(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長のレーザ光を発する一つ以上のレーザ光源と、
上記レーザ光源からのレーザ光を結合、共振させる光共振器とを備え、
上記光共振器は、二つ以上の反射鏡と、レーザ光の波長を変換する位相整合のとれた非線形光学結晶素子とを備えるとともに、該光共振器の基本モード（ＴＥＭ００モード）の共振周波数と、該光共振器の横高次モード（ＴＥＭｍｎモード、ｍ，ｎはそれぞれ０又は正の整数でｍ＋ｎ≧１のモード）の共振周波数であって、上記基本モードの共振周波数に対する４次までの上記横高次モード（上記ＴＥＭｍｎにおいてｍ＋ｎ≦４のモード）の共振周波数の全てが、該光共振器の縦モード間隔の絶対値の１５／Ｆ（Ｆは光共振器のフィネス）以上、ＴＥＭ００モードの共振周波数から離れた値となるように構成されることを特徴とするレーザ光発生装置。
【請求項２】
上記レーザ光が上記光共振器内で共振するように光共振器を制御する光共振器制御手段が備えられ、上記光共振器は、上記基本モードの共振周波数と、上記横高次モードの共振周波数とが重ならないように上記光共振器制御手段により制御されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生装置。
【請求項３】
上記光共振器制御手段は、上記光共振器の光路長を伸縮させる光路長調整手段であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ光発生装置。
【請求項４】
上記光共振器は、該光共振器の横高次モード（ＴＥＭｍｎモード、ｍ，ｎはそれぞれ０又は正の整数でｍ＋ｎ≧１のモード）のうちのｍ＋ｎ＞４のモードをアパーチャによって抑制するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光源からのレーザ光を、レーザ光源の外部に配された光共振器によって強めるとともに、この光共振器内に配された非線形光学結晶素子によって波長変換した上で出力するレーザ光発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、高効率なレーザ光発生装置として、レーザ光源からのレーザ光を、該レーザ光源の外部に配された光共振器に結合、共振させることによって強めるとともに、この光共振器の光路中に配された非線形光学結晶素子によって波長変換して出力するタイプのレーザ光発生装置が存在する。
【０００３】
かかるレーザ光発生装置としては、単数のレーザ光源からの入力レーザ光をその２倍の周波数を持つレーザ光に波長変換して出力するタイプ（共振型第二高調波発生）のもの、或いは２つ以上のレーザ光源からの各入力レーザ光を各々の周波数の和の周波数または差の周波数を持つレーザ光に波長変換して出力するタイプ（２重共振型和周波混合）のものが一般に知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のレーザ光発生装置は、上記共振型第二高調波発生のタイプとして、例えばレーザ光源から出力される波長５３２ｎｍの入力レーザ光を光共振器で共振させ、かかる光共振器の光路中に配置した非線形光学結晶素子によって入力レーザ光を、その２倍の周波数にあたる１／２波長に波長変換し、波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光を出力光として得るものが知られている。
【０００５】
また、従来のレーザ光発生装置は、上記２重共振型和周波混合のタイプとして、例えば第１のレーザ光源から出力される波長５３２ｎｍの入力レーザ光と、第２のレーザ光源から出力される波長１０６４ｎｍの入力レーザ光とを、光共振器で同時に共振させ、かかる光共振器の内部に配置した非線形光学結晶素子によって、各々の周波数の和の周波数にあたる波長３５５ｎｍの紫外線レーザ光を出力光として得るものが知られている。
【０００６】
しかしながら、これら従来のレーザ光発生装置は、上記いずれのタイプのものにおいても、その作動時に、以下に述べる出力光のパワー低下現象がしばしば発生するという問題点を有していた。
【０００７】
ここで、かかる問題点を解説するため、従来のレーザ光発生装置の一構成例を図３を用いて説明する。図３に示すレーザ光発生装置１０１は、上記共振型第二高調波発生のタイプのものであり、レーザ光源１０２から出力される波長５３２ｎｍの入力レーザ光を光共振器１０３で結合、共振させ、かかる光共振器１０３の内部の光路中に配置した非線形光学結晶素子１０４によってかかる波長５３２ｎｍの入力レーザ光を、その２倍の周波数にあたる１／２波長に波長変換し、波長２６６ｎｍの紫外線レーザ光を出力するものである。
【０００８】
かかるレーザ光発生装置１０１において、光共振器１０３は、４つのミラーＭ１乃至Ｍ４と、上記レーザ光源１０２からの入力レーザ光を非線形波長変換する非線形光学結晶素子１０４とを有している。ここで、ミラーＭ１は、入力結合鏡と呼ばれる半透鏡であり、インピーダンス整合をほぼ満たすよう構成されている。なお、入力結合鏡は、一般に９８％〜９９.５％程度の反射率を有するものが用いられる。一方、ミラーＭ２乃至Ｍ４は、漏れが０．０５％以下の高反射鏡となっている。
【０００９】
また、上記ミラーＭ１及びミラーＭ２は平面鏡であり、相互に約１０２ｍｍ隔てて配置されている。一方、ミラーＭ３及びミラーＭ４は、それぞれ曲率半径が５０ｍｍの凹面鏡となっており、相互に約５４ｍｍ隔てて配置されている。そして、光共振器１０３では、上記各ミラーＭ１乃至Ｍ４に対する入力レーザ光の入射角がそれぞれ１０度となるように各ミラーＭ１乃至Ｍ４の角度が設定されている。
【００１０】
さらに、この光共振器１０３では、非線形光学結晶素子１０４として、βホウ酸バリウム結晶（ＢＢＯ）が用いられている。光共振器１０３では、この非線形光学結晶素子１０４が上述した凹面鏡であるミラーＭ３及びミラーＭ４の光路間の所定位置に配されており、かかる凹面鏡によってフォーカシングされた入力レーザ光が非線形光学結晶素子１０４内を通過するように構成されている。光共振器１０３では、かかる構成とすることにより、後述する入力レーザ光の非線形波長変換の効率を向上させることができる。
【００１１】
なお、レーザ光発生装置１０１においては、光共振器１０３が入力レーザ光に対して共振条件を満たすように、具体的には光共振器１０３のラウンドトリップの光路長（共振器長）が入力レーザ光の波長の整数倍になるように精密に制御するための図示しない光路長制御手段が備えられている。
【００１２】
このような構成を有するレーザ光発生装置１０１において、レーザ光源１０２から出力された波長５３２ｎｍのレーザ光は、入力結合鏡であるミラーＭ１に到達してこれを透過することにより光共振器１０３内に入射され、次いでミラーＭ２に到達してミラーＭ４の方向に反射される。そして、このレーザ光は、ミラーＭ４に到達、反射して非線形光学結晶素子１０４を通過することにより非線形波長変換され、波長が２６６ｎｍに変わる。さらに、このレーザ光は、ミラーＭ３を反射してミラーＭ１に到達、反射して再び光共振器１０３内の光路を循環する。
【００１３】
レーザ光発生装置１０１では、レーザ光源１０２からの入力レーザ光がこのように光共振器１０３内を循環するとともに、レーザ光源１０２からレーザ光が常時入力されて上記循環するレーザ光と入力結合鏡Ｍ１で同一位相にて結合されることにより、光共振器１０３内部のレーザ光のパワーが上昇される。一方で、レーザ光発生装置１０１では、各ミラーＭ２乃至Ｍ４が有限の反射率を有しており、レーザ光の所定の漏れが生ずることから、例えばミラーＭ３が出力鏡とされ、このミラーＭ３から波長２６６ｎｍのレーザ光が取り出されて出力されることになる。
【００１４】
このレーザ光発生装置１０１は、上記光路長制御手段の制御により光共振器１０３の共振条件が満たされた状態では、光共振器１０３の内部の光パワーが入力のパワーに対して５０倍乃至数百倍に強められることになる。
【００１５】
また、レーザ光発生装置１０１は、光共振器１０３の共振条件が満たされた状態において、凹面鏡であるミラーＭ４により光がフォーカスされた非線形光学結晶素子１０４中の光密度が１０ＭＷ／ｃｍ2に達し、時としてこれを超える。レーザ光発生装置１０１では、この高い光密度を有効に利用することにより、これまで最高出力として１.５Ｗのパワーが得られている。
【００１６】
なお、光共振器の外部に配するレーザ光源を、波長５３２ｎｍの入力レーザ光を出力する第１のレーザ光源と波長１０６４ｎｍの入力レーザ光を出力する第２のレーザ光源の２つとし、光共振器でこれら各入力レーザ光を同時に共振させることとすれば、上記２重共振型和周波混合のタイプのレーザ光発生装置の構成となる。
【００１７】
かかる２重共振型和周波混合のタイプのレーザ光発生装置によれば、光共振器の２重共振条件が満たされた状態において、各入力レーザ光が光共振器内部の非線形光学結晶素子により各々の入力レーザ光の周波数の和の周波数にあたる波長３５５ｎｍの紫外線レーザ光に波長変換され、かかる紫外線レーザ光が出力鏡から取り出されて出力されることになる。そして、この２重共振型和周波混合のタイプのレーザ光発生装置では、これまで最高出力として０．６６Ｗのパワーが得られている。
【００１８】
しかしながら、これら従来のレーザ光発生装置では、該装置作動後の一定時間経過後に、出力光のパワーが低下してしまう現象が頻繁に生じていた。この出力光のパワー低下現象は、光共振器内部を循環するレーザ光のビームパターンに変化が起こり、これに伴って発生するものであった。
【００１９】
具体的には、従来のレーザ光発生装置においては、光共振器内に入射されたレーザ光のビームパターンにしばしば変化が見られ、かかる変化前の状態の共振器基本モードであるＴＥＭ00モードと空間的にモードマッチされたレーザ光源からの入力レーザ光との結合が悪化し、結果的に光共振器から出力される紫外光のパワーが数分で低下してしまう、という問題を有していた。
【００２０】
レーザ光発生装置におけるこのビームパターンの変化現象は、その原因が正確には解明されていなかった。そして、レーザ光発生装置におけるこのビームパターンの変化現象は、光共振器内に配される非線形光学結晶素子のサンプルによって、発生するケースと発生しないケースとがあったことから、現状では非線形光学結晶素子の結晶内部に起因する現象ということしか分かっていない。そして、このビームパターン変化の原因に関しては、「非線形光学結晶素子のダメージから引き起こされる、共振器固有モードに対する『収差』効果である。」と一般に考えられてきた。
【００２１】
以下に、上述した従来のレーザ光発生装置１０１におけるビームパターンの変化現象の概要について説明する。
【００２２】
レーザ光発生装置１０１では、上述のように、光共振器１０３における各ミラーＭ２乃至Ｍ４が有限の透過率を持つ。この透過率は、一般に０.０５％以下と小さい値であるが、光共振器１０３が共振している状態では内部のパワーが高いので、図３に示すように、これら各ミラーから透過してくるリーク（ｌｅａｋ）、すなわち漏れ光を種々の方法により観察することが可能である。そして、レーザ光発生装置１０１では、この漏れ光を観察することで、光共振器１０３内のビームパターンを検出することができる。
【００２３】
本発明者は、上記構成を有するレーザ光発生装置１０１を用いて光共振器１０３内のビームパターンを検出する実験を行ったところ、かかるレーザ光発生装置１０１を作動させた後の数分間で、光共振器１０３内のビームパターンが図４の（Ａ）乃至（Ｉ）に示すように順次変化してゆき、これに伴って出力光のパワーが低下する現象が観察された。
【００２４】
本発明者は、このビームパターンの変化が生じるときの光共振器１０３の横モード間隔を算出した。また、本発明者は、上記光路長制御手段を作動させ、光共振器１０３の共振器長を変化させることにより、この横モード間隔を変えてビームパターンの変化を観察したことより、このパターンが光共振器１０３の固有モードのうちの、基本モード（ＴＥＭ00モード）と横高次モード（ＴＥＭmnモード、ここでｍ，ｎはそれぞれ０又は正の整数であり、ｍ＋ｎ≧１と表現される。）との重ね合わせであることを確認した。
【００２５】
具体的には、図４に示すこれら９つのビームパターンは、光共振器１０３の基本モード（ＴＥＭ00モード）と、３次の横高次モードの一つであるHermite-gaussianモード（ＴＥＭ12モード）との重ね合わせによって得られるものであることが判明した。さらに具体的には、これらのビームパターンは、時間の経過につれて上記ＴＥＭ12モードの含まれる割合が、ビームパワーにして５％から４５％にまで増大してゆくことが判明した。
【００２６】
周知のように、上記ＴＥＭ00モードとＴＥＭ12モードとでは、その共振周波数が異なる。したがって、レーザ光発生装置１０１においては、光共振器１０３の共振器長を上記ＴＥＭ00モードが出現するよう設定している限り、上記ＴＥＭ12モードが同時には出現しないはずであるが、光共振器１０３内でそれらが同時に出現し、この結果出力光のパワー低下が生じている以上、この現象が生じる原因を解明し、かかる現象を避ける手段を講じる必要がある。
【００２７】
しかしながら、本発明者が上述の現象について観察を続けた結果、このビームパターンの変化には、図４に示すように規則性があること、また、光共振器１０３内の非線形光学結晶素子１０４の結晶の方向を１８０度替えると、図５（図５（Ａ）に対する（Ｂ））に示すように、ビームパターンの変化の現れ方もまた１８０度反転するということが明らかになった。
【００２８】
以上の観察により、本発明者は、このビームパターンの変化の原因がフォトリフラクティブ効果、すなわち、入力レーザ光が非線形光学結晶素子１０４であるＢＢＯに入射する際に、その入射強度によって、当該ＢＢＯの屈折率が変化する現象によるものであるとの確信を得るに至った。
【００２９】
本発明は、上述の問題点を解決するために提案されたものであって、光共振器内部のビームパターンの変化を最小限に抑えることにより出力光パワーの低下を防止し、安定した出力を長時間維持することのできるレーザ光発生装置を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るレーザ光発生装置は、所定波長のレーザ光を発する一つ以上のレーザ光源と、上記レーザ光源からのレーザ光を結合、共振させる光共振器とを備え、上記光共振器は、二つ以上の反射鏡と、レーザ光の波長を変換する位相整合のとれた非線形光学結晶素子とを備えるとともに、該光共振器の基本モード（ＴＥＭ００モード）の共振周波数と、該光共振器の横高次モード（ＴＥＭｍｎモード、ｍ，ｎはそれぞれ０又は正の整数でｍ＋ｎ≧１のモード）の共振周波数であって、上記基本モードの共振周波数に対する４次までの上記横高次モード（上記ＴＥＭｍｎにおいてｍ＋ｎ≦４のモード）の共振周波数の全てが、該光共振器の縦モード間隔の絶対値の１５／Ｆ（Ｆは光共振器のフィネス）以上、ＴＥＭ００モードの共振周波数から離れた値となるように構成される。
【００３１】
レーザ光発生装置は、光共振器の基本モードの共振周波数と、横高次モードの共振周波数とが相互に重ならないようにしたので、共振器内部の非線形光学結晶素子のフォトリフラクティブ効果によるビームパターンの変化を最小限に抑えることにより出力光パワーの低下を防止し、安定した出力を長時間維持することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用したレーザ光発生装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
まず、レーザ光発生装置における光共振器で用いられる用語の概念等について明らかにしながら、本発明に係るレーザ光発生装置の構成の概要を説明する。
【００３４】
まず、上記横モード間隔のメカニズムについて簡単に説明する。一般に、光ビームがフォーカスされ、スポットに集束し、そして発散するときには、Ｇｏｕｙシフトと呼ばれる位相の変化（位相シフト）が発生する。図３で示した従来のレーザ光発生装置１０１においても、その光共振器１０３のミラーＭ３及びミラーＭ４が凹面鏡であり、これら各凹面鏡の光路間に配置された非線形光学結晶素子１０４に対し、ミラーＭ４からのフォーカスされた光ビームが透過されかつこの光ビームがミラーＭ３に向かって発散してゆくことから、この光共振器１０３において上記Ｇｏｕｙシフトが当然に発生することとなる。
【００３５】
一方、光共振器の固有モードのうちの上記横高次モード（ＴＥＭmnモード）においては、一般に基本モード（ＴＥＭ00モード）とは異なる位相シフトが生じる。
【００３６】
具体的には、
Δφmn＝ｍφH＋ｎφV    ・・・・（式１）
なる横高次モード特有の位相シフトΔφmnが生じる。ここに、上記式１の左辺及び右辺におけるｍ，ｎは、光軸と直交する方向の横モードの次数であり、ＴＥＭmnモードのｍ，ｎに対応する。そして、ここでは便宜的に、ｍを水平方向の次数、ｎを垂直方向の次数としている。また、φH及びφVは、各々水平方向、垂直方向のモード間隔である。なお、この式から、基本モードであるＴＥＭ00モードについては、ｍ及びｎが０となることから、かかる位相シフトΔφmnはＴＥＭ00モードのそれに対するシフト量であることが確認される。
【００３７】
一般に、光共振器の共振周波数はラウンドトリップでの位相シフトが２πの丁度整数倍になっているときであるから、上式において、もし位相シフトΔφmnが２πの丁度整数倍であれば、ＴＥＭ00モードとＴＥＭmnモードの共振条件が相互に同じになってしまう。したがって、この場合は、ＴＥＭ00モードが共振しているときに、わずかな励起効率でもＴＥＭmnモードが共振してしまうことになる。
【００３８】
一方、一般にレーザ光発生装置では、光共振器の光路のラウンドトリップ、すなわち一周の近軸光の伝搬行列が定義可能である。すなわち、光共振器においては、入射時のビームと上記１ラウンドトリップ後のビームとが同じ波面となることが光共振器内で各種固有モードを発生、維持させるための必要十分条件となるので、光共振器のラウンドトリップの伝搬行列の固有ベクトルを求めることでかかる固有モードを特定することが可能となる。そして、上述のＧｏｕｙ位相シフトは、このラウンドトリップの伝搬行列の二つのパラメータから以下のように求めることができる。
【００３９】
すなわち、Ｇｏｕｙ位相シフトは、
伝搬行列を
【００４０】
【数１】
0003831993.tif 000002
【００４１】
としたときに、
COS-1（（Ａ＋Ｄ）／２）    ・・・・（式２）
と表される。
【００４２】
なお、レーザ光発生装置において、一般に光共振器の光軸を含む平面に垂直な方向と水平な方向とでは、非線形光学結晶素子の両端側に配される球面（凹面）ミラーの実効的な焦点距離が変わってくる。このため、レーザ光発生装置において、光共振器の光軸を含む平面に垂直な方向と水平な方向とでは、結果的に伝搬行列も異なり、その結果上記式２から算出されるＧｏｕｙ位相シフトも異なることになる。
【００４３】
本発明者は、各種実験等を行った結果、レーザ光発生装置において、上述した式１の位相シフトΔφmnが２πの整数倍であるときに上記基本モードと横高次モードとの共振条件が重なり、紫外光の出力の急速な低下が引き起こされることを確認した。
【００４４】
従って、本発明のレーザ光発生装置においては、この位相シフトΔφmnが２πの整数倍近くとならないように光共振器を構成することで上記出力光のパワー低下の解決を図るものである。
【００４５】
もっとも、現実には、全ての整数ｍおよびｎに対して２πの整数倍近くとならないようにすることは不可能である。また、実際には、大きなｍまたはｎ、すなわち高次の横モードに関しては、光共振器の有限な開口径等によって共振が制限されるのであまり問題とならず、比較的小さいｍおよびｎ、すなわち比較的低次の横モードに関しての共振周波数の重なり（縮退）を解くことがむしろ重要となる。
【００４６】
本発明者は、実際にレーザ光発生装置における光共振器を設計し、これに対して各横高次モードの位相シフトΔφmnを計算し、この位相シフトΔφmnを２πで割った剰余における少数点以下の値を評価する、という形で実験を行った。この評価は、上記少数点以下の値がどのくらい１に近いか（または０に近いか）について、光共振器の共振器幅から考慮する。
【００４７】
以下に示す実施の形態においては、レーザ光発生装置における光共振器について、そのフィネスを実用的な値である約３００と仮定している。従って、光共振器における共振器幅は、片側（半幅）で縦モード間隔（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ；ＦＳＲ）の約π／３００として仮定していることになる。
【００４８】
これに対して本発明者は、ある程度の余裕をみて、この共振器幅の５倍程度、すなわち上記縦モード間隔（ＦＳＲ）の±１５／３００程度離れていることが望ましいものと考えた。これは、レアケースではあるが、上記共振器幅（ＦＳＲの約π／３００）の３倍以上離れた光共振器であっても、基本モードに対する横高次モードの共振が発生した例が観察されたからである。
【００４９】
このことから、以下に示す実施の形態では、レーザ光発生装置を構成する光共振器のフィネスが約３００となっており、それゆえ横高次モードの上記位相シフトΔφmnを２πで割った少数点以下の部分が０．０５と０．９５との間に入っていることが目安となる。
【００５０】
本実施の形態におけるレーザ光発生装置１は、レーザ光源からのレーザ光を、レーザ光源の外部に配された光共振器によって強めるとともに、この光共振器内に配された非線形光学結晶素子によって波長変換するものであり、図１に示すように、所定波長のレーザ光を発する少なくとも１つのレーザ光源２と、このレーザ光源２からの入力レーザ光を結合、共振させる光共振器３と、この光共振器３の共振器長を調整するための図示しないミラー位置決め装置とを備えている。
【００５１】
レーザ光源２は、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射するものである。この実施の形態では、レーザ光源が１つとなっており、レーザ光発生装置１がいわゆる共振型第二高調波発生のタイプとなっているが、本発明ではこれに限定されるものではなく、後述のように、レーザ光源を複数として、レーザ光発生装置１をいわゆる２重共振型和周波混合のタイプとしてもよい。
【００５２】
光共振器３は、４枚の反射鏡からなるいわゆるｂｏｗ−ｔｉｅ型光共振器であり、４つのミラーＭ１乃至Ｍ４と、上記レーザ光源２からの入力レーザ光を非線形波長変換する非線形光学結晶素子４を有している。ここで、光共振器３では、ミラーＭ１及びミラーＭ２を曲率半径が無限大の平面鏡とし、ミラーＭ３及びミラーＭ４を曲率半径が５０ｍｍの凹面鏡とし、各ミラーに対するレーザ光の入射角がいずれも１０°になるように設定した。
【００５３】
ミラーＭ１は、入力結合鏡と呼ばれる半透鏡であり、インピーダンス整合をほぼ満たすよう構成されている。なお、ミラーＭ１は、この実施の形態では、入力結合鏡として約９９％の反射率を有する平面鏡を用いることとした。
【００５４】
一方、ミラーＭ２乃至Ｍ４は、漏れが０．０５％以下の高反射鏡となっており、光共振器３では、このうちミラーＭ３から出力光が取り出されるように構成されている。
【００５５】
光共振器３では、上記入力結合鏡であるミラーＭ１からミラーＭ２までの光路長Ｗ1と、かかるミラーＭ２からミラーＭ４までの光路長Ｗ2と、上記ミラーＭ１からミラーＭ３までの光路長Ｗ3とを足し合わせた長さが２３０ｍｍとなる（Ｗ1＋Ｗ2＋Ｗ3＝２３０ｍｍ）ように各ミラー同士の間隔が設定されている。
【００５６】
また、光共振器３では、ミラーＭ３及びミラーＭ４が上記ミラー位置決め装置と接続されている。光共振器３では、ミラーＭ３及びミラーＭ４が該ミラー位置決め装置により図１に示すＡＢ方向に同時に同じ量（距離）だけ移動させられ、これにより、ミラーＭ３とミラーＭ４間の光路長Ｗ4が５３ｍｍから約６０ｍｍまで変化させることが出来るようになっている。
【００５７】
レーザ光発生装置１では、このミラー位置決め装置が上記ミラーＭ３及びミラーＭ４を図１に示すＡＢ方向に双方同じ量（距離）だけ移動させることによって光共振器３のアラインメントが保たれるようになっている。なお、レーザ光発生装置１では、上記光路長Ｗ4が上述のように変化されることに伴い、その副次的な効果として、光共振器３の横モード間隔が変化することになる。
【００５８】
そして、光共振器３では、上記非線形光学結晶素子４がこの２つの凹面鏡であるミラーＭ３及びミラーＭ４間の光路中に配されている。この非線形光学結晶素子４は、非線形波長変換を行うためのものであり、この実施の形態では位相整合のとれた長さ３ｍｍのβホウ酸バリウム結晶（ＢＢＯ）を用いることとした。光共振器３では、上述した凹面鏡であるミラーＭ４によってフォーカシングされた入力レーザ光が非線形光学結晶素子４内を通過するように構成されており、かかる構成とすることにより後述する入力レーザ光の非線形波長変換の効率を向上させることができる。
【００５９】
以上のような共振器３においては、その全損失（入力結合等を含む）を２％程度と仮定すると、そのフィネスが約３００程度となる。
【００６０】
このような構成を有するレーザ光発生装置１において、レーザ光源２から出力された波長５３２ｎｍのレーザ光は、入力結合鏡であるミラーＭ１に到達してこれを透過することにより光共振器３内に入射され、次いでミラーＭ２に到達してミラーＭ４の方向に反射される。そして、このレーザ光は、ミラーＭ４に到達、反射して非線形光学結晶素子４を通過することにより非線形波長変換され、波長が２６６ｎｍに変わる。さらに、このレーザ光は、ミラーＭ３を反射してミラーＭ１に到達、反射して再び上記光路を循環する。
【００６１】
レーザ光発生装置１では、レーザ光源２からの入力レーザ光がこのように光共振器３内を循環するとともに、レーザ光源２からレーザ光が常時入力されて上記循環するレーザ光と入力結合鏡Ｍ１で同一位相にて結合されることにより、光共振器３内部のレーザ光の出力が上昇される。そして、レーザ光発生装置１では、有限の反射率を有するミラーＭ３からかかる光共振器３内で出力上昇されたレーザ光の所定の漏れが生じ、このミラーＭ３から波長２６６ｎｍのレーザ光が取り出されて出力されることになる。
【００６２】
本発明者は、以上のような構成を有するレーザ光発生装置１において、上記ミラー位置決め装置の操作により光共振器３の上記ミラーＭ３とミラーＭ４間の光路長Ｗ4を０．１ｍｍ刻みで変化させながら、レーザ光源２から出力される波長５３２ｎｍのレーザ光を光共振器３に入力させて、ビームパターンの変化及び出力光のパワー低下の有無を観察する実験を行った。
【００６３】
その結果、上記ミラーＭ３とミラーＭ４間の光路長Ｗ4＝５５ｍｍの時に上述したビームパターンの変化及び出力光のパワー低下現象がもっとも顕著に起こった。これに対し、Ｗ4＝５４．５ｍｍの時やＷ4＝５５．５ｍｍの時には、上記各現象が観察されなかった。
【００６４】
ここに、上記ミラーＭ３とミラーＭ４間の光路長Ｗ4とＴＥＭ12モードの間隔（相対値）との関係を示した図２に注目すると、Ｗ4＝５５ｍｍの場合に基本モード（ＴＥＭ00モード）と上記ＴＥＭ12モードとの横モード間隔が縮退することがわかる。なお、かかる図２において、横軸は上記ミラーＭ３とミラーＭ４間の光路長Ｗ4の値を表し、一方、縦軸はＴＥＭ12モードの間隔を２πで規格化した値を表している。すなわち、図２における縦軸の絶対値は、周波数間隔を上記縦モード間隔（ＦＳＲ）で規格化しているものと考えることができる。
【００６５】
そして、上述のように、Ｗ4＝５４．５ｍｍ，５５．５ｍｍでビームパターンの変化が起こりにくくなることから考えて、この光共振器３に関しては、横高次モードの共振周波数が縦モード間隔（ＦＳＲ）の５％程度以上、基本モード（ＴＥＭ00モード）の共振周波数から離れていることが必要といえる。この光共振器３のフィネス（Ｆ）が約３００程度であることを考えると、この幅は、ＦＳＲ×１５／Ｆ程度となる。
【００６６】
一方、本発明者は、他の実施の形態として、レーザ光源を複数とすることにより、レーザ光発生装置１をいわゆる２重共振型和周波混合のタイプとし、これに対してビームパターンの変化の有無を観察する実験をも行った。具体的には、図１に示す光共振器３及びミラー位置決め装置をそのまま用い、一方レーザ光源について図示しない波長５３２ｎｍのレーザ光とその２倍の１０６４ｎｍのレーザ光とによる２つのレーザ光源を用い、これら各レーザ光を上記光共振器３で同時に共振させ、３５５ｎｍのレーザ光をミラーＭ３から出力光として発生させるとともに、各ミラーからの漏れ光を検出することによりビームパターンの変化の有無を観察した。かかる実験においては、上記ミラーＭ３とＭ４間の光路長Ｗ4を微調整し、横モード間隔を変えることによって、０．４Ｗの紫外光パワーを１００時間以上維持させることが出来た。
【００６７】
なお、以上の実施の形態においては、ミラー位置決め装置によって光共振器３のミラーＭ３とミラーＭ４との間の光路長Ｗ4を調整することによって横モード間隔を変化させ、上記課題を解決するものとしたが、この発明にあってはこれに限定されるものではなく、光共振器の設計によって、この横モード間隔を変化させることにより、基本モードと横高次モードとの縮退、近接を回避することが出来る。かかる光共振器の設計において考慮されるパラメータとしては、各反射鏡の曲率半径、光路の長さ（すなわち各ミラー同士の間隔）、非線形光学結晶素子の結晶の長さ、かかる結晶の屈折率、各反射鏡に対するレーザ光の入射角があげられる。
【００６８】
したがって、本発明のレーザ光発生装置では、上記光共振器における各パラメータの調整を行うことにより、有限次までの横モードの縮退あるいは近接を設計上回避することが可能である。この設計においては、上述のように、比較的高次、具体的には５次（例えばＴＥＭ50モードやＴＥＭ41モード）程度以上の横高次モードは、光共振器の各ミラーのアパーチャなどによって必然的に抑制されるのであまり問題とはならず、むしろ４次以下の比較的低次の横高次モードを抑制するように構成することが必要となる。
【００６９】
【実施例】
次に、上述の各パラメータを変更した場合の上記光共振器３の他の設計例を示す。
【００７０】
各反射鏡の曲率半径、仕様
Ｍ１：平面鏡（入力結合鏡）
Ｍ２：平面鏡
Ｍ３：曲率半径５０ｍｍの凹面鏡（出力側）
Ｍ４：曲率半径５０ｍｍの凹面鏡
（各反射鏡Ｍ１乃至Ｍ４の配置は上記光共振器３と同じ）
光路の長さ（ミラー同士の間隔）
平面鏡Ｍ１と平面鏡Ｍ２との光路長Ｗ1 ：３５ｍｍ
凹面鏡Ｍ３と凹面鏡Ｍ４との光路長Ｗ4 ：６７ｍｍ
凹面鏡Ｍ３と凹面鏡Ｍ４との間に配される非線形光学結晶素子の仕様
種類：ＢＢＯ結晶
長さ：３ｍｍ
屈折率：１．６７
各反射鏡に対するレーザ光の入射角：各７．５度
このような構成の光共振器では、横モード周波数は８次、すなわちｍ＋ｎ≦８までの横高次モードが、基本モード（ＴＥＭ00モード）とのラウンドトリップでの位相シフト量につき、２πの整数倍から５％以上離れていることが確認された。
【００７１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、この発明に係るレーザ光発生装置は、光共振器における基本モードの共振周波数と、横高次モードの共振周波数とが重ならないようにしたので、共振器内部の非線形結晶のフォトリフラクティブ効果による出力光の低下を最小限に抑え、安定した出力を長時間維持することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光共振器の概要を示す構成図である。
【図２】光共振器の光路長と、ＴＥＭ12モードとの関係を実測して示した図である。
【図３】従来の光共振器の概要を示した構成図である。
【図４】光共振器内のビームパターンが経時的に変化する様子を表したレーザビーム漏れ光の投影図である。
【図５】非線形光学結晶素子の向きを１８０度変えた場合にビームパターンの形状が１８０度反転する様子を示した投影図である。
【符号の説明】
１  レーザ光発生装置、２  レーザ光源、３  光共振器、４  非線形光学結晶素子、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４  ミラー（反射鏡）
【図１】
0003831993.tif 000003
【図２】
0003831993.tif 000004
【図３】
0003831993.tif 000005
【図４】
0003831993.tif 000006
【図５】
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