JP2024542908A - 対向櫛型非線形結晶グレーティングを用いる周波数変換 - Google Patents

Abstract

非線形結晶グレーティングアセンブリであって、反転した結晶軸を有し、所定のメサの幅の平行な離間したメサを有する２つの一体的非線形結晶グレーティング構造体を含み、対向櫛型構成で組み付けられると、２つのグレーティング構造体のメサが入力光の伝搬方向と整列された交互のグレーティングパターンを形成するように配列され、それにより擬似位相整合（ＱＰＭ）の周期的構造を作り出す。非線形結晶グレーティング構造体は、四ホウ酸ストロンチウム、三ホウ酸リチウム、または別の非線形結晶材料を用いて形成される。非線形結晶グレーティングアセンブリは、レーザアセンブリで利用され、基本波波長は、中間周波数変換段を用いて二逓倍化および／または加算された後、最終周波数変換段が非線形結晶グレーティングアセンブリを利用して１つ以上の中間光ビーム周波数を二逓倍化または加算し、高いパワーおよび光子エネルギーのレベルでレーザ出力光を生成する。方法および検査システムも説明される。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２０２１年１１月２４日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の米国仮特許出願第６３／２８２，７０６号の優先権を主張する。

本開示は、２０２０年６月１２日に出願された「１７７ｎｍ ａｎｄ １３３ｎｍ ＣＷ Ｌａｓｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」という名称の米国仮特許出願第６３／０３８，１３４号、２０２０年９月１０日に出願された「１５２ｎｍ ａｎｄ １７７ｎｍ ＣＷ Ｌａｓｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」という名称の米国仮特許出願第６３／０７６，３９１号、および２０２１年４月２３日に出願された「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅ Ｐｌａｔｅｓ」という名称の米国特許出願第１７／２３９，５６１号に関連する。これらの出願のすべてが、参照により本明細書に組み込まれる。

また、本願は、Ｖａｅｚ－Ｉｒａｖａｎｉらの米国特許第６，２０１，６０１号、Ｍａｒｘｅｒらの米国特許第６，２７１，９１６号、Ｌｅｏｎｇらの米国特許第７，５２５，６４９号、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第７，８１７，２６０号、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇの米国特許第８，２９８，３３５および同第８，８２４，５１４号、Ｇｅｎｉｓの米国特許第８，９７６，３４３号、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉの米国特許第９，０２３，１５２号、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらの米国特許第９，４６１，４３５および同第９，０５９，５６０号、Ｃｈｕａｎｇの米国特許第９，２９３，８８２号および同第９，６６０，４０９号、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第９，２５０，１７８号、同第９，４５９，２１５号、同第９，５０９，１１２号、同第１０，０４４，１６６、同第１０，２８３，３６６号、および同第１１，１８０８６６号の米国特許文献に関連し、これらのすべてが参照により本明細書に組み込まれる。

本願は、深ＵＶ（ＤＵＶ）または真空ＵＶ（ＶＵＶ）の波長を有する光を生成することができるレーザ、より詳細にはおよそ１２５ｎｍ～３００ｎｍの範囲の光を生成することができるレーザ、ならびにそのようなレーザを用いて例えばフォトマスク、レチクル、および半導体ウェハを検査する検査システムに関する。

半導体デバイスの大きさが小さくなるにしたがって、デバイスを故障させる可能性がある最も小さい粒子やパターン欠陥の大きさも小さくなる。したがって、パターン形成済みおよびパターン未形成の半導体ウェハおよびレチクル上のより小さい粒子および欠陥を検出する必要性が生じる。一般に、光の波長より小さい粒子により散乱する当該光の強度は、当該粒子の大きさの高い乗数として上昇する（例えば、分離された小さい球形粒子からの光の総散乱強度は、球体の直径の６乗に比例し、波長の４乗に反比例して増減する）。散乱光の強度が上昇するため、一般に、より短い波長がより長い波長よりも小さい粒子や欠陥を検出するより高い感度を提供することになる。

一般に、小さい粒子や欠陥から散乱する光の強度が非常に低いため、非常に短い時間で検出可能な信号を生成するために高い照明強度が必要とされる。０．３Ｗ以上の平均光源パワーレベルが必要とされる場合がある。これらの高い平均パワーレベルでは、高いパルス繰り返しレートが望ましい。というのも、繰り返しレートが高いほど、パルス当たりのエネルギーが低くなり、したがってシステムの光学系または検査される物品に対する損傷のリスクが低くなるからである。一般に、検査および計測における照明の必要性は、連続波（ＣＷ）光源により最も良く満たされる。ＣＷ光源は、一定のパワーレベルを有し、これによりピークパワーによる損傷の問題を回避し、画像またはデータを継続的に得ることも可能にする。しかし、多くの場合、約５０ＭＨｚ以上の繰り返しレートを有するモードロックレーザ（場合によっては準ＣＷレーザと呼ばれる）が有用な場合がある。というのも、高い繰り返しレートは、パルス当たりのエネルギーが特定の計測・検査用途で損傷を回避するのに十分低くなりうることを意味するからである。

米国特許出願公開第２０１５／０１５５６８０号 米国特許出願公開第２０１４／０３６２８８０号

したがって、ＶＵＶ範囲の放射線を生成し、フォトマスク、レチクル、および／またはウェハの検査に用いるのに適しているモードロックレーザまたはＣＷレーザの必要性が生じる。より高いパワーレベルで１３３ｎｍ付近のモードロック出力またはＣＷ出力を可能にするレーザを実用的に製造することができれば、より正確でより速い検査および計測を可能にし、最先端の半導体製造に貢献できるであろう。

さらに、高いパワーレベルおよび長い点検間隔（例えば、数か月または数年）でＤＵＶ波長（例えば、１９０ｎｍ～３００ｎｍの波長）の放射線を生成するレーザは、周波数変換のための非線形結晶として典型的にはホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）を用いる。しかし、ＣＬＢＯは吸湿性であり、取り扱い、保管、および操作の間、湿気から保護しなければならず、製造、出荷、および操作の工程でかなりの複雑さとコストを生じさせる。高い損傷閾値を有する他の非吸湿性の非線形結晶は、ＤＵＶ波長範囲の重要な波長で位相整合しないので、当該波長での臨界位相整合または非臨界位相整合で用いることができない。したがって、吸湿性の非線形結晶を用いることなくＤＵＶ範囲の放射線を生成するモードロックレーザまたはＣＷレーザの必要性も生じる。

また、およそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍ等の範囲のＤＵＶ波長またはＶＵＶ波長の出力を有するモードロックレーザまたはＣＷレーザ光を生成することができ、上記の問題および欠点のうちのいくつかまたはすべてを回避する検査システムおよび関連するレーザシステムの必要性も生じる。

本発明は、一般に、対応する出力波長がおよそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力周波数を有するレーザ出力光ビームを生成するように構成されるレーザアセンブリ（レーザ）で用いる非線形結晶グレーティングアセンブリに関する。それぞれの非線形結晶グレーティングアセンブリ（グレーティングアセンブリ）は、平行で離間されたメサタイプの構造体（メサ）の列を含むようにそれぞれ加工された２つの一体的非線形結晶グレーティング構造体を含む。メサは、対向櫛型構成で組み付けることを容易にするように形成および構成される（例えば、それにより１つのグレーティング構造体のメサは、別のグレーティング構造体の隣接する２つのメサの間に形成された溝に嵌合し、その逆も当てはまる）。また、両方のグレーティング構造体は、それぞれのメサのそれぞれの幅が、所望のレーザ出力光ビームの出力周波数と入射光ビームの擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成するために必要とされる、光ビームの伝搬方向で測定される臨界長の奇数倍に実質的に等しくなるように形成される（例えば、エッチングされ、または切り込まれる）。また、グレーティング構造体は、反転した結晶軸を有して形成され（例えば、第１の光軸は伝搬方向と平行に整列され、第２および第３の光軸は互いに対して実質的に１８０°回転する）、それにより第１のグレーティング構造体は、第２のグレーティング構造体の「反転した」（第２の）結晶軸に対して「直立した」（第１の）結晶軸を有する。グレーティング構造体が対向櫛型構成で組み付けられ、グレーティングアセンブリが１つ以上の入射光ビームを受け取るように動作可能に配置されると、入射（中間）光ビームは第１および第２の結晶軸の第２の光軸と実質的に平行になり、２つのグレーティング構造体のメサはグレーティングパターンを集合的に形成し、光ビームは、直立メサおよび反転メサを交互に通る（すなわち、１つのグレーティング構造体の直立メサを通り、次に別のグレーティング構造体の反転メサを通り、次に第１のグレーティング構造体の第２の直立メサを通る、等）。このようにグレーティング構造体を形成して組み付けることにより、グレーティングアセンブリは、印加光の周波数変換に適したＱＰＭを達成することができる周期的構造を提供し、それにより高いパワーおよび光子エネルギーのレベルでＤＵＶレーザ光およびＶＵＶレーザ光の生成を容易にする一方、先行技術の手法に関連する上述の問題および欠点を回避する。さらに、２つのグレーティング構造体が対向櫛型構成に配置されると、直立メサおよび反転メサが所望の交互のグレーティングパターンを形成するように２つのグレーティング構造体を形成することにより、本発明は、関連する製造・組み付け工程を大幅に簡略化し、したがって本発明の結晶グレーティングアセンブリを用いれば、レーザアセンブリを製造するコストを低減する。

一実施形態では、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを形成するために用いられるグレーティング構造体のそれぞれは、単一の（一体的）四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ_４Ｏ_７（ＳＢＯ）結晶を含む。ＳＢＯ結晶は魅力的な特徴を示し（例えば、広い透過範囲、高い損傷耐性および化学的安定性、高い微小硬度、ならびにバンドギャップ値と比較して高い斜方向ｄ_３３非線形光学成分値）、これにより先行技術の手法に関連する上述の問題および欠点の多くを回避する。代替的な実施形態では、非線形結晶は、入力・出力周波数に対して透過性であり、かなり高い少なくとも１つの非線形係数を有する（およそ１ｐｍ／Ｖ以上）三ホウ酸リチウムＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）、ホウ酸ベータバリウムβ－ＢａＢ_２Ｏ_４（ＢＢＯ）、または別の非線形結晶材料である。ＳＢＯ結晶は、低い複屈折性を示し、これにより臨界位相整合または非臨界位相整合による周波数変換が不可能になる。ＬＢＯは、赤外線波長（例えば１０６４ｎｍ）の周波数を二逓倍化して可視スペクトルの緑色部分の第二高調波を生成するために広く用いられている。ＬＢＯは、高い損傷閾値を有し、約１６０ｎｍの短い波長の光を透過する。しかし、ＬＢＯのＵＶ屈折率では、例えば５３２ｎｍ付近の波長の緑色光の周波数を二逓倍化する臨界位相整合および非臨界位相整合が可能でない。本発明は、本明細書に説明する対向櫛型構成を用いてグレーティングパターン（すなわち、第１の／直立結晶軸および第２の／反転結晶軸をそれぞれ有する一連の整列された周期的に連続する直立メサおよび反転メサ）を形成することにより、ＳＢＯ、ＬＢＯ、および他の非線形結晶の位相整合の限界を回避し、これにより、グレーティングアセンブリの出力面を出射する光が所望のＤＵＶ出力周波数またはＶＵＶ出力周波数を有するレーザ出力光を含むように、ほぼブリュースター角でグレーティングアセンブリの入力面に案内される中間光ビームの１つ以上の入力光周波数のＱＰＭを達成する。

実際の実施形態では、グレーティング構造体は、標準的な製造技術によって周期的に離間した矩形の溝またはキャビティを単一の非線形結晶にエッチングし、または切り込む（刻線する）ことにより形成される。それぞれの溝の間に残存する非線形結晶材料は、本明細書でメサまたはプレートと呼ばれ、それぞれのグレーティング構造体は、平行に離間したメサの水平な列からなる。平行に離間したメサは、水平な基部から垂直に伸び、介在する溝により分離される。上述のように、両方のグレーティング構造体のそれぞれのメサの幅は、所望の出力周波数と入力光周波数のＱＰＭを可能にするために臨界長の奇数倍に実質的に等しい。それぞれの溝の幅は、それぞれのメサの幅よりも大きく、それによりグレーティング構造体が対向櫛型構成で組み付けられると、第１のグレーティング構造体のメサの垂直面は、第２のグレーティング構造体のメサの対向する垂直面から小さいギャップ距離だけ分離される。一実施形態では、矩形の溝の深さ（すなわち、それぞれのメサの高さ）は、少なくとも１０ミクロン、好ましくは少なくとも５０μｍ、または少なくとも１００μｍである。このようにグレーティング構造体を形成することにより、２つのグレーティング構造体のメサは対向櫛型の交互のグレーティングパターンを形成し、これにより本発明により製造されるグレーティングアセンブリを用いて高いパワーレベル（すなわち、数百ミリワット（ｍＷ）から数ワット（Ｗ）以上）および高い光子エネルギーレベル（例えば、２６６ｎｍで４．６６ｅＶ、１７７ｎｍで７．００ｅＶ、１５２ｎｍで８．１６ｅＶ、１３３ｎｍで９．３２ｅＶ）でＤＵＶ波長およびＶＵＶ波長を生成するために必要とされる周波数変換（例えば、１つの入力光周波数の周波数二逓倍化、または２つの入力光周波数の周波数加算）を行うのを容易にする一方、先行技術の手法に関連する上述の問題および欠点を回避する。

下記に具体的に説明する実施形態では、本発明は半導体製造業で利用される検査システム、具体的にはそのような検査システムのための、０．３Ｗ以上の光源パワーレベルを有し、およそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力波長を有するモードロックレーザ光または連続波（ＣＷ）レーザ光を生成することができるレーザアセンブリの改良を対象とする。実際の実施形態では、それぞれの非線形結晶グレーティングアセンブリは、少なくとも１つの基本波レーザおよび１つ以上の中間周波数変換段も含む関連するレーザアセンブリの周波数変換段で利用され、それぞれの基本波レーザは、対応する基本波周波数を有する（例えば、約１μｍ～１．１μｍの波長を有する）基本波光ビームをそれぞれ生成し、中間周波数変換段は、基本波光ビームを、関連する中間周波数を有する少なくとも１つの中間光ビームに変換するように集合的に構成される。少なくとも１つの実施形態では、最終周波数変換段は、中間光ビームをグレーティングアセンブリに案内するように構成され、それによりそれぞれの結晶メサ（プレート）を通る光の偏光方向（電界方向）は、結晶材料の１つの軸（例えば軸Ａ２）と実質的に平行になり、光の伝搬方向は、結晶の別の軸（例えば軸Ａ１）と実質的に平行になり、対向櫛型メサにより形成される交互の直立／反転した周期的構成が出力波長と中間光ビームのＱＰＭを達成する。具体的な実施形態では、最終周波数変換段は、中間光ビームのうちの少なくとも１つを（例えば１つ以上の整合レンズにより）受け取って循環させるように（例えばボウタイリングキャビティ形成の形で）動作可能に構成される複数のミラーを含み、それにより循環光のビームウエストがグレーティングアセンブリに（すなわち、その内部または直近に）現れる。一実施形態では、最終周波数変換段は、ビームスプリッタ（例えば、ＳＢＯ結晶、ＳＢＯガラス、またはＣａＦ_２結晶）を利用する。ビームスプリッタは、出射光（すなわち、グレーティングアセンブリを去る／出射する光）を分割するように構成され、それにより出射光の反射する（第１の）部分は、およそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力波長を有する所望のレーザ出力光ビームを形成し、未消費の入力光を含む出射光の非反射（第２の）部分は、ビームスプリッタにより送られてキャビティミラーにより循環する。

開示するさまざまな実施形態では、本発明は、半導体製造業で利用される検査システムのための改良されたレーザアセンブリ、具体的にはそのような検査システムのための、０．３Ｗ以上の光源パワーレベルを有し、およそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力波長を有するレーザ光を生成することができるレーザアセンブリを対象とする。いくつかの実施形態では、非線形結晶グレーティングアセンブリは、５３２ｎｍ付近の可視波長、３５５ｎｍ付近のＵＶ波長、または２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する単一の中間光ビームを周波数二逓倍化して２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長、１７７ｎｍ付近のＶＵＶ波長、または１３３ｎｍ付近のＶＵＶ波長を有するレーザ光をそれぞれ生成するように構成される。他の実施形態では、非線形結晶グレーティングアセンブリは、３５５ｎｍ付近のＵＶ波長を有する第１の中間光ビームを、２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する第２の中間光ビームに周波数加算して１５２ｎｍ付近のＶＵＶ出力波長を有するレーザ光を生成するように構成される。本明細書に開示する他の実施形態では、非線形結晶グレーティングアセンブリは、５３２ｎｍ付近の可視波長を有する第１の中間光ビームを、２１３ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する第２の中間光ビームに周波数加算して１５２ｎｍ付近のＶＵＶ波長を有するレーザ光を生成するように構成される。なおも別の代替的な実施形態では、非線形結晶グレーティングアセンブリは、５３２ｎｍ付近の可視波長を有する第１の中間光ビームを、２６６ｎｍ付近のＤＵＶ波長を有する第２の中間光ビームに周波数加算して１７７ｎｍ付近のＶＵＶ出力波長を有するＣＷレーザ光を生成するように構成される。上述のすべての実施形態では、非線形結晶グレーティングアセンブリを形成する一体的非線形結晶グレーティング構造体は、入力光周波数と出力光周波数の関連するＱＰＭ臨界長の奇数倍に実質的に等しいメサ幅を有するメサを含むように製造される。

別の実施形態によれば、レーザアセンブリは、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて最終周波数変換段が基本波周波数の第四高調波を二逓倍化するように構成することにより基本波周波数の第八高調波を生成することでおよそ１３３ｎｍの出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成される。

別の実施形態によれば、レーザアセンブリは、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて最終周波数変換段が基本波周波数の第三高調波を二逓倍化するように構成することにより基本波周波数の第六高調波を生成することでおよそ１７７ｎｍの出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成される。

別の実施形態によれば、レーザアセンブリは、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて最終周波数変換段が基本波周波数の２つの第二高調波を加算する（または単一の第二高調波を二逓倍化する）ように構成することにより基本波周波数の第四高調波を生成することでおよそ２６６ｎｍの出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成される。

別の実施形態によれば、レーザアセンブリは、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて最終周波数変換段が基本波周波数の第三高調波および第四高調波を加算するように構成することにより基本波周波数の第七高調波を生成することでおよそ１５２ｎｍの出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成される。

別の実施形態によれば、レーザアセンブリは、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて最終周波数変換段が基本波周波数の第二高調波および第五高調波を加算するように構成することによりおよそ１５２ｎｍの出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成される。

別の実施形態によれば、レーザアセンブリは、本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて最終周波数変換段が基本波周波数の第二高調波および第四高調波を加算するように構成することによりおよそ１７７ｎｍの出力波長を有するレーザ出力光を生成するように構成される。

他の実施形態では、検査システムは、例えば、およそ２６６ｎｍ、１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、またはおよそ１３３ｎｍの出力波長を生成する、本明細書に説明するレーザのうちの１つを用いて試料、例えばウェハ、レチクル、またはフォトマスクを検査するように構成される。

本発明の一般化された例示的な実施形態による例示的なレーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。 本発明の第１の具体的な実施形態による簡略レーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。 本発明の第２の具体的な実施形態による簡略レーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による第１および第２の具体的な実施形態のレーザアセンブリにおいて利用される例示的な最終周波数二逓倍化段を示す簡略図である。 本発明の例示的な実施形態による第３、第４、および第５の具体的な実施形態のレーザアセンブリにおいて利用される例示的な最終周波数加算段を示す簡略図である。 レーザアセンブリの最終周波数変換段で用いる例示的な一体的非線形結晶グレーティング構造体、および一体的非線形結晶グレーティング構造体により形成される例示的な簡略非線形結晶グレーティングアセンブリを示す斜視図である。 レーザアセンブリの最終周波数変換段で用いる例示的な一体的非線形結晶グレーティング構造体、および一体的非線形結晶グレーティング構造体により形成される例示的な簡略非線形結晶グレーティングアセンブリを示す斜視図である。 レーザアセンブリの最終周波数変換段で用いる例示的な一体的非線形結晶グレーティング構造体、および一体的非線形結晶グレーティング構造体により形成される例示的な簡略非線形結晶グレーティングアセンブリを示す斜視図である。 操作中の図４Ｃの例示的な非線形結晶を含む部分的な最終周波数変換段を示す改変された断面図である。 別の例示的な実施形態による非線形結晶グレーティングアセンブリを示す斜視図である。 別の例示的な実施形態による非線形結晶グレーティングアセンブリを示す斜視図である。 別の例示的な実施形態による非線形結晶グレーティングアセンブリを示す斜視図である。 本発明の追加の具体的な実施形態による簡略レーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。 本発明の追加の具体的な実施形態による簡略レーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。 本発明の追加の具体的な実施形態による簡略レーザアセンブリを示す簡略ブロック図である。 本発明の別の特定の実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つを利用する暗視野検査モードおよび明視野検査モードを用いる例示的検査システムを示す簡略図である。 本発明の別の特定の実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つを利用する暗視野検査システムを示す概略図である。 本発明の別の特定の実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つを利用する暗視野検査システムを示す概略図である。 本発明の別の特定の実施形態による、本明細書で説明するレーザアセンブリのうちの１つを用いてパターン未形成のウェハを検査するように構成される代替的な暗視野検査システムを示す概略図である。

本発明は、半導体検査システム用のレーザの改良に関する。以下の説明は、当業者が特定の用途およびその要件の観点から本発明を実行し用いることを可能にするために提示される。本明細書で用いる方向の用語、例えば「上部」、「左」、「右」、「水平」、「垂直」、および「下方」は、説明を目的として相対的位置を提供することを意図しており、絶対的な参照枠を指定することを意図していない。説明する実施形態のさまざまな変形例が当業者には明らかであり、本明細書で定義する一般的原理は、他の実施形態に適用されてもよい。したがって、本発明は示して説明する特定の実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示する原理および新規な特徴に合致する最も広い範囲で認められるものである。

アセントリックな結晶の二次感受率変化により、周波数変換に有利な場合がある擬似位相整合（ＱＰＭ）条件の変更をもたらす。約１５０ｎｍ未満のＶＵＶスペクトル領域については、非ゼロ二次非線形性を十分な複屈折性と組み合わせる既知の透明な光学結晶はまだ存在しない。例えばｍｍ２の対称性を有する強誘電体ＢａＭｇＦ_４の電界ポーリングにより（Ｅ．Ｇ．Ｖｉｌｌｏｒａ，Ｋ．Ｓｈｉｍａｍｕｒａ，Ｋ．Ｓｕｍｉｙａ，ａｎｄ Ｈ．Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ，“Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ－ａｎｄ ｑｕａｓｉ ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ ＢａＭｇＦ_４ ｆｏｒ ｖａｃｕｕｍ－ＵＶ／ＵＶ ａｎｄ ｍｉｄ－ＩＲ ａｌｌ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒｓ，”Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １７，１２３６２ （２００９））、または三方晶で３２の対称性を有する結晶性石英（ＳｉＯ_２）の機械的双晶形成により（Ｓ．Ｋｕｒｉｍｕｒａ，Ｍ． Ｈａｒａｄａ，Ｋ．Ｍｕｒａｍａｔｓｕ，Ｍ．Ｕｅｄａ，Ｍ．Ａｄａｃｈｉ，Ｔ．Ｙａｍａｄａ，ａｎｄ Ｔ．Ｕｅｎｏ，“Ｑｕａｒｔｚ ｒｅｖｉｓｉｔｓ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ ：ｔｗｉｎｎｅｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｏｒ ｑｕａｓｉ－ｐｈａｓｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ［Ｉｎｖｉｔｅｄ］，”Ｏｐｔ．Ｍａｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １，１３６７（２０１１））ＱＰＭ構造体を製造するいくつかの試みが報告されている。しかし、両方の材料は低い非線形係数を示し、これまでに実証された最も短い波長は１９４ｎｍである。

四ホウ酸ストロンチウムＳｒＢ_４Ｏ_７（ＳＢＯ）は、点群がｍｍ２、空間群がＰｎｍ２_１、単位胞の大きさがａ＝４．４２５５Å、ｂ＝１０．７０９Å、ｃ＝４．２３４１Åの斜方晶系で結晶化する（Ｙ．Ｓ．Ｏｓｅｌｅｄｃｈｉｋ，Ａ．Ｌ．Ｐｒｏｓｖｉｒｎｉｎ，Ａ．Ｉ．Ｐｉｓａｒｅｖｓｋｉｙ，Ｖ．Ｖ．Ｓｔａｒｓｈｅｎｋｏ，Ｖ．Ｖ．Ｏｓａｄｃｈｕｋ，Ｓ．Ｐ．Ｂｅｌｏｋｒｙｓ，Ｎ．Ｖ．Ｓｖｉｔａｎｋｏ，Ａ．Ｓ．Ｋｏｒｏｌ，Ｓ．Ａ．Ｋｒｉｋｕｎｏｖ，ａｎｄ Ａ．Ｆ．Ｓｅｌｅｖｉｃｈ，“Ｎｅｗ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ： ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ ａｎｄ ｌｅａｄ ｔｅｔｒａｂｏｒａｔｅｓ，”Ｏｐｔ．Ｍａｔｅｒ．４，６６９（１９９５））。すべてのホウ素原子は、４面体で配位され、酸素原子は３つの４面体に共通である。４面体の三次元ネットワークであるにもかかわらず、ホウ素ネットワークは層様の構造体に見える。というのも、単位胞のｃ方向のリンクが比較的少ないからである。

ＳＢＯは非常に小さい複屈折性を示し（＜０．００５）、強誘電性でない。非位相整合第二高調波生成（ＳＨＧ）は、診断にＳＢＯを用いて実装されているが、１つのコヒーレンス長のみを利用する場合、効率性が極めて低く、実用的検出限度は、２６７ｎｍの１２０ｆｓパルスで２μＪと推定された（Ｖ．Ｐｅｔｒｏｖ，Ｆ．Ｎｏａｃｋ，Ｄ．Ｓｈｅｎ，Ｆ．Ｐａｎ，Ｇ．Ｓｈｅｎ，Ｘ．Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｋｏｍａｔｓｕ，ａｎｄ Ｖ．Ａｌｅｘ，“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｒｙｓｔａｌ ＳｒＢ_４Ｏ_７ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ ｔｏ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ ａｓ ｓｈｏｒｔ ａｓ １２５ ｎｍ，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２９，３７３（２００４））。

ＳＢＯは固有の光学的・機械的特性を示す。ＳＢＯの透過範囲は、１３０～３２００ｎｍの波長である（Ｙ．Ｓ．Ｏｓｅｌｅｄｃｈｉｋら、前掲書中）。また、ＳＢＯは斜方向ｄ_３３成分の高い（１．５～３．５ｐｍ／Ｖ）値も示す（バンドギャップ値との比較）。光損傷閾値は他の材料、例えばＭｇＦ_２と比較して非常に高い（およそ１５ＧＷ／ｃｍ^２）。ＳＢＯの微小硬度も高い（ｘ方向で１７５０ｋｇ／ｍｍ^２、ｙ方向で１４６０ｋｇ／ｍｍ^２、ｚ方向で１３５０ｋｇ／ｍｍ^２）。高い光損傷閾値および微小硬度により、ＤＵＶおよびＶＵＶの放射線に曝露されたときにＳＢＯ結晶は極端な状況に耐えることが可能である。ＤＵＶレーザおよびＶＵＶレーザは、数ミリワット（ｍＷ）～数ワット（Ｗ）以上の高いパワーレベルと、高い光子エネルギー（例えば、１３３ｎｍで９．３２ｅＶ、１５２ｎｍで８．１６ｅＶ）とを有する場合がある。広い透過範囲、高い損傷耐性および化学的安定性、ならびに斜方向ｄ_３３成分の高い値が、ＤＵＶ波長およびＶＵＶ波長を生成するための周波数変換にとってＳＢＯを非常に魅力的なものにする特徴である。しかし、低い複屈折性は、臨界位相整合または非臨界位相整合による周波数二逓倍化が可能でないことを意味する。

Ｔｒａｂｓら（Ｐ．Ｔｒａｂｓ，Ｆ．Ｎｏａｃｋ，Ａ．Ｓ．Ａｌｅｋｓａｎｄｒｏｖｓｋｙ，Ａ．Ｉ．Ｚａｉｔｓｅｖ，Ｎ．Ｖ．Ｒａｄｉｏｎｏｖ，ａｎｄ Ｖ．Ｐｅｔｒｏｖ，“Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｒｉｎｇｅｓ ｉｎ ｎｏｎ－ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄ ＳＨＧ ａｎｄ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ＶＵＶ”，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２３，１００９１（２０１５））は、ランダム擬似位相整合により超短波レーザパルスからＶＵＶの第二高調波を生成するためにＳＢＯ結晶を用いることを報告した。Ｔｒａｂｓらが説明する第二高調波の生成方法は、光源半導体計測および検査システムには適していない。というのも、周波数変換処理が低い効率性を有し、この方法を用いてワットの第二高調波レーザパワーを生成することが実行不可能になってしまい、また、超短波レーザパルスを必要とするからである。

三ホウ酸リチウムＬｉＢ_３Ｏ_５（ＬＢＯ）は、点群がｍｍ２、空間群がＰｎａ２_１、単位胞の大きさがａ＝８．４４７３Å、ｂ＝７．３７８８Å、ｃ＝５．１３９５Åの斜方晶系で結晶化する（Ｃ．Ｃｈｅｎ，Ｙ．Ｗｕ，Ａ．Ｊｉａｎｇ，Ｂ．Ｗｕ，Ｇ．Ｙｏｕ，Ｒ．Ｌｉ，ａｎｄ Ｓ．Ｌｉｎ，“Ｎｅｗ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌ：ＬｉＢ_３Ｏ_５，”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ６， ６１６－６２１（１９８９））。光損傷閾値は高く（１０６４ｎｍの１．１ｎｓパルスで４５ＧＷ／ｃｍ^２）、１６０ｎｍ～２．６μｍの範囲の広範な波長にわたって透過性である。最大の非線形光学係数はｄ_３１（およそ－１．１ｐｍ／Ｖ）およびｄ_３２（およそ１．２ｐｍ／Ｖ）である。斜方向の非線形光学係数ｄ_３３は、はるかに小さく、非線形周波数変換にあまり有用でない。ＬＢＯは、二軸複屈折性であり、例えば、臨界位相整合または非臨界位相整合された第二高調波および和周波数生成により１．０６４μｍ付近の波長の第二および第三高調波を生成することができる。しかし、ＬＢＯは、臨界位相整合または非臨界位相整合のいずれかによりＤＵＶ波長およびＶＵＶ波長、例えば２６６ｎｍまたは１７７ｎｍを生成するのに適していない。

図１に対応する波長がおよそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力周波数ω_ＯＵＴを有するレーザ出力光ビーム１３９を生成するためのレーザアセンブリ１００を示す。一般に、レーザアセンブリ１００は、１つ以上の基本波レーザ１１０、１つ以上の中間周波数変換段１２０、および最終周波数変換段１３０を備える。

図１の上方左部分を参照すると、基本波レーザ１１０は、対応する基本波角周波数ω_１～ω_ｎを有する基本波光ビーム１１９－１、１１９－２．．．１１９－ｎ（集合的に１１９として示す）を生成するようにそれぞれ構成される。それぞれの周波数は、約１μｍ～１．１μｍの対応する基本波波長を有する。いくつかの実施形態では、すべての基本波光ビーム１１９が実質的に同じ波長を有する（例えば、基本波周波数ω_１は基本波周波数ω_２に実質的に等しい）。特定の基本波レーザの種類は、下記に提供する具体的な実施形態で言及する。なお、以下の説明で波長に限定なしに言及する場合、当該波長は、真空中の波長として仮定されてもよい。

中間周波数変換段１２０は、基本波光ビーム１１９のうちの１つ以上（または関連する中間周波数変換段からの光）を受け取るように光学的に結合され、１つ以上の中間光ビーム１２９を生成するように集合的に構成される。いくつかの特定の実施形態では、中間光ビーム１２９は、関連する中間周波数ω_ｘを有する単一の（第１の）中間光ビーム１２９－１を含む。他の特定の実施形態では、中間光ビーム１２９は、中間光ビーム１２９－１と、関連する中間周波数ω_ｙを有する第２の中間光ビーム１２９－２の両方を含む。図１は、すべての中間周波数変換段１２０が基本波光ビーム１１９を受け取ることを要求されるように添付の特許請求の範囲を限定することを意図していない。例えば、下記に記載する下記の具体的な例では、所定の「下流の」中間周波数変換段が、基本波レーザ１１０と所定の下流段との間に光学的に結合された１つ以上の「上流の」中間周波数変換段により生成される第二高調波、第三高調波、または第四高調波の光を受け取ってもよい。

図１の下方半分を参照すると、レーザアセンブリ１００は、例えば図８～図１０を参照して下記に説明する検査システムのうちの１つ以上で用いるために中間光ビーム１２９（ω_ｘまたはω_ｘおよびω_ｙ）を非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０に通し、レーザアセンブリ１００の外にレーザ出力光ビーム１３９を案内するように構成される最終周波数変換段１３０も備える。一実施形態では、中間光ビーム１２９－１は、下記に記載する特定の実施形態で説明するように周波数ω_ｘを有し、入力カプラミラー１３２－１、フラットミラー１３２－２、２つの湾曲ミラー１３２－３および１３２－４、グレーティングアセンブリ１５０、ならびにビームスプリッタ１３７により形成されたボウタイリングキャビティに入射する。説明目的のため、ボウタイリングキャビティにより入力／カプラミラー１３２－１からグレーティングアセンブリ１５０に透過される光の一部を循環光部分１３３として示す。循環光部分１３３は、中間光ビーム１２９－１および未消費の循環光部分１３８－１（下記に説明するように生成される）の両方から構成される。両方の光部分１３３および１３８－１は周波数ω_ｘを有する。ミラー１３２－１～１３２－４により構成されるボウタイリングキャビティは、光部分１３３がグレーティングアセンブリ１５０を通る光経路に沿って案内されるように構成される。一実施形態では、モード整合レンズ１３１を利用し、入力カプラ／ミラー１３２－１を通して中間光ビーム１２９－１を集束し、ミラー１３２－１～１３２－４により形成されるボウタイリングキャビティは、光部分１３３がグレーティングアセンブリ１５０で（すなわち、その内部または直近で）生じる光部分１３３（すなわち、中間光ビーム１２９－１を含む）のビームウエストになるように他の方法で構成される。周波数ω_ｙを有する中間光ビーム１２９－２が下記に記載する関連する特定の実施形態で説明するように用いられる場合、中間光ビーム１２９－２はボウタイリングキャビティに入射し、湾曲ミラー１３２－３の近く（必ずしも通り抜けるわけではない）を通り、それにより実質的に選択された角度θで入力面１５３－ＩＮに案内され、グレーティングアセンブリ１５０を通る。この例示的な配列で示すように、最終周波数変換段１３０は、結晶内光１３４（すなわち、光部分１３３のみ、または光部分１３３および中間光ビーム１２９－２の両方）をグレーティングアセンブリ１５０に通すように構成され、出射光１３６（すなわち、グレーティングアセンブリ１５０から出射するすべての光）は、ビームスプリッタ１３７の入力面１３７－ＩＮに案内される。ビームスプリッタ１３７は、出射光１３６を分割するように構成され、それにより周波数ω_ｘを有する未消費の入力光１３８－１はミラー１３２－４に送られてボウタイキャビティ内で循環し、出力周波数ω_ＯＵＴを有するレーザ出力光１３９はレーザアセンブリ１００の外に案内される。示しているように、いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ１３７は周波数ω_ｙを有する未消費の入力光１３８－２をボウタイキャビティから外に反射するようにも構成される。ビームスプリッタ１３７は、単一のＳＢＯ結晶、ＳＢＯガラス、またはＣａＦ_２結晶のうちの１つを用いて実装されてもよい。なお、最終周波数二逓倍化段１３０がパルスレーザで用いられる場合、キャビティは不要であり（すなわち、ミラー１３２－１、１３２－２、１３２－３、および１３２－４は省かれてもよい）、中間光ビーム１２９－１は、レンズおよび／またはミラーの任意の適した組み合わせによりグレーティングアセンブリ１５０の入力面１５３－ＩＮに案内され、入力面１５３－ＩＮの内部また直近に集束されてもよい。

非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０は、対向櫛型構成で（例えば不図示の外部フレームにより）互いに固定接続されている一体的非線形結晶グレーティング構造体１６０および一体的非線形結晶グレーティング構造体１７０を含む。下記にさらに詳細に説明するように、それぞれの一体的非線形結晶グレーティング構造体（グレーティング構造体）１６０および１７０は、複数の平行に離間したメサ（プレート）を含むが、明確にし、下記の説明を簡略化するために、１つのメサのみを用いてグレーティング構造体１６０および１７０のそれぞれを図１に図示する。具体的には、グレーティング構造体１６０は、基部１６１に一体的に接続され、基部１６１から突出する（延びる）メサ１６２を含み、グレーティング構造体１７０は、基部１７１に一体的に接続され、基部１７１から突出するメサ１７２を含む。本明細書で用いる「一体的」という用語および「一体的に接続される」という文言は、単一の非線形結晶から材料を除去することまたは他の方法で加工することにより形成されるグレーティング構造体を説明するために用いる（例えば、基部１６１およびメサ１６２の両方が単一のＳＢＯ結晶の一部である）。実際の実施形態では、図４Ｃおよび図６Ｃを参照して下記に説明するように、グレーティング構造体１６０および１７０のそれぞれが、それぞれ基部１６１および１７１に一体的に接続されてそれらから延びる複数の対向櫛型メサを含む。本明細書で用いる「対向櫛型構成」という文言は、グレーティング構造体１６０がグレーティング構造体１７０に対して配置され、それによりグレーティング構造体１６０のメサがグレーティング構造体１７０のメサの間に配置された空間に延び、それにより光がグレーティング構造体１６０および１７０の対向櫛型メサの整列された部分により形成される対向櫛型の交互のグレーティングパターンを交互に通ることを意味する（さらに明確にするために図５を参照して下記に説明する実施形態を参照）。

下記にさらに詳細に説明するように、メサ１６２および１７２は、対向する平面状の入力面および出力面を有する矩形の構造体である。操作中、光ビーム１３３は入力面および出力面を通る。図１の脚部の吹き出し区間を参照すると、光ビーム１３３は平面状の入力面１６３－１に案内され、第１の結晶内光部分１３４－１はメサ１６２を通り、出力面１６３－２から出射した第２の結晶内光部分１３４－２は介在空間１５２を通って平面状の入力面１７３－１に入射し、第３の結晶内光部分１３４－３はメサ１７２を通り、出射光１３６は出力面１７３－２によりグレーティングアセンブリ１５０の外に透過される。一実施形態では、最も外側のメサの入力／出力面がグレーティングアセンブリ１５０の入力／出力面を形成する。図１に示した簡略化した例は２つのメサのみを含むので、メサ１６２の入力面１６３－１はグレーティングアセンブリ１５０の入力面１５３－ＩＮとして機能し、メサ１７２の出力面１７３－２はグレーティングアセンブリ１５０の出力面１５３－ＯＵＴとして機能する（実際の実施形態では、グレーティングアセンブリの出力面および入力面は隣接するメサには現れないであろう）。したがって、グレーティング構造体１６０および１７０が必須の対向櫛型構成で配置され、グレーティングアセンブリ１５０が他の方法で最終変換段１３０内に動作可能に配列される場合、光は入力面１５３－ＩＮにぶつかることによってグレーティングアセンブリ１５０を通り、メサ１６２および１７２、ならびに介在ギャップ１５２を通った後、出力面１５３－ＯＵＴを通ってグレーティングアセンブリ１５０から出射する。

非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０は、グレーティング構造体１６０および１７０が光伝搬方向ＰＤに適切な幅を有するメサを用いて形成され、かつグレーティング構造体１６０および１７０が入射光の光伝搬方向ＰＤおよび偏光方向３２９に対して下記に説明するように整列される反転結晶軸を有して形成される場合、入射光（例えば、ビーム１３３および／またはビーム１２９）のＱＰＭを達成する。図１の吹き出し区間を参照すると、グレーティング構造体１６０およびグレーティング構造体１７０の両方は、それぞれのメサ１６２および１７２が中間光ビーム１２９／１３３の伝搬方向ＰＤに測定される臨界長Λ１の奇数倍に実質的に等しい幅Ｔ１（例えば、入力面１６３－１／１７３－１と出力面１６３－２／１７３－２との間の距離）を有するように製造される。臨界長Λ１を、図４Ａ～４Ｃを参照して下記にさらに詳細に説明する。また、吹き出し区間に示すように、グレーティング構造体１６０を形成するために用いられる結晶材料は、関連する第１の結晶軸（光軸Ａ１１、Ａ１２、およびＡ１３により示される）を含み、グレーティング構造体１７０を形成するために用いられる結晶材料は、関連する第２の結晶軸（光軸Ａ２１、Ａ２２、およびＡ２３により示される）を含む。ＱＰＭを達成するために、両方のグレーティング構造体１６０および１７０の第１の光軸Ａ１１およびＡ２１は、光伝搬方向ＰＤと平行に整列され、両方の第２の光軸Ａ１２およびＡ２２は、光偏光方向３２９と平行に整列される。さらに、上述のように、グレーティング構造体１６０および１７０の第１および第２の結晶軸は反転している（互いに対して１８０°回転）。説明目的のため、「直立」という用語は、図１に示す、光軸配向要件を満たす任意に選択された第１の結晶軸Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３を示すために割り当てられている（すなわち、光軸Ａ１１は光伝搬方向ＰＤと平行に整列され、光軸Ａ１２は光偏光方向３２９と平行である）。対照的に、「反転」という用語は、第１の結晶軸Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３に対して１８０°回転し、光軸配向要件を満たす第２の結晶軸Ａ２１／Ａ２２／Ａ２３の３つの考えられる配向に割り当てられる（すなわち、３つの配向のそれぞれにおいて、光軸Ａ２１は光伝搬方向ＰＤと平行に整列され、光軸Ａ２２は光偏光方向３２９と平行である）。なお、グレーティング構造体１６０は、図１に示す３つの結晶軸配向Ａ２１／Ａ２２／Ａ２３のいずれかを用いて形成されてもよく、したがって「直立」および「反転」という用語は任意に割り当てられ、第１の結晶軸Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３と第２の結晶軸Ａ２１／Ａ２２／Ａ２３との間の１８０°の回転を示すためにのみ用いられる。グレーティング構造体１６０および１７０が上記で説明したように形成され、対向櫛型構成で配置される場合、メサ１６２および１７２は（介在ギャップ１５２とともに）、中間光ビーム１２９とレーザ出力１３９との（すなわち、下記に記載する特定の例で説明するω_ＯＵＴと周波数ω_ｘとの間、または下記に記載する特定の例のうちのいくつかで説明するω_ｘおよびω_ｙの両方）擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成する周期的構造を集合的に形成し、それにより非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０の出力面１５３－ＯＵＴから出射する光部分１３６は、所望の出力周波数ω_ＯＵＴを有するレーザ出力光ビーム１３９を含む。

図２Ａは、本発明の第１の特定の例示的な実施形態によるおよそ１２８ｎｍ～およそ１３４ｎｍ（例えばおよそ１３３ｎｍ）の範囲の波長を生成するように構成される例示的なレーザアセンブリ１００Ａを示す簡略ブロック図である。レーザアセンブリ１００Ａは、第１の基本波レーザ１１０Ａと３つの周波数二逓倍化（変換）段（すなわち、２つの中間周波数二逓倍化段１２０Ａ－１および１２０Ａ－２、ならびに最終周波数二逓倍化段１３０Ａ）を備え、これらはおよそ１２８ｎｍ～およそ１３４ｎｍの範囲の波長を有するレーザ出力光を生成するように協働的に構成される。第１の基本波レーザ１１０Ａは、およそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍ（すなわち、約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第１の基本波波長、および対応する第１の基本波周波数ω_１を有する基本波光１１９Ａを生成するように構成される。第１の中間周波数二逓倍化段１２０Ａ－１は、第１の基本波光１１９Ａを受け取り、第１の基本波周波数ω_１の２倍に等しい第二高調波周波数２ω_１を有する第二高調波光１２１Ａを生成する。第２の中間周波数二逓倍化段１２０Ａ－２は、第二高調波光１２１Ａを受け取り、第１の基本波周波数ω_１の４倍に等しい第四高調波周波数４ω_１を有する第四高調波光として中間光ビーム１２９Ａを生成する。最後の（第３の）周波数二逓倍化段１３０Ａは、第四高調波光（中間光ビーム）１２９Ａを受け取り、第１の基本波周波数ω_１の８倍に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＡを有するレーザ出力光１３９Ａを生成する。

図２Ａを参照すると、第１の基本波レーザ１１０Ａは、既知の技術を用いて第１の基本波周波数ω_１で第１の基本波光１１９Ａ（産業界では単に「基本波」と呼ばれる）を生成するように構成される。一実施形態では、第１の基本波レーザ１１０Ａは、第１の基本波光１１９Ａがおよそ１０６４ｎｍの赤外線波長に対応する第１の基本波周波数ω_１で生成されるように構成される。例示的な実施形態では、第１の基本波レーザ１１０Ａは、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジムをドープしたイットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ媒質、Ｎｄをドープしたオルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ_４）レーザ媒質、またはイッテルビウムをドープしたファイバレーザ媒質のうちの１つを用いて実装される。適した基本波レーザは、コヒーレント・インク、ＩＰＧフォトニクス・コーポレーション、トルンプ有限責任会社、および他の製造者から市販されている。そのような製造者は、５３２ｎｍ付近の波長を有する光を生成するレーザも販売する。すなわち、レーザは第１の基本波レーザ１１０Ａおよび第１の周波数二逓倍化段１２０Ａ－１を含む。半導体ウェハまたはレチクルを検査するためにおよそ１３３ｎｍの波長の十分な光を生成するべく、第１の基本波レーザ１１０Ａは数十または数百ワット以上の基本波光１１９Ａを生成するべきである。

図２Ａの例示的な実施形態によれば、周波数二逓倍化段１２０Ａ－１および１２０Ａ－２のそれぞれは、内部に配置された少なくとも３つの光学ミラーおよび非線形結晶をそれぞれ含む外部共振キャビティを含む。キャビティは、標準的なＰＤＨ（ポンド・ドレバー・ホール）、ＨＣ（ヘンシュ・クイヨー）、または他のロック技術で安定化できる。キャビティの長さは、制御信号によりミラーまたはプリズムの位置を調整することにより共振を維持するように調整される。第１の周波数二逓倍化段１２０Ａ－１は、第１の基本波周波数ω_１の第１の基本波光１１９Ａを受け取って変換し、第１の基本波周波数の２倍（２ω_１）の第二高調波光１２１Ａを生成する。第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２は、第二高調波光１２１Ａを受け取って変換し、第１の基本波周波数の４倍（４ω_１）の第四高調波光１２９Ａを生成する。

いくつかの他の実施形態（不図示）では、第１の周波数二逓倍化モジュールが第１の基本波レーザと組み合わされ、ＮＬＯ結晶が基本波ソリッドステートレーザキャビティ内に配置されたキャビティ内周波数二逓倍化を用いて第二高調波光１２１Ａを生成してもよい。

少なくとも１つの実施形態では、第二高調波光１２１Ａを生成する図２Ａの第１の周波数二逓倍化段１２０Ａ－１は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶を含んでもよい。ＬＢＯ結晶は、室温～約２００℃の温度で（結晶平面を適切に選択するために）実質的に非臨界位相整合し、約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの波長範囲の第二高調波を生成することができる。代替的な実施形態では、第１の周波数二逓倍化段１２０Ａ－１は、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶またはホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）結晶を含んでもよい。これらのどちらも臨界位相整合して約５１５ｎｍ～約５３５ｎｍの波長範囲で第二高調波を生成することができる。他の代替的な実施形態では、第１の周波数二逓倍化段１２０Ａ－１は、周波数変換のためにＫＴｉＯＰＯ_４（ＫＴＰ）、周期的にポーリングされたニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的にポーリングされた化学量論タンタル酸リチウム（ＰＰＳＬＴ）、または他の非線形結晶を含んでもよい。

第四高調波を生成する第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２は、ＣＬＢＯ、ＢＢＯ、または他の非線形結晶での臨界位相整合を用いてもよい。好ましい実施形態では、第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２は、水素処理または重水素処理したＣＬＢＯ結晶を含む。

代替的な実施形態では、第四高調波を生成する第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２は、ＱＰＭを実装するために本明細書で説明する種類の非線形結晶グレーティングアセンブリを含んでもよい。一実施形態では、グレーティングアセンブリはＳＢＯ結晶を用いて形成される。高いｄ_３３非線形光学係数を活用するために入力光および出力光の両方の偏光がＳＢＯ結晶のｃ軸に平行になるように非線形結晶が構成される場合、ＳＢＯにおいて５３２ｎｍの波長を有する光から２６６ｎｍの波長を有する光を生成するためのＱＰＭの臨界長は、およそ２．５９μｍである（すなわち２．５μｍ～２．７μｍの範囲）。この臨界長は、より短い波長を生成するための臨界長よりも長いので、光伝搬方向のＳＢＯメサの厚さは、臨界長に等しいか、または臨界長の小さい奇数倍（例えば３～１９倍）に等しくてもよい。別の実施形態では、グレーティングアセンブリはＬＢＯ結晶からなる。５３２ｎｍの波長を有する入力光の偏光がｂ軸に平行であり、２６６ｎｍの波長を有する出力光の偏光がＬＢＯ結晶のｃ軸に平行である場合、ＬＢＯにおいて５３２ｎｍから２６６ｎｍを生成するためのＱＰＭの臨界長はおよそ３．８１μｍである（すなわち３．７８μｍ～３．８４μｍの範囲）。

高いパワー、低いノイズ、および高い安定性でＣＷ基本波ＩＲレーザの第四高調波をどのように生成することができるかのさらなる詳細は、Ｃｈｕａｎｇの米国特許第９，２９３，８８２号および同第９，６６０，４０９号、ならびにＣｈｕａｎｇらの米国特許第９，５０９，１１２号および同第１０，０４４，１６６号に見出すことができる。これらの特許は参照により本明細書に組み込まれる。

図２Ａを参照すると、最終周波数二逓倍化段１３０Ａは第四高調波光１２９Ａを受け取り、第１の基本波周波数ω_１の８倍に等しい第八高調波周波数８ω_１を有する第八高調波光１３９Ａを生成する。少なくとも１つの実施形態では、第八高調波光１３９Ａを生成する図２Ａの最終周波数二逓倍化段１３０Ａは、ＱＰＭを達成するために対向櫛型グレーティング構成を含む、本明細書に説明する種類の非線形結晶グレーティングアセンブリを備えてもよい。周波数変換段のいずれかが１つ以上のより保護的な環境、例えばＡｒｍｓｔｒｏｎｇによる「Ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌｓ」という名称の米国特許第８，２９８，３３５号に説明のものに格納されてもよい。この特許は参照により本明細書に組み込まれる。具体的には、最終周波数二逓倍化段１３０ＡはＶＵＶ波長を生成するので、この段は、酸素および水の濃度が非常に低い環境にある必要がある（好ましくは数ｐｐｍ以下の濃度）。好ましくは、最終周波数二逓倍化段は、純粋な窒素またはアルゴンでパージした環境に保持される。なお、単一の保護的環境に複数の段または単一の段を格納してもよい。

周波数変換段のいずれかは、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉらの両方とも「Ａｌｌｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｄａｍａｇｅ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｃｏｌｏｒ ｃｅｎｔｅｒｓ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｈｏｎｏｎ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第９，４６１，４３５号および同第９，０５９，５６０号に説明される方法またはシステムのいずれか、Ａｒｍｓｔｒｏｎｇの「Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｔｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ ｉｎ ａ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｒｙｓｔａｌ」という名称の米国特許第８，８２４，５１４号に説明される装置または方法のいずれか、ならびにＧｅｎｉｓの「Ｌａｓｅｒ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」という名称の米国特許第８，９７６，３４３に説明される装置及び方法のいずれかを組み込んでもよい。これらの特許のすべてが参照により本明細書に組み込まれる。

なお、さらには本明細書で言及する中間周波数変換段のいずれかが、有利には重水素、水素、および／もしくはフッ素でドープまたは処理した非線形結晶を用いてもよい。そのような結晶は、Ｄｒｉｂｉｎｓｋｉの米国特許第９，０２３，１５２号、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第９，２５０，１７８号、同第９，４５９，２１５号、および同第１０，２８３，３６６号、ならびにＤｒｉｂｉｎｓｋｉらの２０１４年４月８日に出願された「Ｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」という名称の米国特許出願公開第２０１４／０３０５３６７号に説明される処理または方法のいずれかにより作製、加工、または処理してもよい。これらの特許および出願は、参照により本明細書に組み込まれる。ドープまたは処理された結晶は、図２Ａの第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２を含む、深ＵＶ波長を伴う段で特に有用な場合がある。

図２Ｂは、本発明の第２の特定の実施形態による、およそ１７０ｎｍ～およそ１８０ｎｍ（例えばおよそ１７７ｎｍ）の範囲の波長を生成するように構成される例示的なレーザアセンブリ１００Ｂを示す簡略ブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｂは、第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２、周波数二逓倍化（変換）段１２０Ｂ－１、周波数加算（変換）段１２０Ｂ－２、および最終周波数二逓倍化段１３０Ｂを備え、これらは、波長がおよそ１７０ｎｍ～およそ１８０ｎｍの範囲の出力周波数ω_ＯＵＴＢを有するレーザ出力光１３９Ｂを生成するように集合的に構成される。第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１は、およそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍの範囲の第１の基本波波長（すなわち約１μｍ～１．１μｍ）、および対応する第１の基本波周波数ω_１を有する基本波光１１９Ｂ－１を生成するように構成される。第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２は、およそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍ（すなわち約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第２の基本波波長、および対応する第２の基本波周波数ω_２を有する基本波光１１９Ｂ－２を生成するように構成される。周波数二逓倍化段１２０Ｂ－１は、第１の基本波光１１９Ｂ－１を受け取って第１の基本波周波数ω_１の２倍に等しい第二高調波周波数２ω_１を有する第二高調波光１２１Ｂを生成する。周波数加算段１２０Ｂ－２は、第二高調波光１２１Ｂを第２の基本波光１１９Ｂ－２に加算し、和周波数２ω_１＋ω_２を有する中間光ビーム１２９Ｂを生成する。第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１および第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２の周波数が同じである場合（ω_１＝ω_２）、中間光ビーム１２９Ｂが基本波光の第三高調波である（３ω_１または３ω_２）。最終周波数二逓倍化段１３０Ｂは、中間光ビーム１２９Ｂを受け取って和周波数２ω_１＋ω_２の２倍に等しい、すなわち４ω_１＋２ω_２に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＢを有する最終出力光１３９Ｂを生成する。第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１および第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２の周波数が同じ場合（ω_１＝ω_２）、最終レーザ出力光１３９Ｂの出力周波数ω_ＯＵＴＢは、基本波光の第六高調波である（６ω_１または６ω_２）。

図２Ｂを参照すると、第１および第２の基本波レーザ１１０Ｂ－１および１１０Ｂ－２は、図２Ａの基本波レーザ１１０Ａを参照して上記で説明したように構成される。代替的な実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｂ－２を省いてもよく、第１の基本波レーザ１１０Ｂ－１の出力を２つの部分、すなわち第１の周波数二逓倍化段１２０Ｂ－１に案内される第１の部分と、第二高調波光１２１Ｂとともに周波数加算段１２０Ｂ－２に案内される第２の部分に分割してもよい。この代替的な実施形態では、必然的にω_２＝ω_１になる。

図２Ｂの例示的な実施形態によれば、第１の周波数二逓倍化段１２０Ｂ－１は、図２Ａの段１２０Ａ－１および１２０Ａ－２を参照して上記で説明したように構成される。

一実施形態では、周波数加算段１２０Ｂ－２は、三ホウ酸リチウム（ＬＢＯ）結晶、ホウ酸セシウムリチウム（ＣＬＢＯ）結晶、またはホウ酸ベータバリウム（ＢＢＯ）結晶を用いて第二高調波光１２１Ｂを第２の基本波光１１９Ｂ－２に加算する。

少なくとも１つの実施形態では、最終周波数二逓倍化段１３０Ｂは、対向櫛型グレーティング構成を含む非線形結晶グレーティングアセンブリを備える。これは、図２Ａの最終周波数二逓倍化段１３０Ａを参照して上記で説明したものと類似する方法で擬似位相整合（ＱＰＭ）するように構成される。最終周波数二逓倍化段１３０Ａと最終周波数二逓倍化段１３０Ｂとの間の差について、図３Ａおよび図３Ｂを参照して下記に記載する。

図３Ａは、本発明の例示的な実施形態による図２Ａの１３３ｎｍレーザアセンブリ１００Ａおよび図２Ｂの１７７ｎｍレーザアセンブリ１００Ｂで利用される例示的な最終周波数二逓倍化段１３０Ｃを示す簡略図である。周波数ω_ｘを有する入力光１２９Ｃ（例えば、段１３０Ｃが１３３ｎｍレーザ１００Ａで用いられる場合はω_ｘ＝４ω_１であり、または段１３０Ｂが１７７ｎｍレーザ１００Ｂで用いられる場合はω_ｘ＝２ω_１＋ω_２である）は、入力カプラ１３２Ｃ－１と、フラットミラー１３２Ｃ－２と、湾曲ミラー１３２Ｃ－３、１３２Ｃ－４とを含むボウタイリングキャビティに入射する。これらは、非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｃを通る光経路に沿って入力光ビーム１２９Ｃを案内するように（すなわち、入力光ビーム１２９Ｃを選択された伝搬方向の入力面１５３Ｃ－ＩＮに案内するように）構成される光学素子を集合的に形成する。出射光１３６Ｃは、非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｃから出力面１５３Ｃ－ＯＵＴを通って出力され、未消費の入力光１３８Ｃと、入力光１２９Ｃの周波数の２倍に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＣ（すなわち、周波数ω_ＯＵＴＣは図２Ａの第八高調波出力光１３９Ａまたは図２Ｂの第六高調波出力光１３９Ｂのいずれかに等しくなりうる）を有する生成レーザ出力光１３９Ｃとを含む。未消費の入力光１３８Ｃは、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３７Ｃを通り、再循環してパワーを増強する。レーザ出力光１３９Ｃは、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３７Ｃの表面から反射され、キャビティの外に案内にされる。

好ましくは、非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｃは、入力面１５３Ｃ－ＩＮおよび出力面１５３Ｃ－ＯＵＴが循環する入力光１３３Ｃに対してほぼブリュースター角に向けられるように構成される。循環する入力光１３３Ｃの偏光方向を矢印３２９Ｃにより示す。さらに、ＢＳ１３７Ｃは、グレーティングアセンブリ１５０Ｃにより生じる入力光の横方向の変位を相殺する量だけキャビティ内で循環する入力光１３３Ｃを横方向に変位させ、実質的に対称的なボウタイキャビティを維持し、キャビティの光学的整列を簡略化するように構成され得る。

一実施形態では、ＢＳ１３７Ｃは、ＳＢＯ結晶、ＳＢＯガラス、またはＣａＦ_２結晶を含んでもよい。ＳＢＯは高い深ＵＶ透過率を有し、高い損傷閾値を有するので、キャビティ内で循環する未消費の入力光１３３Ｃのパワーレベルが高いにもかかわらず、ＳＢＯを有利にはＢＳ１３７Ｃの基板材料として用いて長い耐用期間を確保することができる。ＢＳ１３７ＣがＳＢＯ結晶を含む場合、その厚さおよび／またはその結晶軸の配向は、それを通る未消費の入力光１３３Ｃの任意の周波数二逓倍化を最小限にするように構成されてもよい。ＢＳ１３７Ｃは、二色性ビームスプリッタ、プリズム、または波長を分離する他の部品を含んでもよい。一実施形態では、グレーティングアセンブリ１５０Ｃは、出力光１３９Ｃが、循環する入力光１３３Ｃに直交する偏光を有するように構成される。この実施形態では、ＢＳ１３７Ｃは、未消費の入力光１３８Ｃを透過し、出力光１３９Ｃを反射するように構成される偏光ビームスプリッタを含んでもよい。一実施形態では、ＢＳ１３７Ｃは、未消費の入力光１３８Ｃがそれらの表面に対して実質的にｐ偏光し、それらの表面が当該未消費の入力光に対してほぼブリュースター角になるように表面が向けられている。

図３Ａによれば、入力光（ω_ｘ）１２９Ｃは、１つ以上のレンズ１３１Ｃにより集束されてから、キャビティに入射して共振キャビティの固有モードと整合する。これは、非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｃの内部または直近にビームウエストを有する。少なくとも１つの実施形態では、１つ以上のレンズ１３１Ｃは、ＳＢＯガラスまたはＳＢＯ結晶を含み、入射光１２９Ｃに対してほぼブリュースター角で動作し、反射防止コーティングを用いることなく反射損失を最小限にするように構成される１つ以上の円柱レンズを含む。ＳＢＯはそのようなレンズには適した材料である。というのも、ＳＢＯはＵＶ波長およびＤＵＶ波長で高い損傷閾値を有するからである。ＢＳ１３７Ｃを通る未消費の入力光１３８Ｃ（ω_ｘ）は、ミラー１３２Ｃ－４により反射されてキャビティ内で循環し、強度を増大させる。増強した入力光（ω_ｘ）のパワー密度が十分強くなると、入力光（ω_ｘ）から出力光１３９Ｃ（２ω_ｘ）への変換効率が非常に高くなり、最大で５０％、またはこれより高くなる場合すらある。１７７ｎｍ付近または１３３ｎｍ付近の波長を有する出力光１３９Ｃ（２ω_ｘ）は、ＢＳ１３７Ｃから反射された後、キャビティから出射する。

代替的な実施形態では、入力面１５３Ｃ－ＩＮおよび出力面１５３Ｃ－ＯＵＴをブリュースター角に向けることに代えて、グレーティングアセンブリ１５０Ｃの入力面１５３Ｃ－ＩＮを適切な反射防止コーティングでコーティングしてもよい。

図３Ａに、２つのフラットミラーおよび２つの湾曲ミラーを含むキャビティを含むものとして最終周波数二逓倍化段１３０Ｃを図示しているが、ミラーおよび／またはレンズの他の組み合わせを用いてキャビティ内で循環する光を再集束してもよい。例えば代替的な実施形態では、ボウタイキャビティに代えて、最終周波数二逓倍化段１３０Ｃはデルタキャビティ、定在波キャビティ、または他の形状のキャビティを含んでもよい。定在波キャビティが用いられる場合、出力光は入力光と同じ方向に生成されてもよい。これらのキャビティのいずれかを標準的なＰＤＨまたはＨＣロック技術を用いて安定化することができる。キャビティの長さは、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）、ボイスコイル、または別のアクチュエータに接続された制御信号（不図示）によりミラーのうちの１つ（例えば図３Ａのミラー１３２Ｃ－２）の位置またはプリズムの位置を調整することにより、共振を維持するように調整される。なお、最終周波数二逓倍化段１３０Ｃがパルスレーザで用いられる場合、キャビティは不要であり、入力光１２９Ｃは、レンズおよび／またはミラーの任意の適した組み合わせによりグレーティングアセンブリ１５０Ｃに案内され、グレーティングアセンブリ１５０Ｃの内部また直近に集束されてもよい。

図３Ｂは、本発明の例示的な実施形態による、図７Ａの１５２ｎｍレーザアセンブリ１００Ｈ、図７Ｂの１５２ｎｍレーザアセンブリ１００Ｉ、および図７Ｃの１７７ｎｍレーザアセンブリ１００Ｊで利用される例示的な最終周波数加算段１３０Ｄの簡略図を示す。入力光１２９Ｄ－１（周波数ω_ｘを有する。例えば、段１３０Ｄが図７Ａの１５２ｎｍレーザ１００Ｈで用いられる場合、ω_ｘ＝２ω_１＋ω_２であり、段１３０Ｄが図７Ｂの１５２ｎｍレーザ１００Ｉで用いられる場合、ω_ｘ＝２ω_１であり、または段１３０Ｄが図７Ｃの１７７ｎｍレーザ１００Ｊで用いられる場合、ω_ｘ＝２ω_２である）は、入力カプラ１３２Ｄ－１と、フラットミラー１３２Ｄ－２と、湾曲ミラー１３２Ｄ－３、１３２Ｄ－４と、非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｄ（入力面１５３Ｄ－ＩＮおよび出力面１５３Ｄ－ＯＵＴを含む）とを含むボウタイリングキャビティに入射して入力カプラ１３２Ｄ－１を通り、再循環してパワーを増強する。グレーティングアセンブリ１５０Ｄは、本明細書に説明する対向櫛型構成を用いて構成される。入力光（第２の中間光ビーム）１２９Ｄ－２は周波数ω_ｙを有し（例えば、段１３０Ｄが図７Ａの１５２ｎｍレーザ１００Ｈで用いられる場合、ω_ｙ＝４ω_１であり、または段１３０Ｄが図７Ｂの１５２ｎｍレーザ１００Ｉで用いられる場合、ω_ｙ＝４ω_１＋ω_２であり、または段１３０Ｄが図７Ｃの１７７ｎｍレーザ１００Ｊで用いられる場合、ω_ｙ＝４ω_１である）、ボウタイリングキャビティに入射し、ミラー１３２Ｄ－２の近く（必ずしも通り抜けるわけではない）を通り、グレーティングアセンブリ１５０Ｄを通る。出射光１３６Ｄは、非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｄから出力面１５３Ｄ－ＯＵＴを通って出力され、周波数ω_ｘを有する未消費の入力光１３８Ｄ－１、周波数ω_ｙを有する未消費の入力光１３８Ｄ－２、ならびに中間（入力）光ビーム１２９Ｄ－１および１２９Ｄ－２の周波数ω_ｘおよびω_ｙの和に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＤを有する生成レーザ出力光１３９Ｄを含む（すなわち、周波数ω_ＯＵＴＤは、図７Ａまたは図７Ｂの第七高調波出力光１３９Ｈおよび１３９Ｉ、または図７Ｃの第六高調波出力光１３９Ｊのいずれかに実質的に等しくなりうる）。レーザ出力光１３９Ｄは、ビームスプリッタ１３７Ｄの入力面から反射され、キャビティの外に案内される。周波数ω_ｘを有する未消費の入力光１３８Ｄ－１は、ビームスプリッタ１３７Ｄおよび任意のビームスプリッタ３２５（存在する場合）を通り、ミラー１３２Ｄ－４および１３２Ｄ－１により反射され、循環光１３３Ｄの強度を増強する。周波数ω_ｙの未消費の入力光１３８Ｄ－２は、ビームスプリッタ１３７Ｄまたは任意の（第２の）ビームスプリッタ３２５のいずれかから反射された後、キャビティから出射する。循環する入力光１３３Ｄの偏光方向を矢印３２９Ｄにより示す。

周波数加算段１３０Ｄは、図３Ａの周波数二逓倍化段１３０Ｃを参照して上記で説明した特徴および代替形態のいずれかを用いて変形されてもよい。例えば、段１３０Ｄは、１つ以上のレンズ１３１Ｄを利用して上記で説明したように周波数ω_ｘを有する入力光１２９Ｄ－１を集束し、１つ以上のレンズ３０８も利用し、ミラー１３２Ｄ－３付近でキャビティに入射する際の入力光１２９Ｄ－２を集束する。この場合、１つ以上のレンズ１３１Ｄおよび１つ以上のレンズ３０８は、両方とも、レンズ１３１Ｃ（図３Ａ）を参照して上記で説明したように構成される。さらに、ビームスプリッタ１３７Ｄは、図３Ａのビームスプリッタ１３７Ｃを参照して上記で説明したように構成されてもよい。なお、最終周波数加算段１３０Ｄがパルスレーザで用いられる場合、キャビティは不要であり、入力光１２９Ｄ－１および１２９Ｄ－２は、レンズおよび／またはミラーの任意の適した組み合わせにより共線的（またはほぼ共線的、例えば互いに５°以内）になってもよく、グレーティングアセンブリ１５０Ｄに案内され、グレーティングアセンブリ１５０Ｄの内部または直近に集束されてもよい。

図４Ａ～図４Ｃは、第１の非線形結晶グレーティング構造体１６０Ｅ、第２の非線形結晶グレーティング構造体１７０Ｅ、ならびにグレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅを対向櫛型構成で組み付けることにより製造される非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｅをそれぞれ図示する。グレーティングアセンブリ１５０Ｅは、図２Ａの第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２および／もしくは最終周波数二逓倍化段１３０Ａ、図２Ｂの最終周波数二逓倍化段１３０Ｂ、図７Ａの第２の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－３および／もしくは最終周波数二逓倍化段１３０Ｈ（下記に説明）、図７Ｂの第１の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－１および／もしくは第２の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－２および／もしくは最終周波数加算段１３０Ｉ（下記に説明）、ならびに／または図７Ｃの第３の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－３および／もしくは最終周波数加算段１３０Ｊ（下記に説明）に用いるように構成されてもよい例示的な実施形態を表す。明確かつ簡潔にするために５つのメサおよび３つの溝を参照してグレーティングアセンブリ１５０Ｅを図示および説明し、実際の実施形態（図６Ａ～図６Ｃを参照、下記に説明）を表すことを意図していない。

図４Ａを参照すると、グレーティング構造体１６０Ｅは、平行なメサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２を含む。平行なメサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２は、基部１６１Ｅから延びて溝１６５Ｅにより分離される。実際の実施形態では、グレーティング構造体１６０Ｅは、標準的な製造技術を用いて単一の非線形結晶材料で矩形の溝１６５Ｅ（すなわち開口したチャネルまたはキャビティ）をエッチングすることまたは切り込む（刻線する）ことにより形成される。例えば、ドライエッチング処理、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、電子サイクロトロン共鳴プラズマエッチング（ＥＣＲ）、または誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）を用いて矩形の溝１６５を形成することができる。あるいは、刻線機（例えば回折グレーティングを切るために用いられるもの）またはダイアモンド旋盤を用いて溝切りしてもよい。グレーティング構造体１６０Ｅは、メサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２が矩形の断面および平行な対向平面を有するように形成される。すなわち、メサ１６２Ｅ－１は、対向平面１６３Ｅ－１１および１６３Ｅ－１２を含み、メサ１６２Ｅ－２は、対向平面１６３Ｅ－２１および１６３Ｅ－２２を含む。それぞれの平面１６３Ｅ－１１、１６３Ｅ－１２、１６３Ｅ－２１、および１６３Ｅ－２２は、図４Ａに示す基準Ｘ－Ｙ－Ｚ軸により規定されるＹ－Ｚ平面に平行な関連する垂直平面を画定する。また、それぞれのメサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２は、図５を参照して下記に記載するように決定される幅Ｔ１（Ｘ軸の関連する対抗平面間で測定される）を有して形成される。溝１６５Ｅの深さＤ１（すなわち、メサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２の高さ）は、少なくとも１０ミクロン、好ましくは少なくとも５０μｍ、または少なくとも１００μｍであり、溝１６５Ｅの幅Ｔ２（すなわち、メサ１６２Ｅ－１の面１６３Ｅ－１２とメサ１６２Ｅ－２の面１６３Ｅ－２１との間のＸ軸の距離）は、約１００ｎｍ～１μｍだけメサ幅Ｔ１より大きい。

図４Ｂを参照すると、グレーティング構造体１７０Ｅは、平行なメサ１７２Ｅ－１、１７２Ｅ－２、および１７２Ｅ－３を含む。平行なメサ１７２Ｅ－１、１７２Ｅ－２、および１７２Ｅ－３は、基部１７１Ｅ（１７１Ｅ－１および１７１Ｅ－２を含む）から延びて溝１７５Ｅ－１および１７３Ｅ－２により分離される。また、グレーティング構造体１７０Ｅは、標準的な製造技術を用いて第２の単一の非線形結晶材料に矩形の溝１７５Ｅ－１および１７５Ｅ－２をエッチングすることまたは切り込むことにより形成され、それによりメサ１７２Ｅ－１～１７２Ｅ－３が対応するプレート様の矩形断面および平行な対向平面を有して形成される（すなわち、メサ１７２Ｅ－１は対向平面１７３Ｅ－１１および１７３Ｅ－１２を含み、メサ１７２Ｅ－２は平面状の端面１７３Ｅ－２１および１７３Ｅ－２２を含み、メサ１７２Ｅ－３は平面状の端面１７３Ｅ－３１および１７３Ｅ－３２を含む）。また、それぞれのメサ１７２Ｅ－１～１７２Ｅ－３は、メサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２の同じ幅Ｔ１を有して形成され、溝１７５Ｅ－１および１７５Ｅ－２は、溝１６５Ｅのものと同じ深さＤ１を有する。

図４Ｃは、グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅが対向櫛型構成で組み付けられた後のグレーティングアセンブリ１５０Ｅを示す。メサ１６２Ｅ－１は溝１７５Ｅ－１に配置され、メサ１６２Ｅ－２は溝１７５Ｅ－２に配置され、メサ１７２Ｅ－２は溝１６５Ｅに配置される。グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅの製造は、対向櫛型構成で組み付けられる際に図４Ｃの左側に示すように整列される関連する直立結晶軸Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３を有してグレーティング構造体１６０Ｅが形成されるように調整され、グレーティング構造体１７０Ｅは、図４Ｃの右側に示す３つの関連する反転結晶軸Ａ２１／Ａ２２／Ａ２３のいずれかを有して形成される。なお、溝１６５Ｅ、１７５Ｅ－１、および１７５Ｅ－２のより大きな幅Ｔ２（すなわち、メサの幅Ｔ１と比較して）は、グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅが対向櫛型構成で組み付けられる際に対応するメサの対向平面の間にギャップ（空間）１５２Ｅ－１～１５２Ｅ－４を生成する。すなわち、ギャップ１５２Ｅ－１は、メサ１６２Ｅ－１の平面１６３Ｅ－１１（図４Ａを参照）とメサ１７２Ｅ－１の平面１７３Ｅ－１２（図４Ｂを参照）との間に形成される。同様に、ギャップ１５２Ｅ－２は、メサ１６２Ｅ－１および１７２Ｅ－２の対向平面の間に形成され、ギャップ１５２Ｅ－３は、メサ１６２Ｅ－２および１７２Ｅ－２の対向平面の間に形成され、ギャップ１５２Ｅ－４は、メサ１６２Ｅ－２および１７２Ｅ－３の対向平面の間に形成される。いくつかの実施形態では、グレーティングアセンブリ１５０Ｅは、部分真空または不活性ガス（例えばアルゴン）を格納する筐体またはチャンバ内に配置され、ギャップ１５２Ｅ－１～１５２Ｅ－４と境を接する対向面に有害な汚染物質が集まるのを防止する。

なお、グレーティングアセンブリ１５０Ｅは、直立したグレーティング構造体１６０Ｅおよび反転したグレーティング構造体１７０Ｅが等しいメサ幅Ｔ１および等しい溝幅Ｔ２を有するものとして図示しているが、これは専ら製造の便宜上のためである。本開示から容易に理解できるように、それぞれのメサは、ＱＰＭのために臨界長の奇数倍に等しい幅を有する必要があるが、幅はそれぞれのメサで同じ奇数倍にする必要はなく、それぞれの溝は、どの側にも小さな隙間（ギャップ）を設けて別のグレーティングの対応するメサを受け入れるのに十分な幅である必要がある。本発明の非線形結晶グレーティングアセンブリは、図５の上方および下方左の挿入図に示し、下記の関連する記載で説明するように、反転したグレーティング構造体１７０Ｅの結晶軸が直立したグレーティング構造体１６０Ｅの結晶軸に対して反転する（すなわち、実質的に１８０°回転する）ように所定の光学システムへの使用のために構成される。結晶プレートのこの物理的配列によりＱＰＭを可能にする。これは、ニオブ酸リチウムが強誘電体結晶であり、周期的にポーリングすることができることを除き、ＱＰＭにＰＰＬＮ（周期的にポーリングしたニオブ酸リチウム）を用いることに類似すると考えられるかもしれない。その一方、ＳＢＯおよびＬＢＯは非強誘電体であるので、我々は結晶メサを物理的に配列してＱＰＭのために周期的構造を作り出す必要がある。

図５に光学素子（不図示）を備える最終周波数変換段１３０Ｅを図示する。光学素子は、本明細書に説明するように入力光ビーム１３３Ｅおよび任意の第２の入力光ビーム１３３Ｅ－２をグレーティングアセンブリ１５０Ｅに案内するように構成される。図４Ａ～４Ｃを参照して上記でより詳細に説明している。説明目的のために、グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅの基部部分を破線（隠れた）形態で図示し、それにより対向櫛型の交互のグレーティングパターン１５５Ｅが、連続的に整列されたメサ１７２Ｅ－１、１６２Ｅ－１、１７２Ｅ－２、１６２Ｅ－２、および１７２Ｅ－３により形成され、これらを入力光１３３Ｅが通ることを強調する。代替的な実施形態では、対向櫛型の交互のグレーティングパターン１５５Ｅは、入力光１３３Ｅの周波数ω_ｘを二逓倍化するように構成され、または周波数ω_ｘの入力光１３３Ｅと周波数ω_ｙの入力光１３３Ｅ－２を加算するように構成される。入力光１３３Ｅは、例えば１７７ｎｍレーザ１００Ｂの場合、第１の基本波光の第二高調波および第２の基本波光の加算生成物として生成され（図２Ｂを参照して上記で説明）、または１３３ｎｍレーザ１００Ａの場合、基本波光の第四高調波として生成されてもよい（図２Ａを参照して上記で説明）。他の例では、入力光１３３Ｅおよび１３３Ｅ－２は、１５２ｎｍレーザ１００Ｈの場合、第１の基本波光の第二高調波および第２の基本波光の加算生成物として、ならびに第１の基本波光の第四高調波として生成され（図７Ａを参照して上記で説明）、１５２ｎｍレーザ１００Ｉの場合、第１の基本波光の第二高調波として、ならびに第１の基本波光の第四高調波および第２の基本波光の加算生成物として生成され（図７Ｂを参照して上記で説明）、または１７７ｎｍレーザ１００Ｊの場合、第２の基本波光の第二高調波および第１の基本波光の第四高調波として生成されてもよい（図７Ｃを参照して上記で説明）。図５にはグレーティングアセンブリ１５０Ｅが５つのメサ（すなわち、メサ１７２Ｅ－１、１６２Ｅ－１、１７２Ｅ－２、１６２Ｅ－２、および１７２Ｅ－３）を含む対向櫛型グレーティングを含む周期的構造を有するものとして示しているが、メサの総数は１０個を超えてもよく、ギャップの総数はメサの数より小さいものになるであろう。

図５にメサ１６２Ｅ－１とメサ１７２Ｅ－１との間に形成されるギャップ１５２Ｅ－１がギャップ幅Ｔ２１を有し、メサ１６２Ｅ－１とメサ１７２Ｅ－２との間のギャップ１５２Ｅ－２がギャップ幅Ｔ２２を有することを示す。溝１７５Ｅ－１が溝幅Ｔ２を有し、メサ１６２Ｅ－１がメサ幅Ｔ１を有するので、溝幅Ｔ２はメサ幅Ｔ１と、ギャップ幅Ｔ２１およびＴ２２の和に等しいことになる。上記で説明したように、好ましくは、ギャップ幅Ｔ２１およびＴ２２は、それぞれ約１００ｎｍ～１μｍになる必要がある。ギャップ幅Ｔ２１およびＴ２２は等しくなる必要はないが、一般にはそれぞれのグレーティング構造体のメサが別のグレーティング構造体の溝のほぼ中心になると（すなわち、Ｔ２１およびＴ２２がほぼ等しくなると）、グレーティング構造体１６０Ｅと１７０Ｅを組み付けるのがより容易になるであろう。好ましくは、溝幅Ｔ２は、組み付け工程中にスティッキングせずに２つのグレーティング構造体をいっしょに配置するために十分な隙間を提供する量だけメサ幅Ｔ１よりも広くする。例えば、それぞれの溝の幅はあるメサの幅よりおよそ２００ｎｍ～２μｍ広くなってもよく、それによりグレーティング構造体は、それぞれのメサのどの側のギャップも約１００ｎｍ～１μｍのギャップ幅Ｔ２１およびＴ２２を有する状態で組み付けることができる。溝幅Ｔ２が小さすぎると（例えば、それによりギャップ幅Ｔ２１およびＴ２２が約１０ｎｍ未満になる）、２つの対向するメサ表面の間のファンデルワールス力相互作用により、積み付け工程が完了する前に２つのグレーティング構造体がいっしょになってスティッキングしてしまう。逆に、溝幅Ｔ２が大きすぎると（例えば１μｍより大きい）、周波数ω_ｘおよび（存在する場合）ω_ｙの光は、それぞれのメサの出力面で屈折するために、ギャップにおいて周波数ω_ＯＵＴＥの光とちょうど平行に進まない。多くのメサを含むアセンブリ内のそのような多くのギャップにわたって異なる周波数の光の間の変位（ウォークオフ）が累積し、これにより変換効率を制限してしまうことになるであろう。

図５の脚部の吹き出し区間を参照すると、メサ１６２Ｅ－１および１６２Ｅ－２の直立結晶軸Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３、ならびにメサ１７２Ｅ－１、１７２Ｅ－２、および１７２Ｅ－３の反転結晶軸Ａ２１／Ａ２２／Ａ２２は、示したように構成される。グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅの両方が最終周波数変換段１３０Ｅ内に形成および構成され、それにより中間光ビーム１３３Ｅおよび１３３Ｅ－２の１つまたは両方が第１の光軸Ａ１１およびＡ２１と平行な方向に伝搬し、偏光方向３２９Ｅは第２の光軸Ａ１２およびＡ２２に平行である。第２の光軸は、非線形結晶材料の他の光軸よりも高い非線形係数を有し、メサ１６２Ｅ－１、１６２Ｅ－２、１７２Ｅ－１、１７２Ｅ－２、および１７２Ｅ－３は、光ビーム１３３Ｅ（ω_ｘ）の伝搬方向ＰＤで測定される臨界長Λ１の奇数倍に実質的に等しい厚さＴ１を有して形成される。これは、所望のレーザ出力光ビーム１３９Ｅと、入射光ビーム１３３Ｅおよび１３３Ｅ－２（ω_ｘ，ω_ｙ）の擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成するために必要とされる。臨界長Λ１は、それぞれのメサを通る光ビーム１３３Ｅが進む距離であり、次式で決定される。
Λ１＝ｍ_１Ｌ_ｃ （方程式１）
式中、ｍ_１は奇数（例えば１、３、５、７．．．）であり、Ｌ_ｃは擬似位相整合の臨界長である。

式中、Δｋは次式により規定される。
Δｋ＝ｋ（ω_ＯＵＴ）－２ｋ（ω_ｘ）または （方程式３ａ）
Δｋ＝ｋ（ω_ＯＵＴ）－ｋ（ω_ｘ）－ｋ（ω_ｙ） （方程式３ｂ）
式中、ｋ（ω）は非線形結晶における周波数ωの光の波数ベクトルである。

式中、ｎ（ω）は周波数ωにおける適切な偏光のための非線形結晶材料の屈折率であり、ｃは真空での光の速度である。なお、方程式３ａは、最終周波数変換段１３０Ｅが周波数二逓倍化するように構成される場合に適用可能であり、方程式３ｂは、最終周波数段１３０Ｅが周波数加算するように構成される場合に適用可能である。出力周波数ω_ＯＵＴＥの光の偏光は、光軸Ａ１２／Ａ２２および光軸Ａ１３／Ａ２３と平行な偏光方向が異なる屈折率を有するようにグレーティングアセンブリ１５０Ｅが向けられる場合、Ｌ_ｃおよび結晶配向の適切な選択により選定できる。出力周波数ω_ＯＵＴＥの光を軸Ａ１２／Ａ２２または軸Ａ１３／２３と平行に偏光するかどうかの選択は例えば、どの偏光の組み合わせがグレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅを形成するために用いられる結晶材料の非線形係数および反射率に基づくメサ当たりのより高い変換効率を有するかに基づいて行うことができる。なお、臨界長Λ１は物理的なメサ幅Ｔ１に実質的に等しくてもよい。図示したように２つのメサの厚さを互いに等しくすることは便利であるが、上記の方程式１に示したように、それぞれのメサの厚さが位相整合のために臨界長の奇数倍に等しくなっている限り、２つのメサの厚さを等しくすることは必要ない。なお、光軸の識別Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３およびＡ２１／Ａ２２／Ａ２３と、グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅの結晶軸との間の対応は、用いられる非線形結晶材料（例えばＳＢＯまたはＬＢＯ）と、入力光および出力光に対して選択される偏光状態に依存する。図５の下方右の吹き出しに、光軸のそれぞれを中心とする回転に対応する、直立結晶軸Ａ１１／Ａ１２／Ａ１３に対する反転結晶軸Ａ２１／Ａ２２／Ａ２３の３つの異なる回転を示す。任意の所定の非線形結晶および選択される周波数変換スキームで、これらの回転のうちの１つまたは２つのみが機能することになる。回転により、非線形係数の符号を反転させてＱＰＭを達成しなければならず、結晶軸に対して入力光および出力光の偏光の相対的整列を持続しなければならない（下記を参照）。

一実施形態では、グレーティングアセンブリ１５０ＥはＳＢＯ結晶材料から構成される。１７７ｎｍレーザ１００Ｂの最終周波数二逓倍化段１３０Ｂでは（図２Ｂ）、擬似位相整合臨界長Ｌ_ｃは約０．６μｍであるのに対し、１３３ｎｍレーザ１００Ａの最終周波数二逓倍化段１３０Ａでは（図２Ａ）、擬似位相整合臨界長Ｌ_ｃは約０．１３μｍである。２６６ｎｍの光の周波数二逓倍化により１３３ｎｍの光を生成するための例示的なＱＰＭ臨界長は、Ｔｒａｂｓらが公表したＳｅｌｌｍｅｉｅｒモデル（上記で引用）を用いて１３３ｎｍおよび２６６ｎｍの波長でＳＢＯの屈折率から計算された。Ｔｒａｂｓらは、１６０ｎｍより短い波長を一切生成していないので、１３３ｎｍで外挿された反射率は不正確である可能性がある。擬似位相整合臨界長Ｌ_ｃは、図７Ａを参照して下記に説明するように最終周波数加算段１３０Ｈを利用して１５２ｎｍのレーザ出力光１３９Ｈを生成する場合、約０．３０μｍであり、図７Ｂを参照して下記に説明するように最終周波数加算段１３０Ｉを利用して１５２ｎｍのレーザ出力光１３９Ｉを生成する場合、約０．３４μｍであり、図７Ｃを参照して下記に説明するように最終周波数加算段１３０Ｊを利用して１７７ｎｍのレーザ出力光１３９Ｊを生成する場合、約０．６６μｍである。当業者であれば、正確な屈折率を前提とすれば、入力周波数および出力周波数の任意の所定の組み合わせに対するＱＰＭ臨界長をどのように計算するかを理解している。

別の実施形態では、グレーティングアセンブリ１５０ＥはＬＢＯ結晶材料から構成される。１７７ｎｍレーザ１００Ｂの最終周波数二逓倍化段１３０Ｂ（図２Ｂ）では、擬似位相整合臨界長Ｌ_ｃは、入力光１３３Ｅの偏光方向３２９Ｅがｃ軸（光軸Ａ１２／Ａ２２）と平行である場合、約０．６μｍである。１７７ｎｍレーザ１００Ｊの最終周波数加算段１３０Ｊでは（図７Ｃ、下記に説明）、擬似位相整合臨界長Ｌ_ｃは、入力光１３３Ｅ（ω_ｘ＝２ω_２）の偏光方向３２９Ｅがａ軸（光軸Ａ１１／Ａ２１）と平行であり、入力光１３３Ｅ－２（ω_ｙ＝４ω_１）の偏光方向がｃ軸（光軸Ａ１２／Ａ２２）と平行であり、出力光１３６Ｅの偏光方向がａ軸（光軸Ａ１１／Ａ２１）と平行である場合、約０．８６μｍである。これらの臨界長を計算するために用いられるＬＢＯの１７７ｎｍの波長における屈折率の値は正確でない場合があるので、ＱＰＭ臨界長のこの推定値も正確でない場合がある。偏光の向きの他の組み合わせがＬＢＯを用いる周波数二逓倍化および周波数加算では可能である。当業者であれば、正確な屈折率を前提とすれば、上記の方程式を用いて特定の入力光および出力光の偏光の組み合わせに対するＱＰＭ臨界長をどのように計算するかを理解している。

図５に示すように、周波数ω_ｘの入力光１３３Ｅがグレーティングアセンブリ１５０Ｅの入力面１５３Ｅ－ＩＮに入射する。これは、この実施形態では、メサ１７３Ｅ－１の平面１７３Ｅ－１１により実装される。グレーティングアセンブリ１５０Ｅが周波数二逓倍化するように構成される場合、入力光ビーム１３３Ｅ－２は省かれる。グレーティングアセンブリ１５０Ｅが周波数加算するように構成される場合、周波数ω_ｙを有する入力光ビーム１３３Ｅ－２も入力面１５３Ｅ－ＩＮに入射する。入力光１３３Ｅの好ましい偏光方向を破線矢印３２９Ｅにより示す。入力光１３３Ｅ－２の偏光方向は、非線形結晶の種類および選択される周波数変換スキームに依存する。いくつかの例は上記を参照。入力光１３３Ｅおよび入力光１３３Ｅ－２の伝搬方向の間の角度βは小さくなる必要があり、例えば５°未満、好ましくは約２°以下である。グレーティングアセンブリ１５０Ｅは、入力面１５３Ｅ－ＩＮおよび出力面１５３Ｅ－ＯＵＴが周波数ω_ｘの循環光１３３Ｅに対してほぼブリュースター角θに向けられ、反射防止コーティングを用いることなく反射損失を最小限にするように構成される。ＳＢＯの場合、ｃ軸（光学ｚ軸）と平行に偏光した光のブリュースター角は、ＵＶおよび約２１０ｎｍより長い可視波長で面法線Ｎに対しておよそ６０．５±１°である。ＬＢＯの場合、ｂ軸（光学ｚ軸）と平行に偏光した光のブリュースター角は、５３２ｎｍ～３５５ｎｍの波長でおよそ５８．５±０．２°である。あるいは、対向櫛型グレーティングアセンブリを形成した後、反射防止コーティングをメサ表面にコーティングして光損失を低減してもよい。メサに反射防止コーティングをコーティングする場合、コーティングを通る異なる光の周波数の異なる光経路長を把握してメサの幅を調整しなければならない。

周波数二逓倍化の場合、出射光１３６Ｅは、入力光の第二高調波に等しい（すなわち２ω_ｘ）出力周波数ω_ＯＵＴＥを有する出力光１３９Ｅおよび入力周波数ω_ｘの未消費の入力光１３８Ｅ－１を含む。周波数加算の場合、出射光１３６Ｅは、２つの入力周波数の和ω_ｘ＋ω_ｙに等しい出力周波数ω_ＯＵＴＥを有する出力光１３９Ｅと、周波数ω_ｘを有する未消費の入力光１３８Ｅ－１と、周波数ω_ｙを有する未消費の入力光１３８Ｅ－２とを含む。

少なくとも１つの実施形態では、結晶軸は、グレーティング構造体１６０Ｅおよび１７０Ｅのメサ内部を伝搬する光が１つの光軸（図４ＣではＡ１１およびＡ２１として識別される）と実質的に平行に伝搬するように配向され、光１３３Ｅの偏光方向３２９Ｅ（電界方向）は、別の光軸（図４ＣではＡ１２およびＡ２２として識別される）と実質的に平行である。例えば、選択される非線形結晶材料の最大の非線形光学係数を活用するために、または別の例では入力周波数と出力周波数との間の屈折率の差を最小限にし、したがって臨界長を最大限にするために、出力偏光は、光軸Ａ１２／Ａ２２と平行にし、または光軸Ａ１３／Ａ２３と平行にしてもよい。例えば、ＳＢＯ結晶およびＬＢＯ結晶の両方は、ｍｍ２の点群を有する。ｃ軸は、鏡面対称性を有しない軸に対応し、反転しなければならない。他の軸は、選択される周波数変換スキームに応じて入力光および出力光の偏光に対して特定の配向を有する必要がある場合がある。例えば、ＳＢＯを利用する少なくとも１つの実施形態では、結晶の最大の非線形係数であるｄ_３３を活用するために、入力偏光および出力偏光は、結晶ｃ軸と平行にする必要がある。この例では、光軸Ａ１２／Ａ２２は、結晶ｃ軸に対応することになり、直立グレーティングおよび反転グレーティングの結晶は、互いに対してａ軸またはｂ軸を中心にして回転することができるであろう。別の例では、ＬＢＯを利用する実施形態で、最大の非線形係数はｄ_３２およびｄ_２４である（結晶の対称性ゆえに、等しくなければならない）。周波数二逓倍化では、入力偏光はｂ軸に平行にする必要があり、出力偏光はｃ軸に平行にする必要があるので、直立グレーティング構造体および反転グレーティング構造体の結晶は、互いに対してａ軸を中心に実質的に１８０°回転しなければならない。これらは、２つの特定の材料で考えられる結晶軸の配向の例に過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図しない。当業者であれば、特定の非線形結晶のいずれかの選択される周波数変換用途で直立グレーティングおよび反転グレーティングの適切な結晶軸の配向をどのように選択するかを理解している。

グレーティング構造体１７０Ｅの入力面１５３Ｅ－ＩＮが入力光１３３Ｅに対してブリュースター角に向けられる場合、グレーティング構造体１７０ＥがＳＢＯ結晶から製造されるならば、メサ１７２Ｅ－１内における光の伝搬方向ＰＤは面法線Ｎに対しておよそ２９．５°になり、グレーティング構造体１７０ＥがＬＢＯ結晶から製造されるならば、面法線Ｎに対しておよそ３１．５°になるであろう。

図６Ａ～図６Ｃは、別の実施形態による非線形結晶グレーティング構造体１６０Ｆ、非線形結晶グレーティング構造体１７０Ｆ、ならびに対向櫛型構成でグレーティング構造体１６０Ｆおよび１７０Ｆを組み付けることにより製造される非線形結晶グレーティングアセンブリ１５０Ｆをそれぞれ図示する。グレーティング構造体１６０Ｆは、平行で矩形のメサ１６２Ｆ－１～１６２Ｆ－Ｎの列を含む。平行で矩形のメサ１６２Ｆ－１～１６２Ｆ－Ｎは、水平方向を向く基部１６１Ｆから垂直方向下向き（すなわち、Ｙ軸方向）に延びる。グレーティング構造体１７０Ｆは、平行で矩形のメサ１７２Ｆ－１～１７２Ｆ－Ｎ－１の列を含む。平行で矩形のメサ１７２Ｆ－１～１７２Ｆ－Ｎ－１は、基部１７１Ｆから垂直方向上向きに延びる。それぞれの隣接する対のメサは、介在する矩形の溝により分離される（例えば、メサ１６２Ｆ－１および１６２Ｆ－２は溝１６５Ｆ－１により分離され、メサ１６２Ｆ－Ｎ－１および１６２Ｆ－Ｎは溝１６５Ｆ－Ｎ－１により分離される。同様に、メサ１７２Ｆ－１および１７２Ｆ－２は溝１７５Ｆ－１により分離され、メサ１７２Ｆ－Ｎ－１および１７２Ｆ－Ｎ－２は溝１７５Ｆ－Ｎ－２により分離される）。一実施形態では、グレーティング構造体１６０Ｆおよび１７０Ｆは、本明細書に説明するように対応するグレーティング構造体をエッチングし、切込み、または他の方法で加工し、グレーティング構造体１６０Ｆがグレーティング構造体１７０Ｆの対応する結晶軸に対して反転した（すなわち、実質的に１８０°回転した）結晶軸を有するように、入力光ビーム１３３Ｆ（ω_ｘ）およびレーザ出力光ビーム１３９ＦのＱＰＭを達成するのに必要とされる臨界長の奇数倍に実質的に等しいメサ幅を有するメサを生成することにより形成される。図６Ｃに示すように組み付けられると、グレーティングアセンブリ１５０Ｆは、連続的に整列されたメサ１６２Ｆ－１、１７２Ｆ－１．．．１７２Ｆ－Ｎ－１、および１６２Ｆ－Ｎにより形成され、これらを入力光１３３Ｆが通る対向櫛型の交互のグレーティングパターン１５５Ｆを含む。いくつかの実際の実施形態では、対向櫛型の交互のグレーティングパターン１５５Ｆを形成するメサおよび溝の総数は１０個を超える（例えば、メサの総数は百個もしくは数百個、または約千個であってもよい）。多数のメサにより、より高いエネルギー変換を容易にする。したがって、グレーティングアセンブリ１５０Ｆは、グレーティングアセンブリ１５０Ｅ（図４Ｃ）を参照して本明細書に説明するさまざまな周波数変換段のいずれかで有利に利用されてもよい。

図７Ａは、本発明の別の特定の例示的な実施形態による例示的なレーザアセンブリ１００Ｈを示す簡略ブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｈは、第１の基本波レーザ１１０Ｈ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｈ－２、３つの中間周波数変換段（すなわち、第１の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－１、周波数加算段１２０Ｈ－２、および第２の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－３）、ならびに最終周波数加算（変換）段１３０Ｈを含み、これらは、およそ１４７ｎｍ～およそ１５５ｎｍ（例えばおよそ１５２ｎｍ）の範囲の波長ω_ＯＵＴＨを有するレーザ出力光１３９Ｈを生成するように協働的に構成される。第１の基本波レーザ１１０Ｈ－１は、上記で説明したようにおよそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍ（すなわち約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第１の基本波波長および対応する第１の基本波周波数ω_１を有する（第１の）基本波光１１９Ｈ－１を生成するように構成される。また、第２の基本波レーザ１１０Ｈ－２は、上記で説明したようにおよそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍ（すなわち約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の第２の基本波波長および対応する第２の基本波周波数ω_２を有する（第２の）基本波光１１９Ｈ－２を生成するように構成される。第１の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－１は、第１の基本波光１１９Ｈ－１を受け取って第１の基本波周波数ω_１の２倍に等しい第二高調波周波数２ω_１を有する第二高調波光１２１Ｈを生成する。ビームスプリッタ１２４Ｈは、第二高調波光１２１Ｈを２つの部分、すなわち第１の部分１２１Ｈ－１および第２の部分１２１Ｈ－２に分離する。第二高調波光１２１Ｈの第１の部分１２１Ｈ－１は、周波数加算段１２０Ｈ－２により受け取られる。周波数加算段１２０Ｈ－２は、第１の部分１２１Ｈ－１を第２の基本波光１１９Ｈ－２に加算して和周波数２ω_１＋ω_２に等しい対応する周波数ω_ｘを有する第１の中間光ビーム１２９Ｈ－１を生成する。便宜上、この和周波数は、第三高調波に実質的に等しいものとして本明細書で言及する（ω_１およびω_２が類似するか、ほぼ等しいため）。すなわち、第１の基本波レーザ１１０Ｈ－１および第２の基本波レーザ１１０Ｈ－２の周波数が実質的に同じ（すなわちω_１＝ω_２）である場合、第１の中間光ビーム１２９Ｈ－１の周波数ω_ｘは、基本波光周波数ω_１またはω_２のいずれかの第三高調波に実質的に等しい（すなわち、ω_ｘ≒３ω_１またはω_ｘ≒３ω_２）。周波数加算段１２０Ｈ－２は、図２Ｂを参照して周波数加算段１２０Ｂ－２について上記で説明したのと同様に構成される。第二高調波光１２１Ｈの第２の部分１２１Ｈ－２は、第２の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－３に送られる。第２の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－３は、第１の基本波周波数ω_１の４倍に等しい対応する周波数ω_ｙを有する（すなわちω_ｙ＝４ω_１）第２の中間光ビーム１２９Ｈ－２を生成するように構成される。図７Ａの例示的な実施形態によれば、周波数二逓倍化段１２０Ｈ－１および１２０Ｈ－３のそれぞれが、図２Ａの第２の周波数二逓倍化段１２０Ａ－２を参照して上記で説明したものと同様に内部に配列された少なくとも３つの光学ミラーおよび非線形結晶を含む外部共振キャビティを備える。最終周波数加算段１３０Ｈは、本明細書に説明する技術を用いて第１および第２の中間光ビーム１２９Ｈ－１および１２９Ｈ－２（すなわちω_ｘ＋ω_ｙ）を加算し、６ω_１＋ω_２に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＨを有するレーザ出力光１３９Ｈを生成する。レーザ出力光１３９Ｈは、本明細書では第七高調波光に実質的に同等なものとして言及される（すなわち、ω_１およびω_２が類似し、またはほぼ等しければω_ｘ＋ω_ｙ＝６ω_１＋ω_２≒７ω_１であるため）。これは、少なくとも１つの実施形態では、およそ１５２ｎｍの波長を有する。代替的な実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｈ－２は省かれてもよく、第１の基本波レーザ１１０Ｈ－１の出力を２つの部分、すなわち第１の周波数二逓倍化段１２０Ｈ－１に案内される第１の部分と、第二高調波光１２１Ｈ－１とともに周波数加算段１２０Ｈ－２に案内される第２の部分に分割してもよい。この代替的な実施形態では、必然的にω_２＝ω_１になる。

図７Ｂは、本発明の別の特定の例示的な実施形態によるおよそ１４７ｎｍ～およそ１５５ｎｍ（例えばおよそ１５２ｎｍ）の範囲の波長を生成するように構成される例示的なレーザアセンブリ１００Ｉを示す簡略ブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｉは、第１の基本波レーザ１１０Ｉ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｉ－２、３つの中間周波数変換段（すなわち、第１の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－１、第２の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－２、および第１の周波数加算段１２０Ｉ－３）、ならびに波長がおよそ１４７ｎｍ～およそ１５５ｎｍ（例えばおよそ１５２ｎｍ）の範囲の出力周波数ω_ＯＵＴＩを有するレーザ出力光１３９Ｉを生成する最終周波数加算（変換）段１３０Ｉを備える。基本波レーザ１１０Ｉ－１および１１０Ｉ－２は、上記で説明したようにおよそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍ（すなわち約１μｍ～１．１μｍ）の範囲の基本波波長および対応する基本波周波数ω_１およびω_２をそれぞれ有する基本波光１１９Ｉ－１および１１９Ｉ－２をそれぞれ生成するように構成される。第１の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－１は、第１の基本波光１１９Ｉ－１を受け取って第１の基本波周波数ω_１の２倍に等しい第二高調波周波数２ω_１を有する第二高調波光１２１Ｉ－１を生成する。ビームスプリッタ１２４Ｉは、第二高調波光１２１Ｉ－１を２つの部分、すなわち第１の部分１２１Ｉ－１１および第２の部分１２１Ｉ－１２に分離する。第二高調波光１２１Ｉ－１の第１の部分１２１Ｉ－１１は、最終周波数加算段１３０Ｉに直接に送られる対応する周波数ω_ｘを有する第１の中間光ビーム１２９Ｉ－１として利用される。第２の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－２は、第二高調波光１２１Ｉ－１の第２の部分１２１Ｉ－１２を受け取って第１の基本波周波数ω_１の４倍に等しい第四高調波周波数４ω_１を有する第四高調波光１２１Ｉ－２を生成する。第１の周波数加算段１２０Ｉ－３は、第四高調波光１２１Ｉ－２を第２の基本波光１１９Ｉ－２に加算して和周波数４ω_１＋ω_２に等しい対応する周波数ω_ｙを有する第２の中間光ビーム１２９Ｉ－２を生成する。便宜上、この和周波数は、第五高調波光として本明細書で言及する（すなわち、ω_１およびω_２が類似するか、またはほぼ等しければ、第１の基本波周波数および第２の基本波周波数の第四高調波の和は第１の基本波波長の第五高調波に実質的に等しくなる、すなわちω_ｙ＝４ω_１＋ω_２≒５ω_１になるため）。最終周波数加算段１３０Ｉは、本明細書に説明する技術を用いて第１および第２の中間光ビーム１２９Ｉ－１および１２９Ｉ－２を加算し、和周波数６ω_１＋ω_２に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＥを有するレーザ出力光１３９Ｉを生成する。便宜上、これは、第１の基本波周波数ω_１の第七高調波に実質的に等しいものとして本明細書で言及する（すなわち、ω_１≒ω_２であれば、ω_ｘ＋ω_ｙ＝６ω_１＋ω_２≒７ω_１である）。少なくとも１つの実施形態では、これはおよそ１５２ｎｍの波長を有する。代替的な実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｉ－２は省かれてもよく、第１の基本波レーザ１１０Ｉ－１の出力を２つの部分、すなわち第１の周波数二逓倍化段１２０Ｉ－１に案内される第１の部分と、第四高調波光１２１Ｉ－２とともに第１の周波数加算段１２０Ｉ－３に案内される第２の部分とに分割してもよい。この代替的な実施形態では、必然的にω_２＝ω_１になる。

第１の周波数加算段１２０Ｉ－３は、ＣＬＢＯ、または水素もしくは重水素で処理したＣＬＢＯをほぼ非臨界位相整合された構成に用いて第四高調波光１２１Ｉ－２を第２の基本波光１１９Ｉ－２に加算するように構成されてもよい。あるいは、第１の周波数加算段１２０Ｉ－３は、本明細書に説明する種類の非線形結晶グレーティングアセンブリを用いて擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成してもよい。一実施形態では、非線形結晶グレーティングアセンブリは、ＳＢＯ結晶から構成される。ＳＢＯで２６６ｎｍおよび１０６４ｎｍを加算することにより２１３ｎｍを生成するためのＱＰＭの臨界長は、およそ１．８１μｍである（すなわち、１．８０μｍ～１．８２μｍの範囲）。この臨界長はより短い波長を生成するための臨界長よりも長いので、光伝搬方向のＳＢＯメサの厚さは、臨界長と等しくてもよく、または臨界長の小さい奇数倍（例えば３～９倍）に等しくてもよい。別の実施形態では、非線形結晶はＬＢＯ結晶である。

図７Ｃは、本発明の別の特定の例示的な実施形態による例示的なレーザアセンブリ１００Ｊを示す簡略ブロック図である。レーザアセンブリ１００Ｊは、第１の基本波レーザ１１０Ｊ－１、第２の基本波レーザ１１０Ｊ－２、３つの中間周波数変換段（すなわち、第１の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－１、第２の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－２、および第３の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－３）、ならびに最終周波数加算（変換）段１３０Ｊを備え、これらは、およそ１７０ｎｍ～およそ１８０ｎｍの範囲（例えばおよそ１７７ｎｍ）の波長ω_ＯＵＴＪを有するレーザ出力光１３９Ｊを生成するように協働的に構成される。基本波レーザ１１０Ｊ－１および１１０Ｊ－２は、１つ以上の非線形結晶グレーティングアセンブリを備え、上記で説明したようにおよそ１０００ｎｍ～およそ１１００ｎｍの範囲（すなわち約１μｍ～１．１μｍ）の基本波波長、ならびに対応する基本波周波数ω_１およびω_２をそれぞれ有する基本波光１１９Ｊ－１および１１９Ｊ－２をそれぞれ生成するように構成される。第１の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－１は、第２の基本波光１１９Ｊ－２を受け取って第２の基本波周波数ω_２の第二高調波に等しい（すなわち第２の基本波周波数ω_２の２倍に等しい）周波数ω_ｘを有する第１の中間光ビーム１２９Ｊ－１を生成する。第２の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－２は、第１の基本波光１１９Ｊ－１を受け取って第１の基本波周波数ω_１の第二高調波に等しい（すなわち、第１の基本波周波数ω_１の２倍に等しい）周波数を有する第二高調波光１２１Ｊを生成する。第３の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－３は、第二高調波光１２１Ｊを受け取って第１の基本波周波数ω_１の４倍に等しい第四高調波周波数４ω_１を有する周波数ω_ｙを有する第２の中間光ビーム１２９Ｊ－２を生成する。最終周波数加算段１３０Ｊは、本明細書に説明する技術を用いて第１の中間光ビーム１２９Ｊ－１（すなわち第二高調波２ω_２）および第２の中間光ビーム１２９Ｊ－２（すなわち第四高調波４ω_１）を加算して第１の基本波周波数の６倍に実質的に等しい出力周波数ω_ＯＵＴＦを有するレーザ出力光１３９Ｊを生成する（すなわち、ω_１がω_２にほぼ等しい場合、ω_ｘ＋ω_ｙ＝４ω_１＋２ω_２≒６ω_１になるため）。少なくとも１つの実施形態では、これは、およそ１７７ｎｍの波長を有する。代替的な実施形態では、第２の基本波レーザ１１０Ｊ－２および第１の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－１は省かれてもよく、第２の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－２の出力１２１Ｊを２つの部分、すなわち第３の周波数二逓倍化段１２０Ｊ－３に案内される第１の部分と、第四高調波光１２９Ｊ－２とともに最終周波数加算段１３０Ｊに案内される第２の部分とに分割してもよい。この代替的な実施形態では、必然的にω_２＝ω_１となる。

上記の図は、構成要素の実際の物理的な配置を表すことを意図していない。上記の図は、処理に関係する主要な光モジュールを示しているが、すべての光学素子を示しているわけではない。当業者であれば、１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、１３３ｎｍ、および類似のレーザを上記の図およびそれらに関連する説明からどのように構築するかを理解している。必要な場合に、より多いか、または少ない光学部品を用いて光を案内することができることを理解されたい。適切である場合、レンズおよび／または湾曲ミラーを用いてビームウエストを非線形結晶の内部または直近の実質的に円形または楕円形の断面の焦点に集束してもよい。必要であれば、プリズム、ビームスプリッタ、グレーティング、または回折光学素子を用いてそれぞれの周波数変換段の出力部の異なる波長を操作または分離してもよい。プリズム、コーティングミラー、または他の素子を用いて周波数変換段への入力部で異なる波長を適宜合成してもよい。ビームスプリッタまたはコーティングミラーを適宜用いて１つの波長を２つのビームに分割してもよい。フィルタを用いて任意の段の出力部で望ましくない波長を遮断または分離してもよい。必要に応じて波長板を用いて偏光を回転させてもよい。他の光学素子を適宜用いてもよい。当業者であれば、１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、１３３ｎｍ、および類似のレーザの実装で考えられるさまざまなトレードオフおよび選択肢を理解している。

上記のさまざまな代替的な実施形態では、第１の基本波レーザは、およそ１０７０ｎｍ、およそ１０６４ｎｍ、およそ１０５３ｎｍ、およそ１０４７ｎｍ、およびおよそ１０３０ｎｍのうちの１つに等しい対応する波長を有する第１の基本波周波数ω_１の第１の基本波光を生成するように構成されてもよい。用いる場合、第２の基本波レーザは、およそ１０７０ｎｍ、およそ１０６４ｎｍ、およそ１０５３ｎｍ、およそ１０４７ｎｍ、およびおよそ１０３０ｎｍのうちの１つに等しい対応する波長を有する第２の基本波周波数ω_２の第２の基本波光を生成するように構成されてもよい。本明細書で言及するさまざまな高調波周波数は、基本波周波数の対応する倍数に基づく。所定の基本波レーザにより生成される光の正確な波長は、レーザ媒質の正確な組成、レーザ媒質の動作温度、光キャビティの設計を含む多くの要因に依存する。所定のレーザ媒質の同じレーザ線を用いる２つのレーザは、上記および他の要因により十分の数ｎｍまたは数ｎｍ異なる波長で動作する場合がある。当業者であれば、任意の１つまたは２つの基本波波長から所望の出力波長を生成するために適切な第１および第２の基本波波長をどのように選択するかを理解している。

およそ１７７ｎｍ、およそ１５２ｎｍ、またはおよそ１３３ｎｍの所望の波長のレーザ出力光生成を容易にするさまざまな基本波波長を用いて本発明を本明細書に説明しているが、異なる基本波波長を用いてこれらの所望の波長の数ナノメートル以内の他の波長を生成することができる。添付の特許請求の範囲で別段の指定がない限り、当該レーザ、ならびに当該レーザを利用するシステムが本発明の範囲内とみなされる。

パルスレーザと比較して、ＣＷ光源は一定のパワーレベルを有し、これによりピークパワーによる損傷の問題を回避する。また、生成されるＣＷ光の帯域幅は典型的なモードロックレーザより桁違いに狭いので、対応する照明または検出の光学システムの設計はあまり複雑でなく、より高性能で、より低いシステムのコストにすることができる。しかし、監視・計測用途によっては、パルスレーザのより高い帯域幅およびピークパワーレベルを許容することができる。パルスレーザはＣＷレーザよりも単純である。というのも、周波数変換段に共振キャビティが必要ないからである。したがって、ＣＷレーザおよびパルスレーザの両方が本明細書に開示する発明の範囲内であり、適宜用いることができる。

２００ｎｍ未満よりも短い波長を用いる高い繰り返しレートを有するレーザおよびＣＷレーザは、十分なパワーレベルで市販されていないか、信頼性が低い。具体的には、およそ１２５ｎｍ～１９０ｎｍの波長範囲で数百ｍＷ以上のパワーの光を生成するために現在入手可能なレーザは存在しない。本発明の実施形態は、およそ１３３ｎｍまで下げた短波長光を生成し、したがってより長い波長よりも小さい粒子および欠陥を検出する高い感度を提供する。本発明の別の態様は、上記の本発明による１７７ｎｍ、１５２ｎｍ、および１３３ｎｍのレーザのうちの少なくとも１つを組み込むウェハ、レチクル、もしくはフォトマスクの検査もしくは計測のシステムである。そのようなシステムの態様を図８、図９Ａ、図９Ｂ、および図１０に示す。

このレーザは、図８に示す暗視野および明視野の検査モードを用いる検査システムで用いることができる。この図およびシステムは、Ｃｈｕａｎｇらの米国特許第７，８１７，２６０号に説明されており、本明細書に完全に説明された場合と同様に参照により組み込まれる。図８に垂直入射レーザ照明を組み込む反射屈折撮像システム８００を示す。システム８００の照明ブロックは、レーザ８０１、検査される表面における照明ビームのサイズとプロファイルを制御する適合光学系８０２、機械的筐体８０４内のアパーチャおよびウィンドウ８０３、ならびに試料８０８の表面への垂直入射時に光軸に沿ってレーザの方向を変更するプリズム８０５を備える。また、プリズム８０５は、試料８０８の表面特徴の鏡面反射および対物レンズ８０６の光学面からの反射を光経路に沿って画像面８０９に案内する。対物レンズ８０６用のレンズは、反射屈折対物レンズ、集束レンズ群、およびズームチューブレンズ区間８０７の一般的形態で提供することができる。少なくとも１つの実施形態では、レーザ８０１は、上記のレーザのうちの１つにより実装することができる。

このレーザは、図９Ａおよび図９Ｂに示す斜め方向のライン照明を用いる暗視野検査システムに用いることができる。この検査システムは、示しているように、軸外集光およびほぼ垂直な集光を含む２つまたは３つの異なる集光システムを有してもよい。また、この暗視野検査システムは、垂直入射ライン照明（不図示）も含んでもよい。図９Ａおよび図９Ｂに示すシステムの説明を含むさらなる詳細は、Ｌｅｏｎｇらの米国特許第７，５２５，６４９号に見出すことができ、本明細書に完全に記載された場合と同様に参照により組み込まれる。

図９Ａに照明システム９０１と、表面９１１の領域を検査するための集光システム９１０とを備える表面検査装置９００を示す。図９Ａに示すように、レーザシステム９２０は、ビーム形成光学系９０３を通して光ビーム９０２を案内する。少なくとも１つの実施形態では、レーザシステム９２０は、上記のレーザのうちの少なくとも１つを含む。第１のビーム形成光学系９０３は、レーザシステムからのビームを受け取るように構成することができる。ビームは、表面９１１に集束される。

ビーム形成光学系９０３は、その主平面が試料表面９１１と実質的に平行になるように向けられ、その結果、照明ライン９０５がビーム形成光学系９０３の焦点面内の表面９１１に形成される。さらに、光ビーム９０２および集束ビーム９０４は、非直交入射角で表面９１１に案内される。具体的には、光ビーム９０２および集束ビーム９０４は、約１°～約８５°の角度で法線方向から表面９１１に案内されてもよい。このように、照明ライン９０５は、実質的に集束ビーム９０４の入射面内にある。

集光システム９１０は、照明ライン９０５から散乱した光を集光するためのレンズ９１２と、感光検出器のアレイを含むデバイス、例えば電荷結合デバイス（ＣＣＤ）９１４にレンズ９１２からの光を集束するためのレンズ９１３とを備える。一実施形態では、ＣＣＤ９１４は、検出器のリニアアレイを含んでもよい。そのような場合、ＣＣＤ９１４内の検出器のリニアアレイは、照明ライン９０５と平行に向けられてもよい。別の実施形態では、ＣＣＤ９１４は、矩形のアレイとして配置され、その長軸が照明ライン９０５と平行な検出器の二次元アレイを含んでもよい。例えば、ＣＣＤ９１４は、およそ１０００個～８０００個の検出器×およそ５０個～２５０個の検出器の矩形のアレイを含んでもよい。一実施形態では、複数の集光システムが含まれてもよい。この場合、集光システムのそれぞれは、類似の部品を含むが、向きが異なる。

例えば、図９Ｂに表面検査装置のための集光システム９３１、９３２、および９３３の例示的なアレイを示す（例えば照明システム９０１のものと類似するその照明システムは、単純にするため示していない）。集光システム９３１の第１の光学系は、試料９２１の表面から第１の方向に散乱する光を集光する。集光システム９３２の第２の光学系は、試料９２１の表面から第２の方向に散乱する光を集光する。集光システム９３３の第３の光学系は、試料９２１の表面から第３の方向に散乱する光を集光する。なお、第１、第２、および第３の経路は、試料９２１の前記表面に対して異なる反射角になっている。試料９２１を支持する台９２２を用いて光学系と試料９２１との間に相対的動きを生じさせ、それにより試料９２１の表面全体を走査することができる。

また、このレーザはパターン未形成のウェハ用の検査システム、例えば図１０に示す検査システム１０００に用いられてもよい。そのような検査システムは、これらの図に示すように散乱光の斜めおよび／または垂直な入射照明と、大きな集光立体角とを組み込んでもよい。照明源１１００は、ＤＵＶ光またはＶＵＶ光を生成して望ましい角度でウェハ１１２２を照明し、反射光が撮像集光光学系１１０８のシステムにより集光されないようにする、本明細書で説明したレーザアセンブリのうちの少なくとも１つを組み込む。光学系１１０６は、所望の照明パターンを生成するように構成されてもよい。ウェハ１１２２からの散乱光は、アフォーカルレンズシステム１１１０に光を案内するように構成される撮像集光光学系１１０８のシステムにより集光されてもよい。一実施形態では、集光レンズマスクシステム１１１２が複数のチャンネルに光を分割してＴＤＩセンサ１１１８に送り出してもよい。一実施形態は、増強器１１１４および／またはセンサ中継器１１１６を備えてもよい。ＴＤＩセンサ１１１８および／または増強器１１１４は、信号を画像処理コンピュータ１１２０に送信するように構成されてもよい。画像処理コンピュータ１１２０は、ウェハ１１２２のウェハ画像および／またはウェハ１１２２の表面の欠陥もしくは粒子のリストを生成するように構成されてもよい。図１０の素子のさらなる説明は、Ｖａｚｈａｅｐａｒａｍｂｉｌらの米国特許第９，８９１，１７７Ｂ２号に見出すことができる。パターン未形成のウェハ検査システムのさらなる詳細は、米国特許第６，２０１，６０１号および同第６，２７１，９１６号に見出すことができる。これらの特許のすべてが本明細書に完全に記載された場合と同様に参照により組み込まれる。

本発明は、特定の具体的な実施形態に関連して説明しているが、当業者には本発明の発明上の特徴が、他の実施形態にも同様に適用可能であることが明らかであり、それらのすべてが本発明の範囲内に包含されることを意図する。

Claims (21)

1. 対応する出力波長がおよそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力周波数を有するレーザ出力光ビームを生成するためのレーザアセンブリであって、
   対応する基本波周波数を有する基本波光ビームを生成するようにそれぞれ構成される１つ以上の基本波レーザと、
   １つ以上の前記基本波光ビームを用いて１つ以上の中間光ビームを生成するように集合的に構成される１つ以上の中間周波数変換段であって、前記１つ以上の中間光ビームのそれぞれは、関連する中間周波数および対応する中間波長を有する、１つ以上の中間周波数変換段と、
   非線形結晶グレーティングアセンブリ、および前記１つ以上の中間光ビームが伝搬方向に前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通るように前記非線形結晶グレーティングアセンブリに前記１つ以上の中間光ビームを案内するように構成される複数の光学素子を備える最終周波数変換段と、
   を備え、
   前記非線形結晶グレーティングアセンブリは、
   第１の基部、および前記第１の基部から突出する複数の平行な第１のメサを含む第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
   第２の基部、および前記第２の基部から突出する複数の平行な第２のメサを含む第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
   を備え、
   前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、対向櫛型構成で固定配置され、前記１つ以上の中間光ビームが前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通る間に前記第１および第２のメサを交互に通るように配列され、
   それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの幅は、前記１つ以上の中間光ビームおよび前記レーザ出力光ビームの擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成するために必要とされる臨界長の奇数倍に実質的に等しく、
   前記第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体の第１の結晶軸は、前記第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体の対応する第２の結晶軸に対して反転していることを特徴とするレーザアセンブリ。
2. 前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、四ホウ酸ストロンチウム結晶を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
3. 前記最終周波数変換段は、前記１つ以上の中間光ビームがほぼブリュースター角で前記非線形結晶グレーティングアセンブリの入力面に入射するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
4. 前記最終周波数変換段は、前記第１および第２の結晶軸の両方の第１の光軸が前記伝搬方向と平行になるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
5. 前記最終周波数変換段は、前記中間光ビームの偏光が前記第１および第２の結晶軸の第２の光軸と実質的に平行になるようにさらに構成され、前記第２の光軸は、前記第１および第２の結晶軸の前記第１の光軸および第３の光軸より高い非線形係数を有することを特徴とする、請求項４に記載のレーザアセンブリ。
6. 前記第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体の前記複数の平行な第１のメサは、第１の溝により分離された第１のメサおよび第２のメサを含み、
   前記第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体の前記複数の平行な第２のメサは、第３のメサ、第４のメサ、および第５のメサを含み、前記第３のメサは、第２の溝により前記第４のメサから分離され、前記第４のメサは、第３の溝により前記第５のメサから分離され、
   前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体が前記対向櫛型構成で固定配置されると、前記第１のメサは、前記第２の溝に配置され、前記第２のメサは、前記第２の溝に配置され、前記第４のメサは、前記第１の溝に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
7. 第１の溝の幅は、前記第４のメサの幅より約１００ｎｍ～１μｍ大きいことを特徴とする、請求項６に記載のレーザアセンブリ。
8. 前記第１、第２、および第３の溝のそれぞれは、少なくとも１０μｍの深さを有することを特徴とする、請求項７に記載のレーザアセンブリ。
9. 前記最終周波数変換段は、さらに、
   前記１つ以上の中間光ビームのビームウエストが前記非線形結晶グレーティングアセンブリの入力面に現れるように、前記１つ以上の中間光ビームを受け取って循環させるように構成される複数のミラーと、
   前記非線形結晶を出射する光を受け取るように配置されるビームスプリッタであって、前記ビームスプリッタが前記出射する光の第１の部分を反射して前記レーザ出力光ビームを形成し、前記出射する光の第２の部分が前記ビームスプリッタを通り前記複数のミラーにより循環されるように構成されるビームスプリッタと、
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
10. 前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの基本波周波数を有する基本波光を生成するように構成され、
    前記１つ以上の中間周波数変換段は、
    前記基本波光を受け取るように結合され、前記基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第二高調波光を生成するように構成される第１の周波数二逓倍化段と、
    前記第１の周波数二逓倍化段から前記第二高調波光を受け取るように結合され、前記基本波周波数の４倍に等しい第四高調波周波数を有する第四高調波光として前記中間光ビームを生成するように構成される第２の周波数二逓倍化段と、
    を備え、
    前記最終周波数変換段は、前記第四高調波光を周波数二逓倍化するように構成され、それにより前記レーザ出力光の前記出力周波数は、前記基本波周波数の８倍に等しくなることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
11. 前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、前記第１および第２の結晶軸の結晶ｃ軸が前記第四高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように形成される四ホウ酸ストロンチウム結晶を含み、
    前記出力周波数は、１３３ｎｍに実質的に等しい波長に対応し、
    それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの前記幅は、前記第四高調波周波数と第八高調波周波数の擬似位相整合を可能にするために０．１１μｍ～０．１５μｍの範囲の臨界長の奇数倍に実質的に等しいことを特徴とする、請求項１０に記載のレーザアセンブリ。
12. 前記１つ以上の基本波レーザは、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第１の基本波周波数を有する第１の基本波光を生成するように構成される第１の基本波レーザと、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第２の基本波周波数を有する第２の基本波光を生成するように構成される第２の基本波レーザと、
    を備え、
    前記１つ以上の中間周波数変換段は、
    前記第１の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第二高調波光を生成するように構成される周波数二逓倍化段と、
    前記周波数二逓倍化段からの前記第二高調波光および前記第２の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の３倍に実質的に等しい第三高調波周波数を有する第三高調波光として前記中間光ビームを生成するように構成される周波数加算段と、
    を備え、
    前記最終周波数変換段は、前記第三高調波光を周波数二逓倍化するように構成され、それにより前記レーザ出力光の前記出力周波数は、前記第１の基本波周波数の６倍に実質的に等しくなることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
13. 前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、前記第１および第２の結晶軸の結晶ｃ軸が前記第三高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように形成される四ホウ酸ストロンチウム結晶を含み、
    前記出力周波数は、１７７ｎｍに実質的に等しい波長に対応し、
    それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの前記幅は、前記第三高調波周波数と第六高調波周波数の擬似位相整合を可能にするために０．５８μｍ～０．６２μｍの範囲の臨界長の奇数倍に実質的に等しいことを特徴とする、請求項１２に記載のレーザアセンブリ。
14. 前記１つ以上の基本波レーザは、対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの基本波周波数を有する基本波光を生成するように構成され、
    前記１つ以上の中間周波数変換段は、
    前記基本波光を受け取るように結合され、前記基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第二高調波光を生成するように構成される第１の周波数二逓倍化段を備え、
    前記最終周波数変換段は、前記第二高調波光を周波数二逓倍化するように構成され、それにより前記レーザ出力光の前記出力周波数は、前記基本波周波数の４倍に等しくなることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
15. 前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、前記第１および第２の結晶軸の結晶ｃ軸が前記第二高調波光の偏光方向と実質的に平行になるように形成される四ホウ酸ストロンチウム結晶を含み、
    前記出力周波数は、２６６ｎｍに実質的に等しい波長に対応し、
    それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの前記幅は、前記第二高調波周波数と前記第四高調波周波数の擬似位相整合を可能にするために２．５μｍ～２．７μｍの範囲の臨界長の奇数倍に実質的に等しいことを特徴とする、請求項１４に記載のレーザアセンブリ。
16. 前記１つ以上の基本波レーザは、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第１の基本波周波数を有する第１の基本波光を生成するように構成される第１の基本波レーザと、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第２の基本波周波数を有する第２の基本波光を生成するように構成される第２の基本波レーザと、
    を備え、
    前記複数の中間周波数変換段は、
    前記第１の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第二高調波光を生成するように構成される第１の周波数二逓倍化段と、
    前記第１の周波数二逓倍化段から前記第二高調波光の第１の部分を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の４倍に等しい第四高調波周波数を有する第四高調波光を生成するように構成される第２の周波数二逓倍化段と、
    前記第２の周波数二逓倍化段からの前記第四高調波光および前記第２の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の５倍に実質的に等しい第五高調波周波数を有する第五高調波光を生成するように構成される周波数加算段と、
    を備え、
    前記最終周波数変換段は、前記第五高調波光を前記第１の周波数二逓倍化段からの前記第二高調波光の第２の部分に加算するように構成され、それにより前記レーザ出力光の前記出力周波数は、前記第１の基本波周波数の第七高調波周波数に実質的に等しいことを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
17. 前記１つ以上の基本波レーザは、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第１の基本波周波数を有する第１の基本波光を生成するように構成される第１の基本波レーザと、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第２の基本波周波数を有する第２の基本波光を生成するように構成される第２の基本波レーザと、
    を備え、
    前記複数の中間周波数変換段は、
    前記第１の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第二高調波光を生成するように構成される第１の周波数二逓倍化段と、
    前記第１の周波数二逓倍化段からの前記第二高調波光の第１の部分および前記第２の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の３倍に実質的に等しい第三高調波周波数を有する第三高調波光として第１の前記中間光ビームを生成するように構成される周波数加算段と、
    前記第１の周波数二逓倍化段からの前記第二高調波光の第２の部分を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の４倍に等しい第四高調波周波数を有する第四高調波光として第２の前記中間光ビームを生成するように構成される第２の周波数二逓倍化段と、
    を備え、
    前記最終周波数変換段は、前記周波数加算段から受け取った前記第三高調波光および前記第２の周波数二逓倍化段から受け取った前記第四高調波光を加算するように構成され、それにより前記レーザ出力光の前記出力周波数は、前記第１の基本波周波数の７倍に実質的に等しくなることを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
18. 前記１つ以上の基本波レーザは、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第１の基本波周波数を有する第１の基本波光を生成するように構成される第１の基本波レーザと、
    対応する基本波波長が１μｍ～１．１μｍの第２の基本波周波数を有する第２の基本波光を生成するように構成される第２の基本波レーザと、
    を備え、
    前記複数の中間周波数変換段は、
    前記第２の基本波光を受け取るように結合され、前記第２の基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第１の前記中間光ビームを生成するように構成される第１の周波数二逓倍化段と、
    前記第１の基本波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の２倍に等しい第二高調波周波数を有する第二高調波光を生成するように構成される第２の周波数二逓倍化段と、
    前記第２の周波数二逓倍化段から前記第二高調波光を受け取るように結合され、前記第１の基本波周波数の４倍に等しい第四高調波周波数を有する第２の前記中間光ビームを生成するように構成される第３の周波数二逓倍化段と、
    を備え、
    前記最終周波数変換段は、前記第１の中間光ビームおよび前記第２の中間光ビームを加算するように構成され、それにより前記レーザ出力光の前記出力周波数は、前記第１の基本波周波数の６倍に実質的に等しい第六高調波周波数を有することを特徴とする、請求項１に記載のレーザアセンブリ。
19. 対応する出力波長がおよそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力周波数を有するレーザ出力光ビームを用いて試料を検査するように構成される検査システムであって、前記レーザ出力光ビームは、レーザアセンブリにより生成され、前記レーザアセンブリは、
    対応する基本波周波数を有する基本波光ビームを生成するようにそれぞれ構成される１つ以上の基本波レーザと、
    前記１つ以上の基本波光ビームを用いて１つ以上の中間光ビームを生成するように集合的に構成される１つ以上の中間周波数変換段であって、前記中間光ビームのそれぞれは、関連する中間周波数を有する、１つ以上の中間周波数変換段と、
    非線形結晶グレーティングアセンブリ、および前記１つ以上の中間光ビームが伝搬方向に前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通るように前記非線形結晶グレーティングアセンブリに前記１つ以上の中間光ビームを案内するように構成される複数の光学素子を備える最終周波数変換段と、
    を備え、
    前記非線形結晶グレーティングアセンブリは、
    第１の基部、および前記第１の基部から突出する複数の平行な第１のメサを含む第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
    第２の基部、および前記第２の基部から突出する複数の平行な第２のメサを含む第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
    を備え、
    前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、対向櫛型構成で固定配置され、前記１つ以上の中間光ビームが前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通る間に前記第１および第２のメサを交互に通るように配列され、
    それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの幅は、前記１つ以上の中間光ビームと前記レーザ出力光ビームの擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成するために必要とされる臨界長の奇数倍に実質的に等しく、
    前記第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体の第１の結晶軸は、前記第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体の対応する第２の結晶軸に対して反転していることを特徴とする検査システム。
20. １つ以上の入力光ビームをレーザ出力光に変換するように構成される非線形結晶グレーティングアセンブリであって、前記１つ以上の入力光ビームは、対応する基本波周波数を有し、所定の伝搬方向で前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通って案内され、前記レーザ出力光は、対応する出力波長がおよそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力周波数を有し、前記非線形結晶グレーティングアセンブリは、
    第１の基部、および前記第１の基部から突出する複数の平行な第１のメサを含む第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
    第２の基部、および前記第２の基部から突出する複数の平行な第２のメサを含む第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
    を備え、
    前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、対向櫛型構成で固定配置され、前記１つ以上の中間光ビームが前記所定の伝搬方向に沿って前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通る間に前記第１および第２のメサを交互に通るように配列され、
    それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの幅は、前記１つ以上の入力光ビームと前記レーザ出力光ビームの擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成するために必要とされる臨界長の奇数倍に実質的に等しく、
    前記第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体の第１の結晶軸は、前記第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体の対応する第２の結晶軸に対して反転していることを特徴とする非線形結晶グレーティングアセンブリ。
21. 対応する出力波長がおよそ１２５ｎｍ～およそ３００ｎｍの範囲の出力周波数を有するレーザ出力光ビームを生成するための方法であって、
    対応する基本波波長が約１μｍ～１．１μｍの対応する基本波周波数をそれぞれの基本波光ビームが有するように前記１つ以上の基本波光ビームを生成するステップと、
    前記１つ以上の基本波光ビームを用いて１つ以上の中間光ビームを生成するように集合的に構成される１つ以上の中間周波数変換段を利用するステップであって、前記１つ以上の中間光ビームのそれぞれは、関連する中間周波数を有するステップと、
    最終周波数変換段を利用して、前記１つ以上の中間光ビームが伝搬方向に非線形結晶グレーティングアセンブリを通るように前記非線形結晶グレーティングアセンブリに前記１つ以上の中間光ビームを案内するステップと、
    を含み、
    前記非線形結晶グレーティングアセンブリは、
    第１の基部、および前記第１の基部から突出する複数の平行な第１のメサを含む第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
    第２の基部、および前記第２の基部から突出する複数の平行な第２のメサを含む第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体と、
    を備え、
    前記第１および第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体は、対向櫛型構成で固定配置され、前記１つ以上の中間光ビームが前記非線形結晶グレーティングアセンブリを通る間に前記第１および第２のメサを交互に通るように配列され、
    それぞれの前記第１のメサおよびそれぞれの前記第２のメサの幅は、前記１つ以上の中間光ビームと前記レーザ出力光ビームの擬似位相整合（ＱＰＭ）を達成するために必要とされる臨界長の奇数倍に実質的に等しく、
    前記第１の一体的非線形結晶グレーティング構造体の第１の結晶軸は、前記第２の一体的非線形結晶グレーティング構造体の対応する第２の結晶軸に対して反転していることを特徴とする方法。
    

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