JP2011059324A - 波長変換装置、レーザ装置及び波長変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】潮解性を有する波長変換光学素子による波長変換を、簡便な構成により高い変換効率で長期安定して行うことが可能な構成の波長変換装置、レーザ装置、及び波長変換方法を提供する。
【解決手段】波長変換装置は、潮解性を有する波長変換光学素子を加熱するヒータ５２と、波長変換光学素子の温度を検出する温度センサ５３と、温度センサ５３による検出温度に基づいてヒータ５２の駆動を制御して、波長変換光学素子の温度が所定温度範囲内に維持されるように調節する温度制御部８２と、波長変換光学素子の受光位置を所定量シフトさせるシフト機構とを備え、波長変換光学素子の受光位置をシフトさせたときに、温度制御部８２が、波長変換光学素子の温度を所定温度範囲内において波長変換されたレーザ光の出力強度が最大となる最適温度となるように、ヒータ５２の駆動を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、潮解性を有する波長変換光学素子を用いて、入力される基本波レーザ光を波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換装置、レーザ装置、及び波長変換方法に関する。

上記のような波長変換装置を備えて紫外光を出力するレーザ装置は、例えば、半導体デバイスに微細構造を形成する露光装置や、微細構造を観察する各種光学式検査装置、眼科治療等に用いるレーザ治療装置などの光源として用いられており、例えば、半導体レーザにより生成され光増幅器により増幅された赤外波長領域のレーザ光を、複数の波長変換素子を備える波長変換装置において順次波長変換し、最終的にＡｒＦエキシマレーザの発振波長と同じ波長λ＝１９３ｎｍの紫外光として出力する構成が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

波長変換装置の構成、具体的には波長変換装置に用いる波長変換光学素子の種別や組み合わせには種々の形態があるが、波長変換光学素子として主に用いられる非線形光学結晶は角度依存性を有しており、波長変換を高い効率で行なうためには、この波長変換光学素子に入射するレーザ光の入射角を厳密に調節して位相整合をとる必要がある（例えば、特許文献２を参照）。この角度位相整合においては、波長変換光学素子の光軸に対して、所定の許容角度内で最も変換効率が高くなる角度（位相整合角）でレーザ光を入射させることにより、所望の位相整合条件を満足させることができる。

また、波長変換光学素子として、ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀（ＣＬＢＯ）結晶のような潮解性を有する非線形光学結晶を用いる場合には、大気中に含まれる水分吸収を防止する必要があり、例えば窒素ガス等の不活性気体が封入されたケース内において１５０℃程度に加熱した昇温状態に保持することが求められる（例えば、特許文献３を参照）。そのため、このような波長変換光学素子を用いる波長変換装置では、昇温状態で使用される波長変換光学素子を加熱するヒータや素子温度を検出する温度センサ等が設けられ、常時所定温度範囲内に加熱された状態で保持されるように構成される。

特開２０００−２００７４７号公報 特開２００２−９０７８７号公報 特開２００１−５１３１１号公報

上記のような波長変換光学素子には、入力されるレーザ光の波長やパワーに応じた寿命があり、波長変換光学素子を同じ受光位置で長時間使用し続けると結晶がダメージを受けて波長変換効率が低下するおそれがある。そのため、高品質の紫外光出力を安定的に得るためには、使用限界となる所定時間ごとに波長変換光学素子におけるレーザ光の受光位置をシフトさせて、定期的に結晶内での光の通過経路を変更することが必要である。

ここで、位相整合条件は波長変換光学素子の持つ屈折率に応じた固有のものとなっており、この波長変換光学素子における受光位置ごとに屈折率の変化が殆ど無ければ、各々の受光位置で位相整合条件が変わることもない。ところが、上記ＣＬＢＯ結晶のような潮解性を有する波長変換光学素子を用いる場合に、ヒータにより加熱された結晶内で温度分布が生じていると、屈折率の温度依存性が原因で、波長変換光学素子の受光位置ごとに位相整合条件が崩れてしまい（位相整合角が変化してしまい）、受光位置ごとに位相整合条件を復元するための角度調整用のアクチュエータが必要になる。しかしながら、角度調整用のアクチュエータを用いたとしても、潮解性を考慮した略密閉されたケース内に波長変換光学素子が保持される場合、角度調整用の機構自体およびその制御が複雑になるという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、潮解性を有する波長変換光学素子による波長変換を、簡便な構成により高い変換効率で長期安定して行うことが可能な構成の波長変換装置、レーザ装置、及び波長変換方法を提供することを目的とする。

本発明を例示する第１の態様に従えば、潮解性を有する波長変換光学素子を所定温度範囲内に加熱した昇温状態で用いて、入力される基本波レーザ光を波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換装置であって、波長変換光学素子を加熱するヒータと、波長変換光学素子の温度を検出する温度検出部と、温度検出部による検出温度に基づいてヒータの駆動を制御して、波長変換光学素子の温度が所定温度範囲内に維持されるように調節する温度制御部と、波長変換光学素子の受光位置を所定量シフトさせるシフト機構とを備え、波長変換光学素子の受光位置をシフトさせたときに、温度制御部が、波長変換光学素子の温度を所定温度範囲内において波長変換されたレーザ光の出力強度が最大となる最適温度となるように、ヒータの駆動を制御するように構成したことを特徴とする波長変換装置が提供される。なお、上記所定温度範囲は、波長変換光学素子が潮解に至らない温度範囲で設定されていることが好ましい。また、波長変換光学素子を保持するホルダ、ヒータ、及び温度検出部が、不活性気体の充填されたケース内に収容されて素子ユニットが形成され、ケースには、入力されるレーザ光を導入する入射口と、波長変換されたレーザ光を導出する出射口が開口形成されている構成も好ましい態様である。

本発明を例示する第２の態様に従えば、基本波レーザ光を出射するレーザ光発生部と、上記構成の波長変換装置とを備え、レーザ光発生部から出射された基本波レーザ光が波長変換装置により高調波レーザ光に変換されて出力されるように構成したことを特徴とするレーザ装置が提供される。なお、レーザ光発生部から発生される基本波レーザ光を光増幅して波長変換装置に出力する光増幅器を更に備えた構成も好ましい態様である。

本発明を例示する第３の態様に従えば、潮解性を有する波長変換光学素子を所定温度範囲内に加熱した昇温状態で用いて、入力される基本波レーザ光を波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換方法であって、波長変換素子の受光位置をシフトさせるステップと、受光位置がシフトされるたびに、所定温度範囲内において波長変換光学素子により波長変換されたレーザ光の出力強度が最大となる波長変換光学素子の最適温度を算出するステップと、波長変換光学素子が最適温度に維持されるようにヒータの駆動を制御するステップとを有して構成したことを特徴とする波長変換方法が提供される。

本発明によれば、簡便な構成により、潮解性を有する波長変換光学素子による波長変換を常に高い効率で安定して行うことが可能になる。したがって、レーザ光の出力強度の経時変化を抑えて長時間に亘って安定的に使用可能な波長変換装置、レーザ装置、及び波長変換方法を提供することができる。

本発明の適用例として示す第１の実施形態に係るレーザ装置の概要構成図である。 上記レーザ装置におけるレーザヘッドの概要構成図である。 上記レーザ装置における波長変換部の概要構成図である。 上記レーザ装置における結晶ユニットの正断面図である。 上記レーザ装置における制御ユニットの概要ブロック図である。 上記レーザ装置における波長変換方法を示すフローチャートである。 上記レーザ装置における潮解性を有する波長変換光学素子の結晶温度に対する出力強度の変動を示すグラフである。 第２の実施形態に係るレーザ装置の概要構成図である。 第２の実施形態の制御ユニットの概要ブロック図である。 第３の実施形態に係るレーザ装置の概要構成図である。 第３の実施形態の制御ユニットの概要ブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明を適用した波長変換装置を備えたレーザ装置の代表例として、レクチルのパターンを基板に転写する露光装置の光源装置として用いられる、第１の実施形態に係るレーザ装置１の概略構成を図１に示すとともに、このレーザ装置１におけるレーザヘッド２の概要構成を図２に示しており、まず始めに、これらの図面を参照しながらレーザ装置１について概要説明する。

レーザ装置１は、この装置を光源装置として利用するレーザシステムへの適用上の便宜から、紫外光を出力する出力機能を有しレーザシステムへの組み込みを容易化した小型箱状のレーザヘッド２と、レーザヘッド２の制御機能を備えレーザヘッド２と別置される筐体状の制御ラック３とからなり、レーザヘッド２と制御ラック３とが、種々の電気ケーブルや、励起光伝送用の光ファイバ、パージガス供給用ガスチューブ、冷却水配管等のインターフェース４により相互接続されて構成される。

レーザヘッド２は、赤外〜可視領域の基本波レーザ光を出射するレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０から出射された基本波レーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部２０とを備え、その出力端から紫外光が出力されるように構成される。

レーザ光発生部１０は、種光となるレーザ光（シード光）Ｌｓを発生するレーザ光源１１と、レーザ光源１１により発生されたシード光Ｌｓを増幅する光増幅器１２，１３とを備えて構成される。レーザ光源１１及び光増幅器１２，１３は、このレーザ装置１を用いるレーザシステムの用途及び機能に応じ、適宜な発振波長、増幅率のものが用いられる。このようなレーザ光源１１として、波長λ＝１．５４７［μｍ］の単一波長のレーザ光を発生する分布帰還半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）を用い、第１段目の光増幅器１２として半導体レーザ励起のエルビウム（Ｅｒ）・ドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）、第２段目の光増幅器１３として、ラマン・レーザ励起のＥＤＦＡを用いた構成が例示される。

波長変換部２０は、レーザ光発生部１０から出射されたレーザ光（光増幅器１２，１３により増幅された基本波レーザ光）Ｌｒを、所定波長の紫外光に波長変換する。レーザ装置１においては、レーザ光発生部１０から出射された波長λ＝１．５４７［μｍ］の基本波レーザ光を、複数の波長変換光学素子によって順次波長変換し、最終的に基本波の８倍波（第８次高調波）でＡｒＦエキシマレーザと同一波長である波長λ＝１９３［ｎｍ］の紫外光を出力する。

このように、赤外領域（あるいは可視領域）の基本波レーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部の構成（波長変換光学素子の種別や組み合わせ）には、種々の公知の形態がある。本発明はヒータにより所定温度に加熱された昇温状態で使用される潮解性を持つ波長変換光学素子を含むものであればいずれの形態の波長変換部にも適用可能である。本実施形態では、波長変換部の一例として、レーザ光発生部１０において、１つのレーザ光源１１から出射された基本波レーザ光を３つに分岐して各々２段の光増幅器１２，１３により増幅し、増幅された３つの基本波レーザ光Ｌｒ（Ｌｒ₁，Ｌｒ₂，Ｌｒ₃）を波長変換部２０に入射させて、基本波、２倍波（λ＝７７４［ｎｍ］）及び５倍波（λ＝３０９［ｎｍ］）を生成し、これらの和周波発生により７倍波（λ＝２２１［ｎｍ］）、８倍波（λ＝１９３［ｎｍ］）を発生させる構成例を図３に示しており、この７倍波生成用の波長変換光学素子、および８倍波生成用の波長変換光学素子に、潮解性を有するＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ₆Ｏ₁₀）結晶を用いた波長変換部の構成について説明する。

まず、Ｐ偏光で入射される第１の基本波レーザ光Ｌｒ₁は、レンズ３１により波長変換光学素子２１に集光入射され、第２高調波発生（ＳＨＧ）により周波数が基本波（ω）の２倍（２ω）、波長λが半分の２倍波を発生させる。波長変換光学素子２１により発生されたＰ偏光の２倍波、及び波長変換光学素子２１を透過したＰ偏光の基本波は、レンズ３２により波長変換光学素子２２に集光入射され、和周波発生（ω＋２ω）により周波数が基本波の３倍（３ω）の倍波を発生させる。これらの波長変換光学素子２１，２２は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子２１としてＰＰＬＮ結晶、３倍波発生用の波長変換光学素子２２としてＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子２１として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。

波長変換光学素子２２により発生されたＳ偏光の３倍波と、波長変換光学素子２２を透過したＰ偏光の基本波及び２倍波は、２波長波長板４１を透過させて２倍波だけをＳ偏光に変換する。２波長波長板４１として、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板４１は、一方の波長の光（２倍波）に対して偏光を回転させ、他方の波長の光に対しては、偏光が回転しないように、波長板（結晶）の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。

ともにＳ偏光になった２倍波及び３倍波は、レンズ３３により波長変換光学素子２３に集光入射され、和周波発生（２ω＋３ω）により５倍波（５ω）を発生させる。波長変換光学素子２３からは、この波長変換光学素子２３により発生されたＰ偏光の５倍波と、波長変換光学素子２３を透過したＳ偏光の２倍波及び３倍波、並びにＰ偏光の基本波が出射される。なお、５倍波を発生させる波長変換光学素子２３として、例えばＬＢＯ結晶が用いられるが、ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶を用いることも可能である。ここで、波長変換光学素子２３から出射される５倍波は、ウォークオフのため断面が楕円形になっている。そこで、２枚のシリンドリカルレンズ３４ｖ，３４ｈにより、楕円形の断面形状を円形に整形し、ダイクロイックミラー４４に入射させる。

一方、Ｐ偏光で入射される第２の基本波レーザ光Ｌｒ2は、レンズ３５により波長変換光学素子２４に集光入射され、第２高調波発生により２倍波を発生させる。波長変換光学素子２４からは、この波長変換光学素子２４により発生されたＰ偏光の２倍波と基本波が出射され、レンズ３６，３７を介してダイクロイックミラー４５に入射される。なお、波長変換光学素子２４として、ＰＰＬＮ結晶を用いることができるほか、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＳＬＴ結晶、ＬＢＯ結晶等を用いてもよい。

また、Ｓ偏光で入射される第３の基本波レーザ光Ｌｒ₃は、レンズ３８を介してダイクロイックミラー４５に入射させる。ダイクロイックミラー４５は、基本波の波長帯域の光を透過し、２倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー４５に入射するＳ偏光の基本波と、波長変換光学素子２４により発生されたＰ偏光の２倍波とが同軸上に合成される。

合成したＳ偏光の基本波及びＰ偏光の２倍波は、ダイクロイックミラー４４に入射させる。ダイクロイックミラー４４は、基本波及び２倍波の波長帯域の光を透過し、５倍波の波長帯域の光を反射するように構成されており、このダイクロイックミラー４４に入射したＳ偏光の基本波及びＰ偏光の２倍波と、波長変換光学素子２３により発生されたＰ偏光の５倍波とが同軸上に合成される。

このように同軸上に合成したＳ偏光の基本波、Ｐ偏光の２倍波、Ｐ偏光の５倍波を、波長変換光学素子２５に入射させる。ここで、基本波、２倍波、５倍波の各光路には各々レンズ（３４ｖ，３４ｈ，３６，３７，３８）が設けられており、同軸上に合成された各波長の光が波長変換光学素子２５に集光入射するようになっている。波長変換光学素子２５では、Ｐ偏光の２倍波とＰ偏光の５倍波による和周波発生（２ω＋５ω）が行われ７倍波（７ω）が発生される。波長変換光学素子２５からは、この波長変換光学素子２５により発生されたＳ偏光の７倍波とともに、波長変換光学素子２３を透過した上記各波長の光が出射される。７倍波を発生させる波長変換光学素子２５として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。

これらの光は、波長変換光学素子２６に入射し、ここでＳ偏光の基本波とＳ偏光の７倍波が和周波発生（ω＋７ω）により合成され、Ｐ偏光の８倍波（８ω）が発生される。８倍波を発生させる波長変換光学素子２６として、ＣＬＢＯ結晶が用いられる。なお、波長変換光学素子２６からは、この波長変換光学素子２６により発生された８倍波以外に、波長変換光学素子２６を透過した基本波、２倍波等の他の波長成分の光が出射されるが、波長変換部２０（レーザ装置１）から８倍波のみを出力させる場合には、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズムを使用することにより、これらを分離すればよい。

また、波長変換部２０において、波長変換光学素子２６から出射される８倍波は、ビームスプリッタ４６によってその一部が反射され、レーザ装置１による紫外レーザ光（１９３［ｎｍ］）の出力強度をモニタリングするための光検出器４７に導かれる。光検出器４７は、受光した８倍波の出力強度を検出し、その検出信号を制御ラック３に出力する。

このように構成される波長変換部２０にあって、７倍波発生用の波長変換光学素子２５、および８倍波発生用の波長変換光学素子２６は、いずれもＣＬＢＯ結晶であり潮解性を有している。そのため、これらの波長変換光学素子２５，２６については、窒素ガス等の不活性気体で満たされたケース内において、ヒータで予め設定された所定温度範囲（例えば、１５０±１０℃の温度範囲を例示する）に加熱した昇温状態に保持する必要がある。また、これら波長変換光学素子２５，２６は長時間の使用によってダメージを受けやすく（特にＣＬＢＯ結晶は傷みやすく）、波長変換効率を低下させるおそれがあるため、使用限界となる所定時間の経過に伴って定期的に波長変換光学素子２５，２６におけるレーザ光の受光位置を変更して（シフトさせて）、これら結晶内での光の通過経路を変更させる必要がある。そのため、波長変換部２０では、このような所定温度範囲内での昇温状態を安定的に保持するとともに、定期的にレーザ光の受光位置を変えるため、波長変換光学素子２５，２６を昇温且つ移動自在に保持する結晶ユニット５０が形成されている。

それでは、結晶ユニット５０の構成について図４を追加参照しながら説明する。なお、以降の図４に関する説明では、紙面の上下左右方向をそのまま上下左右方向と称し、紙面に対して垂直な方向を前後方向と称する。光は前後方向に進行し、光軸は前後方向に延びるように設定されている。よって、この図４は、結晶ユニット５０をその光軸に対して直交する面内で切断した場合の断面図を示している。

結晶ユニット５０は、波長変換光学素子２５，２６（以降、これらを総称して波長変換光学素子２７と称する）を保持する結晶ホルダ５１と、結晶ホルダ５１を光軸と直交する二軸方向（上下および左右方向）に移動させるシフト機構６０と、これらを収容する矩形箱状のユニットケース７０とを備えて構成されており、波長変換光学素子２７が波長変換部２０の光軸上において入射角が位相整合角（位相整合条件を満足する入射角）となるように位置決めされた状態で配設されるようになっている。

結晶ホルダ５１は、金属材料を用いて略直方体状に形成されており、波長変換光学素子２７におけるレーザ光の入射面及び出射面を除く外周全体を埋設した状態で、この波長変換光学素子２７を装着している。この結晶ホルダ５１には、波長変換光学素子２７を加熱するヒータ５２、及び波長変換光学素子２７の温度を検出する温度センサ５３が設けられており、制御ラック３内に設けられた後述の制御ユニット８０により、波長変換光学素子２７が予め設定された１５０℃程度の上記所定温度範囲内に保持されるようになっている。

シフト機構６０は、水平な基台６１と、この基台６１上に水平方向（Ｘ方向）に延びて設けられたレール（図示せず）上をＸ方向に移動自在に設けられた第１ステージ６２と、この第１ステージ６２から垂直方向（Ｚ方向）に延びるように設けられた垂直フレーム６３と、この垂直フレーム６３に沿ってＺ方向に移動自在に設けられた第２ステージ６４と、第２ステージ６４に固定された正面視Ｌ字状の支持フレーム６５とを有して構成される。

第１ステージ６２内には第１電動モータＭ１が設けられており、これを制御ユニット８０から入力される駆動信号に基づき回転駆動することにより、第１ステージ６２を上記レールに沿ってＸ方向に移動させることができる。また、第２ステージ６４内には第２電動モータＭ２が設けられており、これを制御ユニット８０から入力される駆動信号に基づき回転駆動することにより、第２ステージ６４を垂直フレームに沿ってＺ方向に移動させることができる。このため、上記電動モータＭ１，Ｍ２の回転動作を組み合わせることにより、支持フレーム６５を介してシフト機構６０に取り付けられた結晶ホルダ５１を光軸に直交する２軸方向（上下及び左右方向）において任意の位置に移動させることが可能である。

また、シフト機構６０には、結晶ホルダ５１（波長変換光学素子２７）の座標を検出しその座標値を表す信号を制御ユニット８０に出力する位置検出部６６（図５を参照）が設けられている。位置検出部６６は、結晶ホルダ５１（波長変換光学素子２７）のＸ軸及びＺ軸方向の位置をそれぞれ検出するＸ軸用エンコーダ、及びＺ軸用エンコーダなどから構成される。

ユニットケース７０には、その前面側に結晶ユニット５０の内部へレーザ光（同軸上に合成された基本波、２倍波、５倍波）を導入するための入射口７１（図３を参照）、後面側に波長変換光学素子２７により波長変換された紫外レーザ光Ｌｖを導出するための出射口７２（図３を参照）が設けられている。

ユニットケース７０の上部には、波長変換光学素子２７を加熱するヒータ５２や結晶温度を検出する温度センサ５３、電動モータＭ１，Ｍ２等に制御信号を入出力するための電気コネクタ７３が設けられるとともに、大気との接触を遮断して波長変換光学素子２７を常に乾燥状態に維持するためのガスコネクタ７４が設けられている。レーザヘッド２には、電気コネクタ７３と嵌脱自在なコネクタを有する電気ケーブル７５、およびガスコネクタ７４と嵌脱自在なコネクタを有するガスチューブ７６が設けられ、インターフェース４を通る電気ケーブル７５及びガスチューブ７６を介して上記制御信号等、及びＮ₂ガスが制御ラック３側から供給されるようになっている。

制御ラック３には、レーザ装置１を構成する各部の作動を統括的に制御してレーザヘッド２による紫外レーザ光Ｌｖの出射を制御する制御ユニット８０、ガスコネクタ７４により接続される上記結晶ユニット５０の他、レーザ装置１の各部にＮ₂ガスを供給するガス供給部９０、光増幅器１２，１３を励起する励起光源部（不図示）などが設けられる（図１を参照）。

このような構成において、波長変換光学素子２７は上述したように入射角が位相整合角となるように波長変換部２０の光軸上に設置されるが、ヒータ５２による加熱によって結晶内に温度分布が生じていると、屈折率の温度依存性のために、レーザ光の受光位置の変更（シフト）に伴ってそれまで維持されていた位相整合条件がくずれて（位相整合角がずれて）、この波長変換光学素子２７におけるレーザ光の波長変換効率が低下するという問題がある。このとき、受光位置をシフトするたびに波長変換光学素子２７の角度（レーザ光軸と結晶の光学軸とのなす角度）を調節して角度位相整合をとる構成では、角度調節用のアクチュエータが必要になりレーザ装置全体が大型化するとともに、潮解性を考慮したケース内に角度調節用のアクチュエータを設ける場合には、角度変換用の機構自体及びその制御が複雑になるという問題がある。

そこで、レーザ装置１の制御ユニット８０では、波長変換光学素子２７の受光位置をシフトしたときに、波長変換光学素子２７内の温度分布による屈折率変化に伴って位相整合条件が崩れてしまう場合でも、角度調整用のアクチュエータを用いて角度位相整合を行うのではなく、波長変換光学素子２７の温度を、潮解による劣化防止等の観点より設定された所定温度範囲を逸脱しない温度範囲内において、その波長変換効率が最大となる位相整合条件に合致させるための最適温度に設定する温度制御機能を有している。

この制御ユニット８０の概要構成を示すブロック図を図５に示している。制御ユニット８０は、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リード・オン・メモリ）、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）等からなる所謂マイクロコンピュータを有して構成されており、シフト機構６０（各ステージ６２，６４の電動モータＭ１，Ｍ２）の駆動を制御して波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置をシフトさせる駆動制御部８１と、波長変換光学素子２７が位相整合条件を満足する所定の最適温度となるようにヒータ５２の駆動を制御する温度制御部８２とを備えている。

駆動制御部８１には、制御部内のメモリに波長変換光学素子２７における各受光位置の推奨シフト時間などが予め設定されるとともに、現在使用中の受光位置において波長変換に用いられた使用時間がレーザ装置１の稼動に伴って順次積算されて記憶されている。駆動制御部８１は、受光位置の使用時間が推奨シフト時間に達しようとしている場合に、シフト機構６０の各ステージ６２，６４を駆動制御して、結晶ホルダ５１を予め設定されたシフト量だけ移動させ、レーザ光の受光位置をシフトさせる。また、駆動制御部８１は、各ステージ６２，６４内の位置検出部（リニアエンコーダ）６６からの検出信号に基づき、波長変換光学素子２７の位置（レーザ光の受光位置）を検出する。

温度制御部８２は、所定時間の経過に伴って波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置がシフトされるたびに、ヒータ駆動により波長変換光学素子２７の温度（温度センサ５３による検出温度）を所定の温度範囲内において変化させつつ光検出器４７によりレーザ光の出力強度をモニタリングし、光検出器４７の出力値が最大を示す検出温度（最適温度）を見つけ出して、波長変換光学素子２７が当該最適温度に維持されるようにヒータ５２への通電を制御（フィードバック制御）する。

このように温度制御部８２は、波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置が変更されるたびに、波長変換光学素子２７の温度分布に起因する屈折率変化に伴って位相整合条件が満足されなくなる場合であっても、当該受光位置において位相整合条件を復元するため、受光位置によらずレーザ光の出力強度が常に最大となるように波長変換光学素子２７の温度制御を行う。

なお、レーザ装置１が備える波長変換装置とは、波長変換部２０および制御ユニット８０等からなる装置を意味する。

次に、このように構成される波長変換装置、及びこれを備えたレーザ装置１における波長変換方法について、図６に示すフローチャートを追加参照して説明する。

ステップＳ１０１において、制御ユニット８０の駆動制御部８１は、波長変換光学素子２７における現在使用中の受光位置について波長変換に用いられた実使用時間が予め定められた推奨シフト時間（例えば１０時間）に達すると、シフト機構６０のステージ６２，６４を駆動させることにより、波長変換光学素子２７を所定シフト量だけ移動させ、この波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置を変更する。ここで、所定シフト量としては、例えば、ビーム直径と同じ値の１００［μｍ］が例示される。

ステップＳ１０２では、温度制御部８２は、ＳＳＲ（ソリッド・ステート・リレー）等を介してヒータ５２を駆動制御して、温度センサ５３による波長変換光学素子２７の検出温度を所定温度範囲内で変化させてモニタリングするとともに、光検出器４７により各検出温度に対応したレーザ光の出力強度をモニタリングし、当該受光位置における波長変換光学素子２７の結晶温度とレーザ光の出力強度との関係を取得する。なお、上述においても例示したように、所定温度範囲としては、潮解による劣化防止等の観点から結晶表面に吸着する水分を放出可能な温度範囲（例えば、設定温度１５０℃に対して±１０℃となる１４０℃〜１６０℃）が例示され、これにより、波長変換光学素子２７を安定的に保持できる低除湿環境下において位相整合を調節することができる。

ステップＳ１０３において、温度制御部８２は、上記所定温度範囲内において光検出器４７によって検出されるレーザ光の出力強度が最大（極大）となる最適温度を求める。ここで、前のステップＳ１０２で取得される、波長変換光学素子２７の結晶温度（相対値）とレーザ光の出力強度（相対値）との関係を図７に示しており、このステップＳ１０３では、レーザ光の出力強度がピーク（極大）となって現れるときの最適温度を求めることができる。なお、この最適温度は、波長変換光学素子２７に生じる温度分布によって、隣接する受光位置において同一の温度として求められるときと、異なる温度として求められるときとがある。

ステップＳ１０４では、温度制御部８２は、波長変換光学素子２７の結晶温度を上記ステップＳ１０３において求めた（レーザ光の出力強度が最大となる）最適温度に調節する。具体的には、温度制御部８２は、ステップＳ１０３で求めた最適温度と、温度センサ５３からの検出温度（実温度）とに基づいて温度偏差（温度偏差＝最適温度−検出温度）を計算し、この温度偏差に応じた駆動信号を出力して、波長変換光学素子２７が最適温度になるように（最適温度で維持されるように）、ヒータ５２への通電をオン／オフ切り換えてフィードバック制御を行う。これにより、波長変換光学素子２７がレーザ光の出力強度最大となる最適温度に維持される。

ステップＳ１０５において、駆動制御部８１は、推奨シフト時間から、現在使用中の波長変換光学素子２７における受光位置の実使用時間を減算して残余の使用可能時間を求め、使用可能時間が０となり実使用時間が推奨シフト時間（使用可能時間）に到達した時点で、シフト機構６０のステージ６２，６４を駆動させて、波長変換光学素子２７の受光位置を次の受光位置へシフトさせ、先のステップＳ１０２〜Ｓ１０４で述べた、温度制御による位相整合を再び実行する。

一方、ステップＳ１０６において、実使用時間の満了に伴い、波長変換光学素子２７における全ての受光位置の使用が完了した場合（所定回数の受光位置のシフトが完了した場合）には、波長変換光学素子２７を新品に交換する。

以上、このように構成される波長変換装置、及びレーザ装置１によれば、潮解性を有する波長変換光学素子２７において設定時間ごとにレーザ光の受光位置を順次シフトしていく場合に、波長変換光学素子２７を、その受光位置において出力強度が最大となる最適温度に維持されるように温度制御することにより、潮解性を有する結晶表面への水分の吸着を防止しながら常に位相整合条件が満足された高出力の紫外光を安定して供給することが可能になる。また、この構成において、潮解による劣化防止等の観点から設けられた温度制御のためのヒータ及び温度センサを位相整合の調節に利用するため、角度チューニング用の高価なアクチュエータや複雑な制御を必要としない簡便な構成で位相整合の調節を実現することができ、コストの低下とともに装置全体を小型化することができる。

次に、第２の実施形態に係る波長変換装置を備えたレーザ装置について説明する。第２の実施形態のレーザ装置１０１の概要構成図を図８に示すとともに、このレーザ装置１０１における制御ユニット１８０の概要ブロック図を図９に示している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一の構成要素は同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

レーザ装置１０１は、紫外光を出力する出力機能を有しレーザシステムへの組み込みを容易化した小型箱状のレーザヘッド２と、レーザヘッド２の制御機能を備えレーザヘッド２と別置される筐体状の制御ラック１０３とからなり、レーザヘッド２と制御ラック１０３とが、インターフェース４により相互接続されて構成される。

制御ラック１０３には、レーザ装置１０１を構成する各部の作動を統括的に制御してレーザヘッド２による紫外レーザ光Ｌｖの出射を制御する制御ユニット１８０、ガスコネクタ７４により接続される結晶ユニット５０の他、レーザ装置１０１の各部にＮ₂ガスを供給するガス供給部９０などが設けられる。

制御ユニット１８０は、シフト機構６０（各ステージ６２，６４の電動モータＭ１，Ｍ２）の駆動を制御して波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置をシフトさせる駆動制御部８１と、波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置ごとの最適温度を記憶するデータ記憶部１８３と、波長変換光学素子２７が位相整合条件を満足する所定の最適温度となるようにヒータ５２の駆動を制御する温度制御部１８２とを備えている。

データ記憶部１８３には、波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置ごとに最適温度（レーザ光の出力強度が最大となるときの温度センサ５３の検出温度）を事前に測定して得られた測定結果に基づいて、各受光位置に対応する最適温度をマッピングして生成されたマッピングデータが格納されている。

温度制御部１８２は、所定時間の経過にあたって波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置がシフトされるたびに、データ記憶部１８３内のマッピングデータを読み込み、波長変換光学素子２７がマッピングデータに予め設定された当該受光位置に応じた最適温度になるようにヒータ５２への通電を制御する。なお、温度制御部１８２は、位置検出部６６からの検出情報に基づいて、波長変換光学素子２７における現在の受光位置の座標値を認識し、マッピングデータからこの座標値に応じた最適温度を読み込むことで、当該受光位置での最適温度の値を取得している。

なお、レーザ装置１０１が備える波長変換装置とは、波長変換部２０および制御ユニット１８０等からなる装置を意味する。

このような第２の実施形態に係る波長変換装置、およびレーザ装置１０１によれば、潮解による劣化防止等の観点から設けられた温度制御のためのヒータ及び温度センサを位相整合の調節に利用した簡便な構成により、潮解性を持つ結晶表面への水分の吸着を防止しながら常に位相整合条件が満足された高出力の紫外光を安定して供給することが可能になる。また、予め生成されたマッピングデータに基づいて波長変換光学素子２７の温度を調節する構成であるため、受光位置をシフトさせてから、波長変換光学素子２７を次の受光位置での最適温度に調節するまでに要する時間が短縮され、レーザ装置１０１の稼働率を向上させることが可能になる。

続いて、第３の実施形態に係る波長変換装置を備えたレーザ装置について説明する。第３の実施形態のレーザ装置２０１の概要構成図を図１０に示すとともに、このレーザ装置２０１における制御ユニット２８０の概要ブロック図を図１１に示している。なお、この実施形態においては、第１の実施形態と同一の構成要素は同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

レーザ装置２０１は、紫外光を出力する出力機能を有しレーザシステムへの組み込みを容易化した小型箱状のレーザヘッド２と、レーザヘッド２の制御機能を備えレーザヘッド２と別置される筐体状の制御ラック２０３とからなり、レーザヘッド２と制御ラック２０３とが、インターフェース４により相互接続されて構成される。

制御ラック２０３には、レーザ装置２０１を構成する各部の作動を統括的に制御してレーザヘッド２による紫外レーザ光Ｌｖの出射を制御する制御ユニット２８０、ガスコネクタ７４により接続される結晶ユニット５０の他、レーザ装置２０１の各部にＮ₂ガスを供給するガス供給部９０などが設けられる。

制御ユニット２８０は、シフト機構６０（各ステージ６２，６４の電動モータＭ１，Ｍ２）の駆動を制御して波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置をシフトさせる駆動制御部８１と、所定温度範囲内における波長変換光学素子２７の結晶温度とレーザ光の出力強度との関係を記憶するデータ記憶部２８３と、データ記憶部２８３に記憶された結晶温度と出力強度との関係に基づいて、波長変換光学素子２７が位相整合条件を満足する所定の最適温度となるようにヒータ５２の駆動を制御する温度制御部２８２とを備えている。

データ記憶部２８３には、予め測定された実験結果に基づいて、波長変換光学素子２７における各々の受光位置での、波長変換光学素子２７の結晶温度（温度センサ５３による検出温度）とレーザ光の出力強度との関係を示すデータテーブル（図７に対応したテーブル）が記憶されている。

温度制御部２８２は、所定時間の経過にあたって波長変換光学素子２７におけるレーザ光の受光位置がシフトされたときに、光検出器４７によりレーザ光の出力強度が低下していることが検出された場合、出力強度の低下分（出力強度の最大値−現在の出力強度）を算出し、データテーブルからその出力強度の低下分を補う温度補正値を読み取ることで、現在の温度をその温度補正値だけ昇温または降温させて、波長変換光学素子２７が最適温度になるようにヒータへの通電を制御する。ここで、このときの波長変換光学素子２７の温度制御の方向（昇温または降温する方向）については、受光位置のシフト前後における温度変化によって予め温度勾配が分かっているので、その勾配に応じた方向に上記温度補正値だけ温度を変化させればよい。また、予め波長変換光学素子２７の温度を昇温側および降温側のいずれかの方向に微小温度だけ変化させて、光検出器４７により検出されるレーザ光の出力強度が増大する方向に温度を変化させてもよい。なお、温度制御部２８２は、位置検出部６６からの検出情報に基づいて、波長変換光学素子２７における現在の受光位置の座標値を認識し、データテーブルからこの座標値に応じた結晶温度と出力強度の関係を読み込んで、出力強度の低下分を補うための温度補正値を算出している。

なお、レーザ装置２０１が備える波長変換装置とは、波長変換部２０および制御ユニット２８０等からなる装置を意味する。

このような第３の実施形態に係る波長変換装置、およびレーザ装置２０１によれば、潮解による劣化防止等の観点から設けられた温度制御のためのヒータ及び温度センサを位相整合の調節に利用する簡便な構成により、潮解性を持つ結晶表面への水分の吸着を防止しながら常に位相整合条件が満足された高出力の紫外光を安定して供給することが可能になる。また、出力強度の低下分に応じた温度補正値に基づいてヒータの駆動を制御する構成であるため、受光位置をシフトさせてから、波長変換光学素子２７を次の受光位置での最適温度に調節するまでに要する時間が短縮され、レーザ装置２０１の稼働率を向上させることが可能になる。

以上、上述した第１から第３の実施形態によれば、潮解による劣化防止等の観点から設けられた温度制御のためのヒータ及び温度センサを位相整合の調節に利用する簡便な構成により、潮解性を有する波長変換光学素子２７による波長変換を常に高い効率で安定して行うことが可能になる。したがって、レーザ光の出力強度の経時変化を抑えて長時間に亘って安定的に使用可能な波長変換装置、およびこれを備えたレーザ装置１を提供することができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、潮解性を有する波長変換光学素子として、７倍波および８倍波生成用のＣＬＢＯ結晶からなる波長変換光学素子２７（２５，２６）を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、ＣＬＢＯ結晶以外の潮解性を有する光学結晶として、３倍波生成用のＬＢＯ結晶からなる波長変換光学素子２２や、５倍波生成用のＬＢＯ結晶からなる波長変換光学素子２３、その他ＢＢＯ結晶、ＣＢＯ結晶などに本発明を適用してもよい。また、７倍波および８倍波を生成する光学結晶として、ＣＬＢＯ結晶以外の他の光学結晶を用いてもよい。

また、上述の実施形態では、波長変換光学素子２５，２６（図３において二点鎖線で囲み符号５０で示す部分）を一つの単位として結晶ユニットを構成する形態を例示したが、これに限定されるものではなく、各波長変換光学素子２５，２６を各々一つの単位として結晶ユニットを構成し、あるいは波長変換光学素子２５，２６を含む波長変換部２０全体を一つの単位として結晶ユニットを構成してもよい。また、上述の実施形態では、レーザ光の受光位置をシフトさせる毎に波長変換光学素子２５，２６の温度測定を行なったが、複数回のシフト毎に温度測定を行なってもよい。

また、上述の実施形態では、レーザ光発生部１０において、レーザ光源１１により発生されたレーザ光（シード光）Ｌｓを、直列接続した２段の光増幅器１２，１３によって増幅し、増幅されたレーザ光Ｌｒを波長変換部２０に入射させる構成を例示したが、レーザ光源１１の出力や増幅率に応じて光増幅器を１段もしくは３段以上とし、または光増幅器を設けることなく波長変換部２０に直接入射させるように構成してもよく、波長変換部２０の構成に応じて、レーザ光源１１から出射されるレーザ光を複数に分割し並列に設けた複数の光増幅器で増幅することなく、単列の光増幅器で構成してもよい。また、説明簡略化のため記載を省略したが、レーザ光源１１と光増幅器１２との間、光増幅器１２と波長変換部２０との間に、光パルスを切り出すＥＯＭ等の光変調器や、単色光を高める狭帯域フィルタ等が適宜設けられる。

また、光源装置１からの紫外光Ｌｖの波長は１９３ｎｍに限定されるものではなく、ＫｒＦエキシマレーザやＦ_２レーザ等と同様の波長帯域であってもよい。さらに、本発明による光源装置の適用例としては露光装置に限らず、各種の光学式検査装置や、レーザ治療装置など、他の種々の装置においても用いることができる。

１，１０１，２０１ レーザ装置
１０ レーザ光発生部
２０ 波長変換部
２７ 波長変換光学素子
４７ 光検出器
５０ 結晶ユニット
５１ 結晶ホルダ
５２ ヒータ
５３ 温度センサ
６０ シフト機構
７０ ユニットケース
８０，１８０，２８０ 制御ユニット
８２，１８２，２８２ 温度制御部
１８３，２８３ データ記憶部

Claims (9)

1. 潮解性を有する波長変換光学素子を所定温度範囲内に加熱した昇温状態で用いて、入力される基本波レーザ光を波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換装置であって、
   前記波長変換光学素子を加熱するヒータと、
   前記波長変換光学素子の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部による検出温度に基づいて前記ヒータの駆動を制御して、前記波長変換光学素子の温度が前記所定温度範囲内に維持されるように調節する温度制御部と、
   前記波長変換光学素子の受光位置を所定量シフトさせるシフト機構とを備え、
   前記波長変換光学素子の受光位置をシフトさせたときに、前記温度制御部が、前記波長変換光学素子の温度を前記所定温度範囲内において波長変換されたレーザ光の出力強度が最大である最適温度となるように、前記ヒータの駆動を制御するように構成したことを特徴とする波長変換装置。
2. 前記所定温度範囲は、前記波長変換光学素子が潮解に至らない温度範囲で設定されていることを特徴とする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記波長変換光学素子により波長変換されたレーザ光の出力強度を検出する光検出部を更に備え、
   前記波長変換光学素子の受光位置がシフトされるたびに、前記温度制御部が、波長変換光学素子の温度を前記所定温度範囲内で変化させながら、前記光検出部で検出される出力強度をモニタリングし、該波長変換光学系からの出力強度が最大となるときの前記温度検出部の検出温度を前記最適温度として、前記ヒータの駆動を制御するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 前記波長変換光学素子により波長変換されたレーザ光の出力強度を検出する光検出部と、
   前記所定温度範囲内において該波長変換光学装置からの出力強度が最大となるときの前記温度検出部の検出温度を前記最適温度として予め測定された結果に基づいて、前記波長変換光学系における受光位置ごとの前記最適温度をそれぞれマッピングして生成されるマッピングデータとを更に備え、
   前記波長変換光学素子の受光位置がシフトされたときに、前記温度制御部が、前記マッピングデータから該受光位置における前記最適温度を読み出して、前記温度検出部により検出される前記波長変換光学素子の温度が該受光位置における前記最適温度となるように、前記ヒータの駆動を制御するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
5. 前記波長変換光学素子により波長変換されたレーザ光の出力強度を検出する光検出部と、
   前記所定温度範囲内において、前記温度制御部で検出された前記波長変換光学素子の温度と、前記光検出部で検出される前記高調波レーザ光の出力強度との関係を記憶したデータテーブルとを更に備え
   現在の受光位置での出力強度が最大である場合に該受光位置がシフトされたとき、前記温度制御部が、シフト前後におけるレーザ光の出力強度の低下量に基づいて、前記データテーブルから前記低下量を補うための温度補正量を求め、前記温度検出部により検出される前記波長変換光学素子の温度が前記温度補正量だけ変化させた前記最適温度になるように、前記ヒータの駆動を制御するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
6. 前記波長変換光学素子を保持するホルダ、前記ヒータ、及び前記温度検出部が、不活性気体の充填されたケース内に収容されて素子ユニットが形成され、
   前記ケースには、入力されるレーザ光を導入する入射口と、波長変換されたレーザ光を導出する出射口が開口形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長変換装置。
7. 基本波レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の波長変換装置とを備え、
   前記レーザ光発生部から出射された基本波レーザ光が前記波長変換装置により高調波レーザ光に変換されて出力されるように構成したことを特徴とするレーザ装置。
8. 前記レーザ光発生部から発生される基本波レーザ光を光増幅して前記波長変換装置に出力する光増幅器を更に備えて構成したことを特徴とする請求項７に記載のレーザ装置。
9. 潮解性を有する波長変換光学素子を所定温度範囲内に加熱した昇温状態で用いて、入力される基本波レーザ光を波長変換して高調波レーザ光として出力する波長変換方法であって、
   前記波長変換素子の受光位置をシフトさせるステップと、
   前記受光位置がシフトされるたびに、前記所定温度範囲内において前記波長変換光学素子により波長変換されたレーザ光の出力強度が最大となる前記波長変換光学素子の最適温度を算出するステップと、
   前記波長変換光学素子が前記最適温度に維持されるように前記ヒータの駆動を制御するステップとを有して構成したことを特徴とする波長変換方法。

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