(57)【要約】【課題】変換効率の良い波長変換装置及び紫外光生成レーザ装置を提供すること。【解決手段】光入射面と、光出射面とを備え、前記光入射面から入射した光の第２高調波光を発生する波長変換素子と、前記波長変換素子に入射する光が通る入射部と、前記波長変換素子から出射した光が通る出射部とを備える液体セルと、前記波長変換素子と共に前記液体セル内に収容されて、かつ前記波長変換素子が少なくとも前記光出射面が液体と接するように浸漬される浸漬液と、を備えてもよい。【選択図】図２
2012137687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入射面と、光出射面とを備え、前記光入射面から入射した光の第２高調波光を発生する波長変換素子と、
前記波長変換素子に入射する光が通る入射部と、前記波長変換素子から出射した光が通る出射部とを備える液体セルと、
前記波長変換素子と共に前記液体セル内に収容されて、かつ前記波長変換素子が少なくとも前記光出射面が液体と接するように浸漬される浸漬液と、
を備える波長変換装置。
【請求項２】
前記波長変換素子は、前記第２高調波光が出射するときの前記光出射面への入射角が、前記光出射面と大気との界面での前記第２高調波光の全反射の臨界角以上であり、
前記浸漬液の屈折率は、前記光出射面との界面での前記第２高調波の全反射の臨界角が、前記第２高調波光の前記光出射面への入射角よりも大きくなる値である、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項３】
前記波長変換素子は、前記第２高調波光が出射するときの前記光出射面への入射角が、前記光出射面と大気との界面での前記第２高調波光の全反射の臨界角以上であり、
前記浸漬液は、前記光出射面に接し、前記光出射面との界面での前記第２高調波の全反射の臨界角が、前記第２高調波光の前記光出射面への入射角よりも大きくなる屈折率を備える第１浸漬液と、前記光入射面に接し、前記入射光の波長において大気の屈折率よりも前記波長変換素子の屈折率に近い屈折率を備える第２浸漬液とを含む、
請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項４】
前記波長変換素子はＫＢＢＦ結晶である請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項５】
前記浸漬液は水およびフッ素系オイルの少なくとも１つである請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項６】
前記第１浸漬液は水およびフッ素系オイルの少なくとも１つである請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項７】
前記第２浸漬液はシリコン系オイルである請求項３に記載の波長変換装置。
【請求項８】
複数の前記波長変換素子と、
前記複数の波長変換素子の間に配置され、一つの前記波長変換素子から出射した前記入射光を他の前記波長変換素子に入射させるための集光素子と、
を備える請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項９】
前記波長変換素子から出射した前記入射光を、再度前記波長変換素子に入射させるための反射素子を備える請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１０】
前記浸漬液を循環させるための液体循環装置を備える請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１１】
前記浸漬液の温度を所定の範囲内に制御する液温制御装置を備える請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１２】
前記波長変換素子の温度を所定の範囲内に制御する素子温度制御装置を備える請求項１に記載の波長変換装置。
【請求項１３】
レーザ光を出力するレーザ装置と、
前記レーザ光が前記入射光として入力される請求項１に記載の波長変換装置と、
を備える紫外光生成レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、波長変換装置及びそれを用いた紫外光を生成するレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体リソグラフィプロセスに使用される典型的な紫外線光源エキシマレーザは、波長がおよそ２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザと波長がおよそ１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザである。
【０００３】
そうしたＡｒＦエキシマレーザの殆どは発振段レーザと増幅段を含む２ステージレーザシステムとして市場に供給されている。２ステージのＡｒＦエキシマレーザシステムの発振段レーザと増幅段の共通する主要な構成を説明する。発振段レーザは第１チャンバを有し、増幅段は第２チャンバを有する。それらの第１、第２チャンバ内にレーザガス（Ｆ２、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅの混合ガス）が封入されている。発振段レーザと増幅段はまた、前記レーザガスを励起するために電気エネルギーを供給する電源を有する。発振段レーザと増幅段とはそれぞれ電源を有することができるが、１台の電源を共有することもできる。前記第１チャンバ内には、それぞれが前記電源に接続された第１アノードと第１カソードとを含む第１放電電極が設置され、前記第２チャンバ内にも同様にそれぞれが前記電源に接続された第２アノードと第２カソードとを含む第２放電電極が設置さている。
【０００４】
発振段レーザ特有の構成は、例えば狭帯域モジュールである。狭帯域モジュールは典型的にはひとつのグレーティングと少なくともひとつのプリズムビームエキスパンダとを含む。半透過ミラーと前記グレーティングとが光共振器１を構成し、それらの半透過ミラーとグレーティングとの間に発振段レーザの前記第１チャンバが設置されている。
【０００５】
前記第１放電電極の第１アノードと第１カソードとの間に放電が発生されると前記レーザガスが励起されて、その励起エネルギーを放出する際に光が発生する。その光が前記狭帯域モジュールによって波長選択されたレーザ光となって発振段レーザから出力される。
【０００６】
増幅段が共振器構造を含むレーザである場合の２ステージレーザシステムをＭＯＰＯと言い、増幅段が共振器構造を含まずレーザではない場合の２ステージレーザシステムをＭＯＰＡと言う。前記発振段レーザからのレーザ光が前記増幅段の第２チャンバ内に存在するときに、前記第２放電電極の第２アノードと第２カソードとの間に放電を発生させる制御が行なわれる。これにより前記第２チャンバ内のレーザガスが励起されて、前記レーザ光が増幅されて増幅段から出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４０７４１２４号公報
【特許文献２】特表２００９−９０７５号公報
【特許文献３】特許第３５１４０７３号公報
【特許文献４】特許第３８８５５２９号公報
【特許文献５】米国特許第６８５９３０５号明細書
【概要】
【０００８】
本開示の波長変換装置は、光入射面と、光出射面とを備え、前記光入射面から入射した光の第２高調波光を発生する波長変換素子と、前記波長変換素子に入射する光が通る入射部と、前記波長変換素子から出射した光が通る出射部とを備える液体セルと、前記波長変換素子と共に前記液体セル内に収容されて、かつ前記波長変換素子が少なくとも前記光出射面が液体と接するように浸漬される浸漬液と、を備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の概略図を参照して以下に説明する。
【図１】図１は、本開示の一態様による波長変換素子を有する固体レーザ装置およびそれを用いた２ステージレーザ装置の一例の概略構成を示す図である。
【図２】図２は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示す波長変換装置の概略構成を示す上面図である。
【図４】図４は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図５】図５は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図６】図６は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図７】図７は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図８】図８は、図７に示す波長変換装置のＫＢＢＦ結晶および反射ミラーの配置を説明する図である。
【図９】図９は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図１０】図１０は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図１１】図１１は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
【図１２】図１２は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す側面図である。
【実施形態】
【００１０】
１．概要
１．１  用語の説明
２．波長変換素子を有する固体レーザ装置の全体説明
２．１  構成
２．２  動作
３．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
３．１  構成
３．２  動作
４．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
４．１  構成
４．２  動作
５．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
５．１  構成
５．２  動作
６．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
６．１  構成
６．２  動作
７．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
７．１  構成
７．２  動作
８．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
８．１  構成
８．２  動作
９．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
９．１  構成
９．２  動作
１０．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
１０．１  構成
１０．２  動作
１１．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
１１．１  構成
１１．２  動作
【００１１】
１．概要
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示の一例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１２】
１．１  用語の説明
ＫＢＢＦ結晶とは、化学式ＫＢｅ２ＢＯ３Ｆ２で表される非線形光学結晶であり、波長変換素子である。位相整合方向とは、入射光が、第２高調波発生の位相整合条件を満たすように波長変換素子に入射する場合の、その入射光の波長変換素子内における伝播方向である。位相整合角とは、波長変換素子の光入射面の法線と位相整合方向とが成す角である。変換効率とは、入射光のパワーに対する、発生した第２高調波光のパワーの比率を表す量である。
【００１３】
２．波長変換素子を有する固体レーザ装置の全体説明
２．１  構成
図１に本開示の一態様による波長変換素子を有する固体レーザ装置およびそれを用いた２ステージレーザ装置の一例の概略構成を示す。
符号１は２ステージレーザ装置であり、大別すると発振段レーザ２と、増幅段３とを含む。２の発振段レーザは、この図では波長変換素子を有する固体レーザ装置である。３の増幅段は、この図では放電励起式ＡｒＦエキシマレーザである。４は前記発振段レーザと、前記増幅段との間に設置された低コヒーレンス化光学システムである。低コヒーレンス化光学システム４としては、ランダム位相板等の公知のシステムを利用してもよい。
【００１４】
次に、発振段レーザ２の主要構成事項について説明する。
５は半導体レーザ励起ＹＡＧレーザである。６と７はＴｉ：サファイアレーザである。８ａはビームスプリッタ、８ｂは反射ミラーである。９はＬＢＯ結晶、１０はＫＢＢＦ結晶である。１１は反射ミラーである。
【００１５】
次いで、増幅段３について説明する。
１２はレーザガスを封入したチャンバである。このレーザガスはＡｒ、Ｎｅ、Ｆ２、Ｘｅの混合ガスでもよい。なお、チャンバ１２内部には図示していない一対の放電電極（アノードとカソード）が設置されている。また、図示を省略した電源がチャンバ１２の外に設置されている。
１３と１４は半透過ミラーである。１５は高反射ミラーである。前記半透過ミラー１４と高反射ミラー１５とが光共振器を構成している。
【００１６】
２．２  動作
発振段レーザ２は、波長がおよそ１９３ｎｍのレーザ光１６を出力する。低コヒーレンス化光学システム４は、前記レーザ光１６のコヒーレンシーを低下させる。増幅段３は、コヒーレンシーの低下したレーザ光１７を増幅してレーザ光１８として出力する。レーザ光１８は、例えば図示していない半導体露光機へ送られて、露光処理に利用される。
半導体レーザ励起ＹＡＧレーザ５から出力される波長がおよそ５３２ｎｍのレーザ光の一部はビームスプリッタ８ａを透過し、他の一部はビームスプリッタ８ａで反射する。ビームスプリッタ８ａを透過したレーザ光はＴｉ：サファイアレーザ６を励起し、そのレーザ６からは波長がおよそ７７３．６ｎｍのレーザ光が出力される。
【００１７】
前記レーザ５の出力光のうち、前記ビームスプリッタ８ａで反射し、更に反射ミラー８ｂで反射したレーザ光はＴｉ：サファイアレーザ７を励起し、そのレーザ７はその励起エネルギーによって前記レーザ６の出力レーザ光を増幅して波長がおよそ７７３．６ｎｍのレーザ光が出力される。
【００１８】
Ｔｉ：サファイアレーザ７から出力されたレーザ光は波長変換素子であるＬＢＯ結晶９を透過し、その波長はおよそ３８６．８ｎｍ（前記７７３．６ｎｍの１／２）へ変換される。さらにその波長がおよそ３８６．８ｎｍのレーザ光は波長変換素子であるＫＢＢＦ結晶１０を透過し、その波長はおよそ１９３．４ｎｍ（前記３８６．８ｎｍの１／２）へ変換される。
【００１９】
ＫＢＢＦ結晶１０を透過後のレーザ光１６は反射ミラー１１によって進行方向を変えられて、低コヒーレンス化光学システム４に入射する。レーザ光１６はその低コヒーレンス化光学システム４を透過しそのコヒーレンスが低下する。そのコヒーレンスが低下したレーザ光１７は増幅段３に入射する。
前記電源は、前記アノードとカソードとの間に電圧を加える。
【００２０】
半透過ミラー１３は前記レーザ光１７の進行方向を変えて、前記アノードと前記カソードとの間の放電空間へ進行させる。レーザ光１７が前記放電空間内に存在するときに前記放電空間に放電を生じさせる制御が行われることによってそのレーザ光１７が増幅される。また、レーザ光１７は前記半透過ミラー１４と高反射ミラー１５とが構成する光共振器間を往復し、増幅され続ける。レーザ光１７の一部は前記半透過ミラー１４、１３を透過してレーザ光１８として出力される。
【００２１】
３．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
はじめに、ＫＢＢＦ結晶に関する問題について説明する。
ＫＢＢＦ結晶は、現状では光学軸（Ｚ軸）以外の方向の成長が困難である。また、ＫＢＢＦ結晶は、現状では厚みが２．５ｍｍ程度より厚く成長することが困難である。したがって、ＫＢＢＦ結晶は、位相整合方向に垂直な面で切断しようとすると、十分な厚みが取れないという問題点がある。また、ＫＢＢＦ結晶は、現状では位相整合方向と垂直な面での良好な切断及び光学研磨が困難である。したがって、ＫＢＢＦ結晶は、光学軸方向に垂直な面を光入射面及び光出射面として使用されてもよい。
【００２２】
また、ＫＢＢＦ結晶を大気中に配置した場合、ＫＢＢＦ結晶内で発生する第２高調波光が、大気と光出射面との界面で全反射してしまう場合がある。このため、第２高調波光がＫＢＢＦ結晶から取り出せない可能性がある。
【００２３】
これに対して、特許文献５は、ＫＢＢＦ結晶を、ＫＢＢＦ結晶と屈折率が近いＳｉＯ２もしくはＣａＦ２のプリズムではさみ、オプティカルコンタクトする技術を開示する。この技術によれば、第２高調波光の界面での全反射が防止され得る。
【００２４】
しかしながら、本出願人らの実測によれば、ＫＢＢＦ結晶のオプティカルコンタクト面には、入射するレーザ光のエネルギー密度が１J／ｃｍ２以下でもカラーセンタが生成される。カラーセンタが形成されると、ＫＢＢＦ結晶のオプティカルコンタクト面にダメージが発生することが、本出願人らの実験によって確かめられた。
【００２５】
したがって、ＫＢＢＦ結晶にオプティカルコンタクト面が存在すると、ＫＢＢＦ結晶の寿命が短くなる場合がある。その結果、ＫＢＢＦ結晶を用いた波長変換装置のランニングコストやメンテナンスコストが高くなる可能性がある。また、ＫＢＢＦ結晶に入射するレーザ光のエネルギー密度が制限されるので、高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光が得られない可能性がある。
【００２６】
以下、本開示の一態様による波長変換装置の一例について説明する。
【００２７】
３．１  構成
図２は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す斜視図である。
波長変換装置２０は、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２と、載置台２３とを備えてもよい。液体セル２２は、光学窓２２ａ、２２ｂを備えてもよい。
【００２８】
液体セル２２は、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、載置台２３とを収容してもよい。載置台２３は、ＫＢＢＦ結晶１０を載置してもよい。載置台２３は、熱伝導率が高い金属やダイヤモンドなどの材料からなるものでもよい。ＫＢＢＦ結晶１０は水２１に浸漬されてもよい。
【００２９】
図３は、図２に示す波長変換装置の概略構成を示す上面図である。なお、図３では、載置台２３の記載を省略している。図１のＬＢＯ結晶９から出力される、波長がおよそ３８６．８ｎｍのレーザ光Ｌ１は、光学窓（入射部）２２ａを透過できる。光学窓２２ａの大気側に無反射コートが施されてもよい。光学窓２２ａは、レーザ光Ｌ１に対してブルースター角になるような角度で配置されてもよい。
【００３０】
ＫＢＢＦ結晶１０は、光入射面１０ａと、光出射面１０ｂとを備えてもよい。光入射面１０ａと、光出射面１０ｂとは互いに平行な面でもよい。ここで、図中の破線は光入射面１０ａおよび光出射面１０ｂの法線を示している。ＫＢＢＦ結晶１０は、光学軸方向に垂直な面を、光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂとして使用してもよい。このとき、ＫＢＢＦ結晶１０の位相整合方向は、光入射面１０ａの法線に対して５５．６１度だけ傾斜する。
【００３１】
ＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が光入射面１０ａから入射角θ１で入射するように配置されていてもよい。レーザ光Ｌ１は、ＫＢＢＦ結晶１０に入射する前にコリメートレンズによって平行光にされてもよい。
【００３２】
レーザ光Ｌ１およびＫＢＢＦ結晶１０内で発生する第２高調波光Ｌ２は、光学窓（出射部）２２ｂを透過できる。光学窓２２ｂの大気側に無反射コートが施されてもよい。光学窓２２ｂは、レーザ光Ｌ１または第２高調波光Ｌ２に対してブルースター角になるような角度で配置されてもよい。
【００３３】
３．２  動作
つぎに、波長変換装置２０の動作を説明する。
ＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が、その屈折角が位相整合角θ２となるような入射角θ１で光入射面１０ａから入射するように配置されている。入射角θ１は、次式を用いて表すことができる。θ１＝ａｒｃｓｉｎ[（ＫＢＢＦ結晶１０の屈折率／水２１の屈折率）×ｓｉｎ（θ２）]。レーザ光Ｌ１の波長（およそ３８６．８ｎｍ）における水２１の屈折率は１．３４４である。ＫＢＢＦ結晶１０の位相整合角θ２は５５．６１度である。レーザ光Ｌ１の波長におけるＫＢＢＦ結晶１０の屈折率は１．４９３である。したがって、入射角θ１は、ａｒｃｓｉｎ［１．４９３／１．３４４×ｓｉｎ（５５．６１）］＝６６．４度と設定する必要がある。
【００３４】
ＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が位相整合条件を満たすように入射することによって、波長がおよそ１９３．４ｎｍである第２高調波光Ｌ２を発生する。この第２高調波光Ｌ２は図１のレーザ光１６に対応する。
【００３５】
この波長変換装置２０では、ＫＢＢＦ結晶１０は水２１に浸漬されている。したがって、ＫＢＢＦ結晶１０の光出射面１０ｂに接する媒質が水２１である。第２高調波光Ｌ２の波長における水２１の屈折率は１．４４である。この場合の全反射の臨界角は、θｍ＝ａｒｃｓｉｎ（１．４４／１．４９３）＝７４．６９度となる。すなわち、臨界角θｍが、第２高調波光Ｌ２の光出射面１０ｂへの入射角（今の場合は位相整合角θ２）よりも大きくなる。したがって、第２高調波光Ｌ２は光出射面１０ｂからＫＢＢＦ結晶１０の外部に取り出されることができる。なお、第２高調波光Ｌ２の光出射面１０ｂでの出射角θ３は、ウォークオフ角を考慮すると約５５度となる。
【００３６】
この波長変換装置２０では、ＫＢＢＦ結晶１０は水２１に浸漬されているので、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。したがって、ＫＢＢＦ結晶１０における、レーザ光Ｌ１または第２高調波光Ｌ２によるカラーセンタの生成と、その生成によるダメージの発生とが抑制される。その結果、この波長変換装置２０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの低減、および高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００３７】
なお、水２１は、レーザ光Ｌ１の波長において光吸収がほぼゼロで、かつ第２高調波光Ｌ２の波長において光吸収が約３％／ｃｍと小さく光損失が少ないので好ましい。なお、水２１の代わりにフッ素系オイルを用いてもよい。フッ素系オイルとしては、パーフルオロポリエーテル油（たとえば、フォンブリン（登録商標））を用いてもよい。フッ素系オイルは、レーザ光Ｌ１および第２高調波光Ｌ２の波長において光吸収がほぼゼロで光損失が少ないので好ましい。
【００３８】
フォンブリンの屈折率は、レーザ光Ｌ１の波長でたとえば１．２９である。また、フォンブリンの屈折率は、第２高調波光Ｌ２の波長でたとえば１．３３である。したがって、レーザ光Ｌ１の入射角θ１は、ａｒｃｓｉｎ［１．４９３／１．２９×ｓｉｎ（５５．６１）］＝７２．８度と設定する必要がある。また、第２高調波光Ｌ２の光出射面１０ｂでの出射角θ３は、ウォークオフ角を考慮すると約６２度となる。
【００３９】
また、水２１の代わりに他の浸漬液を用いてもよい。この浸漬液は、ＫＢＢＦ結晶１０を浸漬した場合に、全反射の臨界角θｍが、第２高調波光Ｌ２の光出射面１０ｂに対する入射角よりも大きくなるような屈折率を有するものがよい。また、この浸漬液は、レーザ光Ｌ１および第２高調波光Ｌ２の波長において光吸収が小さいものがよい。浸漬液の光吸収量は、レーザ光Ｌ１については、多くともＫＢＢＦ結晶１０に達するまでにそのパワーが例えば半減しない光吸収量であることが好ましい。また、浸漬液の光吸収量は、第２高調波光Ｌ２については、多くとも液体セル２２の外部に出射されるまでにそのパワーが半減しない光吸収量であることが好ましい。
【００４０】
また、ＫＢＢＦ結晶１０の代わりに他の波長変換素子を用いてもよい。この波長変換素子は、第２高調波光の光出射面への入射角が、光出射面と大気との界面での第２高調波光の全反射の臨界角以上のものがよい。また、このとき用いる浸漬液は、波長変換素子を浸漬した場合に、第２高調波の全反射の臨界角が、第２高調波光の光出射面への入射角よりも大きくなるような屈折率を有するものがよい。
【００４１】
４．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
４．１  構成
図４は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置３０は、ＫＢＢＦ結晶１０と、浸漬液３１と、液体セル３２とを備えてよい。浸漬液３１は、水２１とシリコン系オイル３１Ａとを含んでよい。液体セル３２は、光学窓２２ａ、２２ｂと分離壁３２ｃ、３２ｄとを備えてよい。
【００４２】
浸漬液３１は、液体セル３２に収容されてもよい。ＫＢＢＦ結晶１０は浸漬液３１に浸漬されてもよい。第１浸漬液である水２１は、光出射面１０ｂと接していてもよい。第２浸漬液であるシリコン系オイル３１Ａは、光入射面１０ａと接していてもよい。分離壁３２ｃ、３２ｄは、水２１とシリコン系オイル３１Ａとを分離し、これらが混合することを防止してもよい。ＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が光入射面１０ａから入射角θ４で入射するように配置されていてもよい。
【００４３】
４．２  動作
つぎに、波長変換装置３０の動作を説明する。
ＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が、その屈折角が位相整合角θ２となるような入射角θ４で光入射面１０ａから入射するように配置されている。レーザ光Ｌ１の波長（およそ３８６．８ｎｍ）におけるシリコン系オイル３１Ａの屈折率は１．４である。ＫＢＢＦ結晶１０の位相整合角θ２は５５．６１度である。レーザ光Ｌ１の波長におけるＫＢＢＦ結晶１０の屈折率は１．４９３である。したがって、レーザ光Ｌ１の波長におけるシリコン系オイル３１Ａの屈折率は、大気の屈折率および水２１の屈折率（１．４９３）よりもＫＢＢＦ結晶１０の屈折率に近くなっている。このとき、入射角θ４は、ａｒｃｓｉｎ［１．４９３／１．４×ｓｉｎ（５５．６１）］＝６１．６度と設定する必要がある。この入射角θ４は、図２に示した波長変換装置２０における入射角θ１の値（６６．４度）よりも小さい。したがって、光入射面１０ａにおけるレーザ光Ｌ１の反射による光損失を低減できる。なお、シリコン系オイル３１Ａは、レーザ光Ｌ１の波長において光吸収が小さく光損失が少ないので好ましい。
【００４４】
また、この波長変換装置３０では、図２に示した波長変換装置２０と同様に、ＫＢＢＦ結晶１０の光出射面１０ｂ側は水２１に浸漬されている。したがって、波長変換装置２０と同様に、第２高調波光Ｌ２は光出射面１０ｂからＫＢＢＦ結晶１０の外部に取り出されることができる。また、この波長変換装置３０でも、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、この波長変換装置３０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの低減、および高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００４５】
なお、水２１の代わりにフッ素系オイルを用いてもよい。また、水２１の代わりに他の第１浸漬液を用いてもよい。この第１浸漬液は、ＫＢＢＦ結晶１０の光出射面１０ｂ側に接した場合に、全反射の臨界角θｍが、第２高調波光Ｌ２の光出射面１０ｂに対する入射角よりも大きくなるような屈折率を有するものがよい。また、この第１浸漬液は、第２高調波光Ｌ２の波長において光吸収が小さいものがよい。
【００４６】
また、シリコン系オイル３１Ａの代わりに他の第２浸漬液を用いてもよい。この第２浸漬液は、レーザ光Ｌ１の波長において大気の屈折率よりもＫＢＢＦ結晶１０の屈折率に近い屈折率を有するものがよい。また、この第２浸漬液は、レーザ光Ｌ１の波長において光吸収が小さいものがよい。
【００４７】
また、ＫＢＢＦ結晶１０の代わりに他の波長変換素子を用いてもよい。この波長変換素子は、第２高調波光の光出射面への入射角が、光出射面と大気との界面での第２高調波光の全反射の臨界角以上のものがよい。また、このとき用いる第１浸漬液は、波長変換素子の光出射面に接した場合に、第２高調波の全反射の臨界角が、第２高調波光の光出射面への入射角よりも大きくなるような屈折率を有するものがよい。また、このとき用いる第２浸漬液は、入射光の波長において、大気の屈折率よりも波長変換素子の屈折率に近い屈折率を有するものがよい。
【００４８】
５．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
５．１  構成
図５は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置２０Ａは、２つのＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２とを備えてよい。波長変換装置２０Ａは、２つのＫＢＢＦ結晶１０を載置する載置台を備えてよい。
【００４９】
２つのＫＢＢＦ結晶１０は、対向する光出射面１０ｂと光入射面１０ａとが互いに平行になるように配置されてもよい。
【００５０】
５．２  動作
つぎに、波長変換装置２０Ａの動作を説明する。
紙面左側に位置するＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が、入射角θ１で光入射面１０ａから入射するように配置されている。これによって、左側のＫＢＢＦ結晶１０は、第２高調波光Ｌ２を発生して光出射面１０ｂから出射する。また、これとともに、左側のＫＢＢＦ結晶１０から、波長変換されなかったレーザ光Ｌ１も出射される。
【００５１】
紙面右側に位置するＫＢＢＦ結晶１０には、左側のＫＢＢＦ結晶１０から出射したレーザ光Ｌ１が、入射角θ１で光入射面１０ａから入射する。これによって、右側のＫＢＢＦ結晶１０は、第２高調波光Ｌ２を発生して光出射面１０ｂから出射する。なお、左側のＫＢＢＦ結晶１０から出射した第２高調波光Ｌ２は、右側のＫＢＢＦ結晶１０を透過して、右側のＫＢＢＦ結晶１０で発生した第２高調波光Ｌ２と平行に伝播する。
【００５２】
この波長変換装置２０Ａでは、２つのＫＢＢＦ結晶１０がそれぞれ第２高調波光Ｌ２を発生するため、より高い変換効率が得られる。また、この波長変換装置２０Ａでも、２つのＫＢＢＦ結晶１０のそれぞれの光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、この波長変換装置２０Ａによって、ランニングコストやメンテナンスコストの低減、および高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００５３】
なお、この波長変換装置２０Ａは、２つのＫＢＢＦ結晶１０に限らず、さらに多くのＫＢＢＦ結晶１０を備えてよい。
【００５４】
６．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
６．１  構成
図６は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置４０は、２つの液体セル２２と、リレーレンズ４１と、ダイクロイックミラー４２とを備えてよい。
【００５５】
２つの液体セル２２は、それぞれがＫＢＢＦ結晶１０と水２１とを収容してもよい。集光素子であるリレーレンズ４１は、２つの液体セル２２の間に配置されてよい。ダイクロイックミラー４２は、レーザ光Ｌ１を反射し、第２高調波光Ｌ２を透過してもよい。ダイクロイックミラー４２は、２つの液体セル２２に対して、レーザ光Ｌ１の入力する側とは反対側（紙面右側）に配置されてよい。
【００５６】
６．２  動作
つぎに、波長変換装置４０の動作を説明する。
紙面左側に位置する液体セル２２に収容されたＫＢＢＦ結晶１０は、レーザ光Ｌ１が、入射角θ１で光入射面１０ａから入射するように配置されている。これによって、左側のＫＢＢＦ結晶１０にレーザ光Ｌ１が入射すると、第２高調波光Ｌ２が発生して光出射面１０ｂから出射される。また、これとともに、左側のＫＢＢＦ結晶１０からは、波長変換されなかったレーザ光Ｌ１も出射される。
【００５７】
リレーレンズ４１は、左側のＫＢＢＦ結晶１０から出射したレーザ光Ｌ１を集光して、紙面右側に位置する液体セル２２に収容されたＫＢＢＦ結晶１０に入射させる。右側のＫＢＢＦ結晶１０は、左側のＫＢＢＦ結晶１０から出射したレーザ光Ｌ１が、入射角θ１で光入射面１０ａから入射するように配置されている。これによって、右側のＫＢＢＦ結晶１０にレーザ光Ｌ１が入射されると、第２高調波光Ｌ２が発生して光出射面１０ｂから出射される。なお、左側のＫＢＢＦ結晶１０から出射した第２高調波光Ｌ２は、右側のＫＢＢＦ結晶１０を通過し、そこで発生した第２高調波光Ｌ２と重ね合わせられて出射される。ダイクロイックミラー４２は、重ね合わせられた第２高調波光Ｌ２と、残りのレーザ光Ｌ１とを角度的に分離する。
【００５８】
この波長変換装置４０では、２つのＫＢＢＦ結晶１０がそれぞれ第２高調波光Ｌ２を発生するため、より高い変換効率が得られる。また、リレーレンズ４１は、左側のＫＢＢＦ結晶１０から出射したレーザ光Ｌ１を集光し、光の強度密度を高めた状態で右側のＫＢＢＦ結晶１０に入射させる。その結果、右側のＫＢＢＦ結晶１０における変換効率が高くなる。また、この波長変換装置４０でも、２つのＫＢＢＦ結晶１０のそれぞれの光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、この波長変換装置４０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの低減、および高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００５９】
なお、この波長変換装置４０は、２つの液体セル２２に限らず、さらに多くの液体セル２２を備えてもよい。そして、これらの液体セル２２に収容されたＫＢＢＦ結晶１０の間にリレーレンズ４１が配置されてもよい。また、液体セル２２は複数のＫＢＢＦ結晶１０を収容してもよい。そして、リレーレンズ４１は液体セル２２に収容されて、これらの複数のＫＢＢＦ結晶１０の間に配置されてもよい。
【００６０】
７．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
７．１  構成
図７は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置５０は、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２と、ダイクロイックミラー５１と、反射ミラー５２とを備えてよい。
【００６１】
ダイクロイックミラー５１は、液体セル２２に対して、レーザ光Ｌ１の入力する側（紙面左側）に配置されてよい。ダイクロイックミラー５１は、レーザ光Ｌ１を反射し、第２高調波光Ｌ２を透過してもよい。反射素子である反射ミラー５２は、液体セル２２に対して、レーザ光Ｌ１の入力する側とは反対側（紙面右側）に配置されてよい。
【００６２】
７．２  動作
つぎに、波長変換装置５０の動作を説明する。
ダイクロイックミラー５１は、レーザ光Ｌ１を液体セル２２の方向に反射する。液体セル２２に収容されたＫＢＢＦ結晶１０には、レーザ光Ｌ１が、入射角θ１で光入射面１０ａから入射する。これによって、ＫＢＢＦ結晶１０にレーザ光Ｌ１が入射すると、第２高調波光Ｌ２が発生して光出射面１０ｂから出射する。また、これとともに、ＫＢＢＦ結晶１０から、波長変換されなかったレーザ光Ｌ１も出射される。
【００６３】
反射ミラー５２は、ＫＢＢＦ結晶１０から出射したレーザ光Ｌ１および第２高調波光Ｌ２を反射しかつ集光して、再びＫＢＢＦ結晶１０に入射させる。ＫＢＢＦ結晶１０には、反射ミラー５２で反射されたレーザ光Ｌ１が、入射角θ１で光出射面１０ｂから入射する。これによって、ＫＢＢＦ結晶１０においては、さらに第２高調波光Ｌ２が発生して光入射面１０ａから出射する。一方、反射ミラー５２で反射されてＫＢＢＦ結晶１０に入射した第２高調波光Ｌ２は、ＫＢＢＦ結晶１０を透過して出射する。ダイクロイックミラー５１は、２つの第２高調波光Ｌ２をレーザ光Ｌ１の入射方向とは異なる方向に分離する。
【００６４】
この波長変換装置５０では、１つのＫＢＢＦ結晶１０に２回レーザ光が入射されて第２高調波光Ｌ２が発生する。したがって、１つのＫＢＢＦ結晶１０によってより高い変換効率が得られる。
【００６５】
ここで、図８は、図７に示す波長変換装置５０のＫＢＢＦ結晶１０および反射ミラー５２の配置を説明する図である。ＫＢＢＦ結晶１０から紙面右側に出射したレーザ光Ｌ１と第２高調波光Ｌ２との２つの光路が交差する点を点Ｆとする。反射ミラー５２は、反射面５２ａが曲率半径Ｒの球面状である。反射ミラー５２は、反射面５２ａが、点Ｆを中心として半径Ｒの球面に一致するように配置されてよい。
【００６６】
この配置によって、反射ミラー５２はレーザ光Ｌ１と第２高調波光Ｌ２とを、反射による往復の光路を一致させて反射することができる。往復の光路を一致させることで、レーザ光Ｌ１が、確実に入射角θ１で光出射面１０ｂからＫＢＢＦ結晶１０内に入射する。また、反射ミラー５２は、レーザ光Ｌ１を反射するとともに集光し、光の強度密度を高めた状態でＫＢＢＦ結晶１０に入射させる。その結果、ＫＢＢＦ結晶１０における変換効率が高くなる。また、ＫＢＢＦ結晶１０で発生した後に反射ミラー５２によって反射された第２高調波光Ｌ２の光路と、反射されたレーザ光Ｌ１によって発生した第２高調波光Ｌ２の光路とが平行になる。その結果、２つの第２高調波光Ｌ２のビームを容易に合波できる。
【００６７】
また、この波長変換装置５０でも、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、この波長変換装置５０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの低減、および高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００６８】
８．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
８．１  構成
図９は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置６０は、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２と、液体循環装置６１と、配管６２とを備えてよい。
【００６９】
配管６２は、液体セル２２と液体循環装置６１とを接続してもよい。液体循環装置６１は、ポンプでもよい。
【００７０】
８．２  動作
つぎに、波長変換装置６０の動作を説明する。
液体循環装置６１は、配管６２を介してＫＢＢＦ結晶１０を浸漬した水２１を循環させる。これによって、レーザ光の入射および第２高調波光の発生に伴うＫＢＢＦ結晶１０の温度上昇が抑制される。したがって、ＫＢＢＦ結晶１０の寿命の短縮が抑制される。また、この波長変換装置６０でも、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、波長変換装置６０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの更なる低減、および更に高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００７１】
９．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
９．１  構成
図１０は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置６０Ａは、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２と、液体循環装置６１と、配管６２と、液温制御装置６３とを備えてよい。液温制御装置６３は、温度検出子と、冷却器もしくは加熱器と、制御部とを備えてよい。
【００７２】
配管６２は、液体セル２２と液体循環装置６１および液温制御装置６３とを接続してもよい。液温制御装置６３の温度検出子は、サーミスタでもよい。液温制御装置６３の冷却器は、電子冷却素子でもよい。液温制御装置６３の加熱器は、電気ヒーターでもよい。液温制御装置６３の制御部は、冷却器を制御してもよい。
【００７３】
９．２  動作
つぎに、波長変換装置６０Ａの動作を説明する。
液体循環装置６１は、配管６２を介してＫＢＢＦ結晶１０を浸漬した水２１を循環させる。液温制御装置６３の温度検出子は水２１の液温を検出する。そして、液温制御装置６３は、制御部が冷却器もしくは加熱器を制御して、検出した液温が所定の範囲内に収まるように水２１の温度制御を行う。これによって、水２１は所定の範囲内の液温に保たれる。したがって、水２１に浸漬されたＫＢＢＦ結晶１０も所定の範囲内の温度に保たれる。この波長変換装置６０Ａは、温度によるＫＢＢＦ結晶１０の変換効率の変化が小さくなるため、発生する第２高調波光のパワーが安定する。
【００７４】
この波長変換装置６０Ａにおいて、レーザ光の入射および第２高調波光の発生に伴うＫＢＢＦ結晶１０の温度上昇が抑制される。また、この波長変換装置６０Ａも、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、波長変換装置６０Ａによって、ランニングコストやメンテナンスコストの更なる低減、および更に高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００７５】
１０．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
１０．１  構成
図１１は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す上面図である。
波長変換装置７０は、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２と、載置台２３と、素子温度制御装置７１と、伝熱体７２と、温度検出子７３とを備えてよい。素子温度制御装置７１は、冷却器もしくは加熱器の少なくとも一方と、制御部とを備えてよい。
【００７６】
ＫＢＢＦ結晶１０は、載置台２３に載置されてよい。伝熱体７２は、素子温度制御装置７１と、載置台２３のＫＢＢＦ結晶１０近傍の場所とに接続されてもよい。伝熱体７２は、熱伝導率が高い金属やダイヤモンドなどの材料からなるものや、ヒートパイプなどの熱伝導性が高いものでもよい。温度検出子７３は、伝熱体７２のＫＢＢＦ結晶１０近傍の場所に設置されてもよい。素子温度制御装置７１の冷却器もしくは加熱器は、伝熱体７２に接続されてよい。
【００７７】
１０．２  動作
つぎに、波長変換装置７０の動作を説明する。
温度検出子７３は、ＫＢＢＦ結晶１０の近傍の温度を検出する。素子温度制御装置７１は、制御部が冷却器もしくは加熱器を制御して、温度検出子７３の検出した温度が所定の範囲内に収まるようにＫＢＢＦ結晶１０の温度制御を行う。なお、冷却もしくは加熱は、冷却器もしくは加熱器に接続された伝熱体７２、および載置台２３を介して行われる。これによって、ＫＢＢＦ結晶１０は所定の範囲内の素子温度に保たれる。したがって、ＫＢＢＦ結晶１０の変換効率の変化が小さくなるため、発生する第２高調波光のパワーが安定する。
【００７８】
また、この波長変換装置７０においても、レーザ光の入射および第２高調波光の発生に伴うＫＢＢＦ結晶１０の温度上昇が抑制される。また、この波長変換装置７０も、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面１０ａ及び光出射面１０ｂにオプティカルコンタクト面が無い。その結果、波長変換装置７０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの更なる低減、および更に高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００７９】
１１．本開示の一態様による波長変換装置の一例の説明
１１．１  構成
図１２は、本開示の一態様による波長変換装置の一例の概略構成を示す側面図である。
波長変換装置８０は、ＫＢＢＦ結晶１０と、水２１と、液体セル２２と、載置台２３と、素子温度制御装置８１と、伝熱体８２と、温度検出子８３と、フォルダ８４と、断熱体８５とを備えてよい。素子温度制御装置８１は、冷却器もしくは加熱器の少なくとも一方と、制御部とを備えてよい。なお、液体セル２２の光学窓の記載は省略されている。
【００８０】
フォルダ８４は、ＫＢＢＦ結晶１０を保持してもよい。フォルダ８４は、熱伝導率が高い金属やダイヤモンドなどの材料からなるものでもよい。ＫＢＢＦ結晶１０は、フォルダ８４に保持されて載置台２３に載置されてもよい。載置台２３は、断熱体８５に載置されてもよい。冷却器は、電子冷却器でもよい。伝熱体８２は、素子温度制御装置８１と、フォルダ８４とに接続されてもよい。伝熱体８２は、熱伝導率が高い金属やダイヤモンドなどの材料からなるものや、ヒートパイプなどの熱伝導性が高いものでもよい。温度検出子８３は、フォルダ８４に設置されてもよい。素子温度制御装置８１の冷却器あるいは加熱器は、伝熱体８２に接続されてもよい。
【００８１】
１１．２  動作
つぎに、波長変換装置８０の動作を説明する。
温度検出子８３は、フォルダ８４を介してＫＢＢＦ結晶１０の近傍の温度を検出する。素子温度制御装置８１は、制御部が電子冷却器あるいは加熱器を制御して、温度検出子８３の検出した温度が所定の範囲内に収まるようにＫＢＢＦ結晶１０の温度制御を行う。なお、この冷却もしくは加熱は、電子冷却器あるいは加熱器に接続した伝熱体８２、およびフォルダ８４を介して行われる。これによって、ＫＢＢＦ結晶１０は所定の範囲内の素子温度に保たれる。したがって、ＫＢＢＦ結晶１０の変換効率の変化が小さくなるため、発生する第２高調波光のパワーが安定する。
【００８２】
この波長変換装置８０においても、レーザ光の入射および第２高調波光の発生に伴うＫＢＢＦ結晶１０の温度上昇が抑制される。また、この波長変換装置８０も、ＫＢＢＦ結晶１０の光入射面及び光出射面にオプティカルコンタクト面が無い。その結果、波長変換装置８０によって、ランニングコストやメンテナンスコストの更なる低減、および更に高エネルギーかつ高平均パワーの第２高調波光の発生が実現され得る。
【００８３】
尚、上述の実施形態においては、波長変換素子に入射する光と波長変換素子から出射する光が別々の光学窓を透過する。しかし、波長変換素子に入射する光と波長変換素子から出射する光が同じ光学窓を透過してもよい。上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
【００８４】
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書、及び添付の特許請求の範囲に記載される不定冠詞「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００８５】
１  レーザ装置
１０  ＫＢＢＦ結晶
１０ａ  光出射面
１０ｂ  光出射面
２０、２０Ａ、３０、４０、５０、６０、６０Ａ、７０、８０  波長変換装置
２１  水
２２、３２  液体セル
２２ａ、２２ｂ  光学窓
２３  載置台
３１  浸漬液
３１Ａ  シリコン系オイル
３２ｃ、３２ｄ  分離壁
４１  リレーレンズ
４２、５１  ダイクロイックミラー
５２  反射ミラー
５２ａ  反射面
６１  液体循環装置
６２  配管
６３  液温制御装置
７１、８１  素子温度制御装置
７２、８２  伝熱体
７３、８３  温度検出子
８４  フォルダ
８５  断熱体
Ｌ１  レーザ光
Ｌ２  第２高調波光
θ１、θ４  入射角
θ２  位相整合角
θ３  出射角
【図１】
2012137687.tif 000003
【図２】
2012137687.tif 000004
【図３】
2012137687.tif 000005
【図４】
2012137687.tif 000006
【図５】
2012137687.tif 000007
【図６】
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【図７】
2012137687.tif 000009
【図８】
2012137687.tif 000010
【図９】
2012137687.tif 000011
【図１０】
2012137687.tif 000012
【図１１】
2012137687.tif 000013
【図１２】
2012137687.tif 000014