JP5269764B2 - パルス動作uv及び可視ラマンレーザシステム - Google Patents
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Description
上層大気内の原子ナトリウム励起で発生する、ナトリウムビーコンは適応光学系に対する「案内星」として用いることができ、したがって先端レーザベース防衛システム用途で非常に注目されている。この目的には、波長が589.1nmのナトリウムD2吸収線に同調させた高パワーのCW源または擬似CW源が必要である。
サブ200nmレーザ光源は半導体工業における計測用途に非常に重要である。集積回路の最小寸法が縮小するにつれて、リソグラフィに用いられる光の波長が短くなる。したがって、マスク及びウエハの検査に、また光学素子の作成にも、同じかまたは同様のDUV光波長が必要になる。現在用いられている、固体レーザ源、高調波変換及びOPOに基づくシステムは一般に、非常に低い繰返しレートで作動し、非常に大きくて扱いにくく、複雑で、高価であり、頻繁で煩雑なメンテナンスが必要である。
198.7nm光出力を発生させるためのレーザシステム10の別の実施形態が図8に示される。本実施形態において、パルス光源102は1041nmYbドープMOPAである。この光源102は、中間の1096.7nm(一次)ストークス光及び1158.7nm(二次)ストークス光(14.63THzステップ)を経て1228.2nm三次ストークス光の出力波長λ1出力を発生する、ラマン波長変換器106をポンピングする。高調波発生器110は4つの変換段、すなわち、3つのLBO結晶110A,110B,110C及び1つのCLBO(ホウ酸セシウムリチウム(CsLiB6O10))結晶110Dを有する。2つのLBO結晶110A及び110Bは周波数逓倍すなわちSHGによってラマン変換器出力の二次高調波(614.1nm)及び四次高調波(307.05nm)を順次に発生させるために用いられる。第3のLBO結晶110Cは、SFM(和周波混合)により、第1のLBO結晶110Aの出力における残留(10〜90%,好ましくは50%)1228.2nm光を第2のLBO結晶110Bの出力からの四次高調波(307.05nm)と混合して、245.64nm(1228.2nmの五次高調波)の光出力を発生する。第2の高パワー増幅段102Bが1041nmの第2の出力の発生のためにMOPAに付加され(2つの個別高パワー段を有する理由は、それぞれの高パワー段のピークパワーを増幅器ファイバに対する非線形歪及び損傷の閾値より低い値に保つことである)、この1041nm光はCLBO結晶110Dで245.64nm光と混合されて、SFMにより、最終的に198.7nmの出力波長λ出力が発生される。表IIIは実施例3のレーザシステム10に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
図9のレーザシステム10は図8のレーザシステムと同様である。図9のレーザシステム10は同じパルス光源102及び、最初の結晶110A及び最後の結晶110Dに波長λ1出力が1228.2nmの光出力を供給する、ラマン変換器106を備える。しかし、ラマン変換器の1228.2nmの三次高調波(409.4nm)光出力はLBO結晶110Bにおける二次高調波(614.1nm)光と原1228.2nm光を混合するSFMによって発生され、1228.2nmの五次高調波(245.64nm)光は、ここでは、CLBO結晶110Cにおける二次高調波(614.1nm)光と三次高調波(409.4nm)光を混合するSFMによって発生される。第2及び第3の変換段における結晶110B及び110Cの実効非線形係数がより高いこと及び第2変換段への(すなわちLBO結晶110Bへの)入力により高いパワーを利用できることから(それぞれの数値は図9に示される)、本実施形態のレーザシステム10に対する(数値モデルで予測される)総合変換効率は図8のレーザシステムの総合変換効率よりさらに高く(2.1%をこえ)、高調波変換器110の第4変換段(CLBO結晶110D)の出力において少なくとも3Wの198.7nmDUV光が得られるはずである。表IVは実施例4のレーザシステム10に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
193nmレーザシステム10の一実施形態が図10に示される。本実施形態のレーザシステム10は1つの親発振器及び前置増幅器並びに2つの高パワー光増幅器を有するパルス光源102を備える。さらに詳しくは、1049.5nmYbドープ前置増幅器の出力が分割され、2つの高パワー増幅器で個々に増幅される。第1の増幅器1051は1169nmの二次ストークス光信号を発生するラマン変換器1061をポンピングし、第2の増幅器1052は1106nmの一次ストークス光信号を発生する別のラマン変換器1062をポンピングする。この場合、構成にはいくつかの変形が可能であり、例えば、一次及び二次のストークス光波長において同時に、当然より低いパワーで、光出力を発生するように単ラマン変換器を構成することができる。図示される構成において、第1のラマン変換器1061に対して二次及び中間次のストークス光のための最終出力波長へのシード光供給に同じ挟線幅1106nm光源を用いることができる。1169nm光の二次高調波(584.5nm)光が第1のLBO結晶110Aで周波数逓倍(SHG)によって発生され、三次高調波(389.7nm)光が第2のLBO結晶110BでSFMによって発生される。二次及び三次の高調波光はCLBO結晶110CでSFMにより混合されて、233.8nmの五次高調波光が発生される。最後に、233.8nm光は別のCLBO結晶110Dで第2のラマン変換器1062の出力(1106nm)光と混合されて、193nm光出力が発生される。
193nmレーザシステム10の別の実施形態が図11に示される。本実施形態のレーザシステム10においては、λp=1041nmで動作しているYbドープファイバMOPA102がこの波長のパルス光をラマン変換器106に供給する。次いでラマン変換器106は波長λpの光をλ1出力=1158nmの二次ストークス光に変換する。高調波発生器110は4つの非線形結晶−それぞれ、SHG及びSFMにより波長1158nm光の二次、三次、五次及び六次の高調波光を発生する、LBO110A,LBO110B,BBO110C及びCLBO110D−を有する。最終出力の六次高調波光の波長はλ出力=193nmである。非線形変換パラメータの計算値が表VIに示される。この表からわかるように、BBO結晶110Cの動作にはかなりの複屈折ウォークオフがともない、このため、用いられるパワーレベルに依存して、長さが短い結晶または(楕円の長軸がウォークオフ方向に沿う)楕円ビーム集束を用いるか、あるいはこれらのいずれをも用いることが必要になり得る。表VIは実施例6のレーザシステム10に用いられる結晶のパラメータの摘要を与える。
図12に示される本実施形態において、2つのパルス動作ファイバベースMOPA源−913nm(Ndイオンに対するいわゆる3準位遷移)で動作するNdドープMOPA1021及び1081nmで動作するYbドープMOPA1022−が用いられる。NdドープMOPA1021は952nm(シリカファイバにおける913nmポンプ光に対する一次ストークス光波長)の第1の出力を発生するラマン変換器106をポンピングする。高調波発生器110は3つの非線形結晶を有する。初めの2つの結晶110A及び110BはいずれもLBOであり、それぞれ、ラマン変換器の952nm出力の二次(476nm)及び四次(238nm)の高調波光を発生する。第3の結晶110CはCLBOであり、238nm光と1081nm光の和周波混合を行って195.1nmの最終出力光を発生する。非線形変換パラメータ計算値が表VIIに提示される。本例示実施形態は、通常の1064nmの4準位遷移動作より達成が困難である、3準位遷移で動作するNdドープファイバMOPAシステムを用いるが、非線形結晶を3つしか用いず、それぞれが全てノンクリティカル位相整合(NCPM)条件またはそれに近い条件で動作するという点でかなりの利点を有する。
102 パルス光源
102' 親発振器パルス光源
104 パルス光
105 光増幅器
106 ラマン波長変換器
106' ラマン変換光ファイバ
108 第1のパルス光出力信号
110 高調波変換器
110A,110B 非線形結晶
112,114 シード光源
Claims (6)
- レーザシステムにおいて、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、
前記パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバであって、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次数ストークス光に相当し、前記原波長より長い第1の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第1のパルス光出力に変換されるものである非線形ラマン変換ファイバ、
少量のCW光またはパルス光を前記非線形ラマン変換ファイバに注入するためのシード光源であって、前記少量のCW光またはパルス光が前記パルス光源からの前記パルス光とともに前記非線形ラマン変換ファイバを伝搬することにより、ラマン変換効率を高めるようにラマン変換をシードするシード光源、及び
前記非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、150〜775nmの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を前記高調波発生器が発生するように、前記第1のパルス光出力を受け取り、前記受け取られた第1のパルス光出力をより高い光周波数に変換するための高調波発生器、
を備え、
前記非線形ラマン変換ファイバが、ファイバ長にわたって一様な常色分散を有し、前記常色分散が前記原波長、前記出力波長及び複数の中間次数ストークス光の全ての波長に対して常色分散であるような、単一の非線形ファイバを含むことを特徴とするレーザシステム。 - 波長変換及び波長変換のための多段誘導ラマン散乱の制御のための方法において、前記方法が、
原波長を中心とする光スペクトルを有すると共にパルス幅及びピークパルスパワーを有するパルス光を発生する工程、
シード波長を有するシード光を発生する工程、
前記パルス光および前記シード光を、前記原波長の原パワーを多段誘導ラマン散乱過程によって前記原波長より長い出力波長のパワー出力に変換するために、ファイバ長及び分散パラメータを有する非線形ラマン変換ファイバに結合し、前記非線形ラマン変換ファイバを通して伝搬させる工程、
前記非線形ラマン変換ファイバの1回通過における前記出力波長の最終次ストークス光のパワー出力への前記原パワーの変換を最大化するために、前記パルス幅、前記ピークパルスパワー、前記シード波長、前記ファイバ長及び前記分散パラメータを設定する工程、及び
少なくとも1つの高調波発生器に、前記高調波発生器が150〜775nmの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を発生するように、前記ラマン変換ファイバによって供給される前記光をより高い光周波数に変換するために前記光を結合する工程、
を含み、
前記設定する工程が非線形ファイバセグメントの直列接続を提供する工程を含み、
前記非線形ファイバセグメントのそれぞれは、特定のファイバセグメントを通過している入力波長、出力波長及び中間次数ストークス光波長の特定の組合せに対して常色分散を有し、
前記組合せの波長のそれぞれにおける前記常色分散の値が4光波混合によって生じるスペクトル拡幅を含む変換効率に有害な非線形光効果を最小限に抑えるための要件及びいずれの2つの連続する変換次数(波長)に対してもパルスウォークオフを最小限に抑えるための要件によって決定され、
前記ファイバセグメントのそれぞれがファイバセグメント長を有し、
前記ファイバセグメント長が、前記誘導ラマン散乱の閾値を、特定のセグメントで発生して前記特定のセグメントを通過する次数のストークス光が発生するように、該セグメントに入る初めの次数のストークス光のピークパルスパワー及び、該ファイバセグメントのラマン利得、減衰及び実効面積から決定され、
最終ファイバセグメント長が、ストークス光のN次までの変換はおこなわれるが、(N+1)次のストークス光の変換は行われない光強度の閾値を有し、
その結果、前記原パワーの大部分がN次ストークス光に変換されることを特徴とする方法。 - レーザシステムにおいて、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、
前記パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバであって、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次数ストークス光に相当し、前記原波長より長い第1の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第1のパルス光出力に変換されるものである非線形ラマン変換ファイバ、
少量のCW光またはパルス光を前記非線形ラマン変換ファイバに注入するためのシード光源であって、前記少量のCW光またはパルス光が前記パルス光源からの前記パルス光とともに前記非線形ラマン変換ファイバを伝搬することにより、ラマン変換効率を高めるようにラマン変換をシードするシード光源、及び
前記非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、150〜775nmの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を前記高調波発生器が発生するように、前記第1のパルス光出力を受け取り、前記受け取られた第1のパルス光出力をより高い光周波数に変換するための高調波発生器、
を備え、
前記シード光源が、第1のシード光源および第2のシード光源からなり、前記第1のシード光源は、前記出力波長に対してシード光を与え、前記第2のシード光源は、前記原波長の中間次数ストークス光波長に対してシード光を与えることを特徴とする請求項1記載のレーザシステム。 - レーザシステムにおいて、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、
前記パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバであって、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次数ストークス光に相当し、前記原波長より長い第1の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第1のパルス光出力に変換されるものである非線形ラマン変換ファイバ、
少量のCW光またはパルス光を前記非線形ラマン変換ファイバに注入するためのシード光源であって、前記少量のCW光またはパルス光が前記パルス光源からの前記パルス光とともに前記非線形ラマン変換ファイバを伝搬することにより、ラマン変換効率を高めるようにラマン変換をシードするシード光源、及び
前記非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、150〜775nmの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を前記高調波発生器が発生するように、前記第1のパルス光出力を受け取り、前記受け取られた第1のパルス光出力をより高い光周波数に変換するための高調波発生器、
を備え、
前記シード光源が、前記出力波長に対してシード光を与えることを特徴とするレーザシステム。 - レーザシステムにおいて、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、
前記パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバであって、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次数ストークス光に相当し、前記原波長より長い第1の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第1のパルス光出力に変換されるものである非線形ラマン変換ファイバ、
少量のCW光またはパルス光を前記非線形ラマン変換ファイバに注入するためのシード光源であって、前記少量のCW光またはパルス光が前記パルス光源からの前記パルス光とともに前記非線形ラマン変換ファイバを伝搬することにより、ラマン変換効率を高めるようにラマン変換をシードするシード光源、及び
前記非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、150〜775nmの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を前記高調波発生器が発生するように、前記第1のパルス光出力を受け取り、前記受け取られた第1のパルス光出力をより高い光周波数に変換するための高調波発生器、
を備え、
前記シード光源が、前記原波長の中間次数のストークス波長のシード光を提供することを特徴とするレーザシステム。 - レーザシステムにおいて、
原波長を中心とする光スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源、
前記パルス光源に結合された非線形ラマン変換ファイバであって、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、多段誘導ラマン散乱過程によって、最終次数ストークス光に相当し、前記原波長より長い第1の出力波長を中心とする光スペクトルを有する、第1のパルス光出力に変換されるものである非線形ラマン変換ファイバ、
少量のCW光またはパルス光を前記非線形ラマン変換ファイバに注入するためのシード光源であって、前記少量のCW光またはパルス光が前記パルス光源からの前記パルス光とともに前記非線形ラマン変換ファイバを伝搬することにより、ラマン変換効率を高めるようにラマン変換をシードするシード光源、及び
前記非線形ラマン変換ファイバに動作可能な態様で結合された高調波発生器であって、150〜775nmの範囲内におかれた最終出力波長の光出力を前記高調波発生器が発生するように、前記第1のパルス光出力を受け取り、前記受け取られた第1のパルス光出力をより高い光周波数に変換するための高調波発生器、
を備え、
前記シード光源が、第1のシード光源および第1のグループのシード光源を有してなり、前記第1のシード光源は、前記出力波長に対してシード光を与え、前記第1のグループのシード光源は、前記原波長の中間次数ストークス光波長に対してシード光を与えることを特徴とするレーザシステム。
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