JPH04302186A

JPH04302186A - 固体レーザ発振器とレーザ露光装置

Info

Publication number: JPH04302186A
Application number: JP3065950A
Authority: JP
Inventors: Kiwamu Takehisa; 究武久; Makoto Yano; 真矢野; Koji Kuwabara; 桑原　皓二
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1991-03-29
Publication date: 1992-10-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は固体レーザ発振器に係り
、特に、レーザ媒質が発振するレーザ光を吸収する再吸
収特性を有する固体レーザ発振器を高出力化するのに好
適な固体レーザ発振器とその固体レーザ媒質及びレーザ
共振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ネオジウムイオンを含んだ固体レーザ結
晶は、通常波長１．０ミクロン帯でレーザ動作する。特
にＮｄ：ＹＡＧレーザの場合、レーザ波長は、エネルギ
ー準位４Ｆ（２／３）から４Ｉ（９／２）への遷移に相
当する１０６４ｎｍとなる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の波
長に対するエネルギー準位のグラフを図６に示す。この
図に示す様に、Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、１０６４ｎｍの
他にも、０．９ミクロン帯の９４６ｎｍ、及び１．３ミ
クロン帯の１３１９ｎｍ（ごく接近した１３３８ｎｍに
も発振線がある。）の各波長でレーザ動作できる。

【０００３】ところで、波長９４６ｎｍは、波長１０６
４ｎｍに比べて、極めてレーザ発振しにくい。その理由
は、以下の通りである。波長９４６ｎｍは、波長１０６
４ｎｍよりも１００ｎｍ以上も短く、波長約８０５ｎｍ
を中心とするＮｄ：ＹＡＧの吸収スペクトル領域に近づ
き、波長９４６ｎｍにおける吸収係数は波長１０６４ｎ
ｍにおける吸収係数よりもかなり大きくなる。その結果
、波長９４６ｎｍで発振したレーザ光がＮｄ：ＹＡＧ結
晶自身に吸収されて（この現象を再吸収と呼ぶ。）減衰
してしまうため、利得が大きくならず、レーザ発振しに
くくなる。

【０００４】上述した理由により、波長９４６ｎｍで発
振させる場合、レーザ発振光があまり減衰しないように
、レーザ媒質であるＮｄ：ＹＡＧロッドとして長さが１
ｍｍ程度と極めて短いもの（実際には薄い板状のもの）
を用いなければならないことになる。しかし、この様に
短くなると、長さ数十ｍｍもあるランプを励起光源に用
いることはできず、励起光を小さな体積中に集光できる
半導体レーザ（以下ＬＤという。）を励起光源に用いる
他なくなる。

【０００５】また、レーザ媒質中で励起光が照射される
部分の長さに当たるゲイン長が１ｍｍ程度と短くなるた
め、レーザ発振するまで利得を上げるには、励起光の照
射密度を高め、短いゲイン長でも大きな利得が得られる
ようにしなければならない。そのため、励起光であるＬ
Ｄからのレーザ光を直径２０ミクロンから１００ミクロ
ン程度の小さい体積中に絞り込む必要がある。そこで、
従来は、オプティクス・レターズ、第１２巻、第１２号
、１９８７年、第９９３頁から第９９５頁（Ｏｐｔｉｃ
ｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１２，１
９８７，ｐｐ．９９３−９９５）に記載されているよう
に、励起方式として、レーザの光軸にそってレーザ媒質
の端面からレーザ媒質中に入射させる方式（以下縦励起
方式という。）を採用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、レー
ザ光の高出力化に関しては配慮されていない。励起光源
として用いられるＬＤは、１つの発振源からは、高くて
も１Ｗ程度の出力しかなく、レーザを高出力化するには
多数のＬＤを用いなければならない。しかし、縦励起方
式を採用する限り、励起光は１本に限られてしまい、Ｌ
Ｄは１個か２個（２個の場合はそれぞれの偏光方向を互
いに直交させて２本の励起光を偏光ビームスプリッタを
用いて合成し、１本にする。）までしか用いることがで
きず、高出力化が困難である。

【０００７】多数のＬＤを用いてＹＡＧロッドを励起す
る構成として、通常の波長１０６４ｎｍで発振させる場
合は、以下の二つの方式がある。ＹＡＧロッドとして直
径３〜６ｍｍ、長さ５〜２０ｍｍ程度の大きさのものを
用い、多数のＬＤをロッドの周囲に置き、側面から励起
光を照射する方法（側面励起方式という。）、あるいは
、ＹＡＧ結晶に板状のもの（スラブという。）を用いて
、レーザの光軸がスラブの両面で何度も全反射するよう
に共振器を組み（以下スラブ方式という。）その全反射
している面の各部分において、光軸にそってＬＤからの
励起光をスラブの内部に照射する方法（これも縦励起方
式に含まれる。）である。

【０００８】しかし上記のスラブ方式においては、光軸
がレーザ媒質中で何度も全反射して進むため、レーザ媒
質中の光軸長を１ｍｍ程度と短くすることは構成上極め
て困難である。　　また、側面励起方式では、励起光を
直径２０〜１００ミクロン程度の小さい面積中に照射さ
せるため、レーザ媒質にその程度の小さい直径のロッド
を用いる必要がある。ところが、ゲイン長が１ｍｍ程度
となるようにレーザ媒質の長さを１ｍｍ程度と短くする
と、そのロッドをＬＤの照射領域に保持しておく機構の
構成が極めて困難になってしまう。さらに、レーザ媒質
の体積が極めて小さくなると熱容量が小さくなるため、
励起光の照射によって著しい温度上昇を引き起こし、そ
の結果、レーザ発振が困難になってしまうという問題も
ある。

【０００９】特に、レーザ媒質が上述した再吸収特性を
有する固体レーザの場合、レーザ発振波長はレーザ媒質
の吸収スペクトル領域に入るため、励起光の波長に近い
場合が多く、レーザ遷移の下準位が基底準位に含まれる
ことが多い。例えばレーザ媒質がネオジウムイオンを含
んだ結晶では、波長０．９ミクロン帯で発振させる場合
、レーザ遷移の下準位は、基底準位である４Ｉ（９／２
）準位中の微細準位における最も上の準位に相当する。これに関して、４Ｉ（９／２）準位についてその微細準
位を図６に示してある。通常粒子は、基底準位である４
Ｉ（９／２）準位中にほとんどが分布しており、レーザ
媒質の温度が高くなると、粒子の分布の仕方は、この４
Ｉ（９／２）準位中の微細準位間でエネルギーの高い方
へシフトするようになる。その結果、レーザ遷移の下準
位の分布数が増して、反転分布が形成されにくくなり、
レーザ発振が困難になる。従って、レーザ媒質が温度上
昇しやすいことは、レーザ発振に対して極めて不利であ
る。

【００１０】本発明の目的は、レーザ媒質が再吸収特性
を有する固体レーザを用い且つ高出力を得ることのでき
る固体レーザ発振器を提供することにある。

【００１１】また、本発明の他の目的は、特にネオジウ
ムイオンを含んだ結晶またはガラスをレーザ媒質とし、
波長０．９ミクロン帯に含まれるエネルギー準位４Ｆ（
２／３）から４Ｉ（９／２）への遷移によるレーザ光を
高出力に発生させることのできる固体レーザ発振器を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、レーザ媒質
の少なくとも一つの面におけるレーザの光軸付近に対し
て、前記レーザの光軸と平行でない少なくとも２つ以上
の斜め方向から、励起光を照射させる構成とすることで
、達成される。

【００１３】また、前記レーザ媒質が再吸収特性を有す
る場合には、レーザ発振させるために、前記レーザ媒質
を薄板状とすることで、達成される。

【００１４】また、レーザ遷移の下準位が基底準位に含
まれる場合に効率良くレーザ発振させるために、前記レ
ーザ媒質に対して発振するレーザ光と励起光が同じ側か
ら当るよう構成することで、達成される。

【００１５】また、励起光の照射構成を容易にするため
に、励起光に対して高い反射率を有し、かつ穴を有する
反射鏡を用いることで、達成される。

【００１６】また、前記レーザ光を効率良く発生させる
ために、前記レーザ媒質が円柱状であり、かつこのレー
ザ媒質の周りに、屈折率が前記レーザ媒質の屈折率より
小さい値である光学素子を接触させた構成とすることで
、達成される。

【００１７】また、励起光の利用効率を上げるために、
前記レーザ媒質としてＮｄ：ＹＶＯ４結晶を用いること
で、達成される。

【００１８】

【作用】レーザ媒質の少なくとも一つの面におけるレー
ザの光軸付近に対して、前記レーザの光軸と平行でない
斜め方向から、励起光を照射させるため、励起光を光軸
の周りから多数照射でき、励起光源を必要に応じて増や
すことができる。その結果、それに対応して、レーザ出
力を向上することができる。この励起方式は、上述した
ような縦励起方式にも側面励起方式にも含まれない。

【００１９】特に、レーザ媒質を厚さ３ｍｍ程度以下の
薄板状とした場合、全ての励起光を直径２０〜１００ミ
クロン程度の小さい体積中に照射させることができる。その場合、励起光が光軸と角度的にある程度ずれてしま
うが、レーザ媒質に長さ３ｍｍ程度以下の短い薄板状の
ものを用いるので、励起光と発振するレーザ光とのレー
ザ媒質中での重なりあう体積の割合をほとんど低下させ
ないで構成できる。それによって、レーザの効率を大き
く低下させることはない。

【００２０】さらに、励起光はレーザの光軸と平行でな
いため、励起光を前記レーザ媒質に対して発振するレー
ザ光と同じ側から照射するように構成することができる
。その場合、前記レーザ媒質における励起光が照射され
る側と反対側の面を、レーザの共振器を構成する際の全
反射側にすることができる。その結果、前記反対側の面
からは、励起光もレーザ光も出射しないので、この面を
直接冷却できる。場合によっては直接水冷することもで
き、レーザ媒質を十分低い温度に保つことができる。従って、先に説明したように、レーザを高出力化する際
に極めて有利である。

【００２１】また、励起光に対して高い反射率を有し、
かつ穴を有する反射鏡を用いて、発振するレーザ光を、
この穴に通るように構成すれと、レーザ光と励起光を位
置的に大きく分けることができ、励起光の照射構成を容
易にすることができる。その場合、従来一般的に用いら
れてきた方法では以下に示すような欠点があった。つま
り従来では、励起光を反射し、かつレーザ光を透過させ
る働きをもつダイクロイックミラーが用いられる。しか
しこれらの光を完全に分離することはほぼ不可能であり
、通常励起光に対しておよそ８０％程度の反射率しかな
い。特に、レーザ媒質が自己吸収特性を有する固体レー
ザの場合、レーザ発振の波長は励起光の波長に近いため
、レーザ光と励起光との分離効率は一層悪くなってしま
った。これに対して本発明のように穴を有する反射鏡を
用いることで、レーザ光に対しては全く損失を及ぼさず
に、励起光に対してほぼ１００％反射させることができ
る。

【００２２】また、レーザ媒質として、長さ１ｍｍより
もさらに短いものを使用することもできる。例えば、Ｎ
ｄ：ＹＶＯ４結晶では、吸収帯がネオジウムイオンを含
んだ固体レーザ結晶の中でも比較的広く、０．９ミクロ
ン帯のレーザ発振領域での吸収係数も比較的高いことか
ら、再吸収特性が特に強く現れてしまう。しかし、励起
光源として波長８０９ｎｍ前後の半導体レーザを用いた
場合の吸収係数は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶よりも最高約５倍
程度も高い。それによって、吸収長は約０．３ｍｍと極
めて短くなり、レーザ媒質にその程度の薄いものを用い
ることができる。その結果、励起光と光軸との角度ずれ
から生じる、励起光とレーザ光とのレーザ媒質中での重
なりあう体積の割合を、より一層増加させることができ
、効率良くレーザ発振させることができる。

【００２３】また、レーザ媒質の周囲に、屈折率が前記
レーザ媒質の屈折率より小さい値である光学素子が接し
ていると、前記レーザ媒質中に端面から入射する光は、
入射角がある角度以内の場合、前記レーザ媒質と前記光
学素子が接している境界面で全反射する。それにより、
励起光を前記レーザ媒質中に閉じ込めることができ、励
起光の利用効率が向上し、レーザの効率が高められる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１は、本発明の第１実施例に係る固体レーザ
発振器の構成図である。この固体レーザ発振器は、厚さ
１ｍｍの板状でなるＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１と、
出力鏡１０２と、中心に穴が明いた穴付全反射鏡１０７
と、図示しないＬＤからのレーザ光を励起光として導入
する光ファイバ１０３ａ，１０３ｂと、励起光を補正す
る補正レンズ１０４ａ，１０４ｂと、励起光を集光して
穴付全反射鏡１０７に出射する集光レンズ１０６で構成
される。

【００２５】Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１は、厚さが
約１ｍｍの薄い板状で成る。この様に薄くした理由は、
図９に示すレーザ出力とＹＡＧレーザ媒質厚さとの関係
グラフから分かる様に、波長９４６ｎｍのレーザ光を発
振させるためである。レーザ媒質が３ｍｍよりも長いと
、波長１０６４ｎｍのレーザ光が発振し始めてこれらの
波長が優勢になり、また折角発振した９４６ｎｍのレー
ザ光が媒質内部で吸収されてしまい外部に取り出せない
ためである。この様な薄い板状の媒質１０１の図１に示
す左側の面には、波長約８０５ｎｍの励起光と波長９４
６ｎｍのレーザ発振光とをほぼ１００％反射する全反射
コーティングが施されている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレー
ザ媒質１０１の図面で右側の面には、波長約８０５ｎｍ
の励起光と、波長９４６ｎｍのレーザ発振光に対して、
反射防止膜が施されている。出力鏡１０２は、波長９４
６ｎｍの光に対して約１％の透過率を有すると同時に、
波長１０６４ｎｍの光に対して５０％以上の透過率を有
し、波長１０６４ｎｍでは発振しにくくしてある。図示しないＬＤから出力された波長約８０５ｎｍのレー
ザ光は、光ファイバ１０３ａ，１０３ｂを介して伝送さ
れ、ファイバ１０３ａ，１０３ｂ先端から励起光１０５
ａ，１０５ｂとして出射され、それぞれ補正レンズ１０
４ａ、１０４ｂによる平行ビームでかつ互いに平行にな
り、集光レンズ１０６に入射する。集光レンズ１０６で
絞られながら進んだ励起光は、穴付全反射鏡１０７で反
射して、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１の同一地点を照
射する。この照射領域では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１
０１が励起される。レーザ媒質１０１で励起された光は
、レーザ媒質１０１の左側面の全反射コーティングと出
力鏡１０２との間で共振器が組まれているため、レーザ
発振光１０８が出力鏡１０２を通して得られる。

【００２６】また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１の左
側には二重管構造の冷却管１０９が取り付けられており
、内側の管を冷却水が矢印１０９ａの方向に流入し、外
側の管から冷却水が矢印１０９ｂ，１０９ｂ’のように
流れる。その結果、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１にお
けるレーザ光が当たる部分が常に常温に保たれ、レーザ
出力の低下を防止している。本実施例では、レーザ媒質
に対し、励起光を照射する側と同じ側にレーザ共振器を
構成しているので、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１を直
接水冷できる。

【００２７】この実施例では、図示する関係で励起光を
２本用いているだけであるが、これは図面による説明を
わかりやすくするためである。実際には、出力されるレ
ーザ光１０８の光軸の周囲から多数の励起光を夫々光フ
ァイバにて導入し、全反射鏡１０７で反射させて媒質１
０１の同一領域に照射させ、高出力のレーザ光１０８を
得るようにする。

【００２８】一般に、波長９４６ｎｍのレーザ光を通し
、波長８０５ｎｍのレーザ光を反射させる場合、波長９
４６ｎｍのレ−ザ発振光に対して高い透過率を有し、か
つ波長約８０５ｎｍの励起光に対して高い反射率を有す
るダイクロイックミラーが用いられる。しかしその場合
、ダイクロイックミラーの仕様を、波長９４６ｎｍの光
をほぼ１００％透過する様にすると、波長約８０５ｎｍ
の励起光に対する反射率は、高くてもせいぜい８０％に
しかならない。その理由は、これらの波長が比較的に接
近しているからである。これに対して、本実施例では、
穴付全反射鏡１０７を用い、波長９４６ｎｍのレーザ発
振光は「穴」を通し、波長８０５ｎｍのレーザ発振光は
「全反射鏡」にて反射させる構成のため、レーザ発振光
と、励起光に対して、夫々どちらもほぼ１００％の透過
率及び反射率をもたせることができる。従って、本実施
例では、励起光の利用率が２０％程度向上する。このよ
うに穴付全反射鏡１０７を用いることで励起光の利用率
を向上できるが、これは本実施例の固体レーザ発振器に
特有な効果であり、励起光をレーザ発振光と同軸ではな
く斜め方向からレーザ媒質に入射させることに起因する
。

【００２９】また、前述した様に、本実施例では、励起
光をレーザ媒質に対してレーザ発振光と同じ側から照射
するため、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１の右側の面に
波長約８０５ｎｍの励起光と波長９４６ｎｍのレーザ発
振光とに対する反射防止膜を施すことが可能となる。こ
のレーザ発振光（９４６ｎｍ）と励起光（８０５ｎｍ）
とは波長が近いため、どちらの光に対しても残留反射率
の極めて低い反射防止膜を用いることができる。更に、
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質１０１の左側の面に前述した様
に波長約８０５ｎｍの励起光と波長９４６ｎｍのレーザ
発振光とをほぼ１００％反射する全反射コーティングを
施すことが可能となる。つまり、媒質１０１の両方の面
のコーティングとも、励起光とレーザ発振光との波長に
よって特性が大きく変化するダイクロイック的なコーテ
ィングを施す必要がなくなり、製造が容易となる。

【００３０】図２は、本発明の第２実施例に係る固体レ
ーザ発振器の構成図である。本実施例に係る固体レーザ
発振器は、薄板状のＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質２０１と、
全反射鏡２０２と、ダイクロイックミラー２０３と、調
整レンズ２０４と、穴付全反射鏡２０５と、反射鏡付ガ
ラス板２０６とで共振器が構成されており、発振波長９
４６ｎｍの第２高調波を発生させるための非線形光学素
子２０７が用いられている。

【００３１】励起光の供給としては、図示しないＬＤか
らのレーザ光を光ファイバ２０８ａ，２０８ｂで導入し
、夫々のファイバ２０８ａ，２０８ｂから出射した励起
光２０９ａ，２０９ｂはコリメートレンズ２１０ａ，２
１０ｂを通すことで絞り、反射鏡付ガラス板２０６を透
過させ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質２０１中に集光する。更に、このＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質２０１を突き抜けた
励起光は、拡がりながら進むが、この励起光に対して高
い反射率を有する穴付全反射鏡２０５で反射するため、
再びＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質２０１中で集光するように
なっている。

【００３２】反射鏡付ガラス板２０６は、ＬＤからのレ
ーザ光の波長約８０５ｎｍ付近で、ほぼ１００％透過す
るようにコーティングが施されているが、中央部には波
長９４６ｎｍに対してほぼ１００％反射し、波長１０６
４ｎｍに対して５０％以上の透過率を有する小さい反射
鏡２０６’がレーザ媒質２０１側に取り付けられている
。この反射鏡２０６’によって波長９４６ｎｍのレーザ
発振光のみが得られ、この波長９４６ｎｍのレーザ発振
光は穴付全反射鏡２０５の穴を通過し、調整レンズ２０
４により絞られながら進み、ダイクロイックミラー２０
３で４５度方向に全反射して非線形光学素子２０７中に
集光する。

【００３３】ダイクロイックミラー２０３は４５度で入
射する波長９４６ｎｍの光はほぼ全反射するが、その半
波長である波長４７３ｎｍの光は９０％以上が透過する
ような機能を有する。そのため非線形光学素子２０７に
おいて作られた波長４７３ｎｍの第２高調波のレーザ光
２１２がダイクロイックミラー２０３を通して得られる
。

【００３４】本実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質２
０１の上下に銅製の放熱板２１３ａ，２１３ｂを接触し
て設けてあり、これらはＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質２０１
の熱を放熱し、レーザ媒質２０１を常温に保っている。その結果、波長９４６ｎｍにおいて高出力にレーザ発振
することができる。

【００３５】この実施例では励起光を透過させ、レーザ
発振光を全反射させる反射鏡付ガラス板２０６を用いて
いる。一般にこの様な場合には、波長９４６ｎｍのレー
ザ発振光に対して高い反射率を有し、かつ波長約８０５
ｎｍの励起光に対し高い透過率を有すダイクロイックミ
ラーが用いられる。しかしその場合、前述と同様に、ダ
イクロイックミラーの仕様を、波長９４６ｎｍの光に対
してほぼ１００％反射するようにするため、波長約８０
５ｎｍの励起光に対する透過率は高くてもせいぜい８０
％にしかならない。その理由はこれらの波長が比較的に
接近しているからである。しかし、本実施例では、波長
９４６ｎｍのレーザ発振光は反射鏡２０６’で全反射さ
せ、この波長８０５ｎｍの励起光はこの反射鏡２０６’
を通さない構成としたので、レーザ発振光と励起光に対
して、夫々どちらもほぼ１００％の反射率及び透過率を
持たせることができる。それによって、励起光の利用率
が２０％程度向上した。更にまた、本実施例においても
穴付全反射鏡２０５を用いており、前記の第１実施例と
同様の理由から、励起光の利用率がさらに２０％程度向
上する。以上述べたように、励起光の利用効率が向上す
ることは、本実施例の固体レーザ発振器に特有な効果で
あり、励起光をレーザ発振光と同軸ではなく斜め方向か
らレーザ媒質に入射させることに起因する。

【００３６】図３は、本発明の第３実施例に係る固体レ
ーザ発振器の構成図である。本実施例に係る固体レーザ
発振器は、厚さ約０．３５ｍｍの板状のＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ媒質３０１と、全反射鏡３０２と、ダイクロイック
ミラー３０４と、非線形光学素子３０５とで共振器が構
成される。

【００３７】励起光源としてはＬＤ３０６ａ，３０６ｂ
が用いられており、夫々から発振する励起光３０７ａ，
３０７ｂは集光レンズ３０８ａ，３０８ｂを通った後、
反射プリズム３０９で反射され、ダイクロイックミラー
３０４に向かう。このダイクロイックミラー３０４は、
励起光に対して８０％以上の透過率を有するが、発振さ
せる波長１０６４ｎｍのレーザ光に対してはほぼ１００
％の反射率を有する。ダイクロイックミラー３０４を通
過した励起光は、全て、４５度の角度で斜めに配置され
たＮｄ：ＹＡＧレ−ザ媒質３０１中のほぼ同一地点に集
光する。Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質３０１の図面における
左上側の面には、励起光とレ−ザ発振光３１０に対して
全反射をするが、波長５３２ｎｍの光に対しては９０％
以上の高い透過率を有するようなコーティングが施され
ている。また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質３０１の右下側
の面には、波長５３２ｎｍから１０６４ｎｍまでの広い
範囲に渡って反射を防止する無反射コーティングが施さ
れている。

【００３８】発振したレーザ光３１０は非線形光学素子
３０５に入射し、半波長である波長５３２ｎｍのレーザ
光が発生し、これはＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質３０１を通
過して、第２高調波のレーザ光３１１として取り出され
る。

【００３９】この実施例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質
３０１を光軸に対して４５度傾けているため、媒質中の
光軸の長さは媒質の厚さの約２．８倍になる。そのため
光軸の長さが１ｍｍ程度となるように、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザ媒質３０１は、厚さが約０．３５ｍｍと、極めて薄
いものを用いてある。その結果、レーザ媒質全体の熱伝
導効果が高まり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質３０１の左上
側面を直接冷却すると、その右下側面まですぐに冷却で
きる。

【００４０】また特に直接冷却の効果を大きくするよう
な水冷にすることもできる。その場合、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザ媒質３０１の左上側面からレーザ光３１１が取り出
されるが、レーザ光３１１は波長が５３２ｎｍと緑色で
あり、水中での透過率が極めて高く、水による減衰をほ
とんど無視できることから、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質３
０１の左上側面を直接水冷することが可能になる。

【００４１】また、励起光は反射プリズム３０９で一度
折り返されるため、集光レンズ３０８ａ，３０８ｂを位
置的に離して設置できる。そのため励起光３０７ａ，３
０７ｂは反射プリズム３０９で反射した後、光軸に対し
て十分狭い開き角度で進ませることができ、その結果Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ媒質３０１中で励起光とレーザ発振光
との重なり部分の割合が増し、レーザの効率が向上する
。つまり図２に示した第２実施例では、励起光２０９ａ
，２０９ｂと光軸との開き角度は、コリメートレンズ２
１０ａ，２１０ｂの大きさで制限されていたが、この第
３実施例では、この制限がない。

【００４２】図４は、本発明の第４実施例に係る固体レ
−ザ発振器の構成図である。本実施例における固体レ−
ザ発振器は、円柱状のＮｄ：ＹＡＧレーザ媒質４０１と
出力鏡４０３とで共振器が構成されている。このＮｄ：
ＹＡＧレーザ媒質４０１は、屈折率が約１．５である中
空の円筒状の光学ガラス４０２（ここではＢＫ７が用い
られている）の中空部分に密着して挿入されている。図
示しないＬＤからの励起光４０４ａ，４０４ｂは、集光
レンズ４０５ａ，４０５ｂを通り、絞られながら進んで
Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質４０１の左側端面から入射する
。この端面は励起光に対して８０％以上の透過率を有す
るが、波長９４６ｎｍのレーザ発振光４０６に対しては
９９％以上反射するようになっている。

【００４３】また、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質４０１の右
側端面は、励起光に対して８０％以上の反射率を有する
が、レーザ発振光４０６に対しては９９％以上の透過率
を有する様になっている。

【００４４】励起光は、図の示す様に、Ｎｄ：ＹＡＧレ
ーザ媒質４０１と光学ガラス４０２との境界面中で全反
射を繰り返すため、ほとんど損失無くＮｄ：ＹＡＧレー
ザ媒質４０１に吸収され、これを励起する。この実施例
では、励起光を全反射によってレーザ媒質中に閉じ込め
るため、Ｎｄ：ＹＡＧレ−ザ媒質４０１の端面での励起
光４０４ａ，４０４ｂの入射角は、前記の第１、第２あ
るいは第３実施例の場合に比べて大きくとれる。従って
、励起光源の数を増やすことが容易になる。

【００４５】図５は、本発明の第５実施例に係る固体レ
ーザ発振器の構成図である。この実施例は、フォノン終
準位レーザに本発明を適用したものである。本実施例に
係る固体レーザ発振器では、フォノン終準位レーザとし
て、レーザ媒質に、３価のチタンイオンがドープされた
サファイア（Ａｌ２Ｏ３）結晶から成るタイサファイア
レーザロッド５０１が用いられている（この種のレーザ
は一般にタイサファイアレーザと呼ばれる）。レーザ共
振器は、出力鏡５０２と、全反射鏡５０３とで成る。励
起光５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ，５０４ｄは、Ｎｄ
：ＹＡＧレーザの第２高調波である波長５３２ｎｍのレ
ーザ光であり、これらは集光レンズ５０５ａ，５０５ｂ
を通り、絞られながら進んで、穴付全反射鏡５０６ａ，
５０６ｂで反射し、タイサファイアレーザロッド５０１
に照射される。それによりレーザ発振光５０７が図示す
るように取り出される。また、タイサファイアレーザは
波長可変性を有するため、発振させるレーザ光の波長を
選択するために、ここではプリズム５０８が用いられて
いる。

【００４６】タイサファイアレーザのようなフォノン終
準位レーザでは、一般に１００ｎｍ前後の極めて広い吸
収スペクトル領域と発振スペクトル領域を有する。その
ため発振スペクトル領域の中でも比較的短波長側では、
吸収スペクトル領域における長波長側と重なってくるこ
とがあり、再吸収が生じてレーザ発振しにくい。特にタ
イサファイアレーザでは、波長４９０ｎｍ付近を中心と
した吸収スペクトルを有するが、吸収帯は波長約４００
ｎｍから６５０ｎｍ付近まであり、さらに波長９００ｎ
ｍ近くまで僅かではあるが存在する。そのためレーザ発
振波長は、波長７９０ｎｍ付近を中心として、それより
短波長側はせいぜい波長６６０ｎｍ付近までであり、特
に波長７００ｎｍ以下ではレーザ出力が大きく低下して
しまう。

【００４７】しかし、これに対して、上述した第５実施
例に係る固体レーザ発振器では、再吸収が多少存在して
も、効率良くレーザ発振できるため、レーザ発振領域の
特に短波長側にあたる波長７００ｎｍ以下において高出
力化が可能になる。

【００４８】図７は、本発明の一実施例に係るレーザ露
光装置の構成図である。このレーザ露光装置７００は、
図２に示した第２実施例に係る固体レーザ発振器を用い
て、フォトレジストをレーザ光で露光するものである。

【００４９】固体レーザ発振器を備えるレーザ光発生装
置７０１からは、上述した第２実施例で説明したように
、波長４７３ｎｍの青色レーザ光７０２が取り出される
。この青色レーザ光７０２は全反射鏡７０３で反射して
マスク７０４に当たる。このマスク７０４を通過する光
は、投射レンズ７０５を通り、フォトレジスト７０６に
当たる。そのためフォトレジスト７０６には、マスク７
０４のパターンが転写され、フォトレジスト７０６が感
光する。

【００５０】フォトレジストは一般に青色から紫外域の
光に感光する。従来の固体レーザ発振器からのレーザを
用いてフォトレジストを感光させるには、例えばＮｄ：
ＹＡＧレーザの基本波（この場合は通常の波長１０６４
ｎｍが用いられる。）の第３高調波である波長３５５ｎ
ｍの紫外光が用いられてきた。図８に示す一般的なフォ
トレジストの光吸収特性によれば、波長３５５ｎｍの光
の吸収強度は、波長４７３ｎｍの光の吸収強度よりも高
い。そのため、等しいレーザ出力では、波長３５５ｎｍ
のレーザ光を利用する方が、波長４７３ｎｍのレーザ光
を利用するよりも、フォトレジストを効率良く感光させ
ることができる。ところが、波長３５５ｎｍのレーザ光
を発生させる場合には、基本波の波長１０６４ｎｍのレ
ーザ光と、その第２高調波の波長５３２ｎｍのレーザ光
との結合である和周波数を発生させなければならず、そ
れによる基本波からの総合的な発生効率は、一般に５％
から１０％と低いことが問題になっている。

【００５１】図７に示す実施例で利用される波長４７３
ｎｍのレーザ光は、図２に示す様に、レーザ共振器中に
置かれた非線形光学素子２０７による内部共振器型と呼
ばれるタイプの波長変換方法により発生させたものであ
る。これによると、共振器の内部ではレーザ光の強度を
極めて高くできるため、波長変換効率を３０％から６０
％と高くすることができる。その結果、波長４７３ｎｍ
の光は、波長３５５ｎｍの光に比べてフォトレジストの
吸収強度は低いが、レーザ出力を高くできるため、フォ
トレジストに吸収させるトータルの光量を増やすことが
でき、従来より効率良くフォトレジストを感光させるこ
とができるようになる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、励起光源を必要に応じ
て多数設けることができるので、レーザの高出力化が図
れる。特に、レーザ媒質に再吸収特性が現れる場合でも
、効率良くレーザ発振できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る固体レーザ発振器の
構成図である。

【図２】本発明の第２実施例に係る固体レーザ発振器の
構成図である。

【図３】本発明の第３実施例に係る固体レーザ発振器の
構成図である。

【図４】本発明の第４実施例に係る固体レーザ発振器の
構成図である。

【図５】本発明の第５実施例に係る固体レーザ発振器の
構成図である。

【図６】Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光の波長に対するエネルギ
ー準位を示すグラフである。

【図７】本発明の一実施例に係るレーザ露光装置の構成
図である。

【図８】フォトレジストの光吸収特性を示すグラフであ
る。

【図９】レーザ出力とＹＡＧレーザ媒質の長さ（厚さ）
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１００，２００，３００，４００…固体レーザ発振器、
７００…レーザ露光装置、７０１…レーザ光発生装置、
１０１，２０１，３０１，４０１…Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
媒質、５０１…タイサファイアレーザロッド、１０２，
４０３，５０２…出力鏡、３０６ａ，３０６ｂ…半導体
レーザ（ＬＤ）、１０４ａ，１０４ｂ…補正レンズ、１
０６，３０８ａ，３０８ｂ，４０５ａ，４０５ｂ，５０
５ａ，５０５ｂ…集光レンズ、２０２，３０２，５０３
，７０３…全反射鏡、２０３，３０４…ダイクロイック
ミラー、１０９…冷却管、１０９ａ，１０９ｂ，１０９
ｂ’…矢印（水の流れる方向）、１０５ａ，１０５ｂ，
２０９ａ，２０９ｂ，３０７ａ，３０７ｂ，４０４ａ，
４０４ｂ，５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ，５０４ｄ…
励起光、１０８，２１１，３１０，４０６，５０７…レ
ーザ発振光、７０２…青色レーザ光、１０３ａ，１０３
ｂ，２０８ａ，２０８ｂ…光ファイバ、２０４…調整レ
ンズ、２０７，３０５…非線形光学素子、２１２，３１
１…第２高調波のレーザ光、１０７，２０５，５０６ａ
，５０６ｂ…穴付全反射鏡、２０６…反射鏡付ガラス板
、２０６’…反射鏡、２１０ａ，２１０ｂ…コリメート
レンズ、２１３ａ，２１３ｂ…放熱板、３０９…反射プ
リズム、４０２…光学ガラス、５０８…プリズム、７０
４…マスク、７０５…投射レンズ、７０６…フォトレジ
スト。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　固体状のレーザ媒質の少なくとも１つ
の面におけるレーザの光軸付近に対して、前記レーザの
光軸と平行でない少なくとも２つ以上の斜め方向から、
励起光を照射する手段を備えることを特徴とする固体レ
ーザ発振器。
【請求項２】　　前記レーザ媒質が、発振するレーザ光
を吸収する再吸収特性を有し、かつ前記レーザ媒質が薄
板状であることを特徴とする請求項１記載の固体レーザ
発振器。
【請求項３】　　前記レーザ媒質に対して発振するレー
ザ光と励起光が同じ側から当たることを特徴とする請求
項１記載の固体レーザ発振器。
【請求項４】　　励起光に対して高い反射率を有し、か
つ穴を有する反射鏡を含むことを特徴とする請求項１記
載の固体レーザ発振器。
【請求項５】　　前記レーザ媒質が円柱状であり、かつ
このレーザ媒質の周囲に、屈折率が前記レーザ媒質の屈
折率より小さい値である光学素子が接していることを特
徴とする請求項１記載の固体レーザ発振器。
【請求項６】　　前記レーザ媒質がネオジウムイオンを
含んだ結晶またはガラスであることを特徴とする請求項
１記載の固体レーザ発振器。
【請求項７】　　前記結晶がＮｄ：ＹＶＯ４結晶である
ことを特徴とする請求項６記載の固体レーザ発振器。
【請求項８】　　請求項１乃至請求項７のいずれにか記
載されている固体レーザ発振器から出射されるレーザ光
を用いてフォトレジストを露光することを特徴とするレ
ーザ露光装置。
【請求項９】　　厚さ０．３〜３ｍｍのＮｄ：ＹＡＧレ
ーザ媒質と、該Ｎｄ：ＹＡＧレーザ媒質から出射される
レーザ発振光の光軸に対し斜めに複数本の励起光を該Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ媒質に入射させる励起光照射手段とを
備えることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項１０】　　励起光が照射されたとき発振する所
定波長のレーザ光がレーザ媒質内部で吸収されてしまう
材質の固体レーザ媒質から前記所定波長のレーザ光を取
り出す固体レーザ発振器において、前記所定波長のレー
ザ光が内部で吸収されず媒質外部に取り出せる長さまた
は厚さにした前記固体レーザ媒質と、前記所定波長のレ
ーザ光を強める共振器と、前記媒質外部に取り出される
所定波長のレーザ光の光軸に対し前記固体レーザ媒質の
レーザ発振領域に斜めに励起光を照射する光学系とを備
えることを特徴とする固体レーザ発振器。
【請求項１１】　　板状の固体レーザ媒質と、該固体レ
ーザ媒質の所定領域に複数本の入射方向の異なる励起光
を集光させる光学系と、前記所定領域で発振し外部に出
力されるレーザ発振光を共振作用にて強める共振器であ
ってレーザ発振光の光軸が前記励起光と異なる方向とな
るように設定された共振器とを備えることを特徴とする
固体レーザ発振器。
【請求項１２】　　請求項１０記載の固体レーザ発振器
に用いられる固体レーザ媒質であって、材質がＮｄ：Ｙ
ＡＧであり厚さが０．３〜３ｍｍの板状に形成されてい
ることを特徴とする固体レーザ媒質。
【請求項１３】　　請求項１０記載の固体レーザ発振器
に用いられる固体レーザ媒質であって、板状に形成され
レーザ発振領域以外に冷却装置が設けられていることを
特徴とする固体レーザ媒質。
【請求項１４】　　請求項１１記載の固体レーザ発振器
に用いられるレーザ共振器であって、励起光の反射経路
とレーザ発振光の反射経路の光軸を異ならせたことを特
徴とするレーザ共振器。