(57)【要約】【課題】  ダイクロイックミラーを使用せず、従って長時間使用しても波長変換効率の低下が少ない波長変換光学系を提供する。【解決手段】  Ｐ偏光の基本波１と、Ｐ偏光の７倍波３は、それぞれレンズ４、レンズ５により、ＣＬＢＯからなる８倍波発生用波長変換素子６の入射面６ａに集光される。８倍波発生用波長変換素子６の入射面６ａは、その光軸に対して57.7°の角度をなすようにカットされ、この入射面６ａに対して、基本波１は入射角52.2°で、７倍波３は57.7°で入射する。８倍波発生用波長変換素子６における基本波１の屈折率は1.478であり、７倍波３の屈折率は1.582であるので、屈折後の基本波１と７倍波３は共に８倍波発生用波長変換素子６の光軸に沿って進むようにカップリングされ、これにより、８倍波発生用波長変換素子６を通過するときに効率的に８倍波に変換される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長変換素子と他の光学素子を組み合わせた光学系により、基本波から７倍波を作成し、当該基本波と７倍波を８倍波発生用波長変換素子に入射させることにより８倍波を形成する光学系であって、前記８倍波発生用波長変換素子の入射面を、その光軸（位相整合の方向と平行な軸）に垂直な方向に対して斜めにカットし、入射した前記基本波と７倍波が、前記入射面で屈折して、前記８倍波発生用波長変換素子内での光路が略同一、かつ位相整合方向と平行となるように構成したことを特徴とする波長変換光学系。
【請求項２】
前記基本波と７倍波がＰ偏光の光であり、その少なくとも一方が、ブリュースター角で前記８倍波発生用波長変換素子の入射面に入射することを特徴とする請求項１に記載の波長変換光学系。
【請求項３】
波長変換素子と他の光学素子を組み合わせた光学系により、基本波から７倍波を作成し、当該基本波と７倍波を８倍波発生用波長変換素子に入射させることにより８倍波を形成する光学系であって、前記基本波と７倍波をプリズムにより同一の光路を進むように合成し、その後前記８倍波発生用波長変換素子に入射させるように構成したことを特徴とする波長変換光学系。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の波長変換光学系における、前記８倍波発生用波長変換素子を７倍波発生用波長変換素子に、７倍波を６倍波に、８倍波を７倍波に、それぞれ代えた波長変換光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてＤＦＢ半導体レーザの基本波（波長１５４７ｎｍ）から、その８倍波（波長１９３ｎｍ）又は７倍波（波長２２１ｎｍ）を発生させる波長変換光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶デバイスの製造工程において使用される露光装置、加工装置、治療装置等において、波長が200nm程度の深紫外光が用いられるようになってきている。このような深紫外光は、例えばArＦエキシマレーザ等で発生することができるが、ArＦエキシマレーザ等では、短いパルス幅のレーザ光を発生することができない。
【０００３】
そこで、これに変わるものとして、半導体レーザ（例えばＤＦＢレーザ）を使用し、それから発生するレーザ光の波長を、波長変換素子を利用して短くし、短パルス幅の深紫外光を得る方法が開発され、例えば特開２００１−３５３１７６号公報に記載されている。
【０００４】
図４は、このような固体紫外レーザ装置の全体構成図であり、基本波発生部１０１、波長変換部１０２から構成されている。図５は基本波発生部１０１の概略構成図である。
基本波を発生するレーザ光源は、Ｅｒ３＋添加光ファイバ増幅器であり、主に基本波発生部２０１、ＥＤＦ部２０２、励起用光源部２０３から構成される。
【０００５】
基本波発生部２０１では、ＤＦＢ半導体レーザから波長１５４７ｎｍのパルス光が出力され、ＥＤＦ部２０２により増幅される。ＥＤＦ部２０２はＥＤＦ１、ＥＤＦ２、ＥＤＦ３の３段階のＥＤＦから構成され、励起用光源部２０３からそれぞれのＥＤＦへ励起光が供給される。ＥＤＦ部２０２からの出力光が後に説明する波長変換部に入力される。
【０００６】
図６は５種類の非線形光学結晶を用い、５段階の波長変換を行う場合の波長変換部の概略構成図である。波長変換部は基本波発生部から出力される波長１５４７ｎｍのレーザ光の波長変換を行い、その８倍波である波長１９３ｎｍのレーザ光を放出する。
【０００７】
波長変換部は主に複数の波長変換手段、すなわち、２倍波発生部２１、３倍波発生部２２、４倍波発生部２３、７倍波発生部２４、８倍波発生部２５から構成されている。
具体的には、各高調波発生部とも非線形光学結晶を用いており、２倍波発生部２１、３倍波発生部２２、４倍波発生部２３にはＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）結晶を、７倍波発生部２４にはβ−ＢａＢ２Ｏ４（ＢＢＯ）結晶を、８倍波発生部２５にはＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）結晶を用い、それぞれ波長７７３ｎｍ、５１６ｎｍ、３８７ｎｍ、２２１ｎｍ、１９３ｎｍを発生する。
【０００８】
さらに、２倍波発生部２１、３倍波発生部２２では温度位相整合を行い、４倍波発生部２３、７倍波発生部２４、８倍波発生部２５では角度位相整合を行っている。温度位相整合部は温度調節手段３０および図示しない温度制御手段により100℃以上の一定温度に制御されているが、高温のため角度位相整合部の温度変動の要因になると考えられる。そのため角度位相整合部分も、温度調節手段３０および図示しない温度制御手段により温度が一定に保たれるよう温度制御を行っている。
【０００９】
なお、図６において、２６はレンズ、２７はシリンドリカルレンズ、２８はダイクロイックミラー、２９はミラーである。波長変換の原理及びその作用については、前記特許文献１に説明されており、かつ、本発明の趣旨と直接の関係がないので、その説明を省略する。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−３５３１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図６に示すような波長変換部（波長変換光学系）においては、基本波と７倍波をカップリングして８倍波発生部２５に入射させるために、ダイクロイックミラー２８を使用している。しかしながら、ダイクロイックミラーは、多層光学薄膜を使用しているため、７倍波（８倍波の波長が１９３ｎｍのときの波長は２２１ｎｍ）のような深紫外光に対する耐性が低い。すなわち、長時間７倍波を照射すると多層光学薄膜が損傷し、反射率の低下やビーム品質の低下が発生する。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、８倍波発生用又は７倍波発生用の波長変換光学系であって、ダイクロイックミラーを使用せず、従って長時間使用しても波長変換効率の低下が少ない波長変換光学系を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するための第１の手段は、波長変換素子と他の光学素子を組み合わせた光学系により、基本波から７倍波を作成し、当該基本波と７倍波を８倍波発生用波長変換素子に入射させることにより８倍波を形成する光学系であって、前記８倍波発生用波長変換素子の入射面を、その光軸（位相整合の方向と平行な軸）に垂直な方向に対して斜めにカットし、入射した前記基本波と７倍波が、前記入射面で屈折して、前記８倍波発生用波長変換素子内での光路が略同一、かつ位相整合方向と平行となるように構成したことを特徴とする波長変換光学系（請求項１）である。
【００１４】
本手段においては、８倍波発生用波長変換素子における基本波と７倍波の屈折率の違いを利用して、８倍波発生用波長変換素子の入射面に基本波と７倍波を異なった入射角で入射させ、屈折後の基本波と７倍波の光路が８倍波発生用波長変換素子の光軸（位相整合の方向と平行な軸のことを光軸と称している。従って一つではない。）と一致するようにすることにより、基本波と７倍波のカップリングを行っている。そして、これを実現するために、８倍波形成波長変換素子の入射面を、その光軸に直角な方向に対して斜めにカットしている。本手段によれば、基本波と７倍波のカップリングを８倍波発生用波長変換素子を使用して行うようにしているので、ダイクロイックミラーを使用する必要が無くなり、長時間使用しても波長変換効率の低下が少ない波長変換光学系とすることができる。
【００１５】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記基本波と７倍波がＰ偏光の光であり、その少なくとも一方が、ブリュースター角で前記８倍波発生用波長変換素子の入射面に入射することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１６】
ブリュースター角でＰ偏光の光を８倍波発生用波長変換素子の入射面に入射させることにより、無反射状態で入射させることができ、波長変換効率を高めることができる。
【００１７】
前記課題を解決するための第３の手段は、波長変換素子と他の光学素子を組み合わせた光学系により、基本波から７倍波を作成し、当該基本波と７倍波を８倍波発生用波長変換素子に入射させることにより８倍波を形成する光学系であって、前記基本波と７倍波をプリズムにより同一の光路を進むように合成し、その後前記８倍波発生用波長変換素子に入射させるように構成したことを特徴とする波長変換光学系（請求項３）である。
【００１８】
本手段においては、基本波と７倍波をプリズムにより同一の光路を進むように合成し、その後８倍波発生用波長変換素子に入射させるようにしているので、ダイクロイックミラーを使用する必要が無くなり、長時間使用しても波長変換効率の低下が少ない波長変換光学系とすることができる。
【００１９】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段における、前記８倍波発生用波長変化素子を７倍波発生用変換素子に、７倍波を６倍波に、８倍波を７倍波に、それぞれ代えた波長変換光学系（請求項４）である。
【００２０】
本手段には、基本波と６倍波から７倍波を形成するものであるが、前記第１の手段から第３の手段と同様、長時間使用しても波長変換効率の低下が少ない波長変換光学系とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、８倍波発生用、又は７倍波発生用の波長変換光学系であって、ダイクロイックミラーを使用せず、従って長時間使用しても波長変換効率の低下が少ない波長変換光学系を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。本発明の実施の形態である波長変換光学系は、いずれも、８倍波発生用の波長変換素子に、基本波と７倍波を入射させて８倍波を発生させる部分以外は、図５に示した波長変換光学系と同一であるので、この８倍波を発生する部分のみを示して、他の部分の説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施の形態における８倍波発生部分の光学系を示す図である。Ｐ偏光の基本波１（波長１５４７ｎｍ）と、ＢＢＯからなる７倍波発生用波長変換素子２で発生したＰ偏光の７倍波３（波長２２１ｎｍ）は、それぞれレンズ４、レンズ５により、ＣＬＢＯからなる８倍波発生用波長変換素子６の入射面６ａに集光される。レンズ５は、実際は図５に示すように２つのシリンドリカルレンズの組み合わせからなるが、一つのレンズとして図示している。
【００２４】
８倍波発生用波長変換素子６の入射面６ａは、その光軸に対して57.7°の角度をなすようにカットされ、この入射面６ａに対して、基本波１は入射角52.2°で、７倍波３は57.7°で入射する。８倍波発生用波長変換素子６における基本波１の屈折率は1.478であり、７倍波３の屈折率は1.582であるので、屈折後の基本波１と７倍波３は共に８倍波発生用波長変換素子６の光軸に沿って進むようにカップリングされ、これにより、８倍波発生用波長変換素子６を通過するときに効率的に８倍波に変換される。
【００２５】
なお、基本波と７倍波は共にＰ偏光であり、入射角がブリュースター角となるように調整されている。よって、８倍波発生用波長変換素子６の入射面６ａに入射するときに反射が無く、これにより効率的に波長変換に寄与することができる。
【００２６】
図２は、本発明の第２の実施の形態における８倍波発生部分の光学系を示す図である。以下の図において、本欄における前出の図に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付して、その説明を省略する。基本波１（波長１５４７ｎｍ）と、７倍波３（波長２２１ｎｍ）は、それぞれ、レンズ４、レンズ５により集光されて、プリズム７、プリズム８により一つの光線にまとめられ、８倍波発生用波長変換素子６に入射して８倍波に波長変換される。
【００２７】
プリズム７、プリズム８としては、深紫外線に対して耐久性の高い蛍石やMgＦ２を使用することが好ましい。この実施の形態の場合、蛍石を使用しているが、蛍石の基本波１に対する屈折率は1.426、７倍波３に対する屈折率は1.481である。よって、プリズム７として頂角68.1°のプリズムを使用し、入射面に対して基本波１を入射角45.2°、７倍波３を入射角度56.0°で入射させている。一方、プリズム８として頂角68.1°のプリズムを使用し、入射面に対して基本波１を入射角50.1°、７倍波３を入射角度56.0°で入射させている。このような光学系により、基本波１と７倍波３の光路を同一にすることができる。
【００２８】
図３は、本発明の第３の実施の形態における８倍波発生部分の光学系を示す図である。この実施の形態においては、図３に示すような一つのプリズム（Pellin-Brocaプリズム）９を使用して、基本波１（波長１５４７ｎｍ）と、７倍波３（波長２２１ｎｍ）の光路を同一にして、８倍波発生用波長変換素子６に入射させている。
【００２９】
基本波１は、プリズム９の入射面９ａに入射角43.3°で入射し、反射面９ｂで全反射されて、出射角47.8°で出射する。一方、７倍波３は、９の入射面９ａに入射角47.8°で入射し、反射面９ｂで全反射されて、出射角47.8°で出射する。このようにして、基本波１と７倍波３の光路は、プリズム９を出射するときに同一となる。
【００３０】
以上の説明においては、基本波と７倍波から８倍波を形成する光学系について説明したが、ダイクロイックミラーは、６倍波によっても損傷を受ける場合があるので、上述の光学系を、基本波と６倍波とをカップリグして７倍波発生用波長変換素子に入射させて７倍波を発生させる光学系に使用しても、ダイクロイックミラーを省略することができて耐久性の高い光学系とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における８倍波発生部分の光学系を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における８倍波発生部分の光学系を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における８倍波発生部分の光学系を示す図である。
【図４】固体紫外レーザ装置の全体構成図である。
【図５】基本波発生部１０１の概略構成図である。
【図６】５種類の非線形光学結晶を用い、５段階の波長変換を行う場合の波長変換部の概略構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…基本波、２…７倍波発生用波長変換素子、３…７倍波、４…レンズ、５…レンズ、６…８倍波発生用波長変換素子、６ａ…入射面、７…プリズム、８…プリズム、９…プリズム、９ａ…入射面、９ｂ…反射面、９ｃ…出射面
【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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