(57)【要約】【課題】高効率に真空紫外領域のレーザを得ること。【解決手段】クリプトンガスに第１のレーザを照射して、このクリプトンガスにおいて二光子共鳴中間励起を生起させると共に、第１のレーザとは波長の異なる第２のレーザをクリプトンガスに照射して、第１のレーザ及び第２のレーザの波長と異なる第３の波長を有した第３のレーザを発振させる四波混合レーザ発振方法を用いたレーザ装置である。この装置において、第１のレーザの照射によるクリプトンガスの二光子共鳴多光子イオン化によって生じるイオン電流を測定する電流測定装置と、電流測定装置の出力に基づいて、第１のレーザの波長を制御する波長制御装置とを設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形媒質に第１のレーザを照射して、この非線形媒質において二光子共鳴中間励起を生起させると共に、前記第１のレーザとは波長の異なる第２のレーザを前記非線形媒質に照射して、前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの波長と異なる第３の波長を有した第３のレーザを発振させる四波混合レーザ発振方法を用いたレーザ装置において、
前記第１のレーザの照射による前記非線形媒質の二光子共鳴多光子イオン化によって生じるイオン電流を測定する電流測定装置と、
前記電流測定装置の出力に基づいて、前記第１のレーザの波長を制御する波長制御装置と
を有することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記波長制御装置は、前記電流測定装置が測定する前記イオン電流が最大となるように、前記第１のレーザの波長を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記非線形媒質は、気体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記非線形媒質を導入した金属ケースを有する波長変換装置を有し、
前記電流測定装置は、
前記波長変換装置の金属ケースを電極とした第１の電極と、
この金属ケース内に配置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極間に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
非線形媒質に第１のレーザを照射して、この非線形媒質において二光子共鳴中間励起を生起させると共に、前記第１のレーザとは波長の異なる第２のレーザを前記非線形媒質に照射して、前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの波長と異なる第３の波長を有した第３のレーザを発振させる四波混合レーザ発振方法を用いたレーザ装置における波長変換装置であって、
前記第１のレーザの照射による前記非線形媒質の二光子共鳴多光子イオン化によって生じるイオン電流を測定する電流測定装置を有することを特徴とする波長変換装置。
【請求項６】
前記非線形媒質を導入した金属ケースを有し、
前記電流測定装置は、
前記波長変換装置の金属ケースを電極とした第１の電極と、
この金属ケース内に配置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極間に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器と
を有することを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記非線形媒質は、気体であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、真空紫外領域（約１００ｎｍ〜２００ｎｍ）の波長を有したレーザ装置及びそのレーザ装置に用いられる波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１、２及び非特許文献１に開示されているように、１００〜２００ｎｍの真空紫外領域のレーザを得るには、次の四波混合方式が知られている。可視光、紫外光のレーザなどの２つの異なる周波数ω1 、ω2 のレーザをクリプトン、キセノンなどの希ガスに照射して、希ガスの非線形効果により、周波数（２ω1 ＋ω2 ）と、（２ω1 −ω2 ）との２つの真空紫外領域の周波数のレーザを得るものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１の方法は、第１のレーザの波長を原子の二光子共鳴中間励起状態のエネルギー準位に対応する波長に固定し、第２のレーザの波長を原子の励起状態の遷移エネルギー近傍で掃引するようにしている。この場合、第２のレーザが原子の励起エネルギー準位と共鳴する時にその近傍領域で非線形感受率が更に増大して、真空紫外レーザの出力は著しく大きくなる。しかしながら、この方法は、高効率変換という観点からは望ましいが、原子のエネルギー準位はイオン化エネルギー近傍を除けば分散しているため、第２のレーザの波長掃引範囲がある特定の狭い周波数領域に限定されるという問題がある。
【０００４】
これを改良するために、特許文献１、２では、非線形媒体に原子と比べて多数のエネルギー準位を有する分子を用いることで、共鳴可能な波長の掃引範囲を拡大するようにしている。
【０００５】
また、特許文献１、２において、レーザの強度測定には、光電子倍増管が用いられており、特許文献３においては、蛍光体及び蛍光検出器が用いられているが、レーザの出力に応じて、波長を変化させて、最適共鳴状態を得ることは、行われていない。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、非線形媒体による二光子共鳴に最も合致するように第１のレーザの波長を設定した上で、第２のレーザの波長を掃引することで、所望の真空紫外領域の波長のレーザを高効率で得るようにすることである。
【特許文献１】特開平３−１６９０９０号
【特許文献２】特開平３−９９４８２号
【特許文献３】特開２０００−２１３９８３
【非特許文献１】R Hilbig and R Wallenstein, IEEE J Quant Elec, Vol.QE-19(1983)194
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、非線形媒質に第１のレーザを照射して、この非線形媒質において二光子共鳴中間励起を生起させると共に、第１のレーザとは波長の異なる第２のレーザを非線形媒質に照射して、第１のレーザ及び第２のレーザの波長と異なる第３の波長を有した第３のレーザを発振させる四波混合レーザ発振方法を用いたレーザ装置において、第１のレーザの照射による非線形媒質の二光子共鳴多光子イオン化によって生じるイオン電流を測定する電流測定装置と、電流測定装置の出力に基づいて、第１のレーザの波長を制御する波長制御装置とを有することを特徴とするレーザ装置である。
ここで、波長制御装置は、回折格子や、エタロンを用いる方法など、その他の波長を変化し得る公知の方式を用いることができる。また、自動及び手動で変化させる得るものを含むものである。
【０００８】
また、請求項２の発明は、波長制御装置は、電流測定装置が測定するイオン電流が最大となるように、第１のレーザの波長を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置である。
【０００９】
また、請求項３の発明は、非線形媒質は、気体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ装置である。気体としては、希ガスや金属蒸気などを用いることができる。
【００１０】
また、請求項４の発明は、非線形媒質を導入した金属ケースを有する波長変換装置を有し、電流測定装置は、波長変換装置の金属ケースを電極とした第１の電極と、この金属ケース内に配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極間に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のレーザ装置である。
ここで、非線形媒質は、金属ケース内に封入されていても、気体ボンベから常に供給して真空ポンプで排気するように流れていても良い。
【００１１】
また、請求項５の発明は、非線形媒質に第１のレーザを照射して、この非線形媒質において二光子共鳴中間励起を生起させると共に、第１のレーザとは波長の異なる第２のレーザを非線形媒質に照射して、第１のレーザ及び第２のレーザの波長と異なる第３の波長を有した第３のレーザを発振させる四波混合レーザ発振方法を用いたレーザ装置における波長変換装置であって、第１のレーザの照射による非線形媒質の二光子共鳴多光子イオン化によって生じるイオン電流を測定する電流測定装置を有することを特徴とする波長変換装置である。
すなわち、本発明は、二光子共鳴多光子イオン化によるイオン電流を測定する装置を有した所望の波長のレーザを得る波長変換装置に関するものである。したがって、本装置は、従来の公知のレーザ装置の波長変換装置に代えて、本装置を用いることにより、上記の請求項１の構成となる。
【００１２】
また、請求項６の発明は、非線形媒質を導入した金属ケースを有し、電流測定装置は、波長変換装置の金属ケースを電極とした第１の電極と、この金属ケース内に配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極間に流れる電流を電圧に変換する電流電圧変換器とを有することを特徴とする請求項５に記載の波長変換装置である。
【００１３】
また、請求項７の発明は、非線形媒質は、気体であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の波長変換装置である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によると、目的の波長のレーザを得るための非線形媒質を用いて、第１のレーザの照射によって非線形媒質において発生する二光子共鳴の大きさを非線形媒質のイオン電流で測定するようにして、このイオン電流の大きさに応じて、第１のレーザの波長を制御するようにしている。したがって、二光子共鳴状態に、第１のレーザの波長を合せるのに節密な波長計などの測定装置を用いる必要がないので、装置が簡便となる。また、この非線形媒質のイオン電流により第１のレーザの波長を適正に制御することにより、目的のレーザを高利率で得ることができる。
【００１５】
請求項２の発明によると、イオン電流が最大となるように第１のレーザの波長が制御されることから、レーザを最大効率で得ることができる。
【００１６】
請求項３の発明によると、非線形媒質を気体としていることから、容易に真空紫外領域のレーザを得ることができる。
【００１７】
請求項４の発明によると、波長変換装置に組み込まれた電極や電流電圧変換器により、非線形媒体のイオン電流を容易に測定することができ、レーザ波長の制御を簡便に行うことができる。
【００１８】
請求項５、６、７の発明によると、本波長変換装置を従来の波長変換装置に代えるだけで、高効率で真空紫外領域のレーザを容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。図１は、本実施例装置の全体の構成を示したブロック図であり、図２は、電流測定装置を有する波長変換装置の構成を示した図である。エキシマレーザ１０から出力される波長３０８ｎｍのレーザは、スプリッタ１２により２つのビームに分離され、それぞれ、色素レーザ１４、１６に入射する。色素レーザ１６からは、波長４２４ｎｍのレーザが出力され、第二高調波発生結晶１８により、第１の波長２１２ｎｍに変換されて、周波数ω1 の第１のレーザとなる。また、色素レーザ１６には、回折格子４２が設けられており、この回折格子４２の回転により第１のレーザの波長を変化させることができる。
【００２０】
一方、色素レーザ１４からは、可視光領域の周波数ω2 （第２の波長）の第２のレーザが出力される。
【００２１】
この第１のレーザと第２のレーザは、波長変換装置である真空紫外発生用希ガスセル２０に入射する。真空紫外発生用希ガスセル２０は、図２に示すように、円筒状のステンレス製の金属ケース２８の両端面に、それぞれ、Ｏリング３６、３８を介して設けられた石英窓３０と、ＬｉＦ窓３２を有している。金属ケース２８は電極として機能し、第１の電極となる。この真空紫外発生用希ガスセル２０の内部は、バルブ２２を介して、真空ポンプ４４により真空排気され、バルブ２４を介して、希ガスボンベ４６から希ガスであるクリプトン（Ｋｒ）ガスが流入される。第１のレーザ及び第２のレーザは、石英窓３０を介して、真空紫外発生用希ガスセル２０に導入され、この希ガスを用いた四波混合レーザ発振法により、真空紫外領域内の所望の波長（例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ）に変換される。真空紫外領域の波長に波長変換されたレーザは、ＬｉＦ窓３２を介して、目的の処理、例えば、分光を行う分光用チャンバー２６に入射する。
【００２２】
真空紫外発生用希ガスセル２０の円筒状の金属ケース２８の軸方向に平行に伸びた第２の電極であるタングステン線電極３４が設けられており、このタングステン線電極３４は、直角に折り曲げられて、金属ケース２８の側壁に対して垂直方向に外部に取り出されている。タングステン線電極３４は、封止するためのガラス管４０を貫通して、電流測定装置５０の回路に接続されている。タングステン電極３４はレーザ光線が当たらないように設置されている。
【００２３】
タングステン線電極３４には、正のバイアス電圧が端子５２から抵抗Ｒ１を介して印加され、真空紫外発生用希ガスセル２０の金属ケース２８はアースされている。また、二光子共鳴多光子イオン化によるパルス状の電流信号は、タングステン線電極３４を通り、コンデンサＣ１を介して、電流電圧変換器５４の反転入力端子に入力するように構成されている。この電流電圧変換器５４は、帰還抵抗Ｒ２により電流電圧変換効率が調整されている。この電流電圧変換器５４により電圧に変換された信号は、端子５６から外部へ出力される。この出力信号の波形は、オシロスコープによって表示される。
【００２４】
次に、本レーザ装置の発振手順について説明する。まず、真空紫外発生用希ガスセル２０の内部を真空ポンプ４４で排気した後、クリプトン（Ｋｒ）を希ガスボンベ４６から導入し、内部を一定圧に保持した後、バルブ２２、２４を閉じて、内部のクリプトン（Ｋｒ）の圧力を一定に保持する。次に、エキシマレーザ１０をパルス発振させて、色素レーザ１６のみを起動して、周波数ω1 の第１のレーザのみを真空紫外発生用希ガスセル２０内に入射させる。次に、電流測定装置５０を起動して、タングステン線電極３４に、所定の直流バイアス電圧を印加する。クリプトン（Ｋｒ）原子による二光子共鳴多光子イオン化が起こると、クリプトンイオンと電子による電流がタングステン線電極３４から金属ケース２８に向けて流れる。この二光子共鳴多光子イオン化により生じたイオン電流を、タングステン線電極３４により捉えて、電流電圧変換器５４により電圧に変換した後、外部のオシロスコープにより信号波形を観測する。このイオン電流が最大値をとるように、色素レーザ１６の回折格子４２を手動で回転させて、回折格子４２の回転角を定める。
【００２５】
このようにして、クリプトン（Ｋｒ）原子による二光子共鳴が最大となる状態が得られるように第１のレーザの第１の波長（周波数ω1 ）を設定した後に、色素レーザ１４を起動して、第２の波長（周波数ω2 ）を有した第２のレーザを真空紫外発生用希ガスセル２０に入射させる。この時、クリプトン（Ｋｒ）原子の非線形効果により、周波数（２ω1 ＋ω2 ）と、（２ω1 −ω2 ）との２つの周波数のレーザを得ることができる。この時、第２のレーザの波長を順次変化させることにより、分光に適した所望の周波数（２ω1 ＋ω2 ）又は、（２ω1 −ω2 ）を得ることができる。この時、第２のレーザの波長（周波数ω2 ）を掃引すれば、所望の目的とする波長のレーザを得ることができる。
【００２６】
このように、本レーザ装置では、まず、第１のレーザの波長を非線形媒体の二光子共鳴に良く合致するように調整した後に、第２のレーザを非線形媒体に入射するようにしているので、四波混合レーザ発振を高効率で実現することができる。
【００２７】
また、図１に示すように、電流測定装置５０からのイオン電流の測定値を最大値追従装置５８に入力して、その最大値追従装置５８により、常に、イオン電流が最大となるようにモータ４８を微小駆動して、回折格子４２の回転角を制御するようにしても良い。最大値追従装置５８としては、電流測定装置５０から入力されたイオン電流の測定値を時間微分して、この時間微分が零（極大値）となるように、モータ４８、したがって回折格子４２の回転角をフィードバック制御するようにした装置である。
【００２８】
このように、本装置では、波長変換装置の金属ケース２８が電極（アース電極）となっているので、装置の構造を強固にできると共に構造が簡単となり、簡便にイオン電流を取り出すことができる。また、タングステン線電極３４の出力端子に接近した位置で、高入力インピーダンスの電流電圧変換器を接続していることから、雑音を排除して、高電圧の出力を得ることができる。さらに、タングステン線電極３４はガラス管に接合した用いていることから、イオン電流を真空状態の金属ケース２８から容易に取り出すことができる。
【００２９】
本発明は、図１のようにレーザ装置としても用いることができるし、電流測定装置５０を有した波長変換装置２０として、提供することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、主として、真空紫外領域の波長のレーザを効率良く得ることのできる装置である。例えば、酸素原子Ｏ（3Ｐ）、Ｏ（1Ｄ）、水素原子、窒素原子、塩素原子、シリコン原子や、ラジカルなどを高感度で検出する装置に応用することができる。これらは、燃焼化学反応解析や半導体プロセス解析において、系を乱すことなく測定できる有効な装置である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の具体的な実施例に係るレーザ装置を示した構成図。
【図２】本発明の電流測定装置を有した波長変換装置の詳細な構造を示した構成図。
【符号の説明】
【００３２】
１０…エキシマレーザ
１４，１６…色素レーザ
２０…真空紫外発生用希ガスセル
２６…分光用チャンバー
２８…金属ケース
３４…タングステン線電極
５０…電流測定装置
【図１】
2007048776.tif 000003
【図２】
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