーザ光源の第四高調波の波長２６６ｎｍ（すなわち第二高調波発生により得られる５３２ｎｍの光からさらに第二高調波発生により得る光）の連続波レーザ光源は２Ｗの出力に達している。現状では、この２Ｗ程度の深紫外線ともなると非線形光学結晶の劣化が無視できず、装置の寿命を制限する要因となっている。
産業界の用途からは、特に半導体のウェファやレチクル検査装置用途において、いっそう短波長化および高出力化されたレーザ光源への強い要望がある。なかでも上記波長１．０６４μｍの近赤外レーザ光源からその第五高調波である波長２１３ｎｍを生成するレーザ光源は次世代半導体検査装置用の有力候補として提案され、数多くの実験報告がなされている。この第五高調波は、１．０６４μｍの基本波を対象とした波長１．０６４μｍにとっての第四高調波となる２６６ｎｍを、和周波混合（ＳＦＭ）により得ることが多い。パルス光源の実験では第二高調波と第三高調波の和周波による実験例もわずかに報告されているが、連続波の実証に関しては第四高調波と基本波との和周波によるものに限られる。１００ｍＷを超える連続波２１３ｎｍレーザ光生成の報告もある（非特許文献１）。これは波長１．０６４μｍのレーザ光を外部共振器内にて共振させ、同じ外部共振器内の非線形光学結晶に第四高調波である波長２６６ｎｍの光を集光して入射させることにより、和周波光の生成を行うものである。
しかしながら、２６６ｎｍレーザ光は波長変換素子内で非常に高い光パワー密度（強度）となる。産業界からの要請は１Ｗレベルの連続波２１３ｎｍのものであるため、少なくとも数ワットの２６６ｎｍの光が波長変換素子内にて強く集光されることとなる。このため、第五高調波のみならず第四高調波も含め、その高い紫外線強度に起因する素子の劣化に関し強い懸念が生まれることとなる。
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その産業応用上の重要さにもかかわらず、ワット級またはそれ以上の２１３ｎｍの連続波レーザのための１．０６４μｍ近辺の基本波光源は、ネオジム（Ｎｄ）添加のレーザやイッテルビウム（Ｙｂ）添加のレーザに限られている。また、従来のワット級の波長２１３ｎｍの連続波をこれらから生成する道筋は、これらの光源の第五高調波、つまり第四高調波と基本波の和周波によるものに実際上限定されている。
そして、波長の選択や高出力化の限界に加え、２１３ｎｍのレーザ光源の高出力化を阻む要因の一つともなるのが上述した波長変換素子の劣化である。従来の第五高調波発生では、最終段の和周波混合のための波長変換素子の結晶に対し紫外光である第四高調波が高密度となるように照射される。そのため、当該波長変換素子自体の劣化が顕著となり、非線形波長変換レーザ光源において信頼性に悪影響を及ぼしている。
本発明は上記問題の少なくともいずれかを解決することにより深紫外レーザ発生装置の寿命を大幅に延伸し、もって実用性の高い深紫外レーザ発生装置および光源装置の実現に貢献するものである。
本出願の発明者は、上記課題に対処し２１３ｎｍ近辺の深紫外光を実現する手法として、出力される深紫外光以外に深紫外の波長域の光が生成されない手法を創出し、本発明を完成させた。これにより、光学素子、なかでも非線形波長変換の損傷や劣化が最低限に抑えられることから、信頼性の確保された深紫外レーザ発生装置および光源装置を作製する途が拓かれる。
すなわち、本発明のある態様では、波長１．８７〜２．１μｍのいずれかである第１波長の光を放ち、ツリウム添加レーザ光源またはツリウム添加ファイバ光源である第１レーザ光源と、波長１．５３〜１．５７μｍのいずれかである第２波長の光を放ち、半導体レーザ光源、エルビウム添加ファイバ光源、またはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源である第２レーザ光源と、前記第１波長の光および前記第２波長の光から、和周波混合過程によって波長８４１〜８９９ｎｍのいずれかの波長の近赤外光を生成する第１の非線形波長変換素子と、該近赤外光から、第二高調波発生過程によって波長４２０〜４５０ｎｍの青色光を生成する第２の非線形波長変換素子と、該青色光から、第二高調波発生過程によって波長２１０〜２２５ｎｍの深紫外光を生成する第３の非線形波長変換素子とを備えてなる深紫外レーザ発生装置が提供される。
上記態様において、２１３ｎｍ近辺の波長の深紫外光は、波長４２６ｎｍ近辺の青色光の第二高調波発生（ＳＨＧ）により生成される。その青色光は波長８５２ｎｍ近辺の近赤外光のＳＨＧにより生成される。そしてその近赤外光は、波長１．９１μｍ近辺（第１波長）のツリウム添加固体レーザ光源またはツリウム添加ファイバ光源（第１レーザ光源）と、波長１．５４μｍ近辺（第２波長）のエルビウム添加もしくはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源または半導体レーザ光源（第２レーザ光源）との和周波混合（ＳＦＭ）によって得られる。上記両レーザ光源は固体レーザもしくはファイバレーザ光源として別々に開発が進んでいるものであり、１０Ｗ級またはそれを超えるような高出力化を達成することが比較的容易である。その結果、上記波長８５２ｎｍ近辺の近赤外光や４２６ｎｍ近辺の青色光として１０Ｗ級の光出力が実現できることとなる。なお、本出願を通じ「エルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源」とは、エルビウム（Ｅｒ）およびイッテルビウム（Ｙｂ）をコドープした光ファイバをレーザ利得媒質とするレーザ光源である。また、本出願で「ファイバ光源」とは、レーザ発振のためのレーザ利得媒質およびレーザ共振器をファイバ中に配置するファイバレーザの光源のみならず、低パワーレーザ光源からの出力をファイバ増幅器により増幅して必要な強度のレーザ光を得る光源の構成も含むものである。例えば、ツリウム添加ファイバ光源と記されるものには、ツリウムを添加した媒質の光ファイバをファイバブラッググレーティング等の反射ファイバのなす共振器構造に含むファイバレーザの光源とともに、ツリウムを添加した媒質を含むファイバ増幅器によってファイバ以外の低パワーレーザ光源からの出力を増幅する光源をも含む。この点は、エルビウム添加もしくはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源の場合も同様である。
以上の上記態様の深紫外レーザ発生装置または光源装置では、産業的からの要求の強い波長約２１３ｎｍの深紫外レーザ光が得られる。その波長約２１３ｎｍのレーザ光源は、１Ｗ以上の高い出力をもつことも可能である。その際、深紫外レーザ発生装置内部の光学材料には、最終的に発せられる約２１３ｎｍのレーザ光以外の紫外光が照射されることはない。
上述したように、本態様における深紫外レーザ発生装置からの波長２１３ｎｍ近辺の深紫外光は、波長４２６ｎｍ近辺の可視光（青色）光源のＳＨＧによって実現される。４２６ｎｍ近辺の青色光は、１．０６４μｍ光源の第四高調波である波長２６６ｎｍの深紫外光と比べ、波長が長い分だけ光子エネルギーも低く、光学材料による吸収も少ない。このため、上記青色光が光学素子に対する損傷を与える可能性は極めて低い。本発明では３Ｗ〜５Ｗ程度の連続波単一周波数の４２６ｎｍ近辺の青色光源を実現し、その４２６ｎｍの青色光からＳＨＧにより波長２１３ｎｍの深紫外レーザ光を直接生成する。こうして本態様では深紫外光による光学素子の損傷をできる限り抑制しつつ深紫外光生成の動作を行うことができ、深紫外レーザ発生装置の信頼性を高め、長寿命化することが可能となる。このため、本発明により提供される深紫外レーザ発生装置および光源装置は、本発明時点での最先端半導体微細加工プロセスである１４ｎｍデザインルールプロセス、さらにその先の半導体製造プロセスにおけるウェファ検査用およびマスク検査用の光源として有望である。
なお、本出願では、説明を一貫して説明する目的で、上記第１波長、第２波長に加え、波長８５２ｎｍ近辺の近赤外光、波長４２６ｎｍ近辺の青色光、および２１３ｎｍ近辺の深紫外光について、それぞれの波長を、第３波長、第４波長、および第５波長と呼ぶことがある。さらに、波長を示すギリシャ文字λを付記して第１〜第５波長をそれぞれ第１波長λ１のように記すことがある。
本発明では、ネオジムやイッテルビウムを用いた１．０６４μｍ近辺のレーザ光源の第五高調波の波長に相当し、産業界から要求される波長の深紫外線レーザを実現することができる。これにより、短波長と高出力を実現し高い安定性と長い寿命を兼ね備えて高い実用性を誇る連続波深紫外線レーザが提供される。
図１は第１波長、第２波長の光源の光から、和周波混合過程と２段階の第二高調波過程を用いて深紫外光を生成する深紫外レーザ発生装置の構成図である。 図２は第１レーザ光源の一例の実施構成である、第１波長の光を発する連続波固体レーザ光源の構成図である。 図３は第１レーザ光源に採用される単一周波数シードレーザ光源の一実施構成である固体レーザ光源の構成図である。 図４は第１レーザ光源に採用される単一周波数シードレーザ光源の一実施構成であるファイバレーザ光源の構成図である。 図５は第１および第２波長の光源から第３波長の近赤外光を生成するある第１の波長変換ユニットの概略図である。 図６は第１および第２波長の光源から第３波長の近赤外光を生成する別の第１の波長変換ユニットの概略図である。 図７は第１の波長変換ユニットの和周波出力のシミュレーション結果を二つの入力結合鏡の反射率の関数として示す等値線図である。 図８は第３波長の近赤外光から第二高調波発生により第４波長の青色光を生成する第２の波長変換ユニットの概略図である。 図９は第４波長の青色光から第二高調波発生により第５波長の深紫外光を生成する第３の波長変換ユニットの概略図である。
以下、本発明に係る深紫外レーザ発生装置に関する実施形態を図面に基づき説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また各図は各部の互いの縮尺を保って示されてはいない。本実施形態の説明においては、特に断りのない限り、光はレーザ光またはレーザのコヒーレンスを維持して増幅したコヒーレント光であり、波長範囲は可視域に限られず、赤外域や紫外域を含む。
図１は第１波長λ１、第２波長λ２の光源の光から、和周波混合過程と２段階の第二高調波過程を用いて深紫外光を生成する深紫外レーザ発生装置１０００の一つの構成を示す。深紫外レーザ発生装置１０００の出力である波長２１３ｎｍ近辺（第５波長）の深紫外光５１は波長４２６ｎｍ近辺（第４波長）の可視域の青色光４１から、第３の波長変換ユニット５００において第二高調波発生(ＳＨＧ)により生成される。青色光４１は、例えば波長２６６ｎｍの深紫外光（多用される１．０６４μｍ光源の第四高調波）と比べ、光学装置や素子に対し損傷を与えたり劣化をもたらす可能性が極めて低い。その青色光４１は波長８５２ｎｍ近辺（第３波長）の近赤外光３１から、第２の波長変換ユニット４００においてＳＨＧにより生成される。さらに、本態様における波長８５２ｎｍ近辺の近赤外光３１は、波長１．９１μｍ近辺の第１波長の光１１と、波長１．５４μｍ近辺の第２波長の光２１とから、第１の波長変換ユニット３００における和周波混合（ＳＦＭ）によって得られる。第１波長の光１１および第２波長の光２１は、それぞれ、ツリウム添加固体レーザ光源またはツリウム添加ファイバ光源である第１レーザ光源１００、およびエルビウム添加もしくはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源または半導体レーザ光源である第２レーザ光源２００により生成される。
本実施形態の深紫外レーザ発生装置１０００における波長の関係は、
１／λ３＝１／λ１＋１／λ２
λ４＝λ３／２
λ５＝λ４／２
の関係を満たす。上記関係からただちに、
４／λ５＝１／λ１＋１／λ２
の関係が導かれる。ただし上記各関係式において、λ１およびλ２は、それぞれ、第１レーザ光源１００が生成する第１波長の光１１および第２レーザ光源２００が生成する第２波長の光２１の波長であり、それぞれ１．９１μｍ近辺および１．５４μｍ近辺の値をもつ。λ３およびλ４は、それぞれ、波長８５２ｎｍ近辺（第３波長）の近赤外光３１の波長、および波長４２６ｎｍ近辺（第４波長）の青色光４１の波長である。そして、λ５は出力される波長２１３ｎｍ近辺（第５波長）の深紫外光５１の波長である。
深紫外レーザ発生装置１０００における必要なレーザパワーは次の通りである。例えば長さ１０ｍｍのＢＢＯ(β-Barium borate、ＢａＢ２Ｏ４）結晶を第３の波長変換ユニット５００中における第３の非線形波長変換素子５に採用し共振器内のビームウェスト位置に配置するとする。当該ビームウェスト半径が４０μｍであった場合、規格化変換効率は約０．４５×１０−４Ｗ−１となる。２１３ｎｍの深紫外光５１が約１Ｗの出力をもつことを要求するには、外部共振器の損失を０．５〜２％とし入力結合鏡３０１（図５、図６）の反射率を９８％とした場合、シミュレーションによる入力出力特性から、約３〜４Ｗの４２６ｎｍの青色光４１が必要になる。なお、ここで採用したシミュレーション手法は非特許文献２に開示されている。
本実施形態では、波長４２６ｎｍ近辺の青色光４１は波長８５２ｎｍ近辺の近赤外光３１から第２の波長変換ユニット４００中の第２の非線形波長変換素子４によるＳＨＧを通じ生成される。上記４Ｗ程度の４２６ｎｍの青色光４１の生成には約１０Ｗの８５２ｎｍ光が必要であることが上記シミュレーションと同様の手続きにより見積られる。
第１の波長変換ユニット３００における第１の非線形波長変換素子３を用いるＳＦＭ過程は、例えば連続波であれば二重共振型ＳＦＭによって実現される。ＳＦＭの二重共振型のものは二波長共振型とも呼ばれることがある。シミュレーションに基づけば、上記約１０Ｗの８５２ｎｍ光のために必要な第１レーザ光源１００（波長１．９１μｍ）および第２レーザ光源２００（波長１．５４μｍ）の出力値がそれぞれ７Ｗおよび８Ｗ程度であると見積もられる（非特許文献３）。これらの第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００には、連続波の外部共振型の波長変換のために、上記出力値において単一周波数であることが求められるものの、その実施可能性は必ずしも自明ではない。そこで実施可能な第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００の構成を、第１レーザ光源１００を例に詳細に説明する。以下の議論では簡単のため、第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００に求められる出力を両者ともに約１０Ｗと仮定する。これらの値は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
図２は、第１レーザ光源１００の一例の実施構成である、第１波長λ１の光１１を発する連続波固体レーザ光源の構成図であり、シードレーザ光源１０１を用いた単一周波数、１０Ｗ級の連続波レーザ光源の概略の構成を示す。第１レーザ光源１００は、例えば１．９１μｍのレーザ光源である。第１レーザ光源１００のためには、半導体レーザや、ツリウム添加ファイバレーザ、ツリウム添加固体レーザなどの出力数ｍＷの単一周波数のシードレーザ光源１０１を用いることができ、そのようなシードレーザ出力１０３に注入同期型レーザまたはツリウム添加ファイバ増幅器１０２を組み合わせることによって実現することもできる。これらの半導体レーザやツリウム添加ファイバレーザは周波数制御機能を持つことも可能である。これらの注入同期型レーザや固体シードレーザには、Ｔｍ：ＹＶＯ４、Ｔｍ：ＧｄＶＯ４、Ｔｍ：ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（ただし、０＜ｘ＜１）、Ｔｍ：ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）、Ｔｍ：ＧＧＧ（Gadolinium Gallium Garnet）、Ｔｍ：ＬｕＡＧ（Lutetium Aluminium Garnet）等を固体レーザ利得媒質とするものを採用することができる。
図３は、図２中の単一周波数のシードレーザ光源１０１の一実施構成として、単一周波数で発振する固体レーザ光源１０１Ａを示す。固体レーザ光源１０１Ａではレーザ利得媒質１０９には上記いずれの固体レーザ利得媒質を用いてもよい。このレーザ利得媒質１０９は、励起光源１０５からの励起光１０６によって励起光学系１０７越しに励起される。固体レーザ光源１０１Ａではレーザ利得媒質１０９が光軸上の端面から励起される。励起光１０６が通過する共振器ミラー１０８はレーザ発振する光の波長に対し高い反射率を示しつつ励起光波長に対しては高い透過率を示すものであり、当業者には誘電体多層膜により一般的なものである。共振器ミラー１０８は出力結合鏡１１２と対向されて光共振器を終端しており、この二つの反射鏡の間でレーザ発振が生じる。上記光共振器内には、レーザ利得媒質１０９以外に光学素子を配置することができる。レーザ利得媒質１０９のための上述した材質のいずれも比較的広い利得帯域を持つため、レーザ利得媒質１０９以外の素子を配置しない単純な発振器を採用するかぎりにおいて、必ずしも所望の波長や単一周波数での発振は得られない可能性がある。これに対応するためには、上記光共振器内に複屈折フィルタ１１０を配置することにより、上記利得帯域内の任意の波長が狭帯域の発振波長となるような粗調整が可能となる。加えて、上記光共振器内にエタロン１１１を追加配置して共振器縦モードを選択すれば、安定な単一周波数発振を実現することができる。ある実験報告例では、レーザ利得媒質１０９としてＴｍ：ＧｄＶＯ４を用いた固体レーザ光源１０１Ａにて、波長１．９１５μｍで４００ｍＷ以上の発振が確認されている（非特許文献４）。光共振器の共振器長を精密に制御しレーザ発振する光の光周波数を精密に制御するために、出力結合鏡１１２を精密位置決め装置（図示しない）に搭載することも可能である。固体レーザ光源１０１Ａでレーザ発振が実現すると、出力結合鏡１１２を通じてシードレーザ出力１０３が得られる。
図４は、図２中の単一周波数のシードレーザ光源１０１の一実施構成として、ファイバレーザ光源１０１Ｂを示す。ファイバレーザ光源１０１Ｂの光共振器はレーザ利得ファイバ１２２に融着された高反射ファイバブラッググレーティング（ＨＲ−ＦＢＧ）１２１と出力結合ファイバブラッググレーティング（出力結合ＦＢＧ）１２３によって構成され、これら二つのファイバブラッググレーティングの間でレーザ発振が生じる。レーザ利得ファイバ１２２は、例えばツリウム添加ファイバであり、波長約８００ｎｍの半導体励起レーザ光源１２０によって励起される。ファイバブラッググレーティングは一般にその反射帯域は狭い。本構成例では、一方のＨＲ−ＦＢＧ１２１は反射帯域幅が約０．１ｎｍ程度となるように作製され、約８００ｎｍの波長をもつ励起光に対する反射率は極めて低い。他方の出力結合ＦＢＧ１２３は反射率が約５０％〜９０％の間の部分反射鏡であり、反射帯域幅は典型的には０．０５〜０．１ｎｍ程度とされ、ＨＲ−ＦＢＧ１２１と実質的に同じ波長を反射するように作製されている。共振器長はレーザ利得ファイバ１２２の長さとほぼ同じ数ｃｍの長さをもち、縦モード間隔は出力結合ＦＢＧ１２３の反射帯域とほぼ同じである。したがって、このレーザ発振器ではファイバブラッググレーティングの反射帯域内で有効に共振する縦モードの数が２〜３程度に限られ、ファイバブラッググレーティングの反射率の最も高い位置にあるただ一つのモードを発振させることができる。このような構成にて安定した発振が実証されている（非特許文献５）。このようなファイバ共振器をピエゾ電歪素子に搭載すれば共振器の実効的な光学長を変化させることが可能となり、出力レーザ光の光周波数を精密に制御することも可能である。出力ファイバ１２４からは、上記レーザ発振器にて誘導放出した光がシードレーザ出力１０３として出力される。シードレーザ出力１０３を、図２と同様のレーザ利得媒質を用いた高出力固体レーザ発振器を注入同期に用いれば単一周波数出力光を得ることが可能となり、あるいはそれに代えて、高出力ファイバ増幅器と組合せれば単一周波数の性質を維持したまま高出力化できる（非特許文献６）。
図２〜図４を参照して説明した第１レーザ光源１００についての説明は、第２レーザ光源２００（図１）にもほぼそのまま当てはまる。すなわち、第２レーザ光源２００は、第１レーザ光源１００と同様の構成において、単一周波数、１０Ｗ級の連続波１．５４μｍレーザ光源となるように作製することが可能である。第２レーザ光源２００におけるシード光源も、例えば半導体レーザや図４に示したものと同様の構成をもつファイバレーザなどの出力数ｍＷの連続波単一周波数シードレーザ光源は、例えばエルビウム添加またはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ増幅器によって実現される。これらの細部については、図３、図４を通じ第１レーザ光源１００のための単一周波数のシードレーザ光源１０１として説明した構成を適用することができる。
上述した各光源、各シードレーザ、および各ファイバ増幅器は、いずれも工業的に確立されている。これらの半導体レーザやファイバレーザのシードレーザは適度な周波数安定性と狭いスペクトル幅を持つことが必要であり、また、周波数制御機能を持つものとすることも可能である。
図１に示すように、これら第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００からの第１波長の光１１および第２波長の光２１は、第１の波長変換ユニット３００の一つの外部共振器３０に対し別々に結合され、いずれも共振状態に保たれる。図５および図６は、第１、第２波長λ１、λ２の光源から第３波長λ３の近赤外光３１を生成する第１の波長変換ユニット３００Ａおよび３００Ｂそれぞれの概略図である。
ここで、第１の波長変換ユニット３００において第１波長および第２波長の光を同時に共振状態に保つ手法は大きく分けて三つある。第１は、図５の第１の波長変換ユニット３００Ａに示されるように、第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００がともに周波数同調機能を持ち、それぞれの光周波数が外部共振器３０の共振周波数に同調するよう制御される手法である。この手法では外部共振器３０から得られる第１波長λ１の反射光１３を受光し誤差信号を生成してレーザ光源１００の周波数を同調するために帰還する。同様に、外部共振器３０から得られる第２波長λ２の反射光２３も受光し誤差信号を生成してレーザ光源２００の周波数を同調するために帰還する。
第２の手法では、図５の第１の波長変換ユニット３００Ａに示されるように、第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００に採用されるのは、一方は周波数同調機能を持つもの、また他方は周波数同調機能を持たないものである。周波数同調機能を持つ上記一方のレーザ光源からの出力光は、その周波数が共振状態となるように同調される。この点は第１の手法と同様である。本手法においては、外部共振器３０の共振器ミラーをなす入力結合鏡３０１ならびに反射鏡３０２、３０３、および３０４のうち少なくとも一つ（図５では反射鏡３０３）が精密位置決め装置３０５に搭載されることにより、共振器長が制御可能となっている。上記他方の周波数同調機能を持たないレーザ光源の出力光の波長については、その波長の整数倍となるように共振器長が制御して同調される。このような手法によっても、二波長の同時共振の条件を満足させることができる。例えば周波数同調機能を持たない上記他方のレーザ光源の波長を第１波長λ１、周波数同調機能を持たない上記他方のレーザ光源の波長を第２波長λ２とした場合、外部共振器３０からの第１波長λ１の反射光１３を受光して生成した誤差信号を共振器ミラーの精密位置決め装置３０５による同調のために帰還する。また、外部共振器３０からの第２波長λ２の反射光２３を受光して生成した誤差信号をレーザ光源２の周波数の同調のために帰還する。
そして第３の手法では、第１レーザ光源１００および第２レーザ光源２００のいずれにも周波数同調機能は必要とされない。図６の第１の波長変換ユニット３００Ｂに示されるように、一方のレーザ光源からの出力光については、精密位置決め装置３０５に搭載された反射鏡３０３で外部共振器３０の共振器長によって共振状態に同調するよう維持される。また、他方のレーザ光源の出力光については、外部共振器３０内に分散位相補償素子３０６が配置され、外部共振器３０の位相分散を分散位相補償素子３０６により外部共振器３０を制御することによって共振状態となるよう同調される。これにより、二つの波長の同時共振の条件が満たされる。例えば、外部共振器３０からの第１波長λ１の反射光１３を受光し生成した誤差信号が共振器ミラーの精密位置決め装置３０５による同調のために帰還される。また、外部共振器３０からの第２波長λ２の反射光２３を受光し生成した誤差信号は、外部共振器３０内に配された分散位相補償素子３０６による位相分散を通じた同調のために帰還される。分散位相補償素子３０６の材質には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどが用いられうる。位相分散補償の効果を大きくするため、波長の異なる第１波長の光１１と第２波長の光２１を互いに直交する偏光となるように選び、波長ごとに分散位相補償素子３０６の別の光学軸の作用を受ける配置とすることも有用である。
上述したいずれの手法においても、外部共振器３０内にて二つの波長が同時に共振状態に維持される。このため、入力されるパワーに比べ大幅に強められたパワーの第１波長（１．９１μｍ）の光１２および第２波長（１．５４μｍ）の光２２を外部共振器３０内にて同時に得て、それらをＳＦＭ素子（第１の非線形波長変換素子３）に同時に照射することができる。その結果、和周波の約８５２ｎｍの波長の近赤外光３１をＳＦＭにより高効率に生成することができる。
この二波長同時共振の外部共振器３０内に配置される第１の非線形波長変換素子３は、例えばＫＴＰ（potassium titanyl phosphate、ＫＴｉＯＰＯ４）、ＬＮ（lithium niobate、ＬｉＮｂＯ３）、ＰＰＬＮ（periodically poled lithium niobate）、ＰＰＬＴ（periodically poled lithium tantalate）、 ＫＮ（potassium niobate、ＫＮｂＯ３）， ＫＴＡ（potassium titanyl arsenate、ＫＴｉＯＡｓＯ４）、ＲＴＡ（rubidium titanyl arsenate、ＲｂＴｉＯＡｓＯ４）、ＲＴＰ（rubidium titanyl phosphate、ＲｂＴｉＯＰＯ４）などの非線形光学素子が配される。いずれの場合も第１の非線形波長変換素子３は外部共振器３０内における第１波長の光１２、および第２波長の光２２の偏光を勘案し、位相整合を満たし効率よくＳＦＭが作用するように選択される。このような状況を実現することにより、波長約８５２ｎｍの近赤外光を効率良く生成することが可能になる。
ＳＦＭの出力である近赤外光３１の強度値を正確に予想するために、非特許文献３に開示されるシミュレーションを実施した。本シミュレーションにおいては現実的な数値例をパラメータとして仮定し、１．９１μｍ光のパワーＰ１および１．５４μｍ光のパワーＰ２を、Ｐ１＝Ｐ２＝１０Ｗとした。非線形光学素子の規格化変換効率γＳＦＭは１×１０−４Ｗ−１で、生成される和周波パワーＰ３はＰ３＝γＳＦＭ×Ｐ１×Ｐ２の関係を満たす。また、外部共振器３０の損失として、１．９１μｍに対する外部共振器３０の光学損失δ１および１．５４μｍに対する外部共振器３０の光学損失δ２を、δ１＝δ２＝０．５％とした。
図７は、これらのパラメータの元での第１の波長変換ユニット３００のＳＦＭの出力パワーのシミュレーション結果を、第１波長である１．９１μｍに対する入力結合鏡３０１の反射率Ｒ１と、第２波長である１．５４μｍに対する入力結合鏡の反射率Ｒ２との関数として等値線図に表したものである。図示したように、入力結合鏡３０１の反射率を適切に選択することで、１６ワット近い８５２ｎｍ光の生成を期待しうる。実際に上記の数値例の場合にはＲ１＝９８％、Ｒ２＝９６％近辺が最適といえる。
このようにして生成された８５２ｎｍ（第３波長）の近赤外光３１は、図８に示すＳＨＧのための第２の波長変換ユニット４００に入射させ４２６ｎｍ（第４波長）の青色光４１が生成される。次いで、この青色光４１が図９に示すＳＨＧのための第３の波長変換ユニット５００に入射させ、２１３ｎｍ（第５波長）の深紫外光５１を生成する。
図８は、第３波長λ３の近赤外光３１からＳＨＧにより第４波長λ４の青色光４１を生成する第２の波長変換ユニット４００の概略図である。また図９は、第４波長λ４の青色光４１からＳＨＧにより第５波長λ５の深紫外光５１を生成する第３の波長変換ユニット５００の概略図である。第２の波長変換ユニット４００では、入力結合鏡４０１ならびに反射鏡４０２、４０３、および４０４のなす外部共振器４０内に第２の非線形波長変換素子４が配置され、第３波長の近赤外光３２が第２の非線形波長変換素子４に照射される。第３波長の近赤外光３２は、入力結合鏡４０１を通じて第３波長λ３の近赤外光３１が入射して外部共振器４０にて共振している光である。少なくとも一つの反射鏡、すなわち反射鏡４０３は精密位置決め装置４０５に搭載され、共振を保つようにされている。そのために、反射光３３の強度が共振器ミラーの精密位置決め装置４０５による同調のために帰還される。第２の非線形波長変換素子４の材質は、第１の非線形波長変換素子３のために上述した材質のいずれをも採用することができ、加えて、ＢＢＯ（β−Ｂａｒｉｕｍ ｂｏｒａｔｅ）、ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０）、ＫＢＢＦ（ＫＢｅ２ＢＯ３Ｆ２）、ＲＢＢＦ（ＲｂＢｅ２ＢＯ３Ｆ２）、ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５）も採用することができる。同様に、第３の波長変換ユニット５００においても入力結合鏡５０１ならびに反射鏡５０２、５０３、および５０４の作る外部共振器５０内には第３の非線形波長変換素子５が配置され、第４波長の青色光４２が第３の非線形波長変換素子５に照射される。第４波長の青色光４２は、入力結合鏡５０１を通じて第４波長λ４の青色光４１が入射して外部共振器５０にて共振している光である。少なくとも一つの反射鏡である反射鏡５０３は精密位置決め装置５０５に搭載され、共振を保つようにされている。そのために、反射光４３の強度が共振器ミラーの精密位置決め装置５０５による同調のために帰還される。なお、第３の非線形波長変換素子５のために採用可能な典型的材質は、ＢＢＯ、ＫＢＢＦ、ＲＢＢＦである。
シミュレーションにより予測されるように、上述した第２および第３の波長変換ユニット４００および５００を使用することにより１０Ｗ以上の８５２ｎｍ光から１Ｗ以上の２１３ｎｍ光を生成することを見込むことができる。
波長２１３ｎｍの深紫外光を生成する構成を中心に上述した動作原理に従えば、本実施形態において、波長２１０〜２２５ｎｍの範囲の深紫外光５１を生成することができる。そのためには、第１レーザ光源１００において、波長１．８７〜２．１μｍのいずれかの第１波長の光１１を生成し、第２レーザ光源２００において、波長１．５３〜１．５７μｍのいずれかの第２波長の光２１を生成する。このために採用できる第１レーザ光源１００はツリウム添加レーザ光源またはツリウム添加ファイバ光源であり、第２レーザ光源は、半導体レーザ光源、エルビウム添加ファイバ光源、またはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源である。第１の波長変換ユニット３００において第１の非線形波長変換素子３によるＳＦＭ過程によって生成される第３波長の近赤外光３１は、波長８４１〜８９９ｎｍのいずれかの波長をもつ。第２の波長変換ユニット４００において第２の非線形波長変換素子４によるＳＨＧ過程によって近赤外光３１から生成される青色光４１は波長４２０〜４５０ｎｍの波長となる。この波長範囲の青色光４１から、第３の波長変換ユニット５００中の第３の非線形波長変換素子５によるＳＨＧ過程によって波長２１０〜２２５ｎｍの範囲の深紫外光５１が生成される。
本実施形態は上述した構成には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および構成例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態のほかの組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた請求の範囲に含まれるものである。
本発明の深紫外レーザ発生装置および光源装置は、波長１．０６４μｍの従来の近赤外レーザ光源の第五高調波として実現されていた波長域（約２１３ｎｍ）の深紫外光を利用する任意の機器に使用可能である。
１０００ 深紫外レーザ発生装置
１００ 第１レーザ光源
１１、１２ 第１波長の光
１３ 反射光
１０１ シードレーザ光源
１０１Ａ 固体レーザ光源
１０１Ｂ ファイバレーザ光源
１０２ 注入同期型レーザまたはツリウム添加ファイバ増幅器
１０３ シードレーザ出力
１０５ 励起光源
１０６ 励起光
１０７ 励起光学系
１０８ 共振器ミラー
１０９ レーザ利得媒質
１１０ 複屈折フィルタ
１１１ エタロン
１１２ 出力結合鏡
１２０ 半導体励起レーザ光源
１２１ 高反射ファイバブラッググレーティング（ＨＲ−ＦＢＧ）
１２２ レーザ利得ファイバ
１２３ 出力結合ファイバブラッググレーティング（出力結合ＦＢＧ）
１２４ 出力ファイバ
２００ 第２レーザ光源
２１、２２ 第２波長の光
２３ 反射光
３００、３００Ａ、３００Ｂ 第１の波長変換ユニット
３ 第１の非線形波長変換素子
３０ 外部共振器
３１、３２ 第３波長の近赤外光
３３ 反射光
３０１ 入力結合鏡
３０２、３０３、３０４ 反射鏡
３０５ 精密位置決め装置
３０６ 分散位相補償素子
４００ 第２の波長変換ユニット
４ 第２の非線形波長変換素子
４０ 外部共振器
４１、４２ 第４波長の青色光
４３ 反射光
４０１ 入力結合鏡
４０２、４０３、４０４ 反射鏡
４０５ 精密位置決め装置
５００ 第３の波長変換ユニット
５ 第３の非線形波長変換素子
５０ 外部共振器
５１ 第５波長の深紫外光
５０１ 入力結合鏡
５０２、５０３、５０４ 反射鏡
５０５ 精密位置決め装置
以上の上記態様の深紫外レーザ発生装置または光源装置では、産業界からの要求の強い波長約２１３ｎｍの深紫外レーザ光が得られる。その波長約２１３ｎｍのレーザ光源は、１Ｗ以上の高い出力をもつことも可能である。その際、深紫外レーザ発生装置内部の光学材料には、最終的に発せられる約２１３ｎｍのレーザ光以外の紫外光が照射されることはない。

Claims (12)

  1. 波長１．８７〜２．１μｍのいずれかである第１波長の光を放ち、ツリウム添加レーザ光源またはツリウム添加ファイバ光源である第１レーザ光源と、
    波長１．５３〜１．５７μｍのいずれかである第２波長の光を放ち、半導体レーザ光源、エルビウム添加ファイバ光源、またはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ光源である第２レーザ光源と、
    前記第１波長の光および前記第２波長の光から、和周波混合過程によって波長８４１〜８９９ｎｍのいずれかの波長の近赤外光を生成する第１の非線形波長変換素子と、
    該近赤外光から、第二高調波発生過程によって波長４２０〜４５０ｎｍの青色光を生成する第２の非線形波長変換素子と、
    該青色光から、第二高調波発生過程によって波長２１０〜２２５ｎｍの深紫外光を生成する第３の非線形波長変換素子と
    を備えてなる深紫外レーザ発生装置。
  2. 前記第２レーザ光源は、
    前記第２波長の単一周波数レーザ光源と、
    該単一周波数レーザ光源の出力を高出力化するためのエルビウム添加ファイバ増幅器またはエルビウム／イッテルビウム添加ファイバ増幅器と
    を備えるものである、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  3. 前記第１レーザ光源がツリウム添加レーザ光源であり、
    該ツリウム添加レーザ光源が、単一周波数のレーザ光源により注入同期されたツリウム添加固体レーザ光源である、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  4. 前記ツリウム添加固体レーザ光源がＴｍ：ＹＶＯ４、Ｔｍ：ＧｄＶＯ４、Ｔｍ：ＧｄｘＹ１−ｘＶＯ４（ただし、０＜ｘ＜１）、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＧＧＧ、Ｔｍ：ＬｕＡＧのレーザ光源である、請求項３に記載の深紫外レーザ発生装置。
  5. 前記第１レーザ光源は、
    前記第１波長の単一周波数レーザ光源と、
    該単一周波数レーザ光源の出力を高出力化するためのツリウム添加ファイバ増幅器と
    を備えるものである、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  6. 前記第１レーザ光源と前記第２レーザ光源がともに連続波レーザである、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  7. 前記第１レーザ光源と前記第２レーザ光源とのいずれかまたは両方が単一周波数レーザ光源である、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  8. 前記和周波混合過程が外部共振器内にて生じるものである、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  9. 前記和周波混合過程が二波長共振型の和周波混合過程である、請求項８に記載の深紫外レーザ発生装置。
  10. 前記第２および第３の非線形波長変換素子による二つの前記第二高調波発生過程のうちのいずれかまたは両方が外部共振器内にて生じるものである、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  11. 前記第１〜第３の非線形波長変換素子のうち少なくともいずれかが、ＢＢＯ、ＣＬＢＯ、ＫＢＢＦ、ＲＢＢＦ、ＬＢＯ、ＫＴＰ、ＬＮ、ＰＰＬＮ、ＰＰＬＴ、ＫＮ、ＫＴＡ、ＲＴＡ、ＲＴＰのうちいずれかである、請求項１に記載の深紫外レーザ発生装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の深紫外レーザ発生装置を備える深紫外光レーザ光源装置。
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