(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ装置であって、
多層半導体利得構造を含むレーザ共振器であって、前記利得構造は、光ポンプ放射によって励起され、それによって、基本周波数放射に前記レーザ共振器内で循環させ、前記基本周波数は、前記レーザ共振器の瞬間長さに依存するある範囲の可能な発振周波数のうちの１つである、レーザ共振器と、
前記レーザ共振器内に位置している光学非線形結晶であって、前記光学非線形結晶は、前記循環する基本周波数放射のタイプＩＩ周波数倍加のために配置され、前記光学非線形結晶は、所定の温度範囲において受け入れ帯域幅を有する、光学非線形結晶と、
前記結晶の温度を前記所定の温度範囲内で選択的に変動させるために配置されている加熱要素と、
前記レーザ共振器内に位置している第１の複屈折フィルタであって、前記第１の複屈折フィルタは、利得帯域幅内で発振できる可能な基本周波数の前記範囲を前記光学非線形結晶の受け入れ帯域幅内の前記可能な基本周波数の範囲に制限するように構成および配置されており、前記光学非線形結晶は、結晶温度に依存する伝送ピークを有する第２の複屈折フィルタとして機能する、第１の複屈折フィルタと、
前記第１の複屈折フィルタから反射される基本周波数放射を監視するように配置されている検出器であって、前記反射される放射は、前記第２の複屈折フィルタの伝送ピークが前記可能な発振周波数のうちのある瞬間の発振周波数にあるとき、最小である、検出器と、
前記検出器から誤差信号を受信し、それに応答して、前記監視される反射をほぼ最小に維持し、それによって、前記第２の複屈折フィルタの前記伝送ピークをほぼ前記瞬間の発振周波数に維持するように前記加熱要素を制御するためのコントローラと
を備える、装置。
【請求項２】
前記監視される反射は、前記誤差信号の方向を決定するための傾きを提供する非ゼロ値に維持される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記監視される反射は、循環基本周波数放射電力の約５０パーツ・パー・ミリオンの値である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記レーザ共振器は、長さ約７０ｍｍを有し、可能な発振波長は、約７ピコメートルずつ分離されている、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記光学非線形結晶は、ホウ酸リチウム結晶である、請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
レーザ装置を動作させる方法であって、前記レーザは、多層半導体利得構造を含むレーザ共振器を有し、前記多層半導体利得構造は、光ポンプ放射によって励起され、それによって、基本周波数放射に前記レーザ共振器内で循環させ、前記レーザ共振器は、前記循環する基本周波数放射のタイプＩＩ周波数倍加のために配置されている光学非線形結晶を含み、前記レーザ共振器は、複屈折フィルタをさらに含み、前記方法は、
前記複屈折フィルタから反射される前記基本周波数放射の強度を監視し、誤差信号を生成することと、
前記誤差信号に基づいて前記非線形結晶の温度を調節し、モードホッピングを最小化することと
を含む、方法。
【請求項７】
前記非線形結晶の温度は、前記監視される強度を、前記誤差信号の方向を決定するための傾きを提供する非ゼロ値に維持する様式で調節される、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、外部キャビティ光励起半導体（ＯＰＳ）レーザに関する。本発明は、特に、単縦モードで動作する内部キャビティ周波数変換ＯＰＳレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部キャビティ周波数変換（周波数倍加）ＯＰＳレーザは、単縦モードで動作させながら、数ワット（Ｗ）の連続波（ＣＷ）放射出力を可視（緑色）波長で提供することができる。緑色単モード出力波長は、ＯＰＳレーザキャビティ（レーザ共振器）外側の光学非線形結晶内でのさらなる周波数逓倍によって、電磁スペクトルの紫外線（ＵＶ）領域内の波長に変換されることができる。
【０００３】
一例として、約１０６４ナノメートル（ｎｍ）の基本レージング波長を有するＯＰＳレーザは、内部キャビティ光学非線形結晶によって周波数倍加され、約５３２ｎｍの波長を有する出力放射を提供することができる。その出力放射は、ＯＰＳレーザ共振器の外側に位置する光学非線形結晶内で出力放射を周波数倍加することによって、約２６６ｎｍの波長を有するＵＶ放射に変換されることができる。
【０００４】
ＯＰＳレーザは、多層半導体構造を利得要素（利得構造）として採用する。利得構造は、スペーサ層によって間隔を置かれた量子井戸（ＱＷ）層を含む。スペーサ層は、光ポンプ放射を吸収し、それによって、電子−正孔対を生成する。電子−正孔対は、ＱＷ層の中に入り、それによって閉じ込められる。ＱＷ層内における電子−正孔対の再結合は、ＱＷ層のＱＷ材料の基本波長範囲特性内の放射を提供する。これは、光学利得を提供する。放射が生成される波長範囲は、利得帯域幅と称される。
【０００５】
利得構造のＱＷ層は、利得帯域幅のピーク利得波長において２分の１波長ずつ間隔を置かれる。ＯＰＳ構造（ＯＰＳチップ）では、利得構造は、ミラー構造の上にある。典型的には、ＯＰＳレーザ共振器は、ＯＰＳチップのミラーで構成され、ＯＰＳチップのミラーは、共振器の一端のミラーを提供する。共振器は、側方発振モード（横モード）をサポートすることを避けるように構成される場合、共振器の端部における利得構造の設置は、間隔を置かれたＱＷ層によって提供される利得の半波周期性とともに、ＯＰＳレーザが、任意の所与の瞬間に、ＣＷ放射を単縦モード（単周波数）で発生させることを提供する。「任意の所与の瞬間に」という表現の意義の議論については、以下に記載される。
【０００６】
ＯＰＳ利得構造の利得帯域幅は、比較的に非常に広範である。一例として、約１０００ｎｍのピーク利得波長に対して、ＦＷＨＭ利得帯域幅は、約４０ｎｍである。内部キャビティ周波数倍加ＯＰＳレーザでは、通常、単要素複屈折フィルタをキャビティ内に含む。これは、発振し得る基本波長の範囲を光学非線形結晶のための位相整合受け入れ帯域幅内の範囲に制限する。複屈折フィルタは、ブルースタ角入射のために配置され、共振器内で発生させられる循環放射の偏光の向きを確立する。
【０００７】
残念ながら、そのような複屈折フィルタの通過帯域幅は、依然として、長さ約７０ミリメートル（ｍｍ）を有する共振器内では、いくつかの可能な発振モード（周波数）が存在し得るほど広範である。その結果、これらのモードのうちの１つのみが任意の所与の瞬間で発振するが、共振器の任意の摂動は、１つの可能なモードから隣接する可能なモードに変化する発振をもたらし得る。この現象は、通常、当業者によって、「モードホッピング」と称される。モードホップの瞬間、出力電力の急変（本質的に、瞬時）後、短期間の不安定性が続く。この不安定期間は、約数百分の１秒であろう。これは、事実上、ＯＰＳレーザのＣＷ出力の中断を構成する。能動的に制御される外部拡張共振器が、ＯＰＳレーザ出力のさらなる周波数変換のために使用される場合、共振器からの出力電力の急降下と、拡張共振器がレーザの新しい出力周波数のための共振を確立する回復期間が存在するであろう。これは、レーザ出力電力に対する不安定期間より長いであろう。
【０００８】
図１は、出力電力を公称最適出力電力の９０％〜１１０％に増加させることによって摂動を与えられる内部キャビティ周波数倍加ＯＰＳレーザの監視される出力電力のオシロスコープトレースの再現である。電力増加は、点Ａから開始する。レーザは、約３．５秒の間、増加電力で動作し、次いで、モードホップが、点Ｂで生じ、その時点で、出力が中断される。出力電力は、中断中に利得構造内に貯蔵されたエネルギーに起因して、より高いレベルで再開する。中断に続く不安定性の期間は、約１．５秒である。
【０００９】
半導体ウエハの検査等の用途では、モードホップに起因する波長変化が許容可能である場合でも、ＣＷプロセスのそのような中断は、容認可能でないこともある。モードホッピングを伴わずに動作することができるＯＰＳレーザ共振器の必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によるレーザ装置の一側面は、利得帯域幅を有する利得構造である、多層半導体利得構造を含むレーザ共振器を備える。半導体利得構造は、レーザ共振器内に含まれる。利得構造は、光ポンプ放射によって励起され、それによって、基本周波数放射をレーザ共振器内で循環させる。基本周波数は、レーザ共振器の瞬間長さに依存するある範囲の可能な発振周波数の１つである。光学非線形結晶は、レーザ共振器内に位置し、循環基本周波数放射のタイプＩＩ周波数倍加のために配置される。光学非線形結晶は、所定の温度範囲内の受け入れ帯域幅を有する。加熱要素は、結晶の温度を所定の温度範囲内で選択的に変動させるために配置される。第１の複屈折フィルタは、レーザ共振器内に位置し、利得帯域幅内で発振できる可能な基本周波数の範囲を光学非線形結晶の受け入れ帯域幅内のその範囲に制限するように構成および配置される。検出器は、複屈折フィルタから反射された基本周波数放射を監視するように配置され、反射される放射は、第２の複屈折フィルタの伝送ピークが可能な発振周波数のうちのある瞬間の発振周波数にあるとき、最小である。光学非線形結晶は、結晶温度に依存する伝送ピークを有する、第２の複屈折フィルタとして機能する。加熱要素は、監視される反射を最小に維持し、それによって、第２の複屈折フィルタの伝送ピークをその瞬間の発振周波数に維持するために検出器と協働する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
レーザ装置であって、
多層半導体利得構造を含むレーザ共振器であって、前記利得構造は、光ポンプ放射によって励起され、それによって、基本周波数放射に前記レーザ共振器内で循環させ、前記基本周波数は、前記レーザ共振器の瞬間長さに依存するある範囲の可能な発振周波数のうちの１つである、レーザ共振器と、
前記レーザ共振器内に位置している光学非線形結晶であって、前記光学非線形結晶は、前記循環基本周波数放射のタイプＩＩ周波数倍加のために配置され、前記光学非線形結晶は、所定の温度範囲において受け入れ帯域幅を有する、光学非線形結晶と、
前記結晶の温度を前記所定の温度範囲内で選択的に変動させるために配置されている加熱要素と、
前記レーザ共振器内に位置している第１の複屈折フィルタであって、前記第１の複屈折フィルタは、利得帯域幅内で発振できる可能な基本周波数の前記範囲を前記光学非線形結晶の受け入れ帯域幅内の前記可能な基本周波数の範囲に制限するように構成および配置されている、第１の複屈折フィルタと、
前記複屈折フィルタから反射される基本周波数放射を監視するように配置されている検出器であって、前記反射される放射は、前記第２の複屈折フィルタの伝送ピークが前記可能な発振周波数のうちのある瞬間の発振周波数にあるとき、最小である、検出器と
を備え、
前記光学非線形結晶は、結晶温度に依存する伝送ピークを有する第２の複屈折フィルタとして機能し、前記加熱要素は、前記監視される反射をほぼ最小に維持し、それによって、前記第２の複屈折フィルタの伝送ピークをほぼ前記瞬間の発振周波数に維持するために、前記検出器と協働する、装置。
（項目２）
前記監視される反射は、正確に前記最小値ではない値に維持される、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記監視される反射は、循環基本周波数放射電力の約５０パーツ・パー・ミリオンの値である、項目２に記載の装置。
（項目４）
前記レーザ共振器は、長さ約７０ｍｍを有し、前記可能な発振波長は、約７ピコメートルずつ分離されている、項目１〜３のいずれかに記載の装置。
（項目５）
前記光学非線形結晶は、ホウ酸リチウム結晶である、項目１〜４のいずれかに記載の装置。
（項目６）
レーザ装置を動作させる方法であって、前記レーザは、多層半導体利得構造を含むレーザ共振器を有し、前記多層半導体利得構造は、光ポンプ放射によって励起され、それによって、基本周波数放射に前記レーザ共振器内で循環させ、前記レーザ共振器は、前記循環基本周波数放射のタイプＩＩ周波数倍加のために配置されている光学非線形結晶を含み、前記レーザ共振器は、複屈折フィルタをさらに含み、前記方法は、
前記複屈折フィルタから反射される前記基本周波数放射の強度を監視することと、
前記監視される強度に基づいて前記非線形結晶の温度を調節し、前記共振器からの前記周波数倍加出力電力における変動を最小化することと
を含む、方法。
（項目７）
前記非線形結晶の温度は、前記監視される強度を最小値近くに維持する様式で調節される、項目６に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
明細書内に組み込まれ、その一部を構成する、付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を図式的に図示し、上記に与えられる一般的説明および以下に与えられる発明を実施するための形態とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
【図１】図１は、モードホップがレーザの出力電力の増加の結果として生じる期間に対する従来技術の内部キャビティ周波数倍加ＯＰＳレーザの出力電力のオシロスコープトレースの再現である。
【図２】図２は、本発明による、内部キャビティ周波数倍加ＯＰＳレーザを図式的に図示し、レーザは、ＯＰＳ利得構造を含み、基本波長レーザ放射にその中で循環させるレーザ共振器を有し、共振器は、循環放射のタイプＩＩ第二高調波変換のために配置されている光学非線形結晶と、利得構造の利得帯域幅からレーザ動作モードを選択するために光学非線形結晶と協働する複屈折フィルタと、基本波長放射を測定するための検出器と、レーザの選択された動作モードが常時選択されるように、光学非線形結晶を温度調整するために測定された反射基本波長に応答する加熱要素とを含む。
【図３】図３は、図２のレーザの実施例における、複屈折フィルタおよび光学非線形結晶の組み合わせに対する、波長変化の関数として計算された伝送および反射を図式的に図示するグラフである。
【図４】図４は、図２のレーザの実施例における、出力電力のオシロスコープトレース、光学非線形結晶の温度、および複屈折フィルタからの監視される反射の再現であり、加熱要素は、監視される反射に応答せず、結晶温度は、一定のままであり、モードホップが、レーザの出力電力の増加の結果として生じる。
【図５】図５は、図２のレーザの実施例における、出力電力のオシロスコープトレース、光学非線形結晶の温度、および複屈折フィルタからの監視される反射の再現であり、加熱要素は、監視される反射に応答し、結晶温度は、測定される反射に従って変動させられ、モードホップは、生じない。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、類似構成要素が類似参照番号によって指定される、図面を参照すると、図２は、本発明による、内部キャビティ周波数倍加ＯＰＳレーザの好ましい実施形態１０を図式的に図示する。レーザ１０は、基板またはヒートシンク１４上に搭載されるＯＰＳチップ１２を含む。ＯＰＳチップは、多層利得構造１８が上に置かれたミラー構造１６を含む。ミラー構造１８と端部ミラー２０とは、レーザ共振器２２を形成する。
【００１３】
ダイオードレーザバーまたはそのスタック（図示せず）からのポンプ放射は、利得構造１８上に方向付けられ、矢印Ｆによって示されるように、基本波長（基本周波数）レーザ放射にレーザ共振器２２内で循環させる。複屈折フィルタ（ＢＲＦ）は、基本波長の選択のための大まかなフィルタ処理を提供し、矢印Ｐによって図２に示されるように、循環基本波長放射の偏光の向きを確立する。ＢＲＦの高速軸の向きは、図面に示されるように、偏光の向きに対して４５°である。
【００１４】
２軸光学非線形（ＯＮＬ）結晶２６が、共振器２２内に位置し、循環基本放射のタイプＩＩ第二高調波（２Ｈ）周波数変換のために配置される。好適な結晶材料として、限定ではないが、ホウ酸リチウムＬＢＯおよびリン酸チタニルカリウム（ＫＴＰ）が挙げられる。結晶２６は、熱電気加熱要素等の加熱要素２８によって加熱される。タイプＩＩ２Ｈ変換に対して、結晶２６の高速軸も、同様に図面に示されるように、偏光の向きに対して４５°である。このタイプＩＩ配置では、結晶２６は、複屈折フィルタとしても作用するが、ＢＲＦ２４よりはるかに狭い帯域幅を伴う。ＢＲＦ２４および結晶２６は、２要素リオタイプフィルタとして協働して作用し得る。
【００１５】
複屈折フィルタの伝送ピーク波長は、結晶温度に依存する。フィルタの位相整合が効果的である結晶温度の範囲がある。この範囲内では、結晶２６は、２Ｈ変換のための受け入れ帯域幅を有する。
【００１６】
この２要素リオフィルタの通過帯域が、発振基本波長（キャビティモード）における伝送ピークを有する場合、ＢＲＦが循環放射に対してブルースタ角で傾斜させられるので、ＢＲＦ２４から反射される放射は、本質的に存在しないであろう。キャビティモードの波長が、共振器長さにおける摂動に起因して、より長いまたはより短い波長にドリフトする場合、ますます多くの反射された放射が存在するであろう。レーザ１０では、ＢＲＦ２４から反射された放射は、検出器３０によって監視され、コントローラ３２に伝送される。コントローラ３２は、ＢＲＦ２４からの監視される反射（誤差信号）が最小近傍の所定の非ゼロ値になるまで結晶２６の温度を調節するように加熱要素２８を制御する。これは、誤差信号の方向を決定するための反射傾きを提供しながら、事実上「ほぼ最小」と見なされるために十分に近いものである。これは、２要素リオフィルタの伝送ピークを発振モードの波長に維持する。これは、「モード追跡」として説明されることができ、本明細書の以下でさらに詳細に論じられる。好ましくは、検出器出力の微分が、傾きのより敏感な測定を提供するために求められる。このように、測定点は、５０パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ）、すなわち、循環電力の約０．００５％と同程度の低さで得られることができる。
【００１７】
ここで、レーザ１０は、本発明の機構を図示するために十分な構成要素のみを伴って、単純形態で描写されていることに留意されたい。実際は、そのような内部キャビティ周波数倍加レーザは、長共振器の「専有面積」を縮小するための折り返しミラーと、光学非線形結晶内にビームウエストを作成するための１つ以上の凹面ミラーとを含み得る。いくつかの内部キャビティ周波数変換レーザは、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，０９７，７４２号に詳細に説明されており、その完全開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる。第‘７４２号特許の開示および本明細書に提示される本発明の説明から、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、モード追跡のために、タイプＩＩ配置光学非線形結晶のＢＲＦ反射監視および協働温度調整を含む、他の共振器配置を設計し得る。さらに、コントローラ３２は、出力電力監視および制御等の他の機能を有し得る。
【００１８】
図３は、図２のレーザの実施例における、複屈折フィルタおよび光学非線形結晶のリオフィルタ組み合わせに対する、波長変化の関数として計算される伝送（曲線Ｌ）および対応する反射（破線曲線ＬＲ）を図式的に図示するグラフである。曲線Ｌは、ＢＲＦ２４のものよりはるかに狭い帯域幅を有する光学非線形結晶２６によって本質的に決定されることに留意されたい。結晶は、長さ約７ｍｍを有するＬＢＯ結晶であると仮定される。
【００１９】
曲線Ｌは、キャビティモードＭＮに対してピーク伝送および最小反射を有するように「温度調整」されている（デルタ波長＝０）。より長い波長およびより短い波長（より低い周波数またはより高い周波数）における隣接するキャビティモードＭＮ＋１およびＭＮ−１は、モードＭＮより約０．０３％少ない伝送、および約０．０３％多い反射を有する。キャビティモードは、約７０ｍｍのキャビティ（共振器）長さに対応する、約７ピコメートル（ｐｍ）ずつ波長分離される。７ｐｍの波長差は、わずか約７マイクロメートル（μｍ）の共振器長さの変化に対応する。
【００２０】
モードＭＮと隣接するモードとの間の約０．０３％の伝送差は、モードＭＮが単発振モードとなるために十分であると仮定される。伝送曲線は、光学非線形結晶２６（図２参照）を一定温度に保持することによって固定されると仮定される。ここで、共振器長さの摂動が、任意の理由から生じる場合、キャビティモードは、共振器長さ変化が負であるか、または正であるかに応じて、より短い波長、またはより長い波長に移行するであろう。長さ変化が正である場合、モードＭＮの伝送は、低下し（対応する反射の増加を伴う）、モードＭＮ−１の伝送は、増加するであろう。それらの２つのモードの伝送（および反射損失）が等しくなる、共振器長さに到達するにつれて、発振がモードＭＮからモードＭＮ−１に「ホップ」するであろう確率は、増加する。
【００２１】
これは、図２のレーザ１０の実践的実施例のための図４に図示され、この例では、測定されるＢＲＦ反射と加熱要素２８との間の結晶温度制御ループは、不活性化され、結晶温度は、一定に保持されている。レーザの基本波長は、１０６４ｎｍである。ここでは、上の曲線は、本質的に、図１の出力電力曲線であり、点Ａにおいて、電力の段階的増加を受ける。真ん中の曲線は、光学非線形結晶２６（ここでは、ＬＢＯ結晶）の監視される温度である。下の曲線は、ＢＲＦ２４からの監視される反射である。
【００２２】
点Ａにおける２０％電力増加直後、監視される反射は、上昇し始め、キャビティモードの長波長ドリフトを示すことが分かる。点Ｂにおいて、モードホップが生じ、監視される反射は、およそ電力の印加が増加する前の点まで急降下する。これは、図３の観点から、ＭＮ−１モードがモードホップが生じたときのフィルタのピーク伝送（最小反射）波長にあることを示す。
【００２３】
図５は、結晶２６の温度がＢＲＦ反射をほぼ最小に維持するために調節されるように、監視されるＢＲＦ反射と加熱要素２６との間の本発明の制御ループが活性化されている場合の図４の同一監視パラメータを示す。２０％電力増加が、点Ａにある。モードホップは、点Ｂで生じない。再現の正確性内において、監視されるＢＲＦ反射の変動が生じたものは、ＬＢＯ温度のわずかな変動によって補償されると考えられる。
【００２４】
一見、加熱要素の温度変化に対する実際の結晶温度は、比較的にゆっくりであり得ると考えられ得る。しかしながら、図３、４、および５の実施例では、ケルビン度のわずか１０／１０００（１０ｍＫ）の結晶の温度変化が、１つのキャビティモード間隔だけ結晶２６のピーク伝送を変化させるために必要とされる。実践上、この変化は、数ミリ秒以内で生じることができ、これは、環境要因に起因して、長期共振器摂動の観点から確実に、本発明が効果的に機能するために十分に短い。温度変化は、十分に位相整合のための温度公差内である。
【００２５】
結晶温度を監視されるＢＦＲ反射にリンクさせる代わりに、圧電変換器によって駆動されるミラーを使用して、共振器長さを調節し、結晶温度を一定に保つことも可能であり、これは、少なくとも低周波数振動によって生じる摂動に応答可能であり得る。しかしながら、これは、比較的に高価な選択肢である。振動および衝撃摂動は、単に、許容され得るか、またはそのような摂動を回避するための措置が講じられ得る。代替として、ＯＰＳレーザは、共振器長さの振動誘発変化に抵抗するように設計され得る。そのような配置は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第１４／２１０４３３号に説明されており、その完全な開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００２６】
図４および５の結果を生成する上で、単純なフォトダイオード検出器が、ＢＲＦ２４からの反射を監視するために使用された。周知のヘンシュ−クイヨー配置等のより精密な検出器配置を使用することも可能であろう。これは、最小においてゼロ交差を伴い、かつ信号が最小を上回るかまたは下回るかを示す正もしくは負の符号を伴う誤差信号を提供する。これは、対応するコストおよび複雑性において、追加の光学構成要素および追加の検出器を要求する。しかしながら、これが本発明の任意のより信頼性のある動作をもたらすであろうことは明白ではない。
【００２７】
要約すると、本発明は、好ましいおよび他の実施形態の観点において前述された。しかしながら、本発明は、本明細書に説明および描写される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付の請求項によってのみ限定される。
【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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