(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二重高調波分割周波数レーザであって、
エネルギを出力する励起源と、
第１と第２のミラーと、
第１と第２の四分の一波長板であって、その第１の四分の一波長板が前記第１のミラーに隣接して配置され、前記第１と第２の四分の一波長板の高速軸が、レーザの光学軸のまわりで、ある調整角度だけ互いに対して回転し、前記第２の四分の一波長板が前記第２のミラーに隣接して配置されている、第１と第２の四分の一波長板と、
前記第１と第２の四分の一波長板の間に挿入され、前記励起源からのエネルギを受け取る、偏光に依存しない利得を有する非複屈折性の利得媒体と、
前記利得媒体に結合されて、レーザを第１と第２の基本周波数で発振させるべく動作する、モード制御素子であって、前記第１と第２の基本周波数間の分割を、前記第１と第２の四分の一波長板の高速軸間の角度により制御する、モード制御素子と、及び
前記第１の四分の一波長板と前記第１のミラーとの間に挿入される第１と第２の二倍化段であって、その第１の二倍化段が、前記第１の四分の一波長板の高速軸に対して、＋４５゜の異常軸を備え、前記第２の二倍化段が、前記第１の四分の一波長板の高速軸に対して、−４５゜の異常軸を備える、第１と第２の二倍化段とからなる、二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項２】
前記２つの二倍化段のうちの１つが、共線的に位相整合される少なくともＭ対の二倍化結晶を含み、Ｍが１より大きい、請求項１に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項３】
前記２つの二倍化結晶が、複屈折結晶である、請求項２に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項４】
前記Ｍ対の二倍化結晶のうちの１対が、
基本波ビームと第２高調波ビームとの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第１の二倍化結晶と、及び
基本波ビームと第２高調波ビームとの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第２の二倍化結晶とをさらに含む、請求項３に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項５】
前記二倍化結晶が、タイプ１の位相整合結晶である、請求項４に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項６】
前記２つの二倍化段のうちの１つが、タイプ１の位相整合結晶である、請求項１に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項７】
前記光学利得媒体が、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶である、請求項１に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項８】
前記利得媒体が、レーザ・ダイオードによって励起される、請求項７に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項９】
励起光が、軸方向の幾何学的配置で利得媒体へと結合される、請求項８に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１０】
前記タイプ１の位相整合二倍化段の１つが、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムの結晶である、請求項７に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１１】
前記タイプ１の位相整合二倍化結晶段の１つが、三ホウ酸リチウム結晶である、請求項７に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１２】
前記タイプ１の位相整合二倍化結晶段の１つが、Ｍ対の三ホウ酸リチウム結晶を含み、Ｍが１より大きい、請求項７に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１３】
前記光学利得媒体が、光ファイバ増幅器である、請求項１に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１４】
前記光学利得媒体が、レーザ・ダイオードによって励起される、請求項１３に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１５】
前記レーザ・ダイオードが、ダイクロイック・ファイバ・カップラを介して、前記利得媒体へと結合される、請求項１４に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【請求項１６】
前記光学利得媒体が、半導体光学増幅器である、請求項１に記載の二重高調波分割周波数レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、干渉計測の分野に関し、とりわけ、距離測定干渉計測の領域に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ・ビームに伴う干渉現象は、集積回路（ＩＣ）の製造に用いられるウェーハ・ステッパの制御におけるような、極めて正確な変位測定を行うために利用される。距離測定レーザ干渉計の場合、レーザ光源からの光は、２つのビームに分割される。基準ビームは、固定基準ミラーから反射され、一方、測定ビームは、移動測定ミラーから反射される。ビームは、波面が干渉する検出器において再結合される。結合される波面の光学強度は、基準光路と測定光路の光路長差によって決まる。光路長差の変化λ／ｍによって、干渉縞が生じるが、ここで、ｍは、ビーム分割器と測定ミラーの間を光が通過する回数である。結合された波面の光学強度の変化は、検出器によって電気信号に変換される。検出器の信号に処理を施し、信号の干渉縞をカウントすることによって、測定光路の光路長の全変化が、従って、測定ミラーの全位置変化が求められる。補間によって、λ／ｍをはるかに超える光路長測定の精度を得ることが可能である。
【０００３】
距離測定干渉計には、２つのタイプがあり、ＤＣとＡＣ干渉計である。ＤＣ干渉計の場合、レーザは、単一周波数で発光する。測定ミラーが移動する場合に限り、ドップラ効果のために、干渉信号が時間変化する。測定ミラーが固定されている場合、干渉信号は一定である。レーザ・パワー・ドリフト及び電子ノイズのような妨害は、とりわけ測定ミラーが固定されている場合、簡単に動き信号と誤解釈される可能性がある。ＡＣ干渉計の場合、レーザは、直交偏光を有する、２つの光学周波数の光を放出する。該周波数の光は、偏光依存ビーム・スプリッタによって分割され、一方は基準ミラーに進み、他方は測定ミラーに進む。従って、検出器は、測定ミラーが固定されている場合だけでなく、移動する場合も、ＡＣ信号を発生する。一定の信号よりも時間変化信号によってノイズを検出するほうが簡単である。従って、ＡＣ干渉計は、そのノイズを除去する優れた能力に起因して、ＤＣ干渉計よりも正確である。
【０００４】
Dukes 他による「１マイクロインチ目盛りの２００フィート物差し」と題して、１９７０年版ヒューレット・パッカード社ジャーナル、第２１冊、第２０３頁には、精密な距離測定を行うため、ＡＣ干渉計システムを用いた旨が記載されている。ＩＣを製造する場合、問題となる量は、幾何学長ｄである。レーザ干渉計は、光路長ｌを測定し、これは次式によってｄと関連づけられる。
【０００５】
【数１】
0003798127.tif 000002
【０００６】
ここで、ｎ（ｚ）は、位置の関数として表される周囲媒体（通常は空気）の屈折率であり、バーｎは、測定光路に沿って平均された値である。レーザ干渉計による測定は、空間的に一定であると仮定される、空気の屈折率に対して補正しなければならない。実際上、測定光路に沿った空気は、とりわけ、ステッパのウェーハ台を取り巻く領域において、乱流を生じる可能性がある。乱気流によって、ＩＣの機能サイズを縮小する際に、重大な位置測定エラーを生じる可能性がある。
【０００７】
空気の屈折率は、式２に示すように、空気の密度及び波長によって決まる。
【０００８】
ｎ（λ，ｒ）＝１＋α（λ）ρ（ｒ）                          （２）
α（λ）は、波長の関数として表された空気の屈折率である。量ρ（ｒ）は、位置の関数として表された局所的な空気密度である。光路長は、２つの離隔間隔の広い波長λ1及びλ2において測定される。この場合、屈折率は、分散に起因して異なる。これらの測定結果によって、幾何学的距離ｄと、測定経路にわたって平均化された空気密度バーρとが、式３ａ及び３ｂに示すように、関連づけられる。
【０００９】
0003798127.tif 000003
２つの波長における屈折率が既知の場合、幾何学的距離ｄは、次式のようになる。
【００１０】
【数２】
0003798127.tif 000004
【００１１】
干渉があると、式３ａ及び３ｂは、次のようになる。
【００１２】
【数３】
0003798127.tif 000005
【００１３】
ここで、Ｆ1及びＦ2は、それぞれ、波長λ1及びλ2の干渉信号に処理を加えることによって発生する縞カウントである。角括弧内の係数は、幾何学的長さの一次推定値を表している。精度を保証するには、波長λ1 が正確に分かっていなければならない。補正係数（曲がった括弧で示す）が正確であるためには、波長比λ1／λ2が正確に分かっていなければならない。１つの方法は、波長を高調波的に関連づけることである。例えば、λ2がλ1の第２高調波である場合、波長比は、２に全く等しい。
【００１４】
精密な距離測定を行うもう１つの方法は、３色法である。光路長は、３つの波長λm 、λc1、λc2において独立に測定される。測定波長λm は、ＨｅＮｅレーザから導出されて、正確に分かっている。補正波長λc1及びλc2は、高調波的に関連しており、Ｎｄ：ＹＡＧレーザから発生する。幾何学的距離は、次のように表すことができる。
【００１５】
【数４】
0003798127.tif 000006
【００１６】
従来技術による３色法の変形例の１つが、Ｌｉｓによる米国特許第5,404,222 号に開示されている。このシステムには、測定波長λm で動作するＨｅ−Ｎｅレーザ、及び波長λc1及びλc2で同じ測定光路にわたって動作するＮｄ：ＹＡＧ基本波及び第２高調波レーザが含まれている。２つの補正波長における測定光路の光路長の差は、次のように測定される。
【００１７】
【数５】
0003798127.tif 000007
【００１８】
式８のテイラー級数展開が、空気圧が１次まで、式１０に等しくなることは明らかである。このシステムは、コストが高く、必要な空間を浪費し、熱を発生する。この最後の２つの問題は、ステッパ・システムにおいて重大な問題である。さらに、非線形波長変換がレーザ空洞外で行われるので、第２高調波干渉計におけるＳ／Ｎ比が悪く、従って非効率的である。
【００１９】
Sommargrenによる米国特許第4,684,828 号には、単一周波数で直線偏光型のレーザ・ビームを用いて、２つの直交偏光周波数を備えた効率の高いビームを得る旨の記載がある。ＡＣ干渉計の場合、各波長毎に、数ＭＨｚの周波数分割が必要とされる。音響・光学的変調器（ＡＯＭ）によって、数十ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数偏移が生じる。周波数差によって所望の分割を得るには、各波長毎に、異なるＲＦ周波数で駆動される２つのＡＯＭを利用しなければならない。必要とされるコスト、スペース、及び光学・機械的複雑さは、大幅なものになる。
【００２０】
望まれるのは、各波長毎に直交偏光間で数ＭＨｚの周波数分割を行い、高調波的に関連した波長において２つのオーバラップするビームを同時に発生するレーザである。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、共に高い絶対精度で既知である２つの離隔間隔の広い波長において、２つのオーバラップ・ビームを発生する単一のレーザにより、乱気流補正付き距離測定干渉計用の理想光源を提供することにある。
【００２２】
各波長において、レーザは、０．５〜２０ＭＨｚの範囲にわたって調整可能な周波数分割を有する、１対の直交偏光周波数を発生して、各種の測定ミラー速度によるＡＣ干渉計測が容易になる。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザは、ツイスト・モード構成をとり、空洞内周波数を二倍にするために、２つの非線形結晶を含む。該２つの二倍化結晶段は、出力ミラーと第１の四分の一波長板の間に直列に配置される。利得媒体が、第１の四分の一波長板と第２の四分の一波長板の間に配置される。ミラーが、第２の四分の一波長板と結合光学素子の間に配置される。利得媒体は更に、励起源に結合される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１には、従来技術のツイスト・モード型レーザが示されている。２つの四分の一波長板（ＱＷＰ）が、その高速軸が角度ψだけオフセットするように、空洞の光学軸まわりを回転する。利得媒体が、十分な励起電力で駆動されて、その利得が空洞内損失に打ち勝つと、光学周波数が空洞の軸モード・スペクトルに一致するという条件で、レーザは、利得媒体の帯域幅内の多数波長で発振することが可能になる。レーザは、２組の軸モード周波数ν+q及びν-qを有する。
【００２５】
これらの周波数は、次式によって与えられる。
【００２６】
0003798127.tif 000008
【００２７】
ここで、ｑは整数、ｃは光の速度、及びＬは空洞の光路長である。光路長は、屈折率と、エア・スペースを含む空洞内における各素子の幾何学的長さとの積の和である。△νsplit 、すなわち、２組のモード間における分割は、２つのＱＷＰ間の角オフセット角度ψによって決まり、次式のようになる。。
【００２８】
△νsplit＝ν+q−ν-q＝（ｃ／２Ｌ)・(２ψ／π）            （１２）
分割は、ψ＝０゜の場合の０から、ψ＝４５゜の場合の最大値ｃ／４Ｌまで変えることができる。典型的な空洞長Ｌ＝１０ｃｍの場合、ｃ／２Ｌ＝１．５ＧＨｚとなる。１０ＭＨｚの周波数分割は、ψ＝０．６゜に設定することよって得られる。
【００２９】
Jones のマトリックス計算を利用すると、２組のモードの偏光が、互いに直交偏光されることが分かる。２つのＱＷＰ間の領域において、一方の組のモード（「＋」組）は、右に進む右円偏光（ｒｃｐ）及び左に進む左円偏光（ｌｃｐ）が施される。他方の組のモード（「−」組）は、右に進むｌｃｐ及び左に進むｒｃｐが施される。ＱＷＰと隣接するミラー間の領域において、２組のモードは、互いに対して９０゜の直線偏光、及び隣接ＱＷＰの高速軸に対して±４５゜の直線偏光が施される。
【００３０】
モード制御方法の１つは、一方の完全な組のモードを抑制し、また空間ホールバーニングを排除するために、ミラーの１つと隣接ＱＷＰの間に、直線偏光器を配置することである。残った組の各モードは、強度が均一であり、直線偏光が空間においてねじ曲げられる。
【００３１】
図２には、本発明のレーザ１０が示されている。２つの二倍化結晶段１２Ａ、１２Ｂが、第１のミラー１４と第１のＱＷＰ１６の間に直列に配置されている。利得媒体１８が、第１のＱＷＰ１６と第２のＱＷＰ２０の間に配置されている。第１の二倍化段１２Ａのｅ軸は、第２のＱＷＰ２０の高速軸に対して＋４５゜をなし、第２の二倍化段１２Ｂのｅ軸は、−４５゜をなしている。各ＱＷＰは、基本波長においてλ／４の遅延を有し、その高速軸は、互いに角度ψだけビーム軸まわりを回転する。励起源３０が、利得媒体１８にエネルギを結合する。モード・セレクタ２６が、第２のミラー２２と第１のＱＷＰ２０との間に配置されている。
【００３２】
モード・セレクタ２６は、エタロンが好適であるが、空洞内の任意の場所に配置することが可能である。モード選択によって、レーザは、固有の値ｑを備える、数ＭＨｚ（１〜１０ＭＨｚのオーダ）離隔した１対のモードν+q及びν-qで発振することが可能になり、同時に、数ＧＨｚ以上のオーダで離隔した他の全てのモード対を抑制する。この１対のモードは、基本周波数νf1及びνf2である。代替として、複屈折フィルタ及び回折格子を用いて、モード選択を行うことも可能である。レーザは、２つの基本周波数の第２高調波νsh1＝２νf1、及びνsh2＝νf2を発生しなければならない。第２高調波の発生は、二倍化結晶段を利用して、空洞内で周波数を二倍化することによって行われる。
【００３３】
第２のミラー２２は、基本波長における反射率が高い。基本波長における第１のミラー１４の特性によれば、光の大部分が帰還され（例えば、９８〜９９％の反射率）、またわずかな出力結合しか許されない（例えば、１〜２％の透過率）。第２高調波の波長において、第２のミラーの透過率は高い（例えば、＞８０％）。こうした分光特性が得られるように、多層誘電体コーティングを設計し、透明基板に堆積させるのは容易に実施可能である。波長の絶対精度を１０8 分の１のオーダに高めるため、いくつかの周知の飽和分光学的方法の１つを取り入れた波長安定化ループを、レーザに追加することが可能である。
【００３４】
第２光高調波の発生は、光学的な和周波数発生の特殊ケースである。比喩的に言えば、周波数ν1 の光子の１つと周波数ν2 の光子の１つが消滅し、同時に、周波数ν3 において光子が発生する。
【００３５】
ν3＝ν1＋ν2                                             （１３）
式１３は、この周波数変換プロセスに関するエネルギ保存を表すものである。この効果は、材料の極めて弱い非線形光学特性によって左右される。周波数ν3 で発生するビームの強度は、周波数ν1及びν2におけるビーム強度の積に比例し、次のようになる。
【００３６】
Ｉ(ν3）∝ｄＩ1(ν1)Ｉ2(ν2）                             （１４）
ここで、ｄは、非線形結晶の特性、ビームの伝搬方向及び偏向、及びその相互作用長によって決まる比例定数である。かなりの量のエネルギ変換には、少なくとも数ミリメートルの長さの非線形結晶において、強力な光学フィールドの相互作用が必要になる。さらに、和周波数発生プロセスは、式１５に示す位相整合の条件を満たさなければならない。
【００３７】
ｋ1＋ｋ2＝ｋ3                                             （１５）
ここで、ｋi は、相互作用するビームの光波ベクトルである。光波ベクトルの大きさは、次式によって光周波数と関連づけられる。
【００３８】
｜ｋi｜＝２πνiｎi／ｃ                                   （１６）
量ｎi は、非線形結晶内において周波数νi のビームが被る屈折率である。
【００３９】
式１５は、ベクトルの関係を表現している。ベクトルは、図３及び４に示すように、それぞれ、共線的または非共線的のいずれかで位相整合する。長い距離にわたってオーバラップした状態を保つには、厳密にビームの焦点が合わせられるので、共線的位相整合が望ましい。共線的な場合、位相整合条件は、次のようになる。
【００４０】
ν1ｎ1＋ν2ｎ2＝ν3ｎ3                                    （１７）
本発明は、特に、第２高調波の発生に関するものであるので、ν1＝ν2＝νf、及びν3＝νsh＝２νfとなる。等方性結晶の場合、式１７は、ｎf＝ｎsh になる。しかし、それに伴う周波数は、広く分離される。例えば、νf が近赤外領域の場合、νshは可視領域内にある。結晶は、これらの周波数において透明でなければならないので、その屈折率によって、通常の分散が示されることになり、それによって、等方性結晶内における位相整合が阻止される。
【００４１】
位相整合は、異方性の複屈折結晶で行うことができる。相互作用ビームの伝搬方向及び偏向を適正に選択すれば、複屈折を利用して、分散効果を厳密に補償し、それによって、位相整合条件を満たし、非線形変換効率を改善することが可能になる。
【００４２】
どんな結晶の屈折率特性も、３つの主たる屈折率ｎx、ｎy、及びｎz によって記述される。等方性結晶の場合、３つの主たる屈折率は全て等しい。等しくなければ、その結晶は複屈折性である。２つの主たる屈折率が等しい場合、その結晶は、一軸性と呼ばれる。３つの主たる屈折率が全て異なる値の場合、その結晶は、二軸性と呼ばれる。
【００４３】
光ビームの波面の伝搬は、位相速度ベクトルと群速度ベクトルによって記述される。波面の速度を表す位相速度ベクトルは、次式のようになる。
【００４４】
ｖp＝(２πν／ｋ2)・ｋ                                      （１８）
位相速度の大きさは、次の通りである。
【００４５】
｜ｖp｜＝ｃ／ｎ                                             （１９）
エネルギ流れの方向及び速度を表す群速度ベクトルは、次式のようになる。
【００４６】
ｖg＝２π▽kν（ｋ）                                        （２０）
等方性結晶の場合、ベクトルｖpとｖgは平行である。これは、一般に、ある特定の伝搬方向の場合を除いて、複屈折結晶のケースではない。光ビームの偏光状態は、光ビームが複屈折結晶を通って伝搬すると、保存されない。どの伝搬方向の場合にも、必ず、２つの直交方向の直線偏光（固有偏光）と、２つのそれぞれの屈折率（固有屈折率）が存在する。初期に、いずれかの固有偏光方向に対して平行な直線偏光となる入射ビームは、その偏光が結晶によって摂動を受けることなく、対応する固有屈折率を用いて式１９によって決まる位相速度で、伝搬する。
【００４７】
２つの固有偏光は、常偏光及び異常偏光と呼ばれ、対応する固有屈折率は、常屈折率ｎo 及び異常屈折率ｎe と呼ばれる場合が多い。常ビームの位相ベクトルと群速度ベクトルとは平行であるので、常ビームは、等方性結晶内に「通常に」あるかのように伝搬する。これに対し、異常ビームの位相ベクトルと群速度ベクトルは、一般に平行ではないので、「異常な」特性を示す。さらに、多くの結晶において、ｎo の値は、伝搬方向に左右されないが、これに対してｎe の値は、伝搬方向によって決まる。図５には、複屈折結晶内における特定の任意に選定された伝搬方向について、常固有偏光軸（ｏ）と異常固有偏光軸（ｅ）が示されている。
【００４８】
異常屈折率の方向依存性は、ｎe（θ、φ） で表され、ここで、θ及びφは、結晶軸のｚ主軸に対する伝搬方向の配向を示す。２つの固有屈折率に対応して、式１６によって与えられる、次の２つの波ベクトルの大きさが存在する。
【００４９】
0003798127.tif 000009
【００５０】
複屈折結晶の固有偏光状態を利用して、効率の良い第２高調波の発生を実現するのに必要な位相整合条件を満たすため、一般に用いられる技法が２つ存在し、すなわち、タイプ１及びタイプ２である。タイプ１の位相整合の場合は、基本ビーム及び第２高調波ビームは、直交偏光されるが、タイプ２の位相整合の場合、その偏光は直交しない。タイプ１の位相整合が望ましく、というのは、ｋ1及びｋ2基本ビームの偏光は、同じであり、常方向と異常方向のいずれかに向けられるのが望ましいが、発生する第２高調波ビームは、基本ビームに対して直交偏光（異常か常のどちらか）されるためである、例えば、負の複屈折（ｎo＞ｎe）を有する結晶の場合、位相整合の達成は、以下の式のような位相整合条件を満たすために、基本ビームに関しては常偏光を利用し、第２高調波ビームに関しては異常偏光を利用することによってなされる。
【００５１】
ｋo1＋ｋo2＝ｋe3（θ、φ）                                （２２）
式２２に記載のプロセスを、「ｏｏｅ」タイプ１位相整合と呼ぶ。結晶が、正の複屈折（ｎo＜ｎe）を有する場合、基本ビーム及び第２高調波の偏光は、以下の位相整合条件を満たすために、逆になる。
【００５２】
ｋe1（θ、φ）＋ｋe2（θ、φ）＝ｋo3                      （２３）
式２３に記載のプロセスを、「ｅｅｏ」タイプ１位相整合と呼ぶ。任意の特定の結晶に関して、これら２つのプロセスの一方（ｏｏｅまたはｅｅｏ）だけで、位相整合が生じることになる。その選定は、上記に示すように、複屈折の符号によって決まる。一方のプロセスから他方のプロセスへの切り換えは、波ベクトル方向まわりで基本偏光を９０゜回転させるだけで行われる。タイプ１位相整合に関する２つの偏光構成が、図６及び７に示されている。
【００５３】
本発明によれば、基本ビームの直交直線偏光に対する、空洞内タイプ１二倍化結晶対の固有偏光方向は、第２高調波周波数だけしか発生しないように方向決めされる。
【００５４】
図８には、図２に示す二倍化結晶段１２Ａ、１２Ｂが示されている。２つの二倍化結晶１２Ａ、１２Ｂは、基本ビーム光路に沿って前後に配置されている。二倍化結晶段１２Ａ、１２Ｂの各々には、１つ以上のタイプ１第２高調波結晶が含まれ、これは例えば、「ウォーク・オフ(walkoff）」を示す、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ3 ）、または三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）である。
【００５５】
結晶が、正の複屈折（ｅｅｏ位相整合）を有する場合、第１の結晶は、νsh1 ＝２νf1のビームを発生し、νf2のビームと、νf1及びνf2のビームの非変換部分を透過する。第２の結晶は、νsh2＝２νf2 のビームを発生し、νf1ビームの非変換部分及びνf2ビームの非変換部分と共に、νsh1 のビームを透過する。結晶が、負の複屈折（ｏｏｅ位相整合）を有する場合、第２高調波が発生する順序及びその偏光方向は、逆になる。図８には、フィールド偏光及び結晶配向の「ｅｅｏ」構成が示されている。
【００５６】
複屈折結晶の場合、異常ビームの群速度ベクトルｖgeは、結晶内における波ベクトルのある特定の方向を除くと、常ビームの群速度ベクトルｖgoに対して平行ではない。この非共線性によって、結晶光学素子に複屈折が生じる。常ビーム及び異常ビームは、結晶内部において角度が発散する。該ビームは、結晶を出る際に屈折を被ると、平行になるが、横方向にオフセットする。タイプ１高調波発生の場合、その効果は、結晶内において基本ビーム及び第２高調波ビームの角発散ρを生じさせ、これは「ウォーク・オフ」と呼ばれる。ウォーク・オフが生じると、出射する基本ビーム及び第２高調波ビームは、横方向にオフセットする。ウォーク・オフによって、ビームがオーバラップした状態に留まる距離が短くなるので、第２高調波の変換効率が低下する。
【００５７】
乱気流補償の場合、λf 及びλshのビームは、補償方式が最大に効果を発揮するように、同じ空気経路のサンプリングを行うので、横方向ビーム分離は望ましくない。１９９０年版Optics Communicationの第７６冊、第２５０−２５２頁のSamanta 他による「第２高調波出力電力の増強技法」と題する文献には、ウォーク・オフ方向は、図９に示すように、波ベクトル軸まわりにおいて、ｅ軸結晶を１８０゜回転させることによって逆にすることができる、と教示されている。ｅ軸を二倍化段１２Ａ、１２Ｂの一方に関して互いに１８０゜反転させた、長さＬ／２の二倍化結晶対を用いることによって、長さＬの単一結晶の場合に比べて、第２高調波電力が強くなり、基本ビームと第２高調波ビームの間の横方向分離を短くすることが可能になる。代替として、二倍化段に、一連の二倍化結晶対を含めることも可能である。
【００５８】
図１０には、図２の変形例である、本発明の第２実施例が示されている。利得媒体１８は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶であり、これは、偏光に依存しない利得を有し、空洞内ビーム方向に進む光に関して複屈折を生じないように配向される。Ｎｄ：ＹＡＧは、８０８ｎｍでのＮｄ：ＹＡＧの吸収帯域とその発光波長がオーバラップする励起レーザ・ダイオード３０によって、軸方向構成で光学的に励起される。励起光は、レンズ及びプリズムといったコンポーネントを含む結合光学系２４によって、第２のミラー、モード・セレクタ、及び第２のＱＷＰを介して、Ｎｄ：ＹＡＧへと合焦される。第２のミラー２２は、Ｎｄ：ＹＡＧの１０６４ｎｍの波長において反射率が高く、８０８ｎｍの励起波長において透過率が高い。
【００５９】
図１１には、図２の他の変形例である、本発明の第３実施例が示されている。ガラス繊維光学利得媒体が、利得媒体１８として機能する。ガラス繊維には、エルビウムまたはプラセオジムといったレーザ発光不純物がドープされている。他のドーパントを利用して、さまざまな基本波長を得ることも可能である。ガラス繊維利得媒体は、ドーパント材料の吸収バンドに適合する励起波長を備えたレーザ・ダイオード３０によって励起される。励起光は、結合光学系によってファイバ３２の断面へと合焦される。励起ファイバ３２は、ダイクロイック・ファイバ・カップラ３３によってファイバ増幅器に接続される。利得媒体は導波管であるので、第１と第２の空洞内レンズ３４Ａ、３４Ｂを用いて、基本波の光が、導波管内及び導波管外に結合される。
【００６０】
図１２には、図２の更に他の変形例である、本発明の第４実施例が示されている。利得媒体１８は、半導体光学増幅器であり、これは例えば、１９９３年版Progress in Opticsの第３１冊、第２０２頁のDutta による「光学増幅器」と題する文献に記載されているようなものである。導波管は、非複屈折であり、偏光に依存しない利得を有するように設計される。半導体光学増幅器は、両切開面に反射防止コーティングを施されたレーザ・ダイオードである。該レーザは、第１と第２の空洞内結合レンズ３２Ａ、３２Ｂを必要とする。半導体光学増幅器１８は、注入電流によって電気的に励起される。
【００６１】
以下に、本発明の実施態様を列挙する。
【００６２】
１．二重高調波分割周波数レーザにおいて、
励起源と、
第１と第２のミラーと、
第１と第２の四分の一波長板であって、該第１の四分の一波長板は、第１のミラーに隣接して配置され、第１と第２の四分の一波長板の高速軸が、レーザの光学軸のまわりで、ある調整角度だけ互いに相対して回転する、第１と第２の四分の一波長板と、
該第１と第２の四分の一波長板の間に挿入され、偏光に依存しない利得を有する、非複屈折性の利得媒体と、
該利得媒体に結合されて、レーザを第１と第２の基本周波数で発振させるべく動作する、モード制御素子であって、第１と第２の基本周波数間の分割を、第１と第２の四分の一波長板の高速軸間の角度により制御する、モード制御素子と、
第１の四分の一波長板と第１のミラーの間に挿入される第１と第２の二倍化段であって、第１の二倍化段は、第１の四分の一波長板の高速軸に対して、＋４５゜の異常軸を備え、第２の二倍化段は、第１の四分の一波長板の高速軸に対して、−４５゜の異常軸を備える、第１と第２の二倍化段と、
からなるレーザ。
【００６３】
２．前記２つの二倍化結晶段のうちの１つは、共線的に位相整合される少なくともＭ対の二倍化結晶を含まれ、Ｍは１以上であることを特徴とする、前項１に記載のレーザ。
【００６４】
３．前記２つの二倍化結晶は、複屈折結晶であることを特徴とする、前項２に記載のレーザ。
【００６５】
４．前記Ｍ対の二倍化結晶のうちの１対は更に、
基本波ビームと第２高調波ビームの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第１の二倍化結晶と、
基本波ビームと第２高調波ビームの間に、結晶の異常軸と基本波ビーム軸によって規定される平面内にあるウォーク・オフ角ρを有する、第２の二倍化結晶が含まれることを特徴とする、前項３に記載のレーザ。
【００６６】
５．前記二倍化結晶は、タイプ１の位相整合結晶であることを特徴とする、前項４に記載のレーザ。
【００６７】
６．前記２つの二倍化段のうちの１つは、タイプ１の位相整合結晶であることを特徴とする、前項１に記載のレーザ。
【００６８】
７．前記光学利得媒体は、ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット結晶であることを特徴とする、前項１に記載のレーザ。
【００６９】
８．前記利得媒体は、レーザ・ダイオードによって励起されることを特徴とする、前項７に記載のレーザ。
【００７０】
９．励起光が、軸方向幾何配置で利得媒体へと結合されることを特徴とする、前項８に記載のレーザ。
【００７１】
１０．前記タイプ１の位相整合二倍化段の１つは、酸化マグネシウムをドープしたニオブ酸リチウムの結晶であることを特徴とする、前項７に記載のレーザ。
【００７２】
１１．前記タイプ１の位相整合二倍化結晶段の１つは、三ホウ酸リチウム結晶であることを特徴とする、前項７に記載のレーザ。
【００７３】
１２．前記タイプ１の位相整合二倍化結晶段の１つは、Ｍ対の三ホウ酸リチウム結晶を含むことを特徴とする、前項７に記載のレーザ。
【００７４】
１３．前記光学利得媒体は、光ファイバ増幅器であることを特徴とする、前項１に記載のレーザ。
【００７５】
１４．前記光学利得媒体は、レーザ・ダイオードによって励起されることを特徴とする、前項１３に記載のレーザ。
【００７６】
１５．前記レーザ・ダイオードは、ダイクロイック・ファイバ・カップラを介して、前記利得媒体へと結合されることを特徴とする、前項１４に記載のレーザ。
【００７７】
１６．前記光学利得媒体は、半導体光学増幅器であることを特徴とする、前項１に記載のレーザ。
【００７８】
１７．前記レーザは、干渉計測システムにおいて、乱気流補正付き距離測定を行うために用いられることを特徴とする、前項１に記載のレーザ。
【００７９】
１８．写真製版の逐次反復移動式カメラにおいて、ウェーハのステージ位置を制御するために用いられる、前項１７に規定の干渉計測式の乱流補正付き距離測定システム。
【００８０】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したので、各波長において、レーザは、０．５〜２０ＭＨｚの範囲にわたって調整可能な周波数分割を有する１対の直交偏光周波数のビームを発生することにより、各種の測定ミラー速度によるＡＣ干渉計測が容易になり、低コストで、必要スペースが少なく、光学系が簡単である、乱気流補正付き距離測定干渉計用の理想的な光源を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のツイスト・モード型レーザを示す図である。
【図２】本発明のレーザを示す図である。
【図３】共線的な位相整合を示す図である。
【図４】非共線的な位相整合を示す図である。
【図５】固有偏光を示す図である。
【図６】タイプ１位相整合を示す図である。
【図７】タイプ１位相整合を示す図である。
【図８】図２に示す二倍化段を示す図である。
【図９】「ウォーク・オフ」を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例を示す図である。
【図１１】本発明の第３実施例を示す図である。
【図１２】本発明の第４実施例を示す図である。
【符号の説明】
１０    レーザ
１２Ａ，Ｂ    二倍化結晶段
１４    第１のミラー
１６    第１の四分の一波長板
１８    利得媒体
２０    第２の四分の一波長板
２２    第２のミラー
２６    モード・セレクタ
３０    励起源
【図１】
0003798127.tif 000010
【図２】
0003798127.tif 000011
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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