JP4532378B2 - レーザ光源運用方法 - Google Patents
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Description
上記、各種用途に使用されるレーザの中で、特に短波長が要求される用途には深紫外域でのレーザが用いられる。しかし、深紫外域では、レーザ媒質の制限、励起源の制限があり、レーザ発振が困難になる。そこで、この深紫外域のレーザ光源としては、比較的安定な近赤外から可視域のレーザ出力を波長変換する方法を用いるものが多い。すなわち、非線形結晶を用いた高調波発生や和周波発生を利用する方法である。
高調波発生の場合は、周波数ωのレーザ光を非線形光学結晶に入力することにより、周波数が2ωや3ωなどの、整数倍の周波数のレーザ出力、すなわち入力波長λに対し、λ/2やλ/3と短くなった波長のレーザ出力を得ることができる。
また、和周波発生の場合には、異なる2つの周波数であるω1とω2の周波数のレーザ光を非線形結晶に入力することにより、周波数がω3(=ω1+ω2)であるレーザ出力、すなわち、入力波長λ1とλ2に対し、1/λ3=1/λ1+1/λ2の関係を満たす、入力波長λ1とλ2のいずれの波長よりも短いλ3の波長のレーザ出力を得ることができる。
例えば、別途行われた損傷評価結果に基づき、一定時間を設け、レーザ光源の使用時間がその時間を越えた場合、結晶を移動させるという運用方法をとっている。しかし、この運用方法では、通常、損傷に対する十分なマージンを設定するため、現実にはレーザ出力の劣化が生じていないにも関わらず結晶を移動することになり、高価な非線形結晶の寿命を有効に利用できないという問題がある。また、結果的にレーザ装置のメンテナンス頻度が上がり、レーザ装置の効率的活用が図れないという問題も生ずる。
2波長のレーザ光を非線形結晶に入力して和周波の波長を出力する波長変換装置を備えるレーザ光源の運用方法であって、
前記レーザ光源による和周波の波長の出力光の試料への照射を前記非線形結晶の損傷状態をモニタするために中断するステップ、
前記2波長のレーザ光のうち、一方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、
前記和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、前記一方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
予め決定された結晶損傷程度の限界を示す散乱光の強度の閾値と、前記測定により得られた測定値を比較することにより、前記非線形結晶の損傷状態を判断するステップとを有することを特徴とする。
2波長のレーザ光を非線形結晶に入力して和周波の波長を出力する波長変換装置を備えるレーザ光源の運用方法であって、
前記レーザ光源による和周波の波長の出力光の試料への照射を前記非線形結晶の損傷状態をモニタするために中断するステップ、
前記2波長のレーザ光のうち、一方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、
前記和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、前記一方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
前記一方の波長のレーザ光と異なる、他方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、
前記和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、前記他方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
予め決定された結晶損傷程度の限界を示す散乱光の強度の閾値と、前記一方の波長のレーザ光の散乱光の強度の測定の結果および前記他方の波長のレーザ光の散乱光の強度の測定の結果の双方を比較することにより、前記非線形結晶の損傷状態を判断するステップとを有することを特徴とする。
まず、本発明の実施の形態1として、2波長のレーザ光を非線形結晶に入力して和周波の波長を出力する波長変換装置を備えるレーザ光源の運用方法であって、レーザ光源の定常使用を任意の間隔をおいて中断するステップ、2波長のレーザ光のうち、一方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、一方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
散乱光の強度の測定により得られた測定値に基づき、前記非線形結晶の損傷状態を判断するステップとを有することを特徴とするレーザ光源運用方法について説明する。
図1は、実施の形態1の運用方法で運用されるレーザ光源およびその光源を備えるレーザ装置の構成を示す概念図である。
本実施の形態のレーザ装置100はレーザ光源101を備えている。レーザ光源101は、λ1の波長のレーザ光を発生する第1のレーザ発振器2、λ2の波長のレーザ光を発生する第2のレーザ発振器3、第1のレーザ発振器2から出力される波長λ1のレーザ光を遮断する第1のシャッター9、第2のレーザ発振器3から出力される波長λ2のレーザ光を遮断する第2のシャッター10、入力された波長λ1とλ2のレーザ光の和周波混合により波長λ3のレーザ光を発生させるための波長変換素子である非線形結晶1、非線形結晶1に損傷が発生した場合に結晶を移動させる微動装置7を具備している。
また、本実施の形態のレーザ装置100は、レーザ光源101から出力されたλ3のレーザ光の光軸上に配置される受光センサ4、受光センサ4で得られた測定値に基づき非線形結晶の損傷状態を判断する判断回路5、レーザ光源101から出力されたλ3のレーザ光が照射される被照射試料6、被照射試料へのレーザ光照射時に光路を変化させる可動式のミラー8を備えている。
図1では、本実施の形態1を説明する上で必要な構成部分以外については記載を省略している。レーザ装置100およびレーザ光源101には、通常、必要なその他の構成が含まれることは言うまでもない。
図2は、上記レーザ光源の運用方法を説明する図面である。
レーザ光源の定常使用(被照射試料6へのレーザ出力光照射による検査・測定・加工等のルーチン使用)を、非線形結晶1の損傷状態をモニタするために、任意の間隔をおいて中断する。例えば、モニタのための中断というのは、各使用ごと、数回〜数十回の使用ごと、あるいは、レーザ光源使用の一定の積算時間ごとに、モニタを行うために中断してもよい。
非線形結晶1の損傷状態をモニタする際に、入力されるλ1とλ2の2波長のレーザ光のうち、一方、ここではλ1の波長のレーザ光を、第1のシャター9により遮断する。この場合、λ2の波長のレーザ光が非線形結晶1に入力されても、和周波の波長λ3のレーザ出力光は発生しないため、通常は、λ3のレーザ出力光の光軸上に設置された受光センサ4に入力される光の強度はゼロである。もっとも、非線形結晶1は、レーザ光源の使用中に入出力される光や、周辺水分による損傷が生じやすい。そして、結晶の損傷とは、結晶格子の歪や結晶の非晶質化であることから、損傷部にλ2の波長のレーザ光が入力されると、損傷部から回りに対して散乱光が発生する。そのため、受光センサ4に対しても、この散乱光が入力されることになる。この散乱光の強度は、非線形結晶1の損傷度合いと正の相関関係を有する。したがって、予め結晶損傷程度の限界を示す散乱光の強度を閾値として決定しておくことにより、受光センサ4の測定値をもとに、非線形結晶1の移動時期を判断回路5において判断することが可能となる。そして、判断回路5において、非線形結晶1の移動時期であると判断されれば、微動装置7を用いて、入力される2波長のレーザ光が結晶の損傷のない領域に受光されるよう、非線形結晶1の位置を移動する。そして、損傷のない領域が非線形結晶1に、もはや存在しない場合には、非線形結晶1を交換する。
また、一方のレーザ光のみでなく、両方の波長の散乱光を交互に受光センサ4でモニタし、両方の測定結果に基づき、結晶の移動時期を判断するほうが、情報量が多くなり、判定精度があがるためより望ましい。
本実施の形態により、従来のレーザ出力光のモニタでは、散乱光の影響で精度が上がらなかった非線形結晶の損傷判断が、散乱光の強度のみに基づいて判断するという運用方法により、より高い精度でできるようになる。そして、高い精度での損傷判断により、非線形結晶を移動させることで、従来に比べ、レーザ光をより安定に供給することが可能になる。また、通常、レーザ光源から出力されるレーザ光の強度をモニタする受光センサは、レーザ装置に備わっているため、本実施の形態の運用方法を適用するに際し、あらたな受光センサを設ける必要はなく、装置構成を複雑化させることもない。
次に、本発明の実施の形態2として、2波長のレーザ光を非線形結晶に入力して和周波の波長を出力する波長変換装置を備えるレーザ光源の運用方法であって、レーザ光源の定常使用を任意の間隔をおいて自動的に中断し、入力される2波長のレーザ光のうち、一方の波長のレーザ光のみを非線形結晶に入力するステップと、和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、一方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップと、散乱光の測定により得られた測定値に基づき、非線形結晶の損傷状態を判断するステップと、入力されるレーザ光が、非線形結晶の損傷のない領域で受光されるよう非線形結晶を自動的に移動させるステップを有するレーザ光源運用方法について説明する。
図3は、実施の形態2の運用方法で運用されるレーザ光源およびその光源を備えるレーザ装置の構成を示す概念図である。
判断回路5から入力を受け、自動的に微動装置7を制御する微動装置制御回路11、第1のシャター9,第2のシャター10を制御するシャター遮断回路17を備える点において実施の形態1と異なっている。
(効果)
次に、本発明の実施の形態3として、波長変換素子である非線形結晶と、非線形結晶を一定温度に保つヒーターを有する波長変換装置を備えるレーザ光源運用方法であって、ヒーターへの供給電力を測定するステップ、供給電力の測定により得られた測定値に基づき、前記非線形結晶の損傷状態を判断するステップとを有することを特徴とするレーザ光源運用方法について説明する。
図4は、実施の形態3の運用方法で運用されるレーザ光源およびその光源を備えるレーザ装置の構成を示す概念図である。
本実施の形態のレーザ装置100はレーザ光源101を備えている。レーザ光源101は、λ1の波長のレーザ光を発生する第1のレーザ発振器2、λ2の波長のレーザ光を発生する第2のレーザ発振器3、波長λ1とλ2のレーザ光の和周波混合により波長λ3のレーザ光を発生させるための波長変換素子である非線形結晶1、非線形結晶1に損傷が発生した場合に結晶を移動させる微動装置7を具備している。さらに、非線形結晶1の周辺水分の吸湿による損傷を防止し、かつ、レーザ出力光の特性の温度による変動を抑制するため、非線形結晶1を一定温度に保つためのヒーター13、温度センサ12を備えている。
また、本実施の形態のレーザ装置100は、非線形結晶1の温度保持機構として、温度センサ12からの情報に基づき、ヒーター13の温度をコントロールする温度制御回路14と、ヒーター13への電力供給源である電源15を備えている。また、ヒーター13への供給電力をモニタする電力計16と、電力計16から得られた測定値に基づき非線形結晶の損傷状態を判断する判断回路5、レーザ光源101から出力されたλ3のレーザ光が照射される被照射試料6、被照射試料6へのレーザ光照射時に光路を変化させるミラー8を備えている。
図4では、本実施の形態3を説明する上で必要な構成部分以外については記載を省略している。レーザ装置100およびレーザ光源101には、通常、必要なその他の構成が含まれることは言うまでもない。
通常、非線形結晶1においては、入力光の一部が熱に変換されるため、ヒーター15への供給電力と入力光のパワーは一定の負の相関関係を有している。図5は、非線形結晶1に入力される2つの波長のレーザ光の一方のパワーを固定し、他方のパワーを変動させてレーザ出力光のパワーを制御する場合の、入力光のパワーとヒーターへの供給電力の関係を示す模式図である。図の黒丸に非線形結晶1に損傷が生じていない場合の両者の関係を示す。図からも明らかなように、入力光のパワーをあげると、非線形結晶1の温度を一定に保つために必要なヒーターへの供給電力量は減少する。もっとも、レーザ光源101の長期使用により、非線形結晶1に損傷が生ずると、損傷部で通常より多くの光−熱変換が生じる。そこで、非線形結晶1を一定温度に保つためのヒーター13への供給電力は減少し、図5の白丸で示すように、非線形結晶1に損傷がない場合の相関関係から外れることになる。
本実施の形態の運用方法においては、あらかじめ、使用するレーザ入力光のパワーに対し、非線形結晶1を一定温度に保つために必要なヒーター13への供給電力をキャリブレーションしておく。そして、そのキャリブレーションから、非線形結晶1が結晶を移動させるべき程度に損傷を受けたと判断する供給電力の閾値、すなわち、入力光のパワーとヒーターへの供給電力の相関関係から有意に外れていると判断される値を決定しておき、判断回路5に判断閾値として入力しておく。
そして、電力計16により、レーザ光源101使用中に電源15からヒーターに供給される電力をモニタし、判断回路5においてその測定値と閾値を比較して、非線形結晶1の移動時期を判断回路5において判断することが可能となる。そして、判断回路5において、非線形結晶1の移動時期であると判断されれば、微動装置7を用いて、入力される2波長のレーザ光が非線形結晶1の損傷のない領域に受光される位置にまで、非線形結晶1を移動する。そして、損傷のない領域が非線形結晶1に、もはや存在しない場合には、非線形結晶1を交換する。
なお、非線形結晶1の移動時期の判断は、必ずしも、設定温度を固定した、入力光のパワーのみを変数とする1変数の相関関数からの供給電力のズレに基づく方法だけに限られず、例えば、結晶の受光位置によって設定温度をチューニングするような場合に、入力光のパワーと設定温度の2変数の相関関数からの供給電力のズレに基づく方法等であってもかまわない。
本実施の形態により、従来のレーザ出力光のモニタでは、散乱光の影響で精度が上がらなかった非線形結晶の損傷判断が、ヒーターへの供給電力の変動に基づいて判断するという運用方法により、より高い精度でできるようになる。そして、高い精度での損傷判断により、非線形結晶を移動させることで、従来に比べ、レーザ光をより安定に供給することが可能になる。また、定常使用状態で、非線形結晶1の損傷状態がモニタできるので、モニタのための時間を特別に設ける必要がなく、装置の効率的利用が図れる。さらに、本実施の形態の運用方法の適用に当たり、通常、レーザ装置に備わっている温度保持機構を流用するため、電力計の付加、判断回路の構成の変更等、新たな装置構成の変更は限定的であり、装置構成を複雑化させることもない。
次に、本発明の実施の形態3の変形例として、高調波を発生するレーザ光源に、ヒーターへの供給電力の変動に基づいて、非線形結晶損傷の判断を行う運用方法を適用する場合について説明する。
図6は、実施の形態3の変形例の運用方法で運用されるレーザ光源およびその光源を備えるレーザ装置の構成を示す概念図である。
レーザ光源に和周波を発生するレーザ光源でなく、高調波を発生するレーザ光源を用いる以外は、構成は実施の形態3と同様である。
レーザ光源101は、λ1の波長を発生する第1のレーザ発振器2、波長λ1の高調波である波長λ2のレーザ光を発生させるための波長変換素子である非線形結晶1を具備している。
(運用方法)
(効果)
次に、本発明の実施の形態4として、波長変換素子である非線形結晶と、その非線形結晶を一定温度に保つ保温機構を有する波長変換装置を備えるレーザ光源運用方法であって、保温機構でのヒーターへの入力パラメータを測定するステップと、その測定により得られた測定値に基づき、非線形結晶の損傷状態を判断するステップと、入力されるレーザ光が、非線形結晶の損傷のない領域で受光されるよう非線形結晶を自動的に移動させるステップを有するレーザ光源運用方法について説明する。
図7は、実施の形態4の運用方法で運用されるレーザ光源およびその光源を備えるレーザ装置の構成を示す概念図である。
判断回路5から入力を受け、自動的に微動装置7を制御する微動装置制御回路11を備える点で、実施の形態3と異なっている。
なお、レーザ光源101は、図7では和周波としているが、必ずしも和周波を用いるものでも、高調波を用いるものであっても、かまわない。
(効果)
2 第1のレーザ発振器
3 第2のレーザ発振器
4 受光センサ
5 判断回路
6 被照射試料
7 微動装置
8 ミラー
9 第1のシャター
10 第2のシャター
11 微動装置制御回路
12 温度センサ
13 ヒーター
14 温度制御回路
15 電源
16 電力計
17 シャター遮断回路
100 レーザ装置
101 レーザ光源
Claims (3)
- 2波長のレーザ光を非線形結晶に入力して和周波の波長を出力する波長変換装置を備えるレーザ光源の運用方法であって、
前記レーザ光源による和周波の波長の出力光の試料への照射を前記非線形結晶の損傷状態をモニタするために中断するステップ、
前記2波長のレーザ光のうち、一方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、
前記和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、前記一方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
予め決定された結晶損傷程度の限界を示す散乱光の強度の閾値と、前記測定により得られた測定値を比較することにより、前記非線形結晶の損傷状態を判断するステップとを有することを特徴とするレーザ光源運用方法。 - 前記一方の波長のレーザ光とは、前記2波長のレーザ光のうち、波長の短い方のレーザ光であることを特徴とする請求項1記載のレーザ光源運用方法。
- 2波長のレーザ光を非線形結晶に入力して和周波の波長を出力する波長変換装置を備えるレーザ光源の運用方法であって、
前記レーザ光源による和周波の波長の出力光の試料への照射を前記非線形結晶の損傷状態をモニタするために中断するステップ、
前記2波長のレーザ光のうち、一方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、
前記和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、前記一方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
前記一方の波長のレーザ光と異なる、他方の波長のレーザ光のみを前記非線形結晶に入力するステップ、
前記和周波の波長の出力光の光軸上に設置された受光センサにより、前記他方の波長のレーザ光の散乱光の強度を測定するステップ、
予め決定された結晶損傷程度の限界を示す散乱光の強度の閾値と、前記一方の波長のレーザ光の散乱光の強度の測定の結果および前記他方の波長のレーザ光の散乱光の強度の測定の結果の双方を比較することにより、前記非線形結晶の損傷状態を判断するステップとを有することを特徴とするレーザ光源運用方法。
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