JP2009540538A - Ｕｖ及び可視レーザシステム - Google Patents

Abstract

波長が異なる少なくとも２つのレーザ源を有する、光を発生する光源及び、光源に動作可能な態様で結合された、光源によって供給される光を受け取り、受け取った光をより高い光周波数に変換して１５０〜７７５ｎｍ範囲にある終出力波長の光出力を発生する、周波数変換器を備えるレーザシステム。

Description

本発明は全般的には固体レーザに関し、さらに詳しくは、紫外（ＵＶ）波長範囲及び／または可視波長範囲の出力を発生するために、ファイバレーザ及び非線形波長変換を用いるレーザシステムに関する。

可視波長範囲（４００〜７７５ｎｍ）及びＵＶまたは深ＵＶ（ＤＵＶ）波長範囲（１５０〜４００ｎｍ）のコヒーレント光源には（医療、生命科学、材料処理、フォトリソグラフィ及び計測のような）多くの重要な用途がある。一般に高出力パワーが望ましく、用途が異なれば異なる出力波長が必要である。

しかし、近ＩＲスペクトル範囲に対して開発された広く利用できる光源とは対照的に、より短波長（例えば可視またはＵＶ）の光源の選択肢は極めて限られている。２４８ｎｍ，１９３ｎｍ及び１５７ｎｍのＵＶ光の発生にはエキシマーレーザが利用されることが多い。しかし、そのようなエキシマーレーザは高価であり、保守に費用がかかり、ビーム品質が比較的劣り、波長可変ではない。

ダイオードポンプ固体（ＤＰＳＳ）レーザのＩＲ（赤外）波長出力をＵＶ及び可視の範囲に変換するために、非線形結晶における高調波変換が一般に用いられる。残念ながら、ＤＰＳＳレーザからは少数の離散波長しか利用できず、したがって、この方法で発生される出力波長も基本波長またはポンプ波長の（例えば二次、三次、四次の）高調波に限られる。そのようなレーザ出力は、例えば、１０６４ｎｍＮｄ：ＹＡＧレーザ出力の高調波変換によって発生される、５３２ｎｍ，３５５ｎｍ及び２６６ｎｍである。

適する透明波長範囲及び位相整合条件をもつ非線形結晶が存在すれば、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）をＤＰＳＳレーザとともに利用して出力波長可変性をさらに与えることができる。これは必ずしも可能ではない。さらに、ＯＰＯからの出力波長は非線形結晶の位相整合条件によって決定されるため、ＯＰＯを利用するレーザシステムは高調波変換器だけを利用するレーザシステムに比較すると一般に、より複雑であり、安定性に乏しいという問題がある。

ＤＰＳＳレーザの別の欠点は、熱問題（レーザ結晶内の熱散逸）により平均パワー出力が比較的低い値（１０〜２５Ｗ）に抑えられることである。高効率非線形周波数変換に必要な高ピーク光パワー値を達成するため、ＤＰＳＳレーザは一般にパルス繰返し周波数が数ｋＨｚに制限されるＱスイッチ（長い、３０〜５０ｎｓパルス）方式、または出力のスペクトル幅がかなり広く、したがってレーザ出力のコヒーレンス長が連続波レーザすなわちＣＷレーザのコヒーレンス波長より短い、モードロック（５〜１０ｐｓパルス）方式で動作させられる。したがって、そのようなＤＰＳＳレーザは、光パルスが、高コヒーレンスを維持するに十分に長いが、同時に特定の検出器に対して出力光が実効的にＣＷに見えるに十分に繰返し周波数が高い、擬ＣＷ出力の発生には適していない。

したがって、０.１５〜０.７７５μｍ範囲において、高パワー、高効率で安定な擬ＣＷレーザ源の開発が未だに必要とされている。

本発明の一態様は、（ｉ）光を発生する光源であって、波長が異なる少なくとも２つのレーザ源を有する光源及び（ii）光源に動作可能な態様で結合された周波数変換器であって、光源によって供給される光を受け取るため及び、受け取った光を、１５０〜７７５ｎｍ範囲にある最終出力波長において周波数変換器が光出力を発生するように、より高い光周波数に変換するための周波数変換器を備えるレーザシステムである。２つのレーザ源はファイバレーザまたはシード供給型ファイバ増幅器であることが好ましい。

本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者には説明から容易に明らかであろうし、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。

上述の一般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも、本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような、本発明の本質及び性質を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。

図１は本発明の一実施形態にしたがうレーザシステム１０のブロック図である。 図１Ａは、Ｙｂドープファイバレーザ源のみ、Ｅｒドープファイバレーザ源のみ及びＹｂドープファイバレーザ源＋Ｅｒドープファイバレーザ源を用いて、高調波変換によって発生させることができる出力波長の範囲を示す。 図２は本発明にしたがうレーザシステム１０の第２の例示実施形態を簡略に示す。 図３は本発明にしたがうレーザシステム１０の第３の例示実施形態を簡略に示す。

コヒーレント光を発生するための無キャビティまたは無共振の方法及び装置が本明細書に教示される。本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、本発明の方法及び装置においては、光をより高い光周波数に変換して１５０〜７７５ｎｍ範囲にある最終出力波長において光出力を発生する周波数変換器に光を供給するために、波長が異なる少なくとも２つの光源を備えるパルス光源が用いられる。少なくとも２つの光源は、レーザまたはシード供給型光増幅器（レーザ増幅器）、あるいはこれらの組合せとすることができ、本明細書ではレーザ源またはレーザと称される。

それらの例が添付図面に示される、本発明の現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、全図面で、同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。本発明のレーザシステムの一実施形態が図１に示され、全図面で、全体として参照数字１０で指示される。

図１を参照すれば、本実施形態のレーザシステム１０は、並列動作して初パルス光出力１０８Ａ及び１０８Ｂを同時に供給する２つの「主発振器−パワー増幅器」（ＭＯＰＡ）を有する光源１０２を備える。原理的に、レーザシステム１０はＣＷシステムとすることができるが、本実施形態では、主発振器（ＭＯＰＡ）の光にパルス変調を与えるために光変調器１０４Ｂ及び１０４Ｃを駆動する電気パルス発生器１０４Ａが、必要に応じて、利用される。

本実施形態においては、１１０５ｎｍシード源１１２からの光が電気パルス発生器１０４Ａで駆動される光変調器１０４Ｃを通過する。変調されたパルス光はＹｂドープシリカベースファイバを有するファイバ増幅器１０６Ａに入り、増幅器１０６Ａは、出力波長λ_１Ａ出力＝１１０５ｎｍを中心とする光スペクトルを有する、増幅されたパルス光出力信号１０８Ａを発生する。１５５０ｎｍシード源１１４からの光は光変調器１０４Ｂを通過して増幅器１０６Ｂ，例えばＥｒドープファイバ増幅器に入る。増幅器１０６Ｂは、出力波長λ_１Ｂ出力＝１５５０ｎｍを中心とする光スペクトルを有する、増幅されたパルス光出力信号１０８Ｂを供給する。すなわち、本実施形態においては、光変調器１０４Ｂ及び１０４Ｃが同じ電気パルス発生器１０４Ａで駆動されているから、レーザシステム１０のパルス光源１０２は２つの異なる波長において同期光パルス１０８Ａ，１０８Ｂを供給する。シード源は、また必要に応じて備えられるパルス源、変調器及び／または光遅延素子Ｄも、初（パルス）源１０２'を構成する。この初パルス源１０２'が（波長が異なる２つの）光を高パワーレーザまたは／及び増幅器１０６Ａ，１０６Ｂに供給する。

周波数変換器１１０は、周波数変換器１１０が１５０〜７７５ｎｍの範囲にある波長λ_出力において終パルス光出力１１２を発生するように、それぞれの波長がλ_１Ａ出力，λ_１Ｂ出力の初パルス光出力１０８Ａ、１０８Ｂを受け取るため、及びこれらの光をより高い光周波数に変換するために、動作可能な態様で（本実施形態ではパルス光源である）光源１０２に結合される。周波数変換器１１０は二次高調波発生器（ＳＨＧ）段及び和周波混合（ＳＦＭ）段を有することができる。最も簡易なタイプの周波数変換器は、例えば、二次、三次または四次等の高調波を発生する高調波発生器であり、これは、周波数変換器が初出力波長λ_１Ａ出力をλ_出力＝λ_１Ａ出力/２，λ_１Ａ出力/３，またはλ_１Ａ出力/４の終波長に変換することを意味する。任意の数のＳＨＧ段及びＳＦＭ段の任意の組合せに対しては一般に、ｍ及びｎを整数として、１/λ_出力＝ｍ/λ_１Ａ出力＋ｎ/λ_１Ｂ出力である。

いくつかの実施形態にしたがえば、光源１０２によって供給されるパルスの幅は０.０１〜１００ｎｓであり、パルスのデューティサイクルは１：２〜１：１００００００であって、例えば、１：３＝１：１０００のパルスデューティサイクルで０.１ｎｓ〜１０ｎｓである。最適効率のためには、光パルス幅及びパルス繰返し周波数についての要件を考慮することが重要である。原理的には、光パルス幅に上限はない。しかし、数ナノ秒より長いパルスに対しては、変換され得る最大パワー量が増幅器（またはレーザ）のファイバ内の誘導ブリュアン散乱（ＳＢＳ）によって制限されることがあり、ＳＢＳを抑えるに十分にポンプ光スペクトルを広くしておかなければならない。また、結晶における非線形変換効率を高めるためには、デューティサイクル（パルス幅と繰返し間隔の比であり、これは平均パワーとピークパワーの比でもある）が１：１００より小さいことが望ましく、このことから、１０ｎｓより長いパルスに対しては繰返し周波数が１ＭＨｚより低い値に抑えられることになり、これは目標が擬ＣＷ源の形成である場合には望ましくない。

高パワー光増幅器１０６Ａ，１０６Ｂはシード１１２及び１１４からのパルス光１０４を増幅して、パルス光源１０２の平均パワー及びピークパルスパワーを高めることができる。このようにすれば、増幅器１０６Ａ，１０６Ｂに対して十分に開発されたファイバ増幅技術に基づく費用効率の高いポンプ源を利用することができる。本発明の方法及び装置はＹｂドープまたはＥｒドープのファイバ光増幅器との使用に特に適するが、他のタイプのパワー増幅器１０６Ａ，１０６Ｂとともに用いることもできる。さらに詳しくは、Ｙｂドープファイバベースレーザは１０３０〜１１２０ｎｍ範囲の光出力を供給でき、Ｅｒドープ、Ｔｍドープ及びＮｄドープのシリカファイバベースのレーザまたは増幅器はそれぞれ１５３０〜１６１０ｎｍ範囲，１８００〜２０００ｎｍ範囲及び８９０〜９３０ｎｍ範囲の出力を供給できることに注意されたい。これらのダイオードポンプファイバレーザの出力波長の調節により、所望の値への終出力波長の調節／同調が可能になるであろう。さらに、活性媒質長が長い（数ｍ）ことから、ファイバレーザでは熱散逸がＤＰＳＳレーザほど大きな問題にならず、したがって、ファイバレーザは、完全な単一横モードビーム品質を維持しながら、かなり高い平均パワー出力を供給できる。すなわち、ファイバレーザは、高調波変換による可視波長範囲及びＵＶ波長範囲における、高パワーＣＷ源、擬ＣＷ源またはナノ秒パルス源の作成に対する完璧な候補である。

図１Ａは、ＳＨＧ及びＳＦＭによって発生されるより短い波長を含む、Ｙｂドープファイバレーザ源から発生され得る波長及びその高調波の範囲（上段）、Ｅｒドープファイバレーザ源から発生され得る波長及びその高調波の範囲（中段）及びこれら２つのファイバレーザをともに用いときに発生され得る波長及びその高調波の範囲（下段）を示す。図１Ａは、これらの２つのレーザ源をともに用いれば、２００ｎｍ未満から４００ｎｍまでの範囲及び、より長波長の、いくつかの範囲を含む、広範な波長の出力を達成できることを示す。図１Ａには、下段のグラフが上段及び中段のグラフには表されていない波長帯を含んでいる（これはそのような波長帯がＹｂドープファイバレーザ及びＥｒドープファイバレーザをともに用いた場合にのみ発生され得ることを示す）という利点が明らかである。レーザ源の異なる組合せ（例えば、ＥｒドープファイバレーザとＮｄドープファイバレーザ、ＹｂドープファイバレーザとＴｍファイバレーザドープ、ＥｒドープファイバレーザとＴｍドープファイバレーザ）によって異なる波長範囲の出力の発生が可能となることはもちろんであり、その内のいくつかは図１Ａに示される波長範囲に重なり得る。

本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、光源１０２は原波長λ_ｐを同調させるための波長可変レーザを有し、原波長（及び、必要であれば、高調波変換段）の同調により終出力波長λ_出力の微調が得られる。

励起状態の寿命が非常に長い（数ｍｓ）ことから、希土類（例えば、ＥｒまたはＹｂ）ドープファイバ増幅器は本質的に入り信号の平均パワーを増幅し、非常に小さなデューティサイクルに対しては、平均パワー出力は中程度でしかない増幅器１０６Ａ，１０６Ｂが非常に大きなピークパルスパワーを発生できる。例えば、主発振器（例えば、外部変調分布帰還（ＤＦＢ）レーザダイオードのようなシード１１２またはシード１１４とパルス変調器１０４Ｃまたはパルス変調器１０４Ｂの組合せ）からの１ｎｓ長パルスを、多段Ｅｒドープ（ファイバ）増幅器／Ｙｂドープ（ファイバ）増幅器１０６Ａ，１０６Ｂにおいて、パワー増幅器１０６Ａ、１０６Ｂの平均出力パワーは２Ｗに過ぎなくとも、繰返し周波数が１００ｋＨｚの場合には、２０ｋＷのピークパワーまで増幅することができる（ピークパワーは１００００×平均パワーである）。

パルス幅を設定するための、電気パルス発生器による半導体レーザダイオードの直接変調または、上述したような、個別の電気光学強度変調器へのダイオード出力の接続は、以降の増幅の有無（すなわち、増幅器１０６Ａ，１０６Ｂの有無）にかかわらず、パルス光１０４を発生するための初パルス光源１０２'を構成するために用いることができる。周波数変換効率の最大化（パルスウイングにおける不完全変換の効果の最小化）及び高パワーファイバ増幅器における（自己位相変調（ＳＰＭ）による）スペクトル広がりの最小化のためには、矩形パルスを形成することが好ましい。Ｅｒドープ，Ｙｂドープ，Ｔｍドープ及びＮｄドープのファイバ増幅器１０６Ａ，１０６Ｂは比較的広い（数１０ｎｍの）スペクトル利得帯域幅を有するから、パルス光源１０２は、またある程度は全レーザシステム１０も、（直接変調されるかまたは個別変調器に結合される、外部キャビティ半導体レーザのような）波長可変主発振器パルス源１０２'を用いることによって波長可変または波長調節可能とすることができる。

既述したように、Ｙｂドープファイバレーザシステムについてはほぼ１０３０〜１１２０ｎｍの出力波長範囲が直接利用できる。１５３０〜１５７０ｎｍ範囲についてはＥｒ-Ｙｂ共ドープ、８９０〜９３０ｎｍ範囲については（３準位遷移で動作する）Ｎｄドープ、あるいは１８００〜２０００ｎｍ範囲についてはＴｍドープの、シリカベースファイバを備えるような、他のタイプのファイバレーザシステムを利用することもできる。周波数変換器１１０は多くの変換段を有することができ、それぞれの変換段は、終端における所望の出力波長を供給するために、二次、三次または四次の高調波を発生するか、あるいはファイバレーザと先行変換段出力との和周波混合を行うことができる。出力波長λ_出力は、適する非線形結晶において、２つの異なるファイバレーザまたはファイバ増幅器の出力の和周波混合を行うことによって発生させることができる。２つのレーザ／シード供給型増幅器１０６Ａ，１０６Ｂは異なる出力波長を供給し、ある波長範囲内で波長可変または調節可能であるから、２つのそのようなレーザ／増幅器を合せて用いることにより、終出力波長λ_出力を同調または調節できる能力が大きく高められる。したがって、本発明の教示にしたがえば、例えば以下に説明されるように、２つのパルスファイバレーザまたはシード供給型増幅器１０６Ａ，１０６Ｂと高調波発生段及び／または和周波混合段を有する周波数変換器１１０の適する組合せによって、１５０〜７７５ｎｍ範囲内のいかなる所望の出力波長λ_出力も発生させることができる。

特定の用途に対して注目されるいくつかの特定の出力波長を発生するレーザシステム１０の実施例が以下に提示される。以下の例示実施形態においては、光損傷閾値が最も高く、したがってより高パワーを高調波変換によって発生することができることが知られている、非線形ホウ酸塩結晶（ＬＢＯ，ＢＢＯ，ＣＬＢＯ）だけを利用する、周波数変換器１１０の構成が選ばれる。そのようなレーザシステム１０では、比較的高い変換効率が達成され、短波長（ＵＶ）の光パワービーム入射によっておこり得る結晶損傷は回避されるかまたは最小限に抑えられる。これは、少なくともある程度までは、ＵＶ出力波長を発生させるために和周波混合（ＳＦＧ）を行う場合に、短波長（ＵＶ）パワーを長波長（ＩＲ）パワーに「移転」することによってなされる（ＳＦＧ段の出力パワーは２つの入力パワーの積に比例するから、同じ出力を発生させるためにＳＦＧ段の入力に供給されるＩＲ光を多くし、ＵＶ光を少なくすることができる）。当業者であれば、これらの実施例が多くの可能性の内のごく一部しか代表しておらず、他の非線形結晶を用いることもできることを認めるであろう。

実施例１：λ＝１９３.０ｎｍの出力を発生するためのレーザシステムＩ
サブ２００ｎｍレーザ光源は半導体工業における計測用途に極めて重要である。集積回路の最小寸法が縮小されるにつれて、フォトリソグラフィに用いられる光は一層短波長になる。したがって、マスク及びウエハの検査に、また光学系の作成にも、同じかまたは同様のＤＵＶ光波長が必要になる。固体レーザ源、高調波変換及びＯＰＯに基づく、現在用いられているシステムは、一般に、極めて低い繰返し数で作動し、非常に嵩張り、複雑で、高価であり、頻繁で煩雑な保守が必要である。

図１は１９３.０ｎｍレーザシステム１０の第１の例示実施形態を簡略に示す。上述したように、本実施形態にしたがう光システム１０は、周波数変換器１１０に周波数が異なる同期パルス出力を供給する２つの光ファイバ増幅器１０６Ａ，１０６Ｂを備える。本例示実施形態において、光源１０２のＹｂドープファイバ増幅器１０６Ａは波長λ_１Ａ出力＝１１０４ｎｍを中心とする挟線幅出力を発生する。増幅器１０６Ａからの初出力信号１０８Ａは次いで周波数変換器１１０の第１変換段に供給される。本実施形態において、周波数変換器１１０は、２つのＬＢＯ（三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ_３Ｏ_５））結晶１１０Ａ，１１０Ｂ、１つのＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム（β-ＢａＢ_２Ｏ_４））結晶１１０Ｃ、及び１つのＣＬＢＯ（ホウ酸セシウムリチウム（ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０））結晶１１０Ｄを有する。３つの非線形結晶、ＬＢＯ結晶１１０Ａ，ＬＢＯ結晶１１０Ｂ及びＢＢＯ結晶１１０Ｃは、（ｉ）５５２ｎｍの波長を発生する、ＬＢＯ結晶１１０Ａによる二次高調波発生（ＳＨＧ）、（ii）３６８ｎｍの波長を発生する、残余１１０４ｎｍ光とＬＢＯ結晶１１０Ｂ内の５５２ｎｍ光の和周波混合（ＳＦＭ）による三次高調波発生、（iii）２２０.８ｎｍ出力を発生する、ＢＢＯ結晶１１０Ｃによる３６８ｎｍ光と５５２ｎｍ光の和周波混合（ＳＦＭ）によって、１１０４ｎｍ波長の五次高調波を発生するために用いられる。ＬＢＯ結晶１１０Ｂは５５２ｎｍの光を受け取り、その一部（１〜９０％，好ましくは５０％）を３６８ｎｍ光に変換する。本実施形態においては、１１０４ｎｍ光と５５２ｎｍ光が第２のＬＢＯ結晶１１０Ｂにおいて同じ方向に沿って揃えられるように、（１１０４ｎｍ光と５５２ｎｍ光の）一方の偏波状態を回転させて、他方は回転させないでおくために、２つのＬＢＯ結晶１１０Ａと１１０Ｂの間に特注の波長板ＷＰが必要である。いかなる残余１１０４ｎｍ波長光もフィルタ（ダイクロイックミラー）Ｍ１によってシステムから除去される。ＬＢＯ結晶１１０Ｃから残余（９９％〜１０％）５５２ｎｍ光とともにでてくる３６８ｎｍ光は、次いで、和周波混合（ＳＦＭ）により波長２２０.８ｎｍの光を発生するＢＢＯ結晶１１０Ｃに供給される。光源１０２のＥｒドープファイバ増幅器１０６Ｂは波長λ_１Ｂ出力＝１５３５ｎｍを中心とする挟線幅出力を発生する。増幅器１０６Ｂからの初出力信号１０８Ｂは次いで、本実施形態ではＣＬＢＯ結晶である、周波数変換器１１０の変換段１１０Ｄに供給される。波長が５５２ｎｍまたは３６８ｎｍのいかなる残余光もフィルタ（ダイクロイックミラー）Ｍ２によってシステムから除去される。１５３５ｎｍの（ＩＲ）波長の初出力信号１０８Ｂは次いで、ＢＢＯ結晶１１０Ｃによって供給される２２０.８ｎｍ光と第４変換段（ＣＬＢＯ結晶）１１０Ｄ内で和周波混合され、よって第４変換段（ＣＬＢＯ結晶）１１０Ｄが波長λ_出力＝１９３.０ｎｍの出力を発生する。出力波長λ_出力＝１９３.０ｎｍの出力パワーＰ_出力は２つの入力パワーの積に比例し、増幅器１０６ＢからＣＬＢＯ結晶に供給される（ＩＲ波長，１５３５ｎｍ）光パワーをＰ_{１５３５ｎｍ}とし、ＢＢＯ結晶１１０ＣからＣＬＢＯ結晶に供給される（ＵＶ波長，２２０.８ｎｍ）光パワーをＰ_{２２０.８ｎｍ}として、Ｐ_出力〜Ｐ_{１５３５ｎｍ}×Ｐ_{２２０.８ｎｍ}である。非線形結晶の損傷は主として短波長範囲の高パワービームによって引きおこされるから、ＢＢＯ結晶１１０Ｃから供給される光パワーを小さくして長波長源（増幅器１０６Ｂ）から供給されるパワー（Ｐ_{１５３５ｎｍ}）を大きくする、短波長（ＵＶ）入射パワーの長波長（ＩＲ）入射パワーへの「移転」によって、短波長（ＵＶ）の高パワービーム入射によって生じ得る結晶損傷を回避するかまたは最小限に抑えることができる。したがって、Ｅｒドープファイバ増幅器１０６Ｂのような、周波数変換器１１０の最終段に（またはいずれのＳＦＭ段にも）長波長光を供給するレーザは少なくとも１０Ｗ，好ましくは少なくとも５０Ｗ，の出力光パワーを供給することが好ましい。

（米国Sandia National Laboratoriesから提供される非線形結晶モデリングのフリーソフトウエアパッケージである、ＳＮＬＯによって予想されるような）、第１のＬＢＯ結晶１１０Ａに対する最適温度は３７６.４ケルビン（Ｋ）である。この温度において、５５２ｎｍの二次高調波発生に対し、結晶は（結晶の光軸に対してθ＝９０°及びψ＝０°の角度で伝搬する−ＬＢＯはいわゆる二軸結晶である−光について）ノンクリティカル位相整合で動作し、実効非線形係数はｄ_実効＝０.８５ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは実質的にゼロである。第２のＬＢＯ結晶１１０Ｂはノンクリティカル位相整合させることができない。光軸に対してθ＝９０°及びψ＝３２.６°で伝搬する光について、１１０４ｎｍ光と５５２ｎｍ光の和周波混合に対する位相整合温度は４３３Ｋであり、実効非線形係数はｄ_実効＝０.７５ｐｍ/Ｖ、複屈折ウォークオフは１５.９９ミリラジアンである。ＢＢＯ結晶１１０Ｃは単軸結晶である。５５２ｎｍ光と３６８ｎｍ光の和周波混合の非線形過程に対し、光軸に対してθ＝６４.２°で伝搬する光について、位相整合結晶温度は４３３Ｋであり、実効非線形係数はｄ_実効＝１.３ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは７１ミリラジアンである。第４の結晶ＣＬＢＯは単軸結晶である。光軸に対してθ＝６２.３°で伝搬する光について、位相整合結晶温度は４３３Ｋであり、実効非線形係数はｄ_実効＝１.０１ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは３７.３３ミリラジアンである。図１に示されるように、レーザシステム１０のこの実施形態ではＯＰＯが利用されていない。表Ｉは実施例１のレーザシステムに利用される結晶のパラメータの要約を与える。

表Ｉにおいては、また以降の実施例の全てにおいても、用いられる非線形結晶のタイプが第１行に挙げられ、結晶が行う非線形過程のタイプが第２行に挙げられている。出力波長及び２つの入力波長（非線形過程が二次高調波発生である場合、２つの入力波長は同じである）が第３〜５行に挙げられている。結晶温度が第６行に与えられ、位相整合に必要な結晶光軸に対する伝搬方向角が第７〜８行に与えられている。実効非線形係数（与えられた入力パワー及び結晶長に対して変換効率がどれだけになり得るかの尺度）が第９行に指定され、結晶の複屈折によって生じる入力ビームと出力ビームに対する角度ウォークオフ（結晶内の入力光と高調波光の若干の角度分離）の値が第１０行に与えられている。

θ＝９０°（及び、二軸結晶についてはψ＝０°）におけるノンクリティカル位相整合（ＮＣＰＭ）が、二次高調波発生に対して最大の角度及びスペクトルアクセプタンス（変換効率の有意な低下がない、許容できる伝搬方向及び波長の偏差）が可能になり、長結晶を使用して中レベルのピークパワーで高い変換効率を達成することができるポンプ光ビームと二次高調波ビームのゼロまたはほぼゼロの複屈折ウォークオフを特徴とするから、最も好ましいタイプの位相整合である。

図１の実施例のレーザシステム１０の利点は、十分に開発された作成技術が利用できるＥｒドープファイバレーザ及びＹｂドープファイバレーザから始めて、サブ２００ｎｍ出力が得られることである。しかし、実施例１のレーザシステム１０はＢＢＯ結晶１１０Ｃにおいてかなりの複屈折ウォークオフ（７１.６ミリラジアン）を示す。ウォークオフが大きいとレーザビームの緊密な集束が可能にならず、したがって、より短い結晶またはより大径の（光パワー密度が低い）ビームを用いなければならないから、変換効率が低くなる。ウォークオフの影響は同じ種類の１８０°回転させた結晶を複数用いれば軽減できるが、これではより多くの表面が高光パワーにさらされることになるであろうから、デバイスの有用寿命が短くなるようである。１８０°回転結晶をシームレスに結合することによって余分の露出結晶表面を排除するために拡散結合または無接着剤結合を利用することができる。別の可能な解決策は、入り光ビームを非線形結晶内の楕円スポットに、楕円の長軸をウォークオフ方向に沿わせ、短軸をウォークオフ方向に垂直にして集束させることである。この場合、（無ウォーク方向における集束をより緊密にし、したがってパワー密度をより高くすることにより、またより長い結晶を使用できることから）より高い変換効率を達成することができ、同時にウォークオフにより生じるビーム歪を最小限に抑えることができる。

実施例２：λ＝１９３.４ｎｍの出力を発生するためのレーザシステム
図２は本発明の別の実施形態にしたがう１９３.０ｎｍレーザシステム１０の一実施例を示す。本実施形態のレーザシステム１０は、周波数変換器１１０に同期初パルス光１０８Ａ，１０８Ｂを（並列に）供給する２つのシード供給型高パワー光増幅器１０６Ａ，１０６Ｂを有するパルス光源１０２を備える点において、実施例１の実施形態のレーザシステム１０と同様である。しかし、本実施形態においては第１の増幅器１０６ＡがＮｄドープ（ＳｉＯ_２ベース）ファイバ増幅器である。さらに詳しくは、Ｎｄドープ増幅器１０６Ａの９３５.６ｎｍ出力が周波数変換器１１０の第１変換段１１０Ａ（ＬＢＯ結晶）に供給される。同時に、Ｙｂドープファイバ増幅器１０６Ｂの１１０４ｎｍ出力がＣＬＢＯ結晶（周波数変換器１１０の第３変換段１１０Ｃ）に供給される。周波数変換器１１０は、１つのＬＢＯ結晶１１０Ａ，１つのＢＢＯ結晶１１０Ｂ及び１つのＣＬＢＯ結晶１１０Ｃを有する。３つの非線形結晶、ＬＢＯ結晶１１０Ａ，ＢＢＯ結晶１１０Ｂ及びＣＬＢＯ結晶１１０Ｃが、（ｉ）４６７.８ｎｍの波長を発生するＬＢＯ結晶１１０Ａによる二次高調波発生（ＳＨＧ）、（ii）（２３３.９ｎｍ波長を発生するＢＢＯ結晶１１０Ｂによる）別のＳＨＧ、（iii）１９３.０ｎｍ出力を発生する、ＢＢＯ結晶１１０Ｂ結晶により供給される２３３.９ｎｍ光とＹｂドープファイバ増幅器１０６Ｂにより供給される１１０４ｎｍ光の、ＣＬＢＯ結晶１１０Ｃによる和周波混合（ＳＦＭ）によって、１９３.０ｎｍ波長を発生するために用いられる。さらに詳しくは、ＬＢＯ結晶１１０Ａ及びＢＢＯ結晶１１０Ｂは二次高調波発生器（ＳＨＧ）である。ＬＢＯ結晶１１０ＡはＮｄドープファイバ増幅器１０６Ａから９３５.６ｎｍの初出力波長λ_１出力を受け取り、第２変換段のＢＢＯ結晶１１０Ｂに４６７.８ｎｍ出力を供給する。９３５.６ｎｍ波長のいかなる残余光も、必要に応じて、ダイクロックミラーのようなフィルタ（図示せず）によってシステムから除去される。ＢＢＯ結晶１１０Ｂは４６７.８ｎｍの光を受け取り、受け取った光の一部を２３３.９ｎｍ光に変換する。残余４６７.８ｎｍ光は次いで、必要に応じて、ダイクロックミラーＭ１によりフィルタリング除去される。ＢＢＯ結晶１１０Ｂをでてくる２３３.９ｎｍ光は次いで、Ｙｂドープファイバ増幅器１０６Ｂからの１１０４ｎｍ光とともに、和周波混合（ＳＦＭ）により所望の波長λ_出力＝１９３.０ｎｍの光を発生するＣＬＢＯ結晶１１０Ｃに供給される。第１変換段のＬＢＯ結晶１１０Ａについての動作温度は４３３ケルビン（Ｋ）である。位相整合角θ及びψはそれぞれ９０°及び１６.４°である。結晶は、９３５.６ｎｍの二次高調波発生に対して、ｄ_実効＝０.８３ｐｍ/Ｖの実効非線形係数及び９.２８ミリラジアンでしかない複屈折ウォークオフで動作する。第２変換段のＢＢＯ結晶１１０Ｂに対し、光軸に対してψ＝５９.０°で伝搬する光については、２３３.９ｎｍの二次高調波発生に対する位相整合温度は同じく４３３Ｋであり、実効非線形係数はｄ_実効＝１.４５ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは７８.３ミリラジアンである。第３変換段のＣＬＢＯ結晶１１０Ｃは（結晶の光軸に対してθ＝９０°の角度で伝搬する光について）ノンクリティカル位相整合で動作し、実効非線形係数はｄ_実効＝１.１２ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは実質的にゼロである。この結晶についての最適動作温度は、２３３.９ｎｍ光と１１０４ｎｍ光の和周波混合の非線形過程に対して３８４Ｋである。出力波長λ_出力＝１９３.０ｎｍの出力パワーＰ_出力は２つの入力パワーの積に比例し、増幅器１０６ＢからＣＬＢＯ結晶に供給される光パワー（ＩＲ波長，１１０４ｎｍ）をＰ_{１１０４ｎｍ}とし、第２変換段のＢＢＯ結晶１１０ＢからＣＬＢＯ結晶に供給される光パワー（ＵＶ波長，２３３.９ｎｍ）をＰ_{２３３.９ｎｍ}として、Ｐ_出力〜Ｐ_{１１０４ｎｍ}×Ｐ_{２３３.９ｎｍ}である。非線形結晶の損傷は主として短波長範囲の高パワービームによって引きおこされるから、ＢＢＯ結晶１１０Ｃから供給される光パワーを小さくして長波長源（増幅器１０６Ｂ）から供給される光パワー（Ｐ_{１１０４ｎｍ}）を大きくする、（結晶への）短波長（ＵＶ）入射パワーと長波長（ＩＲ）入射パワーへの「移転」によって、短波長（ＵＶ）の高パワービーム入射によって生じ得る結晶損傷を回避するかまたは最小限に抑えることができる。したがって、Ｙｂドープファイバ増幅器１０６Ｂのような、周波数変換器１１０の最終変換段に（またはいずれのＳＦＭ段にも）長波長光を供給するレーザは少なくとも１０Ｗ，好ましくは少なくとも５０Ｗ，の出力光パワーを供給することが好ましい。

表IIは実施例２のレーザシステム１０に利用される結晶のパラメータの要約を与える。

簡単のため、それぞれの実施例について与えられる光学系の略図には補助の光素子が示されていない。当業者であればいつどこにそのような素子が用いられるべきであるかを決定できるであろう。必要に応じて用いられるそのような素子には、例えば、変換効率を高めるために非線形結晶に光ビームを集束させるレンズ、光の偏波を回転させるために用いられる波長板、追加のダイクロイックミラー、ビームスプリッタ等がある。

図２のレーザシステム１０の利点は、サブ２００ｎｍ出力を発生するために最小数（僅か３つ）の非線形結晶が用いられることである。しかし、図２のレーザシステム１０はＢＢＯ結晶１１０Ｂにおいてかなりの複屈折ウォークオフ（７８ミリラジアン（ｍｒａｄ））を示す。ウォークオフが大きいとレーザビームの緊密な集束が可能にならず、したがって、より短い結晶またはより大径の（光パワー密度が低い）ビームを用いなければならないから、変換効率が低くなる。ウォークオフの影響は同じ種類の１８０°回転させた結晶を複数用いれば軽減できるが、これではより多くの表面が高光パワーにさらされることになるであろうから、デバイスの有用寿命が短くなるようである。１８０°回転結晶をシームレスに結合することによって余分の露出結晶表面を排除するために拡散結合または無接着剤結合を利用することができる。別の可能な解決策は、入り光ビームを非線形結晶内の楕円スポットに、楕円の長軸をウォークオフ方向に沿わせ、短軸をウォークオフ方向に垂直にして、集束させることである。この場合、（無ウォーク方向における集束をより緊密にし、したがってパワー密度をより高くすることにより、またより長い結晶を使用できることから）より高い変換効率を達成することができ、同時にウォークオフにより生じるビーム歪を最小限に抑えることができる。

当業者であれば、本実施例及び他の実施例において、正確に同じ波長の組合せを用いても、異なる非線形結晶を用いて必要な変換を実施できることを認めるであろう。

最終変換段の結晶（ＣＬＢＯ）はほぼノンクリティカル位相整合条件にあり、したがって複屈折ウォークオフはほとんど無視できる。さらに、ＣＬＢＯ結晶にはＹｂドープＭＯＰＡから直接に光ピークＩＲ（１１０４ｎｍ）パワーが供給される。この結果、ＵＶパワーに関してほぼ８０％に達する変換効率が得られ、したがって、同じＤＵＶ（深ＵＶ）パワーの達成に必要なＣＬＢＯ結晶への入り入力パワーが最小限に抑えられ、よってＣＬＢＯ結晶への光損傷が最小限に抑えられるであろう。表II（及び本明細書に与えられる他の表）に示される、光パワー値は、また温度、位相整合角、実効非線形係数及び複屈折ウォークオフの値も、指針として与えられるに過ぎないことに注意されたい。別の構成及び温度を用いることもできる。

実施例３：λ＝１９８.７ｎｍの出力を発生するためのレーザシステム
図３は１９８.７ｎｍレーザシステム１０の例示実施例を簡略に示す。上述と同様に、本実施形態にしたがう光システム１０は周波数変換器１１０に波長が異なる同期パルス出力を供給する２つのシード供給型光ファイバ増幅器１０６Ａ，１０６Ｂを備える。本例示実施形態においては、光源１０２のシード供給型１０６４ｎｍＹｂドープファイバ増幅器１０６Ａが波長λ_１Ａ出力＝１０６４ｎｍの挟線幅出力を発生する。同時に、シード供給型Ｅｒドープファイバ増幅器１０６Ｂが、波長λ_２Ａ出力＝１５７２ｎｍの挟線幅出力光１０８Ｂを発生する。増幅器１０６Ａ，１０６Ｂからの１１６４ｎｍ光及び１５７２光は次いで周波数変換器１１０の第１変換段に供給される。本実施形態において、周波数変換器１１０は２つのＬＢＯ結晶１１０Ａ，１１０Ｂ及び２つのＣＬＢＯ結晶１１０Ｃ，１１０Ｄを有する。変換器１１０の第１変換段はＬＢＯ結晶１１０Ａに対応する。１１６４ｎｍ光ビーム及び１５７２光ビームはＬＢＯ結晶１１０Ａにおいて和周波混合（ＳＦＭ）されて、６３４.５ｎｍ光が発生される。６３４.５ｎｍ光は次いで、残余１０６４ｎｍ光をフィルタリング除去する、ダイクロイックミラーＭ１を通過する。残余（１０％〜９０％，本実施形態では４０％が好ましい）１０６４ｎｍ光は次いで第３変換段のＣＬＢＯ結晶１１０Ｃに向けて導かれる。第２変換段のＬＢＯ結晶１１０Ｂは（二次高調波発生（ＳＨＧ）により）６３４.５ｎｍ光を３１７.３ｎｍ光に変換し、３１７.３ｎｍ光はダイクロイックミラーＭ２で反射されて、ＣＬＢＯ結晶１１０Ｃに向かう。１０６４ｎｍ光ビーム及び３１７.３ｎｍ光ビームはＣＬＢＯ結晶１１０Ｃにおいて和周波混合（ＳＦＭ）されて、２４４.４ｎｍ光が発生される。ダイクロックミラーＭ３が、残余３１７ｎｍ光はフィルタリング除去するが、２４４.４ｎｍ光及び、非線形結晶１１０Ａ及び１１０Ｃを通過した後も未使用のままの、残余（ＣＬＢＯ結晶１１０Ｃに入射する光の１０％〜９０％，本実施形態では５０％が好ましい）１０６４ｎｍ光は通過させる。１０６４ｎｍ光ビーム及び２４４.４ｎｍ光ビームはＣＬＢＯ結晶１１０Ｄにおいて和周波混合（ＳＦＭ）されて、１９８.ｎｍの出力光が発生される。

出力波長λ_出力＝１９８.７ｎｍの出力パワーＰ_出力は２つの入力パワーの積に比例し、ＣＬＢＯ結晶１１０Ｄに供給される１０６４ｎｍ（ＩＲ波長）の光パワー（例えば２０Ｗ）をＰ_{１０６４ｎｍ}とし、第３変換段のＣＬＢＯ結晶１１０ＣからＣＬＢＯ結晶１１０Ｄに供給される２４４.７ｎｍ（ＵＶ波長）光パワーをＰ_{２４４.４ｎｍ}として、Ｐ_出力〜Ｐ_{１０６４ｎｍ}×Ｐ_{２４４.４ｎｍ}である。非線形結晶の損傷は主として短波長（ＵＶ）範囲の高パワービームによって引きおこされるから、ＣＬＢＯ結晶１１０ＣからのＵＶ範囲で供給される光パワーを小さくして長波長源から供給されるパワー（Ｐ_{１０６４ｎｍ}）を大きくする、短波長（ＵＶ）入射パワーの長波長（ＩＲ）入射パワーへの「移転」によって、生じ得る結晶損傷を回避するかまたは最小限に抑えることができる。３１７.３ｎｍ光によるＣＬＢＯ結晶１１０Ｃの損傷を防止するために同様の「移転」を行っている。したがって、本実施形態においては、Ｙｂドープファイバ増幅器１０６Ａ及びＥｒドープファイバ増幅器１０６Ｂのような、周波数変換器１１０の最終変換段に長波長光を供給する（ただし、長波長光はいずれのＳＦＭ段にも供給され得る）レーザは、周波数変換器１１０に少なくとも１０Ｗ，好ましくは少なくとも５０Ｗ，の出力光パワーを供給することが好ましい。

第１変換段ＬＢＯ結晶１１０Ａについての最適温度は２８７.５ケルビン（Ｋ）である。この温度において、結晶は（結晶の光軸に対してθ=９０°及びψ=０°の角度で伝搬する光について）ノンクリティカル位相整合で動作し、１０６４ｎｍ光と１５２７ｎｍ光の和周波混合に対する実効非線形係数はｄ_実効＝０.８３ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは実質的にゼロである。第２変換段ＬＢＯ結晶１１０Ｂはノンクリティカル位相整合させることができない。光軸に対してθ=９０°及びψ=５４.５°で伝搬する光について、６３４.５ｎｍ光の二次高調波発生に対する位相整合温度は４３３Ｋであり、実効非線形係数はｄ_実効＝０.５３ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは１７.０５ミリラジアンである。ＣＬＢＯ結晶１１０Ｃ及び１１０Ｄは単軸結晶である。第３変換段非線形ＣＬＢＯ結晶１１０Ｃについて、光は光軸に対してθ=５６°で伝搬し、１０６４ｎｍ光と３１７.２６ｎｍ光の和周波混合の非線形過程に対して、位相整合結晶温度は４３３Ｋ、実効非線形係数はｄ_実効＝０.７８ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは３７.２５ミリラジアンである。第４変換段ＣＬＢＯ結晶１１０Ｄについては、光軸に対してθ=８１.３°で伝搬する光について、１０６４ｎｍ光と２４４.４ｎｍ光の和周波混合の非線形過程に対して、位相整合結晶温度は４３３Ｋ、実効非線形係数はｄ_実効＝１.０７ｐｍ/Ｖ，複屈折ウォークオフは１２.９９ミリラジアンである。図３に示されるように、本実施形態のレーザシステム１０においてはＯＰＯが利用されていない。表IIIは実施例３のレーザシステム１０に利用される結晶のパラメータの要約を与える。

上記実施例において、レーザシステム１０の実施形態ではＯＰＯが利用されておらず、したがって所望の出力波長で安定な出力が得られることに注意されたい。出力波長λ_出力は、光源１０２のレーザ／増幅器１０６Ａ，１０６Ｂの波長によって一意的に決定され、λ_出力を安定に保つための位相整合に依存しない。

本発明の精神及び範囲を逸脱しない様々な改変及び変形が本発明になされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

１０ レーザシステム
１０２ 光源
１０２' 初パルス光源
１０４ パルス光
１０４Ａ 電気パルス発生器
１０４Ｂ，１０４Ｃ 光変調器
１０６Ａ，１０６Ｂ ファイバレーザ／増幅器
１０８Ａ，１０８Ｂ 光出力
１１０ 周波数変換器
１１２，１１４ シード源

Claims (14)

1. レーザシステムにおいて、
   光を発生する光源であって、前記光源は波長が異なる少なくとも２つのレーザ源を有する、光源、及び
   前記光源によって供給される前記光を受け取るため及び、前記受け取った光をより高い光周波数に変換し、よって１５０〜７７５ｎｍ範囲にある終光波長の光出力を発生するために、動作可能な態様で前記光源に結合された周波数変換器、
   を備えることを特徴とするレーザシステム。
2. 前記レーザシステムには光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）が備えられていないことを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
3. 前記光源が、波長が異なる少なくとも２つのファイバレーザ源を有し、前記少なくとも２つのファイバレーザ源のそれぞれが１０Ｗをこえる光パワーを供給することを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
4. 前記少なくとも２つのファイバレーザ源のそれぞれが５０Ｗをこえる光パワーを供給することを特徴とする請求項３に記載のレーザシステム。
5. 前記２つのファイバレーザ源の内の少なくとも１つが波長可変であることを特徴とする請求項２に記載のレーザシステム。
6. 前記光源がパルス光源であり、前記周波数変換器に供給される前記光がパルス光であることを特徴とする請求項２に記載のレーザシステム。
7. 前記パルス光源が、０.０１〜１００ｎｓのパルス幅及び１：２〜１：１００００００のデューティサイクルを有することを特徴とする請求項６に記載のレーザシステム。
8. 前記パルス光源が主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）であることを特徴とする請求項７に記載のレーザシステム。
9. 前記２つのレーザ源の内の一方がＹｂドープファイバレーザまたはＹｂドープファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
10. 前記前記２つのレーザ源の内の他方が、（ｉ）ＮｄドープファイバレーザまたはＮｄドープファイバ増幅器であるか、あるいは（ii）Ｅｒドープファイバレーザであることを特徴とする請求項９に記載のレーザシステム。
11. 前記周波数変換器に２つの同期出力波長を供給するように、前記少なくとも２つのレーザ源が並列構成で配置されることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
12. 前記パルス光源が原波長同調のための波長可変レーザであり、前記原波長同調が前記終出力波長の微調を与えることを特徴とする請求項６に記載のレーザシステム。
13. 前記周波数変換器が有する変換結晶は４個以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザシステム。
14. ピークパルスパワーを高め、設定するために前記パルス光を増幅するための高パワー光ファイバ増幅器をさらに備え、前記高パワー光増幅器が、イッテルビウム、エルビウム及びツリウムからなる群から選ばれる少なくとも１つの希土類ドーパント種がドープされた光ファイバを有することを特徴とする請求項８に記載のレーザシステム。

Images