JP2011023532A - Optical amplifier, laser device, and light source device - Google Patents

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical amplifier that efficiently carries out optical amplification of signal light while keeping a polarization state, thus generating a high-power fundamental wave laser beam, as well as a laser device and a light source device. <P>SOLUTION: The optical amplifier 20 has: a light source 21 for generating excitation light; a first WDM coupler 23 for input of a first signal light Ls<SB>1</SB>and excitation light Lp, coupling Ls<SB>1</SB>and light of one polarization component of Lp, and for output of the coupled light and light of the other polarization component of Lp while keeping the polarization state of Ls<SB>1</SB>; a second WDM coupler 24 for input and coupling of a second signal light Ls<SB>2</SB>and light of the other polarization component from the first WDM coupler and for output of the coupled light while keeping the polarization state of Ls<SB>2</SB>; a first optical amplification fiber 25 for amplifying and for output of Ls<SB>1</SB>based on coupled lights introduced from the first WDM coupler while keeping the polarization state; and a second optical amplification fiber 26 for amplifying and for output of Ls<SB>2</SB>based on coupled lights introduced from the second WDM coupler while keeping the polarization state. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、入力された信号光を励起光に応じて増幅して出力する光増幅器、レーザ装置、及び光源装置に関する。   The present invention relates to an optical amplifier, a laser device, and a light source device that amplify input signal light according to excitation light and output the amplified signal light.

半導体デバイスに微細構造を形成する露光装置、微細構造を観察するレーザ顕微鏡、眼科治療に用いる医療装置等の分野において紫外光の利用が促進されている。これらの装置に用いられる紫外光出力の光源装置として、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、Ｆ２レーザ等のガスレーザが従来から用いられてきた。近年では、半導体レーザ等のレーザ光発生部により発生された赤外〜可視領域のレーザ光を、光ファイバアンプ等の光増幅器により増幅し、これを波長変換光学系により波長変換して紫外光を出力する全固体型の光源装置が開発され実用化が進んでいる（例えば、特許文献１を参照）。 The use of ultraviolet light has been promoted in fields such as an exposure apparatus for forming a fine structure in a semiconductor device, a laser microscope for observing the fine structure, and a medical apparatus used for ophthalmic treatment. Gas lasers such as KrF excimer lasers, ArF excimer lasers, and F 2 lasers have been conventionally used as light source devices for ultraviolet light output used in these devices. In recent years, laser light in the infrared to visible region generated by a laser light generator such as a semiconductor laser is amplified by an optical amplifier such as an optical fiber amplifier, and this is wavelength-converted by a wavelength conversion optical system to convert ultraviolet light. An all-solid-state light source device for output has been developed and put into practical use (for example, see Patent Document 1).

上記のような光源装置では、紫外光を効率よく発生させるために、レーザ装置に複数の光ファイバアンプより構成される光増幅器を利用している。図３を用いて、従来の光増幅器１２０を備えたレーザ装置１１０について説明する。このレーザ装置１１０は、信号光となる基本波レーザ光を発生するレーザ光発生部１１１と、励起光を発生する励起用光源部１２１と、励起用光源部１２１からの励起光を分岐するための光ファイバカプラ１２９と、信号光の増幅媒体である光増幅用ファイバ（ＥＤＦ）１２５，１２６と、信号光と励起光とを合波してこの合波した光をＥＤＦに入射させるためのＷＤＭカプラ１２３，１２４とを有して構成され、これらはシングルモード光ファイバ等により接続されている。   In the light source device as described above, in order to efficiently generate ultraviolet light, an optical amplifier composed of a plurality of optical fiber amplifiers is used in the laser device. A conventional laser apparatus 110 including an optical amplifier 120 will be described with reference to FIG. The laser device 110 includes a laser beam generator 111 that generates fundamental laser light that is signal light, an excitation light source unit 121 that generates excitation light, and a branch for exciting light from the excitation light source unit 121. An optical fiber coupler 129, optical amplifying fibers (EDF) 125 and 126 which are signal light amplification media, and a WDM coupler for combining the signal light and the pumping light and causing the combined light to enter the EDF. 123 and 124, which are connected by a single mode optical fiber or the like.

このレーザ装置１１０において、励起用光源部１２１から出力された励起光は光ファイバカプラ１２９によって２つに分岐されてＷＤＭカプラ１２３，１２４にそれぞれ入力される。一方、レーザ光発生部１１１から出力された信号光は図示しないカプラ等により２つに分けられ、各々の信号光はＷＤＭカプラ１２３，１２４を通じて励起光と合波された上で光増幅用ファイバ１２５，１２６に入力される。光増幅用ファイバ１２５，１２６において誘導放出によって光増幅された信号光は波長変換光学系（図示しない）に入力され、この波長変換光学系はレーザ装置１１０（光増幅器１２０）から出力される１５４７ｎｍの基本波レーザ光の波長変換を行い、その８倍波である波長１９３ｎｍのレーザ光を放出する。   In this laser device 110, the pumping light output from the pumping light source unit 121 is branched into two by an optical fiber coupler 129 and input to WDM couplers 123 and 124, respectively. On the other hand, the signal light output from the laser light generation unit 111 is divided into two by a coupler (not shown) and the like, and each signal light is combined with the excitation light through the WDM couplers 123 and 124 and then the optical amplification fiber 125. , 126. The signal light optically amplified by stimulated emission in the optical amplification fibers 125 and 126 is input to a wavelength conversion optical system (not shown), and this wavelength conversion optical system outputs 1547 nm output from the laser device 110 (optical amplifier 120). Wavelength conversion of the fundamental laser beam is performed, and a laser beam having a wavelength of 193 nm, which is the eighth harmonic wave, is emitted.

特開２００６−２２７１７６号公報JP 2006-227176 A

ところで、上記従来のレーザ装置１１０において用いられている光増幅用ファイバ１２５，１２６等はシングルモード光ファイバであり、直交する２つの偏波面を持つモードを有しているが、外力の印加（捻れ、曲げ）等により偏波面が変動するおそれがあった。そのため、近年では偏波保持型の光ファイバが提案されており、光増幅器を偏波保持化（ＰＭ化）することにより偏波面が変わるのを抑止している。   Incidentally, the optical amplification fibers 125 and 126 used in the conventional laser device 110 are single mode optical fibers and have modes having two orthogonal polarization planes. However, an external force is applied (twisted). , Bending) or the like, the polarization plane may fluctuate. Therefore, in recent years, polarization maintaining optical fibers have been proposed, and the polarization plane is prevented from changing by maintaining polarization (PM) in the optical amplifier.

図４に、このような偏波保持型の光増幅器（「ＰＭ−ＥＤＦＡ」とも称される）２２０を備えたレーザ装置２１０の概略構成を示している。この構成において、光増幅器２２０は、上述の光増幅器１２０で用いたシングルモードの素子（ＷＤＭカプラ１２３，１２４、ＥＤＦ１２５，１２６等）を偏波保持型の素子（ＰＭ−ＷＤＭカプラ２２３，２２４、ＰＭ−ＥＤＦ２２５，２２６等）に切り替えて構成したものである。このような光増幅器２２０では、信号光と励起光とを合波してこの合波を光増幅用ファイバ（ＰＭ−ＥＤＦ）２２５，２２６に入射させるために、例えば２本の光ファイバを融着延伸して形成される偏波保持型のＷＤＭカプラ（ＰＭ−ＷＤＭカプラ）２２３，２２４が必要になるが、このＷＤＭカプラ２２３，２２４では入射した励起光のうちの一方の偏波成分の光のみしか利用できないため、入射した励起光の半分程度しか信号光と合波することができない（励起光のうちの他方の偏波成分の光は捨て光となる）。したがって、この構成では信号光と励起光とを効率良く合波できず、偏波面を保持しながら高出力の基本波レーザ光を生成することができないという課題があった。   FIG. 4 shows a schematic configuration of a laser apparatus 210 including such a polarization maintaining optical amplifier (also referred to as “PM-EDFA”) 220. In this configuration, the optical amplifier 220 includes single-mode elements (WDM couplers 123 and 124, EDFs 125 and 126, etc.) used in the optical amplifier 120 described above as polarization-maintaining elements (PM-WDM couplers 223 and 224, PM). -EDF225, 226 etc.). In such an optical amplifier 220, for example, two optical fibers are fused in order to multiplex the signal light and the pumping light and make the combined light enter the optical amplification fibers (PM-EDF) 225 and 226. The polarization-maintaining WDM couplers (PM-WDM couplers) 223 and 224 that are formed by stretching are required. In the WDM couplers 223 and 224, only the light of one polarization component of the incident excitation light is used. However, only about half of the incident excitation light can be combined with the signal light (the other polarization component of the excitation light is discarded). Therefore, in this configuration, there is a problem that the signal light and the excitation light cannot be efficiently combined, and a high-power fundamental laser beam cannot be generated while maintaining the plane of polarization.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、偏波状態を保持しながら信号光を効率良く光増幅して、高出力の基本波レーザ光を生成することが可能な構成の光増幅器、レーザ装置、及び光源装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and has a configuration capable of efficiently amplifying signal light while maintaining a polarization state to generate high-power fundamental laser light. An object is to provide an optical amplifier, a laser device, and a light source device.

本発明を例示する第１の態様に従えば、入力される第１及び第２信号光の各々を、偏波状態を保持しつつ励起光に応じて増幅して出力する光増幅器であって、励起光を発生させる励起用光源と、第１信号光と励起光とを入力し、第１信号光と励起光の一方の偏波成分の光とを合波して、第１信号光の偏波状態を保持しつつ該合波した光と励起光の他方の偏波成分の光とを出力する第１光合波器と、第２信号光と第１光合波器からの他方の偏波成分の光とを入力して合波し、第２信号光の偏波状態を保持しつつ該合波した光を出力する第２光合波器と、第１光合波器から導入される合波した光に基づいて、偏波状態を保持しつつ第１信号光を増幅して出力する第１偏波保持光増幅媒体と、第２光合波器から導入される合波した光に基づいて、偏波状態を保持しつつ第２信号光を増幅して出力する第２偏波保持光増幅媒体とを備えたことを特徴とする光増幅器が提供される。なお、前記光合波器は、２本の光ファイバを溶融延伸して構成される溶融型の偏波保持ＷＤＭカプラを含むことが好ましい。また、偏波保持光増幅媒体が、希土類元素が添加された偏波保持光ファイバである構成も好ましい態様である。   According to a first aspect illustrating the present invention, an optical amplifier that amplifies and outputs each of input first and second signal lights according to pumping light while maintaining a polarization state, The excitation light source for generating the excitation light, the first signal light and the excitation light are input, the first signal light and the light of one polarization component of the excitation light are combined, and the first signal light is polarized. A first optical multiplexer that outputs the combined light and the light of the other polarization component of the pumping light while maintaining the wave state; and the other polarization component from the second signal light and the first optical multiplexer The second optical multiplexer that outputs the combined light while maintaining the polarization state of the second signal light, and the multiplexed light introduced from the first optical multiplexer The first polarization maintaining optical amplifying medium that amplifies and outputs the first signal light while maintaining the polarization state based on the light, and the combined light introduced from the second optical multiplexer. Optical amplifier is characterized in that a second polarization maintaining optical amplifying medium for amplifying and outputting a second signal light while maintaining the state is provided. The optical multiplexer preferably includes a melt-type polarization maintaining WDM coupler configured by melting and stretching two optical fibers. A configuration in which the polarization maintaining optical amplifying medium is a polarization maintaining optical fiber to which a rare earth element is added is also a preferable aspect.

本発明を例示する第２の態様に従えば、単一波長のパルス光である第１及び第２信号光をそれぞれ発生するレーザ光発生部と、上記いずれかの光増幅器とを備え、レーザ光発生部により発生された第１及び第２信号光とが、光増幅器により増幅されてそれぞれ出力されるように構成したことを特徴とするレーザ装置が提供される。   According to a second aspect of the present invention, the laser light generator includes the laser light generator that generates the first and second signal lights, which are single-wavelength pulse lights, and any one of the optical amplifiers described above. There is provided a laser apparatus characterized in that the first and second signal lights generated by the generating section are amplified by an optical amplifier and output respectively.

本発明を例示する第３の態様に従えば、上記構成のレーザ装置と、レーザ装置から出射された赤外〜可視領域の光を紫外領域の光に変換する波長変換部とを備え、レーザ装置から出射された光が波長変換部により紫外光に変換されて出力されるように構成したことを特徴とする光源装置が提供される。   According to a third aspect of the present invention, the laser device includes the laser device having the above-described configuration, and a wavelength conversion unit that converts infrared to visible light emitted from the laser device into ultraviolet light. There is provided a light source device characterized in that the light emitted from the light is converted into ultraviolet light by a wavelength converter and output.

本発明によれば、偏波面を保持しながら、励起光を有効利用して信号光の増幅を効率良く行うことができ、ひいてはレーザの高出力化を図ることが可能な構成の光増幅器、レーザ装置及び光源装置を提供することができる。   According to the present invention, an optical amplifier and a laser having a configuration capable of efficiently amplifying signal light by effectively using pumping light while maintaining the plane of polarization, and thereby achieving high output of the laser. An apparatus and a light source device can be provided.

本発明の適用例として示す光源装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the light source device shown as an example of application of this invention. 偏波保持光ファイバの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of a polarization maintaining optical fiber. 従来の方式による光増幅器を備えたレーザ装置の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus provided with the optical amplifier by a conventional system. 従来の方式による偏波保持型の光増幅器を備えたレーザ装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the laser apparatus provided with the polarization-maintaining optical amplifier by the conventional system.

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。本発明を適用した光源装置の概要構成を図１に示す。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. A schematic configuration of a light source device to which the present invention is applied is shown in FIG.

光源装置１は、大別的には、赤外〜可視領域の基本波レーザ光を出射するレーザ装置１０と、レーザ装置１０から出射された基本波レーザ光を紫外光に変換する波長変換部４０とを備え、出力端から紫外光が出力されるように構成される。   The light source device 1 is broadly divided into a laser device 10 that emits fundamental wave laser light in the infrared to visible region, and a wavelength conversion unit 40 that converts the fundamental wave laser light emitted from the laser device 10 into ultraviolet light. And ultraviolet light is output from the output end.

ここで、レーザ装置１０及び波長変換部４０の具体的な構成は、光源装置１の用途及び機能に応じて適宜な構成が用いられる。そこで、本実施形態では、マスク（レクチルとも称される）に形成されたパターンを半導体ウェハ等の基板に転写する露光装置に用いられる光源装置を例として、各部の構成について説明する。   Here, as the specific configurations of the laser device 10 and the wavelength conversion unit 40, appropriate configurations are used according to the application and function of the light source device 1. Therefore, in the present embodiment, the configuration of each part will be described by taking as an example a light source device used in an exposure apparatus that transfers a pattern formed on a mask (also referred to as a reticle) to a substrate such as a semiconductor wafer.

レーザ装置１０は、赤外〜可視領域における単一波長（例えばλ＝１．５４７［μｍ］）のパルス光（種光）を発生するレーザ光発生部１１と、レーザ光発生部１１により発生されたパルス光を増幅して出力する光増幅器２０とを備えて構成される。   The laser device 10 is generated by a laser light generator 11 that generates pulsed light (seed light) having a single wavelength (for example, λ = 1.547 [μm]) in the infrared to visible region, and the laser light generator 11. And an optical amplifier 20 that amplifies and outputs the pulsed light.

レーザ光発生部１１及び光増幅器２０は、レーザ装置の用途・機能に応じて適宜な発振波長、発振形態、増幅率のものが用いられる。露光装置のレーザ装置では、レーザ光発生部１１として、例えば、ＩｎＧａＡｓＰの分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ半導体レーザ）が用いられる。   As the laser light generator 11 and the optical amplifier 20, those having an appropriate oscillation wavelength, oscillation form, and amplification factor are used according to the application and function of the laser device. In the laser apparatus of the exposure apparatus, for example, an InGaAsP distributed feedback semiconductor laser (DFB semiconductor laser) is used as the laser light generator 11.

光増幅器２０は、光カプラ等によって分岐された光ファイバ１２，１３を介してレーザ光発生部１１に接続されている。光増幅器２０は、励起光（ポンプ光）を発生する励起用光源部２１と、レーザ光発生部１１からの信号光と励起用光源部２１からの励起光とを合波するための偏波保持型のＷＤＭカプラ（「ＰＭ−ＷＤＭカプラ」とも称する）２３，２４と、励起光のエネルギを信号光に移動させ光増幅させる偏波保持型の光増幅用ファイバ（「ＰＭ−ＥＤＦ」とも称する）２５，２６と、光増幅用ファイバ２５，２６から出射された光を平行光に変換するコリメータ２７，２８とを備えて構成されており、これらがシングルモード光ファイバ（「ＳＭＦ」とも称する）３１及び偏波保持光ファイバ（「ＰＭＦ」とも称する）３２，３３等を介して接続されている。   The optical amplifier 20 is connected to the laser beam generator 11 via optical fibers 12 and 13 branched by an optical coupler or the like. The optical amplifier 20 maintains a polarization for combining the excitation light source unit 21 that generates excitation light (pump light) and the signal light from the laser light generation unit 11 and the excitation light from the excitation light source unit 21. WDM couplers (also referred to as “PM-WDM couplers”) 23 and 24, and polarization-maintaining optical amplifying fibers (also referred to as “PM-EDFs”) that optically amplify the pumping light energy by moving it to the signal light. 25 and 26 and collimators 27 and 28 for converting the light emitted from the optical amplification fibers 25 and 26 into parallel light. These are single mode optical fibers (also referred to as “SMF”) 31. And polarization maintaining optical fibers (also referred to as “PMF”) 32, 33 and the like.

励起用光源部２１は、例えば半導体レーザ等を用いて構成されており、所定波長域（例えばλ＝１．４８０［μｍ］）の励起光Ｌｐをシングルモードで発振し、かかるシングルモードの励起光をＳＭＦ３１に入力する。ＳＭＦ３１の出力端はコネクタ２２を介してＰＭＦ３２の入力端に接続されている。   The excitation light source unit 21 is configured using, for example, a semiconductor laser or the like, oscillates excitation light Lp in a predetermined wavelength region (for example, λ = 1.480 [μm]) in a single mode, and the single mode excitation light. Is input to the SMF 31. The output end of the SMF 31 is connected to the input end of the PMF 32 via the connector 22.

偏波保持光ファイバ（ＰＭＦ）３２，３３の断面図を図２に示しており、本実施形態ではＰＡＮＤＡ型ファイバを例示している。この偏波保持光ファイバ３２，３３は、偏波保持機能を有するシングルモード光ファイバであり、中心のコア３２ａ（３３ａ）と、コアの両側に配置された断面円形状の一対の応力付与部３２ｂ（３３ｂ）と、これらを囲むクラッド３２ｃ（３３ｃ）とを備えて構成される。偏波保持光ファイバ３２，３３は、互いに直交する２つの偏波面をそれぞれ規定するｓｌｏｗ軸及びｆａｓｔ軸を有しており、ｓｌｏｗ軸方向に偏波する光とｆａｓｔ軸方向に偏波する光をその偏波面を保持しつつ伝播する。   A cross-sectional view of the polarization maintaining optical fibers (PMFs) 32 and 33 is shown in FIG. 2, and a PANDA type fiber is exemplified in this embodiment. The polarization maintaining optical fibers 32 and 33 are single mode optical fibers having a polarization maintaining function, and a central core 32a (33a) and a pair of stress applying portions 32b having a circular cross section disposed on both sides of the core. (33b) and a clad 32c (33c) surrounding them. The polarization-maintaining optical fibers 32 and 33 have a slow axis and a fast axis that define two orthogonal polarization planes, respectively, and light polarized in the slow axis direction and light polarized in the fast axis direction. Propagating while maintaining the plane of polarization.

偏波保持型のＷＤＭカプラ２３，２４は、例えば２本のＰＡＮＤＡファイバの偏波軸をあわせて並列し、加熱・延伸することにより形成された溶融型の光合波器である。第１ＷＤＭカプラ２３において、入力ポートＡにはレーザ光発生部１１から分岐された一方の信号光が入力され、入力ポートＢには偏波保持光ファイバ３２を伝播した励起光が入力される。   The polarization-maintaining WDM couplers 23 and 24 are, for example, melting type optical multiplexers formed by aligning the polarization axes of two PANDA fibers in parallel, heating and stretching. In the first WDM coupler 23, one signal light branched from the laser light generation unit 11 is input to the input port A, and the excitation light propagated through the polarization maintaining optical fiber 32 is input to the input port B.

このとき、第１ＷＤＭカプラ２３では、入力される光の偏波特性の違いによって光を合波する。入力ポートＢから入力された励起光Ｌｐのうち一方の偏波成分の光（ｓｌｏｗ軸方向に偏波する光）については、入力ポートＡから入力された信号光Ｌｓ１と合波して出力ポートＣから第１光増幅用ファイバ２５へ出力する。一方、入力ポートＢから入力された励起光Ｌｐのうち他方の偏波成分の光（ｆａｓｔ軸方向に偏波する光）については、入力ポートＡから入力された信号光Ｌｓ１とは合波されず、そのまま出力ポートＤから出力される。ここで従来においては、第１ＷＤＭカプラ２３で信号光と合波されなかった励起光のみを出力する出力ポート（ポートＤ）については無反射終端処理等がなされて、所謂、捨て光として処理されていた。そのため、「発明が解決しようとする課題」においても述べたように、励起光のうちの半分程度しか信号光と合波できず、信号光を効率良く増幅することができないという問題があった。 At this time, the first WDM coupler 23 multiplexes the light according to the difference in the polarization characteristics of the input light. Of the pumping light Lp input from the input port B, the light of one polarization component (light polarized in the slow axis direction) is combined with the signal light Ls 1 input from the input port A and output. Output from C to the first optical amplification fiber 25. On the other hand, the other polarization component light (light polarized in the fast axis direction) of the excitation light Lp input from the input port B is combined with the signal light Ls 1 input from the input port A. Instead, it is output from the output port D as it is. Conventionally, the output port (port D) that outputs only the pumping light that has not been combined with the signal light by the first WDM coupler 23 is subjected to non-reflection termination processing or the like, and is processed as so-called discarded light. It was. Therefore, as described in “Problems to be solved by the invention”, only about half of the excitation light can be combined with the signal light, and the signal light cannot be efficiently amplified.

そこで、このような不具合を是正するために本実施形態においては、第１ＷＤＭカプラ２３の出力ポートＤを、偏波保持光ファイバ３３を介して第２ＷＤＭカプラ２４の入力ポートに繋いで、出力ポートＤから出力される他方の偏波成分の光（ｆａｓｔ軸方向に偏波する光）を第２ＷＤＭカプラ２４においてレーザ光発生部１１から分岐されたもう一方の信号光Ｌｓ２と合波させて、第２光増幅用ファイバ２６に出力する構成としている。 Accordingly, in order to correct such a problem, in the present embodiment, the output port D of the first WDM coupler 23 is connected to the input port of the second WDM coupler 24 via the polarization maintaining optical fiber 33, and the output port D The other polarization component light (light polarized in the fast axis direction) output from the second WDM coupler 24 is combined with the other signal light Ls 2 branched from the laser light generation unit 11 in the second WDM coupler 24, It is configured to output to the two optical amplification fiber 26.

これにより、レーザ光発生部１１から出力された第１の信号光Ｌｓ１は第１ＷＤＭカプラ２３によってｓｌｏｗ軸の偏波成分を持つ励起光と合波され、第１光増幅用ファイバ２５へ入射される。また、レーザ光発生部１１から出力された第２の信号光Ｌｓ２は第２ＷＤＭカプラ２４によってｆａｓｔ軸の偏波成分を持つ励起光と合波され、第２光増幅用ファイバ２６へ入射される。したがって、励起用光源部２１から出力された励起光を２つのＷＤＭカプラ２３，２４により無駄なく信号光と合波させることができるため、励起用光源部２１から出力される励起光を効率良く利用することができる（励起光のパワーを必要以上に高くしなくてもよい）。 As a result, the first signal light Ls 1 output from the laser light generator 11 is combined with the pumping light having the slow axis polarization component by the first WDM coupler 23, and is incident on the first optical amplification fiber 25. The The second signal light Ls 2 output from the laser light generator 11 is combined with the pump light having the fast axis polarization component by the second WDM coupler 24 and is incident on the second optical amplification fiber 26. . Therefore, since the excitation light output from the excitation light source unit 21 can be combined with the signal light without waste by the two WDM couplers 23 and 24, the excitation light output from the excitation light source unit 21 is efficiently used. (It is not necessary to increase the power of the pumping light more than necessary).

光増幅用ファイバ２５，２６は、ＰＡＮＤＡ型もしくは楕円クラッド型の偏波保持光ファイバのコア部にエルビウムを添加した光増幅媒体（ＰＭ−ＥＤＦ）であり、伝播する光（ｓｌｏｗ軸方向もしくはｆａｓｔ軸方向に偏波した光）の偏波状態を保持する偏波保持機能と光増幅機能とを兼ね備えている。   The optical amplification fibers 25 and 26 are optical amplification media (PM-EDF) in which erbium is added to the core portion of a polarization maintaining optical fiber of PANDA type or elliptical clad type, and propagate light (slow axis direction or fast axis). Polarization maintaining function and optical amplification function are maintained.

ＷＤＭカプラ２３，２４を介して励起光が光増幅用ファイバ２５，２６に入射すると、コア部に添加されたエルビウム（Ｅｒ）イオンが励起され、この励起状態にあるＥｒイオンに蓄えられたエネルギは、ＷＤＭカプラ２３，２４を介して波長λの信号光が入射されると、誘導放出によって同じ波長（λ）の光に転化され光増幅作用を生じる。   When excitation light enters the optical amplification fibers 25 and 26 via the WDM couplers 23 and 24, erbium (Er) ions added to the core are excited, and the energy stored in the Er ions in this excited state is When the signal light having the wavelength λ is incident through the WDM couplers 23 and 24, the signal light is converted into light having the same wavelength (λ) by stimulated emission, thereby causing an optical amplification action.

光増幅用ファイバ２５，２６において誘導放出により光増幅された信号光はコリメータ２７，２８を介してそれぞれ平行光であるレーザ光Ｌｒ１，Ｌｒ２として波長変換部４０へ出力される。 The signal light amplified by stimulated emission in the optical amplification fibers 25 and 26 is output to the wavelength conversion unit 40 as collimated laser beams Lr 1 and Lr 2 via the collimators 27 and 28, respectively.

このように、光増幅部２０おいては、光結合器（ＷＤＭカプラ）における励起光の損失を低減して、レーザ光発生部１１からの信号光を効率良く増幅することができるため、高いパワー（高ピークパワー）の基本波レーザ光を出力することができる。   As described above, in the optical amplifying unit 20, the loss of pumping light in the optical coupler (WDM coupler) can be reduced and the signal light from the laser light generating unit 11 can be efficiently amplified. (High peak power) fundamental laser light can be output.

波長変換部４０は、レーザ光発生部１１から出射され光増幅器２０により増幅された基本波レーザ光Ｌｒを、所定波長の紫外光に波長変換する。レーザ装置１においては、レーザ装置１０から出射された波長λ＝１．５４７［μｍ］の基本波レーザ光を、複数の波長変換光学素子によって順次波長変換し、最終的に基本波の８倍波（第８次高調波）でＡｒＦエキシマレーザと同一波長である波長λ＝１９３［μｍ］の紫外光を出力する。   The wavelength converter 40 converts the wavelength of the fundamental laser beam Lr emitted from the laser beam generator 11 and amplified by the optical amplifier 20 into ultraviolet light having a predetermined wavelength. In the laser device 1, the fundamental laser beam having the wavelength λ = 1.547 [μm] emitted from the laser device 10 is sequentially wavelength-converted by a plurality of wavelength conversion optical elements, and finally the eighth harmonic wave of the fundamental wave. Ultraviolet light having a wavelength λ = 193 [μm], which is the same wavelength as the ArF excimer laser, is output at the (8th harmonic).

このように、赤外領域（あるいは可視領域）の基本波レーザ光を紫外光に波長変換する波長変換部４０の構成（波長変換光学素子の種別や組み合わせ）には、種々の公知の形態がある。本実施形態では、波長変換部の一例として、レーザ装置１０において、１つのレーザ光源（レーザ光発生部）１１から出射された基本波レーザ光を２つに分岐して各々を光増幅器２０により増幅し、増幅された２つの基本波レーザ光Ｌｒ（Ｌｒ１，Ｌｒ２）を波長変換部４０に入射させて、基本波、２倍波（λ＝７７３［ｎｍ］）、３倍波（λ＝５１５［ｎｍ］）及び５倍波（λ＝３０９［ｎｍ］）を生成し、これらの和周波発生により７倍波（λ＝２２１ｎｍ［ｎｍ］）、８倍波（λ＝１９３「ｎｍ」）を発生される構成例を図１に示している。 As described above, there are various known configurations for the configuration (type and combination of wavelength conversion optical elements) of the wavelength conversion unit 40 that converts the wavelength of the fundamental laser beam in the infrared region (or visible region) into ultraviolet light. . In the present embodiment, as an example of the wavelength conversion unit, in the laser device 10, the fundamental laser light emitted from one laser light source (laser light generation unit) 11 is branched into two and each is amplified by the optical amplifier 20. Then, the two amplified fundamental laser beams Lr (Lr 1 , Lr 2 ) are made incident on the wavelength conversion unit 40, and the fundamental wave, the second harmonic (λ = 773 [nm]), and the third harmonic (λ = 515 [nm]) and 5th harmonic (λ = 309 [nm]) are generated, and their sum frequency generation generates 7th harmonic (λ = 221 nm [nm]), 8th harmonic (λ = 193 “nm”) FIG. 1 shows a configuration example for generating the above.

まず、第２の基本波レーザ光Ｌｒ２は、レンズ５５により波長変換光学素子４４に集光入射され、第２高調波発生（ＳＨＧ）により周波数が基本波（ω）の２倍、波長λが半分の２倍波を発生させる。波長変換光学素子４４としては、例えば、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶等が用いられる。 First, the second fundamental laser beam Lr 2 is focused and incident on the wavelength conversion optical element 44 by the lens 55, and the second harmonic generation (SHG) has a frequency twice that of the fundamental wave (ω) and a wavelength λ. Generate half the second harmonic. As the wavelength conversion optical element 44, for example, a PPLN crystal, a PPLT crystal, a PPKTP crystal, an LBO crystal, or the like is used.

波長変換光学素子４４から射出した基本波と２倍波は、ダイクロイックミラー６１に入射され、基本波は透過し、２倍波は反射される。ダイクロイックミラー６１を透過した基本波は、レンズ５６を通ってミラー６２で反射され、ダイクロイックミラー６４に入射する。ダイクロイックミラー６１で反射された２倍波は、ミラー６３で反射されレンズ５７を通った後、ダイクロイックミラー６４で反射され、分岐されていた基本波とほぼ同軸上に合成されてダイクロイックミラー６５に入射される。なお、第２の基本波レーザＬｒ２の光路において、ダイクロイックミラー６１により基本波と２倍波を分岐しているが、このようにすることで波長変換効率及びビームの品質を向上することができる。 The fundamental wave and the second harmonic wave emitted from the wavelength conversion optical element 44 are incident on the dichroic mirror 61, the fundamental wave is transmitted, and the second harmonic wave is reflected. The fundamental wave that has passed through the dichroic mirror 61 passes through the lens 56, is reflected by the mirror 62, and enters the dichroic mirror 64. The double wave reflected by the dichroic mirror 61 is reflected by the mirror 63, passes through the lens 57, is reflected by the dichroic mirror 64, and is synthesized almost coaxially with the branched fundamental wave and enters the dichroic mirror 65. Is done. Note that, in the optical path of the second fundamental wave laser Lr 2 , the fundamental wave and the second harmonic wave are branched by the dichroic mirror 61. By doing so, the wavelength conversion efficiency and the beam quality can be improved. .

一方、第１の基本波レーザ光Ｌｒ１は、レンズ５１により波長変換光学素子４１に集光入射され、第２高調波発生により２倍波を発生させる。波長変換光学素子４１から射出した基本波と２倍波は、レンズ５２により波長変換光学素子４２に集光入射される。波長変換光学素子４２では、基本波と２倍波による和周波発生（ω＋２ω）が行われて、３倍波（３ω）が発生される。 On the other hand, the first fundamental laser beam Lr 1 is focused and incident on the wavelength conversion optical element 41 by the lens 51 and generates a second harmonic by the second harmonic generation. The fundamental wave and the second harmonic wave emitted from the wavelength conversion optical element 41 are condensed and incident on the wavelength conversion optical element 42 by the lens 52. In the wavelength conversion optical element 42, the sum frequency generation (ω + 2ω) by the fundamental wave and the second harmonic is performed, and the third harmonic (3ω) is generated.

更に、波長変換光学素子４２から射出した２倍波及び３倍波は、レンズ５３により波長変換光学素子４３に集光入射され、和周波発生（２ω＋３ω）により５倍波（５ω）を発生させる。   Further, the second harmonic and the third harmonic emitted from the wavelength conversion optical element 42 are condensed and incident on the wavelength conversion optical element 43 by the lens 53, and a fifth harmonic (5ω) is generated by sum frequency generation (2ω + 3ω).

これらの波長変換光学素子４１，４２，４３は、例えば、２倍波発生用の波長変換光学素子４１として、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶、ＬＢＯ結晶等、３倍波発生用の波長変換光学素子４２として、ＬＢＯ結晶、ＰＰＬＮ結晶、ＰＰＬＴ結晶、ＰＰＫＴＰ結晶等、５倍波発生用の波長変換光学素子４３として、ＢＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶等が用いられる。   These wavelength conversion optical elements 41, 42, and 43 are, for example, wavelength conversion optical elements for generating third harmonics, such as PPLN crystals, PPLT crystals, PPKTP crystals, LBO crystals, etc. As the element 42, a BBO crystal, an LBO crystal, or the like is used as the wavelength converting optical element 43 for generating a fifth harmonic wave, such as an LBO crystal, a PPLN crystal, a PPLT crystal, or a PPKTP crystal.

波長変換光学素子４３から射出した５倍波は、レンズ５４を通った後、ダイクロイックミラー６５に入射される。ダイクロイックミラー６５は、基本波、２倍波を透過し、５倍波を反射するように構成されており、波長変換光学素子４３により発生されダイクロイックミラー６５に入射した５倍波と、波長変換光学素子４４から射出されてダイクロイックミラー６５に入射した基本波及び２倍波とがほぼ同軸上に合成される。   The fifth harmonic wave emitted from the wavelength conversion optical element 43 passes through the lens 54 and then enters the dichroic mirror 65. The dichroic mirror 65 is configured to transmit the fundamental wave, the second harmonic wave, and reflect the fifth harmonic wave, the fifth harmonic wave generated by the wavelength conversion optical element 43 and incident on the dichroic mirror 65, and the wavelength conversion optics. The fundamental wave and the second harmonic wave that are emitted from the element 44 and incident on the dichroic mirror 65 are synthesized almost coaxially.

このように同軸上に合成した基本波、２倍波及び５倍波を、波長変換光学素子４５に入射させる。ここで、基本波、２倍波、５倍波の各光路には各レンズ５６，５７，５４が設けられており、同軸上に合成された各波長の光が波長変換光学素子４５に集光入射するようになっている。波長変換光学素子４５では、２倍波と５倍波による和周波発生（２ω＋５ω）が行われ７倍波（７ω）が発生される。波長変換光学素子４５からは、この波長変換光学素子４５により発生された７倍波とともに、波長変換光学素子４５を透過した上記各波長の光が出射される。７倍波を発生させる波長変換光学素子４５として、ＣＬＢＯ結晶、ＢＢＯ結晶等が用いられる。   The fundamental wave, the second harmonic wave, and the fifth harmonic wave synthesized on the same axis as described above are incident on the wavelength conversion optical element 45. Here, lenses 56, 57, and 54 are provided in the optical paths of the fundamental wave, the second harmonic wave, and the fifth harmonic wave, and light of each wavelength synthesized on the same axis is condensed on the wavelength conversion optical element 45. Incident. In the wavelength conversion optical element 45, the sum frequency generation (2ω + 5ω) by the second harmonic and the fifth harmonic is performed, and the seventh harmonic (7ω) is generated. The wavelength conversion optical element 45 emits the light of each wavelength transmitted through the wavelength conversion optical element 45 together with the seventh harmonic wave generated by the wavelength conversion optical element 45. As the wavelength conversion optical element 45 that generates the seventh harmonic wave, a CLBO crystal, a BBO crystal, or the like is used.

これらの光は、波長変換光学素子４６に入射し、ここで基本波と７倍波が和周波発生（ω＋７ω）により合成され、波長１９３［ｎｍ］の８倍波（８ω）が発生される。８倍波を発生させる波長変換光学結晶４６として、ＣＬＢＯ結晶、ＬＢＯ結晶等が用いられる。なお、波長変換光学素子４６からは、この波長変換光学素子４６により発生された８倍波以外に、波長変換光学素子４６を透過した基本波、２倍波等の他の波長成分の光が出射されるが、波長変換部４０（光源装置１）から８倍波のみを出力させる場合には、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ、プリズムを使用することにより、これらを分離すればよい。   These lights are incident on the wavelength conversion optical element 46, where the fundamental wave and the seventh harmonic are synthesized by sum frequency generation (ω + 7ω), and an eighth harmonic (8ω) having a wavelength of 193 [nm] is generated. A CLBO crystal, an LBO crystal, or the like is used as the wavelength conversion optical crystal 46 that generates an eighth harmonic wave. In addition to the eighth harmonic wave generated by the wavelength conversion optical element 46, the wavelength conversion optical element 46 emits light of other wavelength components such as a fundamental wave and a second harmonic wave transmitted through the wavelength conversion optical element 46. However, when only the 8th harmonic wave is output from the wavelength converter 40 (light source device 1), these may be separated by using a dichroic mirror, a polarization beam splitter, and a prism.

このようにして、レーザ装置１０から出力された波長１．５４７［μｍ］の基本波レーザ光（Ｌｒ１，Ｌｒ２）が波長変換部４０により順次波長変換され、波長変換部４０から波長１９３［ｎｍ］の紫外光Ｌｖが出力される。このとき、光源装置１においては、レーザ光発生部１１からの種光が光増幅器２０によって高ピークパワーのレーザ光に増幅されて波長変換部４０に入射されるため、波長変換部４０において高い波長変換効率を得ることができ、光源装置１から高出力のレーザ光（紫外光）を生成することが可能になる。 In this way, the fundamental wave laser light (Lr 1 , Lr 2 ) having a wavelength of 1.547 [μm] output from the laser device 10 is sequentially wavelength-converted by the wavelength conversion unit 40, and the wavelength conversion unit 40 outputs the wavelength 193 [ nm] ultraviolet light Lv is output. At this time, in the light source device 1, the seed light from the laser light generation unit 11 is amplified to a high peak power laser light by the optical amplifier 20 and is incident on the wavelength conversion unit 40. Conversion efficiency can be obtained, and high-power laser light (ultraviolet light) can be generated from the light source device 1.

以上説明したように、本実施形態の光増幅器２０、レーザ装置１０、及び光源装置１によれば、レーザ光発生部１１からの信号光を、その偏波状態を保持しながら励起光を有効利用して光増幅を効率良く行うことができ、ひいてはレーザの高出力化を図ることが可能になる。   As described above, according to the optical amplifier 20, the laser device 10, and the light source device 1 of this embodiment, the signal light from the laser light generation unit 11 is effectively used while maintaining the polarization state. Thus, the optical amplification can be performed efficiently, and as a result, the output of the laser can be increased.

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、光源装置１からの紫外光Ｌｖの波長は１９３ｎｍに限定されるものではなく、ＫｒＦエキシマレーザやＦ２レーザ等と同様の波長帯域であってもよい。さらに、本発明による光源装置の適用例としては露光装置に限らず、各種の光学式検査装置や、レーザ治療装置など、他の種々の装置においても用いることができる。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to this embodiment. For example, the wavelength of the ultraviolet light Lv from the light source device 1 is not limited to 193 nm, and may be the same wavelength band as that of a KrF excimer laser, an F 2 laser, or the like. Further, the application example of the light source device according to the present invention is not limited to the exposure apparatus, and can be used in various other apparatuses such as various optical inspection apparatuses and laser treatment apparatuses.

また、上述の実施形態においては、光増幅用ファイバを、エルビウムをコア部に添加して構成された偏波保持型のエルビウム添加光ファイバ（ＰＭ−ＥＤＦ）を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、エルビウム以外の他の希土類元素を添加した偏波保持型の光増幅用ファイバとして構成してもよい。   In the above-described embodiment, the optical amplification fiber has been described by exemplifying the polarization maintaining type erbium-doped optical fiber (PM-EDF) configured by adding erbium to the core portion. For example, it may be configured as a polarization-maintaining optical amplification fiber to which a rare earth element other than erbium is added.

１ 光源装置
１０ レーザ装置
１１ レーザ光発生部
２０ 光増幅器
２１ 励起用光源部
２３ 第１ＷＤＭカプラ
２４ 第２ＷＤＭカプラ
２５ 第１光増幅用ファイバ
２６ 第２光増幅用ファイバ
４０ 波長変換部
Ｌｓ１ 第１信号光
Ｌｓ２ 第２信号光
Ｌｐ 励起光
Ｌｒ 基本波レーザ光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source device 10 Laser apparatus 11 Laser light generation part 20 Optical amplifier 21 Excitation light source part 23 1st WDM coupler 24 2nd WDM coupler 25 1st optical amplification fiber 26 2nd optical amplification fiber 40 Wavelength conversion part Ls 1 1st signal Light Ls 2 Second signal light Lp Excitation light Lr Fundamental laser light

Claims (5)

入力される第１及び第２信号光の各々を、偏波状態を保持しつつ励起光に応じて増幅して出力する光増幅器であって、
励起光を発生させる励起用光源と、
前記第１信号光と前記励起光とを入力し、前記第１信号光と前記励起光の一方の偏波成分の光とを合波して、前記第１信号光の偏波状態を保持しつつ該合波した光と前記励起光の他方の偏波成分の光とを出力する第１光合波器と、
前記第２信号光と前記第１光合波器からの前記他方の偏波成分の光とを入力して合波し、前記第２信号光の偏波状態を保持しつつ該合波した光を出力する第２光合波器と、
前記第１光合波器から導入される前記合波した光に基づいて、偏波状態を保持しつつ前記第１信号光を増幅して出力する第１偏波保持光増幅媒体と、
前記第２光合波器から導入される前記合波した光に基づいて、偏波状態を保持しつつ前記第２信号光を増幅して出力する第２偏波保持光増幅媒体とを備えたことを特徴とする光増幅器。 An optical amplifier that amplifies and outputs each of the input first and second signal lights in accordance with the excitation light while maintaining the polarization state,
An excitation light source for generating excitation light;
The first signal light and the excitation light are input, and the first signal light and the light of one polarization component of the excitation light are combined to maintain the polarization state of the first signal light. A first optical multiplexer that outputs the combined light and the light of the other polarization component of the excitation light,
The second signal light and the other polarization component light from the first optical multiplexer are input and multiplexed, and the combined light is maintained while maintaining the polarization state of the second signal light. A second optical multiplexer for outputting;
A first polarization maintaining optical amplifying medium for amplifying and outputting the first signal light while maintaining a polarization state based on the combined light introduced from the first optical multiplexer;
A second polarization maintaining optical amplifying medium that amplifies and outputs the second signal light while maintaining a polarization state based on the combined light introduced from the second optical multiplexer; An optical amplifier characterized by. 前記光合波器は、２本の光ファイバを溶融延伸して構成される溶融型の偏波保持ＷＤＭカプラを含むことを特徴とする請求項１に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 1, wherein the optical multiplexer includes a fusion-type polarization maintaining WDM coupler configured by melting and stretching two optical fibers. 前記偏波保持光増幅媒体が、希土類元素が添加された偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅器。   The optical amplifier according to claim 1, wherein the polarization maintaining optical amplifying medium is a polarization maintaining optical fiber to which a rare earth element is added. 単一波長のパルス光である第１及び第２信号光をそれぞれ発生するレーザ光発生部と、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の光増幅器とを備え、
前記レーザ光発生部により発生された前記第１及び前記第２信号光とが、前記光増幅器により増幅されてそれぞれ出力されるように構成したことを特徴とするレーザ装置。 A laser light generator for generating first and second signal lights, each of which is pulse light having a single wavelength;
The optical amplifier according to any one of claims 1 to 3,
The laser device, wherein the first signal light and the second signal light generated by the laser light generation unit are amplified by the optical amplifier and output, respectively. 請求項４に記載のレーザ装置と、
前記レーザ装置から出射された赤外〜可視領域の光を紫外領域の光に変換する波長変換部とを備え、
前記レーザ装置から出射された光が前記波長変換部により紫外光に変換されて出力されるように構成したことを特徴とする光源装置。 A laser device according to claim 4;
A wavelength conversion unit that converts light in the infrared to visible region emitted from the laser device into light in the ultraviolet region;
A light source device characterized in that light emitted from the laser device is converted into ultraviolet light by the wavelength converter and output.
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