(57)【要約】【解決手段】本発明は、ＶＥＣＳＥＬの構成である少なくとも一つの半導体レーザ（１０）を備えた、オールソリッドステートＵＶレーザシステムに関する。この半導体レーザ（１０）の増幅構造（３）は、波長範囲の基本放射を放出し、この周波数をＵＶ領域の波長に倍増する。周波数の倍増は、半導体レーザ（１０）の延長キャビティ内に配置された第２高調波を発生させる非線形の光学結晶（６）を用いて行われる。半導体レーザの電気的なポンピングによって、ＧａＮなどの既知の半導体材料を用いて、２００ｎｍ未満のレーザ波長が効率的に発生する。提案されたＵＶレーザシステムは小型で、ＵＶエキシマレーザに比べて低コストで製造され及び作動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムであって、
ＶＥＣＳＥＬの構成である少なくとも一つの半導体レーザ（１０）を備え、前記半導体レーザ（１０）は、第１の反射鏡（４）と外部の反射鏡（７）との間に配置された増幅構造（３）を有し、
前記第１の反射鏡（４）と前記外部の反射鏡（７）とは、半導体レーザ（１０）のレーザ共振器を形成し、
前記増幅構造（３）は電気的にポンプされる電気接点（５）を備え、電気的にポンプされたとき基本放射を放出し、周波数倍増によってＵＶ放射（９）を発生する上記オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
前記外部の反射鏡（７）は、基本放射（８）に対して高い反射性であり、前記ＵＶ放射（９）に対して透明であり、
前記基本放射（８）の第２高調波を発生する固体素子媒体（６）が、レーザ共振器の前記増幅構造（３）と前記外部の反射鏡（７）との間に配置されている、
ことを特徴とするオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項２】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
前記増幅構造（３）と第２高調波を発生させる前記固体素子媒体（６）とは、１７０〜２２０ｎｍの波長範囲の第２高調波の放射を発生させる、
請求項１に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項３】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
固体素子増幅構造（３）は、ＧａＮベースの構造である、
請求項１に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項４】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
第２高調波を発生させる前記固体素子媒体は、ＫＢＢＦの結晶である、
請求項１又は３に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項５】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
第２高調波を発生させる前記固体素子媒体は、ＳＢＢＯの結晶である、
請求項１又は３に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項６】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
前記第１の反射鏡（４）は、前記増幅構造（３）上に成長させられたＤＢＲ構造から形成されている、
請求項１に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項７】
オールソリッドステートＵＶレーザシステムにおいて、
複数の前記半導体レーザ（１０）がレーザ源の配列を形成するように配置されている、
請求項１に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステム。
【請求項８】
マイクロリトグラフィの分野における請求項１に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステムの使用。
【請求項９】
生体分子又は生体医学の用途における請求項１に記載のオールソリッドステートＵＶレーザシステムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オールソリッドステートＵＶレーザシステムに関し、該システムは、ＶＥＣＳＥＬ("Vertical Extended Cavity Surface Emitting Laser")の構成である少なくとも一つの半導体レーザを備え、半導体レーザは第１の反射鏡と外部の反射鏡との間に配置された増幅構造を備え、第１の反射鏡と外部の反射鏡とは半導体レーザにおけるレーザ共振器を形成しているようなオールソリッドステートＵＶレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの技術分野において、小型の紫外線光源を求める強い要求が存在している。例示的な用途は、ディープ紫外線波長領域すなわち深紫外線波長領域におけるマイクロリトグラフィである。この用途において、最も重要な光源はエキシマレーザである。これらのレーザ源は、例えば、波長が２４８ｎｍ、１９３ｎｍ、及び１５７ｎｍで、高い平均出力をもつコヒーレントな放射を発生させることができる。しかしながら、エキシマレーザは、デザインがかさばり、効率が限られ、絶えず保守を必要とする構造を伴う。リトグラフィに使用されるエキシマレーザの代表的な管の寿命は、連続作動においては約５００時間であって、ガス混合物を毎週交換する必要がある。エキシマガスが有毒な性質であることは、マイクロリトグラフィの用途において代替的な光源が強く求められる更なる理由である。
【０００３】
固体素子レーザは、マイクロリトグラフィにおいて、ガス放電レーザに対する良好な代替手段になるだろう。しかしながら、これまでのところでは、所望の低い紫外線波長の放射を直接放出するような固体素子の増幅媒体は存在しない。ＧａＮのレーザダイオードは、今日知られている最も短い波長を提供し、波長は３４５ｎｍ以上の範囲である。
【０００４】
米国特許第６，６９３，９４１号明細書に開示されている半導体レーザシステムは、ＵＶ波長領域のレーザ放射を発生させる。半導体レーザシステムは、ＶＥＣＳＥＬの構成の表面放出タイプの半導体レーザを備え、活性層としてＧａＮタイプの半導体を基礎としている。表面放出タイプの半導体レーザは、ポンピングビーム源として、ＧａＮの半導体レーザによって光学的にポンプされる。活性層から放出された４００ｎｍ〜５６０ｎｍの範囲の基本放射は、表面放出タイプの半導体レーザにおける増幅構造と外部の反射鏡との間に配置された非線形の光学結晶内にて周波数倍増される。この周波数倍増のために、この特許による固体素子レーザシステムは、２００〜２８０ｎｍの波長範囲の紫外線放射を生成することができる。非線形の光学結晶としてＢＢＯを使用すると、位相整合範囲が限られているため、この周波数範囲は２０５ｎｍ以上の周波数に制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような光学的にポンプされる半導体レーザシステムにおいては、ポンプレーザ周波数は、ポンプされた増幅媒体の基本放射に比べて低くなければならない。低い波長、例えば３７５ｎｍでは、ＧａＮポンプレーザの効率が低下するため、このような半導体レーザシステムにおいて充分な効率で、２００ｎｍを下回る低いＵＶ領域のＵＶ放射を得ることは困難である。さらに、開示された非線形のＢＢＯの結晶は、このような低い波長を発生できない。
【０００６】
本発明の目的は、高い効率にて２００ｎｍの波長を下回るＵＶ放射を発生できる小型のＵＶレーザシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載したオールソリッドステートＵＶレーザシステムによって達成される。本発明の有利な改良は、従属請求項で特徴付けられ、または本発明の以下の説明と例示によって指摘される。
【０００８】
提案されたオールソリッドステートＵＶレーザシステムは、ＶＥＣＳＥＬ("Vertical Extended Cavity Surface Emitting Laser")の構成である少なくとも一つの半導体レーザから構成される。半導体レーザは、第１の反射鏡と外部の反射鏡との間に配置された増幅構造を有し、前記第１の反射鏡と前記外部の反射鏡とは、半導体レーザのレーザ共振器を形成している。増幅構造は電気的にポンプされる電気接点を備え、電気的にポンプされたとき基本放射を放出し、周波数倍増によってＵＶ放射を発生する。増幅媒体は、ＧａＮなどの半導体材料をベースとし、充分に高い周波数の放射を放出する。前記外部の反射鏡は、この基本放射に対して高い反射性であり、基本放射を周波数倍増して形成された前記ＵＶ放射に対して充分に透明である。好ましくは非線形光学結晶である固体素子媒体が、前記基本放射の第２高調波を発生するために、レーザ共振器の増幅構造と前記外部の反射鏡との間に配置されている。
【０００９】
誤解を避けるために、本願の説明及び特許請求の範囲において、「備える」という用語は、更なる要素を排斥するものではなく、要素が記載されている場合でも、複数の要素の存在を排斥するものではない。特許請求の範囲において使用されている参照符号は、例示的な実施形態を指示しているだけで、特許請求の範囲を限定するものではない。
【００１０】
本発明によるＵＶレーザシステムは、ＶＥＣＳＥＬの構成の電気的にポンプされる半導体レーザから構成される。増幅構造によって放出される基本放射は、キャビティ内の第２高調波の発生によって周波数倍増される。電気的にポンプされる構成によれば、高い効率で、２００ｎｍ以下の波長のＵＶ放射を発生させることができる。増幅構造と周波数倍増のための固体素子媒体との半導体材料は、低いＵＶスペクトル領域において所望の波長の放射を発生させるために最適に選ばれる。例えば、半導体材料としてＧａＮベースの材料を使用し、第２高調波を発生させる媒体としてＫＢＢＦ（ＫＢＢＦ：ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2）の結晶を使用すれば、１７７ｎｍまでのＵＶ放射を高い効率で発生させることができる。ＫＢＢＦに代えて、ＳＢＢＯ（ＳＢＢＯ：Ｓｒ2Ｂｅ2Ｂ2Ｏ7）の結晶を、本発明によるＵＶレーザシステムにおける非線形の光学結晶として使用することもできる。本発明によるレーザシステムはさらに、小型であって、光学的にポンプされる半導体レーザに比べて、低コストにて製造できる。
【００１１】
ＵＶレーザシステムのいくつかの用途においては、高品質のビームは重要ではないので、本発明のＵＶレーザシステムを発展させて、複数の前記半導体レーザを備え、それらを配置してレーザ源の配列を形成しても良い。この発展形においては、半導体レーザは好ましくは、１９３ｎｍの波長のＵＶ放射を放出する。この波長の放出によれば、本発明によるＵＶレーザシステムは、特に、マイクロリトグラフィの分野において、ＡｒＦのエキシマレーザに代えて使用できる。半導体レーザを配列の形態に配置することで、このレーザシステムは、エキシマレーザ源に代わる充分な出力を提供できる。
【００１２】
本発明によるオールソリッドステートＵＶレーザシステムの用途の好ましい分野は、深紫外線スペクトル領域におけるフォトリトグラフィ又はマイクロリトグラフィの分野である。しかしながら、本発明によるＵＶレーザシステムの使用は、上述の分野に制限されることはない。レーザシステムは、ＵＶレーザ源が必要とされるあらゆる分野に使用でき、例えば、生体医学の診断、生体分子の用途、例えば診断、処理、又は特にゲノム材料などの物質の生産、また、材料処理の分野において一般的に又は特に、空気、水、及び医療の組織の処理、または殺菌の目的のために使用できる。
本発明の上述及び他の態様は、本発明の実施形態と添付図面を参照すると明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によるＵＶレーザシステムの半導体レーザは、垂直な外部キャビティのセットアップにおけるＧａＮベースの半導体レーザのキャビティ内第２高調波の発生をベースとしている。このＶＥＣＳＥＬの構成は、第２高調波の発生のための非線形な光学結晶を具備し、図１に模式的に示されている。この例においては、レーザ共振器の一部分は、ＧａＮベースのレーザダイオード１によって形成され、ＧａＮの増幅構造３と共に、分散形のブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）の共振器の反射鏡を具備している。増幅構造３は、増幅構造３に電気的にポンピングするための前後の電気接点５を備えている。レーザダイオード１はヒートシンク上に取り付けられている。このようなＧａＮベースのレーザダイオードの詳細な構造は当業者に知られているので、この構造については、本願においては詳しく説明しない。本発明によるＵＶレーザシステムにおいては、所定の波長の基本放射のための適切な増幅媒体を備えた、任意の種類の表面放出レーザダイオードが適している。さらに、このレーザダイオードにおいて、例えば分散形フィードバック（ＤＦＢ）構造など、他のタイプの共振器反射鏡を使用することもできる。
【００１４】
本実施形態においては、ＧａＮベースのＶＥＣＳＥＬダイオードは、電気的にポンピングされたとき、３８６ｎｍの基本放射８を放出する。外部共振器反射鏡７は、ＧａＮベースのレーザダイオード１から離れて配置され、レーザダイオード１の増幅構造３に成長させたＤＢＲ反射鏡４と併せて、レーザ共振器を形成している。この外部共振器反射鏡７は、基本波長に対して高い反射性であり、第２高調波の放射に対しては透明である。この第２高調波の放射に対する透明度は、１００％である必要はないが、このＵＶ放射の大部分をカップリングするのに充分である。第２高調波の放射９は、この事例では１９３ｎｍの波長を有し、延在するレーザキャビティの内側、すなわち、レーザダイオード１と外部の反射鏡７との間に配置された、非線形の光学結晶６の中で基本放射から発生する。この例においては、この非線形の光学結晶６は、ＫＢＢＦの結晶であって、プリズム接続技術によって、延在するレーザキャビティに取り付けられる。このようなプリズム接続技術では、基本放射は、結晶の両側に固定された結晶を出入りするプリズムを介して接続される。
【００１５】
ＧａＮベースのレーザダイオードの基本放射の波長は、レーザの構造と増幅媒体のドーピングとによって制御されるので、増幅構造の製造において上述のパラメータを変化させることで、他のＵＶ波長を発生させることもできる。
【００１６】
電気的なポンピングに応じて、このようなＵＶレーザシステムは連続波又はパルスモードにて作動することができる。さらに、本発明のＵＶレーザシステムは、一つの単一な半導体レーザに制限されない。図２は、図１の半導体レーザ１０の複数が、レーザ源の配列を形成するように配置されてなる、ＵＶレーザシステムの例を模式的に示している。図２は、このような配列を、放出されるＵＶレーザビームとは反対方向に示している。
【００１７】
本発明によるオールソリッドステートＵＶレーザシステムによれば、今日のマイクロリトグラフィのための光源、特に、かさばるエキシマレーザに置き換えることができる。それにもかかわらず、本発明によるオールソリッドステートＵＶレーザシステムは、低いＵＶ波長の領域のための小型で低コストのＵＶレーザ源のニーズに合わせて、多くの他の用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明によるＵＶレーザシステムの構成の例である。
【図２】図２は、半導体レーザの配列によって形成された、本発明によるＵＶレーザシステムを示した模式図である。
【符号の説明】
【００１９】
１：ＧａＮベースのＶＥＣＳＥＬダイオード
２：ヒートシンク
３：ＧａＮベースの増幅構造
４：ＤＢＲ反射鏡
５：電気接点
６：非線形の光学結晶
７：外部の反射鏡
８：基本放射
９：第２高調波の放射
１０：半導体レーザ
ＶＥＣＥＬ"vertical extended cavity surface emitting laser")：垂直延在キャビティ表面放出レーザ
ＢＢＯ：（β − ＢａＢ2Ｏ4）
ＫＢＢＦ：ＫＢｅ2ＢＯ3Ｆ2
ＳＢＢＯ：Ｓｒ2Ｂｅ2Ｂ2Ｏ7
ＤＢＲ：ブラッグリフレクタ
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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