(57)【要約】【課題】非線形結晶三硼酸リチウム結晶（ＬＢＯ）の自己発熱による温度勾配による位相整合条件が一様に保たれないことに起因する波長変換効率の低下により、非線形波長変換光源の高出力化が制限されていた。【解決手段】ＬＢＯのＸＹ面内のタイプ１位相整合を特定の制御温度下で用いることで位相整合の温度依存性が低下し、許容温度幅が大幅に大きくなる。この条件を用いることで結晶の自己発熱によるビーム断面内の温度不均一性による非線形変換効率の低下は抑止でき、レーザ光源の高出力化が図れる。【選択図】図１
2014115492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換素子として三硼酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５）を用い、波長λ１の入力光１と波長λ２の入力光２の和周波である波長λ３の出力光３を発生させる非線形波長変換において、前記入力光１、入力光２の進行方向をＸＹ面に平行かつ偏光方向をＺ軸と平行に入射させ、位相整合条件Δｋ＝０を満足して発生する前記出力光３の偏光が前記ＸＹ面上となるタイプ１位相整合であり、その温度微分係数ｄ（Δｋ）／ｄＴ＝０を満たす前記波長変換素子の温度から±２３℃以内に制御され、温度変化に対して位相整合条件が影響されにくい状態が選択されていることを特徴とする和周波混合による波長変換方法。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換方法において、前記波長λ１、λ２がそれぞれ１０６４ｎｍと５３２ｎｍ、前記波長λ３が３５５ｎｍであり、前記波長変換素子の結晶温度が−４９℃乃至−３℃であることを特徴とする波長変換方法。
【請求項３】
請求項１による波長変換手段で、前記波長λ１、λ２が１０４７ｎｍと５２３．５ｎｍで、前記波長λ３が３４９ｎｍであり、前記結晶温度が−３６℃乃至１０℃の範囲内である事を特徴とする波長変換手段。
【請求項４】
請求項１に記載の波長変換方法において、前記波長λ１、λ２がそれぞれ１５４７ｎｍ、２５８ｎｍ、前記波長λ３が２２１ｎｍであり、前記結晶温度が１４０℃乃至１８６℃であることを特徴とする波長変換方法。
【請求項５】
請求項３に記載の波長変換方法で得られた前記波長λ３が２２１ｎｍのレーザ光を波長１５４７ｎｍのレーザ光と和周波混合することにより波長１９３．４ｎｍの出力光を得ることを特徴とする波長変換方法。
【請求項６】
請求項１に記載の波長変換方法において、前記波長λ１、λ２がそれぞれ１５６０ｎｍ、２７６ｎｍ、前記波長λ３が２３４ｎｍであり、前記結晶温度が１００℃乃至１４６℃であることを特徴とする波長変換方法。
【請求項７】
請求項６に記載の波長変換方法により得られた前記波長λ３が２３４ｎｍのレーザ光を、波長１０８０乃至１１３０ｎｍのレーザ光と和周波混合することにより波長１９２．５乃至１９４．５ｎｍの出力光を得ることを特徴とする波長変換方法。
【請求項８】
レーザ光を波長変換素子に透過させて波長変換光を発生させる波長変換装置であり、前記波長変換素子が請求項１ないし７のいずれか一項に記載の波長変換方法であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の波長変換装置において、前記波長λ１、λ２がそれぞれ１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ、前記波長λ３が３５５ｎｍであり、前記波長変換素子の結晶温度が摂氏−２０℃以下であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の波長変換装置において、前記波長λ１、λ２がそれぞれ１５４７ｎｍ、２５８ｎｍ、前記波長λ３が２２１ｎｍであり、前記波長変換素子の結晶温度が摂氏１５０℃乃至１７０℃であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の波長変換装置で得られた前記波長λ３が２２１ｎｍのレーザ光を波長１５４７ｎｍのレーザ光と和周波混合することにより波長１９３．４ｎｍの出力光を得ることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の波長変換装置において、前記波長λ１、λ２がそれぞれ１５６０ｎｍ、２７６ｎｍ、前記波長λ３が約２３４ｎｍであり、前記波長変換素子の温度が摂氏１１０℃乃至１３６℃であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の波長変換装置により得られた前記波長λ３が約２３４ｎｍのレーザ光を波長１１００乃至１１３０ｎｍのレーザ光と和周波混合することにより波長１９３乃至１９４ｎｍの出力光を得ることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１４】
請求項８乃至１３に記載の波長変換装置を用いた光源装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光源装置を照射用光源として用いた検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非線形波長変換技術を用いた波長変換方法、波長変換装置、光源装置、検査装置に関するものであり、特に変換効率を損なわずに光源の高出力化を図ることを特徴とする。
【背景技術】
【０００２】
非線形光学結晶における非線形波長変換を用いたレーザ光源は、微細加工や半導体検査等の産業応用がなされている。中でも近年重要性が増している紫外光の発生には、三硼酸リチウム結晶（ＬｉＢ３Ｏ５、以降ＬＢＯと記す）を用いた和周波混合がよく用いられている。和周波混合とは、一般に２つの異なる波長（l１、l２）のレーザ光を結晶に入射して、下記のエネルギー保存則で決まる短波長（l３）の光を発生させる技術である（例えば非特許文献１）。
【０００３】
【数１】
2014115492.tif 000003
・・・（１）    
【０００４】
実用的な波長変換には、（１）式に加えて相互作用する光の運動量保存則である下記の位相整合条件が必要となる。
【０００５】
【数２】
2014115492.tif 000004
・・・（２）
【０００６】
ここで、添え字１と２は２つの入力光、３は和周波混合過程により発生する光を示しており、上矢印記号付きのｋ（i＝１、２、３）は各光の波数ベクトルである。 通常各光はほぼ平行なので、（２）式は（３）式で表わされる。
【０００７】
【数３】
2014115492.tif 000005
・・・（３）
【０００８】
ここでli（ｉ＝１、２、３）は波長、ｎi（ｉ＝１、２、３）は各波長に対する屈折率である。ＬＢＯは他結晶と比較して一般に損傷閾値が高い上に散乱や吸収も小さく、高出力の短波長光発生に現状最も適した結晶の一つである。
【０００９】
前記応用においては、生産効率や検査感度向上の観点から光源出力の高出力化が強く望まれているが、入力レーザ光強度を増すにしたがい変換効率が飽和、さらには低下し、ある程度以上の出力強度が得られないという問題がある。これは、レーザビームの透過吸収に伴う僅かな吸収発熱により形成されるＬＢＯ結晶内の温度勾配によって、入力光、発生光に対する位相不整合量Δｋの分布が顕著となることから、（２）、（３）式が成り立たない領域が増加し、（１）式の右辺から左辺へのエネルギー移行が進まなくなることによる。
【００１０】
この問題に対し、通常用いられるＹＺ平面内タイプ２位相整合のＬＢＯ結晶（図１）の代わりにＸＹ平面内タイプ１位相整合（図２）を用いることにより、結晶に多少の温度変化が生じてもレーザ光の出力変動を小さくする技術が特許文献１に示されている。ここでタイプ１位相整合とは入射する２つの光の偏光方向が平行な場合、それに対してタイプ２は直交する場合と広く一般に定義される。
【００１１】
以下、従来の技術について詳細を説明する。ＬＢＯ結晶は２軸性結晶であり図３にその屈折率曲面を示す。屈折率はＸＹＺの３方向で異なる系をなしており、極座標（θ、φ）で表わされる結晶内の光線進行方向、波長（λ）、偏光方向、温度により決まる。ＬＢＯの屈折率波長依存性とその温度係数は非特許文献２に示されており、その正確さは産業的な応用においても広く認められている。原著論文より下記に記す。
【００１２】
【数４】
2014115492.tif 000006
・・・（４）
【数５】
2014115492.tif 000007
・・・（５）
【数６】
2014115492.tif 000008
・・・（６）
【００１３】
（上記いずれも２０℃に於いて。）
【００１４】
【数７】
2014115492.tif 000009
・・・（７）
【数８】
2014115492.tif 000010
・・・（８）
【数９】
2014115492.tif 000011
・・・（９）      
【００１５】
（上記ΔＴは２０℃からの変分）
であり、（７）〜（９）式を微分形で表すと
【００１６】
【数１０】
2014115492.tif 000012
・・・（１０）    
【数１１】
2014115492.tif 000013
・・・（１１）          
【数１２】
2014115492.tif 000014
・・・（１２）          
【００１７】
（上記ΔＴは同じく２０℃からの変分）となる。
【００１８】
ＬＢＯはその結晶の対称性から、ＸＹ面内のタイプ１位相整合とＹＺ面内のタイプ２位相整合以外は有効非線形光学係数が０となるので、実用上検討が必要なのはこれら二つの場合だけである。ＸＹ面内（θ＝９０°）のタイプ１位相整合に対する（３）式は、以下のようになる。
【００１９】
【数１３】
2014115492.tif 000015
・・・（１３）
【００２０】
ここで異常光線となる発生光の屈折率はφの関数として以下となる。
【００２１】
【数１４】
2014115492.tif 000016
・・・（１４）
【００２２】
また、ＹＺ平面内（θ＝９０°）のタイプ２位相整合に対しては同様に以下となる。
【００２３】
【数１５】
2014115492.tif 000017
・・・（１５）
【数１６】
2014115492.tif 000018
・・・（１６）
【００２４】
（１３）式や（１５）式を満足する光線の結晶内の進行方向θとφは位相整合角と呼ばれ温度の関数となるが、（４）〜（９）式を用いて計算できる。
【００２５】
波長変換の効率は、集光強度、結晶長、有効非線形定数、ウォークオフと呼ばれる異常光の波面ベクトルとエネルギー進行方向がなす角に依存するが、一般にΔｋと結晶長Ｌの関数として以下の規格化変換効率に略比例する。
【００２６】
【数１７】
2014115492.tif 000019
・・・（１７）
【００２７】
位相整合条件（２）が満たされている状態では、（１７）式は最大値の１となるが、温度が変化すると成立しなくなり（１７）式の値は１より小さくなる（図４参照）。（１７）式の値が０.５以上となる温度幅は位相整合温度許容幅（ΔＴと記す）と呼ばれる。一般にこの値が大きい程、同じ温度変化量に対する出力の変動が小さいという指標値となる。この温度許容幅の計算については非特許文献１において、（１３）、（１５）各式に対応してそれぞれ以下のように示されている。
【００２８】
【数１８】
2014115492.tif 000020
・・・（１８）
【数１９】
2014115492.tif 000021
・・・（１９）
【００２９】
特許文献１においては、ＬＢＯを用いた波長１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ光の和周波混合による３５５ｎｍの紫外光発生において（１８）と（１９）式を評価し、温度０〜６０℃の範囲においてＸＹ面内タイプ１型の方が大きな値となることが示されている（同文献内図５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開２００１−２１９３１
【特許文献２】特開２０００−２００７４７
【特許文献３】特許４５９０５７８
【特許文献４】米国特許６４４１９４８
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】V. G. Dmitriev,G.G. Gurzadyan, D.N. Nikogosyan: Handbook of Nonlinear Optical Crystals, 2ndedn. (Springer, Berlin, Heidelberg 1997).
【非特許文献２】K. Kato,"Temperature-tuned 90ー phase-matching properties of LiB3O5,"IEEE Journal of Quantum Electronics 30,2950-2952 (1994).
【非特許文献３】N. P. Barnes andJ. A. Williams-Byrd, “Averagepower effects in parametric oscillators and amplifiers,” J. Opt. Soc. Am. B 12(1), 124―131 (1995).
【非特許文献４】A.Godard, M. Raybaut, T. Schmid, M. Lefebvre, A.-M. Michel, and M. Pealat,  “Management of thermal effects inhigh-repetition-rate pulsed optical parametric oscillators,”  Opt. Lett., vol 35, pp. 3667-3669(2010).
【非特許文献５】J. Mangin, G.Gadret, and G. Mennerat, “Thermalexpansion, normalized thermo-optic coefficients, θ＝９０°and condition for second harmonic generation of aNd:YAG laser with wide temperature bandwidth in RbTiOPO4” J. Opt. Soc. Am. B, vol. 28,  pp. 873-881(2011).
【非特許文献６】K. Kato, “Temperature insensitive SHG at 0.5321 μm in KTP,” IEEE J. Quantum Electron. 28(10), 1974―1976 (1992).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
産業的によく用いられるＬＢＯを利用した紫外光源としては、波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの和周波混合による３５５ｎｍ光源がある。しかしこれに限らず、例えば波長約１５５０ｎｍと約２５８ｎｍの和周波混合により波長約２２１ｎｍの光を発生する場合（特許文献２）がある。２２１ｎｍは１５５０ｎｍとの再度の和周波混合により波長約１９３ｎｍ光の発生を行う際に必要となる（特許文献３）。１９３ｎｍは半導体マスク検査等の応用上重要な波長である。発明者は、ＬＢＯ結晶を用いた波長約１５６０ｎｍと同２７６ｎｍとの和周波混合によって波長約２３４ｎｍの光を得ることに着目した。２３４ｎｍは波長約１１００ｎｍとの和周波混合により波長約１９３ｎｍ光の発生を行う際に必要となる波長である（特許文献３）。
【００３３】
これらの和周波混合過程では、実効非線形光学係数がほぼ同等でウォークオフ角、角度許容幅のいずれも優れるＹＺ面内のタイプ２位相整合が用いられることが多かった。表１に上記で述べた３つの和周波混合過程の例について、ＸＹ面内のタイプ１位相整合との特性の比較を示す。
【００３４】
表１から、ＹＺ面内のタイプ２位相整合は位相整合条件の温度許容幅が小さいことがわかる。小さいといっても１〜３℃・ｃｍの温度許容幅は一般に実用的と考えられていて、ある程度の結晶の吸収による自己発熱による昇温は結晶の制御温度値を変えることで対応可能であった。しかしながら入力強度を上げていくと、入力光ないし発生光の吸収による自己発熱は次第に顕著となり、レーザビームが通過する結晶断面内の径方向および軸方向に生じる温度勾配によりビーム透過部分全体での位相整合は保たれなくなる。この問題はＬＢＯ結晶に限らずあらゆる非線形光学結晶における高出力光の発生で生じうる問題である。これは例えば非特許文献３において詳細に指摘、分析されているが、温度勾配は結晶の光吸収量に比例し熱伝導率に略反比例する。熱伝導率は物質固有の値なので、光吸収量の増加にしたがい温度許容幅を超える領域が増加していき、全体として変換効率の飽和さらには低下を招く。
【００３５】
【表１】
2014115492.tif 000022
【００３６】
図５に、連続出力の波長１５６０ｎｍの赤外光と２７５ｎｍの紫外光を入射光としてＹＺ平面タイプ２位相整合のＬＢＯ結晶で和周波混合を行い、波長２３４ｎｍの連続光を発生させた際の赤外光入力パワーと発生する２３４ｎｍ光出力、および発生光出力を最大とするための結晶の制御温度変化の例を示している。赤外光の入力を上げていくと次第に発生光出力は上昇するが、高い入力強度において出力は飽和し、５Ｗ以上の入力では低下に転じているのがわかる。また、赤外光の入力増大にともなうビーム透過部分の平均温度上昇を補償するため、発生光出力を最大とするための結晶周囲の制御温度は入力増大量１Ｗあたり約０．７℃低下させてゆく必要があった。
【００３７】
上記例における温度許容幅は表１に示したように１.７℃・ｃｍである。図６に、１５６０ｎｍ光入力パワーを一定として結晶の制御温度を変化させた場合の２３４ｎｍ光発生出力の測定例を示す。最適温度から僅か１℃ずれると出力は２０％程度まで低下し、ほぼ計算通りの結果となっている。したがって１５６０ｎｍ光入力を増大させた際に制御温度を低下させてビーム通過領域の平均温度を一定に保とうとしても、軸方向、径方向の各温度勾配は熱伝導率でほぼ決まってしまうので、温度許容幅が小さい結晶における変換効率の飽和、低下現象を解決することはできない。しかるに、結晶の自己発熱が問題となるような入力強度の波長変換過程においては位相整合条件の温度許容幅が重要であることが示唆されている。
【００３８】
この問題は例えば複数の結晶を並べて用いることにより軸方向の温度勾配を補償して変換効率の低下を軽減される技術が特許文献４に示されている。非特許文献４には、一つの結晶で軸方向の温度勾配を設けて光吸収による温度勾配を補償する方法が報告されている。しかし、これらでは軸方向の温度勾配は多少軽減できるものの径方向の温度勾配は軽減できず、その効果は限定的である。特許文献１においては、ネオジム添加固体レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧの１０６４ｎｍ、Ｎｄ：ＹＬＦの１０４７ｎｍ）の第三高調波（それぞれ３５５ｎｍ、３４９ｎｍ）発生においてはＸＹ面内のタイプ１位相整合の温度許容度が数十℃・ｃｍ−１と比較的大きくなり、加工応用等で重要な出力の立ち上がりが鋭くなるという効果が示されている。
【００３９】
本発明は、三硼酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５、
ＬＢＯ）結晶を用いた和周波混合による非線形波長変換過程に於いて、ＸＹ面内でのタイプ１位相整合で、位相不整合量の温度依存性が極端に小さい特殊条件を選択して用いる事により、ＬＢＯ結晶の吸収による自己発熱でビームの断面に渡って温度勾配が生じる場合でも位相整合条件がほぼ均一に保たれ、変換効率の低下を防ぎ、和周波出力の高出力化（スケーリング）を可能にする事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
発明者は、ＬＢＯのＸＹ面タイプ１位相整合における位相整合条件について詳細に検討を行った。図７は波長１５６０ｎｍと２７５．５ｎｍ光の和周波混合過程におけるＸＹ平面（θ＝９０°一定）のタイプ１位相整合における位相整合角（φ）の温度依存性を―５０℃から+３００℃の範囲で計算したものである。通常は、温度変化に対して一方的に増加ないし減少する位相整合角が、温度１２３℃近傍で極大値のφ
＝５４.４°となっている。このような位相整合角の極値においては、温度変化に対する位相不整合量Δｋの変化率
【００４１】
【数２０】
2014115492.tif 000023
・・・（２０）
【００４２】
（２０）式が０となることから、（１８）式による温度許容幅を評価すると無限大に発散する。実際には無限大の温度許容幅ということはありえないので、このような特異点での動作での温度許容幅の評価には（１８）式を用いることが適当でないと考えられる。そこで（４）〜（９）式を用いて、温度１２３℃で位相整合させた際の（１７）式による規格化変換効率の温度依存性を数値計算した。図８がその結果であり、半値全幅（ＦＨＷＭ）で定義される温度許容幅は約４６℃・ｃｍと極めて大きな値となった。またそれに止まらず、１２３℃前後での変換効率の変化がほぼフラットとなっており、温度変化に対して出力変動が極めて小さい変換が可能であることが判る。
図９は、この極値に対応する温度から２３℃ずれた１００℃で位相整合させた場合の図８に対応する計算結果である。位相整合角の反転により１４５℃付近でも位相整合して規格化変換効率が１となっているが、９１〜１５６℃の広い範囲に渡って変換効率が５０％以上に保たれ、温度許容幅としては６５℃・ｃｍと更に広くなる。このような動作条件もフィードバック制御等で容易に安定化できるので実用的である。図１０はＹＺ平面タイプ２位相整合、動作温度３０℃の場合に対して同じ計算をしたものであるが、位相整合温度許幅は１.７℃・ｃｍであり、３０℃から少しでも温度が変化すると急激に出力が低下し、わずか３℃の変化でほぼ０となってしまうことが判る。このタイプ２位相整合では、実用可能な温度範囲で位相整合角の変化は起こらず温度許容幅は殆ど一定である。以上述べたような位相整合角が温度変化に対して逆転し、その近傍では変換効率がほぼ最大に保たれるという特殊な状況は、非特許文献６においてＲｂＴｉＯＰＯ４結晶のＸＹ平面タイプ２位相整合による１０６４ｎｍ光の第２高調波発生についてのみ報告されている。また非特許文献７においては、ＫＴｉＯＰＯ４結晶による１０６４ｎｍ光の第２高調波発生において、通常はどちらか一方を０°ないし９０°とするθとφを両方とも任意に変化させた特殊な場合に温度許容幅が極端に大きくなることが示されている。しかしＬＢＯという産業上で最も重要な結晶の和周波混合については発明者が知る限り報告がない。
【００４３】
以上を考え、結晶の温度および位相整合角を（２０）式が０となるような特定の値とした場合の各和周波混合における位相整合条件の特性を表２に示す。全ての場合で、４０℃・ｃｍを超える極端に大きな温度許容幅となることが示されている。
【００４４】
【表２】
2014115492.tif 000024
【発明の効果】
【００４５】
このように、ＬＢＯのＸＹ平面タイプ１位相整合において温度変化に対して位相整合角が反転する特異な温度条件があり、その温度付近で動作させると、従来にはない極めて安定で高出力化が可能な波長変換が可能なことを発明者は見出した。図５の動作条件では入力パワーを５Ｗ上昇させると結晶吸収により光通過部分の温度が平均で約３℃上昇し、最大出力を得るためには制御温度を約３℃低下させる必要があった。また、それ以上の入力に対しては、ビーム透過領域内で温度許容幅を超える温度差が生じる部分が増大して出力は低下した。しかし、図８に示した条件では制御温度を一定のまま入力パワーを２０Ｗに上昇させるとビーム通過領域の温度は平均して３℃×４＝１２℃上昇して１３５℃となるが、それでも計算上の変換効率低下は５％程度である。また１２３℃で位相整合させた後に制御温度を１１７℃に低下させた場合、入力パワーを０〜２０Ｗで変化させた場合のビーム通過部分の平均温度は１１７〜１２９℃となり、その範囲での変換効率の低下は１％未満となる。図１３に、従来のタイプ２結晶と本発明のタイプ１結晶を用いた場合の比較の例を示す。表２に示したタイプ１とタイプ２を比較するとタイプ１はウォークオフ角が大きいため低入力ではタイプ２より低効率であるが、本発明では高入力での飽和現象が抑制され、従来の４倍の入力に対しても出力の低下が見られなくなり高出力化が可能となった。
表２に示したように、１０６４ｎｍ＋５３２ｎｍによる３５５ｎｍ光発生においても、結晶温度を―２６℃程度に制御することにより同様の効果が得られ、その前後の温度でも極端に広い位相整合許容幅が得られる。１５４７ｎｍと２５８ｎｍ光の和周波混合の場合は１６３℃前後となる。このように、本発明により温度依存性が小さい或いは温度非依存の位相整合条件を選択することにより、従来はＬＢＯ結晶の自己発熱により不可能であった波長変換光源の高出力化が可能になった。なお、表２に示した温度や位相整合角は（４）〜（９）式による計算結果であり、実際のデバイスでは若干誤差が生じる場合があるが、本発明の本質に影響するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ＹＺ平面（Φ＝９０°）内タイプ２位相整合の説明図
【図２】ＸＹ平面（θ＝９０°）内タイプ１位相整合の説明図
【図３】ＬＢＯ結晶の屈折率曲面の図
【図４】波長変換効率の位相不整合量依存性の図
【図５】タイプ２位相整合ＬＢＯ和周波混合における変換出力の入力依存性例の図
【図６】タイプ２位相整合ＬＢＯ和周波混合における変換出力の制御温度依存性例の図
【図７】ＸＹ平面タイプ１位相整合ＬＢＯ結晶における位相整合角の温度依存性の図
【図８】タイプ１位相整合における変換効率の温度依存性計算結果（１２３℃で位相整合）の図
【図９】タイプ１位相整合における変換効率の温度依存性計算結果（１００℃で位相整合）の図
【図１０】タイプ２位相整合における変換効率の温度依存性計算結果の図
【図１１】ブリュスタ角にカットされた結晶は紙面と平行な偏光を持つ入力または出力光に対しての実施例の一つの図
【図１２】ＬＢＯ結晶がほぼ直方体に加工されており、入射、出射が面に対してほぼ垂直な場合の実施例の一つの図。
【図１３】本発明における入力パワーに対する和周波光出力変化の例の図
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１１は第一の実施例の概要を示す。ＬＢＯ結晶１００は結晶ホルダ２００に固着又は固定されている。結晶ホルダ２００には
温度検出素子２０１固着又は固定されており、この結晶ホルダ２００全体が温度制御素子２０２に固着または固定されている。温度検出素子２０１はサーミスタ、熱電対、白金測温抵抗体などの素子が用いられ、温度制御素子２０２は電熱ヒータ若しくはペルチエ素子が用いられる。
【００４８】
これらは角度調整機構２０３に固定または固着されていて、ＬＢＯ結晶１００のＸＹ面１０２内に、ＬＢＯ結晶１００のＺ軸１０１の周りの角度を調整可能となっている。それぞれの固着または固定方法は熱伝導を妨げない方法が望ましく、熱伝導性エポキシ接着剤、半田付け、又は伝熱シートを挟んだ機械的クランプによって達成される。
【００４９】
波長λ１の入力光１と波長λ２の入力光２は結晶の一方の端面に入射する。入力光１と入力光２は図に描かれていない外部の光学系によって、結晶内でオーバーラップするよう、光学的に調整されていて、この実施例ではＬＢＯ結晶は端面がλ１若しくはλ２に対してブリュスタ入射となるように加工研磨されているので、λ１とλ２の屈折率の違いから入射光１と入射光２は入射角が異なり、結晶の外では重なっていない。
【００５０】
結晶の他方の端面からは変換されずに残った波長λ１の残留入力光４と波長λ２の残留入力光５と結晶内で発生された和周波出力光３が出射される。
【００５１】
図１２は第二の実施例の概要を示す。ＬＢＯ結晶１００は結晶ホルダ２００に固着または固定されている。結晶ホルダ２００には
温度検出素子２０１固着または固定されており、この結晶ホルダ２００全体が温度制御素子２０２に固着または固定されている。温度検出素子２０１はサーミスタ、熱電対、白金測温抵抗体などの素子が用いられる。温度制御素子２０２は電熱ヒータ若しくはペルチエ素子が用いられる。
【００５２】
これらは角度調整機構２０３に固定または固着されていて、ＬＢＯ結晶１００のＸＹ面１０２内に、ＬＢＯ結晶１００のＺ軸１０１の周りの角度を調整可能となっている。それぞれの固着または固定方法は熱伝導を妨げない方法が望ましく、熱伝導性エポキシ接着剤、半田付け、または伝熱シートを挟んだ機械的クランプによって達成される。
【００５３】
波長λ１の入力光１と波長λ２の入力光２は結晶の一方の端面に入射する。入力光１と入力光２は図に描かれていない外部の光学系によって、結晶内でオーバーラップするよう、光学的に調整されていて、この実施例ではＬＢＯ結晶は端面が入力光１及び入力光２とほぼ垂直になるように加工されているので、結晶の外部でも入力光１、入力光２、また出力光３、残留入力光４、残留入力光５はそれぞれほぼ重なっており、図４に描かれていない光学素子によって合成、分離される。
【００５４】
図１２中では明瞭化のためそれぞれの光線は分離して描かれているが、実際の実施例では結晶内で重なるように調整される。
【００５５】
これらいずれの実施例でも温度検出素子２０１と温度制御素子２０２はそれぞれ温度制御装置２０４に接続され、ＬＢＯ結晶１００の温度を一定に保つ。表２に示す条件に温度を合わせ、角度調整機構２０３により位相整合条件の調整を行う事で、位相整合条件が温度の影響を受けにくい状況が生み出される。
【００５６】
例えば、波長１０４７ｎｍと波長５２３．５ｎｍ光の和周波による波長３４９ｎｍ光発生の場合にはＬＢＯ結晶１００の温度を約−１４℃に保つ事で位相整合角は極大となる。この時、角度調整機構２０３は結晶内の伝搬方向がφ＝約３６．７°となるように調整される。
【００５７】
あるいは、同じ波長約１０６４ｎｍと波長約５３２ｎｍ光の和周波による波長約３５４．７ｎｍ光発生の場合にはＬＢＯ結晶１００の温度を約−２６℃に保つ事で温度変化に最も鈍感な位相整合条件が得られる。この時、角度調整機構２０３は結晶内の伝搬方向がφ＝約３７．３°となるように調整される。
【００５８】
別の実施例では、波長１５４７ｎｍと波長２５８ｎｍ光の和周波による波長約２２１ｎｍ光発生の場合にはＬＢＯ結晶１００の温度を約１６３℃に保つ事で温度変化に最も鈍感な位相整合条件が得られる。この時、角度調整機構２０３は結晶内の伝搬方向がφ＝約６０．２°となるように調整される。
【００５９】
さらに別の実施例では、波長１５６０ｎｍと波長２７６ｎｍ光の和周波による波長２３４ｎｍ光発生の場合にはＬＢＯ結晶１００の温度を約１２３℃に保つ事で温度変化に最も鈍感な位相整合条件が得られる。この時、角度調整機構２０３は結晶内の伝搬方向がφ＝約５４．４°となるように調整される。
【００６０】
これらはいずれも大きな位相整合温度許容幅を特徴とし、本発明によって実現されるものである。その効果は結晶が入力光または出力光を吸収する事で自己発熱し、ビームの断面に渡って熱勾配を生じた場合でも位相整合条件は保たれ、効率のよう波長変換が実現される事を可能にする。
【００６１】
別の実施例では、上記実施例により波長２２１ｎｍの出力を安定に得る光源と波長１５４７ｎｍの光源を用いてさらに次段の和周波混合過程により波長１９３．４ｎｍの出力光を得る。
【００６２】
別の実施例では、上記実施例により波長２３４ｎｍの出力を安定に得る光源と波長１１１０ｎｍの光源を用いてさらに次段の和周波混合過程により波長１９３．４ｎｍの出力光を得る。この実施例ではＣＬＢＯ結晶を用いての非臨界位相整合が可能であり、効率のよい１９３．４ｎｍ光の発生が可能である。
【００６３】
別の実施例では、上記実施例によるレーザ光源と波長変換素子用いて所望のレーザ出力が得られる光源装置を実現でき、さらにこれを半導体用フォトマスクやウェハ等の検査装置における照明光源に適用することにより、高感度で安定した検査装置が実現できる。
【００６４】
以上この発明の実施形態を図面及び表を参照して詳述してきたが、ＬＢＯ結晶の位相整合の温度依存性の小さい組み合わせを用いることで、結晶の自己発熱によるビーム断面内の位相不整合量の不均一性は小さく抑制することが出来、レーザ光源の高出力化が可能となる。これにより、従来一般に用いられてきた手段で不可能であったレーザ光源の高出力化が可能になり、産業応用上有用である。
【符号の説明】
【００６５】
１・・・波長λ１の入力光
２・・・波長λ２の入力光
３・・・波長λ３の出力光
４・・・波長λ１の残留入力光
５・・・波長λ２の残留入力光
１００・・・ＬＢＯ結晶
１０１・・・ＬＢＯ結晶のＺ軸方向（または−Ｚ軸方向）
１０２・・・ＬＢＯ結晶のＸＹ面の紙面への投射
２００・・・結晶マウント
２０１・・・温度検出素子
２０２・・・温度制御素子
２０３・・・角度調整機構
２０４・・・温度制御装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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