(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー組立体であって、
基本波長の帯域幅内の基本波長を有する光パルスを含む基本光を生成するように構成された基本波レーザーと、
狭められた周波数帯域幅の外部に配置された周波数を有するそれぞれの基本光パルスの第１の部分の方向を変え、前記狭められた周波数帯域幅の内部に配置されたそれぞれの基本光パルスからの第２の部分を通すように構成された光学的帯域幅フィルタリングデバイスと、
帯域幅制限装置であって、
それぞれのレーザー光パルスの前記第１の部分を、第１のサブパルスおよび第２のサブパルスを含む１対の対応するサブパルスに分割するように構成されたパルス分割要素、
それぞれの対の対応するサブパルスの前記第１のサブパルスを、正のチャープを有する第１の引き伸ばされたサブパルスに変換し、それぞれの対の対応するサブパルスの前記第２のサブパルスを、負のチャープを有する第２の引き伸ばされたサブパルスに変換するように構成された少なくとも１つの単体デバイスであって、前記第１のサブパルスと前記第２のサブパルスは、前記単体デバイスの対向面へ逆方向に伝送される、単体デバイス、および
それぞれの第１の引き伸ばされたサブパルスをその対応する前記第２の引き伸ばされたサブパルスと混合して、前記混合が、基本周波数の２倍に等しい周波数を有する和周波数パルスを含む和周波数光を生成するように構成された第１の周波数混合モジュール
を含む帯域幅制限装置と、
前記和周波数光および前記和周波数光の高調波のうちの１つを、前記基本光の前記第２の部分および前記第２の部分の高調波のうちの１つと混合して、紫外線（ＵＶ）レーザー出力光を生成するように構成された第２の周波数混合モジュールと
を備えることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザー組立体であって、前記少なくとも１つの単体デバイスが、チャープされたボリュームブラッグ格子およびチャープされたファイバブラッグ格子のうち少なくとも１つを備えることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザー組立体であって、前記パルス分割要素が、前記２つのサブパルスがほぼ等しいエネルギーを有するようにそれぞれのパルスを分割するように構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザー組立体であって、前記第１の引き伸ばされたサブパルスおよび前記第２の引き伸ばされたサブパルスの周波数が、時間とともに、大きさはほぼ等しいが符号が逆に変化するように、前記少なくとも１つの単体デバイスがさらに構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項５】
請求項３に記載のレーザー組立体であって、
前記少なくとも１つの単体デバイスが、チャープされたボリュームブラッグ格子およびチャープされたファイバブラッグ格子のうちの１つを含む単一の単体デバイスを備え、
前記帯域幅制限装置が、前記パルス分割要素と前記単一の単体デバイスの間、ならびに前記単一の単体デバイスと前記第１の周波数混合モジュールの間に動作可能に配設された複数の光学要素をさらに備え、前記複数の光学要素が、前記第１のサブパルスおよび前記第２のサブパルスを前記単一の単体デバイスの対向面へ導き、前記単一の単体デバイスの前記対向面からの前記第１の引き伸ばされたサブパルスおよび前記第２の引き伸ばされたサブパルスを前記第１の周波数混合モジュールへと導くように構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項６】
請求項５に記載のレーザー組立体であって、前記基本波レーザーが、前記基本光の前記光パルスが１ピコ秒よりも長くなるように構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項７】
請求項６に記載のレーザー組立体であって、前記基本波レーザーが、ファイバレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、またはＮｄをドープしたバナジウム酸塩レーザーを含むことを特徴とするレーザー組立体。
【請求項８】
請求項６に記載のレーザー組立体であって、それぞれの前記和周波数パルスが約２１３ｎｍの波長を含むように前記レーザー組立体が構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項９】
請求項６に記載のレーザー組立体であって、
前記第１の引き伸ばされたサブパルスと前記第２の引き伸ばされたサブパルスが前記周波数混合モジュールに入るとき実質的に直交の偏光を有して、同一線上の経路に沿って前記周波数混合モジュールへ導かれるように、前記パルス分割要素および前記複数の光学要素が構成されており、
前記周波数混合モジュールが、前記第１の引き伸ばされたサブパルスおよび前記第２の引き伸ばされたサブパルスに対してタイプＩＩの周波数混合を行うように構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【請求項１０】
請求項６に記載のレーザー組立体であって、
前記第１の引き伸ばされたサブパルスと前記第２の引き伸ばされたサブパルスが前記周波数混合モジュールに入るとき実質的に平行の偏光を有して、４°未満の角度だけ分離された、対応する平行でない方向において、前記周波数混合モジュールへ導かれるように、前記パルス分割要素および前記複数の光学要素が構成されており、
前記周波数混合モジュールが、前記第１の引き伸ばされたサブパルスおよび前記第２の引き伸ばされたサブパルスに対してタイプＩの周波数混合を行うように構成されていることを特徴とするレーザー組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、深紫外線（ＤＵＶ）波長および真空紫外線（ＶＵＶ）波長において放射線を生成するのに適切なレーザーと、ＤＵＶ波長およびＶＵＶ波長においてレーザー光を生成するための方法とに関するものである。特に、本願は、ＤＵＶレーザーおよびＶＵＶレーザーのスペクトル帯域幅を低減および制御するためのシステムおよび方法に関する。レーザーは、フォトマスク、レチクル、および半導体ウェーハを検査するのに使用されるものを含む検査システムにおいて使用するのに特に適している。
【背景技術】
【０００２】
本願は、デン（Ｄｅｎｇ）らによって２０１４年９月２５日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｏｆ  ａｎ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ａｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許仮出願第６２／０５５，６０５号の優先権を主張し、デン（Ｄｅｎｇ）らによって２０１５年３月２０日に出願された「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｏｆ  ａｎ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ａｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｕｌｔｒａ−ｖｉｏｌｅｔ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許仮出願第６２／１３６，４０３号の優先権も主張する。
【０００３】
本願は、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年１月１７日に出願された「１９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第１４／１５８，６１５号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１３年３月１２日に出願された「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  １９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／７９７，９３９号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年１月３１日に出願された「１９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第１４／１７０，３８４号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１２年１２月１１日に出願された「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／７１１，５９３号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１２年６月１日に出願された「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ  Ｐｕｌｓｅ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／４８７，０７５号と、デン（Ｄｅｎｇ）らによって２０１４年６月１４日に出願された「Ａ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ  ｏｆ  ａ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ａｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願第１４／３００，２２７号とに関するものである。これらの出願は、すべて本願に引用して援用する。
【０００４】
集積回路産業は、そのサイズが約１００ｎｍ以下であり得るさらに小さい欠陥および粒子状物質を検知するために、より高感度の検査ツールを必要としている。その上、これらの検査ツールは、フォトマスク、レチクルまたはウェーハの領域の大部分または１００％までも、たとえば１時間以下といった短期間で検査をするように高速で動作しなければならない。
【０００５】
一般に、ＤＵＶ波長およびＶＵＶ波長などの短波長は、より長い波長と比較して、小さい欠陥を検知するためのより高い感度を有する。フォトマスクまたはレチクルの検査は、好ましくは、フォトマスクまたはレチクルから印刷するときに使用される、リソグラフィで使用される波長と同一の波長を使用して行われる。現在、最も重要なリソグラフィのステップには実質的に１９３．４ｎｍの波長が使用され、それほど重要でないリソグラフィのステップには実質的に２４８ｎｍの波長が使用されている。本明細書において波長値が限定なしで言及される場合、その値は、光または放射線の真空波長を指すと想定されたい。
【０００６】
高速検査は、小さい粒子状物質もしくは欠陥から散乱する少量の光を検知するため、またはパターンの欠陥による反射率の小さい変化の検知を可能にするために、検査されているサンプルを高強度で照光するための高出力レーザーを必要とする。必要なレーザーのパワーレベルは、露出したシリコンウェーハ上の小さい粒子状物質および不完全性を検知するために、フォトマスク検査用の約１００ｍＷからレチクル検査用の１０Ｗを超えるものもあり得る。
【０００７】
一般的には、半導体産業における検査は、非常に狭い帯域幅を有するレーザーを必要とする。そのような検査システムは、高い検査速度を達成するための広い面積の結像を可能にするように、通常、広い視野（一般的には数百μｍから数ｍｍの寸法）を有する対物レンズを使用する。低歪で視野の広い対物レンズは割高で複雑である。（数十ｐｍを上回るような）広い帯域幅にわたって動作する対物レンズを必要とすると、原価および複雑さが著しく増加する。半導体産業の検査用途向けには、約２０ｐｍ以下の帯域幅を有するＤＵＶレーザーが非常に望ましい。
【０００８】
ＤＵＶレーザーは当技術において既知である。１９９２年９月１日にリン（Ｌｉｎ）に発行された「Ｍｕｌｔｉｗａｖｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」という名称の米国特許第５，１４４，６３０号、および１９９８年４月２１日にミード（Ｍｅａｄ）らに発行された「Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｏｆ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓａｍｅ  Ａｎｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｕｒｇｅｒｙ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」という名称の米国特許第５，７４２，６２６号は、例示的ＤＵＶレーザーを説明している。１０６４ｎｍ近くの波長において動作するパルス基本波赤外線レーザーから４次高調波および５次高調波が生成されることにより、結果として約２６６ｎｍの波長および２１３ｎｍの波長が生じる。リン（Ｌｉｎ）およびミード（Ｍｅａｄ）は、光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を使用して、基本波レーザーから１０６４ｎｍよりも長い赤外線波長を生成することも教示している。
【０００９】
レーザー発振器の出力帯域幅は、その共振器内ダイナミクスによって決定される。先行技術のパルスレーザーでは、レーザー帯域幅をさらに低減するために、エタロン、複屈折フィルタ、または光学格子などの様々な帯域幅制限デバイスがレーザー共振器に内蔵されている。これらの手法はすべて侵襲的であるため、必然的に、レーザーに対して有害な影響を導入した。これらの有害な影響には余分なパワー損失およびより大変な複雑さが含まれ、それによって、レーザーの効率および熱的安定性が低下し、位置合わせ不良に対する感受性がよりより厳しくなり、レーザーシステムの起動時間がより長くなることが多い。その上、共振器内のビームサイズは、たいていの場合小さく、レーザー共振器の設計によって先決され、共振器内のレーザーパワー密度がレーザー出力パワーよりも通常ははるかに大きいので、これらの共振器内構成要素は、なおさら損傷しやすい。
【００１０】
先行技術のパルスＤＵＶレーザーでは、ＤＵＶ出力の帯域幅は基本波赤外線レーザーの帯域幅に直接依拠する。すなわち、基本波レーザーの帯域幅がより広ければ、ＤＵＶ出力の帯域幅がより広くなる。レーザーの帯域幅を低減するには、レーザー発振器の共振器を再設計する必要がある。共振器が、帯域幅、繰返し率、ならびに平均パワーおよびピークパワーを含むレーザーの多くの特性を制御し得るので、帯域幅を低減するように共振器を再設計する一方で他のレーザーパラメータを維持することは、複雑で時間のかかる作業になり得る。その上、容易に入手可能な赤外線基本波レーザーを使用して、特定のＤＵＶレーザー帯域幅の仕様を達成するのが不可能なこともある。
【００１１】
逆のチャープを有する２つのフェムト秒パルスを組み合わせることによる周波数倍増によって帯域幅を低減することは、当技術において既知である（ラウール（Ｒａｏｕｌｔ）ら、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２３、１１１７〜１１１９頁（１９９８年））を参照されたい）。フェムト秒パルスは、最初にチャープされ、回折格子対のストレッチャを使用して約１ナノ秒まで引き伸ばされ、次いで増幅されてから２つのパルスに分割された。２つのパルスは、２つの回折格子対分散器を使用することにより、不完全に圧縮されて逆のチャープを有する数十ピコ秒のパルスへと圧縮された。これら２つのパルスの和周波発生は、はるかに狭い帯域幅をもたらした。しかしながら、この手法が依存する回折格子ベースのストレッチャおよびコンプレッサは、大きく、商業用途や工業用途の需要に必要とされる機械的安定性がない。その上、フェムト秒パルスは、一般に広い帯域幅（数ｎｍ）のためにシステムの光学部品の設計が非常に複雑になるので、半導体検査の用途に使用するには不適当であり、大きいピークパワーが、検査されている品物を容易に損傷する恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５，１４４，６３０号
【特許文献２】米国特許第５，７４２，６２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、上記の欠点のいくつかまたはすべてを克服するＤＵＶレーザーの必要性が生じる。具体的には、数ピコ秒と数百ピコ秒の間のパルス幅を有するＤＵＶレーザーを含んでいるＤＵＶレーザーの帯域幅を低減するかまたは制御するための手段の必要性が生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、一般に、基本波レーザーの光パルスを２つのサブパルスに分割し、１つ以上の単体光学デバイス（たとえば１つ以上のチャープされたボリュームブラッグ格子またはチャープされたファイバブラッグ格子）を使用して、２つのサブパルスを引き伸ばして逆のチャープを付加し、次いで、引き伸ばされた／チャープされたサブパルスを再結合して（混合して）基本周波数の２倍に等しい周波数を有するパルス（すなわち、基本波レーザー光パルスの基本波長の２分の１に等しい波長を有するパルス）で構成された和周波数光を生成する（出力する）ことによって、出力レーザー光の帯域幅を制御することおよび／または低減することを容易にする、帯域幅制限装置および方法を対象とするものである。本発明の一態様によれば、２つのサブパルスの混合は、２つの引き伸ばされた／チャープされたサブパルスの逆の（正と負の）チャープが、和周波混合プロセスの間に相殺されるように構成された和周波数モジュールを使用して遂行され、それによって、２次高調波を直接生成することによって生成されるものよりもはるかに狭い帯域幅を有する和周波数出力光を生成する。このようにして和周波数出力光を生成することの利点には、単に望ましくない波長を除去するためにフィルタまたはエタロンを使用する方法と比較して、この手法が基本波レーザーのパワーをほとんど浪費しないことがある。
【００１５】
本発明の例示的実施形態によれば、レーザー組立体は、基本波レーザーと帯域幅制限装置とを含み、後者は、パルス分割要素と単体デバイスの間ならびに単体デバイスと周波数混合モジュールの間にサブパルスの光路をもたらすように動作可能に構成された、パルス分割要素、単一の単体デバイス（たとえば、単体のチャープされたボリュームブラッグ格子（単体ＣＢＧ））、周波数混合モジュール、および追加の光学要素（たとえば、ミラー、偏光ビームスプリッタ、４分の１波長板（ＱＷＰ）および折返しミラー）で全体的に構成されている。基本波レーザー（たとえば、一実施形態では、２次高調波変換モジュールを含んでいるＮｄ：ＹＡＧレーザー、またはＮｄをドープしたバナジウム酸塩レーザー）は、基本周波数の帯域幅の範囲内の周波数を有するパルスで構成された基本光を生成する。帯域幅制限装置は、共振器内の帯域幅制御デバイスの有害な影響を防止するとともに、レーザー発振器の共振器を再設計する必要なく他のレーザーパラメータ（すなわち帯域幅外のもの）を維持することも容易にするために、基本波レーザーの下流（すなわち、レーザー共振器の外部）にある。具体的には、パルス分割要素（たとえば、部分的反射器またはビームスプリッタ）は基本波レーザー光を受光するように配設され、それぞれの基本波レーザーの光パルスを、ほぼ等しいエネルギーを有する１対の対応する（第１および第２の）サブパルスに分割するように構成されている。現在好ましい実施形態では、２つのサブパルスは、それぞれ個別の光路に沿って単体デバイスの相対する表面へ導かれ、それによって、互いのミラーイメージである２つの逆にチャープされて引き伸ばされた（すなわち、２つの引き伸ばされたサブパルスの周波数が、時間とともに、大きさはほぼ等しいが符号が逆に変化するように）サブパルスが生成される。このように単一の単体デバイスを使用すると、より優れた光学的安定性および機械的安定性をもたらし、回折格子ベースのストレッチャおよびコンプレッサの手法と比較して、占有する空間が数分の１でしかなく、２つの引き伸ばされたサブパルスが、実質的にミラーイメージのパルス周波数パターンを伴ってチャープされることを保証する。その上、適切に設計されたＣＢＧは、回折格子ベースのストレッチャおよびコンプレッサよりもはるかに大きい分散を有し、狭い帯域幅のピコ秒パルスを引き伸ばすために使用され得、このことを回折格子で行うのは、回折格子からの角度分散の不足のために非常に難易度が高いままである。次いで、引き伸ばされて逆にチャープされた２つのサブパルスは、個別の光路に沿って周波数混合モジュールへ導かれる。パルス分割要素と周波数混合モジュールの間の２つのサブパルスの光路は、好ましくはパルス幅の約１０％の範囲内で一致して配置され、光路を形成する光学要素（たとえばミラー）は、周波数混合モジュールに到達する２つの引き伸ばされたサブパルスの間の相対時間遅延を変化させるために容易に再配置され得、それによって和周波数出力パルスの中心波長の微調整が容易になり、このことは、フォトマスク検査用の１９３ｎｍの光などの正確な特定波長を必要とするいくつかの用途に対して有利である。和周波数モジュール（たとえば、タイプＩもしくはタイプＩＩのいずれかの周波数混合用に構成されたＢＢＯ、ＬＢＯもしくはＣＬＢＯ結晶、またはニオブ酸リチウムもしくは化学量論的タンタル酸リチウムすなわちＳＬＴなどの周期的に分極された非線形結晶）は、対応する正にチャープされて引き伸ばされたサブパルスと負にチャープされて引き伸ばされたサブパルスとを混合するように構成されており、結果として生じる和周波数パルスの中心周波数は、基本周波数の２倍に等しい（たとえば、和周波数パルスの中心波長は、約５３２ｎｍと約２６６ｎｍのうちの１つになる）。
【００１６】
特定の代替実施形態によれば、様々なレーザー組立体の帯域幅制限装置は、異なる利点を達成するために異なる光学要素の配置を利用する。たとえば、手法の１つでは、２つのサブパルス光路を形成する光学要素は、２つの引き伸ばされたサブパルスが実質的な直交偏光を有し、同一線上の経路に沿って周波数混合モジュールに入るように構成されており、周波数混合モジュールは、２つの引き伸ばされたサブパルスを、タイプＩＩの周波数混合技術を使用して混合するように構成されている。この直交偏光−同一線上の経路の手法により、光学的配置が簡単になり、引き伸ばされたサブパルスが周波数混合モジュールを通り抜ける間にオーバーラップし、和周波数光が、基本波レーザー光の２次高調波として効率よく生成される。代替手法では、２つのサブパルス光路を形成する光学要素は、２つの引き伸ばされたサブパルスが実質的な平行偏光を有して鋭い相対角度（たとえば約４°未満）で周波数混合モジュールに入るように構成されている。この平行偏光−非同一線上の経路の手法には、タイプＩＩの混合よりも効率のよいタイプＩの混合が容易になるという利点があり、（したがって、所定の入力パワーおよび結晶の長さに対して）より短い結晶を使用すること、またはより大きい出力パワーを生成することのいずれかが容易になる。平行偏光−非同一線上の経路の手法は、周期的に分極されたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）または周期的に分極されたＳＬＴ（ＰＰＳＬＴ）などの周期的に分極された結晶における周波数混合を遂行し得る。周期的に分極された結晶は、ＬＢＯ、ＢＢＯおよびＣＬＢＯなどの材料よりも大きい非線形係数を有する可能性があり、より長い結晶において使用されてよく、１次高調波を２次高調波へ、より効率よく変換することができる。
【００１７】
さらなる特定の代替実施形態によれば、本発明のレーザー組立体は、前述の、低減され、および／または制御された帯域幅を示すレーザー出力光を達成するために、上記で言及されたＣＧＢベースの帯域幅制限装置を、高調波変換モジュール、光学的帯域幅フィルタリングデバイスおよび追加の周波数混合モジュールのうち少なくとも１つと組み合わせて利用するものであり、これら追加の構造体は、基本光の周波数よりも高い（すなわち２倍よりも高い）高調波における（すなわち基本周波数の２次高調波よりも高い）レーザー出力光の生成を容易にする。例示の一実施形態では、ＤＵＶレーザー組立体は、前述のＣＧＢベースの帯域幅制限装置のうち１つを利用して、基本光の２次高調波において和周波数光を生成し、次いで、和周波数光を高調波変換モジュールに通して、基本光のより高い（たとえば４次の）高調波においてレーザー出力光を生成する。別の例示的実施形態では、ＤＵＶレーザー組立体は、基本光を、狭い帯域幅の外にある周波数を有するそれぞれの基本光パルスの第１の（除去される）部分を反射する光学的帯域幅フィルタリングデバイス（たとえばエタロン）へ導き、狭い帯域幅の範囲内の周波数を含んでいるそれぞれの基本光パルスの第２の部分を通す。従来のシステムでは廃棄され、したがって浪費されることになる、それぞれの基本光パルスの除去される第１の部分は、上記で説明されたＣＧＢベースの帯域幅制限装置のうちの１つを通され、それによって、第１の部分の、以前は使用不可能な帯域外の周波数が、狭い帯域幅の範囲内の周波数を有する使用可能な和周波数光に変換される。和周波数光は、次いで、任意選択の高調波変換モジュールを通され、次いで、和周波数光または任意選択の高調波変換モジュールを出る（第１の）高調光のいずれかが、第２の周波数混合モジュールに渡される。第２の周波数混合モジュールは、和周波数光（または任意選択の第１の高調波）を第２の基本光部分（すなわち光学的帯域幅フィルタリングデバイスによって渡された狭い帯域幅部分）またはその高調波と混合して、ＣＧＢベースの帯域幅制限装置を使用せずに生成され得るものよりも高い次数の高調波およびより大きいエネルギーを有するレーザー出力光を生成するように構成されている。
【００１８】
例示的検査システムが説明される。この検査システムは、照明光源、光学部品、および検知器を含む。照明光源は、所望の波長および帯域幅のＤＵＶ放射を生成するために、上記で言及されたＣＧＢベースの帯域幅制限装置（すなわち、パルス分割要素、１つ以上の単体デバイス、周波数混合モジュールおよび関連する光学要素）を利用するＤＵＶレーザー組立体を含む。光学部品は、照明光源からのＤＵＶ放射を試料上へ導いて合焦するように構成されている。試料は、検査中に光学部品に対して動くステージによって支持される。検知器は、試料からの反射光または散乱光を受け取るように構成されており、光学部品は、反射光または散乱光を収集し、検知器上へ導いて合焦するようにさらに構成されている。検知器は、１つ以上の画像センサを含む。少なくとも１つの画像センサは遅延時間積分（ＴＤＩ）センサでよい。
【００１９】
例示的検査システムが含み得る１つ以上の照明光源は、様々な入射角および／または様々なアジマス角から、ならびに／あるいは様々な波長および／または偏光状態で試料を照光し、照明光源の１つ以上が、前述の斬新な帯域幅制御手法を内蔵する。例示的検査システムは、試料による様々な方向の反射光または散乱光を収集する１つ以上の収集経路を含んでよく、ならびに／あるいは様々な波長および／または様々な偏光状態を感知可能である。例示的検査システムは、２つの異なる信号を同時に読み出すために使用される読出し回路を２つの側に有するＴＤＩセンサを含み得る。例示的検査システムは、電子衝撃画像センサを含み得る。
【００２０】
試料を検査する例示的方法が説明される。例示的方法は、ＤＵＶレーザーの照明光源からの放射を試料上へ導いて合焦するステップを含み、ＤＵＶレーザーの照明光源は、帯域幅制御を前述のやり方で実施するように構成されている。試料は、検査中に光学部品に対して動くステージによって支持される。この方法は、光学部品を使用して、試料による反射光または散乱光を収集し、検知器上へ導いて合焦するステップをさらに含む。検知器は１つ以上の画像センサを含む。少なくとも１つの画像センサが遅延時間積分（ＴＤＩ）センサである。この方法は、チャープされたボリュームブラッグ格子（ＣＢＧ）を用いてＤＵＶレーザーの帯域幅を制御するステップをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＤＵＶレーザーを備える照明光源を内蔵する例示的検査システムを示す図である。
【図２Ａ】１つ以上の収集チャネルおよびＤＵＶレーザーを有するライン照明を使用する例示的検査システムを示す図である。
【図２Ｂ】１つ以上の収集チャネルおよびＤＵＶレーザーを有するライン照明を使用する例示的検査システムを示す図である。
【図３】垂直照明および斜光照明を有する例示的検査システムを示す図である。
【図４】明視野照明チャネルおよび暗視野照明チャネルを有する例示的検査システムを示す図である。
【図５】分割読出しの画像センサと、ＤＵＶレーザーを備える照明光源とを内蔵する例示的検査システムを示す図である。
【図６Ａ】レーザーの帯域幅を制限するためのＣＢＧを内蔵する１つの例示的ＤＵＶレーザーを示す図である。
【図６Ｂ】レーザーの帯域幅を制限するためのＣＢＧを内蔵する代替の例示的ＤＵＶレーザーを示す図である。
【図６Ｃ】レーザーの帯域幅を制限するためのＣＢＧを内蔵する代替の例示的ＤＵＶレーザーを示す図である。
【図７】レーザーの帯域幅を制限するためのＣＢＧを内蔵する別の例示的ＤＵＶレーザーを示す図である。
【図８】レーザーの帯域幅を制限するためのＣＢＧを内蔵する別の例示的ＤＵＶレーザーを示す図である。
【図９】２つの直交偏光されたパルスを組み合わせて和周波数を生成するための例示的周波数混合モジュールを示す図である。
【図１０】２つの平行偏光されたパルスを組み合わせて和周波数を生成するための例示的周波数混合モジュールを示す図である。
【図１１Ａ】例示の基本的帯域幅と、関連する２次高調波スペクトルとを表すグラフである。
【図１１Ｂ】例示の基本的帯域幅と、関連する２次高調波スペクトルとを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明は、半導体検査システム用のセンサにおける改善に関するものである。以下の説明は、当業者が特定の用途およびその要件の状況において提供される本発明を作製して使用することを可能にするために提示されるものである。本明細書で使用される「の下に」、「上方へ」、「下方へ」、「垂直な」、「水平な」などの方向性の用語は、説明のために相対的な位置または配向を与えるように意図されており、絶対的な基準系を示すように意図されたものではない。好ましい実施形態に対する様々な修正形態が当業者には明らかになるはずであり、本明細書で定義された一般的原理は、他の実施形態にも適用され得る。したがって、本発明は、示されて説明される特定の実施形態に限定されるようには意図されておらず、本明細書で開示される原理および斬新な特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【００２３】
図１は、ウェーハ、レチクル、またはフォトマスクなどの試料１０８を測定するように構成された例示的検査システム１００を示す。試料１０８は、光学部品の下の試料１０８の様々な領域の移動を容易にするようにステージ１１２上に配置される。ステージ１１２は、Ｘ−ＹステージまたはＲ−θステージを備え得る。いくつかの実施形態では、ステージ１１２は、検査中に焦点を維持するように、試料１０８の高さを調節することができる。他の実施形態では、対物レンズ１０５が、焦点を維持するように調節され得る。
【００２４】
照明光源１０２は１つ以上のレーザーおよび／または広帯域光源を備え得る。照明光源１０２は、ＤＵＶ放射および／またはＶＵＶ放射（本明細書では総体として「ＵＶ放射」と称される）を放射し得る。照明光源１０２は、ＵＶ放射を生成するように構成された少なくとも１つの基本波レーザーを含み、基本波レーザーは本明細書で説明された帯域幅制御を内蔵し、ＵＶ放射を、光学系（光学部品）１０３を通り抜けるビームとして試料１０８へ導くように配置されている。光学部品１０３に含まれる対物レンズ１０５は、ＵＶ放射を試料１０８の方へ導いて合焦するように構成されている。光学部品１０３は、ミラー、レンズ、および／またはビームスプリッタも備え得る。試料１０８から方向を変えられる（すなわち反射されるかまたは散乱される）ＵＶ放射（以下で「光」と称される）の一部分は、光学部品１０３によって収集され、検知器組立体１０４の内部に配設されている検知器１０６上に導かれて合焦される。
【００２５】
検知器組立体１０４は検知器１０６を含む。検知器１０６は２次元のアレイセンサまたは１次元のラインセンサを含み得る。一実施形態では、検知器１０６の出力は、これを解析するコンピュータシステム１１４に供給される。コンピュータシステム１１４はプログラム命令１１８によって構成され、プログラム命令１１８はキャリア媒体１１６に記憶され得る。
【００２６】
検査システム１００の一実施形態は、試料１０８上のラインを照光し、１つ以上の暗視野収集チャネルおよび／または明視野収集チャネルにおいて散乱光および／または反射光を収集する。この実施形態では、検知器１０６はラインセンサまたは電子衝撃ラインセンサを含み得る。
【００２７】
検査システム１００の別の実施形態は、試料１０８上の複数のスポットを照光し、１つ以上の暗視野収集チャネルおよび／または明視野収集チャネルにおいて散乱光および／または反射光を収集する。この実施形態では、検知器１０６は２次元のアレイセンサまたは電子衝撃の２次元のアレイセンサを含み得る。
【００２８】
検査システム１００の様々な実施形態のさらなる詳細は、ロマノフスキー（Ｒｏｍａｎｏｖｓｋｙ）らによって２０１２年７月９日に出願された「ＷＡＦＥＲ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」という名称の米国特許出願第１３／５５４，９５４号、アームストロング（Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ）らによって２００９年７月１６日に公開された米国特許出願公開第２００９／０１８０１７６号、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２００７年１月４日に公開された米国特許出願公開第２００７／０００２４６５号、１９９９年１２月７日にシェーファー（Ｓｈａｆｅｒ）らによって発行された米国特許第５，９９９，３１０号、および２００９年４月２８日にレオン（Ｌｅｏｎｇ）らによって発行された米国特許第７，５２５，６４９号に見いだされ得る。これらの特許および特許出願は、すべて本願に引用して援用する。
【００２９】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、本発明の他の例示的実施形態によって本明細書で説明されたレーザー組立体および／または方法のうちの１つを内蔵する、暗視野検査システムの態様を示す。図２（Ａ）において、照明光学部品２０１が備える本明細書で説明されたような帯域幅制御を有するＤＵＶレーザーシステム２２０によって生成された光２０２が、ミラーまたはレンズ２０３によって、検査されているウェーハまたはフォトマスク（試料）２１１の表面上のライン２０５に合焦される。収集光学部品２１０は、ライン２０５から散乱された光を、２１２および２１３などのレンズおよび／またはミラーを使用してセンサ２１５へ導く。収集光学部品の光学軸２１４は、ライン２０５の照明面にない。いくつかの実施形態では、軸２１４は、ライン２０５に対してほぼ垂直である。センサ２１５は、直線アレイセンサなどのアレイセンサを備える。
【００３０】
図２（Ｂ）は、それぞれが図２（Ａ）の収集光学部品２１０に実質的に類似する複数の暗視野収集システム（それぞれ２３１、２３２および２３３）の一実施形態を示す。収集システム２３１、２３２および２３３は、図２（Ａ）の照明光学部品２０１に実質的に類似する照明光学部品と組み合わせて使用される。試料２１１はステージ２２１上に支持され、ステージ２２１は、検査される領域を光学部品の下へ移動する。ステージ２２１が備え得るＸ−ＹステージまたはＲ−θステージは、好ましくは最小限の無駄時間で試料の広い面積を検査するために、検査中には実質的に連続して動く。
【００３１】
図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示された実施形態による検査システムのさらなる詳細は、２００９年４月２８日に発行された「Ｓｕｒｆａｃｅ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  ｌａｓｅｒ  ｌｉｎｅ  ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ」という名称の米国特許第７，５２５，６４９号、および２００３年８月１９日に発行された「Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ  ａｎｏｍａｌｉｅｓ  ａｎｄ／ｏｒ  ｆｅａｔｕｒｅｓ  ｏｆ  ａ  ｓｕｒｆａｃｅ」という名称の米国特許第６，６０８，６７６号に見いだされ得る。どちらの特許も、本願に引用して援用する。
【００３２】
図３は、垂直照明ビームと斜光照明ビームの両方を使用して試料上の粒子状物質または欠陥を検知するように構成された検査システム３００を示す。この構成では、本明細書で説明されたような帯域幅制御を内蔵するＤＵＶレーザーシステム３３０が、レーザービーム３０１を供給する。レンズ３０２は、ビーム３０１を、空間フィルタ３０３を通して合焦する。レンズ３０４は、ビームを視準してから偏光ビームスプリッタ３０５に伝える。ビームスプリッタ３０５は第１の偏光された成分を垂直照明チャネルへ渡し、第２の偏光された成分を斜光照明チャネルへ渡し、第１の成分と第２の成分は直交する。垂直照明チャネル３０６では、第１の偏光された成分が光学部品３０７によって合焦され、ミラー３０８によって試料３０９の表面へ向けて反射される。（ウェーハまたはフォトマスクのような）試料３０９によって散乱された放射は、放物面ミラー３１０によって収集されてセンサ３１１に合焦される。
【００３３】
斜光照明チャネル３１２では、第２の偏光された成分がビームスプリッタ３０５によってミラー３１３へ反射され、ミラー３１３によってそのようなビームが反射されて半波長板３１４を通り、光学部品３１５によって試料３０９に合焦される。斜光照明チャネル３１２の斜光照明ビームから発生して試料３０９によって散乱された放射は、放物面ミラー３１０によって収集されてセンサ３１１に合焦される。センサおよび（垂直照明チャネルおよび斜光照明チャネルからの表面３０９上の）照明領域は、好ましくは放物面ミラー３１０の焦点にある。
【００３４】
放物面のミラー３１０は、試料３０９から散乱された放射を平行ビーム３１６へと視準する。次いで、平行ビーム３１６は、対物レンズ３１７によって、分析器３１８を通してセンサ３１１に合焦される。放物面の形状とは別の形状を有する湾曲した鏡面も使用され得ることに留意されたい。測定器３２０は、試料３０９の表面にわたって各スポットが走査されるように、ビームと試料３０９の間を相対運動させることができる。２００１年３月１３日に発行され、本願に引用して援用される米国特許第６，２０１，６０１号は、検査システム３００をより詳細に説明している。
【００３５】
図４は、明視野検査モードおよび暗視野検査モードを有する検査システムとして構成された例示の反射屈折の画像システム４００を示す。システム４００は、レーザーシステム４０１と広帯域光照明モジュール４２０との２つの照明光源を内蔵してよい。
【００３６】
暗視野モードでは、適応光学部品４０２は、検査されている表面上のレーザー照射のビームサイズおよびプロファイルを制御する。機械的ハウジング４０４は、開口および窓４０３と、試料４０８の表面に対して垂直な入射における光学軸に沿ってレーザーの方向を変えるプリズム４０５とを含む。また、プリズム４０５は、試料４０８の表面のフィーチャからの正反射を対物レンズ４０６の外へ導く。対物レンズ４０６は、試料４０８によって散乱された光を収集してセンサ４０９上に合焦する。対物レンズ４０６用のレンズは、反射屈折の対物レンズ４１２と、合焦レンズのグループ４１３と、任意選択でズーム機能を含み得るチューブレンズ部分４１４との一般形態において用意されてよい。レーザーシステム４０１は、本明細書で説明されたような帯域幅制御を内蔵する。
【００３７】
明視野モードでは、広帯域照明モジュール４２０が広帯域光をビームスプリッタ４１０へ導き、ビームスプリッタ４１０が、その光を合焦レンズ群４１３および反射屈折の対物レンズ４１２に向けて反射する。反射屈折の対物レンズ４１２は、試料４０８を広帯域光で照光する。試料からの反射光または散乱光が、対物レンズ４０６によって収集されてセンサ４０９上に合焦される。広帯域照明モジュール４２０は、たとえばレーザー励起プラズマ光光源またはアークランプを備える。広帯域照明モジュール４２０は、反射屈折の対物レンズ４１２に対して試料４０８の高さを制御する信号を供給するための自動焦点システムも含み得る。
【００３８】
本願に引用して援用される、２００７年１月４日公開の米国特許出願公開第２００７／０００２４６５号は、システム４００をより詳細に説明している。
【００３９】
図５は、１つのセンサ５７０上で画像または信号の２つのチャネルを同時に検知するレチクル、フォトマスクまたはウェーハの検査システム５００を示す。画像センサ５７０は、分割読出しの画像センサを備える。照明光源５０９は、本明細書で説明されたような帯域幅制御を有するＤＵＶレーザーシステムを内蔵する。ＤＵＶレーザーの動作波長は、約１９３ｎｍの波長など、２００ｎｍより短いものであり得る。検査される物体５３０が透明なとき（たとえばレチクルまたはフォトマスクのとき）、２つのチャネルは反射されて伝送された強度を含んでよく、または入射角、偏光状態、波長範囲もしくはそれらのいくつかの組合せなどの２つの異なる照明モードを含んでよい。光は、チャネル１の照明リレー５１５およびチャネル２の照明リレー５２０を使用して、検査される物体５３０へ導かれる。
【００４０】
検査される物体５３０は、レチクル、フォトマスク、半導体ウェーハまたは検査される他の物品でよい。画像リレー光学部品５４０は、検査される物体５３０によって反射された光および／または伝送された光を、チャネル１の画像モードリレー５５５およびチャネル２の画像モードリレー５６０へ導くことができる。チャネル１の画像モードリレー５５５はチャネル１の照明リレー５１５に対応する反射または伝送を検知するように調整され、チャネル２の画像モードリレー５６０はチャネル２の照明リレー５２０に対応する反射または伝送を検知するように調整される。次に、チャネル１の画像モードリレー５５５およびチャネル２の画像モードリレー５６０は、それらの出力をセンサ５７０へ導く。２つのチャネルの検知された信号または画像に対応するデータはデータ５８０として示されており、処理するためにコンピュータ（図示せず）へ伝送される。
【００４１】
レチクルまたはフォトマスクから伝送された光および反射された光を測定するように構成され得る、レチクルおよびフォトマスクの検査システムおよび方法の他の詳細は、２００８年４月１日にクバメ（Ｋｖａｍｍｅ）らに対して発行された米国特許第７，３５２，４５７号、および１９９６年１０月８日にエメリー（Ｅｍｅｒｙ）らに発行された米国特許第５，５６３，７０２号に説明されており、どちらの特許も、本願に引用して援用する。
【００４２】
画像センサ５７０の例示的実施形態に関するさらなる詳細は、ブラウン（Ｂｒｏｗｎ）らによって２０１３年１２月４日に出願された「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＳＰＥＥＤ  ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＭＯＶＩＮＧ  ＩＭＡＧＥＳ  ＵＳＩＮＧ  ＰＵＬＳＥＤ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ」という名称の米国特許出願第１４／０９６，９１１号、および２００９年５月５日に発行された、ブラウン（Ｂｒｏｗｎ）らによる「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＳＩＭＵＬＴＡＮＥＯＵＳ  ＨＩＧＨ−ＳＰＥＥＤ  ＡＣＱＵＩＳＩＴＩＯＮ  ＯＦ  ＭＵＬＴＩＰＬＥ  ＩＭＡＧＥＳ」という名称の米国特許第７，５２８，９４３号に提供されている。これらの特許および特許出願は、本願に引用して援用する。
【００４３】
図６Ａに示される例示的パルスレーザー組立体６００Ａは、基本波レーザー６０１と、パルス分割要素６０２Ａ、単体デバイス６０７、周波数混合モジュール６０８Ａを一般に含んでいる帯域幅制限装置６１０Ａと、基本波レーザー６０１によって生成された基本波レーザー光パルス６０１Ａ−ＬＰからの直接的な２次高調波生成によって生成されるものよりも狭い帯域幅の範囲内にある周波数を有するパルスＬＳＦＰで構成されている和周波数光ＬＳＦ（またはレーザー出力光Ｌｏｕｔ）を生成するように構成された様々な光学要素とを含む。
【００４４】
図６Ａの左側を参照して、基本波レーザー６０１は、一連の基本波レーザー光パルスＬＰで構成された基本波レーザー光Ｌを生成するように構成されており、それぞれの基本波レーザー光パルスＬＰは基本中心周波数νｆおよび基本周波数の帯域幅Δνｆ（対応する基本中心波長λｆおよび対応する基本波長帯域幅Δλｆを有する）を有する。実例の１つでは、基本波レーザー光パルスＬＰは、約１ピコ秒と約１０ナノ秒の間のＦＷＨＭパルス幅などの約１ピコ秒よりも長い半値全幅（ＦＷＨＭ）Ｄｆによって特徴付けられたパルス幅（持続時間）を有する。この例では、基本中心周波数νｆは、約１５０ＴＨｚと約７５０ＴＨｚの間の周波数（すなわち約２μｍと４００ｎｍの間の波長に相当する周波数）などのスペクトルの近赤外部分または可視部分における周波数であり得る。基本周波数の帯域幅は、約１ＴＨｚ以下のＦＷＨＭによって特徴付けられ得る。一般的には、レーザー光パルスＬＰの基本周波数の帯域幅は、同一のパルス幅Ｄｆの変換制限レーザーパルスの帯域幅の数倍から約１０倍になるであろう。基本波レーザー６０１とパルス分割要素６０２の間の破線矢印におけるジグザグのフィーチャによって示されるように、順次に生成されるパルスは、一般的には、基本パルス幅Ｄｆよりもはるかに長い期間によって分離される。以下で説明されるように、レーザー組立体６００Ａ内の光路長は約１０％またはそれよりもよく一致するので、レーザー組立体６００Ａは任意のパルス繰返し周期を用いて機能することになる。
【００４５】
パルス分割要素６０２は、基本波レーザー光Ｌを受け取るように配置され、それぞれのレーザー光パルスＬＰを、以下で第１のサブパルスＬＳＰ１および第２のサブパルスＬＳＰ２と称される２つの関連するサブパルスに分割する（分離する）ように構成されている。図６Ａに示される実施形態では、部分反射器６０２を実施するのに使用されている部分反射器は、それぞれのレーザー光パルスＬＰを、ほぼ等しいエネルギーを有するサブパルスＬＳＰ１とＬＳＰ２に分割し、これら２つのサブパルスが、部分反射器６０２から別々の方向に伝送される（たとえば図６Ａに表されるように、第１のサブパルスＬＳＰ１は部分反射器６０２を通って水平に右へ導かれ、第２のサブパルスＬＳＰ２は部分反射器６０２から上へ方向を変えられる（反射される））ように構成されている。一実施形態では、部分反射器６０２は、たとえば直交偏光といった１つの偏光を反射し、たとえば水平偏光といった直交する偏光状態を伝送する偏光ビームスプリッタによって実施されてよい。この実施形態では、基本波レーザーパルスＬＰが部分反射器６０２に対して約４５°などの適切な角度で偏光されると、サブパルスＬＳＰ１とＬＳＰ２は、ほぼ等しいエネルギーを有することになる。
【００４６】
サブパルスＬＳＰ１およびＬＳＰ２は、パルス分割要素６０２と単体デバイス６０７の間に動作可能に配設された対応する光学要素を経由して２つの異なる光路に沿って単体デバイス６０７へ導かれる。第１のサブパルスＬＳＰ１は、パルス分割要素６０２から右の方への出る一点鎖線によって表されるように、部分反射器６０２から第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６０３を通り、次いで、第１の４分の１波長板（ＱＷＰ）６０４を単体デバイス６０７の第１の端面６０７−１まで通って、第１の円偏光されたサブパルスに変換される。対照的に、第２のサブパルスＬＳＰ２は、パルス分割要素６０２から上へ延在する二点鎖線によって表されるように、平坦な折返しミラー６１１および６１２によって第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６０５の方へ反射され、次いで、左の方へ水平に方向を変えられ、単体デバイス６０７の第２の端面６０７−２に隣接して配設された第２の４分の１波長板（ＱＷＰ）６０６を経由して、第２の円偏光されたサブパルスに変換される。このように、第１の円偏光されたサブパルスと第２の円偏光されたサブパルスは、単体デバイス６０７の対向面へと逆方向に伝送される。
【００４７】
本発明の一態様によれば、１つ以上の単体デバイスは、関連する第１の円偏光されたサブパルスと第２の円偏光されたサブパルスがそれぞれ逆の（すなわち正と負の）チャープを有する引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２に変換されるように構成されて配置される。図６Ａに示される単一の単体デバイスの実施形態では、単体デバイス６０７は、既知技術によって、第１の円偏光されたサブパルスが、表面６０７−１から反射されるとき引き伸ばされ（すなわち、図６Ａの左下部分に配置されたバブルで示されるように、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１の持続時間／長さＤｓが基本波レーザーの光パルスＬＰの持続時間Ｄｆよりも長く（たとえば２倍以上長く）なり）、しかも正のチャープを含む（すなわち、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１の周波数が、時間が経つにつれて増加して、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１の初期の波長λｓＡよりも後の波長λｓＢが短くなる）ように変更されるように、構成されている。同様に、第２の円偏光されたサブパルスは、第２の表面６０７−２から反射されるとき引き伸ばされ、負のチャープを含むように変更される（すなわち、図６Ａの右上部分に配置されたバブルで示されるように、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２の周波数が、時間が経つにつれて減少して、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２の初期の波長λｓＣよりも後の波長λｓＤが長くなる）。サブパルスを引き伸ばすプロセスは、好ましくは、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１が第１の円偏光されたサブパルスと実質的に同一のエネルギーを有し、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２が第２の円偏光されたサブパルスと実質的に同一のエネルギーを有するように遂行されることに留意されたい。一実施形態では、単体デバイス６０７は、正にチャープされて引き伸ばされた第１のサブパルスＬＳＳＰ１と負にチャープされて引き伸ばされた第２のサブパルスＬＳＳＰ２とが、大きさがほぼ等しく符号が逆の、時間とともに変化する周波数を伴って生成されるように（すなわち、正にチャープされて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１が、負にチャープされて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２の実質的なミラーイメージになるように）さらに構成されている。単一のＣＢＧまたはチャープされたファイバブラッグ格子の相対する終端から２つのサブパルスを反射することの利点の１つには、単体デバイス６０７の代わりに２つの個別の構成要素を使用するのとは対照的に、パルスは、２つのサブパルスが相対する終端からブラッグ格子に入って逆方向へ伝わるので、単体デバイス６０７が２つのサブパルスに逆のチャープを与えることがある。
【００４８】
次いで、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２は、対応する光学要素によって、単体デバイス６０７から対応する光路を通って混合モジュール６０８Ａへ導かれる。第１の表面６０７−１から水平に延在する一点鎖線によって表されるように、第１の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１は、単体デバイス６０７からＱＷＰ  ６０４を通ってＰＢＳ  ６０３へ進み、ＰＢＳ  ６０３から折返しミラー６１３へ、折返しミラー６１３から折返しミラー６１４へと下へ方向を変えられ、折返しミラー６１４から上へ、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６０５へ進み、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６０５から右へ、周波数混合モジュール６０８Ａへと方向を変えられる。対照的に、第２の表面６０７−２から右へ水平に延在する二点鎖線によって表されるように、第２の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２は、単体デバイス６０７からＱＷＰ  ６０６を通ってＰＢＳ  ６０５へ進み、ＰＢＳ  ６０５を通って周波数混合モジュール６０８Ａに渡される。それぞれの引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２は、単体デバイス６０７によって反射されてチャープされた後に、対応するＱＷＰ  ６０４および６０５による入射ビームに対する直交偏光で線形偏光に変換されることに留意されたい。これら２つの直交偏光されたパルスは、ＰＢＳ  ６０５において結合され、２νｆの中心周波数を有する和周波数光ＦＳＦを生成するために周波数混合モジュール６０８Ａへ送られる。２つのサブパルスが、部分反射器６０２から、再結合されるＰＢＳ  ６０５まで辿る光路長が実質的に等しく、その結果、２つのサブパルスが実質的にオーバーラップして周波数混合モジュール６０８Ａに到達することに留意されたい。好ましい実施形態では、２つのサブパルスが伝わる光路の長さは、パルス幅の約１０％の範囲内で一致する。一実施形態では、基本光Ｌの偏光は、偏光ビームスプリッタを備える部分反射器６０２Ａに対して約４５°に配向されてよく、その結果、基本光Ｌの、部分反射器６０２Ａによって伝送される部分と反射される部分とが実質的に等しくなる。この実施形態では、ＰＢＳ  ６０３は、部分反射器６０２として同一の偏光を伝送するべきであり、直交偏光を効率的に反射するべきである。同様に、ＰＢＳ  ６０５は、部分反射器６０２Ａによって反射された偏光を反射してＱＷＰ  ６０６に導き、ＱＷＰ  ６０６はそれぞれのパルスを円偏光に変換する。円偏光は、単体デバイス６０７によって反射された後、ＱＷＰ  ６０６によって線形偏光に変換されるが、その初期の偏光に対して９０°回転され、その結果、ＰＢＳ  ６０５を通り抜ける。ＰＢＳ  ６０３から反射された光は、ＰＢＳ  ６０５からも反射され、その結果、直交偏光された２つのパルスは、ともに周波数混合モジュール６０８Ａへ実質的に同一線上を進む。直交偏光された２つのパルスをＰＢＳ  ６０５Ａにおいて組み合わせることは、図９を参照しながら以下でさらに詳細に説明される。
【００４９】
図６Ａの右側を参照して、周波数混合モジュール６０８Ａは、それぞれの正にチャープされて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１を、それに対応する負にチャープされて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２と混合して、引き伸ばされて混合された２つのサブパルスは、基本波レーザー光６０１−Ｌの基本周波数νｆの２倍に等しい中心周波数νｓｆ（すなわち、νｓｆ＝２νｆ）を有するパルスＬＳＦＰで構成された和周波数光ＬＳＦを生成するように構成されている。すなわち、周波数混合モジュール６０８Ａは、直交偏光されて引き伸ばされた２つのサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２の両者の周波数の合計の出力周波数を有する和周波数光パルスＬＳＦＰを生成するように構成されており、それによって、基本波レーザー光Ｌの２次高調波としての和周波数光ＬＳＦが生成される。引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２が直交偏光されているので、周波数混合モジュール６０８Ａは、好ましくはタイプＩＩの周波数混合を実施するように構成される。
【００５０】
帯域幅制限装置６１０Ａを前述のようなやり方で以下の例のように利用すると、単体デバイスベースの帯域幅制限装置６１０を使用せずに（すなわち基本周波数を単に２倍にすることよって）生成されるものよりも狭い帯域幅を有する和周波数光パルスＬＳＦＰが、このように生成され得る。例として、図１１Ａが表す例示の測定された基本光の帯域幅は、１０６４．５ｎｍの基本中心波長において約８２ｐｍのＦＷＨＭ帯域幅を有し、図１１Ｂが表す実験的に測定されたスペクトルは図１１Ａの基本光の２次高調波を示し、破線は、周波数倍増によって生成された２次高調波（約３３ｐｍの測定されたＦＷＨＭ帯域幅を有する）を表し、実線は、本発明によるＣＢＧベースの帯域幅制限装置を利用することによって生成された２次高調波（約９ｐｍのＦＷＨＭ帯域幅を有する）を表す。図１１Ｂは、本発明が、単に基本周波数を２倍にするのと比較して、約３．７倍だけ基本帯域幅を低減することを明らかに示す。レーザーの帯域幅をフィルタリングによって３．７倍だけ低減するには、それぞれのレーザーパルスのエネルギーの７０％以上を捨てる必要があり、そのため非常に非効率的になる。
【００５１】
図６Ａに示された例示的実施形態の利点の１つには、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２が、周波数混合モジュール６０８Ａへ実質的に同一線上を進むことにより、引き伸ばされたサブパルスが周波数混合モジュール６０８Ａを通って進むときオーバーラップして、和周波数光ＬＳＦが、基本波レーザー光Ｌの２次高調波として効率よく生成されることがある。これら２つの光路の位置合わせおよび周波数混合モジュール６０８Ａに対するそれらの位置合わせは、図６Ａに表されたものなどの同一線上の配置では比較的簡単であり得る。
【００５２】
図６Ａの実施形態によって実施される手法は、変換限界に近い基本光パルスＬＰを想定するものである。単体デバイス６０７の実質的に線形にチャープされた構造体が、実質的に線形のチャープを有するそれぞれのサブパルスを引き伸ばす。単体デバイス６０７に片側から到達するパルスは、低周波（より広い格子ピッチ）から高周波（より狭い格子ピッチ）へとチャープされた格子に遭遇する。単体デバイス６０７の反対側から到達するパルスは逆のチャープに遭遇する。アップチャープの傾斜とダウンチャープの傾斜が厳密に一致しているので、これらのパルスの間の和周波発生は、より狭い帯域幅を有する、より長い変換限界パルスを生成する。基本光Ｌのパルスが変換限界から遠い場合、反射パルスが一致した逆のチャープを得ることを保証するために、２つの個別のＣＢＧまたは異なるチャープを有するファイバブラッグ格子が使用され得る。実質的に変換限界の基本波レーザーパルスを用いてさえ、一方が低周波から高周波へのチャープに配向され、他方が高周波から低周波へのチャープに配向されて、厳密に一致した２つのＣＢＧが、単一のＣＢＧの代わりに使用され得る。単一のＣＢＧの両側を使用する好ましい実施形態には、光学部品がよりコンパクトになり、それほど費用がかからなくなり、実質的に類似した傾斜で符号が逆のチャープを用いて２つのパルスをチャープすることを保証するという利点がある。
【００５３】
例示的実施形態では、基本波レーザー６０１は２次高調波変換モジュールを有する、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄをドープしたバナジウム酸塩レーザーであり、たとえば約２０ピコ秒のＦＷＨＭパルス幅Ｄｆといった数ピコ秒と数十ピコ秒の間のパルス幅（持続時間）Ｄｆを有する約５３２ｎｍの基本波長λｆで基本光Ｌを生成する。ＣＢＧを備える単体デバイス６０７は、５３２ｎｍの基本パルスを、引き伸ばされたＦＷＨＭパルス幅（持続時間）の約１０ピコ秒と約１００ピコ秒の間のＤｓ（たとえば約８０ピコ秒のＦＷＨＭパルス幅Ｄｓ）に引き伸ばすように構成されている。この場合、周波数混合モジュール６０８Ａは、約２６６ｎｍの波長λｓｆと、基本光Ｌの周波数を単に２倍にすることによって生じるものよりもより狭い帯域幅およびより長いパルス幅Ｄｓｆとを有する和周波数（出力）光ＬＳＦを生成するように構成されている。特定の例示的実施形態では、周波数混合モジュール６０８Ａは、５３２ｎｍの光の、約８２°の位相整合角、約１００℃の温度におけるタイプＩＩの混合用に完全位相整合されたベータバリウムホウ酸塩（ＢＢＯ）結晶を使用して実施される。他の温度は、位相整合角の適切な調整を伴って使用され得る。他の適切な非線形光学結晶が、適切な温度および位相整合角を伴ってＢＢＯ結晶の代わりになり得る。適切な分極周期を有する周期的に分極された非線形結晶も、ＢＢＯ結晶の代わりになり得る。
【００５４】
図６Ｂが示す代替の例示的レーザー組立体６００Ｂは、組立体６００Ａ（図６Ａ）に類似であるが、それぞれのサブパルスを単体デバイス６０７の対応面へ２回導くことによってサブパルスをさらに引き伸ばすように変更された、帯域幅制限装置６１０Ｂを含む。図６Ｂの実施形態は、この傾けられたＣＢＧ構成を除けば図６Ａの構成に類似であり、そのため、組立体６００Ａ（図６Ａ）の対応する要素／構成要素と同一の位置付けを有して同一の機能を遂行する、レーザー組立体６００Ｂの他のすべての光学要素および構成要素は同一の参照番号を使用して示されており、不必要な繰返しを避けるために、さらなる詳細は説明しない。
【００５５】
図６Ｂの中央部を参照して、レーザー組立体６００Ｂは、単体デバイス６０７が傾けられたＣＢＧ構成で配置されており、またレーザー組立体６００Ｂが２つの追加のミラー６１５および６１６を利用する点で、組立体６００Ａと異なる。具体的には、単体デバイス６０７は、示されるように、反射されたサブパルス光がそれぞれミラー６１５および６１６へ導かれるように、入射サブパルスＬＳＰ１およびＬＳＰ２の（水平の）入力経路に対して角度αだけ回転されており、ミラー６１５および６１６は、反射された入射サブパルスが、結果として生じる２度反射されて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２を、それぞれ（水平の）入力経路に沿ってＰＢＳ  ６０３およびＰＢＳ  ６０５へ進ませる同位角で、単体デバイス６０７へ戻されるように配設されており、それぞれの引き伸ばされたサブパルスが、ＰＢＳ  ６０３およびＰＢＳ  ６０５から周波数混合モジュール６０８Ａへ導かれて、上記で説明されたのと実質的に同一のやり方で和周波数出力光ＬＳＦに変換される。この傾斜したＣＢＧ構成を利用することによって生成される引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２は、図６Ａの実施形態によって生成されたものよりも長いパルス幅（持続時間）を有し、単体デバイス６０７の対向面６０７−１と６０７−２から２度反射することにより、２倍のチャープ量を取得する。したがって、この構成は、和周波発生の後に、同一の単体デバイス６０７からの単一の反射によって生成され得るものよりもさらに狭い帯域幅を有する和周波数光ＬＳＦを生成する。単体デバイス６０７からの単一の反射からパルスを２度引き伸ばすとともに２倍のチャープを生成するには、長さが約２倍の単体デバイス６０７を必要とするはずであり、これを製作するのは実用的でないか、または大幅に割高になる可能性がある。
【００５６】
図６Ｃが示す別の代替の例示的レーザー組立体６００Ｃは、これも組立体６００Ａ（図６Ａ）に類似であるが、サブパルスが平行偏光（すなわち上記で利用された直交偏光とは対照的に）に支配されるように構成された帯域幅制限装置６１０Ｃを利用する点で前述の実施形態とは異なる。具体的には、帯域幅制限装置６１０Ｃは、異なる部分反射器（パルス分割要素）６０２Ｃを含んでいること、第１の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１を周波数混合モジュール６０８Ｃ上へ直接反射するための単一のミラー６１７を含んでいること、および周波数混合モジュール６０８Ｃが（タイプＩＩの混合とは対照的に）タイプＩの周波数混合を実施するように構成されていることにおいて、以前の２つの実施形態とは異なる。他の点では、組立体６００Ａ（図６Ａ）の対応する要素／構成要素と同一の位置付けを有して同一の機能を遂行する、レーザー組立体６００Ｃの他のすべての光学要素および構成要素は同一の参照番号を使用して示されており、不必要な繰返しを避けるために、さらなる詳細は説明しない。
【００５７】
図６Ｃの中央を参照して、レーザー組立体６００Ｃは、基本光パルスＬＰが上記で説明されたのと類似のやり方で部分反射器６０２Ｃ上へ導かれるように配置されており、部分反射器６０２Ｃは、基本波レーザー６０１によって生成されたそれぞれのレーザーパルスＬＰを、ほぼ等しいエネルギーの２つのサブパルスＬＳＰ１とＬＳＰ２に分割する（分離する）ように構成されており、サブパルスＬＳＰ１およびＬＳＰ２は、次に、図６Ａを参照しながら説明されたのと類似のやり方で単体デバイス６０７の対向面６０７−１および６０７−２へ導かれる。しかしながら、この場合、部分反射器６０２Ｃは、部分反射器６０２Ｃによって伝送されるサブパルスＬＳＰ１の偏光と、反射されるサブパルスＬＳＰ２の偏光とが互いに実質的に平行（すなわち直交偏光とは対照的に）になるように既知の技術を使用して構成されている点が、以前の実施形態とは異なる。前述の実施形態と同様に、単一の単体デバイス６０７が２つのサブパルスに対して逆のチャープを与え、それぞれの引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２の偏光方向が、もとの偏光方向に対して９０°回転されるように、ＱＷＰ  ６０４およびＱＷＰ  ６０６が、サブパルスを線形偏光から円偏光に変換してから再び線形偏光に戻す。前述の実施形態と同様に、第２の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２は、単体デバイス６０７の第２の表面６０７−２から反射された後、第１の（たとえば水平の）方向に沿ってＰＢＳ  ６０５を通って周波数混合モジュール６０８Ｃへ導かれる。これも前述の実施形態に類似して、第１の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１は、単体デバイス６０７の第１の表面６０７−１を出て水平方向に進み、次いで、ＰＢＳ  ６０３によって下方へ反射されるが、第１の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１の経路は、１つ以上のミラーまたはプリズムを備える光学部品６１７が、第１の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１を、周波数混合モジュール６０８Ｃ上へ、第２の引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２が周波数混合モジュールに６０８Ｃに入るときの経路方向（すなわち図６Ｃでは水平）に対して０°と４°未満の間の角度βで直接反射するように配置されているという点で、以前の実施形態とは異なる。以前の実施形態と同様に、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２が周波数混合モジュール６０８Ｃへ実質的に互いにオーバーラップして到達するように、２つのサブパルスの光路長を形成する光学要素は実質的に類似しているべきである。好ましい実施形態では、２つのパルスが伝わる光路長は、パルス幅の約１０％の範囲内で一致する。周波数混合モジュール６０８Ｃにおいて平行偏光を用いて２つのパルスを組み合わせることは、図１０においてより詳細に示される。これも以前の実施形態に類似して、周波数混合モジュール６０８Ｃは、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２を混合して、２つの引き伸ばされたサブパルスの周波数の合計である和周波数の出力光ＬＳＦを生成する。しかしながら、２つのパルスが平行の偏光を有するので、周波数混合モジュール６０８Ｃは、好ましくは既知技術を使用してタイプＩの周波数混合を実施するように構成されるかまたは周期的に分極さ��た非線形光学結晶において疑似位相整合を使用するように構成される。
【００５８】
図６Ｃに示された例示的実施形態の利点の１つには、２つのパルスが実質的に平行の偏光を有するので、タイプＩの周波数混合が使用され得ることがある。多くの非線形結晶では、タイプＩの周波数変換はタイプＩＩの周波数変換よりも高効率であり、所定の入力パワーおよび出力パワーの周波数混合向けに、より短い結晶の使用を可能にするか、あるいは所定の入力パワーおよび結晶長に対して、より大きい出力パワーの生成を可能にする。
【００５９】
あるいは、図６Ｃに示された例示的実施形態は、周期的に分極された非線形光学結晶において疑似位相整合を使用して周波数混合を遂行することができ、これは、分極されていない非線形光学結晶におけるタイプＩの周波数混合またはタイプＩＩの周波数混合のどちらよりも高効率であり得る。ＰＰＬＮおよびＰＰＳＬＴなどの周期的に分極された材料は、ＬＢＯ、ＢＢＯおよびＣＬＢＯなどの材料よりも大きい非線形係数を有する。その上、疑似位相整合を使用するとウォークオフを除去し、周波数混合のためにより長い結晶を使用することが可能になり得る。
【００６０】
さらに別の例示的実施形態（図示せず）では、実質的に平行の偏光を有する２つのパルスが、図６Ｂに示されたのと類似のやり方で、チャープされたボリュームブラッグ格子またはチャープされたファイバブラッグ格子から２度反射され、次いで、周波数混合モジュール６０８Ｃにおいて、図６Ｃおよび図１０に示されたのと類似のやり方で結合される。
【００６１】
図７が示す例示的ＤＵＶレーザー組立体７００は、本発明の別の実施形態によって、基本波レーザー６０１、ＣＢＧベースの帯域幅制限装置６１０および高調波変換モジュール７０３を含む。前述の実施形態に類似して、帯域幅制限装置６１０に含まれるパルス分割要素６０２、単体デバイス６０７および和周波発生（混合）モジュール６０８は、（すなわち、従来の周波数倍増によって取得されるものと比較して）低減された帯域幅を有する和周波数光ＬＳＦを生成するように構成されている。和周波数光ＬＳＦを受け取るように配置された高調波変換モジュール７０３は、既知技術を使用して、和周波数光ＬＳＦを、和周波数光ＬＳＦよりも短い波長のより高調波を有するレーザー出力光Ｌｏｕｔに変換するように構成されている。
【００６２】
例示的実施形態では、基本波レーザー６０１および帯域幅制限装置６１０の構成は、前述のレーザー組立体６００Ａ、６００Ｂおよび６００Ｃのうちのいずれか１つと類似する。一実施形態では、基本波レーザー６０１はＮｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄをドープしたバナジウム酸塩レーザーであり、たとえば約２０ピコ秒といった数ピコ秒と数十ピコ秒の間のパルス幅を有する約１０６４ｎｍの波長の基本光Ｌを生成する。
【００６３】
前述の実施形態と同様に、単体デバイス６０７は、基本波（たとえば１０６４ｎｍ）パルスを、たとえば約８０ピコ秒といった、数十ピコ秒と数百ピコ秒の間のパルス幅に引き伸ばすように機能し、周波数混合モジュール６０８は、約５３２ｎｍの波長の和周波数光ＬＳＦを生成するように機能する。周波数混合モジュール６０８は、リチウムトリボラート（ＬＢＯ）またはセシウムホウ酸リチウム（ＣＬＢＯ）におけるタイプＩＩの周波数混合を使用することができる。たとえば、ＬＢＯは、約５０℃の温度ならびにほぼθ＝２３°およびφ＝９０°の位相整合角においてＹＺ平面を使用して約５３２ｎｍの波長の光を生成するために、約１０６４ｎｍの波長の光のタイプＩＩの周波数混合に使用され得る。あるいは、周波数混合モジュール６０８は、周期的に分極されたＳＬＴ結晶を使用することができる。
【００６４】
一実施形態では、高調波変換モジュール７０３は、和周波数光ＬＳＦを、基本光Ｌ（たとえば約２６６ｎｍの波長を有する）の４次高調波におけるパルスＬｏｕｔＰを含むレーザー出力光Ｌｏｕｔに変換するように構成されている。高調波変換モジュール７０３は、約１００℃の温度において約６１．８°の位相整合角で５３２ｎｍの２次高調波のタイプＩの生成のために、完全位相整合され得るＣＬＢＯ結晶を含んでよい。他の温度は、位相整合角の適切な調整を伴って使用され得る。ＣＬＢＯは、ＤＵＶ波長において、他の材料よりも大きい被害閾値を有し得るので、２６６ｎｍにおいて出力光の（５００ｍＷ以上のような）大きいパワーが必要なとき、特に有用である。焼きなまされて重水素処理されたＣＬＢＯ結晶または水素処理されたＣＬＢＯ結晶は、ＤＵＶ波長において約１Ｗ以上のパワーレベル向けに好ましいものである。焼きなまされて重水素処理されたＣＬＢＯおよび水素処理されたＣＬＢＯのさらなる情報は、ドリビンスキ（Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉ）によって２０１０年９月３日に出願された「ＣＬＢＯ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ」という名称の米国特許出願第１２／８７５，２３３号、ドリビンスキ（Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉ）らによって２０１２年３月５日に出願された「Ｌａｓｅｒ  Ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｑｕａｌｉｔｙ，  Ｓｔａｂｌｅ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｂｅａｍ，  Ａｎｄ  Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｈｉｇｈ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ  Ｃｒｙｓｔａｌ」という名称の米国特許出願第１３／４１２，５６４号、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１２年６月５日に出願された「Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」という名称の米国特許出願第１３／４８８，６３５号、およびチャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年４月８日に出願された「Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ」という名称の米国特許出願第１４／２４８，０４５号に見いだされ得る。これらの出願は、すべて本願に引用して援用する。
【００６５】
図８が示す別の例示的ＤＵＶレーザー組立体８００に含まれる基本波レーザー６０１、ＣＢＧベースの帯域幅制限装置６１０、高調波変換モジュール８０６および第２の周波数混合モジュール８０８は、本発明の別の実施形態によってＵＶ出力光を生成するように構成されている。基本光Ｌの帯域幅は、たとえばレーザーの帯域幅内の波長の狭い範囲を伝送するエタロン（または他の光学的帯域幅フィルタリングデバイス）８０３を通り抜けることによって狭められる。狭められた基本光ＬＮは、周波数混合モジュール８０８の入力のうちの１つとして使用される。帯域外の除去された基本光ＬＲは、たとえばエタロン８０３によって反射され、狭められた基本光ＬＮと比較して、より広い帯域幅と、そのスペクトルの中頃におけるディップとを有する。除去された光ＬＲは、そのままでは浪費されることになるが、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃを参照しながら上記で説明されたものに類似の構成のパルス分割要素６０２、単体デバイス６０７および混合モジュール６０８を含んでいるＣＢＧベースの帯域幅制限装置６１０の入力基本光として使用される。生成された和周波数光ＬＳＦは、単体デバイス６０７なしの直接的な和周波数生成に由来するものよりも狭い帯域幅を有し、このことから、後に、高調波変換モジュール８０６によってより狭い帯域幅高調光Ｌｈａｒが生成される。周波数混合モジュール８０８において、狭められた基本光ＬＮと狭められた高調光Ｌｈａｒを混合することにより、レーザー出力光Ｌｏｕｔが生成される。
【００６６】
例示的実施形態では、基本波レーザー６０１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧレーザーまたはＮｄをドープしたバナジウム酸塩レーザーを使用して、約１０６４ｎｍの基本波長を有する基本光パルスＬＰを生成する。和周波数光ＬＳＦは、帯域幅制限装置６１０を使用して生成された約５３２ｎｍの波長を有するパルスＬＳＦＰを用いて生成される。パルスＬＳＦＰは、高調波変換モジュール８０６によって約２６６ｎｍの波長の高調光Ｌｈａｒに変換される。周波数混合モジュール８０８は、約１０６４ｎｍの波長の狭められた基本光ＬＮと約２６６ｎｍの波長の狭められた高調光Ｌｈａｒを混合することによって約２１３ｎｍの波長のレーザー出力光Ｌｏｕｔを生成する。好ましい実施形態では、高調波変換モジュール８０６および周波数混合モジュール８０８の一方または両方が、ＣＬＢＯ結晶、焼きなまされたＣＬＢＯ結晶、重水素処理されたＣＬＢＯ結晶または水素処理されたＣＬＢＯ結晶を含む。
【００６７】
図９に示される例示的周波数混合モジュール６０８Ａは、直交偏光を有する、逆にチャープされて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２を組み合わせて（混合して）、これら２つのパルスから、図６Ａおよび図６Ｂを参照しながら上記で紹介されたやり方で和周波数光ＬＳＦを生成するように構成されている。直交偏光された、逆のチャープを有する２つのサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２が、ＰＢＳ  ６０５によって組み合わされ、その結果、周波数混合モジュール６０８Ａへ実質的に同一直線上を進む。周波数混合モジュール６０８Ａは、非線形結晶において、好ましくはタイプＩＩの周波数変換を使用して、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２の周波数を合計することによって２次高調波を生成する。タイプＩＩの周波数混合用に適切な非線形結晶は、基本光の波長およびパワーレベルに依拠して、ＢＢＯと、リチウムトリボラート（ＬＢＯ）と、セシウムホウ酸リチウム（ＣＬＢＯ）と、ニオブ酸リチウム、化学量論的タンタル酸リチウム、およびＭｇをドープした化学量論的タンタル酸リチウムなどの周期的に分極された材料とを含み得る。
【００６８】
図１０に示される例示的周波数混合モジュール６０８Ｃは、平行偏光を有する、逆にチャープされて引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２を組み合わせて（混合して）、これら２つのパルスから、図６Ｃを参照しながら上記で紹介されたやり方で和周波数光ＬＳＦを生成するように構成されている。前述のように、２つの逆にチャープされて引き伸ばされたサブパルスは、周波数混合モジュール６０８Ｃへ導かれ、そこで、この実施形態では周波数加算用に構成された非線形結晶によって周波数混合モジュール６０８Ｃ内部で収斂されてオーバーラップする。引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２の進行方向は、和周波数の２次高調波が非線形結晶の最適の位相整合の方向（１００１）に実質的に沿って進むように、最適の位相整合の方向１００１の反対側における実質的に等しい角度β１およびβ２にするべきである。引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１の方向と最適の位相整合の方向１００１の間の角度β１は、個々のパルスの最小限の部分しか２次高調波に変換されないように、それぞれのパルスが非線形結晶の２次高調波生成に関する受光角の外側に到達するように、十分に広くするべきである。引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２の方向と最適の位相整合の方向１００１の間の角度β２についても同様である。２次高調波生成に関する受光角は、結晶の材料と、結晶の長さと、ＬＳＳＰ１、ＬＳＳＰ２およびＬＳＦの波長とに依拠するものである。しかしながら、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２の間の角度βは、２つのパルスがオーバーラップして和周波数を生成することができるのが非線形結晶内の小領域のみになってしまうほど広くするべきではない。長さ３０ｍｍのＰＰＳＬＴ結晶を使用して５３２ｎｍの波長の和周波数光を生成する好ましい一実施形態では、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１の方向と最適の位相整合の方向１００１の間の角度β１（および引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ２の方向と最適の位相整合の方向１００１の間の角度β２）は約１°であり、すなわち、引き伸ばされたサブパルスＬＳＳＰ１とＬＳＳＰ２の間の角度βは約２°である。
【００６９】
タイプＩの周波数混合用に適切な非線形結晶は、基本光の波長およびパワーレベルに依拠して、ＢＢＯと、ＬＢＯと、ＣＬＢＯと、ニオブ酸リチウム、化学量論的タンタル酸リチウム、およびＭｇをドープした化学量論的タンタル酸リチウムなどの周期的に分極された材料とを含み得る。周期的に分極された結晶を用いると、和周波数光ＬＳＦの偏光は、ＬＳＳＰ１およびＬＳＳＰ２が入力パルスの偏光に対して、使用される材料および疑似位相整合に依拠して、（示されるような）直交かまたは平行のいずれかであることに留意されたい。
【００７０】
上記の例示的実施形態は、基本波の整数高調波に相当する出力波長を生成するレーザーを説明するものである。本明細書で開示された帯域幅制限装置および方法は、基本波の整数高調波ではない出力周波数を生成するレーザーにおいて使用され得る。たとえば、レーザーは、基本波レーザーの高調波を、光パラメトリック発振器、光パラメトリック増幅器、または基本波の一部分によってポンピングされたラマンレーザによって生成されたものなどの別の波長と混合することによって、出力波長を生成してよい。そのようなレーザーでは、高調波の帯域幅は、本明細書で開示された装置または方法を使用して狭められてよく、したがって、より狭い出力帯域幅をもたらす。
【００７１】
たとえば、レーザーは、１０６４ｎｍの近くの基本波の５次高調波を、約１．１μｍと約３．３μｍの間の赤外線波長と混合することによって、１９３ｎｍに近い波長など、約１８０ｎｍと約２００ｎｍの間の出力波長を生成することができる。本明細書で説明された帯域幅を制御する装置および方法を組み込むことの利益を享受することができる、１９３ｎｍの近くの波長を生成するレーザーのより詳細な説明が、ドリビンスキ（Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉ）に発行された「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｅｌｏｗ  ａｂｏｕｔ  ２００ｎｍ」という名称の米国特許第８，７５５，４１７号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１２年７月２５日に出願された「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  １９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／５５８，３１８号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１３年３月１２日に出願された「Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ  ｕｓｉｎｇ  １９３ｎｍ  ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願第１３／７９７，９３９号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年１月１７日に出願された「１９３ｎｍ  ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第１４／１５８，６１５号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年１月３１日に出願された「１９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｄ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第１４／１７０，３８４号と、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年３月１３日に出願された「Ａ  １９３  ｎｍ  Ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ａｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  １９３ｎｍ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許出願第１４／２１０，３５５号とに記述されている。これらの特許および出願は、すべて本願に引用して援用する。
【００７２】
基本波長、信号光の波長の適切な選択と、レーザー内の周波数混合モジュールに対する適切な変更とによって、約２００ｎｍよりも短い他の波長において前述の１９３ｎｍのレーザーが動作され得ることに留意されたい。具体的には、そのようなレーザーによって１９０ｎｍよりも短い真空ＵＶ波長が生成され得る。約２００ｎｍよりも短い波長を生成することができるレーザーも、チャン（Ｃｈｕａｎｇ）らによって２０１４年１０月３日に出願された「１８３ｎｍ  ｌａｓｅｒ  ａｎｄ  ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許仮出願第６２／０５９，３６８号に説明されている。この仮出願を本願に引用して援用する。本明細書で説明された帯域幅低減装置および方法は、この仮出願で説明されているレーザーにおいて使用され得る。
【００７３】
本明細書で説明されたレーザーのうち任意のものを内蔵する検査システムまたは画像システム用に適切な画像センサの例示的実施形態は、チャーン（Ｃｈｅｒｎ）らによる、２０１３年１０月１０日に公開された「Ｂａｃｋ−Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｂｏｒｏｎ  Ｌａｙｅｒ」という名称の米国特許出願公開第２０１３／０２６４４８１号に見いだされ得、これを本願に引用して援用する。
【００７４】
前述のこの発明の構造体および方法の様々な実施形態は、この発明の原理の実例でしかなく、本発明の範囲を、説明された特定の実施形態に限定するようには意図されていない。たとえば、様々な高調波変換方式および／または様々な非線形結晶が使用され得る。別の例では、レーザー組立体内でレーザーパルスを導くとともに、必要なら光路長を適切に整合させるように調節するために、追加のミラー、プリズムまたは他の光学部品が使用されてよい。
【図１】
0006775494.tif 000002
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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