(57)【要約】【課題】波長変換効率を高めることが可能な高調波発生装置を提供する。【解決手段】レーザ光源が、レーザビームを出射する。レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に、凹反射面を有する第１の反射鏡が配置される。第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する反射鏡であって、第１の反射鏡に入射したレーザビームが第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を複数回往復し、第１の反射鏡から第２の反射鏡へ向かうレーザビームが共通の通過点を通過するよう、第２の反射鏡が配置される。第２の反射鏡で反射した後に第１の反射鏡へ向かうレーザビームが波長変換素子に入射し、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビームと波長の変換されていない未変換ビームとを出射する。第１の反射鏡で反射して共通の通過点を通過するレーザビームは波長変換素子に入射しない。【選択図】  図１
2004219911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を複数回往復し、該第１の反射鏡から該第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、共通の通過点を通過するように配置された第２の反射鏡と、
前記第２の反射鏡で反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射し、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビームと、波長の変換されていない未変換ビームとを出射し、前記第１の反射鏡で反射して前記通過点を通過するレーザビームは入射しないように配置された波長変換素子と
を有する高調波発生装置。
【請求項２】
前記第１の反射鏡と第２の反射鏡とが、共に前記通過点を焦点とするように配置されている請求項１に記載の高調波発生装置。
【請求項３】
前記波長変換素子が、貫通孔を有する板状であり、該貫通孔内に前記通過点が位置するように配置されている請求項１または２に記載の高調波発生装置。
【請求項４】
前記第１の反射鏡が、前記高調波ビームを透過させ、前記未変換ビームを反射する請求項１〜３のいずれかに記載の高調波発生装置。
【請求項５】
前記第２の反射鏡が、前記高調波ビームを透過させ、前記未変換ビームを反射し、さらに、該第２の反射鏡を透過した高調波ビームを集束させる集束レンズを有する請求項１〜３のいずれかに記載の高調波発生装置。
【請求項６】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を複数回往復し、該第１の反射鏡から該第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、共通の通過点を通過するように配置された第２の反射鏡と、
前記第１の反射鏡と第２の反射鏡で１回ずつ反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビーム、及び前記第１の反射鏡と第２の反射鏡で２回ずつ反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射し、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビームと、波長の変換されていない未変換ビームとを出射し、前記第１の反射鏡で反射して前記通過点を通過するレーザビームは入射しないように配置された波長変換素子と
を有する高調波発生装置。
【請求項７】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を複数回往復し、該第１の反射鏡から該第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、共通の通過点を通過するように配置された第２の反射鏡と、
前記通過点を内部に含むように配置されて、前記第１の反射鏡で反射した後に前記第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、該通過点を通過するレーザビームの波長を変換した高調波ビームと、波長変換されなかった未変換ビームを出射し、前記第２の反射鏡で反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射しないように配置された波長変換素子と
を有する高調波発生装置。
【請求項８】
前記第１の反射鏡と第２の反射鏡とが、共に前記通過点を焦点とするように配置されている請求項６に記載の高調波発生装置。
【請求項９】
前記第２の反射鏡が、前記高調波ビームを透過させ、前記未変換ビームを反射し、集束レンズで該高調波ビームを集束させる請求項６または７に記載の高調波発生装置。
【請求項１０】
前記第１の反射鏡が、前記高調波ビームを透過させ、前記未変換ビームを反射する請求項６または７に記載の高調波発生装置。
【請求項１１】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を複数回往復し、該第１の反射鏡から該第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、共通の通過点を通過するように配置された第２の反射鏡と、
前記通過点を内部に含むように配置されて、該通過点を通過するレーザビームの波長を変換した高調波ビームと、波長変換されなかった未変換ビームを出射し、前記第１の反射鏡と第２の反射鏡で１回ずつ反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射しないように配置された波長変換素子と
を有する高調波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高調波発生装置に関し、特にレーザビームを波長変換素子に入射させて、高調波ビームを発生させる高調波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス基板上に形成されたアモルファスシリコン膜にレーザビームを照射して、アモルファスシリコンを多結晶化させるレーザアニール技術が注目されている。このレーザアニールには、２００Ｗ程度のレーザビームが必要となるため、大出力のレーザビームを得るのに適したエキシマレーザが用いられている。例えば、波長３０８ｎｍ、パルスエネルギ約１０００ｍＪ／パルス、パルスの繰り返し周波数３００ＨｚのＸｅＣｌエキシマレーザが用いられている。
【０００３】
エキシマレーザは、パルスごとのエネルギ安定性が低いという課題を有している。パルスごとのエネルギが変動すると、高品質の多結晶シリコン膜を得ることができない。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等の固体レーザを用いることにより、パルスエネルギの安定性を高めることができる。ところが、固体レーザの発振波長は赤外領域である。シリコンは、赤外領域の光を透過させるため、赤外レーザは、シリコンのアニールに適さない。レーザ光源として固体レーザを採用する場合には、２倍もしくはそれ以上の高調波を用いなければならない。従来の波長変換装置では、高い波長変換効率を得ることが困難であるため、レーザアニールに必要な十分大きなパワーの高調波を得ることが困難である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、波長変換効率を高めることが可能な高調波発生装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を複数回往復し、該第１の反射鏡から該第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、共通の通過点を通過するように配置された第２の反射鏡と、  前記第２の反射鏡で反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射し、入射したレーザビームの波長が変換された高調波ビームと、波長の変換されていない未変換ビームとを出射し、前記第１の反射鏡で反射して前記通過点を通過するレーザビームは入射しないように配置された波長変換素子とを有する高調波発生装置が提供される。
【０００６】
本高調波発生装置により、高調波ビームを有効に取り出すことができる。本装置を用いると、第１の反射鏡から第２の反射鏡へ向かうレーザビームが波長変換素子に入射しない。波長未変換ビームが第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を１往復するとき、波長変換素子を通過する回数は１回となる。往路と復路とで１回ずつ波長変換素子を通過すると、一度波長変換されて発生した高調波ビームが、再度波長変換されてしまう。このため、所望の波長の高調波ビームの強度を高めることが困難である。上記高調波発生装置を用いることにより、高調波ビームの再度の波長変換を回避し、所望の高調波ビームの強度を高めることができる。
【０００７】
本発明の他の観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームが入射する位置に配置された凹反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡に対向する曲面の反射面を有する第２の反射鏡であって、前記第１の反射鏡に入射したレーザビームが、該第１の反射鏡と該第２の反射鏡との間を複数回往復し、該第１の反射鏡から該第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、共通の通過点を通過するように配置された第２の反射鏡と、前記通過点を内部に含むように配置されて、前記第１の反射鏡で反射した後に前記第２の反射鏡へ向かうレーザビームが、該通過点を通過するレーザビームの波長を変換した高調波ビームと、波長変換されなかった未変換ビームを出射し、前記第２の反射鏡で反射した後に該第１の反射鏡へ向かうレーザビームが入射しないように配置された波長変換素子とを有する高調波発生装置が提供される。
【０００８】
本高調波発生装置により、高調波ビームを有効に取り出すことができる。本装置を用いると、第２の反射鏡から第１の反射鏡へ向かうレーザビームが波長変換素子に入射しない。波長未変換ビームが第１の反射鏡と第２の反射鏡との間を１往復するとき、波長変換素子を通過する回数は１回となる。このため、上述の場合と同様に、所望の高調波ビームの強度を高めることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の第１の実施例による高調波発生装置の概略図を示す。本高調波発生装置は、レーザ光源１、波長変換素子２、第１の凹面鏡３０ａ、第２の凹面鏡３１ａを含んで構成される。第１の凹面鏡３０ａの曲率中心と第２の凹面鏡３１ａの曲率中心とを結ぶ軸を、中心軸６ａとする。
【００１０】
レーザ光源１は、例えば連続発振（ＣＷ発振）するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振器であり、その発振波長は１０６４ｎｍである。なお、レーザ光源１として、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ発振器やＮｄ：ＹＶＯ４レーザ発振器を用いることもできる。なお、パルス発振するレーザ光源を使用することも可能である。
【００１１】
第１の凹面鏡３０ａと第２の凹面鏡３１ａが、それぞれの焦点が一致するよう対向させて配置されている。第１の凹面鏡３０ａで反射したレーザビームが、共通の焦点位置４ａを通過するように、レーザビームの進行方向と第１の凹面鏡３０ａとの相対位置が調節されている。
【００１２】
上記共通の焦点位置４ａを通る平面であって、中心軸６ａと垂直に交わる平面上に広がりを持ち、中心軸６ａ方向に厚みを持った波長変換素子２が配置されている。波長変換素子２は貫通孔を有し、共通の焦点位置４がその貫通孔内に位置するように配置されている。波長変換素子２には、例えばＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、非臨界位相整合条件（ＮＣＰＭ）のＫＴＰ、周期的分極反転型ＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）等を用いることができる。波長変換素子２は、レーザビームの入射する入射表面と、その反対側の出射表面を有する。
【００１３】
レーザ光源１がレーザビームＬＢ１０を出射する。レーザビームＬＢ１０は第２の凹面鏡３１ａの脇を通過して第１の凹面鏡３０ａに入射する。レーザビームＬＢ１０の進行方向は、中心軸６ａと平行である。第２の凹面鏡３１ａは、レーザビームＬＢ１０を遮らないように、第１の凹面鏡３０ａよりも小さくされている。共通する焦点位置４ａを通過したレーザビームＬＢ１１が第２の凹面鏡３１ａに入射する。
【００１４】
第２の凹面鏡３１ａで反射したレーザビームＬＢ１２が、波長変換素子２の表面に垂直に入射する。波長変換素子２は、入射表面から入射したレーザビームＬＢ１２の２倍高調波を発生させ、高調波ビームを入射表面とは反対側の出射表面から出射する。高調波ビームの波長は５３２ｎｍである。なお、波長変換されていない波長未変換ビームも、出射表面から出射する。第１の凹面鏡３０ａの反射面には、波長５３２ｎｍの高調波ビームを透過させ、波長１０６４ｎｍの波長未変換ビームを反射させるコーティングが施されている。これにより、高調波ビームが第１の凹面鏡３０ａを透過し、外部に出射する。
【００１５】
波長未変換ビームは、第１の凹面鏡３０ａで反射し、焦点４ａを通過して第２の反射鏡３１ａに再入射する。再入射したレーザビームは、反射鏡３１ａで反射し、中心軸６ａに平行な平行光線束となり、波長変換素子２に垂直入射する。波長変換素子２を通過したレーザビームは、波長変換された高調波ビームと、波長変換されていない波長未変換ビームとを含む。
【００１６】
高調波ビームは、第１の凹面鏡３０ａを透過して外部に出射される。波長未変換ビームは、第１の凹面鏡３０ａで反射し、第２の凹面鏡３１ａに向かう。このように、波長未変換ビームは、第１の凹面鏡３０ａと第２の凹面鏡３１ａとの間を往復する。
【００１７】
往復するレーザビームのうち、第１の凹面鏡３０ａから第２の凹面鏡３１ａに向かうレーザビームは、すべて焦点４ａを通過する。このため、波長変換されることはない。第２の凹面鏡３１ａから第１の凹面鏡３０ａに向かうレーザビームは、中心軸６ａに平行な平行光線束であり、反射を繰り返す度に中心軸６ａに近づく。
【００１８】
第２の反射鏡３１ａから第１の反射鏡３０ａに向かうレーザビームのうち、波長変換素子２に形成された貫通孔の外側を通過するレーザビームは、波長変換素子２を通過し、波長変換される。波長変換された高調波ビームは第１の凹面鏡３０ａを透過して外部に出射される。少なくとも、第１の凹面鏡３０ａと第２の凹面鏡３１ａで２回ずつ反射して第１の凹面鏡３０ａに向かうレーザビームが波長変換素子２の貫通孔の外側を通過するように、貫通孔の大きさが設定されている。このため、波長変換素子２に１回目に入射し波長変換されなかった波長未変換ビームを再利用し、波長変換効率を高めることができる。
【００１９】
波長変換効率をより高めるためには、波長変換素子２に形成されている貫通孔を小さくし、第１の凹面鏡３０ａ及び第２の凹面鏡３１ａの各々で３回以上反射して第１の凹面鏡３０ａに向かうレーザビームも、貫通孔の外側を通過するようにすればよい。
【００２０】
ところが、第１の凹面鏡３０ａで反射して第２の凹面鏡３１ａに向かうレーザビームは、中心軸６ａに対して斜めに進む。このため、貫通孔を小さくし過ぎると、第１の凹面鏡３０ａから第２の凹面鏡３１ａに向かうレーザビームの一部が、波長変換素子２のうち貫通孔の近傍の部分を通過してしまう。貫通孔の大きさは、第１の凹面鏡３０ａで１回反射し、第２の凹面鏡３１ａに向かうレーザビームＬＢ１１が波長変換素子２を通過することなく貫通孔内を通過するという前提条件の下で、できるだけ小さくすることが好ましい。従って、貫通孔の好ましい大きさは、波長変換素子２の厚さ、第１の凹面鏡３０ａの焦点距離、半径等によって決定される。
【００２１】
上記実施例では、第１の凹面鏡３０ａから高調波ビームを外部に取り出したが、高調波ビームを透過させ、波長未変換ビームを反射するコーティングを第２の凹面鏡３１ａ側に施してもよい。この場合、第２の凹面鏡３１ａを透過した高調波ビームは発散光線束になっているため、第２の凹面鏡３１ａを透過したレーザビームを集束レンズにて集光させることが好ましい。
【００２２】
図２に、本発明の第２の実施例による高調波発生装置の概略図を示す。第２の実施例による高調波発生装置は、レーザ光源１、波長変換素子２０、第１の凹面鏡３０ｂ、第２の凹面鏡３１ｂ、集束レンズ５を含んで構成される。第１の凹面鏡３０ｂの曲率中心と第２の凹面鏡３１ｂの曲率中心とを結ぶ軸を、中心軸６ｂとする。
【００２３】
レーザ光源１、第１の凹面鏡３０ｂ、第２の凹面鏡３１ｂの配置は、図１に示した第１の実施例におけるレーザ光源１、第１の凹面鏡３０ａ、第２の凹面鏡３０ａの配置と同様である。
【００２４】
波長変換素子２０が第１の凹面鏡３０ｂと第２の凹面鏡３１ｂとの共通の焦点４ｂを含むように配置されている。波長変換素子２０は、レーザビームの入射する入射表面と、その反対側の出射表面を有する。なお、入射表面とは、波長変換素子２０のうち、中心軸６ｂと交わる面であってレーザビームが入射する側の面を指し、出射表面とは、レーザビームが出射する側の面を指す。
【００２５】
レーザ光源１から出射したレーザビームＬＢ２０は、第１の凹面鏡３０ｂで反射される。第１の凹面鏡３０ｂで反射したレーザビームＬＢ２１は、波長変換素子２０の入射表面に入射し、出射表面から高調波ビーム及び波長未変換ビームが出射する。第２の凹面鏡３１ｂの反射面には、波長５３２ｎｍの高調波ビームを透過させ、波長１０６４ｎｍの波長未変換ビームを反射させるコーティングが施されている。第２の凹面鏡３１ｂを透過した高調波ビームは、集束レンズ５で集束され、外部に出射される。
【００２６】
波長未変換ビームは、第２の凹面鏡３１ｂで反射して、中心軸６ｂに平行な平行光線束となり、波長変換素子２０を通過することなく第１の凹面鏡３０ｂで再び反射された後、波長変換素子２０に入射する。波長変換素子２０を通過したレーザビームは、波長変換された高調波ビームと、波長変換されていない波長未変換ビームとを含む。
【００２７】
高調波ビームは、第２の凹面鏡３１ｂを透過して外部に出射される。波長未変換ビームは、第２の凹面鏡３１ｂで反射し、第１の凹面鏡３０ｂに向かう。このように、波長未変換ビームは、第１の凹面鏡３０ｂと第２の凹面鏡３１ｂとの間を往復する。
【００２８】
第１の凹面鏡３０ｂと第２の凹面鏡３１ｂで１回ずつ反射した後第１の凹面鏡３０ｂに向かうレーザビームが波長変換素子２０に入射しないように、波長変換素子２０の大きさが設定されている。波長変換素子２０に１回目に入射し波長変換されなかった波長未変換ビームを再利用する際、第１の凹面鏡３０ｂに向かうレーザビームが波長変換素子２０に入射しないので、波長変換効率を高めることができる。
【００２９】
第２の凹面鏡３１ｂから第１の凹面鏡３０ｂに向かうレーザビームは、中心軸６ｂに平行な平行光線束であり、反射を繰り返す度に中心軸６ｂに近づく。波長変換効率をより高めるためには、波長変換素子２０を小さくし、第１の凹面鏡３０ｂ及び第２の凹面鏡３１ｂの各々で２回以上反射して第１の凹面鏡３０ｂに向かうレーザビームも、波長変換素子２０に入射しないようにすればよい。
【００３０】
ところが、波長変換素子２０を小さくしすぎると、第１の凹面鏡３０ｂから第２の凹面鏡３１ｂに向かうレーザビームの一部が、入射表面ではない側面から波長変換素子２０に入射してしまう。このようなレーザビームの波長変換素子２０内の光路長は、入射表面から入射するレーザビームの波長変換素子２０内の光路長と異なる。
【００３１】
本実施例において高調波ビームを得るには、波長変換に十分な一定以上の光路長を確保できる波長変換素子２０を使用しなければならない。波長変換素子２０の入射表面ではない側面からレーザビームが入射する場合、その光路長は必要な光路長よりも短くなってしまうため、所望の高調波ビームを得られないことがあり、これは波長変換効率の低下につながる。
【００３２】
そこで、波長変換素子２０の大きさに関して、焦点を頂点とし、第１の凹面鏡３０ｂの外周を底面の外周とする円錐面が、波長変換素子２０の入射表面と交わるような大きさとすることが好ましい。
【００３３】
上記実施例では、第２の凹面鏡３１ｂから高調波ビームを外部に取り出したが、高調波ビームを透過させ、波長未変換ビームを反射させるコーティングを第１の凹面鏡３０ｂ側に施してもよい。
【００３４】
また、本発明の実施例で使用するレーザ光源１に関して、第１の凹面鏡に入射するレーザビームのビーム断面を円環状にし、ビーム断面の中空部分に第２の凹面鏡が配置されるようにしてもよい。レーザ光源１から出射したレーザビームが、第１の凹面鏡に入射する前にアキシコンレンズを透過するよう該アキシコンレンズを配置する。アキシコンレンズは、一対の円錐レンズを含んで構成され、入射ビームを円環状のビームに変換する。この場合、出力される高調波ビームの断面内のプロファイルが、回転対称になる。また、第１の凹面鏡及び第２の凹面鏡のほぼ全面を有効利用することができる。
【００３５】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２つの凹面鏡の間を複数回往復するレーザビームのうち、往路及び復路のうち一方のレーザビームのみを波長変換素子に入射させることで、高調波ビームを有効に取り出し、波長変換効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による高調波発生装置の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施例による高調波発生装置の概略図である。
【符号の説明】
１  レーザ光源
２、２０  波長変換素子
４ａ、４ｂ  焦点位置
５  集束レンズ
６ａ、６ｂ  中心軸
３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ  凹面鏡
【図１】
2004219911.tif 000003
【図２】
2004219911.tif 000004