(57)【要約】【課題】簡明な構成で、ＡＳＥノイズを低減可能なパルスレーザ装置を提供する。【解決手段】本発明のパルスレーザ装置１は、シード光を発生するレーザ光源１０、シード光を増幅する光増幅器３０、第１〜第４ポートＰ1〜Ｐ4に、それぞれ光増幅器の入射口３１ａ、出射口３１ｂ、レーザ光源１０、導出光学系４５が接続された２×２光スイッチ２０と、制御装置５０とを備えて構成される。制御装置５０は、第１パルス信号を出力し第１ポートＰ1と第３ポートＰ3とを接続してシード光を光増幅器３０に入射させ、増幅光が第２ポートＰ2に到達するタイミングに第２パルス信号を出力し第２ポートＰ2と第４ポートＰ4とを接続してパルス状の増幅光を導出光学系４５から出力させるように構成する。【選択図】図１
2010192651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シード光を発生するレーザ光源と、
入射口に入射したシード光を増幅して出射口から出射する光増幅器と、
第１のポートに前記入射口、第２のポートに前記出射口、第３のポートに前記レーザ光源、第４のポートに導出光学系が接続された２×２光スイッチと、
前記２×２光スイッチに制御信号を出力して相互接続されるポートを切り換える制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記２×２光スイッチに第１のパルス状の制御信号を出力し前記第１のポートと前記第３のポートとを接続して前記レーザ光源により発生されたシード光を前記入射口に入射させ、前記光増幅器により増幅されたパルス状の増幅光が前記第２のポートに到達するタイミングに前記第１のパルス状の制御信号と同期する第２のパルス状の制御信号を前記２×２光スイッチに出力し前記第２のポートと前記第４のポートとを接続して前記パルス状の増幅光が前記導出光学系から出力されるように構成したことを特徴とするパルスレーザ装置。
【請求項２】
シード光を発生するレーザ光源と、
入射口に入射したシード光を増幅して出射口から出射する光増幅器と、
第１のポートに前記入射口、第２のポートに前記出射口、第３のポートに前記レーザ光源、第４〜第Ｎ＋２のポートにそれぞれ導出光学系が接続された２×Ｎ(Ｎは３以上の整数)光スイッチと、
前記２×Ｎ光スイッチに制御信号を出力して相互接続されるポートを切り換える制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記２×Ｎ光スイッチに第１のパルス状の制御信号を出力し前記第１のポートと前記第３のポートとを接続して前記レーザ光源により発生されたシード光を前記入射口に入射させ、前記光増幅器により増幅されたパルス状の増幅光が前記第２のポートに到達するタイミングに前記第１のパルス状の制御信号と同期する第２のパルス状の制御信号を前記２×Ｎ光スイッチに出力して前記第２のポートと前記第４〜第Ｎ＋２のポートとを順次切り替えて接続し、前記パルス状の増幅光が時分割されて各前記導出光学系から出力されるように構成したことを特徴とするパルスレーザ装置。
【請求項３】
前記第１のパルス状の制御信号及び前記第２のパルス状の制御信号は、繰返し周期がＴ0の周期信号であり、
前記光増幅器を含み前記第１のポートから前記第２のポートまでの光路長をＬ、真空中での光速をｃ、屈折率をηとしたときに、
ηＬ／ｃ＝ｍＴ0(ｍは整数)の関係を満たすように前記光増幅器を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載のパルスレーザ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のパルスレーザ装置と、
前記シード光波長の光を紫外波長の光に変換する波長変換光学系とを備え、
前記導出光学系から出射された前記パルス状の増幅光がパルス状の紫外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光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光源により発生されたシード光を切り出して光増幅器により増幅し、パルス状のレーザ光を出射するパルスレーザ装置及びこのパルスレーザ装置から出力された光を紫外光に変換して出力する光源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記のようなパルスレーザ装置は、マスクパターンを感光物に転写する露光装置や、各種の光学式検査装置、レーザ治療装置などに利用されている。１ｎsec程度の短い光パルスを用いる露光装置用のパルスレーザ装置として、例えば、半導体レーザ等のレーザ光源を連続発振させてＣＷ(連続波)のシード光を発生させ、これを光変調器により矩形波パルス状に切り出し、パルス化されたシード光を複数段のファイバー光増幅器によって所要出力に増幅するような構成が用いられる。そして、このように増幅されたパルス状の増幅光を波長変換光学系により所望の紫外波長に変換し、短パルスの紫外レーザ光を出射する光源装置が構成される(例えば特許文献１を参照)。
【０００３】
ここで、１ｎsec程度の短い光パルスを切り出す光変調器として、線形応答性が良く動作電圧が低い電気光学変調器(Electro Optic  Modulator：ＥＯＭ)が広く用いられる。しかしながら、ＥＯＭは消光比が十分高いとは言えず、ＥＯＭからファイバー光増幅器に入射するパルス光には、消光しきれずにＥＯＭを透過した漏れ光が含まれる。また、ファイバー光増幅器から出射される光には、誘導放出による増幅光のほか自然放出による自然放出光(Amplified  Spontaneous  Emission：ＡＳＥ)が含まれる。レーザ光源をパルス発振させてパルス状のシード光を発生させ、各光パルスの一部をＥＯＭにより切り出してファイバー光増幅器に入射させる場合においても同様の問題が生じる。そこで、このような漏れ光やＡＳＥによるノイズを低減させるため、ファイバー光増幅器の入射側と出射側とにそれぞれＥＯＭを設け、これら２段のＥＯＭによって光パルス間のノイズを除去する構成が提案されている(例えば特許文献２を参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２００７４７号公報
【特許文献２】特開平５−５９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような従来の構成では、消光比を最大化するバイアス電圧の調整設定が難しく経時変化や温度変化に伴うバイアス電圧のドリフトを伴うＥＯＭを少なくとも２つ用いる必要があり、パルスレーザ装置の構成が複雑化するとともに、調整作業が煩雑であるという課題があった。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡明な構成で、漏れ光やＡＳＥノイズを低減可能なパルスレーザ装置および紫外パルス光を出力する光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様によるパルスレーザ装置は、シード光を発生するレーザ光源と、入射口に入射したシード光を増幅して出射口から出射する光増幅器と、第１のポートに前記入射口、第２のポートに前記出射口、第３のポートに前記レーザ光源、第４のポートに導出光学系が接続された２×２光スイッチと、この２×２光スイッチに制御信号を出力して相互接続されるポートを切り換える制御装置とを備えて構成される。このパルスレーザ装置における制御装置は、２×２光スイッチに第１のパルス状の制御信号を出力し第１のポートと第３のポートとを接続してレーザ光源により発生されたシード光を入射口に入射させ、光増幅器により増幅されたパルス状の増幅光が第２のポートに到達するタイミング(所定時間の経過後)に第１のパルス状の制御信号に同期する第２のパルス状の制御信号を２×２光スイッチに出力し第２のポートと第４のポートとを接続してパルス状の増幅光が導出光学系から出力されるように構成される。
【０００７】
本発明の第２の態様によるパルスレーザ装置は、シード光を発生するレーザ光源と、入射口に入射したシード光を増幅して出射口から出射する光増幅器と、第１のポートに前記入射口、第２のポートに前記出射口、第３のポートに前記レーザ光源、第４〜第Ｎ＋２のポートにそれぞれ導出光学系が接続された２×Ｎ(Ｎは３以上の整数)光スイッチと、この２×Ｎ光スイッチに制御信号を出力して相互接続されるポートを切り換える制御装置とを備えて構成される。このパルスレーザ装置における制御装置は、２×Ｎ光スイッチに第１のパルス状の制御信号を出力し第１のポートと第３のポートとを接続してレーザ光源により発生されたシード光を入射口に入射させ、光増幅器により増幅されたパルス状の増幅光が第２のポートに到達するタイミング(所定時間の経過後)に第１のパルス状の制御信号と同期する第２のパルス状の制御信号を２×Ｎ光スイッチに出力して第２のポートと第４〜第Ｎ＋２のポートとを順次切り替えて接続し、パルス状の増幅光が時分割されて各導出光学系から出力されるように構成される。
【０００８】
なお、本発明の第１、第２の態様において、第１のパルス状の制御信号及び第２のパルス状の制御信号は、繰返し周期がＴ0の周期信号であり、光増幅器を含み第１のポートから第２のポートまでの光路長をＬ、真空中での光速をｃ、屈折率をηとしたときに、ηＬ／ｃ＝ｍＴ0(ｍは整数)の関係を満たすように光増幅器を構成することが好ましい。
【０００９】
本発明の第３の態様による光源装置(例えば、実施形態におけるレーザシステムＬＳ)は、以上のようなパルスレーザ装置と、シード光波長の光を紫外波長の光に変換する波長変換光学系とを備え、導出光学系から出射されたパルス状の増幅光がパルス状の紫外光に変換されて出力されるように構成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のパルスレーザ装置においては、レーザ光源により発生されたシード光が、第１のパルス状の制御信号(第１パルス信号)に基づくスイッチ動作により切り出されて光増幅器に入射され、光増幅器により増幅されたパルス状の増幅光が光スイッチに到達するときに、第１パルス信号と同期する第２のパルス状の制御信号(第２パルス信号)に基づくスイッチ動作によって再び切り出されて導出光学系に出射される。すなわち、本発明のパルスレーザ装置においては、レーザ光源により生成されたシード光が、光増幅器に入射する前と光増幅器から出射した後の２度、光スイッチ(２×２光スイッチ、２×Ｎ光スイッチ)を通って切り出される。光スイッチの消光比はＥＯＭの消光比と同様(例えば−２０ｄＢ程度)であり、光スイッチを２度通過させることによりＥＯＭを２つ設けた場合と同等の消光比を得ることができる。従って、第１、第２の本発明のパルスレーザ装置によれば、簡明な構成で、漏れ光やＡＳＥノイズを低減可能なパルスレーザ装置を提供することができる。
【００１１】
なお、第１パルス信号及び第２パルス信号が、ともに繰返し周期Ｔ0の周期信号であり、ηＬ／ｃ＝ｍＴ0(ｍは整数)の関係を満たすように光増幅器を構成したパルスレーザ装置によれば、光スイッチの第１のポートから出射した光パルスが光増幅器を伝播して光スイッチの第２のポートに戻って来る所定時間(遅延時間)が経過すると、第１パルス信号と第２パルス信号とが時間的に重なったものになる。そのため、これら二つのパルス信号の信号処理及び光スイッチの駆動を同時に処理することができ、処理負担を軽減するとともに装置構成を簡明化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１構成形態のパルスレーザ装置の概要構成図である。
【図２】２×２光スイッチから光増幅器に出て行く光パルス列(上段)と、光増幅器から２×２光スイッチに戻って来る光パルス列(下段)との関係を表す説明図である。
【図３】第２構成形態のパルスレーザ装置の概要構成図である。
【図４】第２ポートに戻ってきた増幅光と、各スイッチ素子に出力される第２パルス信号との関係を表すタイミングチャートである。
【図５】第４ポート〜第１１ポートの各ポートに出力される増幅光の切り分け状態を示すタイミングチャートである。
【図６】第２構成形態のパルスレーザ装置を利用したレーザシステムの概要構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。本発明に係るパルスレーザ装置は、レーザ光源により発生されたシード光を、光スイッチにより切り出すとともに光増幅器によって増幅し、所定出力に増幅されたパルス状のレーザ光を出射する装置であり、例えば、半導体デバイス製造用の露光装置、光学式検査装置、レーザ治療装置などに好適に用いられるものである。本発明に係る第１構成形態のパルスレーザ装置の概要構成を図１に示しており、まず、この図を参照しながら第１構成形態のパルスレーザ装置１について詳細に説明する。
【００１４】
パルスレーザ装置１は、シード光を発生するレーザ光源１０と、４つの接続ポートＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4を有する２×２光スイッチ２０と、シード光を増幅する光増幅器３０と、２×２光スイッチに制御信号を出力して相互接続されるポートを切り換える制御装置５０とを備えて構成される。
【００１５】
２×２光スイッチ２０の各接続ポートには、図１におけるポートＰ1(便宜的に「第１ポート」という)とポートＰ2(「第２ポート」という)との間を結んで光増幅器３０がループ状に接続され、ポートＰ3(「第３ポート」という)に導入光学系１５を介してレーザ光源１０が接続され、ポートＰ4(「第４ポート」という)に導出光学系４５が接続される。
【００１６】
レーザ光源１０は、パルスレーザ装置１の用途に合わせた所定波長のレーザ光(シード光)を発生させる光源装置であり、例えば、発振波長１．０２〜１．１５[μｍ]帯のＤＦＢ(分布帰還型)半導体レーザや、発振波長１．５１〜１．５９[μｍ]帯のＤＦＢ半導体レーザが用いられる。本構成形態では、発振波長１．０２〜１．１５[μｍ]帯のＤＦＢ半導体レーザを用い、ペルチェ素子等を利用した温度調整器により温度制御した状態で発振させることにより、波長λ＝１．１０５[μｍ]の単一波長のシード光を発生させる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を制御することにより任意強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができ、制御装置５０により作動が制御される。
【００１７】
レーザ光源１０の出力端と２×２光スイッチの第３ポートＰ3とは、導入光学系１５を構成する導入ファイバー１６により接続されており、レーザ光源１０から出射されたシード光が導入ファイバー１６を介して２×２光スイッチの第３ポートＰ3に入力される。なお、導入光学系１５には、レーザ光源１０側から光スイッチ２０の方向に進む光を通過させ、逆方向に進む光を遮断するアイソレータ１７が配設されている。
【００１８】
例示する２×２光スイッチ２０は、２入力・２出力のＸ交差型光スイッチであり、第１ポートＰ1と第４ポートＰ4、第２ポートＰ2と第３ポートＰ3とを相互に接続するバー状態(スルー状態ともいう)、または第１ポートＰ1と第３ポートＰ3、第２ポートＰ2と第４ポートＰ4とを相互に接続するクロス状態に切り換え可能になっている。本実施形態では、制御装置５０から２×２光スイッチ２０をＯＮとする信号が入力されたときにクロス状態、ＯＦＦのときにバー状態となる光スイッチを用いた構成を示す。なお、このような２×２光スイッチとして、例えば、ＥＯ(電気光学)効果を用いた、高速の２×２スイッチを用いることができる。
【００１９】
光増幅器３０は、シード光を増幅する増幅器であり、波長１．１μｍ帯の赤外光を増幅する光増幅器としてイットリビウム(Ｙｂ)・ドープ・ファイバー光増幅器、波長１．５μｍ帯の赤外光を増幅する光増幅器としてエルビウム(Ｅｒ)・ドープ・ファイバー光増幅器などが用いられる。図１は、イットリビウム(Ｙｂ)・ドープ・ファイバー光増幅器(以下、ＹＤＦＡと表記する)３１を用いた構成例を示しており、ＹＤＦＡの入射側に設けた結合器３３を介して励起用の励起光源(半導体レーザ)３２がファイバー結合されている。
【００２０】
ＹＤＦＡ３１は、入射口３１ａが無ドープのファイバー３５を介して２×２光スイッチ２０の第１ポートＰ1に接続され、出射口３１ｂが無ドープのファイバー３６を介して２×２光スイッチ２０の第２ポートＰ2に接続される。なお、ＹＤＦＡ３１の入射側には、第１ポートＰ1側から入射口３１ａの方向に進む光を通過させ、逆方向に進む光を遮断するアイソレータ３７が設けられ、ＹＤＦＡ３１の出射側には、出射口３１ｂ側から第２ポートＰ2の方向に進む光を通過させ、逆方向に進む光を遮断するアイソレータ３８が設けられている。
【００２１】
導出光学系４５は、２×２光スイッチ２０から出力される光を、次段に接続される機器に向けて導出する光学系であり、例えば、２×２光スイッチ２０の第４ポートＰ4と、第２段の光増幅器(図６を参照)との間を接続する無ドープのファイバー４６や、ミラー、レンズ、狭帯域フィルター等の光学素子によって構成される。
【００２２】
制御装置５０は、各部の作動を同期制御するためのクロック５５、クロック５５を基準として所要の源パルス波形を生成するパルス発生器５６、図示省略する操作パネル等との間で入出力処理を行う入出力処理部５７、演算処理を行い各部への指令信号等を生成する演算処理部５８、演算処理部５８から出力される指令信号に基づいて、レーザ光源１０の作動を制御するレーザ光源制御部５１、光スイッチ２０の作動を制御する光スイッチ制御部５２、光増幅器３０の作動を制御する光増幅器制御部５３、などを備えて構成され、操作パネル等から入出力処理部５７に入力される作動指令に基づいてパルスレーザ装置１の作動を制御する。具体的には、制御装置５０は、以下のようにパルスレーザ装置１の作動を制御する。
【００２３】
まず、パルスレーザ装置１の作用について理解を容易化するため、励起光源３２によりＹＤＦＡ３１を励起状態とし、ＣＷ発振させたレーザ光源１０から、一つの光パルスを切り出す場合について説明する。光パルスを切り出す前の状態(便宜的に初期状態という)では、２×２光スイッチ２０はＯＦＦ、すなわち第１ポートＰ1と第４ポートＰ4、第２ポートＰ2と第３ポートＰ3が相互に接続されたバー状態になっている。そのため、レーザ光源１０から出射し導入ファイバー１６を介して第３ポートＰ3に導入されたＣＷのシード光は、光スイッチ内の光路を通って第２ポートＰ2から光増幅器３０側に入射する。ところが、この方向で入射したシード光は、アイソレータ３８により遮断され、ＹＤＦＡ３１に到達することなく消費される。
【００２４】
ここで、ＹＤＦＡ３１が励起光源３２により励起された状態では、自然放出によってＡＳＥ(Amplified  Spontaneous  Emission)が発生する。しかしながら、ＡＳＥにより生じた光(ＡＳＥ光という)のうち、第１ポートＰ1側に進む光は、アイソレータ３７により遮断されるため、導出光学系４５側にＡＳＥ光が出射されることはない。一方、ＹＤＦＡ３１で発生したＡＳＥ光のうち、第２ポートＰ2側に進む光は、アイソレータ３８を通過し第３ポートＰ3から導入光学系１５側に進入するが、導入光学系１５に設けられたアイソレータ１７により遮断されるため、レーザ光源１０にＡＳＥ光が到達することもない。
【００２５】
従って、２×２光スイッチ２０がＯＦＦの初期状態において、レーザ光源１０から出射されたシード光や増幅光、ＹＤＦＡ３１で発生したＡＳＥ光が、導出光学系４５側に出射されることはない。
【００２６】
このような初期状態から、制御装置５０は、２×２光スイッチ２０に第１のパルス状の制御信号(「第１パルス信号」という)を出力し、２×２光スイッチ２０を所定時間ＯＮさせる。パルス状の制御信号は、クロック５５を基準としてパルス発生器５６により生成された源パルス波形に基づき、光スイッチ制御部５２において２×２光スイッチ２０の駆動信号に変換して生成される。例えば、ＯＮ時間が１[ｎsec]程度の第１パルス信号が生成され、２×２光スイッチ２０に出力される。
【００２７】
第１パルス信号が２×２光スイッチ２０に入力されると、２×２光スイッチ２０は当該ＯＮ時間のあいだクロス状態となり、第１ポートＰ1と第３ポートＰ3、第２ポートＰ2と第４ポートＰ4が相互に接続される。そのため、第３ポートＰ3に入射するＣＷのシード光が第１パルス信号のＯＮ時間のあいだ第１ポートＰ1から出射し、光増幅器３０のファイバー３５に、１[ｎsec]程度に切り出されたパルス状のシード光が送り出される。この第１ポートＰ1側からＹＤＦＡ３１の入射口３１ａの方向に進む光は、アイソレータ３７，３８を通過するため、切り出されたパルス状のシード光はＹＤＦＡ３１に入射して増幅され、増幅されたパルス状の増幅光が２×２光スイッチ２０の第２ポートＰ2に入射する。
【００２８】
制御装置５０は、光増幅器３０により増幅されたパルス状の増幅光が第２ポートＰ2に到達するタイミング、すなわち、第１パルス信号に基づき第１ポートＰ1から光増幅器３０に入射したシード光波長の光パルスが、光増幅器３０を伝播して第２ポートＰ2に到達するまでの所定時間(「遅延時間」という)ｔ0の経過後に、第２のパルス状の制御信号(「第２パルス信号」という)を出力し、２×２光スイッチ２０を所定時間ＯＮさせる。
【００２９】
ここで、上記の遅延時間ｔ0は、光増幅器３０の光路長(第１ポートＰ1〜ＹＤＦＡ３１〜第２ポートＰ2までのループ長)をＬ、屈折率をη、真空中での光速をｃとしたときに、ｔ0＝ηＬ／ｃとして算出することができ、このようにして算出した遅延時間ｔ0が制御装置５０に予め設定されている。なお、光増幅器３０を構成する構成要素(ＹＤＦＡ３１、ファイバー３５，３６等)の屈折率等が異なる場合には、構成要素ごとに算出した通過時間を合算して遅延時間ｔ0を求めることができる。また、光増幅器３０に第１ポートＰ1側からシード光を入射して第２ポートＰ2に到達するまでの時間を実験等により計測し、計測された通過時間を遅延時間ｔ0として設定してもよい。
【００３０】
このように、光増幅器３０により増幅されたパルス状の増幅光が第２ポートＰ2に到達するタイミングで第２パルス信号が入力されると、２×２光スイッチ２０はこの第２パルス信号のＯＮ時間のあいだクロス状態となり、第２ポートＰ2と第４ポートＰ4とが接続される。そのため、第２ポートＰ2に到達したパルス状の増幅光が再び切り出されて第４ポートＰ4から出射し、導出ファイバー４６を介してパルスレーザ装置１から出力される。
【００３１】
このとき、第２パルス信号を第１パルス信号と同一波形(ＯＮ時間１[ｎsec]程度)とすれば、導出ファイバー４６に出射される光パルスは、２×２光スイッチ２０により２回切り出されることになる。２×２光スイッチ２０の消光比を−２０ｄＢとすれば、導出光学系４５に出力されるパルス状の増幅光(以下、便宜的に「パルスシード光」という)の消光比は−４０ｄＢとなり、光増幅器３０の入射側と出射側にそれぞれＥＯＭを設けた構成と同等の消光比を得ることができる。従って、本構成のパルスレーザ装置１によれば、１個の２×２光スイッチを用いた簡明な構成で、漏れ光やＡＳＥノイズを低減し、ＳＮ比の高いパルスシード光を出力することができ、後段の光増幅器の動作効率を高めることが可能となる。
【００３２】
以上では、理解容易のため、単一の光パルスを切り出す場合の作用について説明したが、この説明から明らかなように、以上の動作を繰り返すことによって所定周期でパルスシード光を出力することができる。さらに、この２×２光スイッチ２０を用いた構成では、第１ポートＰ1を通って光増幅器３０に出て行く光パルスと、第２ポートＰ2を通って光増幅器３０から入って来る光パルスとが、同時に２×２光スイッチ２０を通過するように構成することによって、所定周波数のパルスシード光を連続的に出力するように構成することができる。
【００３３】
すなわち、第１パルス信号により切り出され、第１ポートＰ1を通って光増幅器３０に出て行った光パルスは、既述した遅延時間ｔ0を経過したときに光増幅器３０から第２ポートＰ2に戻ってくる。従って、この遅延時間ｔ0を、第１パルス信号の繰り返し周期Ｔ0のｍ倍(ｔ0＝ｍＴ0：ｍは整数)とすれば、遅延時間ｔ0の経過後、第１ポートＰ1を通って光増幅器３０に出て行く光パルスと、第２ポートＰ2を通って光増幅器３０から入って来る光パルスとが、２×２光スイッチ２０を同時に通過する。換言すれば、遅延時間ｔ0が経過して以降、第１パルス信号と第２パルス信号とが重複した一つのパルス信号となり、入出力の切り替え処理が同時に行われることになる。
【００３４】
この設定は、具体的には、光増幅器３０における光路長Ｌ(例えば、無ドープのファイバー３５，３６の長さ)と繰り返し周波数との関係を調整することにより設定できる。例えば、第１、第２パルス信号の繰り返し周波数(１／Ｔ0)、すなわち導出光学系４５に出力される増幅光の繰り返し周波数を４[ＭHz]、上記係数ｍを１、屈折率ηを１．５とした場合には、光路長Ｌを５０[ｍ]に設定することによって実現できる。そして、このように光増幅器３０を構成することによって、導出ファイバー４６には、周波数１／Ｔ0(繰り返し周期Ｔ0)パルス幅１[ｎsec]のパルスシード光を連続的に出力することができる。
【００３５】
図２は、この様子を模式的に示したものである。図２において、上段は第１ポートＰ1を通って２×２光スイッチ２０から光増幅器３０に出て行く光パルス列、下段は第２ポートＰ2を通って光増幅器３０から２×２光スイッチ２０に戻って来る光パルス列を示し、２×２光スイッチ２０から出て行く光パルスＳ1，Ｓ2，Ｓ3…が、遅延時間ｔ0をおいて２×２光スイッチ２０に戻ってくる様子を示す。なお、図２では、ｍ＝２とした場合の様子を例示している。このような構成によれば、簡明な構成で、繰り返し周波数の高いパルスシード光を連続的に出力することができる。
【００３６】
以上では、レーザ光源１０のＤＦＢ半導体レーザを連続発振させ、ＣＷのシード光を２×２光スイッチ２０により切り出してパルス化する構成を例示したが、レーザ光源１０から２×２光スイッチ２０に入射するシード光は、パルス幅がパルスシード光よりも広いパルス状であってもよい。例えば、ＤＦＢ半導体レーザを２×２光スイッチ２０と同期制御して、パルス幅がパルスシード光よりも長い１０[ｎsec]程度のパルス光を発振させ、第３ポートＰ3に入射するパルス光の一部を、２×２光スイッチ２０により幅１[ｎsec]程度に切り出して、前述同様にパルスシード光を出力するように構成することができる。このような構成によれば、光パルス間の無信号領域の消光比をさらに高めることができる。
【００３７】
次に、本発明に係る第２構成形態のパルスレーザ装置２について、図３を参照しながら説明する。このパルスレーザ装置２は、シード光を発生するレーザ光源１０と、５以上の接続ポートＰ1，Ｐ2，Ｐ3，Ｐ4，Ｐ5…有する２×Ｎ(Ｎは３以上の整数)光スイッチ２００と、シード光を増幅する光増幅器３０と、２×Ｎ光スイッチに制御信号を出力して相互接続されるポートを切り換える制御装置５０´とを備えて構成される。
【００３８】
すなわち、本構成形態のパルスレーザ装置２は、光スイッチ２００の構成と制御装置の一部が前述した第１構成形態のパルスレーザ装置１と異なり、他の構成部分は同様である。そこで、以下では、同様部分に同一番号を付して重複説明を省略し、相違する光スイッチ２００の構成、および制御装置５０´によるパルスレーザ装置２の作動制御について詳細に説明する。
【００３９】
２×Ｎ光スイッチ２００は、前述した２×２光スイッチ２０においてパー状態をクロス状態に切り換えるスイッチ素子Ｅ1に加えて、このスイッチ素子Ｅ1から第４ポートＰ4に繋がる内部光路が順次分岐され、各分岐部に設けられたスイッチ素子Ｅ2，Ｅ3，…によって接続が切り換えられる構成になっている。すなわち、本構成形態に示す２×Ｎ光スイッチ２００は、端的には前述した２×２光スイッチ２０の第４ポートＰ4に、さらに光路を切り替えるスイッチを段階的に加えた構成になっている。
【００４０】
図３には、スイッチ素子Ｅ1から第４ポートＰ4に繋がる内部光路が順次分岐されて第５ポートＰ5に繋がる内部光路、第６ポートＰ6に繋がる内部光路、…第１１ポートＰ11に繋がる内部光路に順次分岐され、各分岐部に設けられた８つのスイッチ素子Ｅ2，Ｅ3，…Ｅ9のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによって、スイッチ素子Ｅ1に繋がる接続ポートを第４ポートＰ4〜第１１ポートＰ11の８つのポートに切り換える２×Ｎ(Ｎ＝９)光スイッチの構成例を示す。このような２×Ｎ光スイッチとして、例えば、ＥＯ(電気光学)効果を利用した、高速の２×Ｎスイッチを用いることができる。
【００４１】
制御装置５０´の光スイッチ制御部５２には、これらの９つのスイッチ素子Ｅ1〜Ｅ9の各々に対応した９つの駆動信号出力部が設けられ、共通のクロック５５を基準とし、前述した第１、第２パルス信号と同様のパルス状の駆動信号を、スイッチごとに独立して出力可能になっている。
【００４２】
第４ポートＰ4〜第１１ポートＰ11の８つのポートには、前述した導出ファイバー４６と同様の導出ファイバー４６1〜４６8がそれぞれ接続され、これら８本の導出ファイバーにより導出光学系４５が形成される。
【００４３】
なお、２×Ｎ光スイッチ２００の第１〜第３ポートＰ1〜Ｐ3には、前述した２×２光スイッチ２０の第１〜第３ポートＰ1〜Ｐ3と同様の構成要素が接続される。すなわち、第１ポートＰ1に光増幅器３０の入射側のファイバー３５が接続され、第２ポートＰ2に出射側のファイバー３６が接続されて、第１ポートＰ1と第２ポートＰ2との間を結んで光増幅器３０がループ状に接続される。また、第３ポートＰ3に導入光学系１５の導入ファイバー１６が接続されレーザ光源１０により発生されたシード光が第３ポートＰ3に導入される。
【００４４】
このように構成されるパルスレーザ装置２において、制御装置５０´は、以下のように各部の作動を制御する。まず、光パルスを切り出す以前の初期状態では、２×Ｎ光スイッチ２００の全スイッチがＯＦＦになっており、このとき各ポートの接続状態は、２×２光スイッチ２０の場合と同様に、第１ポートＰ1と第４ポートＰ4、第２ポートＰ2と第３ポートＰ3とが相互に接続された状態になっている。そのため、レーザ光源１０から第３ポートＰ3に導入されたＣＷのシード光(または切り出す光パルスよりもパルス幅が広いパルス状のシード光)は、第２ポートＰ2から光増幅器３０側に入射するがアイソレータ３８によって遮断され、ＹＤＦＡ３１に到達することなく消費される。ＹＤＦＡ３１で発生したＡＳＥはアイソレータ３７により遮断される。
【００４５】
従って、初期状態では第４〜第１１ポートＰ4〜Ｐ11のいずれにも、レーザ光源１０から出射されたシード光や増幅光、ＹＤＦＡ３１で発生したＡＳＥ光は到達せず、導出光学系４５側に出力されることはない。
【００４６】
この初期状態から、第４ポートＰ4にパルスシード光を出力させる際の制御は、前述したパルスレーザ装置１の場合と同様である。すなわち、制御装置５０´は、２×Ｎ光スイッチ２００のスイッチ素子Ｅ1に第１パルス信号を出力してこの分岐スイッチをＯＮとし、第３ポートＰ3に導入されたシード光を１[ｎsec]程度切り出して第１ポートＰ1から光増幅器３０に入射させる。そして、ＹＤＦＡ３１により増幅されたパルス状の増幅光が第２ポートＰ2に到達するタイミングに、第２パルス信号をスイッチ素子Ｅ1に出力して分岐スイッチをＯＮとし、第２ポートＰ2に到達したパルス状の増幅光を再び１[ｎsec]程度切り出し、切り出されたパルスシード光を第４ポートＰ4から導出ファイバー４６1に出力させる。周波数(１／Ｔ0)のパルスシード光を連続的に第４ポートＰ4に出力させる場合についても前述同様である。
【００４７】
第５〜第１１ポートからパルスシード光を出力させる場合、スイッチ素子Ｅ1に２度パルス信号を出力してシード光および増幅光を切り出すまでは同じである。但し、第４ポートＰ4以外のポートからパルスシード光を出力させる際には、第２パルス信号はスイッチ素子Ｅ1に加えて、そのポートに応じたスイッチ素子を同時にＯＮにする点が相違する。例えば、第５ポートからパルスシード光を出力させる場合には、第２パルス信号においてスイッチ素子Ｅ1とＥ2を同時にＯＮにする。
【００４８】
このとき、ＹＤＦＡ３１により増幅され第２ポートＰ2に入射したパルス状の増幅光は、ともにＯＮされたスイッチ素子Ｅ1とＥ2により光路が切り替えられ、第５ポートＰ5から出力される。第６ポートＰ6から出力させる場合にはスイッチ素子Ｅ1，Ｅ2，Ｅ3を同時にＯＮにする。以下、第７〜第１１ポートも同様であり、第１１ポートＰ11から出力させる場合には、第２パルス信号において全てのスイッチ素子Ｅ1〜Ｅ9を同時にＯＮにすればよい。これにより、任意のポートから単一または所定数周波数(１／Ｔ0)のパルスシード光を出力することができる。
【００４９】
本構成のパルスレーザ装置２においては、第４ポートＰ4〜第１１ポートＰ11の８つのポートにパルスシード光を時分割して出力し、各導出ファイバー４６1〜４６8を介して次段の接続機器(例えばファイバー光増幅器)に均等に分割されたパルスシード光を出力するように構成することもできる。
【００５０】
いま、各導出ファイバー４６1〜４６8を介して、次段に第１チャネルch１から第８チャネルch８のファイバー光増幅器が８台並列接続されており、各ファイバー光増幅器に、繰り返し周波数１００[kHz]のパルスシード光を入射させるものとする。このとき、第１パルス信号として所要周波数の８倍、すなわち１００[kHz]×８＝８００[kHz]を生成し、制御装置５０´から２×Ｎ光スイッチ２００のスイッチ素子Ｅ1に出力する。
【００５１】
この第１パルス信号により８００[kHz]で切り出されたシード光は、第１ポートＰ1から光増幅器３０に入射して増幅され、８００[kHz]の増幅光が２×Ｎ光スイッチ２００の第２ポートＰ2に戻ってくる。
【００５２】
この８００[kHz]の増幅光に同期して、２×Ｎ光スイッチ２００の各スイッチ素子に第２パルス信号が出力される。第２ポートＰ2に戻ってきた増幅光と各スイッチ素子Ｅ1〜Ｅ9に出力される第２パルス信号との関係を表すタイミングチャートを図４に示し、このとき第４ポートＰ4〜第１１ポートＰ11の各ポートに出力される増幅光の切り分け状態を図５に示す。なお、以降の説明では、光パルスと出力ポートとの関係の理解を容易化するため、各導出ファイバー４６1〜４６8を介して接続される各ファイバー光増幅器のチャネル表示に合わせ、第４ポートＰ4をチャネル１(ch１)、第５ポートをチャネル２(ch２)、以下同様にして第１１ポートをチャネル８(ch８)と表記する。
【００５３】
図４に示すように、第２パルス信号はスイッチ素子ごとに波形が異なっている。このうち、スイッチ素子Ｅ1に対する第２パルス信号は、第１パルス信号と同じ８００[kHz]のパルス信号である。従って、既述したｔ0＝ｍＴ0の関係を満たすことにより、第２ポートＰ2に戻ってきた増幅光が再び切り出され、ＳＮ比が高い８００[kHz]のパルスシード光が第４ポート側に出力される。
【００５４】
但し、本構成形態の第２パルス信号は、ＯＮされるスイッチ素子が繰り返し周期Ｔ0ごとにＥ1、Ｅ1＋Ｅ2、Ｅ1＋Ｅ2＋Ｅ３、…、Ｅ1＋Ｅ2＋Ｅ３＋Ｅ4＋…＋Ｅ9、のように変化し、全てのスイッチ素子Ｅ1〜Ｅ9がＯＮとなったのち、再び、Ｅ1、Ｅ1＋Ｅ2、Ｅ1＋Ｅ2＋Ｅ３、…のサイクルを繰り返すようになっている。
【００５５】
そのため、図４および図５において、スイッチ素子Ｅ1のみがＯＮである第１の光パルスＳ11はそのままチャネル１(第４ポートＰ4)に出力され、スイッチ素子Ｅ1とＥ2がＯＮである第２の光パルスＳ12はチャネル２(第５ポートＰ5)、スイッチ素子Ｅ1とＥ2とＥ３がＯＮである第３の光パルスＳ13はチャネル３(第６ポートＰ6)、スイッチ素子Ｅ1〜Ｅ9の全てがＯＮである第８の光パルスＳ18はチャネル８(第１１ポートＰ11)、再度スイッチ素子Ｅ1のみがＯＮとなる第９の光パルスＳ19はチャネル１(第４ポートＰ4)、のように８００[kHz]で連続するパルス列の光パルスが時分割されて振り分けられ、振り分けられた光パルスが各チャネルch１〜ch８に出力される。
【００５６】
その結果、各チャネルには、隣り合うチャネル間に時間間隔Ｔ0をもち、それぞれ繰り返し周波数１００[kHz]のパルスシード光が出力される。従って、このような構成形態のパルスレーザ装置２によれば、ＳＮ比が高くかつ均質なパルスシード光を複数のチャネルから連続的に出力することができる。さらに、本構成のパルスレーザ装置２においては、出力しようとするチャネルの数ｎに合わせ、各チャネルの所要周波数ｆのｎ倍の周波数ｎｆ(本構成形態においてｎｆ＝８００[kHz])で切り出す。
【００５７】
そのため、ｎ個の光増幅器及び２ｎ個のＥＯＭからなり各々光パルスを周波数ｆで切り出すｎユニット(ｎ＝Ｎ−１)からなるパルスレーザ装置を、単一の光増幅器及び２×Ｎ光スイッチからなる１ユニットの装置構成で実現することができる。
【００５８】
なお、上記効果が成立するためには、本構成の光増幅器３０は、平均出力において周波数ｆのパルス信号光を増幅する光増幅器のｎ倍の光出力を出力する必要がある。そこで、この根拠について検証する。まず、パルスレーザ装置１や２のように、レーザ光源１０から出力されたシード光が増幅されることなく光増幅器３０に入射するレーザ装置(次段の接続機器に種光となるパルスシード光を出力する初段のレーザ装置)では、光増幅器３０に入射するシード光の平均出力が十分に低い(小信号利得の領域内である)ため、利得の飽和を生じるようなことがなく、利得は入射光の平均出力にほとんど依存しない。また、ＹＤＦＡ(Ｙｂ・ドープ・ファイバー光増幅器)３１の利得は、繰り返し周波数ｆ1が１００[kHz]の場合と、その１０倍の１[ＭHz]の場合とでほとんど変化しない。
【００５９】
具体的に、例えばパルス幅１[ｎsec]、ピークパワー１０[ｍＷ]のパルス光を光増幅器３０に入射し、ＹＤＦＡ３１により増幅する場合を想定する。このとき、入射光が繰り返し周波数ｆ1＝１００[kHz]のパルス光では平均出力Ｐi＝１[μＷ]、入射光が繰り返し周波数ｆ1＝１[ＭHz]のパルス光では平均出力Ｐi＝１０[μＷ]である。いま、ＹＤＦＡ３１の利得を３０[ｄＢ]とすれば、ＹＤＦＡ３１により増幅され出力される増幅光の平均出力Ｐoは、ｆ1＝１００[kHz]のパルス光で１[ｍＷ]、ｆ1＝１[ＭHz]のパルス光で１０[ｍＷ]となる。
【００６０】
このため、５００[ｍＷ]程度の平均出力の励起光を用いれば、シード光の平均出力は励起光に対して十分低く、光増幅器の利得は入射光の平均出力にほとんど依存しない。このため、２×Ｎ光スイッチ２００を所要周波数のｎ倍で駆動することにより、前述した効果を実現することができる。
【００６１】
以上では、パルスレーザ装置１，２によりレーザ光源１０から出射された光を、光スイッチ(２×２光スイッチ２０、２×Ｎ光スイッチ２００)により２度切り出して導出光学系４５から出力することにより、漏れ光やＡＳＥノイズを低減し、ＳＮ比の高いパルスシード光を出力する構成について説明した。このようなパルスレーザ装置の後段に、第２段以降の光増幅器や波長変換光学系を接続し、用途目的に応じた所望出力、所望波長のパルス光を出力する光源装置を構成することができる。
【００６２】
このような光源装置への応用例として、パルスレーザ装置２を利用し、紫外波長領域のパルス光を出力するレーザシステムＬＳの概要構成を図６に示しており、以下、この図を参照してレーザシステムＬＳの概要構成を簡潔に説明する。
【００６３】
レーザシステムＬＳは、パルスレーザ装置２と、パルスレーザ装置の導出光学系４５から出力されたパルスシード光を増幅する第２段の光増幅器３００と、入射したシード光波長の光を紫外光に波長変換して出射する波長変換光学系４００とを備え、導出光学系４５から出力されたパルスシード光が、第２段の光増幅器３００により増幅され、波長変換光学系４００によりパルス状の紫外光に変換されて出力されるように構成される。
【００６４】
パルスレーザ装置２の導出光学系４５に設けられた各導出ファイバー４６1〜４６8は、第２段の光増幅器３００を構成する第１チャネル〜第８チャネルのファイバー光増幅器(例えば、Ｙｂ・ドープ・光増幅器)３０１〜３０８に各々接続されており、２×Ｎ光スイッチ２００のチャネル１(第４ポートＰ4)〜チャネル８(第１１ポートＰ11)に出力されたパルスシード光が、第２段の光増幅器３００において各々第１チャネル〜第８チャネルのファイバー光増幅器３０１〜３０８により増幅される。
【００６５】
第２段の光増幅器３００の出力部、すなわち第１チャネル〜第８チャネルのファイバー光増幅器３０１〜３０８の終端部は、ファイバーが一つにまとめられてバンドル状になっており、各ファイバー光増幅器により増幅されたパルス光が、ファイバーバンドル端部に設けられた集光レンズにより集光されて波長変換光学系に入射される。
【００６６】
波長変換光学系４００は、シード光波長の光を紫外光に波長変換する光学系であり、例えば、ＤＦＢ半導体レーザにより発振された波長λ＝１．１０５[μｍ]の赤外光を、その８倍派であり、Ｆ2レーザの発振波長と同一である波長１５７[ｎｍ]の紫外光に変換して出力する。このように、１．１[μｍ]帯や１．５[μｍ]帯の赤外光を、１９３[ｎｍ]や１５７[ｎｍ]の紫外光に波長変換する波長変換光学系の具体的な構成(非線形光学結晶の組み合わせ、配置等、制御方法)は、すでに公知の種々の手法を用いることができ、例えば、いずれも本出願人に係る、特開２０００−２００７４７号公報に開示した手法、特開２００８−１２２７８５号公報に開示した手法などが用いられる。
【００６７】
このように構成されるレーザシステムＬＳにおいては、パルスレーザ装置２から出力された高ＳＮ比のパルスシード光が、第２段の光増幅器３００により所定出力に増幅され、波長変換光学系４００において所定波長の紫外光に変換して出力される。従って、レーザシステムＬＳによれば、簡明な構成でありながらＳＮ比が高く、各光パルスが時間的に重ならないことから空間的コヒーレンスが低く、スペックルを生じない均質な紫外光を出力するパルスレーザ装置を提供することができる。
【００６８】
なお、以上の説明から明らかなように、レーザ光源１０から出射されるシード光の波長は赤外光に限られるものではなく可視光であってもよい。また、波長変換光学系４００により波長変換され出力される紫外光の例として、Ｆ2レーザと同じ１５７[ｎｍ]、ＡｒＦエキシマレーザと同じ波長１９３[ｎｍ]を例示したが、ＫｒＦエキシマレーザと同じ波長２４８[ｎｍ]などであってもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１，２  パルスレーザ装置
１０  レーザ光源
２０  ２×２光スイッチ
３０  光増幅器
３１  ＹＤＦＡ(３１a：入射口、３１b：出射口)
３２  励起光源
５０，５０´  制御装置
２００  ２×Ｎ光スイッチ
３００  第２段の光増幅器
４００  波長変換光学系
Ｐ1  第１ポート
Ｐ2  第２ポート
Ｐ3  第３ポート
Ｐ4  〜Ｐ11  第４ポート〜第１１ポート
Ｅ1〜Ｅ9  光スイッチ２００内のスイッチ素子
ＬＳ  紫外パルス光を出力するレーザシステム(パルスレーザ装置)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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