(57)【要約】【課題】ＡＲコートを施すことができない波長変換光学素子からの戻り光による影響を抑制し、長期間安定的に動作可能な波長変換光学系を提供する。【解決手段】複数の波長変換光学素子３１〜３６を有し、赤外〜可視領域のレーザ光を複数の波長変換光学素子により紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学系３０において、出射されるレーザ光が紫外領域である波長変換光学素子３３，３５，３６の少なくともいずれかは、入射面及び出射面がレーザ光の光軸に対してｎ軸回りに所定の微小角度Δφ傾斜して配設される。【選択図】図１
2012032724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長変換光学素子を有し、入射する赤外〜可視領域のレーザ光を前記複数の波長変換光学素子により紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学系であって、
出射されるレーザ光が紫外領域である波長変換光学素子の少なくともいずれかは、角度位相整合で用いられ入射面及び出射面がレーザ光の光軸に対してｎ軸回りに所定の微小角度Δφ傾斜して配設されることを特徴とする波長変換光学系。
【請求項２】
前記微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子は、
赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換光学系。
【請求項３】
前記微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子よりも上流側に、赤外領域のレーザ光を赤外〜可視領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子を有し、
前記赤外領域のレーザ光を赤外〜可視領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子が、疑似位相整合素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換光学系。
【請求項４】
前記微小角度Δφは、当該波長変換光学素子を傾斜させる以前の状態で出力されるレーザ光のパワーに対する、当該波長変換光学素子を傾斜させた状態で出力されるレーザ光のパワーの低下率が、０．３〜１．５％となる角度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長変換光学系。
【請求項５】
前記微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子の入射面側に、前段の波長変換光学素子から出射されたレーザ光をそのまま通過させ、前記入射面で反射されたレーザ光を遮断する遮断部材が配設されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長変換光学系。
【請求項６】
赤外〜可視領域のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、請求項１〜５のいずれかに記載の波長変換光学系を有して前記レーザ光出力部から出力された赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に波長変換して出力する波長変換部とを備えたことを特徴とする紫外レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長変換光学素子を有し、入射する赤外〜可視領域のレーザ光を複数の波長変換光学素子により紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような波長変換光学系を備えた紫外レーザ装置として、例えば、露光装置や各種検査装置、光治療装置等に好適に用いられる全固体型の紫外レーザ装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【０００３】
このような従来の紫外レーザ装置に用いられてきた波長変換光学系１３０の構成例を図７に示す。波長変換光学系１３０は、周波数ωの基本波レーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3が入射する第１，第２，第３の３つの系列と、これら３つの系列の出力光が略同軸に重ね合わされて入射する第４系列とを有して構成される。
【０００４】
第１系列に入射した基本波レーザ光Ｌ1は、この系列に設けられた３つの波長変換光学素子１３１，１３２，１３３により順次波長変換されて周波数が５倍の第５高調波が発生される。具体的には、波長変換光学素子１３１において第２高調波発生が行われ、第２高調波が発生される。波長変換光学素子１３２では、波長変換光学素子１３１で発生した第２高調波と、波長変換光学素子１３１を透過した基本波の和周波発生が行われ、第３高調波が発生される。波長変換光学素子１３３では、波長変換光学素子１３２で発生した第３高調波と、波長変換光学素子１３２を透過した第２高調波の和周波発生が行われ、第５高調波が発生される。そして、波長変換光学素子１３３で発生された第５高調波が、ミラー１４１を介して第４系列の波長変換光学素子１３５に入射する。
【０００５】
第２系列に入射した基本波レーザ光Ｌ2は、この系列に設けられた波長変換光学素子１３４により波長変換されて第２高調波が発生され、ミラー１４２及び１４１を介して第４系列の波長変換光学素子１３５に入射する。第３系列に入射した基本波レーザ光Ｌ3は波長変換されることなく基本波がミラー１４３，１４２，１４１を介して第４系列の波長変換光学素子１３５に入射する。
【０００６】
第４系列では、波長変換光学素子１３５において、波長変換光学素子１３３から出射した第５高調波と波長変換光学素子１３４から出射した第２高調波との和周波発生が行われ、周波数が基本波の７倍の第７高調波が発生する。波長変換光学素子１３６では、波長変換光学素子１３５で発生した第７高調波と、波長変換光学素子１３５を透過した基本波の和周波発生が行われ、周波数が基本波の８倍、波長が１／８の第８高調波が発生して波長変換光学系１３０から出力される。
【０００７】
例えば、波長変換光学系に入射する基本波レーザ光の波長を１５４７ｎｍとした場合に、波長変換光学系１３０から１９３ｎｍの紫外レーザ光が出力される。波長変換光学素子１３１〜１３６は、各波長変換光学素子の使用条件を明示することにより、素子メーカから、使用条件に合わせて切り出された製品が納入される。角度位相整合で使用する波長変換光学素子（例えば、波長変換光学素子１３３，１３５，１３６）について、使用者は波長変換光学素子を所定姿勢で配置してレーザ光を入射面に垂直入射させ、出射光のパワーを見ながら波長変換光学素子を結晶の回転軸（一般的にｍ軸と称される）まわりに微小角度調整し、出射光のパワーが最大となる角度位置に合わせる、すなわちレーザ光の伝播軸を波長変換光学素子の位相整合角に合致させることにより、位相整合条件が満たされるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１２２７８５号公報
【特許文献２】特開２０１０−９３２１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、赤外〜可視領域の波長変換光学素子については、一般的に入射面及び出射面にＡＲコート（Anti  Reflection  coating：反射防止膜）を施したものが用いられる。ところが、波長帯域が紫外領域になると、紫外レーザ光に対して十分な耐性を持った（損傷閾値が高い）適切なＡＲコートがないことから、紫外領域の波長変換光学素子は入出射面が研磨面のまま用いられる。このため、入射光及び出射光がともに紫外領域である波長変換光学素子１３５，１３６は、入出射面が研磨面のまま使用される。
【００１０】
そのため、波長変換光学素子１３５，１３６を仕様に応じた所定姿勢で配置してレーザ光を入射し、波長変換光学素子を結晶の回転軸まわりに微小角度調整することで位相整合条件が満たされる。ところが、位相整合条件に合致した状態では、入射光が入射面に垂直入射になるため、ＡＲコートされていない入射面及び出射面で反射した紫外光が戻り光となって光路を遡り、レンズを介して接続された光学素子（ミラー１４１〜１４３や波長変換光学素子１３３，１３４等）に曇りやダメージを与えるおそれがあった。
【００１１】
また、波長変換光学素子１３３は、入射光はいずれも可視領域であるが、波長変換により発生された出射光が紫外領域である。このため出射面にＡＲコートを施すことができず、これに伴って出射面で発生する波長３０９ｎｍの戻り光が通り得る入射面についてもＡＲコートがない研磨面の状態で使用される。そのため、上記同様に位相整合条件に合致するように波長変換光学素子を配置調整すると、ＡＲコートされていない出射面で反射した紫外領域の光（第５高調波）が戻り光となって第１系列の光路を遡り、波長変換光学素子１３３よりも上流側に位置する光学素子（波長変換光学素子１３２，１３１等）に曇りやダメージを与えるおそれがあった。
【００１２】
一方、波長変換光学素子１３３の入射面で反射する波長７７４ｎｍの第２高調や波長５１６ｎｍの第３高調波は何れも可視領域の光であることから、仮にこれらの光が戻り光になったとしても、波長変換光学素子１３３よりも上流側の波長変換光学素子１３２，１３１等に曇りやダメージを与えることはないと考えられていた。現実に、波長変換光学素子１３１、１３２としてＬＢＯ結晶のようなバルク結晶を用いた場合には、波長７７４ｎｍの第２高調や波長５１６ｎｍの第３高調波による曇りやダメージは殆ど見られなかった。
【００１３】
ところが、赤外領域の光を可視領域の光に変換する波長変換光学素子１３１として、バルク結晶では得られない高い波長変換効率と良好なビーム品質が得られる疑似位相整合（ＱＰＭ：Quasi  Phase  Matching）結晶を用いたときに、この波長変換光学素子１３１に、戻り光に起因すると解されるダメージが発生する現象が見出された。ＱＰＭ結晶は、大きな非線形光学定数を有するＬiＮbＯ3結晶や、ＬiＴaＯ3結晶等に周期分極反転構造を形成することにより構成される（ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ）。
【００１４】
波長変換光学素子１３１として用いたＱＰＭ結晶にダメージが発生する要因は、フォトリフラクティブ効果（photo  refractive  effect）によるものと考えられる。フォトリフラクティブ効果は、入射光の空間的強度分布に応じた屈折率分布が結晶内に誘起される現象で、一般的に可視光以下の波長で発現する。フォトリフラクティブ効果が起こると、結晶を透過する光のビームパターンにひずみを生じさせるなど光学特性を劣化させることから光学損傷とも呼ばれている。
【００１５】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ＡＲコートを施すことができない波長変換光学素子からの戻り光による影響を抑制して、長期間安定的に動作可能な波長変換光学系、及び紫外レーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明を例示する第１の態様は、複数の波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３１〜３６）を有し、入射する赤外〜可視領域のレーザ光を複数の波長変換光学素子により紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学系である。そのうえで、角度位相整合で用いられ出射されるレーザ光が紫外領域である波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３３，３５，３６）の少なくともいずれかは、入射面及び出射面がレーザ光の光軸に対してｎ軸回りに所定の微小角度Δφ傾斜して配設される。
【００１７】
ここで、波長変換光学素子におけるｎ軸は、直方体状に切り出された波長変換光学素子において、入出射面を結ぶレーザ光の伝播軸（ｋベクトルの軸）、及び、レーザ光の伝播軸に直交し位相整合角θを微調整するｍ軸（結晶の回転軸）の両者に直行する軸であり、ｋベクトルを結晶のＸ−Ｙ平面に投影したθを含む面とＸ軸とがなす角度φを調整する軸である。
【００１８】
本発明において、前記微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子は、赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３３）であることが好ましい。また、前記微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子よりも上流側に、赤外領域のレーザ光を赤外〜可視領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子（例えば、実施形態における波長変換光学素子３１）を有し、この波長変換光学素子が疑似位相整合素子であることも好ましい。また、微小角度Δφがパワーの低下率で０．３〜１．５％となる角度であることは好ましい形態である。
【００１９】
なお、前記微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子の入射面側に、前段の波長変換光学素子から出射されたレーザ光をそのまま通過し、入射面で反射されたレーザ光を遮断する遮断部材が配設されることが望ましい。
【００２０】
本発明を例示する第２の態様は紫外レーザ装置である。この紫外レーザ装置は、赤外〜可視領域のレーザ光を出力するレーザ光出力部と、上記いずれかに記載の波長変換光学系を有してレーザ光出力部から出力された赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に波長変換して出力する波長変換部とを備えて構成される。
【発明の効果】
【００２１】
第１の態様の波長変換光学系によれば、出射されるレーザ光が紫外領域である波長変換光学素子、すなわちＡＲコートを施すことができない波長変換光学素子の入射面及び出射面が、レーザ光の光軸に対してｎ軸回りに所定の微小角度Δφ傾斜して配設される。そのため、入射面や出射面で戻り光が発生しても、発生した戻り光はレーザ光の光路から外れ、各種光学素子の本光路上に曇りや損傷を生じさせることがない。従って、ＡＲコートを施すことができない波長変換光学素子からの戻り光による影響を抑制することができ、長期間安定的に動作可能な波長変換光学系を提供することができる。
【００２２】
ここで、微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子が、赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子である場合には、紫外領域のレーザ光のみならず可視領域の戻り光の影響を抑制することができる。また、微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子よりも上流側に、赤外領域のレーザ光を赤外〜可視領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子を有し、この波長変換光学素子が疑似位相整合素子である場合には、フォトリフラクティブ効果によるビームモードの劣化等を抑制することができる。なお、微小角度Δφがパワーの低下率が０．３〜１．５％となる角度であるような構成によれば、実質的にパワー低下の影響を受けることなく、上記のような効果を享受することができる。
【００２３】
さらに、微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子の入射面側に、前段の波長変換光学素子から出射されたレーザ光をそのまま通過させ、入射面で反射されたレーザ光を遮断する遮断部材を配設する構成によれば、波長変換光学素子からの戻り光による影響を排除することができ、長期安定性をさらに向上させた波長変換光学系を提供することができる。
【００２４】
第２の態様の紫外レーザ装置によれば、波長変換光学素子からの戻り光による、波長変換光学系及びさらに上流側に位置する機器（例えば実施形態におけるファイバ光増幅器２１〜２３等）に対する影響を抑制することができ、長期間安定的に動作可能な紫外レーザ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の態様として例示する紫外レーザ装置の概要図である。
【図２】上記紫外レーザ装置における波長変換部の構成例を示す概要構成図である。
【図３】一軸結晶において位相整合条件を満足するｋベクトルの方位を例示する説明図である。
【図４】直方体状に切り出された波長変換光学素子における結晶のＸ−Ｙ平面に投影したθを含む面Ｓとｍ軸（回転軸）及びｎ軸との関係を示す説明図である。
【図５】第５高調波発生用の波長変換光学素子を基準角度φからｎ軸回りに傾斜させたときの第５高調波のパワー変化を示すデータである。
【図６】波長変換光学素子を微小角度Δφ傾斜させたときの本光路と戻り光路との状態を示した模式図である。
【図７】従来の波長変換部の構成を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。本発明の態様として例示する紫外レーザ装置ＬＳを図１に示す。紫外レーザ装置ＬＳは、大別的には、赤外〜可視領域の基本波レーザ光Ｌａ（Ｌａ1，Ｌａ2，Ｌａ3）を出力するレーザ光出力部１、波長変換光学素子を有しレーザ光出力部１から出力された基本波レーザ光Ｌａを紫外領域の紫外レーザ光Ｌｖに波長変換して出力する波長変換部３、レーザ光出力部１及び波長変換部３の作動を制御する制御部８などを備えて構成される。
【００２７】
例示する紫外レーザ装置ＬＳにおいて、レーザ光出力部１は、第１の基本波レーザ光Ｌａ1を出力する第１レーザ光出力部１ａと、第２の基本波レーザ光Ｌａ2を出力する第２レーザ光出力部１ｂと、第３の基本波レーザ光Ｌａ3を出力する第３レーザ光出力部１ｃとにより構成される。ここで、第１レーザ光出力部１ａから出力する第１の基本波レーザ光Ｌａ1の波長、第２レーザ光出力部１ｂから出力する第２の基本波レーザ光Ｌａ2の波長、及び第３レーザ光出力部１ｃから出力する第３の基本波レーザ光Ｌａ3の波長は、紫外レーザ装置ＬＳから出力する紫外レーザ光Ｌｖの波長や波長変換部３の構成に応じて適宜設定することができる。
【００２８】
また、図１では、レーザ光出力部１を、シード光を出力するレーザ光発生部１０と、レーザ光発生部１０から出力されたシード光を増幅する光増幅部２０とにより構成した形態を示す。レーザ光発生部１０には、第１基本波のシード光Ｌs1を発生する第１レーザ光源１１、第２基本波のシード光Ｌs2を発生する第２レーザ光源１２、及び第３基本波のシード光Ｌs3を発生する第３レーザ光源１３が設けられる。
【００２９】
光増幅部２０には、第１レーザ光源１１から出力された第１基本波のシード光Ｌs1を増幅する第１ファイバ光増幅器２１、第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs2を増幅する第２ファイバ光増幅器２２、及び第３レーザ光源１３から出力された第３基本波のシード光Ｌs3を増幅する第３ファイバ光増幅器２３が設けられている。
【００３０】
すなわち、本構成形態のレーザ光出力部１は、第１レーザ光出力部１ａにおいて、第１レーザ光源１１から出力された第１基本波のシード光Ｌs1が第１ファイバ光増幅器２１により増幅され、増幅された第１の基本波レーザ光Ｌa1が波長変換部３に出力される。また、第２レーザ光出力部１ｂにおいて、第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs2が第２ファイバ光増幅器２２により増幅され、増幅された第２の基本波レーザ光Ｌa2が波長変換部３に出力される。同様に、第３レーザ光出力部１ｃにおいて、第３レーザ光源１３から出力された第３基本波のシード光Ｌs3が第３ファイバ光増幅器２３により増幅され、増幅された第３の基本波レーザ光Ｌa3が波長変換部３に出力される。
【００３１】
なお、第１，第２,第３の各ファイバ光増幅器２１，２２，２３は、各々複数のファイバ光増幅器を直列に接続して複数段からなるファイバ光増幅器群として構成することもできる。また、第１，第２，第３の基本波レーザ光Ｌａ1，Ｌa2，Ｌａ3のうち、波長が同一のものがある場合には、シード光を発生するレーザ光源を共通化し、レーザ光源から出力された基本波のシード光を光分割器等により並列分岐して、複数のファイバ光増幅器に入射させるように構成しても良い。例えば、第１〜第３の基本波レーザ光Ｌａ1〜Ｌａ3の波長が全て同一の場合には、単一のレーザ光源から出力された基本波のシード光（例えば第２レーザ光源１２から出力された第２基本波のシード光Ｌs2）を光分割器等により３つに並列分岐して、第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３に入射させるように構成することができる。
【００３２】
本構成形態においては、第１，第２，第３レーザ光源１１，１２，１３として、いずれも波長１５４７ｎｍの赤外領域のシード光Ｌｓ（Ｌｓ1，Ｌｓ2，Ｌｓ3）を発生するレーザ光源１１〜１３を用い、各々対応するファイバ光増幅器２１〜２３により増幅して波長１５４７ｎｍの基本波レーザ光を出力する構成とする。
【００３３】
このとき、第１〜第３レーザ光源１１〜１３として、発振波長が１．５μｍ帯のＤＦＢ（Distributed  Feedback）半導体レーザを好適に用いることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、ペルチェ素子等を利用した温度調整器により温度制御した状態で発振させることにより、波長１５４７ｎｍの単一波長のシード光を発生させることができる。ＤＦＢ半導体レーザは、励起電流を波形制御することにより任意強度でＣＷ発振またはパルス発振させることができる。なお、レーザ光発生部１０にＥＯＭ（Electro  Optic  Modulator）等の外部変調器を設け、ＣＷ発振させたＤＦＢ半導体レーザの出力光を外部変調器によりパルス変調して、レーザ光発生部１０からパルス光を出力するように構成しても良い。
【００３４】
波長１５４７ｎｍの赤外光を増幅する第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３として、コアにエルビウム（Ｅｒ）がドープされたエルビウムドープ・ファイバー光増幅器（ＥＤＦＡ）を好適に用いることができる。第１〜第３レーザ光源１１〜１３及び第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３の作動は、制御部８により制御される。
【００３５】
第１ファイバ光増幅器２１から出射された第１の基本波レーザ光Ｌa1、第２ファイバ光増幅器２２から出射された第２の基本波レーザ光Ｌa2、及び第３ファイバ光増幅器２３から出射された第３の基本波レーザ光Ｌa3は、レーザ光出力部１（１ａ，１ｂ，１ｃ）から出力され、波長変換部３に入力される。
【００３６】
なお、以上は、レーザ光出力部１を、レーザ光発生部１０（第１〜第３レーザ光源１１〜１３）と光増幅部２０（第１〜第３ファイバ光増幅器２１〜２３）とにより構成した形態を例示したが、レーザ光出力部１を、ファイバレーザ（第１〜第３ファイバレーザ）により構成しても良い。
【００３７】
波長変換部３には、複数の波長変換光学素子及びミラー等からなる波長変換光学系３０が設けられている。波長変換光学系３０の概要構成を図２に示す。図２において、光路上に楕円形で示すものはコリメータレンズや集光レンズであり個々の説明を省略する。また図中には、偏光面が紙面に平行なｐ偏光を上下方向の矢印で、偏光面が紙面に垂直なｓ偏光をドット付きの○印で示す。また、基本波をω、そのｎ次高調波をｎωで示す。なお、本構成形態においては、第１の基本波レーザ光Ｌa1及び第２の基本波レーザ光Ｌa2をp偏光、第３の基本波レーザ光Ｌa3をｓ偏光としているが、第１の基本波レーザ光Ｌa1及び第２の基本波レーザ光Ｌa2をs偏光、第３の基本波レーザ光Ｌa3をp偏光とする構成としてもよい。
【００３８】
本構成例の波長変換光学系３０は、第１ファイバ光増幅器２１から出射された第１の基本波レーザ光Ｌa1が入射して伝播する第１系列Ｉ、第２ファイバ光増幅器２２から出射された第２の基本波レーザ光Ｌa2が入射して伝播する第２系列II、第３ファイバ光増幅器２３から出射された第３の基本波レーザ光Ｌａ3が入射して伝播する第３系列III、及び第１，第２，第３系列を伝播したレーザ光が重ね合わされて伝播する第４系列IVからなり、各系列に設けられた６つの波長変換光学素子３１〜３６を主体として構成される。まず、この波長変換光学系３０の概要について説明する。
【００３９】
第１系列Ｉに入射した波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第１の基本波レーザ光Ｌa1は、この系列に設けられた波長変換光学素子３１〜３３により順次ω→２ω→３ω→５ωに波長変換され、発生した第５高調波５ωが第４系列IVに入射する。第２系列IIに入射した波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第２の基本波レーザ光Ｌa2は、この系列に設けられた波長変換光学素子３４によってω→２ωに波長変換され、発生した第２高調波が第４系列IVに入射する。第３系列IIIに入射した波長１５４７ｎｍ、周波数ωの第３の基本波レーザ光Ｌａ3は、波長変換されることなく第４系列IVに入射する。
【００４０】
第４系列IVでは、波長変換光学素子３５において、第１系列で発生した第５高調波５ωと第２系列で発生した第２高調波２ωの和周波発生により第７高調波７ωが発生され、波長変換光学素子３６において、第７高調波７ωと第３系列IIIから入射した基本波ω（第３の基本波レーザ光Ｌa3）との和周波発生により、周波数が基本波ωの８倍、波長が基本波の１／８である波長１９３ｎｍの第８高調波８ωが生成される。以下、各系列の波長変換光学素子を含め波長変換光学系３０の詳細構成を説明する。
【００４１】
第１系列Ｉには、波長変換光学素子３１，３２，３３が配設されている。第１系列に入射した第１の基本波レーザ光Ｌａ1は波長変換光学素子３１に集光入射し、この波長変換光学素子３１において第２高調波発生によりｐ偏光の第２高調波２ωを発生させる。発生したｐ偏光の第２高調波２ωと波長変換光学素子３１を透過したｐ偏光の基本波ωは波長変換光学素子３２に集光入射し、和周波発生によりｓ偏光の第３高調波３ωを発生させる。波長変換光学素子３１，３２は、例えば、第２高調波発生用の波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ（Periodically  Poled  ＬＮ）結晶、第３高調波発生用の波長変換光学素子３２としてＬＢＯ（ＬiＢ3Ｏ5）結晶が好適に用いられる。なお、第２高調波発生用の波長変換光学素子３１として、ＰＰＫＴＰ結晶、ＰＰＬＴ結晶などの疑似位相整合結晶、ＬＢＯ結晶等を用いることもできる。
【００４２】
波長変換光学素子３２において発生したｓ偏光の第３高調波３ωと、波長変換光学素子３２を透過したｐ偏光の第２高調波２ωは、２波長波長板４５を透過させて第２高調波２ωだけをｓ偏光に変換する。２波長波長板は、例えば、結晶の光学軸と平行にカットした一軸性の結晶の平板からなる波長板が用いられる。この波長板は、一方の波長の光（第２高調波２ω）に対して偏光面を回転させ、他方の波長の光（第３高調波３ω）に対しては、偏光面が回転しないように、波長板の厚さを一方の波長の光に対してλ／２の整数倍で、他方の波長の光に対しては、λの整数倍になるようにカットすることにより構成される。
【００４３】
ともにｓ偏光になった第２高調波２ω及び第３高調波３ωは波長変換光学素子３３に集光入射し、和周波発生により周波数が基本波の５倍、波長が１／５（３０９ｎｍ）の第５高調波５ωを発生させる。第５高調波発生用の波長変換光学素子３３として、例えばＢＢＯ（β-ＢaＢ2Ｏ4）結晶が好適に用いられる。このとき、位相整合はTypeＩ角度位相整合である。なお、波長変換光学素子３３として、ＣＬＢＯ（ＣsＬiＢ6Ｏ10）結晶を用いることも可能である。ＢＢＯ結晶から出射される第５高調波５ωは、ウォークオフに起因してビーム断面が楕円形になっているため、２枚のシリンドリカルレンズ４６v，４６hによりビーム断面を円形に整形し、ミラー４１に入射させる。
【００４４】
ミラー４１は、基本波ω及び第２高調波２ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第５高調波５ωの波長帯域のレーザ光を反射する波長選択性を有して構成されており、このミラー（ダイクロイックミラー）４１で反射されたｐ偏光の第５高調波５ωは、第４系列IVの波長変換光学素子３５に入射する。
【００４５】
第２系列IIには波長変換光学素子３４が配設されている。第２系列に入射した第２の基本波レーザ光Ｌa2は波長変換光学素子３４に集光入射し、ｐ偏光の第２高調波２ωを発生させる。第２高調波発生用の波長変換光学素子３４として、ＰＰＬＮ結晶が好適に用いられる。なお、波長変換光学素子３４として、前記同様の他のＱＰＭ結晶等を用いることができる。波長変換光学素子３４において発生したｐ偏光の第２高調波２ωは、ミラー４２に入射させる。
【００４６】
ミラー４２は、基本波ωの波長帯域のレーザ光を透過し、第２高調波２ωの波長帯域のレーザ光を反射する波長選択性を有して構成されており、ミラー（ダイクロイックミラー）４２で反射されたｐ偏光の第２高調波２ωは、ミラー４１を透過して第５高調波５ωと同軸に重ね合わされて第４系列IVの波長変換光学素子３５に入射する。
【００４７】
第３系列IIIには波長変換光学素子が設けられていない。第３系列に入射した第３の基本波レーザ光Ｌａ3は、波長変換されることなくミラー４３に入射する。そして、ミラー４３で反射されたｓ偏光の基本波ωは、ミラー４２及びミラー４１を透過して、ミラー４２で反射された第２高調波２ω及びミラー４１で反射された第５高調波５ωと同軸に重ね合わされて第４系列IVの波長変換光学素子３５に入射する。
【００４８】
第４系列IVには、波長変換光学素子３５と波長変換光学素子３６が配設されている。また、既述した基本波ω、第２高調波２ω、第５高調波５ωの各光路には、波長変換光学素子３５，３６に所定のスポットサイズで各波長の光が集光入射するように設定されたレンズが設けられている。波長変換光学素子３５では、第１系列Ｉから入射したｐ偏光の第５高調波５ωと第２系列IIから入射したｐ偏光の第２高調波２ωとによる和周波発生が行われ、周波数が基本波の７倍、波長が１／７（２２１ｎｍ）の第７高調波７ωが発生される。第７高調波発生用の波長変換光学素子３５は、ＣＬＢＯ結晶がTypeＩ角度位相整合で用いられる。
【００４９】
波長変換光学素子３５で発生したｓ偏光の第７高調波７ωと、波長第３系列IIIから入射して波長変換光学素子３５を透過したｓ偏光の基本波ωは、波長変換光学素子３６に入射し、和周波発生により周波数が基本波の８倍、波長が１／８（１９３ｎｍ）の第８高調波８ωが発生される。第８高調波発生用の波長変換光学素子３６は、ＣＬＢＯ結晶がTypeＩ角度位相整合で用いられる。
【００５０】
そして、波長変換光学素子３６において発生した波長１９３ｎｍの紫外レーザ光（基本波レーザ光の第８高調波）Ｌｖが、波長変換部３から出力される。
【００５１】
以上のように構成される波長変換光学系３０において、波長変換光学素子３３，３５，３６は、いずれも出射光の波長領域が紫外領域の光であり、入射面及び出射面にＡＲコートがない研磨面のまま使用される。また、波長変換光学素子３３，３５，３６は、いずれも角度位相整合で用いられる。そのため、これらの波長変換光学素子を位相整合条件に合致した角度姿勢、すなわち入射面及び出射面がレーザ光の光軸に直行する角度姿勢で配設すると、各波長変換光学素子の入射面及び出射面で反射した光が戻り光となって光路を逆流する。
【００５２】
例えば、波長変換光学素子３３においては、この素子に入射する基本波の第２高調波２ω及び第３高調波３ωの一部が入射面で反射され、出射面では、波長変換光学素子３３を波長変換されずに出射面まで透過した第２高調波２ω及び第３高調波３ω並びに波長変換光学素子３３において発生した第５高調波５ωの一部が反射される。波長変換光学素子３３の入出射面がレーザ光の光軸に直行する角度姿勢の場合には、これらの反射光（第２高調波２ω、第３高調波３ω及び第５高調波５ω）が戻り光となって第１系列Ｉを逆流し、波長変換光学素子３３よりも上流側に配設された光学素子に入射する。
【００５３】
ここで、波長変換光学素子３５，３６としてＣＬＢＯ結晶を用いる場合、ＣＬＢＯ結晶は吸湿性を有するため、結晶中への水分の取り込みを防止する目的でＣＬＢＯ結晶が高温に加熱されるとともに窒素パージが行われる。また、波長変換光学素子３３、シリンドリカルレンズ４６ｖ、４６ｈ、ミラー４１も、紫外光である第５高調波５ωが通過するため窒素パージが行われる。一方、赤外〜可視領域の波長変換光学結晶３１、３２、３４は、既述したようにＰＰＬＮ結晶やＬＢＯ結晶が用いられており、これらの素子は吸湿性をもたないため、一般的に窒素パージは行われていない。
【００５４】
そのため、紫外領域の戻り光（第５高調波や第７，第８高調波）が光路を逆流すると、波長変換光学素子３３よりも上流側に配設されたレンズや２波長波長板、波長変換光学素子などの表面に曇りを発生させる要因となる。また、波長変換光学素子間に配設されたレンズ系は、各波長変換光学素子の中央にビームウエストを形成するように構成されているため、波長変換光学素子３３からの戻り光も上流側の波長変換光学素子３２及び波長変換光学素子３１内部の光路上でビームウエストを形成し、これらの素子内部で損傷を発生させる要因になる。
【００５５】
さらに、波長変換光学素子３１としてＰＰＬＮ結晶を用いた場合に、ＰＰＬＮ結晶は可視〜紫外領域の光でフォトリフラクティブ効果を示すため、戻り光により結晶中に光損傷を生じる要因となる。光路上に光損傷が生じるとＰＰＬＮ結晶を透過する基本波ω及び第２高調波２ωのビームプロファイルが歪み、波長変換光学系３０全体の波長変換効率が低下する要因になる。
【００５６】
そこで、波長変換光学系３０では、ＡＲコートを施すことができず戻り光が発生し得る波長変換光学素子について、発生した戻り光の光路が、系を上流側から下流側に向かうレーザ光の光路（本光路という）と重ならないように、波長変換光学素子を微小角度傾けて配設している。
【００５７】
図３は、一軸結晶において位相整合条件を満足するｋベクトルの方位を例示する説明図である。この図において、θは結晶の光学軸（Ｚ軸）と位相整合条件を満たすｋベクトルの軸（レーザ光の伝播軸）とがなす極軸角であり、一般的に位相整合角と称される。φはｋベクトルをＸ−Ｙ平面に投影したθを含む面ＳとＸ軸とがなす角度であり、実効非線形光学定数ｄeffが最大となる角度である。
【００５８】
波長変換光学素子は、素子メーカに使用条件を明示することにより、図４に示すように結晶の面Ｓ及びレーザ光の伝播軸に沿って直方体状に切り出され、入出射端面が研磨されて納入される。図４において面Ｓに垂直に立てた上下に延びる軸は、ｍ軸ないし非線形光学結晶の回転軸と呼ばれ、入射面に垂直入射させたレーザ光に対して結晶をｍ軸回りに角度チューニングすることにより、位相整合角θに合致させる。このｍ軸回りの角度チューニングは非常に敏感であり、アーク秒オーダのΔθで出力光のパワーが大きく変動する。
【００５９】
一方、レーザ光の伝播軸及びｍ軸に直行する軸はｎ軸と呼ばれ、入射面に垂直入射させたレーザ光に対して結晶をｎ軸回りに角度チューニングすることにより、角度φを調整することができる。このｎ軸回りの角度変化に対して敏感ではなく、分オーダのΔφでは出力光のパワーはほとんど変化しない。本発明の態様ではこの特性を利用し、波長変換効率をほとんど変化させることなく、戻り光の光路が本光路と重ならないように、波長変換光学素子をｎ軸周りにΔφ傾けて配設する。Δφの調整は、例えば微小角度調整ステージ等により行うことができる。
【００６０】
以下、具体的な構成形態について、第５高調波発生用の波長変換光学素子３３に適用した場合を代表例として説明する。波長変換光学素子３３の入射面には第２高調波２ωと第３高調波３ω（及び微弱な基本波）が入射し、波長変換光学素子３３の出射面から波長変換により発生した第５高調波５ωと波長変換されずに透過した第２高調波２ω及び第３高調波３ωが出射する。そのため、波長変換光学素子３３の入射面から上流方向に遡る戻り光は、波長変換光学素子３３の入射面で反射した第２，第３高調波と、出射面で反射した第２，第３，第５高調波である。
【００６１】
波長変換光学素子３３をｎ軸周りに微小角度Δφ傾けた状態を考えると、簡単な幾何光学により、入射面で反射した第２，第３高調波と、出射面で反射して入射面から出射する第２，第３高調波とは、入射面に対する反射角ないし出射角度は同一であるが、出射面で反射した第２，第３高調波の方が本光路から離れた位置から出射する。また、出射面で反射し入射面に戻る第２，第３高調波の戻り光は、入射面で直接反射した第２，第３高調波よりもはるかにパワーが低い。また、波長変換光学素子３３の出射面で反射した第５高調波は第２，第３高調波よりも周波数が高い（波長が短い）ため屈折角が大きく、出射面で反射し入射面から出射する第２，第３高調波よりも大きな角度で本光路から離れる方向に出射する。
【００６２】
波長変換光学素子３３が設けられた第１系列Ｉにおいては、波長変換光学素子３３よりも上流側に設けられた波長変換光学素子３１が非バルク結晶のＰＰＬＮ結晶であり、可視〜紫外領域の光でフォトリフラクティブ効果による光損傷が生じ得る。
【００６３】
以上から、本構成形態の波長変換光学系３０において、第５高調波発生用の波長変換光学素子３３をｎ軸周りに微小角度Δφ傾ける際には、この波長変換光学素子３３の入射面で反射する第２，第３高調波が、波長変換光学素子３３よりも上流側に位置する光学素子、特に波長変換光学素子３１の結晶表面や内部に曇りや光損傷等を与えない角度とすることが重要である。
【００６４】
ここで、第５高調波発生用の波長変換光学素子３３として、ＢＢＯ結晶をTypeＩ角度位相整合で用いた場合の実効非線形光学定数ｄeffは次式で表される。
ｄeff（θ，φ）ooe＝ｄ31sinθ−ｄ22cosθsin３φ                      （１）
（１）式から、角度φの変化によるｄeffの変化は小さく、φが微小角度Δφ変化しても波長変換効率の低下はわずかであることがわかる。このｄeffの変化から、角度φを２度変化させたときの第５高調波５ωのパワーの低下率は２％程度以下と見積もられる。
【００６５】
図５は、波長変換光学素子３３を所定の位相整合角θ及びφに合致する角度位置に配設した状態で、波長変換光学素子３３を基準角度φからｎ軸回りに±２度の範囲で傾けたときの、波長変換光学素子３３から出射される第５高調波５ωのパワーの変化の様子を示す実験データである。図５における横軸は、ｄeffが最大となる角度位置を基準とした微小角度Δφ、縦軸は位相整合条件（θ，φ）が完全に満たされた状態で波長変換光学素子３３から出力される第５高調波のパワーを基準とした、第５高調波（５倍波）のパワーの相対値である。
【００６６】
この実験データから、波長変換光学素子３３をｎ軸回りに微小角度Δφ回転させて入出射面を傾けたとき、波長変換光学素子３３から出力される第５高調波のパワーの低下率は、Δφが±０．５度ではほとんど低下せず、Δφが±１度で約０．３％、Δφが±１．５度で約０．７％、Δφが±２度の状態で約１．５％となることがわかる。これらの実験結果はシミュレーション結果とほぼ一致する。
【００６７】
図６は、上記のように波長変換光学素子３３をｎ軸回りに微小角度Δφ傾斜させたときに、上流側に位置する光学素子において、本光路と戻り光の光路とがどの程度離間するかを模式的に示した図である（なお、図２においてｎ軸は紙面に平行に上下に延びる軸である）。図中の太い実線が波長変換光学素子３３に入射するレーザ光（基本波、第２，第３高調波）の本光路の光軸Ｍ、細い実線が波長変換光学素子３３の入射面で反射された戻り光（第２高調波及び第３高調波）の光軸Ｒである。Δｘは上流側の光学素子（図６ではレンズ）位置における本光路の光軸Ｍと戻り光の光軸Ｒとの離間距離であり、図中の表にΔφとの関係を構成例として示している。なお、図中のミラーを設けずに構成しても良い。
【００６８】
図示する構成例において、本光路の光軸Ｍと戻り光の光軸Ｒとの離間距離Δｘは、波長変換光学素子３３の傾斜角度Δφを１度としたときにΔｘ＝３．０ｍｍ、Δφを１．５度としたときにΔｘ＝４．５ｍｍ、Δφを２度としたときにΔｘ＝６．０ｍｍである。ここで、本光路Ｍ上を通るレーザ光のビーム径（１／ｅ2）は、例えば、第２高調波２ωのビーム直径が約１．１ｍｍ、第３高調波のビーム直径が約０．９ｍｍである。
【００６９】
従って、ビームのすそ野を考慮しても、波長変換光学素子３３の傾斜角度Δφを１度以上とすれば、レンズを上流側から下流側に通過する本光路のレーザ光と、レンズを下流側から上流側に通過する戻り光とを分離することができる。これにより、仮に、戻り光によってレンズ等の光学素子の表面に曇りや損傷が発生したとしても、そのことによって本光路を通るレーザ光に影響を与えるようなことがない。
【００７０】
この場合において、波長変換光学素子３３の傾斜角度Δφを増大させると、本光路と戻り光路との離間距離を大きくとることができる一方、波長変換光学素子３３から出射される第５高調波５ωのパワーが低下する（図５を参照）。第５高調波５ωのパワーの低下は１．５％程度に抑えることが望まれる。このことから、波長変換光学素子３３においては傾斜角度Δφは１〜２度の範囲内とすることが好ましい。これにより、波長変換光学系３０から出力される紫外レーザ光に対して実質的にパワー低下の影響を与えることなく、戻り光の影響を抑制することができる。
【００７１】
波長変換光学系３０では、さらに進んで、戻り光による光学素子の曇りや損傷を排除する構成を採用する。それは、微小角度Δφ傾斜して配設される波長変換光学素子の入射面側に、前段の波長変換光学素子から出射されたレーザ光をそのまま通過し、入射面で反射された戻り光を遮断する遮断部材５０を配設することにより構成される。
【００７２】
例えば図６に示した構成例において、Δｘを付記したレンズ直前の位置に、波長変換光学素子３３に向かう本光路上のレーザ光をそのまま通過し、波長変換光学素子３３の入射面で反射された戻り光を遮断するアパーチャを配設する。
【００７３】
いま、波長変換光学素子３３の傾斜角度Δφを、例えば１．５度に設定したとすると、アパーチャ位置における本光路の光軸Ｍと戻り光の光軸Ｒとの離間距離はΔｘ＝４．５ｍｍである。また、本光路Ｍ上を通るレーザ光のビーム径は、第２高調波２ωのビーム直径が約１．１ｍｍ、第３高調波のビーム直径が約０．９ｍｍであり、本光路Ｍ上を通るレーザ光と戻り光とは完全に分離されている。
【００７４】
ここで、本光路Ｍ上を通るレーザ光のファーフィールド・モードパターンに影響を与えないアパーチャ直径の最小値を求めると、ビーム直径の３倍である直径３．５ｍｍ程度となる。よって、アパーチャの芯出し精度や調整代等を考慮し、かつ戻り光を遮断するアパーチャ径は、直径５〜６ｍｍ程度とすることが好適である。
【００７５】
上記のようなアパーチャ（遮断部材）５０を設けた構成によれば、レンズを上流側から下流側に通過する本光路のレーザ光に何ら影響を与えることなく波長変換光学素子３３に入射させ、波長変換光学素子３３の入射面や出射面で反射された戻り光をアパーチャ５０により遮断して、これよりも上流側に位置する光学素子（例えば２波長波長板４５や波長変換光学素子３２，３１、レンズ等）に対する戻り光の影響を排除することができる。
【００７６】
これにより、例えば、波長変換光学素子３３の上流側に位置するレンズや波長変換光学素子３２等が、第２高調波や第３高調波の波長帯域の光を透過するような場合であっても、波長変換光学素子３３の入射面で反射した第２高調波２ωや第３高調波３ωはアパーチャ５０により除去され、波長変換光学素子３１まで遡って戻ることがない。そのため、波長変換光学素子３１として、高い波長変換効率と良好なビーム品質が得られる疑似位相整合結晶を、フォトリフラクティブ効果によるビームモードの劣化等の心配なく用いることができ、高い波長変換効率で長期安定的に運転することができる。
【００７７】
なお、戻り光を遮断する遮断部材５０の一例として円形のアパーチャを提示したが、遮断部材は戻り光を受け止めて上流側への通過を止められるものであれば良く、例えば矩形ないしスリット状の開口や平坦な板部材などであっても良い。
【００７８】
以上は、本発明を第５高調波発生用の波長変換光学素子３３に適用した場合を代表例として説明したが、同様にＡＲコートを施すことができず入出射面が研磨面のまま用いられる第７高調波発生用の波長変換光学素子３５、第８高調波発生用の波長変換光学素子３６についても、同様に適用することができる。
【００７９】
なお、これらの波長変換光学素子３５，３６として、ＣＬＢＯ結晶をTypeＩ角度位相整合で用いた場合の実効非線形光学定数ｄeffは次式で表される。
ｄeff（θ，φ）ooe＝ｄ36sinθsin２φ                                （２）
（２）式から、第７高調波発生用の波長変換光学素子３５については、角度φが１度変化したときの第７高調波のパワー低下は０．２％程度以下、角度φが２度変化したときの第７高調波のパワー低下は０．５％程度以下と見積もられる。同様に、第８高調波発生用の波長変換光学素子３６については、角度φが１度変化したときの第８高調波のパワー低下は０．２％程度以下、角度φが２度変化したときの第７高調波のパワー低下は０．５％程度以下と見積もられる。
【００８０】
従って、本発明を第７高調波発生用の波長変換光学素子３５、第８高調波発生用の波長変換光学素子３６について同様に適用し、同様の効果を得ることができる。
【００８１】
以上説明したように、波長変換光学系３０においては、ＡＲコートを施すことができない波長変換光学素子３３，３５，３６が、レーザ光の光軸に対してｎ軸回りに微小角度Δφ傾斜して配設される。そのため、これらの波長変換光学素子の入射面あるいは出射面で戻り光が発生しても、発生した戻り光は波長変換光学系３０の本光路から外れ、各種光学素子の光路上に曇りや損傷を生じさせることがない。さらに、本光路のレーザ光を通過させるが戻り光路のレーザ光を遮断する遮断部材を設ければ、上流側の光学素子の曇りや損傷を防止することができる。従って、ＡＲコートを施すことができない波長変換光学素子からの戻り光による影響を抑制することができ、長期間安定的に動作可能な波長変換光学系を提供することができる。
【００８２】
そして、このような波長変換光学系３０を備えた紫外レーザ装置ＬＳによれば、波長変換光学素子からの戻り光による、波長変換光学系及びさらに上流側に位置するファイバ光増幅器２１〜２３等に対する影響を抑制することができ、長期間安定的に動作可能な紫外レーザ装置を提供することができる。このような紫外レーザ装置ＬＳは、小型軽量であるとともに取り扱いが容易であり、例えば、顕微鏡や望遠鏡等の観察装置、測長器や形状測定器等の測定装置、光造形装置や露光装置等の光加工装置検査装置、光治療装置等に好適に適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
ＬＳ  紫外レーザ装置
Ｍ  本光路の光軸
Ｒ  戻り光の光軸
Ｓ  一軸結晶における光学軸（Ｚ軸）とレーザ光の伝播軸（ｋベクトル）とを含む面
ｍ軸  面Ｓと垂直に交わる軸
ｎ軸  レーザ光の伝播軸及びｍ軸に直行する軸
θ  位相整合角
φ  実効非線形光学定数が最大となる角度
１  レーザ光出力部
３  波長変換部
１０  レーザ光発生部
２０  光増幅部
３０  波長変換光学系
３１〜３６  波長変換光学素子
３１  赤外領域のレーザ光を赤外〜可視領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子
３３  赤外〜可視領域のレーザ光を紫外領域のレーザ光に波長変換して出射する波長変換光学素子
３３，３５，３６  出射されるレーザ光が紫外領域である波長変換光学素子
５０  遮断部材（アパーチャ）
【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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【図６】
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【図７】
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