(57)【要約】周波数が基本周波数から（ｍ−１）・ａ・ΔωずれているＭ個のレーザ光源及びこのレーザ光を増幅する第１レーザ光源部２及び第１ファイバアンプ部４と、第１ファイバアンプ部４から出射されたレーザ光をほぼ同軸上に重ねて合わせて出射させる第１光多重化装置６と、第１光多重化装置６から出射したレーザ光の周波数をＡ倍する第１波長変換装置９と、周波数が基本周波数から（ｍ−１）・ｂ・ΔωずれているＭ個のレーザ光源及びこのレーザ光を増幅する第２レーザ光源部３及び第２ファイバアンプ部５と、第２ファイバアンプ部５から出射されたレーザ光をほぼ同軸上に重ねて出射させる第２光多重化装置７と、第２光多重化装置７から出射したレーザ光の周波数をＢ倍する第２波長変換装置１０と、第１の及び第２波長変換装置９，１０から出射したレーザ光を同時に入射させて基本周波数の（Ａ＋Ｂ）倍の周波数からなるレーザ光に変換させる第３波長変換装置１１とからなるレーザ光源装置１が、次式Ａ・ａ  ＋  Ｂ・ｂ  ＝  ０を満足するように構成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第１基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第２基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、
前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、
前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、
前記第１基本波の周波数のＡ倍に相当するＡ倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数のＢ倍に相当するＢ倍波を発生する第２波長変換装置、並びに、前記Ａ倍波及び前記Ｂ倍波の光を入射して和周波発生によりこれらの和周波を発生する第３波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
Ａ・ａｍ  ＋  Ｂ・ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項２】
前記第１レーザ光源部におけるＭ個のレーザ光源から発生した各レーザ光を各々光増幅するＭ個の光増幅器を有する第１光増幅器部と、
前記第２レーザ光源部におけるＭ個のレーザ光源から発生した各レーザ光を各々光増幅するＭ個の光増幅器を有する第２光増幅器部とを有する請求項１の記載のレーザ光源装置。
【請求項３】
前記第１光多重化装置若しくは前記第２光多重化装置が、前記第１レーザ光源部若しくは前記第２レーザ光源部から出射される前記レーザ光の前記基本周波数からのずれ量に応じて設定された入射角で入射させて、回折若しくは屈折した前記レーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて出射させる回折格子若しくは分散プリズムを有して構成されることを特徴とする請求項１記載のレーザ光源装置。
【請求項４】
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第１基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第２基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、
前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、
前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、
前記第１基本波及び前記第２基本波から和周波発生によりこれらの和周波を発生する波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
ａｍ  ＋  ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項５】
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、前記基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、
前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、
前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、
前記第１基本波の周波数の３倍に相当する３倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数の４倍に相当する４倍波を発生する第２波長変換装置、前記３倍波及び前記４倍波を入射して和周波発生により前記基本周波数の７倍の７倍波を発生する第３波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
３・ａｍ  ＋  ４・ｂｍ＝０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項６】
さらに前記基本周波数のレーザ光を出射する第３レーザ光源部と、
前記７倍波及び前記第３光源から出射された前記レーザ光を入射して和周波発生により前記基本波周波数の８倍の周波数を有する８倍波を発生する第４波長変換装置とを有することを特徴とする請求項５記載のレーザ光源装置。
【請求項７】
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、
前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、
前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、
前記第１基本波の周波数の３倍に相当する３倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数の４倍に相当する４倍波を発生する第２波長変換装置、前記３倍波及び前記４倍波を入射して和周波発生により前記基本周波数の７倍の周波数からｂｍ・Δω（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）ずれている光からなる７倍波を発生する第３波長変換装置、並びに、前記第２基本波の一部と前記７倍波とを入射して和周波発生により前記基本周波数の８倍の周波数を有する８倍波を発生する第４波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
３・ａｍ  ＋  ５・ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項８】
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、
Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、前記基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、
前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、
前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、
前記第１基本波の周波数の２倍に相当する２倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数の５倍に相当する５倍波を発生する第２波長変換装置、前記２倍波及び前記５倍波を入射して和周波発生により前記基本周波数の７倍の７倍波を発生する第３波長変換装置、並びに、前記７倍波及び前記第１波長変換装置、第３波長変換装置を透過した前記第１基本波を入射して和周波発生により前記基本周波数の８倍の周波数を有する８倍波を発生する第４波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
３・ａｍ  ＋  ５・ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足することを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項９】
互いに周波数のずれた複数のレーザ光を同軸上に重ね合わせて一つのレーザ光束を出射させる光学装置を複数個と、
前記複数の光学装置からそれぞれ出射される前記レーザ光束を１回以上の和周波発生により前記互いの周波数ずれを相殺するとともに、前記レーザ光束の波長変換を行う波長変換装置と、
を備えたことを特徴とするレーザ光源装置。
【請求項１０】
前記光学装置は、前記複数のレーザ光をそれぞれ光増幅する複数の光増幅装置を有することを特徴とする請求項９記載のレーザ光源装置。
【請求項１１】
前複数のレーザ光を同軸上に重ね合わせて一つのレーザ光束を出射させる手段が、回折格子又は分散プリズムであることを特徴とする請求項９記載のレーザ光源装置。
【請求項１２】
請求項９に記載のレーザ光源装置と、
前記レーザ光源装置から放射されるレーザ光をレチクル上に照射する照明光学系と、
前記レチクルを透過した前記レーザ光を半導体ウエハ上に集光して前記レチクルの像を結像する投影光学系とから構成されることを特徴とする露光装置。
【請求項１３】
請求項９に記載のレーザ光源装置と、
前記レーザ光源装置から放射された前記レーザ光の位相を変換する位相変換装置と、
前記位相変換装置で位相変換された前記レーザ光を集光してマスクに照射する照明光学系と、
前記マスクを透過した前記レーザ光を集光する結像光学系と、
前記結像光学系で結像された前記レーザ光を検出するセンサとから構成されることを特徴とするマスク検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、主に高出力の１９３ｎｍの波長を有する光を発生させるレーザ光源装置と、このレーザ光源装置を用いた露光装置及びマスク検査装置に関する。
【背景技術】  半導体デバイスの高密度化、対象線幅の細線化に伴って、露光装置やマスク検査装置等に用いられる光線も年々短波長化する傾向にあり、１９３ｎｍの波長の光を光源とした露光装置やマスク検査装置等も実用化の段階に入っている。例えば、この１９３ｎｍの波長を有する光を発生させる固体レーザ（レーザ光源装置）としては、波長１５４７ｎｍの半導体レーザの光を基本波として光分岐手段により複数のレーザ光に分岐し、それぞれのレーザ光をファイバアンプで複数並列に増幅してその出射端（ファイバー）をバンドル状に束ねて波長変換光学系に入射させるように構成し、この波長変換光学系により基本波を８倍波に波長変換して高出力の１９３ｎｍ光を得ている（例えば、特開２０００−２００７４７号公報（第１８頁〜第２５頁、第１１図参照）。そのため、このようなレーザ光を露光装置やマスク検査装置に用いる場合には、波長変換光学系を含む波長変換における変換効率を向上させることは非常に重要となっている。
【発明の開示】
しかしながら、上記の方法ではファイバーを空間的にバンドルしていることから、全ての光を波長変換のための波長変換結晶上の一点に集光することや、この波長変換結晶の角度許容幅を満たすことが難しく、高い変換効率を得られないという課題があった。また、マイクロレンズアレイを用いて、バンドルしている各々のファイバー毎に波長変換光学系に結像するように構成することも可能であるが、高い変換効率を得るために必要な加工や調整精度を得ることが難しいという課題があった。
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、周波数を僅かにずらしたレーザ光を光多重化装置に入射させてほぼ同軸上に重ね合わせることにより、波長変換の効率を向上させ、波長が短く高出力なレーザ光を得ることができるレーザ光源装置を提供すること、及び、このレーザ光源装置を用いた露光装置及びマスク検査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
前記課題を解決するために、第１の本発明に係るレーザ光源装置は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第１基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第２基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、前記第１基本波の周波数のＡ倍に相当するＡ倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数のＢ倍に相当するＢ倍波を発生する第２波長変換装置、並びに、前記Ａ倍波及び前記Ｂ倍波の光を入射して和周波発生によりこれらの和周波を発生する第３波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
Ａ・ａｍ  ＋  Ｂ・ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足するように構成される。
この構成において、前記第１レーザ光源部におけるＭ個のレーザ光源から発生した各レーザ光を各々光増幅するＭ個の光増幅器を有する第１光増幅器部と、前記第２レーザ光源部におけるＭ個のレーザ光源から発生した各レーザ光を各々光増幅するＭ個の光増幅器を有する第２光増幅器部とを有するのが好ましい。
さらに、上記構成において、前記第１光多重化装置若しくは前記第２光多重化装置が、前記第１レーザ光源部若しくは前記第２レーザ光源部から出射される前記レーザ光の前記基本周波数からのずれ量に応じて設定された入射角で入射させて、回折若しくは屈折した前記レーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて出射させる回折格子若しくは分散プリズムを有して構成されるのが好ましい。
また、第２の本発明に係るレーザ光源装置は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第１基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、第２基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、前記第１基本波及び前記第２基本波から和周波発生によりこれらの和周波を発生する波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
ａｍ  ＋  ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足するように構成される。
さらに、第３の本発明に係るレーザ光源装置は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、前記基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、前記第１基本波の周波数の３倍に相当する３倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数の４倍に相当する４倍波を発生する第２波長変換装置、前記３倍波及び前記４倍波を入射して和周波発生により前記基本周波数の７倍の７倍波を発生する第３波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
３・ａｍ  ＋  ４・ｂｍ＝０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足するように構成される。
さらに前記基本周波数のレーザ光を出射する第３レーザ光源部と、前記７倍波及び前記第３光源から出射された前記レーザ光を入射して和周波発生により前記基本波周波数の８倍の周波数を有する８倍波を発生する第４波長変換装置とを有するのが好ましい。
第４の本発明に係るレーザ光源装置は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、前記第１基本波の周波数の３倍に相当する３倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数の４倍に相当する４倍波を発生する第２波長変換装置、前記３倍波及び前記４倍波を入射して和周波発生により前記基本周波数の７倍の周波数からｂｍ・Δω（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）ずれている光からなる７倍波を発生する第３波長変換装置、並びに、前記第２基本波の一部と前記７倍波とを入射して和周波発生により前記基本周波数の８倍の周波数を有する８倍波を発生する第４波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
３・ａｍ  ＋  ５・ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足するように構成される。
第５の本発明に係るレーザ光源装置は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数からａｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第１レーザ光源部と、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、前記基本周波数からｂｍ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）第２レーザ光源部と、前記第１レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第１基本波を出射させる第１光多重化装置と、前記第２レーザ光源部から出射するＭ個のレーザ光をほぼ同軸上に重ね合わせて第２基本波を出射させる第２光多重化装置と、前記第１基本波の周波数の２倍に相当する２倍波を発生する第１波長変換装置、前記第２基本波の周波数の５倍に相当する５倍波を発生する第２波長変換装置、前記２倍波及び前記５倍波を入射して和周波発生により前記基本周波数の７倍の７倍波を発生する第３波長変換装置、並びに、前記７倍波及び前記第１波長変換装置、第３波長変換装置を透過した前記第１基本波を入射して和周波発生により前記基本周波数の８倍の周波数を有する８倍波を発生する第４波長変換装置を備えた波長変換光学系とを有し、次式
３・ａｍ  ＋  ５・ｂｍ  ＝  ０
（ａ１、ａ２・・・ａＭ及びｂ１、ｂ２・・・ｂＭは式を満たす任意の数）
を満足するように構成される。
第６の本発明に係るレーザ光源装置は、互いに周波数のずれた複数のレーザ光を同軸上に重ね合わせて一つのレーザ光束を出射させる光学装置を複数個と、前記複数の光学装置からそれぞれ出射される前記レーザ光束を１回以上の和周波発生により前記互いの周波数ずれを相殺するとともに、前記レーザ光束の波長変換を行う波長変換装置と、を備えて構成される。
この光学装置は、前記複数のレーザ光をそれぞれ光増幅する複数の光増幅装置を有するのが好ましい。
また、前複数のレーザ光を同軸上に重ね合わせて一つのレーザ光束を出射させる手段が、回折格子又は分散プリズムであるのが好ましい。
本発明に係る露光装置は、上述の第６の本発明に係るレーザ光源装置と、前記レーザ光源装置から放射されるレーザ光をレチクル上に照射する照明光学系と、前記レチクルを透過した前記レーザ光を半導体ウエハ上に集光して前記レチクルの像を結像する投影光学系とから構成される。
また、本発明に係るマスク検査装置は、上述の第６の本発明に係るレーザ光源装置と、前記レーザ光源装置から放射された前記レーザ光の位相を変換する位相変換装置と、前記位相変換装置で位相変換された前記レーザ光を集光してマスクに照射する照明光学系と、前記マスクを透過した前記レーザ光を集光する結像光学系と、前記結像光学系で結像された前記レーザ光を検出するセンサとから構成される。
発明の効果
本発明に係るレーザ光源装置を以上のように構成すると、レーザ光源から放射されたレーザ光が、効率良く波長変換されるため、波長が短く高出力の光を得ることができる。また、本発明に係る波長変換光学系を用いて露光装置及びマスク検査装置を構成することにより、集積度の高い半導体デバイスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係るレーザ光源装置の基本構成を示すブロック図である。
図２は、光多重化装置の第１構成例を示す説明図である。
図３は、多重化装置の第２構成例を示す説明図である。
図４は、多重化装置の第３構成例を示す説明図である。
図５は、光多重化装置の第４構成例を示す説明図である。
図６は、光多重化装置の第５構成例を示す説明図である。
図７は、本発明に係るレーザ光源装置の第１実施例を示すブロック図である。
図８は、本発明に係るレーザ光源装置の第２実施例を示すブロック図である。
図９は、本発明に係るレーザ光源装置の第２実施例を示すブロック図である。
図１０は、本発明に係る露光装置を示す説明図である。
図１１は、本発明に係るマスク検査装置を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、レーザ光源装置の基本構成について説明する。レーザ光源装置１は、第１レーザ光源部２及び第２レーザ光源部３と、第１ファイバアンプ部４及び第２ファイバアンプ部５と、第１光多重化装置６及び第２光多重化装置７と、波長変換光学系８とから構成される。
第１レーザ光源部２は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数から（ｍ−１）・ａ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）。また、第２レーザ光源部３は、Ｍ個のレーザ光源を有し、ｍ番目のレーザ光源は、基本周波数から（ｍ−１）・ｂ・Δωずれた周波数のレーザ光を出射する（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）。第１レーザ光源部２及び第２レーザ光源部３からそれぞれ出射されるレーザ光の周波数ω１ｍ及びω２ｍは、以下に示す式（１）、（２）で表される。
ω１ｍ＝ω０＋（ｍ−１）・ａ・Δω        （１）
ω２ｍ＝ω０＋（ｍ−１）・ｂ・Δω        （２）
但し、ｍ＝１，２，・・・，Ｍ
第１ファイバアンプ部４は、前述した複数のレーザ光を各レーザ光毎に各々光増幅して出射するＭ個のファイバアンプから構成されている。ここで、光増幅を行うファイバアンプとは、ポンプ光のエネルギーを光ファイバ内を流れるレーザ光のエネルギーに変換し、レーザ光のエネルギーを増幅させるものである。なお、ファイバアンプに換えて導波路アンプを用いても良い。
第１光多重化装置６は、第１ファイバアンプ部４から出射された複数のレーザ光Ｐ１１，Ｐ１２，・・・，Ｐ１ｍをほぼ同軸上に重ね合わせてパルス列である第１基本波１０１を出射する。第２光多重化装置７は、第２ファイバアンプ部５から出射された複数のレーザ光Ｐ２１，Ｐ２２，・・・，Ｐ２ｍをほぼ同軸上に重ね合わせてパルス列である第２基本波１０２を出射する。第１光多重化装置６及び第２光多重化装置７の機構の詳細は、後述する。
波長変換光学系８は、第１基本波１０１の周波数のＡ倍に相当するＡ倍波を発生する第１波長変換装置９と、第２基本波の周波数のＢ倍に相当するＢ倍波を発生する第２波長変換装置１０と、Ａ倍波及びＢ倍波を同期させてに入射させて和周波発生により（Ａ＋Ｂ）倍の高調波を得る第３波長変換装置１１とから構成されている。第１基本波１０１及び第２基本波１０２のうちｍ番目の周波数を有するレーザ光が第１及び第２波長変換装置４，５を透過した後の周波数ω１ｍ′，ω２ｍ′は次に示す式（３）、（４）のように表される。
ω１ｍ′＝［ω０＋（ｍ−１）・ａ・Δω］・Ａ        （３）
ω２ｍ′＝［ω０＋（ｍ−１）・ｂ・Δω］・Ｂ        （４）
但し、ｍ＝１，２，・・・，Ｍ
なお、図１にも示すとおり、第１レーザ光源部２及び第２レーザ光源部３を構成する各々のレーザ光源から出射されるレーザ光は、パルス光となっている。この各々のレーザ光源から出射されるレーザ光を連続光（ＣＷ光）とすることも可能であるが、レーザ光源装置１の波長変換装置９〜１１における変換効率が低下してしまう虞がある。また、第１及び第２レーザ光源部２，３から出射されるｍ番目の周波数を有するレーザ光（パルス光）同士は、第３波長変換装置１１（例えば、後述する波長変換結晶３５）において同じ時間に同期して入射するように構成されている。
ここで、第１若しくは第２光多重化装置６，７（以下、「光多重化装置６，７」と略する）について図２を用いて説明する。なお、ここで説明する光多重化装置６，７は、回折光学素子若しくは分散プリズムを用いてレーザ光を同軸上に重ね合わせている。
回折格子７１は、その回折光学面Ｇｆに入射して回折するレーザ光が出射するときの出射角が、回折光学面Ｇｆの回折角（回折格子のピッチ）と入射するレーザ光の周波数（波長）及び入射角により決定される性質を有している。上述のように、第１若しくは第２レーザ光源部２，３を構成する各々のレーザ光源から出射されるレーザ光の周波数は、式（１），（２）に示すように所定の差異量（（ｍ−１）・ａ・Δω若しくは（ｍ−１）・ｂ・Δω）を有して異なっている。そのため、第１若しくは第２ファイバアンプ部４，５から出射されるレーザ光の周波数及び回折格子７１への入射角と回折光学面Ｇｆの回折角とを整合させれば、回折光学面Ｇｆで回折したレーザ光の出射角を全て同じにして同軸上に重ね合わせて出射させることができる。
そのため、図２に示すように、光多重化装置６，７は、第１若しくは第２ファイバアンプ部４，５を構成するファイバアンプの射出部６１の回折格子７１に対する出射角度をその周波数及び回折光学面Ｇｆの回折角に応じて設定し、それぞれのファイバアンプの射出部６１から出射されたレーザ光をそれぞれに応じて配設されたコリメータレンズ６２で平行光に変換して回折格子７１（回折光学面Ｇｆ）の同一部分に入射させる。回折光学面Ｇｆに入射したレーザ光は、上述のように入射角と周波数に応じて回折して所定の出射角で同軸上に重ね合わされて第１若しくは第２基本波１０１，１０２として出射する。
この光多重化装置６，７を構成する回折格子７１は、ある１つの回折次数だけを使用するため、ブレーズド回折格子のようなある特定の回折光だけで高い回折効率が得られる物が好ましい。また、使用する回折格子７１は何次を使用しても問題ないが、一般的に低い次数ほど回折効率を高くでき、高い次数ほどファイバアンプの射出部６１の回折光学面Ｇｆに対する角度を大きくすることができ、コリメータレンズの間隔を広くできる。また、コリメータレンズ６２は、射出部６１からの光が平行光に変換される位置に配設されることが望ましいが、完全に平行光に変換されていない場合でも、第１若しくは第２ファイバアンプ部４，５を構成する全ての射出部６１からのレーザ光が、回折光学面Ｇｆの光軸上の点において同じビーム径及び広がり角になっていれば問題ない。
なお、光多重化装置６，７は以上の構成に限定されることはなく、その他の構成例について図３〜図６を用いて説明する（なお、説明の便宜上、上述の光多重化装置６，７を第１の構成例と呼ぶ）。図３は、光多重化装置６，７の第２の構成例である。この第２の構成例では、第１若しくは第２ファイバアンプ部４，５からの射出部６１を略平行に並べ、コリメータレンズ６２を光軸に垂直に、且つ、入射面内の方向に平行シフトすることで回折格子７１の回折光学面Ｇｆ上の一点にレーザ光を集光するように構成している。この第２の構成例では、ファイバアンプの射出部６１が略平行に並ぶため、この射出部６１の位置調整にＶ溝等を使用できるため、容易に構成することができる。
図４に光多重化装置６，７の第３の構成例を示す。上述の第１及び第２の構成例では、ファイバアンプの射出部６１の各々に対してコリメータレンズ６２を配設していたが、この第３の構成例では、１枚のレンズで構成したコリメータレンズ６３を配設し、各射出部６１から出射したレーザ光を回折格子７１の回折光学面Ｇｆ上の一点に集光するように構成している。このコリメータレンズ６３は、ファイバアンプの射出部６１からレンズの焦点距離だけ離れた場所に配設されることが望ましい。
図５に光多重化装置６，７の第４の構成例を示す。この第４の構成例では、第３の構成例のコリメータレンズ６３に続いて、２枚のレンズ６４，６５を配設し、コリメータレンズ６３及び２枚のレンズ６４，６５で射出部６１から出射したレーザ光を回折格子７１の回折光学面Ｇｆ上の一点に集光するように構成している。この２枚のレンズ６４，６５により、レンズ６３〜６４の焦点距離を変えることができ、回折格子７１に入射するレーザ光の出力端（射出部６１）の相対的な角度を変えることにより、回折格子７１の設計に応じて回折光学面Ｇｆに入射するレーザ光の入射角度を調整することができる。
図６に光多重化装置６，７の第５の構成例を示す。以上に説明した第１〜第４の構成例では、回折格子７１を用いているが、この第５の構成例では分散プリズム７２を用いている。すなわち、ファイバアンプの射出部６１は分散プリズム７２に対して所定の入射角を有するように設定され、この射出部６１から出射したレーザ光を各々の射出部６１に対応して配設されたコリメータレンズ６２を用いて平行光に変換した後、分散プリズム７２の一点に入射するように構成されている。そして、この分散プリズム７２を透過したレーザ光はほぼ同軸上に重ね合わされて第１若しくは第２基本波１０１，１０２として出射する。
以上のように周波数が僅かに異なる複数のレーザ光（ファイバアンプからの出力）を回折格子７１若しくは分散プリズム７２を用いた簡単な構成の光多重化装置６，７により効率良く、ほぼ同軸上に重ね合わせて出射することができる。なお、以上で説明した光多重化装置６，７の第１〜第５の構成例では、回折格子７１若しくは分散プリズム７２を用いた場合について述べたが、干渉フィルターや導波路等を用いることも可能である。
第１及び第２光多重化装置６，７でほぼ同軸上に重ね合わされたパルス列である第１及び第２基本波１０１，１０２は、第１及び第２波長変換装置９，１０でＡ倍及びＢ倍され、図１には図示しないダイクロイックミラーやフィルター等でほぼ同軸上に重ね合わされて第３波長変換装置１１に入射する。
第３の波長変換装置１１は、同時に入射した２つのレーザ光から、それらのレーザ光の和の周波数を有するレーザ光を発生するものであり、非線形光学効果に基づく現象である和周波発生を用いている。よって、第３の波長変換装置１１を透過したレーザ光は、基本周波数ω０の（Ａ＋Ｂ）倍の周波数を有しており、その関係は次式（５）を満足する。
ω１ｍ′＋ω２ｍ′＝（Ａ＋Ｂ）・ω０        （５）
但し、ｍ＝１，２，・・・，Ｍ
以上より、第１及び第２レーザ光源部２，３を構成する複数のレーザ光源のうち、ｍ番目の周波数を有するレーザ光を出射するレーザ光源から出射されたレーザ光が、基本周波数ω０からのずれが解消されて、第３波長変換装置１１で基本周波数ω０の（Ａ＋Ｂ）倍の周波数を有するレーザ光に変換されるためには、式（３）〜（５）の関係より、次式（６）を満足するように構成される必要がある。
Ａ・ａ＋Ｂ・ｂ＝０        （６）
なお、上述のように、第１及び第２レーザ光源部２，３のそれぞれを構成する複数のレーザ光源のうち、ｍ番目の周波数を有するレーザ光を出射するレーザ光源からの出力（パルス光）は互いに同期して出力されて、同時に第３波長変換光学装置１１に入射するように構成される必要があるが、第１若しくは第２レーザ光源部２，３のそれぞれを構成するレーザ光源（１，２，・・・，ｍ番目のレーザ光源）の出力同士は、同時であっても時間的にずれていても良い（図１の場合は、全ての出力が時間的にずれている場合を示している）。この第１及び第２レーザ光源部２，３を構成するｍ番目のレーザ光源同士からのレーザ光（パルス光）が同期を取られて出射されるように構成されることは、以降に説明する実施例においても同様である。また、本実施例では、各々のレーザ光源から出射するＭ個の光波長間隔を一定間隔にしたが、ｍ番目の光同士が条件式（６）の関係を満たしていれば良く、必ずしも一定にする必要はない。
さらに、本実施例では、第１及び第２基本波を第１及び第２波長変換装置９，１０でＡ倍およびＢ倍した後、第３の波長変換装置１１による和周波発生により（Ａ＋Ｂ）倍波を発生させているが、第１及び第２基本波をＡ倍及びＢ倍せずに和周波発生により第１及び第２基本波の相の周波数を有するレーザ光を発生させても良い。
それでは、以上の基本構成を踏まえて、波長１５４７ｎｍの半導体レーザから放射されたレーザ光を８倍波に変換して１９３ｎｍのレーザ光を放射するレーザ光源装置１（２１，４１）について以下に２つの実施例を説明する。
なお、基本周波数ω０とは最終出力光の周波数の正の整数分の１倍（１／Ｎ倍、但しＮは正の整数）に相当するものである。
【実施例１】  図７は、８倍波を出射するレーザ光源装置の第１実施例を示している。このレーザ光源装置２１は、第１レーザ光源部２２、第２レーザ光源部２３、第３レーザ光源部２８、第１ファイバアンプ部２４、第２ファイバアンプ部２５、第３ファイバアンプ部２９、第１光多重化装置２６、第２光多重化装置２７及び第１〜第６波長変換結晶３１〜３６から構成されている。
第１レーザ光源部２２は、ｍ個のレーザ光源で構成されており、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数をω０としたとき、ｍ番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数はω０＋（ｍ−１）・Δωだけ周波数が異なるように設定されている。また、第１ファイバアンプ部２４はｍ個のファイバーアンプで構成されており、ｍ個のレーザ光源から出射する各レーザ光を各々光増幅する。この第１ファイバアンプ部２４から出射したｍ個のレーザ光は、第１光多重化装置２６に入射し、上述したようにほぼ同軸上に重ね合わされて第１基本波（パルス列）１１１として出射される。この第１基本波１１１は、下の式（７）に示すｍ個の周波数成分を有している。
［ω０，ω０＋Δω，・・・，ω０＋（ｍ−１）・Δω］        （７）
そして、第１光多重化装置２６を出射した第１基本波１１１は、第１波長変換結晶３１に入射し、一部のレーザ光が２倍波に波長変換される。このような目的の第１波長変換結晶３１としては、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  ＬｉＮｂＯ３），ＰＰＬＴ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  ＬｉＴａＯ３），ＰＰＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  Ｐｏｌｅｄ  ＫＴｉＯＰＯ４），ＬＢＯ（ＬｉＢ３Ｏ５），ＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）等を使用することができる。この第１波長変換結晶３１から出射したレーザ光の２倍波は、次式（８）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［２ω０，２（ω０＋Δω），・・・，２（ω０＋（ｍ−１）・Δω）］
（８）
さらに、第１波長変換結晶３１から出射した２倍波と透過した基本波は、第２波長変換結晶３２に入射し、その一部が３倍波に波長変換される。この第２波長変換結晶３２としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等が使用できる。この第２波長変換結晶３２から出射した第１基本波１１１の３倍波は、次式（９）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［３ω０，３（ω０＋Δω），・・・，３（ω０＋（ｍ−１）・Δω）］
（９）
一方、第２レーザ光源部２３は、ｍ個のレーザ光源で構成されており、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数をω０としたとき、ｍ番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数はω−（３／４）・（ｍ−１）・Δωだけ周波数が異なるように設定されている。また、第２ファイバアンプ部２５はｍ個のファイバアンプで構成されており、ｍ個のレーザ光源から出射する各レーザ光を各々光増幅する。この第２ファイバアンプ部２５から出射したｍ個のレーザ光は、第２光多重化装置２７に入射し、上述したようにほぼ同軸上に重ね合わされて第２基本波（パルス列）１１２として出射される。この第２基本波１１２は、下の式（１０）に示すｍ個の周波数成分を有している。
［ω０，ω０−（３／４）・Δω，・・・，ω０−（ｍ−１）・（３／４）・Δω］
（１０）
そして、第２光多重化装置２７を出射した第２基本波１１２は、第３波長変換結晶３３に入射し、一部のレーザ光が２倍波に波長変換される。この第３波長変換結晶３３としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等を使用することができる。この第３波長変換結晶３３から出射した第２基本波１１２の２倍波は、次式（１１）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［２ω０，２（ω０−（３／４）・Δω），・・・，２（ω０−（ｍ−１）・（３／４）・Δω）］                                                          （１１）
さらに、第３波長変換結晶３３から出射した２倍波は、第４波長変換結晶３４に入射し、その一部が４倍波に波長変換される。この第４波長変換結晶３４としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等が使用できる。この第４波長変換結晶３４から出射した第２基本波１１２の４倍波は、次式（１２）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［４ω０，４（ω０−（３／４）・Δω），・・・，４（ω０−（ｍ−１）・（３／４）・Δω）］                                                          （１２）
さて、このようにして、第２波長変換結晶３２から出射した第１基本波１１１の３倍波と、第４波長変換結晶３４から出射した第２基本波１１２の４倍波とが、図示しないダイクロイックミラーやフィルター等によりほぼ同軸上に重ね合わされた後、第５波長変換結晶３５に入射し、上述のように和周波発生により３倍波と４倍波の一部が７倍波に波長変換される。ここで、第５波長変換結晶３５としては、ＢＢＯ，ＫＢＢＦ（ＫＢｅ２ＢＯ３Ｆ２）等が使用できる。この第５波長変換結晶３５から出射したレーザ光の７倍波は、第１レーザ光源部２２及び第２レーザ光源部２３を構成するｍ番目のレーザ光源からの光は、それぞれが３倍波と４倍波で波長変換されたのちに第５波長変換結晶３５に同時に入射するように構成され、かつ、条件式（６）の関係を満たしているため、次式（１３）に示されるように、いずれの周波数成分も基本周波数ω０の７倍の周波数を有するパルス列となる。
［７ω０，７ω０，・・・，７ω０］        （１３）
そして、この第５波長変換結晶３５から出射した７倍波のレーザ光（パルス列）と、第３レーザ光源部２８から出射される基本周波数ω０のパルス列である第３基本波１１３（第１若しくは第２レーザ光源部２２，２３を構成するｍ個のレーザ光源から出射されるパルス光に同期させたパルス列となっている）を第３ファイバアンプ部２９で光増幅したレーザ光が、図示しないダイクロイックミラーやフィルター等によりほぼ同軸上に重ね合わされた後、第６波長変換結晶３６に同時に入射し、和周波発生により７倍波と基本波の一部が８倍波に波長変換される。第６波長変換結晶３６としては、ＢＢＯ，ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＫＢＢＦ等が使用できる。この８倍波のパルス列も次式（１４）に示されるように、基本周波週ω０の８倍の周波数から構成されている。この８倍波が第１実施例に係るレーザ光源装置２１から出射される。
［８ω０，８ω０，・・・，８ω０］        （１４）
以上のように、本第１実施例に係るレーザ光源装置２１によれば、第１及び第２レーザ光源部２２，２３を構成するそれぞれのレーザ光源から出射されるレーザ光の周波数を僅かに異なるように設定することで、そのレーザ光の入射角度と第１若しくは第２光多重化装置２６，２７の有する回折格子６１等により効率よくほぼ同軸上に重ね合わせてパルス列（第１若しくは第２基本波１１１，１１２）とすることができる。さらに、３倍波を得るための第１レーザ光源部２２と、４倍波を得るための第２レーザ光源部２３から出射されるレーザ光の周波数を、条件式（６）を満たすように設定することにより、７倍波を得ることができ、さらに、その７倍波を用いて所望の８倍波を得ることができる。この第１実施例では、第１及び第２光多重化装置２６，２７により、複数のファイバアンプで増幅されて出射したレーザ光を効率良く同軸上に重ね合わせているため、全体として変換効率が高くなっており、基本周波数の半導体レーザ（１５４７ｎｍ）から、波長の短いレーザ光（１９３ｎｍ）を高出力で得ることができる。
なお、この第１実施例では、３つのレーザ光源部（第１〜第３レーザ光源部２２，２３，２８）とそれらに対応する３つのファイバアンプ部（第１〜第３ファイバアンプ部２６，２７，２９）が必要であるが、光学系は簡単に構成することができる。
本実施例では、各々のレーザ光源から出射するＭ個の光波長間隔を一定間隔にしたが、ｍ番目の光同士が次式（１５）の関係を満たしていればよく必ずしも一定にする必要はない。
３・ｘｍ  ＋  ４・（３／４）・ｙｍ  ＝０        （１５）
（ｘ１、ｘ２・・・ｘＭ、ｙ１、ｙ２・・・ｙＭは式を満たす任意の数）
また、本実施例では、第１レーザ光源部及び第２レーザ光源部の１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数を基本周波数ω０に設定したが、（１５）の関係を満たしていれば、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数も基本周波数から所定量ずれた周波数を設定してもよい。
【実施例２】  次に、図８を用いて、基本周波数の８倍波を出射するレーザ光源装置の第２実施例について説明する。このレーザ光源装置４１は、第１レーザ光源部４２、第２レーザ光源部４３、第１ファイバアンプ部４４、第２ファイバアンプ部４５、第１光多重化装置４６、第２光多重化装置４７及び第１〜第６の波長変換結晶５１〜５６から構成されている。
第１レーザ光源部４２は、ｍ個のレーザ光源で構成されており、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数をω０としたとき、ｍ番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数はω０＋（ｍ−１）・Δωだけ周波数が異なるように設定されている。また、第１ファイバアンプ部４４はｍ個のファイバアンプで構成されており、ｍ個のレーザ光源から出射する各レーザ光を各々光増幅する。この第１ファイバアンプ４４から出射したｍ個のレーザ光は、第１光多重化装置４６に入射し、ほぼ同軸上に重ね合わされて第１基本波（パルス列）１２１として出射される。この第１基本波１２１は、次式（１６）に示されるｍ個の周波数成分を有している。
［ω０，ω０＋Δω，・・・，ω０＋（ｍ−１）・Δω］
（１６）
そして、第１光多重化装置４６を出射した第１基本波１２１は、第１波長変換結晶５１に入射し、一部のレーザ光が２倍波に波長変換される。このような目的の第１波長変換結晶５１としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等を使用することができる。この第１波長変換結晶５１から出射した第１基本波１２１の２倍波は、次式（１７）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［２ω０，２（ω０＋Δω），・・・，２（ω０＋（ｍ−１）・Δω）］
（１７）
さらに、第１波長変換結晶５１から出射した２倍波と透過した基本波は、第２波長変換結晶５２に入射し、その一部が３倍波に波長変換される。この第２波長変換結晶５２としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等が使用できる。この第２波長変換結晶５２から出射した第１基本波１２１の３倍波は、次式（１８）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［３ω０，３（ω０＋Δω），・・・，３（ω０＋（ｍ−１）・Δω）］
（１８）
一方、第２レーザ光源部４３は、ｍ個のレーザ光源で構成されており、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数をω０としたとき、ｍ番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数はω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δωだけ周波数が異なるように設定されている。また、第２ファイバアンプ部４５はｍ個のファイバアンプで構成されており、ｍ個のレーザ光源から出射する各レーザ光を各々光増幅する。この第２ファイバアンプ部４５から出射したｍ個のレーザ光は、第２光多重化装置４７に入射し、ほぼ同軸上に重ね合わされて第２基本波（パルス列）１２２として出射される。この第２基本波１２２は、次式（１９）に示すｍ個の周波数成分を有している。
［ω０，ω０−（３／５）Δω，・・・，ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω］
（１９）
そして、第２光多重化装置４７を出射した第２基本波１２２は、第３波長変換結晶５３に入射し、一部のレーザ光が２倍波に波長変換される。この第３波長変換結晶５３としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等を使用することができる。この第３波長変換結晶５３から出射した第２基本波１２２の２倍波は、次式（２０）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［２ω０，２（ω０−（３／５）・Δω），・・・，２（ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω）］                                                          （２０）
この第３波長変換結晶５３から出射するレーザ光は、波長変換された２倍波と、透過した基本波であるが、図示しないダイクロイックミラー等で２倍波だけが第４波長変換結晶５４に入射する。そして、その２倍波の一部がこの第４波長変換結晶５４で４倍波に波長変換される。この第４波長変換結晶５４としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等が使用できる。この第４波長変換結晶５４から出射した第２基本波１２２の４倍波は、次式（２１）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［４ω０，４（ω０−（３／５）・Δω），・・・，４（ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω）］                                                          （２１）
さて、このようにして、第２波長変換結晶５２から出射した第１基本波１２１の３倍波と、第４波長変換結晶５４から出射した第２基本波１２２の４倍波とが、図示しないダイクロイックミラーやフィルター等によりほぼ同軸上に重ね合わされた後、第５波長変換結晶５５に入射し、上述のように和周波発生により３倍波と４倍波の一部が７倍波に変換される。この第２実施例においても、第１レーザ光源部４２と第２レーザ光源部４３を構成するｍ番目のレーザ光源からの光は、それぞれが３倍波と４倍波で波長変換されたのちに第５波長変換結晶５５に同時入射するように構成され、かつ、条件式（６）の関係を満たしている。第５波長変換結晶５５としては、ＢＢＯ，ＫＢＢＦ等が使用できる。この第５波長変換結晶５５から出射したレーザ光の７倍波は、次式（２２）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列となる。
［７ω０，７ω０＋（３／５）・Δω，・・・，７ω０＋（ｍ−１）・（３／５）・Δω］                                                                  （２２）
そして、この第５波長変換結晶５５ｂから出射した７倍波のレーザ光（パルス列）と、第３波長変換結晶５３を透過して図示しないダイクロイックミラー等で分離された基本波とが、図示しないダイクロイックミラー等によりほぼ同軸上に重ね合わされた後、第６波長変換結晶５６に入射し、和周波発生により７倍波と基本波の一部が８倍波に波長変換される。この第６波長変換結晶５６に対しても、７倍波と基本波のｍ番目のパルス光は同時に入射する。第６波長変換結晶５６としては、ＢＢＯ，ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＫＢＢＦ等が使用できる。この８倍波のパルス列は、次式（２３）に示されるように、基本周波数ω０の８倍の周波数から構成されている。この８倍波が第２実施例に係るレーザ光源装置４１から出射される。
［８ω０，８ω０，・・・，８ω０］        （２３）
以上のように、本第２実施例に係るレーザ光源装置４１によっても、第１実施例と同様にレーザ光の波長変換効率が高く、波長（１９３ｎｍ）の短いレーザ光を高出力で得ることができる。なお、この第２実施例に係るレーザ光源装置４１の場合、第１実施例における第３レーザ光源部２８及び第３ファイバアンプ部２９に相当する装置が必要ないため装置構成は簡単になるが、第３波長変換結晶５３を透過した基本波を分離して、そのレーザ光を用いて８倍波を発生させなければならないため、光学系は複雑になってしまう。
本実施例では、各々のレーザ光源から出射するＭ個の光波長間隔を一定間隔にしたが、ｍ番目の光同士が次式（２４）の関係を満たしていればよく必ずしも一定にする必要はない。
３・ｘｍ  ＋  ４・（３／５）・ｙｍ  ＋  ３／５・ｙｍ＝０        （２４）
（ｘ１、ｘ２・・・ｘＭ、ｙ１、ｙ２・・・ｙＭは式を満たす任意の数）
また、本実施例では、第１レーザ光源部及び第２レーザ光源部の１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数を基本周波数ω０に設定したが、（２４）の関係を満たしていれば、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数も基本周波数から所定量ずれた周波数を設定してもよい。
【実施例３】  図９を用いて、基本周波数の８倍波を出射するレーザ光源装置の第３実施例について説明する。このレーザ光源装置６１は、第１レーザ光源部６２、第２レーザ光源部６３、第１ファイバアンプ部６４、第２ファイバアンプ部６５、第１光多重化装置６６、第２光多重化装置６７及び第１〜第６の波長変換結晶７１〜７６から構成されている。
第１レーザ光源部６２は、ｍ個のレーザ光源で構成されており、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数をω０としたとき、ｍ番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数はω０＋（ｍ−１）・Δωだけ周波数が異なるように設定されている。また、第１ファイバアンプ部６４はｍ個のファイバアンプで構成されており、ｍ個のレーザ光源から出射する各レーザ光を各々光増幅する。この第１ファイバアンプ６４から出射したｍ個のレーザ光は、第１光多重化装置６６に入射し、ほぼ同軸上に重ね合わされて第１基本波（パルス列）１３１として出射される。この第１基本波１３１は、次式（２５）に示されるｍ個の周波数成分を有している。
［ω０，ω０＋Δω，・・・，ω０＋（ｍ−１）・Δω］        （２５）
そして、第１光多重化装置６６を出射した第１基本波１３１は、第１波長変換結晶７１に入射し、一部のレーザ光が２倍波に波長変換される。このような目的の第１波長変換結晶７１としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ，ＣＢＯ、ＣＬＢＯ等を使用することができる。この第１波長変換結晶７１から出射した第１基本波１３１の２倍波は、次式（２６）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［２ω０，２（ω０＋Δω），・・・，２（ω０＋（ｍ−１）・Δω）］
（２６）
一方、第２レーザ光源部６３は、ｍ個のレーザ光源で構成されており、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数をω０としたとき、ｍ番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数はω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δωだけ周波数が異なるように設定されている。また、第２ファイバアンプ部６５はｍ個のファイバアンプで構成されており、ｍ個のレーザ光源から出射する各レーザ光を各々光増幅する。この第２ファイバアンプ部６５から出射したｍ個のレーザ光は、第２光多重化装置６７に入射し、ほぼ同軸上に重ね合わされて第２基本波（パルス列）１３２として出射される。この第２基本波１３２は、次式（２７）に示すｍ個の周波数成分を有している。
［ω０，ω０−（３／５）Δω，・・・，ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω］
（２７）
そして、第２光多重化装置６７を出射した第２基本波１３２は、第２波長変換結晶７２に入射し、一部のレーザ光が２倍波に波長変換される。この第２波長変換結晶７２としては、ＰＰＬＮ，ＰＰＬＴ，ＰＰＫＴＰ，ＬＢＯ，ＢＢＯ等を使用することができる。この第２波長変換結晶７２から出射した第２基本波１３２の２倍波は、次式（２８）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［２ω０，２（ω０−（３／５）・Δω），・・・，２（ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω）］                                                          （２８）
また、第２波長変換結晶７２から出射した２倍波と透過した基本波は、第３波長変換結晶７３に入射し、その一部が３倍波に波長変換される。この第３波長変換結晶７３としては、ＬＢＯ，ＢＢＯ等が使用できる。この第３波長変換結晶７３から出射した第２基本波１３２の３倍波は、次式（２９）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［３ω０，３（ω０−（３／５）・Δω），・・・，３（ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω）］                                                          （２９）
さらに、第３波長変換結晶７３から出射した３倍波と透過した２倍波は、第４波長変換結晶７４に入射し、その一部が５倍波に波長変換される。この第４波長変換結晶７４としては、ＢＢＯ，ＣＢＯ等が使用できる。この第４波長変換結晶７４から出射した第２基本波１３２の５倍波は、次式（３０）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列である。
［５ω０，５（ω０−（３／５）・Δω），・・・，５（ω０−（ｍ−１）・（３／５）・Δω）］                                                          （３０）
さて、このようにして、第１波長変換結晶７１から出射した第１基本波１３１の２倍波と、第４波長変換結晶７４から出射した第２基本波１３２の５倍波とが、図示しないダイクロイックミラーやフィルター等によりほぼ同軸上に重ね合わされた後、第５波長変換結晶７５に入射し、上述のように和周波発生により２倍波と５倍波の一部が７倍波に変換される。この第３実施例においても、第１レーザ光源部６２と第２レーザ光源部６３を構成するｍ番目のレーザ光源からの光は、それぞれが２倍波と５倍波で波長変換されたのちに第５波長変換結晶７５に同時入射するように構成されている。第５波長変換結晶７５としては、ＣＬＢＯ等が使用できる。この第５波長変換結晶５５から出射したレーザ光の７倍波は、次式（３１）に示すｍ個の周波数成分を有するパルス列となる。
［７ω０，７ω０−Δω，・・・，７ω０−（ｍ−１）Δω］        （３１）
そして、この第５波長変換結晶７５から出射した７倍波（パルス列）と、第１波長変換結晶７１を透過して図示しないダイクロイックミラー等によりほぼ同軸上に重ね合わされた後、第５波長変換結晶７５を透過した基本波は、第６波長変換結晶７６に入射し、その一部が８倍波に波長変換される。この第６波長変換結晶７６に対しても、７倍波と基本波のｍ番目のパルス光は同時に入射する。第６波長変換結晶７６としては、ＢＢＯ，ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＫＢＢＦ等が使用できる。この８倍波のパルス列は、次式（３２）に示されるように、基本周波数ω０の８倍の周波数から構成されている。この８倍波が第３実施例に係るレーザ光源装置６１から出射される。
［８ω０，８ω０，・・・，８ω０］                  （３２）
本実施例では、各々のレーザ光源から出射するＭ個の光波長間隔を一定間隔にしたが、ｍ番目の光同士が次式（３３）の関係を満たしていればよく必ずしも一定にする必要はない。
２・ｘｍ＋５・（３／５）・ｙｍ＋１・ｘｍ＝０        （３３）
（ｘ１、ｘ２・・・ｘＭ、ｙ１、ｙ２・・・ｙＭは式を満たす任意の数）
また、本実施例では、第１レーザ光源部及び第２レーザ光源部の１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数を基本周波数ω０に設定したが、（３３）の関係を満たしていれば、１番目のレーザ光源から出射するレーザ光の周波数も基本周波数から所定量ずれた周波数を設定してもよい。
さらに、本実施例では、第１レーザ光源部の基本周波数と第２レーザ光源部の基本周波数を同じに設定したが、（３３）の関係を満たしていれば、異なる基本周波数に設定してもよい。
以上のように、本第３実施例に係るレーザ光源装置６１によっても、第１実施例と同様にレーザ光の波長変換効率が高く、波長（１９３ｎｍ）の短いレーザ光を高出力で得ることができる。なお、この第３実施例に係るレーザ光源装置６１の場合、第１実施例における第３レーザ光源部２８及び第３ファイバアンプ部２９に相当する装置が必要ないため装置構成は簡単になる。
本実施例１〜３では、第１レーザ光源部の基本周波数と第２レーザ光源部の基本周波数を同じに設定したが、異なる基本周波数に設定してもよい。
【実施例４】  次に、第４実施例として、上述のレーザ光源装置１（２１，４１，６１）を用いて波長の短いレーザ光（例えば、１９３ｎｍのレーザ光）を発生させて利用する露光装置２００及びマスク検査装置３００について説明する。
まず、図１０を用いて露光措置２００について説明する。光リソグラフィ工程で用いられる露光装置２００は、原理的には写真製版と同じであり、フォトマスク（レチクル）上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板等の上に光学的に投影して転写する。上述のレーザ光源装置（第１実施例２１、第２実施例４１もしくは第３実施例６１）２０１は、照明光学系２０２、投影光学系２０５等を含む露光装置全体として一体に設けられている。このとき、照明光学系２０２を指示する架台にレーザ光源装置２０１を固定しても良いし、あるいはレーザ光源装置２０１を単独で架台に固定しても良い。但し、レーザ光源装置２０１に接続される電源等は別置きにしておくことが好ましい。
そして、レーザ光源装置２０１から出射したレーザ光は、照明光学系２０２により必要な投影面上での照度分布が均一となるように拡大投影され、集積回路の回路パターンが精密に描かれた石英マスク（石英レチクル）２０３上に走者される。レチクル２０３の回路パターンは、投影光学系２０５により所定の縮小倍率で縮小されフォトレジストの塗布された半導体ウエハ（例えば、シリコンウエハ）２０６に投影され、上述の回路パターンがウエハ２０６上に結像・転写される。
照明光学系２０２は、レチクル２０３のパターン面とほぼ共役な面内に配置され、かつレチクル２０３上での照明領域を規定する視野絞り、照明光学系２０２内でレチクル２０３のパターン面とほぼフーリエ変換の関係となる所定面上でのレーザ光の光量分布を規定する開口絞り、及び、開口絞りを出射するレーザ光をレチクル２０３に照射するコンデンサレンズ等を含む。このとき、所定面上でのレーザ光を、その光量分布を変更するために、互いに形状と大きさとの少なくとも一方が異なる複数の開口絞りをターレットに設け、レチクル２０３のパターンに応じて選択される複数の開口絞りの一つを照明光学系２０２の光路内に配置するようにしても良い。
また、レーザ光源装置２０１の波長変換光学系と視野絞りとの間にオプティカルインテグレータ（ホモジナイザ）を配置しても良く、フライアイレンズを用いるときはその出射側焦点面がレチクル２０３のパターン面とほぼフーリエ変換の関係となるように配置し、ロッドインテグレータを用いるときはその出射面がレチクル２０３のパターン面とほぼ共役となるように配置すれば良い。
なお、露光装置２００の露光開始シャッタとしては、電気光学変調素子や音響光学変調素子を用いることができる。電気光学変調素子あるいは音響光学変調素子をオフの状態、すなわち、パルスを発生しない（内部損失が大の）状態からオンの状態、すなわち、パルスを発生する（パルス状に内部損失が小となる）状態に切り替えて露光を開始する。
半導体ウエハ２０６は、駆動機構２０８を具備するステージ２０７上に載置され、一回の露光が完了する度にステージ２０７を移動することにより、半導体ウエハ２０６上の異なる位置に回路パターンが転写される。このようなステージの駆動、露光方式をステップ・アンド・リピート方式という。ステージ２０７の駆動、露光方式にはこの他に、レチクル２０３を支持する支持部材２０４にも駆動機構を設け、レチクル２０３と半導体ウエハ２０６とを同期移動して走査露光を行うステップ・アンド・スキャン方式があるが、この方式についても、この露光装置２００に適用することができる。
次に、図１１を用いてマスク検査装置３００について説明する。半導体デバイスの微細化が進む中、上述のように１９３ｎｍのレーザ光が用いられるようになってきているが、これに伴い、位相シフトマスクの欠陥検査も重要となってきている。位相シフトマスクはガラスと遮光部の透過位置を１８０°ずらし、光の干渉効果を利用して微細パターンを解像するマスク（例えば、上述のレチクル２０３）である。この位相シフトマスクにおいて、遮光部を半透明膜にしたハーフトーンマスクが多く利用されているが、このハーフトーンマスクは、従来のクロムマスクと異なり、露光波長で高いコントラストが得られるように膜の透過率と位相が決められている。このため、マスク上の微小ピンホール欠陥の信号を検出するには、検査光源の波長を露光波長と同一にすることが有効であり、この検査光源に上述のレーザ光源装置２１，４１を用いることができる。
それでは、このマスク検査装置３００の構成について説明する。マスク検査装置３００は、上述のレーザ光源装置２１，４１，６１が用いられレーザ光を放射する検査光源（レーザ光源装置）３０１、レーザ光源装置３０１から放射されたレーザ光をマスク３０３に照射する照明光学系３０２、マスク３０３を透過したレーザ光を集光して結像する結像光学系３０４及びこの結像光学系３０４で結像された像を検出するＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  ａｎｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）センサ３０５から構成される。
照明光学系３０２は、レーザ光源装置３０１側から順に、エキスパンダレンズ３０６、フライアイレンズ３０７、回転位相板３０８及びコンデンサレンズ３０９が並んで配設されている。レーザ光源装置３０１から放射されたレーザ光はエキスパンダレンズ３０６で拡大された後、フライアイレンズ３０７でＮ×Ｎ（Ｎ：自然数）に分割されて回転位相板３０８に照射される。この回転位相板３０８は、ガラスを円板状に加工したもので、マスク検査装置３００の光軸に直交してこの光軸を遮るように配設されており、円板の中心を軸に回転するように構成されている。この円板の表面全体には、深さの異なる小さなピットが多数彫られている。このピットは透過する光の位相を９０°、１８０°、２７０°ずらすようにガラスに彫り込まれている。そのため、フライアイレンズ３０７で分割されたレーザ光の位相を、回転位相板３０８を回転させてピットを透過させることによりランダムに変化させることができる。この回転位相板３０８を透過したレーザ光はコンデンサレンズ３０９で集光されてマスク３０３に照明光として照射される。
マスク３０３を透過した照明光はマスク３０３側から順に並んだ対物レンズ３１０及び結像レンズ３１１からなる結像光学系３０４でＴＤＩセンサ３０５の撮像面に結像される。なお、上述のように、回転位相板３０８を回転させてマスク３０３に照射される照明光の位相をランダムにずらしているため、蓄積型のＴＤＩセンサ３０５で平均化することにより、干渉による照明強度むらを低減させて、鮮明なマスク３０３の画像を得ることができ、マスク３０３上にできた微小ピンホール欠陥も撮像することができる。
以上のように、本実施例で述べたレーザ光源装置１（２１，４１，６１）を用いることにより、波長の短く、且つ、高出力のレーザ光を得ることができるため、半導体デバイスの高集積化のための露光装置２００やマスク検査装置３００を実現することができる。
【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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【図８】
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【図９】
2005085947.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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