(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長のレーザ光を出力する第１のレーザ発生器および前記第１の波長のレーザ光を共振させる第１の共振器と、
第２の波長のレーザ光を出力する第２のレーザ発生器および前記第２の波長のレーザ光を共振させる第２の共振器と、
前記第１の共振器および前記第２の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを備え、
前記非線形光学素子の内部を通過する前記第１の波長のレーザ光と前記第２の波長のレーザ光との和周波混合により第３の波長のレーザ光を発生するレーザ光発生装置において、
前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角はそれぞれ、波長に対応したブリュースター角の±５°の角度範囲内であり、かつ、前記非線形光学素子は、タイプ１の位相整合を行なうものであり、
前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記入射面より前記非線形光学素子に入射され、
前記第１の波長のレーザ光、前記第２の波長のレーザ光および前記第３の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、
前記非線形光学素子の内部において、前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、
前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角の差（分離角Δθ）は、前記非線形光学素子に対する前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角（φ）の２倍よりも大きく、かつ
前記非線形光学素子に対する入射角または出射角は、前記第１および第２の波長のレーザ光のうちの一方では予め固定され、他方では角度を変化させたときに前記第３の波長のレーザ光の出力を極大値とする角度に設定されている
レーザ光発生装置。
【請求項２】
前記非線形光学素子を前記入射面と同一面内で移動するように平行移動させ、前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の光路を移動調整する光路調整手段を備えた
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項３】
前記非線形光学素子は、ＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4），ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ6Ｏ10），ＳＢＢＯ（Ｓｒ2Ｂｅ2Ｂ2Ｏ7），ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）のうちのいずれかの結晶により構成されている
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項４】
前記非線形光学素子は、直接引上法により製造されたＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4）結晶である
請求項３記載のレーザ光発生装置。
【請求項５】
前記第１の共振器または前記第２の共振器の少なくとも１方の共振器フィネスが１００以上である
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項６】
前記第１の共振器は外部共振器であり、前記第２の共振器はレーザ増幅器または外部共振器である
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項７】
前記第２のレーザ発生器は、半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザである
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項８】
前記第２のレーザ発生器は、単一周波数で発振または共振する
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項９】
前記第２のレーザ発生器は、チタンサファイアレーザ、アレクサンドライトレーザ、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦレーザ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザのいずれかである
請求項７記載のレーザ光発生装置。
【請求項１０】
前記第２の共振器が半導体増幅器または固体レーザ増幅器である
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項１１】
前記第２の共振器は前記半導体レーザをマスターレーザとしたインジェクションロッキングにより前記第２の波長のレーザ光を増幅する
請求項１０記載のレーザ光発生装置。
【請求項１２】
前記固体レーザ増幅器は、チタンサファイア結晶、アレクサンドライト結晶、Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ結晶、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ結晶のいずれかにより構成されている
請求項１０記載のレーザ光発生装置。
【請求項１３】
前記固体レーザ増幅器は、半導体レーザまたは半導体レーザ励起固体レーザによって励起される
請求項１０記載のレーザ光発生装置。
【請求項１４】
前記第１の共振器および前記第２の共振器の少なくとも一方は、その光路長を可変とする光路長調節手段を含んで構成されている
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項１５】
前記光路長調節手段は、ＰＺＴ素子、ＶＣＭ素子および電気光学結晶のいずれかよりなる
請求項１４記載のレーザ光発生装置。
【請求項１６】
前記第１の共振器および前記第２の共振器の少なくとも一方は、前記光路長調節手段を用いたＦＭサイドバンド法または偏光法により共振状態を保持する
請求項１４記載のレーザ光発生装置。
【請求項１７】
前記第１の波長が２５０ｎｍ以上２７５ｎｍ以下の範囲内であり、前記第２の波長が６５０ｎｍ以上７８５ｎｍ以下の範囲内であり、かつ、前記第３の波長が１８０ｎｍ以上２０４ｎｍ以下の範囲内である
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項１８】
前記第３の波長のレーザ光の波長幅は１０ｐｍ以下である
請求項１記載のレーザ光発生装置。
【請求項１９】
第１の波長のレーザ光を出力する第１のレーザ発生器および前記第１の波長のレーザ光を共振させる第１の共振器と、第２の波長のレーザ光を出力する第２のレーザ発生器および前記第２の波長のレーザ光を共振させる第２の共振器と、前記第１の共振器および前記第２の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを含むレーザ発生手段を備え、
前記レーザ発生手段から前記非線形光学素子の内部を通過する前記第１の波長のレーザ光と前記第２の波長のレーザ光との和周波混合により得られた第３の波長のレーザ光を発生する光学装置において、
前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角はそれぞれ、波長に対応したブリュースター角の±５°の角度範囲内であり、前記非線形光学素子は、タイプ１の位相整合を行なうものであり、
前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記入射面より前記非線形光学素子に入射され、
前記第１の波長のレーザ光、前記第２の波長のレーザ光および前記第３の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で前記出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、
前記非線形光学素子の内部において、前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、
前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の前記非線形光学素子に対する入射角の差（分離角Δθ）は、前記非線形光学素子に対する前記第１の波長のレーザ光および前記第２の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角（φ）の２倍よりも大きく、かつ
前記非線形光学素子に対する入射角または出射角は、前記第１および第２の波長のレーザ光のうちの一方では予め固定され、他方では角度を変化させたときに前記第３の波長のレーザ光の出力を極大値とする角度に設定されている
光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線顕微鏡および各種電子材料、電子部品等の検査装置などの光学装置における光源となるレーザ光発生装置に係り、特に、２００ｎｍ程度以下の短波長の紫外光を発生するレーザ光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光は、波長および位相が揃った光であるために単色性や指向性に優れ、干渉性を有するという特徴を持つ。また、極めて細く収束させることができ、微小な面積に照射することが可能である。更に、レーザ光は、一般に電波よりも周波数が高く、情報収容能力が大きい。こうした特性から、レーザ光は情報通信処理分野、微細加工分野、計測分野および医療分野など多方面にわたって応用されている。
【０００３】
このようなレーザ光を光源とする装置の性能は、一般に、レーザ光の波長やその出力安定性によって決まる。そのため、従来から短波長のレーザが開発されてきているが、中でも波長が１８０ｎｍ〜２０４ｎｍ程度であるレーザ光については未だ実用時の条件を十分に満足し得る連続光は得られておらず、パルス光のみが用いられていた。このため、連続光、或いはモードロック光のような準連続光が必要とされる光ディスクのマスタリング等の技術分野において１８０ｎｍ〜２０４ｎｍ程度の波長のレーザ光を利用することは困難であり、半導体露光装置や微細構造検査装置においては、パルス光を用いた場合に、その高いピークパワーにより光学系や露光あるいは検査の対象物などが損傷する虞があった。
【０００４】
なお、波長が２０４ｎｍ程度以上の連続光は、例えば位相整合角で切り出したＢＢＯ（ベータ硼酸バリウム；β−ＢａＢ2 Ｏ4 ）結晶に４０８ｎｍ以上の波長の光を入射し、第２高調波（Second Harmonic Generation; ＳＨＧ）を発生させることで比較的容易に得ることができる。ところが、この方法で２０４ｎｍ程度以下の連続光を発生させることは、これまで達成されていない。
【０００５】
一方、近赤外光と紫外光（２００〜４００ｎｍ程度）との和周波により、より波長の短い紫外線（２００ｎｍ程度以下）を連続発振させる方法が報告されてきている。例えば、アルゴンイオンレーザのＳＨＧとチタンサファイアレーザ光とを共に非線形光学結晶に入射することによって第３の波長である１９４ｎｍの光を発生させる装置がWatanabeらより提案されている（非特許文献１参照）。また、特許文献１では、ＹＡＧレーザの４次高調波とチタンサファイアレーザ光との和周波混合により第３の波長である１９３ｎｍの光を発生させる装置が提案されている。これらの技術は、上記の２つの入力波を共に共振させることにより変換効率を向上させるものであり、共振器内の光路の一部が２つの入力波により共有される構造となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３４１０５４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M.Watanabe et.al.,Optics Communications,vol.97,pp.225-227（1993）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、共有される光路上に配置される光学部品を、入力波それぞれの波長に対して同時に低損失条件を満足させるようにコーティングすることは極めて難しい。従って、このような構造では、共振器フィネスが低下して、効率よく波長変換することが困難であるという問題があった。例えば、Watanabe他による実験結果では、共振器による紫外光の増倍率は５倍程度に抑えられている。
【０００９】
また、後者の例では、発生した第３の波長の紫外光は波長分離ミラーにより２つの入射光から分離されるようになっている。このミラーにおいても、２入力波に対して高反射であると同時に出力波に対し高透過であることが要求され、先の場合と同様、そのようなミラーの実現は難しく、効率よい波長変換を行なうことが困難であった。また、この場合では、出力光強度を増大させると、高強度の２つの紫外線が同軸光路上に重なるために装置の破壊をまねく虞があった。このような高出力の場合に光学系の紫外線耐久力を確保しようとすると、この要求によりコーティング材料が限定され、変換効率の低下につながりかねない。
【００１０】
更に、これらの技術において用いられているチタンサファイアレーザは同調周波数範囲が極めて広いために、その絶対波長を長期的に安定化するには、参照共振器にロックしたり気体の吸収線を参照したりする必要があり、装置の複雑化をまねいていた。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、２００ｎｍ程度以下の波長域の連続光を高い変換効率で安定して発振することができ、小型化が可能なレーザ光発生装置およびこれを用いた光学装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によるレーザ光発生装置は、第１の波長のレーザ光を出力する第１のレーザ発生器および第１の波長のレーザ光を共振させる第１の共振器と、第２の波長のレーザ光を出力する第２のレーザ発生器および第２の波長のレーザ光を共振させる第２の共振器と、第１の共振器および第２の共振器に含まれるように配置され、かつ、両端に第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光が入射する入射面と出射する出射面とをそれぞれ有する非線形光学素子とを備え、非線形光学素子の内部を通過する第１の波長のレーザ光と第２の波長のレーザ光との和周波混合により第３の波長のレーザ光を発生するレーザ光発生装置において、第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光の非線形光学素子に対する入射角はそれぞれ、波長に対応したブリュースター角の±５°の角度範囲内であり、かつ、非線形光学素子は、タイプ１の位相整合を行なうものであり、第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で入射面より非線形光学素子に入射され、第１の波長のレーザ光、第２の波長のレーザ光および第３の波長のレーザ光はビーム中心軸が互いに空間的に分離した状態で出射面より出射されて、それぞれが異なる光路を有し、非線形光学素子の内部において、第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有せず、第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光の非線形光学素子に対する入射角の差（分離角Δθ）は、非線形光学素子に対する第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光の入射光のビーム発散角（φ）の２倍よりも大きく、かつ非線形光学素子に対する入射角または出射角は、第１および第２の波長のレーザ光のうちの一方では予め固定され、他方では第３の波長のレーザ光の出力を極大値とする角度に設定されているものである。
【００１３】
本発明によるレーザ光発生装置では、第１の波長のレーザ光と第２の波長のレーザ光が互いに異なる入射角で非線形光学素子に入射されるので、それぞれの波長に応じた入射条件が定められ、第１および第２のそれぞれの共振器損失が低減する。このような第１の波長のレーザ光と第２の波長のレーザ光は、非線形光学素子に対し同一の屈折角を有する場合には、その内部で光軸が互いに平行となり、屈折角が異なる場合には、その内部で光軸は一致せず、和周波混合のために両者のビームが一部重畳される以外には光路を共有しない。
【００１４】
本発明による光学装置は、本発明のレーザ光発生装置を備えたものであり、顕微鏡、各種の分析・検査装置およびディスクマスタリング装置などに応用される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のレーザ光発生装置によれば、第１の波長のレーザ光と第２の波長のレーザ光は互いに空間的に分離した状態で、かつ所定の条件を満たし、入射面より非線形光学素子に入射され、第１の波長のレーザ光と第２の波長のレーザ光、および第３の波長のレーザ光は、互いに空間的に分離した状態で出射面より出射され、それぞれが異なる光路を有し、かつ、非線形光学素子の内部において、第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光は部分的にビームが重なるが、光軸は共有しないようにしたので、光学損失を大きく低減し、和周波混合における波長変換効率または和周波である第３の波長のレーザ光の出力を向上させることができる。
【００１６】
また、３つのレーザ光がそれぞれ異なる光路を有することから、第１の共振器および第２の共振器はその内部の光路を共有しないように構成されており、一方に損傷が起きても他方において損失が生じることがなく、全体として共振器損失が増大することが防止され、より安定的に長時間動作させることができる。同時に、共振器内の光学素子は複数の波長に対応したコーティングが不要となり、このようなコーティングによる光学損失を省いて簡便に装置を構成することができると共に低コスト化を図ることもできる。
【００１７】
また、第１の波長のレーザ光および第２の波長のレーザ光は、非線形光学素子に対する入射角と出射角の少なくとも入射角がそれぞれ、波長に対応したブリュースター角の±５°の角度範囲内であるようにしたので、非線形光学素子における反射損失を低減することができる。
【００１８】
特に、レーザ光発生装置を固体レーザ装置として構成されるようにすれば、２００ｎｍ程度以下の波長領域で連続発光する深紫外光を、小型の装置でエネルギー効率よく、高い信頼性で安定して得ることができる。
【００１９】
また、本発明の光学装置によれば、本発明のレーザ発生装置を備えるようにしたので、２００ｎｍ程度以下の波長領域で連続発光する深紫外光を光源としたエネルギー効率よく、動作安定性の高い装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成を表す平面図である。
【図２】図１に示したレーザ光発生装置の非線形光学素子におけるレーザ光の光路の一例である。
【図３】図１に示したレーザ光発生装置における和周波出力の非線形光学素子に対する第２の波長の光の屈折角依存性を示す計算値である。
【図４】図１に示したレーザ光発生装置における和周波出力の非線形光学素子に対する第１の波長の光の屈折角依存性を示す計算値である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成を表す平面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置の構成を表す平面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る紫外線顕微鏡の構成を表す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係るディスクマスタリング装置の構成を表す図である。
【図９】従来のレーザ光発生装置の共振器フィネスについて説明するための図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、以下の通りである。
１．第１の実施の形態（レーザ光発生装置）
１−１．変形例（第１の実施の形態の変形例）
２．第２の実施の形態（他のレーザ光発生装置）
３．第３の実施の形態（他のレーザ光発生装置）
４．第４の実施の形態（紫外線顕微鏡）
５．第５の実施の形態（ディスクマスタリング装置）
【００２２】
＜１．第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。本実施の形態に係るレーザ光発生装置１は、第１のレーザ光発生器１０と第２のレーザ光発生器１１、および、２つのレーザ光発生器１０，１１から出力された互いに異なる２つの波長のレーザ光を波長変換して第３の波長のレーザ光を出力する波長変換部１２により主として構成されている。
【００２３】
第１のレーザ光発生器１０は、例えば、２５０ｎｍ以上２７５ｎｍ以下の範囲内の波長（λ1 ）の連続紫外光を出力するものであり、ここでは単一周波数発振するものとする。この第１のレーザ光発振器１０は、各種のレーザにより構成することが可能である。例えば、旧来より使用されてきたアルゴンイオンレーザ等の気体レーザを用いてＳＨＧを発生させるようにしてもよく、近年実用化が進んできた半導体励起固体レーザを波長変換したレーザであってもよい。後者は、半導体レーザ、半導体レーザアレイ、半導体レーザスタックあるいは半導体レーザ励起固体レーザ等により励起される固体レーザ装置であり、アークランプで励起する従来の方式に比べて効率が高く、冷却装置や電源装置が簡略化できる。また、Ｎｄ，Ｙｂなどの希土類イオンを含むＮｄ：ＹＡＧ，Ｎｄ：ＹＶＯ４，Ｎｄ：ＹＬＦおよびＹｂ：ＹＡＧ等のレーザ結晶を用いたレーザ装置を用いて、その４次高調波である２５０ｎｍ以上２７５ｎｍ以下の光を発生するようにしてもよい。なお、第１のレーザ光発生装置１０は、マルチモード発振するものであってもよい。
【００２４】
一方、第２のレーザ光発生器１１は、例えば、６５０ｎｍ以上７８５ｎｍ以下の範囲内の波長（λ2 ）の連続光を出力するものであり、単一周波数で発振する半導体レーザにより構成されている。このとき、半導体レーザの光を高出力化のために半導体増幅器または固体レーザ増幅器で増幅するようにしてもよい。なお、第２のレーザ光発生器１１は必ずしも単一周波数のレーザである必要はなく、このレーザ光発生器１１として上記の構成以外に半導体励起固体レーザを用いることも可能である。このような第２のレーザ光発生器１１には、例えば、チタンサファイアレーザ，アレクサンドライトレーザ，Ｃｒ：ＬｉＣＡＦレーザおよびＣｒ：ＬｉＳＡＦレーザ等が用いられ、半導体で直接励起できない場合には半導体励起固体レーザで励起されるレーザを用いることができる。このようなものには、例えば、半導体励起固体レーザ励起のチタンサファイアレーザ，アレクサンドライトレーザ，Ｃｒ：ＬｉＣＡＦレーザまたはＣｒ：ＬｉＳＡＦレーザ等が挙げられる。これにより、レーザ光発生装置１を全固体レーザとして構成することが可能である。
【００２５】
波長変換部１２は、第１のレーザ光発生器１０から出力される波長λ1 の光を共振させる第１の共振器１３と、第２のレーザ光発生器１１から出力される波長λ2 の光を共振させる第２の共振器１４、および、これら２つの共振器１３，１４で増幅された光（λ1 ，λ2 ）に対し内部で波長変換して第３の波長（λ3 ）の光を発生させる非線形光学素子１５を備えている。
【００２６】
なお、ここで第１のレーザ光発生器１０と第１の共振器１３との間には、例えば、ミラー２０と光学素子２１が配設される。ミラー２０は、必要に応じて使用され、２枚以上であってもよい。また、光学素子２１は、波長λ1 の光を第１の共振器１３にモードマッチさせるためのものであり、複数用いてもよい。具体的には、レンズ、ミラー、ビーム整形プリズムおよびこれらを組合せたものが用いられる。また、第２のレーザ光発生器１１と第２の共振器１４との間には、例えば、光学素子２２，ミラー２３、光学素子２４が配設される。これらは、波長λ2 の光をモードマッチした状態で第２の共振器１４に入射するためのものである。
【００２７】
第１の共振器１３は、波長λ1 の光を共振させるために設けられた外部共振器であって、入射ミラー３０およびその他３枚のミラー３１，３２，３３から構成され、ミラー３２とミラー３３との間には非線形光学素子１５が配されている。ここで、入射ミラー３０はインピーダンスマッチングのために反射率を最適化されていることが望ましい。このような第１の共振器１３は、モードマッチとインピーダンスマッチが両立した状態にあり、周回の光路長（共振器長）がある値のときに共振し、更にこの光路長が波長λ1 だけ変化するごとに共振状態となる。しかし、共振器を充分堅固に構成することが困難であり、温度変化が小さくないかぎり、共振状態は保持されるとは限らない。従って、ＦＭサイドバンド法、偏光法等による共振保持のためのサーボ機構を設けるようにすることが好ましく、これに、ＰＺＴ素子，ＶＣＭ素子，電気光学効果を有する結晶などの共振器長調整手段を組み合わせて用いることが望ましい。
【００２８】
但し、第１の波長λ1 は波長２５０ｎｍ以上２７５ｎｍ以下の深紫外線であるために、通常使用されるＫＴＰ，ＬｉＮｂＯ3 などの変調器では透過率が低く、適当ではない。また、この程度の波長で透過率の高い電気光学素子であるＢＢＯ結晶などは、電気光学定数が小さいため、位相変調器としても光路長の調節器としても、高電圧で駆動する必要がある。このような理由から、第１の共振器１３の共振を保持する方法としては、主に偏光法が利用される。
【００２９】
第２の共振器１４は、波長λ2 の光を共振させるために設けられた外部共振器であって、入射ミラー４０およびその他３枚のミラー４１，４２，４３から構成され、ミラー４０とミラー４１との間に非線形光学素子１５が配されている。ここでは、第２の共振器１４もまた第１の共振器１３と同様の構成であり、同様に入射ミラー４０の反射率をインピーダンスマッチングするような値とすることが望ましい。また、ＦＭサイドバンド法、偏光法等を用いたり、ＰＺＴなどの共振器長調整手段を用いたりすることも第１の共振器の場合と同様に好ましい。
【００３０】
更に、１つの非線形光学素子１５が、このような２つの共振器４１，４２のそれぞれに含まれるように配置されており、共振する波長λ1 の光および波長λ2 の光がその内部を通過するようになっている。この非線形光学素子１５は、和周波混合を行うためのものであり、共振する波長λ1 の光および波長λ2 の光を取り込み、これらを混合して第３の波長λ3 の光を発生させる。そのため、非線形光学素子１５からは第３の波長λ3 の光が出力されると共に、波長λ1 の光および波長λ2 の光もまた出射され、それぞれミラー３３，ミラー４１で反射されて再びミラー４１，４２に戻される。このような非線形光学素子１５は、例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ2 Ｏ4 ），ＣＬＢＯ（ＣｓＬｉＢ6 Ｏ10），ＳＢＢＯ（Ｓｒ2 Ｂｅ2 Ｂ2 Ｏ7 ），ＫＢＢＦ（ＫＢｅ2 ＢＯ3 Ｆ2 ）のうちのいずれかの結晶により構成されている。
【００３１】
図２は、非線形光学素子１５に波長λ1 、波長λ2 および波長λ3 の光が入射・出射される様子を表している。このように、本実施の形態では、波長λ1 の光と波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態で入射面１５ａより非線形光学素子１５に入射され、波長λ1 、波長λ2 および波長λ3 の光が互いに空間的に分離した状態で出射面１５ｂより出射され、それぞれが異なる光路を有するようになっている。すなわち、非線形光学素子１５の内部においては、和周波混合を行なうという要請から波長λ1 の光と波長λ2 の光は部分的にビームが重なることになるが、光軸を共有するものではない。その理由は、１つの光軸を異なる波長の光が共有すると、その光路上の全ての光学素子は通過する全ての波長に対し損失低減のための条件を同時に満たさねばならず、このような仕様の設定が困難であること、共有される光軸に重畳される紫外光により容易に引き起こされる光学素子の表面および内部の欠陥や素子のコーティング材の損傷を回避すると共に、各波長毎に光路を分散させて１つの波長の光路上に派生した損失因子が他の波長の光に損失を及ぼさないようにすることなどである。
【００３２】
非線形光学素子１５の外部における波長λ1 の光と波長λ2 の光との空間的分離は、これらの光の入射角または出射角の少なくとも一方が３０°以上であるように設定すると、分散や複屈折（屈折率の偏光依存性）により達成することができる。ここでは、入射面１５ａにおける波長λ1 の光と波長λ2 の光の入射角は、ブリュースター角θB となっている。ブリュースター角とは、この角度で入射した偏光のｓ成分とｐ成分のうちｐ成分の反射が０となる角度であり、入射面１５ａにおける屈折率をｎとすると、
θB ＝ｔａｎ-1（ｎ）
で表される。屈折率ｎは波長や偏光状態によって異なる値をとり、ここで波長λ1 の光と波長λ2 の光はそれぞれの波長に対応した角度θB で入射面１５ａに入射される。これにより、波長λ1 の光と波長λ2 の光を共にｐ偏光として非線形光学素子１５における反射損失を低減することができる。
【００３３】
なお、入射面１５ａにおける波長λ1 の光と波長λ2 の光の入射角を、完全にブリュースター角θB に一致させる必要はなく、例えば角度θB ±５°程度の範囲内であるような角度θB 付近の角度に選ぶこともできる。この場合にはｐ偏光の反射損失は０ではないが、反射損失を小さくすることができる。また、出射面１５ｂについても同様にして出射角を選ぶことができる。
【００３４】
次に、以上のような入射角または出射角の設定方法と効果について、具体例を挙げて説明する。
【００３５】
上記のように角度θB やその付近の角度で光を入射・出射させる場合であっても結晶内部で透過光が同軸光路を有するように設定すると、波長λ1 の光と波長λ2 の光は、分散のために両方が角度θB またはその近傍から入射されることはない。従って、結晶端面における反射損はわずかながら存在する。この反射損は、共振器内を周回して倍増し、共振器損失を増加させる。例えば、波長２６６ｎｍの光を完全に角度θB に合致した入射角でＢＢＯ結晶に入射し、同じくＢＢＯ結晶に入射された波長７０７ｎｍの光と結晶内部で同軸光路を有するように設定すると、波長７０７ｎｍの光の反射損は面あたり０．１８５％となり、この光を定在波型共振器に投入すると、損失は往復で０．７４０％となる。逆に、波長７０７ｎｍの光を完全に角度θB に合致した入射角でＢＢＯ結晶に入射し、波長２６６ｎｍの光と結晶内部で同軸光路を有するように設定すると、波長２６６ｎｍの光の反射損は面あたり０．４８％となり、この光をリング型共振器に入力すると、損失は周回で０．９６％となる。
【００３６】
この種の反射損の発生を回避するためには、結晶内部で透過光が互いに空間的に分離した状態となるように設定することが必要である。そこで、波長２６６ｎｍの光と波長７０７ｎｍの光それぞれの角度θB の間の範囲から入射角を選んで双方とも角度θB ではない角度で入射するようにし、それぞれの光に損失が分配される場合を考える。なお、波長２６６ｎｍの光のθB は６０．４°、波長７０７ｎｍの光のθB は５９．０°であり、２つの波長のθB は異なってはいるものの、かなり近い値を持つので、このようにして１つの入射角を選んでもそれぞれのθB に対してよい近似となっている。この場合には、例えば、波長２６６ｎｍの光の反射損は面あたり０．３％、波長７０７ｎｍの光の反射損は面あたり０．１％とすることができ、上述の場合に比べ合計損失が低下する。ちなみに、上述のような構成の従来の和周波発生装置では、共振器の増倍率は５倍程度であったが、このような構成とした装置における共振器の倍増率は約３０倍以上に向上させることが可能となる。これをフィネスに換算すると、およそ１００以上に相当する。
【００３７】
更に反射損を低減させるためには、２つの透過光が互いに空間的に分離するように設定すると同時に、２つの波長の光をそれぞれ対応する角度θB にできるだけ漸近させた角度で入射するとよい。本実施の形態のように２つの波長の光を共に角度θB で入射するときにはじめてｐ成分の反射損は共に０となり、損失が最小となる。
【００３８】
ただし、角度θB で入射することによって損失が低減されるのは、偏光のｐ成分のみであり、ｓ偏光には有効ではない。そこで、非線形光学素子１５をタイプ１の位相整合とすると、２つの入射光の双方を容易にｐ成分とすることが可能となり、好ましい。以上のような損失の観点からみると、ここでの非線形光学素子１５は、２つの共振器１３，１４において１種のフィルターとして機能して積極的に共振器損失を抑制するものとみなすことができ、入射光のパワーを保持あるいは増幅して結果的に和周波出力に寄与するようになっている。
【００３９】
また、このように波長λ1 の光および波長λ2 の光を空間的に分離させ、かつ、これらを角度θB で入射することによって、第１の共振器１３および第２の共振器１４の少なくとも一方のフィネスを１００以上とすることが可能となる。一般に、共振器内におけるフィネスは、
Ｆ＝π（Ｒ1 Ｒm ）1/4 ／｛１−（Ｒ1 Ｒm ）1/2 ｝    …（１）
（Ｒ1 ；入射ミラー反射率、Ｒm ；共振器内のその他のミラーおよび光学素子における光有効利用率の積）
により与えられる。光有効利用率は、ミラーでは反射率であり、光学素子では透過率である。ここでＲ1 をインピーダンスマッチングがとれるように選択できた場合には、
Ｒ1 ＝Ｒm ≡Ｒ
であり、Ｒ〜１においては、
Ｆ〜π／（１−Ｒ）                                  …（２）
となる。例えば、第１の共振器において、入射ミラー３０をほぼＲ1 ＝Ｒm となるように選び、角度θB で入射するために非線形光学素子１５における損失が無視できるとする。このとき、式（２）によれば、その他のミラー３１〜３３の反射率Ｒm が約９７％以上でＦ値を１００以上とすることができる。反射率Ｒ1 ，Ｒm を９７％またはそれ以上とすることは現実に可能であり、非線形光学素子１５における吸収・散乱を考慮してもＦ値を１００以上とすることは充分に実現可能である。更に、反射率Ｒ1 ，Ｒm を９９％以上としたり、非線形光学素子１５として例えば直接法（Ｃ２法）引上げによって製造された高品質のＢＢＯ結晶を用いて非線形光学素子１５における吸収・散乱を０．５％以下にしたりするなどのうえで入射ミラー３０の反射率を高くすると、Ｆ値を３００以上もの高い値とすることができる。これは、第２の共振器についても同様である。
【００４０】
なお、このような共振器のフィネスを１００以上とするレーザ光発生装置は、実際には、本実施の形態における構造上の要件（すなわち波長λ1 の光および波長λ2 の光を非線形光学素子１５に対して角度θB またはその付近の角度で入射する）を満たして初めて得ることができるものである。例えば、特開平１０−３４１０５４号公報に記載されている従来のレーザ光発生装置では、図９のようにミラー１２２３からミラー１２２４までの光路は第１の共振器および第２の共振器により共有されており、この光路上の２つのレーザ光は前述したように共にＢＢＯ結晶１２２６に角度θB で入射されることはない。よって、ＢＢＯ結晶１２２６の結晶端面において必ず反射損失が生じる。ＢＢＯ結晶１２２６に減反射コーティングを施すとしても、残留反射のためにその透過率はおよそ９５％が技術的限界と考えられる。
【００４１】
そのうえ、この場合には、ミラー１２２３，１２２４に対して波長λ1 の光を反射すると共に波長λ2 の光を透過するように反射率と透過率の２つの条件を操作する必要がある。実際に分離ミラー１２２３，１２２４を作製する場合、波長λ2 の光を例えば９８％以上透過するように設定すると、波長λ1 の光に対する反射率の上限は９９％程度と見積もられる。従って、第１の共振器においては、残るミラー１２２２の反射率が例えば９９．５％程度に高いものであったとしても、Ｒm ＝（０．９９）2 ×０．９９５×０．９５より、Ｒm は約９２．６％が上限とみなされる。そこでＲ1 ＝Ｒm ＝０．９２６となるようにＲ1 を選ぶと、式（２）より第１の共振器のフィネスは１３．２と見積もられる。
【００４２】
第１の共振器のＲm を更に大きくするには、（１）ＢＢＯ結晶１２２６の両端面を角度θB にカットし、レーザ光の入射角を角度θB とする、（２）分離ミラー１２２３，１２２４の第１の波長の光に対する反射率を上げる、（３）入射ミラー１２２１における反射率Ｒ1 を大きくするという方策が考えられる。しかし、（２）では、逆に第２の波長の光に対する透過率が低下し、（３）では第２の共振器のフィネスを大きく損なうことになり、総合効率が減少する。ちなみに、総合効率を犠牲にして９９％とＲ1 をぎりぎりまで大きくしても、第１の共振器のフィネスＦは７３．８％であり、このような構造のレーザ光発生装置では共振器フィネスを１００以上とすることが実質的に困難であることがわかる。
【００４３】
また、前述したWatanabeらによる従来の装置では、分離ミラーの替わりにプリズムが用いられており、フィネスが向上するようになってはいるが、入射ミラーの反射率Ｒ1 が１０％であることからＲm はおよそ８２％、フィネスは２０程度と見積もられる。このようにフィネスが低い値となるのは、用いられるプリズムやＢＢＯ結晶（フラックス法により作製）の品質にもよるが、最大の要因はＢＢＯ結晶に付設される減反射コート材の２波長に対して設計されるための性能限界と考えられる。
【００４４】
これらに対して、Berkeland らによる装置はブリュースターカットＢＢＯ結晶を用いて減反射コートによる共振器損失を防止している（D.J.Berkeland,et.al.,Applied Optics,vol.36,No.18,pp4159-4162（1997））。しかし、この場合にはＢＢＯ結晶（フラックス法により作製）の品質に起因した内部吸収を考慮するとＲ1 ＝９１％であり、結果的にフィネスはおよそ５１（Ｒm 〜９７．６％）に留まっている。これから、非線形光学素子１５として吸収や散乱の少ない高品質の結晶を用いることもフィネス向上の条件となることがわかる。
【００４５】
（１−１．変形例）
上記第１の実施の形態のように非線形光学素子１５の内部で波長λ1 の光および波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態となるように設定すると、これらのビームの重なりが小さくなり和周波変換効率が低下する可能性がある。しかし、前述の反射損に代表される共振器損失を効果的に低減できれば、変換効率の低下を補って和周波出力を大きくすることも可能である。ここでは、そのような観点から他の入射角または出射角の設定方法について説明する。
【００４６】
さて、損失低減のために結晶内部で透過光が互いに空間的に分離した状態となるように設定する必要があることは前述した通りである。この状態は、実際には波長λ1 の光と波長λ2 の光との入射面１５ａにおける入射角の差（以下、分離角と呼ぶ）を拡げて、それぞれの屈折角に差を設けることにより実現される。そこで、ここで積極的に分離角を大きくとることを考える。
【００４７】
すなわち、波長λ1 の光および波長λ2 の光の２つの入射光が非線形光学素子１５の内部で和周波発生に充分寄与できる状態を保ちながら、非線形光学素子１５の外部で分離角が大きくなるようにこれら入射光の光路を調節する。ここで、２つの入射光を空間分離するためには、分離角Δθが入射光のビーム発散角φ（相対強度１／ｅ2 全幅）より大きくなることが必要である（Δθ＞φ）。更に、非線形光学素子１５から出力される波長λ3 の光も充分に分離させるためには、Δθ＞２φであることが重要である。但し、分離角Δθをむやみに大きくすると入射光ビームの空間的重なりが小さくなるので注意を要するが、
Ｌδθ＜＜Ｄ
（Ｌ；非線形光学素子１５の長さ、δθ；非線形光学素子１５の内部での分離角の増分、Ｄ；非線形光学素子１５の内部における入射光の平均ビーム径）
であるときには和周波出力に大きな影響を与えることはない。また、このときに分離角を位相整合角の非臨界方向（非線形光学素子１５の結晶軸のうちｃ軸となす角度を一定とする方向）にとれば、位相非整合による出力の減少を抑制することができる。
【００４８】
以下に変形例の一例を示す。ここでは、それぞれの光の波長を、波長λ1 が７０７ｎｍ、波長λ2 が２０６ｎｍとし、発生する和周波の波長λ3 が１９３．３ｎｍ、非線形光学素子１５としてタイプ１で位相整合するＢＢＯ結晶を用いている。この波長λ1 および波長λ2 の入射光は、共に直径２５０μｍの平行光であり、出力一定の連続波である。更に、波長λ1 （７０７ｎｍ）と波長λ2 （２０６ｎｍ）の双方において、入射ミラー反射率Ｒ1 ＝０．９９、入射ミラーおよびＢＢＯ結晶を除く共振器反射率Ｒm ＝０．９９とし、入射面１５ａに対し垂直方向に位相整合条件が常に満足されているものとする。また、加藤の Sellmeier方程式（加藤, レーザ研究,vol.18,p3（1990）） より、波長λ1 ，λ2 ，λ3 の非線形光学素子１５の入射面１５ａに対する屈折率は、それぞれ１．６６３８，１．７５８５，１．７３２６となる。なお、和周波出力は、簡単のために非線形光学素子１５の内部における波長λ1 および波長λ2 の入射光のビーム強度、および、ビームの空間的重なりの積分に比例するものとする。但し、ここでもビームの空間的重なりとは、両者が光軸を共有していることを意味しない。
【００４９】
（ｉ）  波長λ1 （７０７ｎｍ）の光に対し、入射角を角度θB である５９°、屈折角を３１°に固定する。次に、この状態で波長λ2 （２０６ｎｍ）の光の入射角を変化させ、和周波出力が最大となる位置で固定する。図３は、この場合の波長λ2 （２０６ｎｍ）の光の屈折角と相対和周波出力との関係を表している。図より、相対和周波出力は、波長λ2 の光の屈折角が３０．４°のときに最大となる。これにより、和周波出力には最大値が存在し、分離角Δθについても単に大きければよいのではなく最適値が存在することがわかる。よって、このようにすれば簡便かつ最適条件で２つの入射光の光路を空間的に分離して規定することができる。同時に、波長λ1 の光と波長λ2 の光とは屈折角３１°で同軸となるが、このように、出力が最大となるのは光路が共有される場合ではないことがわかる。
【００５０】
（ｉｉ）  波長λ2 （２０６ｎｍ）の光に対し、入射角を角度θB である６０．４°、屈折角を２９．６°に固定する。この状態で波長λ1 （７０７ｎｍ）の光の入射角を変化させ、和周波出力が最大となる位置で固定する。図４は、この場合の波長λ1 （７０７ｎｍ）の光の屈折角と相対和周波出力との関係を表している。図より、相対和周波出力は、波長λ1 の光の屈折角が２９．９°のときに最大となり、この位置で最適化されることがわかる。波長λ1 の光と波長λ2 の光は屈折角２９．６°で同軸となるが、この場合も出力が最大となるのは光路が共有される場合ではない。
【００５１】
なお、これらの例では固定される側の入射角をθB としたが、θB ±５°程度の範囲内において入射角を選ぶようにしてもよい。
【００５２】
この方法によれば、入射角の角度θB からのずれにより共振器損失が増大したり、２つの入射光のビーム重なりが小さくなるために和周波変換効率が低下したりする虞があるが、入射光の空間分離により波長分離ミラーを共振器内に設けずに済むので共振器内損失を大きく低減することが可能であり、例示したように、却って総合効率を高めることができる。
【００５３】
また、波長や偏光の組み合わせ、および非線形光学素子１５の種類等によっては、例えば波長λ1 の光および波長λ2 の光の分散や複屈折が小さい場合や、ビームの発散角が大きい場合などが生じる。このような場合に、本変形例の方法を用いれば、分離角を拡大するように誘導し、入射光である波長λ1 の光および波長λ2 の光を確実に空間分離することができる。
【００５４】
更に、このようにして分離角を操作し、例えば波長λ1 の光および波長λ2 の入射角が角度θB より大きくなるようにして分離角を大きく拡げると、非線形光学素子１５とミラー３３およびミラー４１との距離が短くなり、レーザ光発生装置１を小型化することができる。ちなみに、前述のBerkeland らによる装置では、分離角を充分大きくしていないため、損失最小または変換効率最大となるように設計すると非線形光学素子から反射ミラーまでの距離が長くなり、装置が大型化することになる。この装置は、例えば実験室における分光用途の光源としては優れたものであるが、産業用途としては不向きである。
【００５５】
以下、変形例と合わせて第１の実施の形態を説明する。
【００５６】
このようにして、波長λ1 の光および波長λ2 の光の光路を決定したレーザ光発生装置１において、非線形光学素子１５を入射面１５ａと同一面内で移動するように平行移動させる光路調整機構を備えて波長λ1 の光および波長λ2 の光の光路を移動調整するようにすると、光路の相対位置の微調整を簡便に行なうことができる。こうして波長λ1 の光および波長λ2 の光のビーム重なり位置や重なり量を調節するようにすると、出力を加減したり最適化することが可能となり好ましい。このとき、非線形光学素子１５が入射面１５ａおよび出射面１５ｂを垂直とし、レーザ光発生装置１におけるレーザ光の全ての光路が１つの水平面内にあるように構成すると、光路調整が容易となる。
【００５７】
また、最終的に得られる和周波である波長λ3 の深紫外光は、図２に示したように波長λ1 の光と波長λ2 の光の間より出射される。従って、波長λ3 の光は、プリズム等の波長分離素子を用いることなく、例えばアパーチャー程度の空間分離機能を有する素子のみを併用し、ミラー３３およびミラー４１のサイズや位置を工夫することによって外部に取り出すことも可能である。波長λ3 に対する波長分離膜の透過率が現状ではあまり大きくないことを考慮すると、有効な出力方法である。
【００５８】
このようなレーザ光発生装置１は、例えば次のように動作する。
【００５９】
まず、第１のレーザ発生器１０より波長λ1 の光が出力される。この波長λ1 の光は、ミラー２０，光学素子２１を介して波長変換部１２の第１の共振器１３に入力される。第１の共振器１３において、波長λ1 の光はミラー３０，３１，３２，更に非線形光学素子１５，ミラー３３をこの順に周回し、共振させられる。また、第２のレーザ発生器１１より波長λ2 の光が出力される。この波長λ2 の光は、光学素子２２，ミラー２３、光学素子２４を介して波長変換部１２の第２の共振器１４に入力される。第２の共振器１４において、波長λ2 の光は、ミラー４０，非線形光学素子１５，４１，４２，およびミラー４３をこの順に周回し、共振させられる。このとき、非線形光学素子１５において波長λ1 の光と波長λ2 の光による波長λ3 の和周波が発生し、丁度ミラー３３とミラー４１との間を通過して波長変換部１２から出力される。
【００６０】
和周波出力の波長幅は、例えばスペックル低減、レンズ色収差、干渉計コヒーレンス長の要請によって様々に設定される一方で、第１のレーザ発生器および第２のレーザ発生器の線幅あるいは帯域幅により段階的に分類できる。すなわち、固体レーザにおいて簡単な帯域制限を施した場合では出力光の波長幅は１０ｐｍ以下、気体レーザの帯域幅に相当する程度に固体または半導体のレーザを挟帯域化した場合では１ｐｍ以下、更に、レーザ光を単一周波化した場合では０．１ｐｍ以下とすることができる。
【００６１】
このように、本実施の形態のレーザ光発生装置１においては、波長λ1 の光と波長λ2 の光が互いに空間的に分離した状態で入射面１５ａより非線形光学素子１５に入射され、波長λ1 、波長λ2 および波長λ3 の光が互いに空間的に分離した状態で出射面１５ｂより出射され、それぞれが異なる光路を有するようにしたので、第１の共振器１３および第２の共振器１４において従来の共振器に生じていたような光学損失の発生が阻止され、損失低減の結果として高い共振器フィネスが得られ、和周波混合における変換効率が向上する。特に、出力光は出射面１５ｂにおいて既に空間分離されていることから、波長分離ミラーを波長変換部１２に設けずに済み、損失を大きく低減することができる。
【００６２】
また、第１の共振器１３および第２の共振器１４はその内部の光路を共有しないので、一方に損傷が起きても他方において損失が生じることがなく、万が一、共振器１３または共振器１４に損失が起きても全体として共振器損失が増大することが防止され、より安定的に長時間動作させることができる。なお、従来の共振器において素子１５に施されていたような全ての透過光に対する損失低減条件を満足するコーティングは不要であり、こうしたコーティングによる光学損失を省くことができ、簡便に装置を構成することができると共に低コスト化を図ることもできる。
【００６３】
更に、入射面１５ａにおける波長λ1 の光と波長λ2 の光の入射角をそれぞれの波長に応じたブリュースター角θB としたので、非線形光学素子１５における反射損失を低減することができる。
【００６４】
更にまた、第１のレーザ光発振器１０および第２のレーザ光発振器１１は連続紫外光を発生するようにしたので、このようなレーザ光発生装置１は、パルス光に比べてスペックル除去に有利な照明光となり得、より被検体にダメージを与えにくいものとして、例えば顕微鏡や、半導体等の検査装置として応用することができる。
【００６５】
第１のレーザ光発生器１０および第２のレーザ光発生器１１を含んだレーザ光発生装置１を全固体レーザ装置として構成されるようにしたので、例えばガスレーザ装置の場合に必要となる外部冷却水の配管や大容量電源が不要となり、装置規模を小型化することができる。また、全固体レーザ装置であれば、大出力化しても良好な波長特性を安定して得ることが容易となる。なお、第２のレーザ光発生器１１は、単一周波数で発振する半導体レーザにより構成されるようにしたので、一定の精度で絶対波長を容易に安定化させることができる。
【００６６】
＜２．第２の実施の形態＞
図５は本発明の第２の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。このレーザ光発生装置２は、第１の実施の形態におけるレーザ光発生装置１において、第２のレーザ光発生器１６が第２の共振器１４の内部に設けられたものであり、例えば、光や電流等の出力により第２のレーザ光発生器１６を励起する手段（図示せず）が接続されている。従って、第１の実施の形態では第２の共振器１４は第２のレーザ光発生器１１の外部共振器であったが、ここでは、第２の共振器１４の内部に第２のレーザ光発生器１６というレーザ媒質が組み込まれるように構成されて、両者が一体化している。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６７】
第２のレーザ光発生器１６は、第２の共振器１４においてミラー４２とミラー４３との間に設けられ、第２のレーザ光発生器１１と同様、例えば６５０ｎｍ以上７８５ｎｍ以下の範囲内の波長（λ2 ）の連続紫外光を出力するようになっている。また、その構成材料も第２のレーザ光発生器１１と同様であり、例えば、半導体レーザまたはチタンサファイア，アレクサンドライト，Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ，ＣｒＬｉＳＡＦ等の固体レーザなどを用いることができる。なお、この第２のレーザ光発振器１６は、光を出力すると同時に出力光を第２の共振器１４を通じて増幅するようになっている。
【００６８】
このようなレーザ光発生装置２は、レーザ光発生装置１と同様にして和周波を出力する。このとき、第２の共振器１４では、波長λ2 の光がミラー４０〜４３および第２のレーザ光発生器１６で構成される光路を周回し、単に共振する場合よりも大きなゲインを得る。
【００６９】
よって、本実施の形態によれば、波長λ2 の光が、第２のレーザ光発生器１６自体により増幅され、大きな光出力で非線形光学素子１５に入射するようにしたので、和周波出力を向上させることができる。なお、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
＜３．第３の実施の形態＞
図６は本発明の第３の実施の形態に係るレーザ光発生装置の概略構成を表している。このレーザ光発生装置３は、第１の実施の形態におけるレーザ光発生装置１において、第２の共振器１４の内部に増幅器としてレーザ利得媒体４４を付加したものである。これは、インジェクションロッキングと呼ばれる１つの増幅方式である。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７１】
レーザ利得媒体４４は、第２の共振器１４においてミラー４２とミラー４３との間に設けられており、図示しないマスターレーザからの入力を受けて能動的に共振器１４のゲインを増大させるようになっている。マスターレーザには小出力の半導体レーザや固体レーザを用いればよく、レーザ利得媒体４４としては、例えば、半導体増幅器または、チタンサファイア結晶，アレクサンドライト結晶，Ｃｒ：ＬｉＣＡＦ結晶，Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ結晶等の固体利得媒質などを用いることができる。このうち固体利得媒質を用いる場合には、レーザ利得媒体４４は半導体レーザーまたは半導体レーザー励起固体レーザで励起されるようにすると、サイズの小型化や高効率化のうえで望ましい。
【００７２】
このようなレーザ光発生装置３は、レーザ光発生装置１と同様にして和周波を出力する。このとき、第２の共振器１４では、波長λ2 の光がミラー４０〜４３およびレーザ利得媒体４４で構成される光路を周回し、単に共振する場合よりも大きなゲインを得る。
【００７３】
従って、本実施の形態によれば、波長λ2 の光がレーザ利得媒体４４で増幅された大きな光出力で非線形光学素子１５に入射するようにしたので、和周波出力を向上させることができる。なお、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
＜４．第４の実施の形態＞
図７は本発明の第４の実施の形態に係る紫外線顕微鏡の概略構成を表している。この紫外線顕微鏡１００は、レーザ光発生装置１０１、光学系１０２、ビームスプリッタ１０３、対物レンズ１０４、被検物１０５を載置するためのステージ１０６、結像光学系１０７、画像取得部１０８、画像変換部１０９および画像表示部１１０を備えている。ここで、レーザ光発生装置１０１は、本発明のレーザ光発生装置であり、例えば、上記第１〜第３の実施の形態のいずれかによって構成されている。また、光学系１０２は、ビーム整形、スペックル低減、一様ビーム形成、ビーム偏向、偏光制御、光量調節、絞りなどの機能を有するものであり、レンズ、ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されている。更に、ビームスプリッタ１０３は、偏光ビームスプリッタとしてもよく、その場合にはビームスプリッタ１０３と対物レンズ１０４とのに間に１／４波長板を入れるようにしてもよい。なお、被検物１０５としては、例えば、半導体基板、半導体集積回路、光学素子、液晶基板、液晶機能素子、ディスクヘッド、生物体、その他紫外線の一部を反射・散乱する微細構造を有する物体などを挙げることができる。
【００７５】
画像取得部１０８は、結像光学系１０７において得られる画像の情報を光信号として取得し、取得した画像情報をアナログ信号に変換・出力するものであり、例えば、フォトダイオードアレイにＣＣＤ（Charge Coupled Device;電荷結合素子）を接続したＣＣＤ撮像素子や、撮像管等により構成されている。また、画像変換部１０９は、画像取得部１０８から入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換・出力するものであり、Ａ／Ｄ変換器等により構成されている。更に、画像表示部１１０は、画像変換部１０９から入力されるディジタル信号から画像を再生し表示するものであり、各種のディスプレイ装置により構成することができる。なお、この紫外線検査装置１００には、図示しないが被検物の搬送装置、シールド、オートフォーカス装置、除震装置等が付設されている。
【００７６】
このような紫外線検査装置１００は、次のように動作する。すなわち、レーザ光発生装置１０１より紫外光が出力され、この光に対し、光学系１０２において空間均一化、整形、時間均一化、光量調整が行なわれる。続いて、光がビームスプリッタ１０３に入射すると、このうちの一部が対物レンズ１０４に入射し、ステージ１０６に載置された被検物１０５に照射される。
【００７７】
次いで、被検物１０５から対物レンズ１０４を透過してビームスプリッタ１０３に到達した光は、更に結像光学系１０７を経て画像取得装置１０８に投影される。ここでは、図示しないオートフォーカス機構により、対物レンズ１０４と被検物１０５の距離を変化させ、画像取得部１０８において得られる画像が被検物１０５を拡大した共役像となるように調節される。オートフォーカスの方法には、画像の分解能の変化を利用したもの、別光源の光を照射してこのビームの焦点位置を合わせるもの、センサーと被検物のつくる空間の静電容量の変化を検出するものなど、いろいろなタイプが使用可能である。
【００７８】
更に、画像取得部１０８では、結像光学系１０７から投影された光が信号として取得され、これがアナログ信号に変換され、画像変換部１０９に出力される。画像変換部１０９では、信号のＡ／Ｄ変換が行なわれると共に、画像の拡大・縮小や、ユーザー用機能の付加、データ保存用のフォーマット変換等が行なわれ、ディジタル化された信号は画像表示部１１０に送られる。最後に、画像表示部１１０では、画像変換部１０９から入力されるディジタル信号から画像が再生され表示される。
【００７９】
このような紫外線顕微鏡１００によれば、光源であるレーザー光発生装置１０１に本発明のレーザ光発生装置を用いて、２００ｎｍ程度以下の連続波を出力するようにしたので、従来の連続波光源に比してより高解像度の画像を取得・解析することができる。また、この紫外線顕微鏡１００の出力が連続波であることから、スペックル低減と共に同程度の波長のパルス光源に比べて光学系や被検物に与える損傷を抑制することができる。従って、例えば、半導体ウェーハ、半導体パターン、液晶パターン、レチクル、生体等の蛍光発生物などに代表される従来では高分解能の測定法によれば非破壊検査ができなかった分野においても、非破壊検査が可能となり、被検物の対象を拡げることができる。更にまた、レーザー光発生装置１０１に本発明のレーザ光発生装置を用いていることから、真空を要しないためにスループットを高くすることができる。
【００８０】
なお、画像変換部１０９および画像表示部１１０は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータを含んで構成することができ、画像変換部１０９もしくは画像表示部１１０に画像解析、画像データ分析などのためのアプリケーションプログラムを搭載することができる。また、紫外線顕微鏡１００に対してデータ入出力装置、ユーザインターフェイス、或いは特殊フィルタ等を必要に応じて付設することも可能である。このように、画像の加工をはじめとする各種の機能を付加することができる。
【００８１】
また、これにより、紫外線顕微鏡としてのみならず、半導体検査装置、マスク検査装置、液晶検査装置およびディスクヘッド検査装置といった各種の検査装置を構成することができる。この紫外線顕微鏡１００に、例えば、ウエハ搬送機構、データ入出力部、データ保存部、および欠陥分類プログラム、統計ソフトなどを付加することにより、半導体ウェーハーや半導体集積回路を検査する半導体検査装置とすることができる。また、被検物１０５をマスク或いはレチクルとすることでマスク検査装置とすることができ、ハードディスクの基板やヘッドのギャップなどの微細構造を検査できるディスクヘッド検査装置として構成することも可能である。更に、紫外線の吸収特性を利用すれば、可視光を透過してしまい通常見ることができない構造を観察することができるので、例えば液晶などの欠陥や構造を判定することができる。いずれの検査装置においても、被検物への損傷やスペックル等によるノイズを低減して、高い分解能で検査することができる。
【００８２】
また、従来顕微鏡に用いられてきた波長域の光では吸収の少ない物質においても、２００ｎｍ以下の波長を吸収することが多い。従って、このような吸収により物質に蓄えられたエネルギーが、欠陥や不純物または意図的に添加したマーカー等から発生する蛍光として再放出されるときに、この蛍光を検出するようにすれば、紫外線顕微鏡１００を物質の純度や不純物の種類、濃度、活性状態などを検査する蛍光顕微鏡として用いることができる。
【００８３】
＜５．第５の実施の形態＞
図８は本発明の第５の実施の形態に係るディスクマスタリング装置２００の概略構成を表している。このディスクマスタリング装置２００は、レーザ光発生装置２０１、光学系２０２、ミラー２０３、対物レンズ２０４、マスターディスク２０５、ステ−ジ２０６を備えている。ここで、レーザ光発生装置２０１は、本発明のレーザ光発生装置であり、例えば、上記第１〜第３の実施の形態のいずれかによって構成されている。また、光学系２０２は、ビーム整形、光量調整装置、多ビーム発生装置、変調器、ビーム偏向器、偏光制御、絞りなどの機能を有するものであり、レンズ、ミラー、プリズム等の光学素子を含んで構成されている。更に、ミラー２０３は、レーザ光発生装置２０１からのレーザ光の進行方向をステージ２０６の方向へ調整するためのものであり、ビームスプリッタであってもよい。また、ステージ２０７は、マスターディスク２０５を載置するものであり、回転および並進する機能を備えている。なお、このディスクマスタリング装置２００には図示しないデータ再生装置、フォーマットエンコーダ、ステージ制御装置、除震装置等が付設されている。
【００８４】
このディスクマスタリング装置２００では、レーザ光発生装置２０１から出力されたレーザ光が、光学系２０２、ミラー２０３および対物レンズ２０４を介してステ−ジ２０６の上のマスターディスク２０５に照射されて、マスターディスク２０５の表面の所望の位置にスポットが形成される。このとき、マスターディスク２０５の盤面上に形成されるスポットの直径ｄはおおよそ、
ｄ＝１．２２λ／ＮＡ
（λはレーザ光の波長、ＮＡは開口数）
で与えられるので、同じ開口数のレンズを使用した場合に、従来入手できた連続波レーザーの波長である２６６ｎｍのレーザーに比べて３割程度小さいスポットが形成される。これによれば、理論的には約２倍の記録密度の向上を見込むことができる。
【００８５】
このように、ディスクマスタリング装置２００によれば、光源であるレーザ光発生装置２０１に本発明のレーザ光発生装置を用い、波長が２００ｎｍ程度以下の連続波を出力するようにしたので、従来に比べて２割以上小さなスポットを形成することが可能である。よって、高い記録密度のマスターディスクを作製することができる。
【００８６】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第１の実施の形態では、第１の共振器１３は図１に示したようにミラー３０〜３３により構成されるようにしたが、共振器１３の構造はこの限りではなく、適宜変更可能である。すなわち、ミラーの数は４枚に限定される必要はなく、例えばプリズム等のミラー以外の素子を用いるようにしてもよく、このような光学素子を用いることによりミラーの数を１〜３枚あるいは４枚以上としてもよい。また、ここでは波長λ1 の光がミラー３０から第１の共振器１３に入射するようにしたが、ミラー３２を入射ミラーとして、ミラー３２側から入射させることも可能である。また、第２の共振器１４においても同様に、その構成は適宜変更可能であり、ミラー４０を入射ミラーにせず、他のミラー、例えばミラー４２を入射ミラーとしてもよい。なお、共振器の構成については、第２および第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様であるので、同様な変更が可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１，２，３，１０１，２０１…レーザ光発生装置、１０…第１のレーザ発生器、１１，１６…第２のレーザ発生器、１２…波長変換部、１３…第１の共振器、１４…第２の共振器、１５…非線形光学素子、２０，２３，３０〜３３，４０〜４３…ミラー、２１，２２，２４…光学素子、４４…レーザ利得媒体、１０２，２０２…光学系、１０３…ビームスプリッタ、１０４，２０４…対物レンズ、１０５…被検物、１０６，２０６…ステージ、１０７…結像光学系、１０８…画像取得装置、１０９…画像変換部、１１０…画像表示部、２０３…ミラー、２０５…マスターディスク
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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