JP2010026027A

JP2010026027A - 紫外レーザ装置

Info

Publication number: JP2010026027A
Application number: JP2008184528A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kubota; 能徳久保田; Hideyuki Okamoto; 英之岡本; Takeshi Kasuga; 健春日; Ikunari Hara; 育成原
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-02-04
Also published as: WO2010007938A1

Abstract

【課題】本発明の目的は、紫外光波長域で特定の波長に同調または、一定の波長範囲を波長可変可能な連続発振紫外レーザを提供することである。
【解決手段】波長が可変である可視レーザ発振部（レーザ１）と、波長が一定のレーザ光を発生するレーザ（レーザ２）と、レーザ１の出力光（出力光ａ１）とレーザ２の出力光（出力光ｂ）に基づく和周波発生により紫外光を発生させる波長変換部（変換部１）を備えたレーザ装置において、該レーザ１が、レーザ媒質として少なくともＰｒをコアに含有する光導波路と、励起光源として波長４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の励起光を発生する半導体レーザを備え、且つ、該変換部１に強誘電性フッ化物結晶を用いることにより、波長２５０ｎｍ以下の紫外光（出力光ｃ）を連続的に出力することを特徴とする紫外レーザ装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、紫外レーザ装置に関する。

従来、紫外レーザとしてはＫｒＦレーザ、ＡｒＦレーザ、Ｆ_２レーザなどのエキシマレーザを中心に開発が進んでおり、半導体露光用のステッパ装置に広く応用されている。これらの紫外レーザはガスレーザであり、低繰り返しのパルスレーザ発振となっており、連続運転でのパワー安定性やビーム品質の維持が難しい。また、エキシマレーザはフッ素を使用するために危険であり、メンテナンスも手間がかかる。このため、装置は高価で大型な物となっている。さらに、エキシマレーザは低繰り返しパルスレーザであるため、露光以外の用途への展開が困難である。たとえば、直接描画微細加工では加工効率向上のために高速で走査したいが、エキシマレーザでは繰り返しが遅いため走査は困難である。このため、紫外光加工が有効な樹脂材料加工などに応用されてはいるものの、その範囲は限定的となっているのが現状である。

また、エキシマレーザを用いた装置類に使用する光学部品の検査や開発には、パルス光では作業効率が低下するため、連続波が有用である。このため、高圧水銀ランプの輝線や、白色ランプ光からエキシマレーザ波長と同じ波長の光を切り出して使用しているが、レーザではないため集光性などに問題がある。エキシマレーザを使用した場合の集光性などは、高度な光学シミュレーションを活用しても十分ではない場合が多く、試行錯誤的な開発となりやすい。このような理由から高精度な紫外光学系開発には多大な時間と費用が必要であり、大型のエキシマレーザ光学系は非常に高価である。効率的な開発のために、エキシマレーザ波長で連続波のレーザが求められている。

これに対し、ガスの取り扱いが不要な固体レーザの開発が進んでいる。例えば、赤外固体レーザの波長変換技術が進み、全固体の紫外レーザが発表されている。これらのレーザは連続発振または高繰り返し発振が可能であり、エキシマレーザよりも安定に駆動可能である。連続発振または高繰り返しの基本波を発生するレーザとしてはＮｄ添加ＹＡＧ結晶（Ｎｄ：ＹＡＧ）やＹｂ添加ファイバ（ＹＤＦ）が用いられている。これらのレーザのレーザ発振波長はＮｄ：ＹＡＧが１０６４ｎｍ、ＹＤＦは１０００〜１１００ｎｍがほとんどである。これらのレーザをＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）やＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）やＫＮｂＯ_３（ＫＮ）やＢａＢ_２Ｏ_４（β−ＢＢＯ）などの非線形結晶で波長変換する。基本波波長が１μm帯の赤外レーザでは、２倍波で緑色の領域、３〜５倍波で紫外光が得られる。よく利用されているのはＮｄ：ＹＡＧの４倍波であり、２６６ｎｍを発生する。波長変換用の非線形光学結晶はバルク型と疑似位相整合（ＱＰＭ）型が知られている。ＱＰＭ型は、周期分極反転技術によって高効率波長変換が可能となっている。ＱＰＭ素子には板状のバルクタイプと導波路タイプが知られており、導波路タイプは光閉じこめ効果が利用できるためにＱＰＭ素子の中でも高効率とされている。導波路型のＱＰＭ素子で最もよく知られているのは、周期分極反転ＬＮ結晶（ＰＰＬＮ）であり、波長変換素子として広く使われつつある。波長変換には中心対称性がなく、屈折率異方性のある強誘電性結晶が有用であることが古くから知られており、特にｄ３３やｄ３２の性能指数が高い材料の探索が続けられている。また、最近では可視〜紫外など短波長発生用に、古くから知られている強誘電性フッ化物結晶（特許文献１）を利用したＱＰＭ素子や周期分極反転デバイスが研究されている（非特許文献１，非特許文献２、特許文献２）。

しかし、レーザ媒質に結晶を用いた全固体レーザの波長変換では、元になる固体結晶レーザの発振可能な波長範囲が数ｎｍ以下と狭いため、波長は固定状態に近く、所望の波長を得ることは困難である。所望の波長を得るために、基本波となる元のレーザにはなるべく広い波長（周波数）範囲の可変性が求められる。広帯域波長可変な赤外固体レーザ゛の中ではＥｒ添加ファイバ（ＥＤＦ）レーザが進歩しており、高出力化も果たされている。１５５０ｎｍ帯の基本波は１５００ｎｍから１６００ｎｍまで広い範囲で波長可変可能であり、所望の波長の紫外光を得られる可能性がある。しかし、ＥＤＦレーザはレーザ発振波長が１５５０ｎｍ帯と長波長であることから、紫外光を得るためには５倍波以上の多段の高次波長変換が必要となる。さらには、波長１５４６．４ｎｍに基本波の波長を調整して８倍波を得れば、ＡｒＦエキシマレーザ波長の１９３．３ｎｍが得られる可能性があるが、８倍波のような高次波長変換では、基本波に対する変換効率が１％以下と非常に低いため、変換途中で波長変換結晶中のパワー密度が低下し、紫外連続発振レーザを得ることは困難となる。別の広帯域波長可変な固体レーザとしてはＴｉ：サファイアレーザがよく知られており、６５０ｎｍから１１００ｎｍまでの非常に広い波長範囲でレーザ発振可能である。このため、広帯域波長可変光源としては最もよく使用されている（特許文献３）。しかし、Ｔｉ：サファイアレーザは励起源に５００ｎｍ帯の高出力レーザが必要であり、装置が大型化するだけでなく、電気−光変換効率が低いため消費電力が大きい。

最近では半導体レーザ技術が進歩してきたため、所定の波長に調整された半導体レーザを用いて、固定波長であるが望む波長にレーザ波長を調整する技術が進んできた。この技術には異なる波長のレーザの周波数を加算する和周波発生（ＳＦＧ）技術が使われており、ＰＰＬＮなどの導波路型波長変換素子を使用して実用的な変換効率を達成している。例えば、ＳＦＧ技術により生物観察用の蛍光色素励起光源が実用化されている。しかし、半導体レーザを基本波に用いる和周波発生により得られるレーザ出力は、青〜赤の可視光の領域で高々数十〜百ｍＷにとどまっている。この程度の出力のレーザをさらに波長変換して紫外光を得たとしても、数ｍＷ程度以下の出力となり実用的でない。高出力化には特定波長に調整したカスタムメイドの半導体レーザの高出力化や、特定波長に調整したファイバグレーティングなどによる波長固定が必要であり、特殊化が避けられない。また、半導体レーザは高出力化によってビーム品質が劣化しやすく、集光性が著しく低下する問題がある。このため、高出力半導体レーザを用いても波長変換効率が低くなり、結果として波長変換後に十分なパワーの紫外光を得ることは困難となる。

一方、高出力でも高品位なレーザ出力が得られるファイバレーザが基本波として有用と考えられ、少なくともファイバレーザを１台使用した和周波発生による紫外連続波レーザ光源が提案されている（特許文献４）。ここでは、９５０ｎｍ〜１５８０ｎｍの間の離散的な３波長の中から２波長を選び、そのうち一方を高次高調波として利用して、最終的に紫外光を得る方法が開示されている。しかし、和周波発生用の非線形光学結晶として、ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（ＣＬＢＯ）結晶またはＢＢＯ結晶を用いていることから、酸化物結晶の紫外吸収端の問題から必ずしも透明性は十分でなく、紫外波長域で波長変換効率が高いとは言えない。さらに、ＣＬＢＯは既知の紫外波長変換結晶としては高性能な結晶であるが、潮解性があって取り扱いが困難なだけでなく、結晶表面に直接誘電体多層膜が製膜できないため、入射角度の制限や使用環境の制限が非常に厳しい。また、既存のファイバレーザは赤外波長域のレーザであることから、紫外光発生のためには第二高調波では不十分であって、第三次高調波や第四次高調波など高次の波長変換が必要となり、効率が著しく低下する問題がある。
Ｓ．Ｃ．Ｂｕｃｈｔｅｒ，Ｔ．Ｙ．Ｆａｎ，Ｖ．Ｌｉｂｅｒｍａｎ，Ｊ．Ｊ．Ｚａｙｈｏｗｓｋｉ，Ｍ．Ｒｏｔｈｓｃｈｉｌｄ，Ｅ．Ｊ．Ｍａｓｏｎ，Ａ．Ｃａｓｓａｎｈｏ，Ｈ．Ｐ．Ｊｅｎｓｓｅｎ，ａｎｄＪ．Ｈ．Ｂｕｒｎｅｔｔ，"ＰｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌｅｄＢａＭｇＦ４ｆｏｒｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，"ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔ．，ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２１（２００１）ｐｐ．１６９３−１６９５．島村清史, Ｅ．Ｇ．Ｖｉｌｌｏｒｅ，竹川俊二, 中村優, 「紫外非線形光学応用の強誘電体フッ化物単結晶」，第５５回応用物理学関係連合講演会２９ｐ−Ａ−７（２００８年３月２９日）米国特許第３９８２１３６号明細書国際公開第２００１／０９０８１２号特開平１０−３４１０５４号公報特開２００６−７３９７０号公報

上記のとおり、連続発振の固体紫外レーザでレーザ発振波長が従来のエキシマレーザに十分に近く、コンパクトで高効率なレーザは実現が困難である。このため、レーザ描画による紫外レーザ加工、エキシマレーザ装置類の設計および部品検査などに利用可能な、エキシマレーザ波長に調整できる連続発振の全固体紫外レーザが望まれている。また、分光計測用途では紫外波長域で波長可変な連続発振の全固体紫外レーザが望まれている。

そこで本発明は、紫外光波長域で特定の波長に同調または、一定の波長範囲を波長可変可能な連続発振紫外レーザ、を提供することを目的としている。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、既存のエキシマレーザ波長に同調可能なレーザ光を連続発振する、和周波発生技術を用いた紫外レーザ装置において、基本波の光源に波長可変のレーザ光源を用い、また、高次の波長変換による効率低下を避けるためには、基本波としてなるべく短波長のレーザ光源を用い、さらに、最終段の和周波発生に、紫外光波長域でも十分な透明性を保った非線形光学結晶を用いることにより上記目的を達成できることを見出し、本発明に至ったものである。

すなわち本発明は、波長が可変である可視レーザ発振部（レーザ１）と、波長が一定のレーザ光を発生するレーザ（レーザ２）と、レーザ１の出力光（出力光ａ１）とレーザ２の出力光（出力光ｂ）に基づく和周波発生により紫外光を発生させる波長変換部（変換部１）を備えたレーザ装置において、該レーザ１が、レーザ媒質として少なくともＰｒをコアに含有する光導波路と、励起光源として波長４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の励起光を発生する半導体レーザを備え、且つ、該変換部１に強誘電性フッ化物結晶を用いることにより、波長２５０ｎｍ以下の紫外光（出力光ｃ）を連続的に出力することを特徴とする紫外レーザ装置であり、
また、上記記載の紫外レーザ装置において、該レーザ１のレーザ発振波長が７００ｎｍ以上７１５ｎｍ以下であり、且つ、該レーザ２として波長が２５０ｎｍ超３００ｎｍ以下のいずれかであるレーザを用いることを特徴とする紫外レーザ装置、または、該レーザ１のレーザ発振波長が５９８ｎｍ以上７１５ｎｍ以下であり、該レーザ２として波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のいずれかであるレーザを用い、さらに、該レーザ１と該変換部１の間に出力光ａ１の波長を変換する波長変換部（変換部２）を備え、波長を変換された出力光（出力光ａ２）と該出力光ｂに基づく和周波発生により紫外光を発生させることを特徴とする紫外レーザ装置であり、
さらには、上記記載の紫外レーザ装置において、該強誘電性フッ化物結晶が、ＸＭｇＦ_４、ＸＺｎＦ_４、ＸＡｌＦ_５、Ｎａ_２ＭｇＡｌＦ_７、またはＮａ_２ＺｎＡｌＦ_７で表される組成（ただしＸは、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａのいずれかから選ばれる１つの元素を示す。）であることを特徴とする紫外レーザ装置を提供するものである。

本発明により、紫外光波長域で特定の波長に同調または、一定の波長範囲を波長可変可能な連続発振紫外レーザを提供することができる。また、波長が既存エキシマレーザに同調された紫外ＣＷレーザを提供することができる。

本発明は、波長が可変である可視レーザ発振部（レーザ１）と、波長が一定のレーザ光を発生するレーザ（レーザ２）と、レーザ１の出力光（出力光ａ１）とレーザ２の出力光（出力光ｂ）に基づく和周波発生により紫外光を発生させる波長変換部（変換部１）を備えた紫外レーザ装置であり、レーザ１が、レーザ媒質として少なくともＰｒをコアに含有する光導波路と、励起光源として波長４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の励起光を発生する半導体レーザを備え、且つ、該変換部１に強誘電性フッ化物結晶を用いることにより、波長２５０ｎｍ以下の紫外光（出力光ｃ）を連続的に出力することを特徴とする紫外レーザ装置である。

励起源としての４００ｎｍ帯青色半導体レーザは、青色ＤＶＤヘッド用や青色レーザプロジェクション用などＧａＮ系半導体レーザを中心に開発が進んでおり、適宜波長と出力を選択して入手することができる。励起源にＴ−ＯＣＡＮ形状の半導体レーザやレーザチップを使用する場合、半導体レーザからの出射ビーム形状は楕円かつ発散角が方向によって異なるので、光学結合系の上流でプリズムやアナモルフィックレンズによるビーム成形を行うことが好ましい。レーザ１の励起レーザの最適波長や最適パワーは、Ｐｒイオン濃度と共振器構成で変化するので一義的に決められないが、Ｐｒイオンの吸収断面積、濃度消光しない濃度限界、容易に入手可能な励起レーザ波長を勘案すると、波長４２０〜４７０ｎｍの範囲で１００ｍＷ〜１０Ｗの範囲が最も適している。この波長帯域で励起する場合、Ｐｒの発光上準位よりもエネルギーレベルの高い準位（^３Ｐ_２，^１Ｉ_６，^３Ｐ_１，^３Ｐ_０など）を直接励起していることから、従来のアップコンバージョンレーザと比較して励起効率が高く、高い発光強度が得られる。

レーザ１は可視光領域で直接レーザ発振する必要がある。このような材料としてはフッ化物ガラスが好適である。フッ化物ガラスの種類としては、Ｚｒ系ガラス、Ａｌ系ガラス、Ｉｎ系ガラス、Ｇａ系ガラスなどを用いることができる。レーザ１のレーザ媒質のコア部として、これらフッ化物ガラスにＰｒを添加したＰｒ添加フッ化物光導波路を用いることで、高効率で可視光レーザ発振が可能となる。コア部にフッ化物ガラスが使用されていれば、クラッド部はフッ化物ガラスでも良いし、フッ化物ガラス以外の材料を用いることもできる。例えば、コア部がＰｒ添加Ａｌ系フッ化物ガラスであり、クラッド部がフツリン酸塩ガラスの異種ガラスで構成された光導波路や、コア部がＰｒ添加Ｚｒ系フッ化物ガラスであり、クラッド部がアクリル系の樹脂である樹脂クラッド光導波路などを用いることができる。

Ｐｒ添加光導波路には、目的に応じたＰｒ添加濃度と導波路パラメータを持った光導波路を用意する。Ｐｒ濃度は濃すぎると濃度消光するため、２×１０^２０個／ｃｍ^３以下の濃度が好ましく、高効率動作のためには１×１０^２０個／ｃｍ^３以下の濃度となるように調整することがより好ましい。一方、Ｐｒ濃度が１×１０^１７個／ｃｍ^３未満の濃度では、励起光の吸収に必要な長さが長くなるため好ましくない。必要な光導波路長を１０ｍ程度以下にするためには、Ｐｒ濃度を１×１０^１８個／ｃｍ^３以上の濃度にすることがより好ましい。

光導波路の構造としては、断面内の屈折率分布が階段状の屈折率分布でも良いし、なだらかに屈折率が変化する分布屈折率型の光導波路でも良い。また、クラッド層が複数層ある、いわゆるダブルクラッド構造でも良い。ダブルクラッド構造の場合は、コアに近接するクラッド（第一クラッド）の断面形状は非円形が好ましい。第一クラッドの断面形状としては、たとえばＤ形状、長方形、星形、花びら型などが知られており、励起光は第一クラッドにひとまず結合され、第一クラッド内を伝搬しながら徐々にコアに結合される。Ｐｒ添加光導波路としては、Ｐｒ添加ファイバが光結合や製造効率の面から好ましい。

Ｐｒ添加光導波路への励起光の光学的結合方法としては、レンズで光導波路端に集光して結合させる方法または、Ｐｒ添加光導波路がＰｒ添加光ファイバである場合はファイバを通して結合させることができる。励起光源がファイバピグテール付きの場合は、透過特性に波長依存性のあるファイバ型光結合器や合分波器が励起光結合に使用できるため、励起光結合損失の低減が可能であるため特に好ましい。

このとき、少なくとも高出力の励起レーザを集光させる集光端には、光破壊閾値の高い非Ｐｒ添加光導波路または非Ｐｒ添加ガラスブロックなど（以降、非Ｐｒ添加部）を用いることが好ましい。これらの非Ｐｒ添加部は、励起光入射端のみ取り付けることもできるし、両端に取り付けることもできるが、端面破壊防止の観点からは両端に取り付けることが特に好ましい。とりつける非Ｐｒ添加部は、石英系光導波路、石英系光ファイバ、石英系ガラスブロック、石英系ガラス基板を用いた誘電体多層膜、石英系結晶化ガラス基板を用いた誘電体多層膜などが好ましい。石英ファイバの中では、Ｇｅをコアに添加していない純石英コアの石英ファイバを用いることが特に好ましい。これらの非Ｐｒ添加部と利得媒質であるＰｒ添加光導波路は、接着剤を用いない接続方法で接続されていることが好ましい。Ｐｒ添加光導波路がＰｒ添加ファイバであり、前述の非Ｐｒ添加部が石英ファイバである場合、両者の接続方法は融着接続であることが特に好ましい。このように石英ファイバと接続したＰｒ添加ファイバは、金属パッケージなど耐湿耐候性のパッケージに封入して（以下、「Ｐｒファイバモジュール」と言う）使用することが特に好ましい。

レーザ１の共振器構成は、レーザ発振できる形式であれば、ファブリペロー共振器，リング共振器，多段縦列接続，合分波カプラによる並列接続，アンプ接続形式など、どのような形式でもかまわない。レーザ１は、所望のレーザ波長同調範囲で出力が得られるように、共振器内または共振器外にレーザ波長を調整する波長調整機能を備える必要がある。波長調整機能は、回折格子の角度調整，折り返しミラーの角度調整，エタロンによる調整，副共振器による調整，注入レーザ波長による調整，共振器損失の調整によるレーザ発振波長調整，ファイバグレーティングの温度調節や張力調整によるレーザ発振波長調整などが知られており、波長変化させることができる方法であれば何でも良い。

また、エキシマレーザとして露光用途などに特に重要なＡｒＦレーザの発振波長は１９３．３ｎｍ付近であり、この波長に同調されたＣＷレーザは実用上特に重要であり、この波長域での波長可変特性が得られれば光学部品検査やステッパの性能試験に使用できるため、非常に重要である。レーザ１の発振波長が７００ｎｍ以上７１５ｎｍ以下であり、レーザ２の発振波長が２５０ｎｍ超３００ｎｍ以下の範囲の固定波長である場合、紫外光出力として１８４．２ｎｍ以上２１１．３ｎｍ以下の波長範囲から選ばれる紫外光を得ることができる。この構成では、波長可変レーザの基本波長出力をそのまま使用するため高出力化が可能である利点がある。レーザ２は、発振波長２５０ｎｍ超３００ｎｍ以下の範囲のレーザ波長をもつ固体レーザである。レーザ２には半導体レーザの直接第四次高調波や、固体レーザの第四次高調波を用いることができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＹｂ：ファイバレーザの第四次高調波により、波長２６６ｎｍや２５７ｎｍ付近の高出力のレーザが比較的安価で市販されているので好ましい。レーザ２に波長２６６ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第四次高調波を用いる場合、レーザ１の波長を７０７．３ｎｍ±０．５ｎｍに調整することにより、和周波によって１９３．３ｎｍ帯の紫外光出力が得られる。

また、レーザ１のレーザ発振波長が５９８ｎｍ以上７１５ｎｍ以下であり、レーザ２として波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のいずれかであるレーザを用い、さらに、レーザ１と変換部１の間に出力光ａ１の波長を変換する波長変換部（変換部２）を備え、波長を変換された出力光（出力光ａ２）と出力光ｂに基づく和周波発生により紫外光を発生させる場合、出力光ａ２として波長２９９ｎｍ以上３５７．５ｎｍ以下の波長のレーザが得られる。この出力光ａ２とレーザ２からの出力光ｂを変換部１で和周波発生すると、波長１７１．１ｎｍ以上２１６．７ｎｍ以下の範囲の紫外光を得ることができる。

レーザ１の発振波長としては、特に波長５９８〜６４５ｎｍ、７００〜７１５ｎｍの範囲がレーザ発振しやすく、好適である。これらの波長域では高出力動作が可能であり、紫外出力の向上に適している。この範囲のレーザ１を用いると、レーザ２との組み合わせで、波長１７１．１ｎｍ以上２０３．３ｎｍ以下の紫外光波長範囲と、波長１８６．７ｎｍ以上２１６．７ｎｍ以下の二種類の範囲から選ばれる紫外光を得ることができる。

レーザ２は、発振波長４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下の範囲のレーザ波長をもつ固体レーザである。レーザ２には半導体レーザの直接第二次高調波や、固体レーザの第二次高調波を用いることができる。例えば、９１５，９６０，９７６ｎｍなどの高出力半導体レーザの第二次高調波によって、４０７．５，４８０，４８８ｎｍなどのレーザが市販されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザやＹｂ：ファイバレーザの第二次高調波により、５３２ｎｍや５１５ｎｍのレーザが得られ、高出力で比較的安価なレーザが市販されていることから、これらのレーザを用いることが好ましい。または、レーザ２に波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの第二次高調波を用いた場合、レーザ１の波長を６０７．２ｎｍ±０．５ｎｍに調整することで、波長１９３．３ｎｍ帯の紫外光出力を得ることができる。または、レーザ２に波長４８８ｎｍの半導体レーザの第二次高調波を用いた場合、レーザ１の波長を６４０．２ｎｍ±０．５ｎｍに調整することで、波長１９３．３ｎｍ帯の紫外光出力を得ることができる。

これ以外にも、レーザ２には低出力で高品質なシード光と増幅器の組み合わせを用いる、ＭｕｓｔｅｒＬａｓｅｒＰｏｗｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒ（ＭＯＰＡ）形式のレーザを用いることができる。低出力のシードには、Ｙｂ添加ＹＶＯ４などのマイクロチップレーザやＤＦＢ半導体レーザのようなモード制御性に優れたレーザを用い、増幅部にＹｂ添加ファイバまたはＹｂ添加結晶などの希土類添加ファイバや希土類添加結晶を用いることで、高出力であってもシングルモードかつ集光性のよいレーザビームを得ることができる。低出力のシード光と増幅部の間には、シード光発生部に増幅された強い光が戻らないように、光アイソレータなどの非相反手段を挿入することが望ましい。

変換部２は、基本波長５９８ｎｍ以上７１５ｎｍ以下の波長に対して第二次高調波を発生し、波長２９９ｎｍ以上３５７．５ｎｍ以下の範囲で出力可能な非線形光学結晶であればどのような物でも良い。このような結晶としては、ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）、ＬｉＴａＯ_３（ＬＴ）、β−ＢａＢ_２Ｏ_４（β−ＢＢＯ）など、多くの結晶が知られている。これらの結晶は特定方位のバルク形状として使用しても良いし、疑似位相整合（ＱＰＭ）可能な分極反転素子に加工して用いても良い。また、ＱＰＭ素子としては導波路型の素子も市販されており、効率を重視する用途では特に好ましい。レーザ１はファイバ出力なので、変換部２はファイバピグテール接続されたファイバデバイスであることが特に好ましい。変換部２は、レーザ１の波長調整に応じて変換波長が変化するため、結晶角度や結晶温度などを変化させてレーザ１に追従することが好ましく、レーザ１の波長調整機構と変換部２の調整機能が連動している事が特に好ましい。

また、本発明は変換部１の強誘電性フッ化物結晶が、ＸＭｇＦ_４、ＸＺｎＦ_４、ＸＡｌＦ_５、Ｎａ_２ＭｇＡｌＦ_７、またはＮａ_２ＺｎＡｌＦ_７で表される組成（ただしＸは、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａのいずれかから選ばれる１つの元素を示す。）であることを特徴とする、紫外レーザ装置である。

変換部１は、変換部２からの出力光（出力光ａ２）またはレーザ１の出力光（出力光ａ１）とレーザ２の紫〜緑色出力光（出力光ｂ）をもとに和周波発生させ、波長１７１．３ｎｍから２１６．７ｎｍの紫外光を出力でき、紫外域で透明性の高い強誘電性フッ化物光学結晶が適している。酸化物結晶は、３００ｎｍ以下の波長で損失が大きく、２００ｎｍ以下の波長で不透明であることから、高出力の紫外光で光損傷を受けやすい。これに対してフッ化物結晶は２００ｎｍ以下でも透明性が高く、光損傷も受けにくい。よく知られているように、中心対称性のない結晶であれば二次の非線形光学効果を得ることができることから、中心対称性がなく、必要な波長域で必要な透明性が確保できるフッ素化合物結晶なら何でも良い。結晶組成としては、紫外波長域での吸収は電子遷移なので、元素またはイオン固有の吸収となる。このため、遷移金属やランタニドの一部の元素を含む化合物は適さない。具体的には、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｅｒ、Ｔｍなどを含有するフッ素化合物結晶は適さない。一方、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｙ、Ｌａ、Ｇｄ、Ｌｕなどのフッ素化合物は紫外波長域でも透明性が高く、しかも電子密度が高いため、これらを含有するフッ素化合物結晶は非線形光学特性が向上する。

変換部１に好適なフッ素化合物結晶を例示すると、結晶点群が「ｍｍ２」_-に属するＡＢＦ_４（Ａ：Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ｂ：Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｎから選ばれる少なくとも１種類の元素）およびＣ_２ＢＤＦ_７（Ｃ：Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓから選ばれる少なくとも１種類の元素、Ｂ：同上、Ｄ：Ａｌ，Ｇａから選ばれる少なくとも１種類の元素）、結晶点群が「４」に属するＡＤＦ_５、（Ａ，Ｄ共に前述）、結晶点群が「３２」に属するＣＬｎＦ_４（Ｃは前述、ＬｎはＹ，Ｌａ，Ｇｄ，Ｌｕから選ばれる少なくとも１種類の元素）などが挙げられる。

中でも、ＸＭｇＦ_４またはＸＺｎＦ_４またはＸＡｌＦ_５（ただしＸはＣａ，Ｓｒ，Ｂａから選ばれる少なくとも一種類の元素）で表される一連の組成や、Ｎａ_２ＭｇＡｌＦ_７またはＮａ_２ＺｎＡｌＦ_７などが、結晶作製が比較的容易で実用的である。フッ素化合物結晶としては比較的高屈折率で紫外波長域まで透明性が高いＢａＭｇＦ４，ＢａＺｎＦ４，ＳｒＡｌＦ５は特に好適である。特にＢａＭｇＦ４はＱＰＭ素子加工が可能であり、高効率変換に適している。また、Ｎａ_２ＭｇＡｌＦ_７、Ｎａ_２ＺｎＡｌＦ_７は、ＱＰＭ加工に加えて比較的容易に導波路を形成することが可能であり、光閉じこめを利用した波長変換に適している。

また、本発明の紫外レーザ装置は、出力光ａ１の波長が可変であることから、変換部１の結晶方位および変換部２がある場合は変換部２の結晶方位をも調整することで、出力光ｃの波長を１７１．３ｎｍ以上２１６．７ｎｍ以下の範囲で調整する事ができる。

次に、共振器がリング共振器であり、レーザ媒質にＰｒ添加フッ化物ファイバを用いたレーザ１の最適な構成例を、図１で説明する。この例は波長６２０〜６４０ｎｍを可変する場合を示しているが、他の波長帯域でも使用部品の光学特性が異なるだけで、構成としては同様の構成が好ましい。

レーザ媒質としては、Ｐｒを３０００質量ｐｐｍ含有するＺＢＬＡＮフッ化物ガラスをコアとするシングルモードのＰｒ添加フッ化物ファイバ１を用いた。ファイバのコア径は３．４μm、開口数は０．１３、カットオフ波長は５７０ｎｍ、ファイバ長は２５ｃｍである。このファイバの両端に、同様のファイバパラメータをもつ石英ファイバ（石英ファイバ３、石英ファイバ４）を融着接続し、ステンレス製の耐候性パッケージ２内に封止してファイバモジュール（モジュール１）とした。モジュール１からは、石英ファイバ３と石英ファイバ４が出ている。なお、Ｐｒ添加濃度、ファイバ長、コア径などのファイバパラメータは、励起レーザ特性，目的とするレーザ発振波長，共振器などの光学部品類の光学特性などで変化するので、常にこの例が最適とは限らない。

励起光源として、波長４４０ｎｍの半導体レーザ５の出力光を、コア径２．２μm、開口数０．１３、カットオフ波長３７５ｎｍの石英ファイバに結合した物を用意した。この励起光源のファイバ端出力は最大１５０ｍＷである。

励起光をモジュール１に導入するための合分波素子１１としては、溶融延伸カプラが用いることができる。例えば、溶融延伸カプラは、６３５ｎｍ帯の信号光導入ポート（石英ファイバ６）と波長４４０ｎｍの励起光導入ポート（石英ファイバ８）、その反対側に励起光と信号光が合波されて出射する共通ポート（石英ファイバ７）と光出力がほとんど無いブランクポート（石英ファイバ９）からなっている。溶融延伸カプラの光の伝播損失については、例えば、波長４４０ｎｍの励起光導入ポートから共通ポートへの伝搬損失は１．２ｄＢ、６３５ｎｍ帯の信号光導入ポートから共通ポートへの伝搬損失は１．３ｄＢである。合分波素子１１の励起光導入ポート（石英ファイバ８）に、励起光源の石英ファイバが融着接続されている。共通ポート（石英ファイバ７）には、ファイバモジュールから出ている石英ファイバ３が融着接続されている。ブランクポート（石英ファイバ９）の先端は、空気とのフレネル反射が戻らないように、角度８°で斜め切断し、ファイバ３のコア屈折率とほぼ同じ、屈折率１．４５の接着剤でシリコーンチューブ内に固定してある（ビームダンパ１０）。

励起光の一部は、Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１内で吸収され、蛍光を発する。発生した蛍光はＰｒ添加フッ化物ファイバ１を伝搬中に増幅され、増強された光となって石英ファイバ４側から放射される。この放射がリング構成の共振器内を通過することで、最終的にレーザ発振する。一方、逆方向の石英ファイバ３からも蛍光が放射されるが、これについては後述する。

合分波素子１１と同様の構成のデカプラ（合分波素子１１’）を用意し、共通ポート（石英ファイバ７’）とファイバモジュールの石英ファイバ４が融着接続されている。レーザ発振波長である６２０ｎｍ〜６４０ｎｍ帯の光は信号光ポート（石英ファイバ６’）に向かい、波長４４０ｎｍの励起光はドロップポート（石英ファイバ８’）に分離される。ドロップポートの先端は斜め８°にクリーブし、ファイバ３のコア屈折率とほぼ同じ、屈折率１．４５の接着剤でシリコーンチューブ内に固定してある（ビームダンパ１０’’）。ブランクポート（石英ファイバ９’）の先端も同様にクリーブし、同じ接着剤でシリコーンチューブ内に固定してある（ビームダンパ１０’）。

デカプラ（合分波素子１１’）の信号光ポート（石英ファイバ６’）は、ファイバで作製されているファイバ型偏波コントローラ（偏波コントローラ１２）に融着接続し、偏波状態を整える。なお、この偏波コントローラ１２は、後述するように出力カップリング比の調整にも使用する。
偏波コントローラ１２の入出力端１３は、ジルコニア・フェルールに固定，平面研磨し、誘電体多層膜の無反射コーティングを施した。入出力端１３の波長６２０〜６４０ｎｍでの反射率は０．５％以下である。

入出力端１３からの放射はコリメートレンズ１４でコリメートされ、偏光ビームスプリッタ１５で偏波分離する。分離された一方の出力光２３は、レーザ１の出力光として取り出される。共振器内の光パワーに対する出力光２３の割合は、偏光状態によって調整可能であり、前述の偏波コントローラ１２を制御することで出力比を変化させて出力の微調整に使用する。

偏光ビームスプリッタ１５を透過した光は、ファラデー回転子１６で４５°偏波回転される。偏波回転された光は分散プリズム１７にブリュースター角で導入され、低損失で分散される。この分散プリズム１７によって、波長の違いは角度の違いに変換される。分散後の光は波長選択用の広帯域ミラー１８で折り返される。広帯域ミラー１８の、波長６２０〜６４０ｎｍでの反射率は９９％以上であり、入射角０°±１０°での反射率の角度依存性は０．５％以下である。広帯域ミラー１８を回転させると、共振器を構成可能な方向の光以外は損失が大きくなるため、分散プリズム１７の機能と合わせることで、波長選択素子として動作する。

広帯域ミラー１８で折り返された光は、再度分散プリズム１７を通ってファラデー回転子１６を通り、４５°偏波回転する。さらに、偏光ビームスプリッタ１５で折り曲げられた光は、可視光用の光アイソレータ１９を通過し、集光レンズ２０で石英ファイバ６の入出射端２１に集光される。図１では折り曲げ光学系の例として反射ミラー２２が例示してあるが、必ずしも必要ではない。入出射端２１は、入出射端１３と同様に研磨、無反射コーティングが施されている。入出射端２１への集光が良好に行われる特定入射角度の光、すなわち、特定角度内に分散プリズム１７と広帯域ミラー１８で選択された特定波長の光だけがファイバのコアに結合し、波長選択が行われる。

入出射端２１に結合した特定波長の光は、カプラ（合分波素子１１）を通ってＰｒ添加フッ化物ファイバ１に戻り、増幅される。増幅率が光学系の全損失を上回るとレーザ発振が開始され、所定波長のレーザ１の出力光として出力光２３が取り出される。

ここで、ファイバモジュールの石英ファイバ３側からの蛍光について説明する。石英ファイバ３からの蛍光は、カプラ（合分波素子１１）の信号光ポート（石英ファイバ６）へ透過し、入出射端２１から逆方向に放射される。放射された光は集光レンズ２０でコリメートされ、可視光用の光アイソレータ１９でブロックまたは角度偏向され、共振器系外に排除される。

ファラデー回転子１６と光アイソレータ１９は、可視光で透明かつ非相反動作が必要である。このため、材料としては古くから鉛フリントガラスが知られているが、最近では高濃度Ｔｂ添加ガラスなどの希土類添加ガラス、Ｔｂ_３Ｇａ_５Ｏ_１２（ＴＧＧ）結晶が用いられており、磁界調整による波長可変特性が実現されている。

偏波コントローラ１２、ファラデー回転子１６、光アイソレータ１９は、波長とファラデー回転子や可視光用アイソレータに加える磁界、目標出力と偏波コントローラの最適状態をあらかじめ計測してメモリに記憶し、フィードバック回路とプログラムで自動的に駆動されている。また、すべての光学系は温度制御された熱浴内で一定温度に制御されている。また、すべてのファイバや部品は除震機能のある筐体に固定してある。

また、共振器がファブリペロー共振器であり、利得媒質にＰｒ添加フッ化物ガラスを用いたレーザ１に、変換部２を共振器内に設置した形式のレーザ１の最適な構成例を図２で説明する。

レーザ媒質はＰｒを３０００重量ｐｐｍ含有するＡｌ系フッ化物ガラスをコアとするシングルモードのＰｒ添加フッ化物ファイバ３４を用いる。Ｐｒ添加フッ化物ファイバ３４のコア径は２．４μm、開口数は０．１６、カットオフ波長は５００ｎｍ、ファイバ長は４０ｃｍである。このファイバの両端に、同様のファイバパラメータを持つ石英ファイバ（石英ファイバ３５，石英ファイバ３５’）を融着接続し、ステンレス製の耐候性パッケージ３６に封入した。石英ファイバ３５の先端（入出力端３７）は平面に研磨し、励起光を導入するために励起光波長とレーザ発振波長帯で無反射となるＡＲコーティングが施されている。石英ファイバ３５’の端面（入出力端３９）は平面に研磨し、レーザ発振波長帯域で無反射となるＡＲコーティングが施されている。励起用ＧａＮ系半導体レーザ（起半導体レーザ３１）は、発振波長４５０ｎｍであり、ペルチェ素子で一定温度に保持された放熱台に固定されている。半導体レーザ３１から放射された励起光はアナモルフィックプリズム対３２でビームを真円に整形後、集光レンズ３３と凹面ダイクロイック反射鏡（レーザ共振器用ダイクロイック凹面鏡３８）を透過して石英ファイバ端（入出力端３７）に集光されて、石英ファイバ３５のコアに結合する。凹面ダイクロイック反射鏡（レーザ共振器用ダイクロイック凹面鏡３８）は、励起光を透過しレーザ１のレーザ発振波長を全反射する特性となっており、共振器の一方の端を構成している。また、凹面ダイクロイック反射鏡は球面鏡であり、入出力端３７から放射されるレーザ１のレーザ光を反射して、入出力端３７のコアに折り返す位置に調整されている。

結合された励起光はＰｒ添加フッ化物ファイバ３４に吸収されて蛍光を発する。発生した蛍光はＰｒ添加フッ化物ファイバ３４を伝搬中に増幅され、増強された光となって入出力端３９から放射される。一方、逆方向に進行する蛍光は入出力端３７から放射され、凹面ダイクロイック反射鏡（レーザ共振器用ダイクロイック凹面鏡３８）で折り返され、再度Ｐｒ添加フッ化物ファイバ３４を通過時に増幅され、入出力端３９から放射される。入出力端３９から放射された蛍光はコリメートレンズ４０でコリメートされ、偏光ビームスプリッタ４１で直交する偏光成分に分解される。一方の偏光（偏光パワー成分４３）は分散プリズム４５に最小偏角付近の角度で入射し、波長選択ミラー（広帯域ミラー４６）で特定の分散角度の方向の蛍光だけが折り返される。波長選択されて折り返された光は、偏光ビームスプリッタ４１とコリメートレンズ４０を通って入出力端３９に集光され、共振器が完成する。一方、偏光成分（偏光パワー成分４３）と直交する成分（偏光パワー成分４２）は集光レンズ４７とダイクロイック凹面鏡５１を通って導波路型周期分極反転ＬＮ結晶（ＰＰＬＮ）（非線形結晶４８）のコアに集光され、波長変換される。ＰＰＬＮ（非線形結晶４８）は、レーザ１（基本波）の波長を変えた場合に最適変換波長を追従させられるように、ペルチェ素子を取り付けた温度調整ベンチに搭載されている。波長変換された光は出力光ａ２として、ダイクロイック凹面鏡５０を通って出力される（レーザ出力光４９）。ダイクロイック凹面鏡５０は、ＰＰＬＮ（非線形結晶４８）で波長変換された出力光（出力光ａ２）を透過し、レーザ１の波長は全反射する。逆に、ダイクロイック凹面鏡５１は波長変換された出力（出力光ａ２）を全反射し、レーザ１の波長は透過する。ダイクロイック凹面鏡５０で反射されたレーザ１の波長は再度ＰＰＬＮ（非線形結晶４８）中を通り、集光レンズ４７、偏光ビームスプリッタ４１、コリメートレンズ４０を通過して、入出力端３９に集光され、レーザ１の共振器の一部を構成している。ダイクロイック凹面鏡５１で反射された出力光ａ２は、ＰＰＬＮ素子中を通過してダイクロイック凹面鏡５０を透過して出力される（レーザ出力光４９）。この構成では、ダイクロイック凹面鏡２枚（レーザ共振器用ダイクロイック凹面鏡３８，ダイクロイック凹面鏡５０）で作られる共振器と、ダイクロイック凹面鏡（レーザ共振器用ダイクロイック凹面鏡３８）と波長選択ミラー４６で構成される共振器があり、後者が優勢となるように偏波コントローラ４４で偏光状態を制御する必要がある。

この構成では、波長変換に使用されなかった残りの基本波が共振器内で回収できるため、見かけ上の波長変換効率を高めることが可能である。また、アイソレータが必要ないため、波長依存性が大きい部材が少なく、広帯域波長可変に適している。５ｎｍを超える広帯域波長可変特性を持たせる場合は、波長変換結晶に導波路タイプのＰＰＬＮを用いるのではなく、バルク形状や平板ＱＰＭ素子を用い、結晶方位を調整した方がよい。

以下に、本発明を用いた具体的な実施例を開示する

全体の構成を図３に示す。レーザ６４（レーザ１）には、図１に示した構成例を基本とする構成のレーザを使用する。ただし、図１のリングレーザ内において、入出射端２１と合分波素子１１の信号光ポート（石英ファイバ６）の間にファイバ結合型の波長可変ショートカット波長選択フィルタを、さらに該波長可変ショートカットフィルタと合分波素子１１の信号光ポート（石英ファイバ６）の間に波長可変ロングカット波長選択フィルタを挿入し、リング共振器の通過波長帯域を制限しており、透過中心波長は波長選択ミラー（広帯域ミラー１８）の選択波長に同調している。また、使用するレーザ媒質（Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１）はコア部のガラス組成が３２．８ＡｌＦ_３−１５ＹＦ_３−４．７ＬａＦ_３−９．４ＭｇＦ_２−７．４ＣａＦ_２−５．４ＳｒＦ_２−２０ＢａＦ_２−５ＢａＣｌ_２−０．３ＰｒＦ_３で表され、クラッドが３２．８ＡｌＦ_３−１５ＹＦ_３−５ＬａＦ_３−９．４ＭｇＦ_２−８．４ＣａＦ_２−７．４ＳｒＦ_２−１７ＢａＦ_２−５ＢａＣｌ_２で表される、Ａｌ系フッ化物ファイバを用いる。コアの直径は４μm、ファイバの直径は１２５μmである。このファイバの開口数は０．１であった。また、ファイバ長は１０ｃｍである。両端面は８°斜め研磨し、可視光域の広帯域無反射コーティングを施した。反射率は可視光波長域全域で２％以下である。

この出力光（出力光ａ１）を集光レンズ５２で絞ってＬｉＮｂＯ_３非線形光学結晶５３に入力した。波長変換された光と基本波は、ＬＮ結晶の反対側から放射される。ＬｉＮｂＯ_３非線形光学結晶５３からの出力は、コリメートレンズ５４でコリメートし、ダイクロイックミラー５５に照射される。ダイクロイックミラー５５は、６００ｎｍ帯の基本波を反射し、３００ｎｍ帯の二倍波（出力光ａ２）を透過する。

レーザ５６（レーザ２）には、波長５３２ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザの二倍波（出力光ｂ）を用いる。レーザ２の出力光は、レーザ１のレーザビーム径と一致させるために、凹レンズ５７と凸レンズ５８で倍率調整した。ビーム径を制御した後、９０度折り曲げミラー（直角ミラー５９）で反射し、ダイクロイックミラー５５上でさらに９０度折り曲げ反射され、レーザ１の出力光と合成する。

合成されたレーザ光は、色消し集光レンズ６０でＢａＭｇＦ_４疑似位相整合素子６１（ＱＰＭＣ）に入射される。色消し集光レンズ６０によって、波長の異なる出力光ａ２と出力光ｂは同一の焦点距離でＢａＭｇＦ_４疑似位相整合素子６１に集光され、和周波変換効率を最大に保つことができる。ＢａＭｇＦ_４疑似位相整合素子６１内では、レーザ１とレーザ２の出力光の和周波が発生する。ＱＰＭＣから出射された紫外光は、コリメートレンズ６２でコリメートされ、ダイクロイックミラー６３でレーザ１の二倍波とレーザ２の出力をカットし、紫外光（出力光ｃ）だけが通過して出力される。

レーザ１の波長を６０２ｎｍから６１２ｎｍまでと、６３０ｎｍから６３８ｎｍまで変化させたときの、紫外光出力波長とレーザ１の出力波長の関係を図４に示す。レーザ１の波長に応じて紫外光出力が線形に変化することが判る。紫外光出力を分光器と紫外光用フォトマルチプライヤで計測して得られた、出力スペクトルの一例を図５に示す。分解能は０．０２ｎｍである。図５から判るとおり、レーザ発振線の半値全幅は０．０５ｎｍ程度であり、狭帯域である事が判る。紫外光の連続出力の様子を、紫外光出力の相対強度の経時変化で図６に示す。連続した安定出力が得られている事が判る。また、冷却系を含む全投入電力が合計で５００Ｗの時、紫外光出力は１００ｍＷであり、実用的な効率であった。

実施例１と同様だが、図７の構成で、レーザ１と変換部２を合わせた３００ｎｍ帯レーザ（レーザ６５）には図２の構成例を基本とする構成のレーザを用いた。ただし、多波長でレーザ発振する事を防止するため、図２において、偏波コントローラ４４と入出力端３９の間にファイバ付きのファブリペロー波長可変フィルタを、さらに該ファブリペロー波長可変フィルタと入出力端３９の間にファイバ付きの狭帯域波長可変フィルタを取り付けてある。このフィルタ類の同調範囲は５８０ｎｍから６８０ｎｍ、ファブリペロー波長可変フィルタのフィネスは２０００、狭帯域波長可変フィルタの帯域間隔は２００ＧＨｚである。また、使用するレーザ６５の利得媒質（Ｐｒ添加フッ化物ファイバ３４）として、コア部のガラス組成が５３ＺｒＦ_４−１８．５ＢａＦ_２−２．７ＬａＦ_３−４ＹＦ_３−３ＡｌＦ_３−１８．５ＮａＦ―０．３ＰｒＦ_３で表されるＺｒ系フッ化物ガラス（３０００ｐｐｍ）であり、クラッドが２６ＺｒＦ_４−２４ＨｆＦ_４−２１ＢａＦ_２−３ＬａＦ_３−２ＹＦ_３−４ＡｌＦ_３−２０ＮａＦからなるフッ化物ファイバを用いる。コアの直径は３μm、ファイバの直径は１２５μmである。このファイバの開口数は０．１６であった。また、ファイバ長は２５ｃｍである。ピグテール石英ファイバ（石英ファイバ３５，石英ファイバ３５’）は、コア径と開口数が同程度のファイバを選定して融着接続した。これらの石英ファイバの両端面（入出力端３７，入出力端３９）は８°斜め研磨し、可視光域の広帯域無反射コーティングを施した。反射率は可視光波長域全域で２％以下である。６００ｎｍ帯の基本波は共振器内に閉じこめられ、共振器内に設置した変換部２のバルク型ＬＮ非線形結晶（非線形結晶４８）で３００ｎｍ帯に変換されて、出力ミラー（ダイクロイック凹面鏡５０）から出力光ａ２（レーザ出力４９）として放射される。ＬＮ結晶は、波長可変ミラー（広帯域ミラー４６）と連動して結晶方位を自動的に調整し、出力光ａ２のパワーが最大となるように制御されている。

波長３００ｎｍ帯のレーザ（レーザ６５）の出力光（出力光ａ２）は、ダイクロイックミラー６６を透過し、モード直径を調整されたレーザ６７（レーザ２）の出力光（出力光ｂ）と合波される。レーザ２には、波長９８０ｎｍの高出力半導体レーザの２倍波を用いた。レーザ波長は４９０ｎｍ、出力は６００ｍＷである。レーザ２（レーザ６７）の出力は、凹レンズ６８と凸レンズ６９で３００ｎｍ帯レーザ（レーザ６５）のモード径と一致するように調整され、直角ミラー７０で折り返され、ダイクロイックミラー６６で３００ｎｍ帯レーザ（レーザ６５）と合波される。ダイクロイックミラー６６は、３００ｎｍ帯で広帯域無反射であり、４５０〜５００ｎｍ帯で全反射するコーティングが施されている。合波されたレーザ光は、ダイクロイックミラー７１を透過し、色消し集光レンズ７２でＱＰＭ−ＳｒＡｌＦ_５結晶（フッ素化合物結晶７３）に集光入射される。ＱＰＭ−ＳｒＡｌＦ_５結晶（フッ素化合物結晶７３）は、結晶温度が制御できる温度制御ベンチに取り付けられており、温度制御で最適変換波長を制御している。ダイクロイックミラー７１は、３００ｎｍ〜５００ｎｍ帯で無反射かつ１９０ｎｍ帯で全反射のコーティングを施してある。ＱＰＭ−ＳｒＡｌＦ_５結晶（フッ素化合物結晶７３）中で和周波によって発生した紫外光および元となった出力光ａ２と出力光ｂは、色消しコリメートレンズ７４でコリメートされ、ダイクロイックミラー７５に入射する。紫外光出力は、ダイクロイックミラー７５を透過してレーザ出力として取り出される。一方、和周波の元となった出力光ａ２と出力光ｂは反射され、色消しコリメートレンズ７４によって再びＱＰＭ−ＳｒＡｌＦ_５結晶（フッ素化合物結晶７３）中に集光され、和周波発生に再利用される。このとき発生した紫外光は、色消し集光レンズ７２でコリメートされ、ダイクロイックミラー７１で反射され、色消し集光レンズ７２、ＱＰＭ−ＳｒＡｌＦ_５結晶（フッ素化合物結晶７３）、色消しコリメートレンズ７４、ダイクロイックミラー７５を通って出力される。

レーザ１の発振波長を６３８．５ｎｍに調整すると、出力される紫外光（出力光ｃ）の波長は１９３．３ｎｍとなった。また、レーザ１（レーザ６５）の出力が５００Ｗ、レーザ２（レーザ６７）の出力が６００ｍＷの時、紫外光（出力光ｃ）の出力は最大で４０ｍＷであった。

全体の構成を図７に示す。レーザ６５には、図１に示した構成例を基本とする構成のレーザを使用する。ただし、レーザ６５は、図１において入出射端２１と合分波素子１１の信号光ポート（石英ファイバ６）の間にファイバ結合型の波長可変ショートカット波長選択フィルタを、さらに該波長可変ショートカットフィルタと合分波素子１１の信号光ポート（石英ファイバ６）の間に波長可変ロングカット波長選択フィルタを挿入して、リング共振器の通過波長帯域を制限しており、透過中心波長は波長選択ミラー（広帯域ミラー１８）の選択波長である、波長７００ｎｍ〜７１５ｎｍの範囲に同調している。また、使用する利得媒質（Ｐｒ添加フッ化物ファイバ１）はコア部のガラス組成が３２．８ＡｌＦ_３−１５ＹＦ_３−４．７ＬａＦ_３−９．４ＭｇＦ_２−７．４ＣａＦ_２−５．４ＳｒＦ_２−２０ＢａＦ_２−５ＢａＣｌ_２−０．３ＰｒＦ_３で表され、クラッドが３２．８ＡｌＦ_３−１５ＹＦ_３−５ＬａＦ_３−９．４ＭｇＦ_２−８．４ＣａＦ_２−７．４ＳｒＦ_２−１７ＢａＦ_２−５ＢａＣｌ_２で表される、Ａｌ系フッ化物ファイバを用いる。コアの直径は４μm、ファイバの直径は１２５μmである。このファイバの開口数は０．１であった。また、ファイバ長は２０ｃｍである。両端面は８°斜め研磨し、可視光域の広帯域無反射コーティングを施した。反射率は可視光波長域全域で２％以下である。

レーザ１（レーザ６５）の出力光（出力光ａ１）は、ダイクロイックミラー６６を透過し、モード直径を調整されたレーザ２（レーザ６７）の出力光（出力光ｂ）と合波される。レーザ２（レーザ６７）には、波長１０６４ｎｍの高出力Ｎｄ：ＹＡＧレーザの４倍波を用いた。レーザ波長は２６６ｎｍ、出力は４００ｍＷである。レーザ２（レーザ６７）の出力は、凹レンズ６８と凸レンズ６９でレーザ１（レーザ６５）のモード径と一致するように調整され、直角ミラー７０で折り返され、ダイクロイックミラー６６でレーザ１（レーザ６５）の出力と合波される。ダイクロイックミラー６６は、７００〜７１５ｎｍ帯で広帯域無反射であり、２６６ｎｍ帯で全反射するコーティングが施されている。合波されたレーザ光は、ダイクロイックミラー７１を透過し、色消し集光レンズ７２でＱＰＭ−ＢａＭｇＦ_４結晶（フッ素化合物結晶７３）に集光入射される。ＱＰＭ−ＢａＭｇＦ_４結晶（フッ素化合物結晶７３）は、結晶温度が制御できる温度制御ベンチに取り付けられており、温度制御で最適変換波長を制御している。ダイクロイックミラー７１は、２５０ｎｍ〜７５０ｎｍ帯で無反射の広帯域無反射かつ１９０ｎｍ帯で全反射の紫外反射ダイクロイックコーティングを施してある。ＱＰＭ−ＢａＭｇＦ_４結晶（フッ素化合物結晶７３）中で和周波によって発生した紫外光および元となった出力光ａ１と出力光ｂは、コリメートレンズ７４でコリメートされ、ダイクロイックミラー７５に入射する。紫外光出力は、ダイクロイックミラー７５を透過してレーザ出力として取り出される。一方、和周波の元となった出力光ａ１と出力光ｂは反射され、コリメートレンズ７４によって再びＱＰＭ−ＢａＭｇＦ_４結晶（フッ素化合物結晶７３）中に集光され、和周波発生に再利用される。このとき発生した紫外光は、色消し集光レンズ７２でコリメートされ、ダイクロイックミラー７１で反射され、色消し集光レンズ７２、ＱＰＭ−ＢａＭｇＦ_４結晶（フッ素化合物結晶７３）、コリメートレンズ７４、ダイクロイックミラー７５を通って出力される。

レーザ１の発振波長を７０７．３ｎｍに調整すると、出力される紫外光（出力光ｃ）波長は１９３．３ｎｍとなった。また、レーザ１（レーザ６５）の出力が５００Ｗ、レーザ２（レーザ６７）の出力が４００ｍＷの時、紫外光（出力光ｃ）の出力は最大で２５ｍＷであった。

本発明の紫外レーザ装置は、既存のエキシマレーザを使用する機器の光学設計、検査、検証、組み立て工程などに利用可能であり、これまでの非レーザ検査光源よりも高精度かつ簡便に測定結果が得られることが期待できる。また、本発明の紫外レーザ装置は波長可変であることから、紫外域での光学部品の波長応答や分散の検査、加工対象に対する最適波長の選択、選択的分子反応などに利用が可能である。

さらには、半導体製造装置、半導体製造装置や光学系の設計、検査および組み立て、表面形状計測、干渉計測、金属、セラミックス、ガラス、結晶、ポリマーなどの加工やマーキング、有機化合物の分解や合成、選択的分子切断や選択的分子結合、化学薬品や中間体を含む医薬合成への応用、ＤＮＡなど特定分子の改変など、幅広い分野への応用も可能である。

本発明のレーザ１の構成例を示す図である。本発明のレーザ１の別の構成例を示す図である。本発明のレーザの構成例を示す図である。本発明のレーザ１の波長と紫外光波長の関係を示す図である。本発明の紫外光出力スペクトルを示す図である。本発明の紫外光出力安定性を示す図である。本発明のレーザの構成例を示す図である。

符号の説明

１Ｐｒ添加フッ化物ファイバ
２，３６耐候性パッケージ
３，４石英ファイバ
５半導体レーザ
６，７，８，９石英ファイバ
１０，１０’，１０’’ ビームダンパ
１１，１１’ 合分波素子
１２偏波コントローラ
１３入出射端
１４コリメートレンズ
１５偏光ビームスプリッタ
１６ファラデー回転子
１７分散プリズム
１８広帯域ミラー
１９光アイソレータ
２０集光レンズ
２１入出射端
２２偏光ビームスプリッタ
２３出力光（出力光ａ１）
３１起半導体レーザ
３２アナモルフィックプリズム対
３３集光レンズ
３４Ｐｒ添加フッ化物ファイバ
３５，３５’ 石英ファイバ
３７，３９入出力端
３８レーザ共振器用ダイクロイック凹面鏡
４０コリメートレンズ
４１偏光ビームスプリッタ
４２，４３偏光パワー成分
４４偏波コントローラ
４５分散プリズム
４６広帯域ミラー
４７集光レンズ
４８非線形結晶
４９レーザ出光力（出力光ａ２）
５０，５１ダイクロイック凹面鏡
５２集光レンズ
５３ＬｉＮｂＯ_３非線形光学結晶
５４コリメートレンズ
５５ダイクロイックミラー
５６レーザ（レーザ２）
５７凹レンズ
５８凸レンズ
５９直角ミラー
６０色消し集光レンズ
６１ＢａＭｇＦ_４疑似位相整合素子（ＱＰＭＣ）
６２コリメートレンズ
６３ダイクロイックミラー
６４レーザ（レーザ１）
６５レーザ
６６ダイクロイックミラー
６７レーザ（レーザ２）
６８凹レンズ
６９凸レンズ
７０直角ミラー
７１，７５ダイクロイックミラー
７２色消し集光レンズ
７３フッ素化合物結晶
７４色消しコリメートレンズ

Claims

波長が可変である可視レーザ発振部（レーザ１）と、波長が一定のレーザ光を発生するレーザ（レーザ２）と、レーザ１の出力光（出力光ａ１）とレーザ２の出力光（出力光ｂ）に基づく和周波発生により紫外光を発生させる波長変換部（変換部１）を備えたレーザ装置において、該レーザ１が、レーザ媒質として少なくともＰｒをコアに含有する光導波路と、励起光源として波長４００ｎｍ以上４８０ｎｍ以下の励起光を発生する半導体レーザを備え、且つ、該変換部１に強誘電性フッ化物結晶を用いることにより、波長２５０ｎｍ以下の紫外光（出力光ｃ）を連続的に出力することを特徴とする紫外レーザ装置。
該レーザ１のレーザ発振波長が７００ｎｍ以上７１５ｎｍ以下であり、且つ、該レーザ２として波長が２５０ｎｍ超３００ｎｍ以下のいずれかであるレーザを用いることを特徴とする、請求項１に記載の紫外レーザ装置。
該レーザ１のレーザ発振波長が５９８ｎｍ以上７１５ｎｍ以下であり、該レーザ２として波長が４００ｎｍ以上５５０ｎｍ以下のいずれかであるレーザを用い、さらに、該レーザ１と該変換部１の間に出力光ａ１の波長を変換する波長変換部（変換部２）を備え、波長を変換された出力光（出力光ａ２）と該出力光ｂに基づく和周波発生により紫外光を発生させることを特徴とする、請求項１に記載の紫外レーザ装置。
該強誘電性フッ化物結晶が、ＸＭｇＦ_４、ＸＺｎＦ_４、ＸＡｌＦ_５、Ｎａ_２ＭｇＡｌＦ_７、またはＮａ_２ＺｎＡｌＦ_７で表される組成（ただしＸは、Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａのいずれかから選ばれる１つの元素を示す。）であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか記載の紫外レーザ装置。