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JPH10339891A - Wavelength converting device and ultraviolet laser device using same - Google Patents

Wavelength converting device and ultraviolet laser device using same

Info

Publication number
JPH10339891A
JPH10339891A JP9165029A JP16502997A JPH10339891A JP H10339891 A JPH10339891 A JP H10339891A JP 9165029 A JP9165029 A JP 9165029A JP 16502997 A JP16502997 A JP 16502997A JP H10339891 A JPH10339891 A JP H10339891A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
harmonic
laser
frequency
nonlinear optical
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9165029A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomoko Otsuki
朋子 大槻
Soichi Yamato
壮一 大和
Masaki Harada
昌樹 原田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP9165029A priority Critical patent/JPH10339891A/en
Publication of JPH10339891A publication Critical patent/JPH10339891A/en
Pending legal-status Critical Current

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

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基本波として高ピーク出力のレーザ光を必要
とすることなく、波長変換効率が高く且つコンパクトな
構成を有する波長変換装置。 【解決手段】 第2の非線形光学結晶(21)における
周波数ω1 のレーザ光のビーム中心位置と周波数2ω2
(4ω1 )のレーザ光のビーム中心位置とを共通の光学
素子を用いてほぼ一致させるためのビーム中心位置調節
手段(24、25)と、第2の非線形光学結晶(21)
における周波数ω1 のレーザ光のビーム形状と周波数2
ω2 (4ω1 )のレーザ光のビーム形状とを共通の光学
素子を用いて整合させるためのビーム形状整合手段(2
6)とを備えている。
(57) Abstract: A wavelength conversion device having a high wavelength conversion efficiency and a compact configuration without requiring high peak output laser light as a fundamental wave. A second nonlinear optical crystal (21) of the frequency omega 1 of the laser beam at the beam center position and frequency 2 [omega 2
Beam center position adjusting means (24, 25) for making the beam center position of the (4ω 1 ) laser beam substantially coincide with the common optical element, and a second nonlinear optical crystal (21)
Beam shape and frequency 2 at frequency ω 1
Beam shape matching means (2) for matching the beam shape of the laser light of ω 2 (4ω 1 ) with a common optical element.
6).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は波長変換装置および
該波長変換装置を用いた紫外レーザ装置に関し、特に複
屈折性を有する非線形光学結晶を用いて近赤外光、可視
光、紫外光をより短波長の紫外光に波長変換する装置に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wavelength conversion device and an ultraviolet laser device using the wavelength conversion device, and more particularly to a near-infrared light, a visible light and an ultraviolet light using a nonlinear optical crystal having birefringence. The present invention relates to an apparatus for converting a wavelength into ultraviolet light having a short wavelength.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体製造工程で使用される露光機をは
じめとするマイクロマシニングの分野では、たとえばN
d:YAG(NdをドープしたYttrium Aluminum Garne
t )をレーザ媒質とする固体レーザ(以下、単に「N
d:YAGレーザ」という)からの基本波(1064n
m)を波長変換して得られた5倍波(213nm)を用
いる紫外光源の応用が注目されている。一般に、Nd:
YAGレーザの基本波から5倍波への波長変換を行う従
来の波長変換装置では、2倍波発生部において第二高調
波発生素子としての非線形光学結晶LBO(LiB3O5)等
を用いて、基本波から2倍波を発生させる。次いで、4
倍波発生部において第二高調波発生素子としての非線形
光学結晶BBO(β-BaB2O4 )を用いて、2倍波から4
倍波を発生させる。最後に、5倍波発生部において和周
波発生素子としての非線形光学結晶BBOを用いて、基
本波と4倍波とから5倍波を発生させる。
2. Description of the Related Art In the field of micromachining such as an exposure machine used in a semiconductor manufacturing process, for example,
d: YAG (Yttrium Aluminum Garne doped with Nd
t) as a laser medium (hereinafter simply referred to as “N
d: YAG laser ”) (1064n).
Attention has been paid to the application of an ultraviolet light source using the fifth harmonic (213 nm) obtained by wavelength conversion of m). In general, Nd:
In a conventional wavelength converter that converts the wavelength of a fundamental wave of a YAG laser into a fifth harmonic, a nonlinear optical crystal LBO (LiB 3 O 5 ) or the like is used as a second harmonic generation element in a second harmonic generation unit. , A second harmonic is generated from the fundamental wave. Then 4
Using a nonlinear optical crystal BBO (β-BaB 2 O 4 ) as a second harmonic generation element in the harmonic generation section,
Generates harmonics. Finally, the fifth harmonic is generated from the fundamental wave and the fourth harmonic by using the nonlinear optical crystal BBO as the sum frequency generating element in the fifth harmonic generation unit.

【0003】図9は、従来の波長変換装置の4倍波発生
部を構成する非線形光学結晶BBOにおける4倍波発生
の様子を示す図であって、(a)は各レーザ光がBBO
結晶を伝播する様子を、(b)はBBO結晶の射出端に
おける各レーザ光のビーム位置およびビーム形状をそれ
ぞれ示している。図9に示す波長変換装置の4倍波発生
部では、Nd:YAGレーザの基本波(すなわち周波数
ω1 のレーザ光)と2倍波(すなわち周波数2ω1 のレ
ーザ光)とが同じ光路に沿って(同軸で)複屈折性の強
いBBO結晶90に入射する。そして、BBO結晶90
において、常光として入射した2倍波から異常光である
4倍波(すなわち周波数4ω1 のレーザ光)が発生す
る。
FIG. 9 is a diagram showing a state of generation of a fourth harmonic in a nonlinear optical crystal BBO constituting a fourth harmonic generation unit of a conventional wavelength converter. FIG.
(B) shows the beam position and beam shape of each laser beam at the emission end of the BBO crystal. The fourth harmonic generation portion of the wavelength conversion device shown in FIG. 9, Nd: fundamental wave of YAG laser and (i.e. laser beam of a frequency omega 1) and second harmonic (i.e. laser beam of frequency 2 [omega 1) is along the same optical path (Coaxially) and enters the BBO crystal 90 having strong birefringence. And the BBO crystal 90
In a extraordinary light from the second harmonic of the incident quadruple wave (i.e. laser beam of frequency 4ω 1) is generated as ordinary light.

【0004】すなわち、図9(a)に示すように、異常
光である4倍波は、常光である2倍波のビーム中心軸線
上の各発生箇所から所定方向に所定のウォークオフ角度
(Walk off angle)をもってBBO結晶90の中を伝播
する。なお、異常光が常光のビーム中心軸線上の各発生
箇所から所定方向に所定の角度をもって非線形光学結晶
中を伝播する現象をウォークオフ(Walk off)という。
その結果、図9(b)に示すように、BBO結晶90の
射出端において、4倍波のビーム形状はウォークオフの
方向に延びた細長いビーム形となり、4倍波のビーム中
心と2倍波のビーム中心とは一致しない。なお、異常光
として入射した基本波もBBO結晶90において複屈折
の影響を受け、そのビーム中心軸線は2倍波のビーム中
心軸線から複屈折角の方向にずれるが、そのビーム形状
は不変である。
[0004] That is, as shown in FIG. 9A, the fourth harmonic, which is extraordinary light, has a predetermined walk-off angle (Walk) in a predetermined direction from each generation point on the beam center axis of the second harmonic, which is ordinary light. The light propagates through the BBO crystal 90 with an off angle. A phenomenon in which extraordinary light propagates through the nonlinear optical crystal at a predetermined angle in a predetermined direction from each generation point on the beam central axis of the ordinary light is called “walk off”.
As a result, as shown in FIG. 9B, at the exit end of the BBO crystal 90, the beam shape of the fourth harmonic becomes an elongated beam extending in the walk-off direction, and the beam center of the fourth harmonic and the second harmonic. Does not coincide with the beam center. The fundamental wave incident as extraordinary light is also affected by birefringence in the BBO crystal 90, and its beam center axis is shifted from the beam center axis of the second harmonic in the direction of the birefringence angle, but its beam shape is unchanged. .

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
た従来の波長変換装置では、4倍波発生部を構成するB
BO結晶におけるウォークオフの影響により、2倍波と
4倍波とのビームの重なりが低下して4倍波発生の効率
が低下するばかりでなく、後段の5倍波発生部を構成す
るBBO結晶において基本波と4倍波とのビームの重な
りが低下して5倍波発生の効率が低下する。すなわち、
4倍波発生部における4倍波のウォークオフに起因し
て、波長変換装置の波長変換効率が低下する。
In the conventional wavelength converter configured as described above, B which constitutes the fourth harmonic generator is used.
Due to the effect of the walk-off in the BO crystal, not only does the beam overlap of the second harmonic and the fourth harmonic decrease, so that the efficiency of generating the fourth harmonic decreases, but also the BBO crystal constituting the subsequent fifth harmonic generating section. In this case, the beam overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic is reduced, and the efficiency of fifth harmonic generation is reduced. That is,
The wavelength conversion efficiency of the wavelength conversion device is reduced due to the walk-off of the fourth harmonic in the fourth harmonic generation unit.

【0006】上述の4倍波発生部における4倍波のウォ
ークオフの影響を補償して波長変換効率を向上させるに
は、結晶軸を反転させた一対のBBO結晶を光の進行方
向に沿って直列に配置して4倍波発生部を構成する方法
が考えられる。図10は、従来の波長変換装置において
結晶軸を反転させた一対のBBO結晶を直列配置して4
倍波発生部を構成した様子を示す図であって、(a)は
各レーザ光が一対のBBO結晶を伝播する様子を、
(b)は後段のBBO結晶の射出端における各レーザ光
のビーム位置およびビーム形状をそれぞれ示している。
In order to improve the wavelength conversion efficiency by compensating the influence of the walk-off of the fourth harmonic in the above-mentioned fourth harmonic generation part, a pair of BBO crystals whose crystal axes are inverted are moved along the traveling direction of light. A method of arranging them in series to constitute a fourth harmonic wave generating unit is conceivable. FIG. 10 shows a conventional wavelength conversion device in which a pair of BBO crystals whose crystal axes are inverted are arranged in series.
It is a figure which shows the mode that the harmonic generation part was comprised, (a) shows a mode that each laser beam propagates through a pair of BBO crystal,
(B) shows the beam position and beam shape of each laser beam at the exit end of the BBO crystal in the latter stage, respectively.

【0007】図10(a)に示すように、前段のBBO
結晶91においては、図9のBBO結晶90と同様に、
4倍波(周波数4ω1 )は2倍波(周波数2ω1 )のビ
ーム中心軸線上の各発生箇所から図中下方に所定のウォ
ークオフ角度をもって伝播する。一方、後段のBBO結
晶92においては、4倍波は2倍波のビーム中心軸線上
の各発生箇所から図中上方に所定のウォークオフ角度を
もって伝播する。その結果、4倍波発生部における2倍
波と4倍波とのビームの重なりが向上して4倍波発生の
効率が向上する。しかしながら、図10(b)に示すよ
うに、後段のBBO結晶92の射出端において、4倍波
のビーム形状は所定方向に延びた細長いビーム形とな
り、4倍波のビーム中心と2倍波のビーム中心とは一致
しない。その結果、5倍波発生部を構成するBBO結晶
93における基本波(周波数ω1 )と4倍波とのビーム
の重なりは向上することなく、したがって5倍波発生の
効率は改善されない。
[0007] As shown in FIG.
In the crystal 91, similarly to the BBO crystal 90 in FIG.
The fourth harmonic (frequency 4ω 1 ) propagates from each generation point on the beam center axis of the second harmonic (frequency 2ω 1 ) downward at a predetermined walk-off angle in the drawing. On the other hand, in the BBO crystal 92 at the subsequent stage, the fourth harmonic propagates from each generation point on the beam center axis of the second harmonic upward at a predetermined walk-off angle in the drawing. As a result, the beam overlap between the second harmonic and the fourth harmonic in the fourth harmonic generator is improved, and the efficiency of fourth harmonic generation is improved. However, as shown in FIG. 10B, at the exit end of the BBO crystal 92 at the subsequent stage, the beam shape of the fourth harmonic becomes an elongated beam extending in a predetermined direction, and the beam center of the fourth harmonic and the beam center of the second harmonic. It does not coincide with the beam center. As a result, the beam overlap between the fundamental wave (frequency ω 1 ) and the fourth harmonic wave in the BBO crystal 93 constituting the fifth harmonic wave generation unit does not improve, and the efficiency of the fifth harmonic wave generation does not improve.

【0008】5倍波発生部における基本波と4倍波との
ビームの重なりを向上させて5倍波発生の効率を改善す
るには、次の2つの方法が考えられる。第1の方法で
は、ウォークオフの影響による4倍波のビーム形状の拡
がりが問題にならないような大きなビーム形状を使用す
る。即ち、4倍波発生部に同軸に入射する基本波および
2倍波のビーム形状を、すなわち図示を省略した2倍波
発生部に入射する基本波のビーム形状を大きく設定す
る。第2の方法では、5倍波発生部に入射する基本波の
光路と4倍波の光路とを空間的に分離し、各光路にそれ
ぞれ配置された光学系を介して5倍波発生部を構成する
非線形光学結晶における基本波と4倍波とのビームの重
なりを向上させる。
The following two methods can be considered to improve the efficiency of generating the fifth harmonic by improving the beam overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic in the fifth harmonic generator. In the first method, a large beam shape is used so that the spread of the beam shape of the fourth harmonic due to the influence of the walk-off does not matter. That is, the beam shapes of the fundamental wave and the second harmonic wave coaxially incident on the fourth harmonic wave generation unit, that is, the beam shapes of the fundamental wave incident on the second harmonic wave generation unit (not shown) are set large. In the second method, the optical path of the fundamental wave and the optical path of the fourth harmonic wave incident on the fifth harmonic wave generation unit are spatially separated, and the fifth harmonic wave generation unit is separated via the optical systems respectively arranged in each optical path. The beam overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic in the nonlinear optical crystal to be constituted is improved.

【0009】しかしながら、第1の方法によれば、5倍
波発生部に入射する基本波のビーム径を小さく設定する
ことができない。このため、5倍波発生部の非線形光学
結晶において良好な変換効率を得るのに必要な高いパワ
ー密度を基本波が確保することができない。換言すれ
ば、5倍波発生部において良好な変換効率を得るには、
非常に高ピーク出力のレーザが必要となってしまう。一
方、第2の方法によれば、基本波と4倍波とのビームの
重なりを独立した2つの光学系を介して調整することが
煩雑なばかりでなく、2倍波発生部と4倍波発生部と5
倍波発生部とを一直線に沿って直列に配置するコンパク
トな構成を採用することができなくなってしまう。
However, according to the first method, the beam diameter of the fundamental wave incident on the fifth harmonic wave generator cannot be set small. For this reason, the fundamental wave cannot secure a high power density necessary for obtaining good conversion efficiency in the nonlinear optical crystal of the fifth harmonic generation part. In other words, in order to obtain good conversion efficiency in the fifth harmonic generation unit,
A very high peak power laser is required. On the other hand, according to the second method, it is not only complicated to adjust the overlap of the beam of the fundamental wave and the beam of the fourth harmonic through two independent optical systems, but also the second harmonic generator and the fourth harmonic. Generator and 5
This makes it impossible to adopt a compact configuration in which the harmonic generation unit is arranged in series along a straight line.

【0010】本発明は、前述の課題に鑑みてなされたも
のであり、基本波として高ピーク出力のレーザ光を必要
とすることなく、波長変換効率が高く且つコンパクトな
構成を有する波長変換装置を提供することを目的とす
る。また、本発明の波長変換装置を用いて、たとえば半
導体露光装置の光源として十分な出力と低コヒーレンス
とを備えた紫外レーザ装置を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a wavelength conversion device having a high wavelength conversion efficiency and a compact configuration without requiring high peak output laser light as a fundamental wave. The purpose is to provide. It is another object of the present invention to provide an ultraviolet laser device having sufficient output and low coherence as a light source of a semiconductor exposure apparatus, using the wavelength conversion device of the present invention.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明においては、複屈折性を有する第1の非線形
光学結晶を有し、該第1の非線形光学結晶に入射した周
波数ω1 のレーザ光をその周波数を変化させることなく
透過させて射出するとともに、前記第1の非線形光学結
晶に常光として入射した周波数ω2 のレーザ光に基づい
てビーム形状が所定方向に延びた周波数2ω2 の異常光
を発生させて射出する第二高調波発生手段と、複屈折性
を有する第2の非線形光学結晶を有し、前記第1の非線
形光学結晶を介して前記第2の非線形光学結晶に入射し
た周波数ω1 のレーザ光と、前記第1の非線形光学結晶
を介して前記第2の非線形光学結晶に入射した周波数2
ω2 のレーザ光とに基づいて、周波数(ω1 +2ω2
のレーザ光を発生させて射出する和周波発生手段と、前
記第2の非線形光学結晶における前記周波数ω1 のレー
ザ光のビーム中心位置と前記周波数2ω2 のレーザ光の
ビーム中心位置とを共通の光学素子を用いてほぼ一致さ
せるためのビーム中心位置調節手段と、前記第2の非線
形光学結晶における前記周波数ω1 のレーザ光のビーム
形状と前記周波数2ω2 のレーザ光のビーム形状とを共
通の光学素子を用いて整合させるためのビーム形状整合
手段と、を備えていることを特徴とする波長変換装置を
提供する。
According to the present invention, there is provided a first nonlinear optical crystal having birefringence, and a frequency ω 1 incident on the first nonlinear optical crystal. And the laser beam is transmitted without changing its frequency and emitted, and the frequency 2ω 2 whose beam shape extends in a predetermined direction based on the laser beam of frequency ω 2 incident as ordinary light on the first nonlinear optical crystal. A second harmonic generating means for generating and emitting the extraordinary light, and a second nonlinear optical crystal having birefringence, wherein the second nonlinear optical crystal is connected to the second nonlinear optical crystal via the first nonlinear optical crystal. The incident laser light of frequency ω 1 and the frequency 2 incident on the second nonlinear optical crystal via the first nonlinear optical crystal
frequency (ω 1 + 2ω 2 ) based on the laser light of ω 2
Of the sum frequency generation means to generate a laser beam emitted by the second laser beam of the frequency omega 1 in the nonlinear optical crystal beam center position and the laser beam of frequency 2 [omega 2 beam center position and the common a beam center position adjusting means for substantially coincident with the optical element, the second the frequency omega 1 of the laser light beam shaped in a nonlinear optical crystal and said frequency 2 [omega 2 of the laser light beam shape and a common And a beam shape matching means for performing matching using an optical element.

【0012】本発明の好ましい態様によれば、前記ビー
ム中心位置調節手段は、前記第二高調波発生手段の入射
側の光路中または前記第二高調波発生手段と前記和周波
発生手段との間の光路中に配置された平行平面板または
一対のプリズムを有する。また、前記ビーム形状整合手
段は、前記第二高調波発生手段と前記和周波発生手段と
の間の光路中に配置されたレンズを有することが好まし
い。この場合、前記レンズは、その光軸を含んで直交す
る面内において互いに異なる屈折力を有することがさら
に好ましい。
According to a preferred aspect of the present invention, the beam center position adjusting means is provided in the optical path on the incident side of the second harmonic generating means or between the second harmonic generating means and the sum frequency generating means. Has a plane-parallel plate or a pair of prisms arranged in the optical path. Further, it is preferable that the beam shape matching means has a lens arranged in an optical path between the second harmonic generation means and the sum frequency generation means. In this case, it is more preferable that the lenses have different refractive powers in a plane orthogonal to the optical axis.

【0013】また、本発明の別の局面によれば、本発明
の波長変換装置と、該波長変換装置に所定の周波数を有
するレーザ光を供給するためのレーザ装置とを有するレ
ーザユニットを並列的に複数配置することによって構成
され、各レーザユニットは前記レーザ装置からのレーザ
光を前記波長変換装置において紫外レーザ光に波長変換
して射出することを特徴とする紫外レーザ装置を提供す
る。この場合、前記レーザ装置は、Ndをドープした固
体レーザ媒質を半導体レーザで光励起することによって
レーザ発振する半導体レーザ励起固体レーザ装置であ
り、前記波長変換装置は、前記半導体レーザ励起固体レ
ーザ装置からの近赤外レーザ光をその5倍波の紫外レー
ザ光に波長変換することが好ましい。
According to another aspect of the present invention, a laser unit having a wavelength converter of the present invention and a laser device for supplying a laser beam having a predetermined frequency to the wavelength converter is provided in parallel. Each laser unit is provided with a plurality of laser units, and each laser unit converts the wavelength of the laser light from the laser device into ultraviolet laser light in the wavelength conversion device and emits the laser light. In this case, the laser device is a semiconductor laser-excited solid-state laser device that performs laser oscillation by optically exciting a solid-state laser medium doped with Nd with a semiconductor laser, and the wavelength converter is a semiconductor laser-excited solid-state laser device. It is preferable to convert the wavelength of the near-infrared laser light into an ultraviolet laser light having a fifth harmonic thereof.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の波長変換装置の
作用を説明するための図であって、(a)は各レーザ光
が装置を伝播する様子を、(b)は4倍波発生部の射出
端における基本波と4倍波との重なりを、(c)は5倍
波発生部のBBO結晶における基本波と4倍波との重な
りをそれぞれ示している。
1A and 1B are diagrams for explaining the operation of a wavelength conversion device according to the present invention, wherein FIG. 1A shows how each laser beam propagates through the device, and FIG. (C) shows the overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic in the BBO crystal of the fifth harmonic generation part at the exit end of the wave generation part.

【0015】本発明の波長変換装置の具体的な構成例に
おいて、第二高調波発生手段の前段には、2倍波発生部
(不図示)を設けることができる。2倍波発生部は、た
とえば非線形光学結晶LBOを用いて、Nd:YAGレ
ーザの基本波(周波数ω1 )から2倍波(周波数2
ω1 )を発生させる。第二高調波発生手段は4倍波発生
部であり、たとえば結晶軸を反転させた一対の非線形光
学結晶BBOを用いて、2倍波から4倍波(周波数4ω
1 )を発生させる。第二高調波発生手段の後段には、5
倍波発生部としての和周波発生手段が設けられている。
5倍波発生部は、たとえば非線形光学結晶BBOを用い
て、基本波と4倍波とから5倍波(周波数5ω)を発生
させる。
In a specific configuration example of the wavelength converter according to the present invention, a second harmonic generation unit (not shown) can be provided in a stage preceding the second harmonic generation means. The second harmonic generation unit uses a nonlinear optical crystal LBO to generate a second harmonic (frequency 2) from the fundamental wave (frequency ω 1 ) of the Nd: YAG laser.
ω 1 ). The second harmonic generation means is a fourth harmonic generation unit, for example, using a pair of nonlinear optical crystals BBO whose crystal axes are inverted, from the second harmonic to the fourth harmonic (frequency 4ω).
1 ) Generate. In the subsequent stage of the second harmonic generation means, 5
A sum frequency generation unit as a harmonic generation unit is provided.
The fifth harmonic generation unit generates a fifth harmonic (frequency 5ω) from the fundamental wave and the fourth harmonic using, for example, a nonlinear optical crystal BBO.

【0016】本発明では、図1に示す具体的な構成にお
いて、たとえば平行平面板または一対のプリズムからな
るビーム中心位置調節部が、2倍波発生部と4倍波発生
部との間の光路中または4倍波発生部と5倍波発生部と
の間の光路中に配置されている。そして、このビーム中
心位置調節部の作用により、5倍波発生部の非線形光学
結晶BBOにおける基本波のビーム中心位置と4倍波の
ビーム中心位置とをほぼ一致させる。また、たとえばレ
ンズからなるビーム形状整合部が、4倍波発生部と5倍
波発生部との間の光路中に配置されている。そして、こ
のビーム形状整合部の作用により、5倍波発生部の非線
形光学結晶BBOにおける基本波のビーム形状と4倍波
のビーム形状とを整合させる。
According to the present invention, in the specific configuration shown in FIG. 1, for example, a beam center position adjusting section comprising a parallel plane plate or a pair of prisms is provided with an optical path between a second harmonic generating section and a fourth harmonic generating section. It is arranged in the optical path between the middle or fourth harmonic generator and the fifth harmonic generator. Then, the beam center position of the fundamental wave and the beam center position of the fourth harmonic in the nonlinear optical crystal BBO of the fifth harmonic generation unit are made substantially coincident by the operation of the beam center position adjustment unit. In addition, a beam shape matching unit composed of, for example, a lens is disposed in the optical path between the fourth harmonic generation unit and the fifth harmonic generation unit. Then, the beam shape of the fundamental wave and the beam shape of the fourth harmonic in the nonlinear optical crystal BBO of the fifth harmonic generation unit are matched by the function of the beam shape matching unit.

【0017】したがって、図1(c)に示すように、基
本波のビーム径を小さく設定しても、4倍波発生部のB
BO結晶におけるウォークオフの影響を補償し、5倍波
発生部のBBO結晶において基本波と4倍波との間に良
好なビームの重なりを確保することができる。なお、上
述のように、ビーム中心位置調節部およびビーム形状整
合部は、基本波と4倍波とに対して別々の光学系を用い
ることなく共通の光学素子を用いている。したがって、
ビーム中心位置調節部およびビーム形状整合部を、2倍
波発生部、4倍波発生部および5倍波発生部とともに一
直線状にコンパクトに配列することができる。こうし
て、本発明によれば、基本波として高ピーク出力のレー
ザ光を必要とすることなく、波長変換効率が高く且つコ
ンパクトな構成を有する波長変換装置を実現することが
できる。
Therefore, as shown in FIG. 1C, even if the beam diameter of the fundamental wave is set small, the B
The effect of the walk-off in the BO crystal can be compensated, and a good beam overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic can be ensured in the BBO crystal of the fifth harmonic generation part. As described above, the beam center position adjustment unit and the beam shape matching unit use a common optical element for the fundamental wave and the fourth harmonic without using separate optical systems. Therefore,
The beam center position adjustment unit and the beam shape matching unit can be compactly arranged in a straight line together with the second harmonic generation unit, the fourth harmonic generation unit, and the fifth harmonic generation unit. Thus, according to the present invention, it is possible to realize a wavelength converter having a high wavelength conversion efficiency and a compact configuration without requiring a laser beam having a high peak output as a fundamental wave.

【0018】以下、本発明の実施例を、添付図面に基づ
いて説明する。図2は、本発明の第1実施例にかかる波
長変換装置の構成を概略的に示す図である。図2におい
て、波長変換装置に同軸で入射する基本波および2倍波
のビーム中心軸線に平行にz軸を、z軸に垂直な面内に
おいて直交する方向にx軸およびy軸をそれぞれ設定し
ている。したがって、(a)はxz平面に沿った装置の
構成を、(b)はyz平面に沿った装置の構成を、
(c)は5倍波発生部のBBO結晶の入射端、中央およ
び射出端における基本波と4倍波とのビームの重なりを
それぞれ示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of the wavelength conversion device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, the z-axis is set parallel to the beam center axis of the fundamental wave and the second harmonic wave coaxially incident on the wavelength converter, and the x-axis and the y-axis are set in directions orthogonal to a plane perpendicular to the z-axis. ing. Therefore, (a) shows the configuration of the device along the xz plane, (b) shows the configuration of the device along the yz plane,
(C) shows the beam overlap of the fundamental wave and the fourth harmonic at the entrance end, the center, and the exit end of the BBO crystal of the fifth harmonic generation part, respectively.

【0019】第1実施例の装置は、4倍波発生部20
と、5倍波発生部21と、4倍波発生部20の前段に配
置された2倍波発生部(不図示)とを備えている。2倍
波発生部は、第二高調波発生素子としてのLBO結晶を
用いて、たとえばNd:YAGレーザから供給された基
本波(波長1064nm:周波数ω1 )から2倍波(波
長532nm:周波数2ω1 )を発生させる第二高調波
発生手段を構成している。4倍波発生部20は、第二高
調波発生素子としての一対のBBO結晶22および23
を用いて、2倍波から4倍波(波長266nm:周波数
4ω1 )を発生させる第二高調波発生手段を構成してい
る。なお、一対のBBO結晶22および23は、結晶軸
が互いに反転するように入射ビームの中心軸線に沿って
(z軸に沿って)直列に配置されている。5倍波発生部
21は、和周波発生素子としてのBBO結晶21を用い
て、基本波と4倍波とから5倍波(波長213nm:周
波数5ω1 )を発生させる和周波発生手段を構成してい
る。図2(a)に示すように、各BBO結晶の厚さ(入
射ビームの中心軸線に沿った長さ)は、ともに10mm
である。
The apparatus of the first embodiment has a fourth harmonic wave generator 20.
And a fifth harmonic wave generating section 21 and a second harmonic wave generating section (not shown) arranged before the fourth harmonic wave generating section 20. The second harmonic generation section uses an LBO crystal as a second harmonic generation element to convert a fundamental wave (wavelength 1064 nm: frequency ω 1 ) supplied from, for example, an Nd: YAG laser to a second harmonic (wavelength 532 nm: frequency 2ω). The second harmonic generation means for generating 1 ) is constituted. The fourth harmonic generation unit 20 includes a pair of BBO crystals 22 and 23 as a second harmonic generation element.
Is used to constitute second harmonic generation means for generating a second harmonic to a fourth harmonic (wavelength 266 nm: frequency 4ω 1 ). The pair of BBO crystals 22 and 23 are arranged in series along the central axis of the incident beam (along the z-axis) such that the crystal axes are inverted. The fifth harmonic generation unit 21 constitutes a sum frequency generation unit that generates a fifth harmonic (wavelength 213 nm: frequency 5ω 1 ) from a fundamental wave and a fourth harmonic using the BBO crystal 21 as a sum frequency generation element. ing. As shown in FIG. 2A, the thickness of each BBO crystal (the length along the central axis of the incident beam) is 10 mm.
It is.

【0020】また、第1実施例の装置は、4倍波発生部
20の入射側の光路中(2倍波発生部と4倍波発生部2
0との間の光路中)に配置された一対のプリズム24お
よび25と、4倍波発生部20と5倍波発生部21との
間の光路中に配置された球面レンズ26とを備えてい
る。一対のプリズム24および25は、4倍波発生部2
0から基本波と4倍波とを同軸に射出させるために、2
倍波発生部から同軸に入射した基本波および2倍波を互
いに異なる距離だけx方向に平行移動させる作用を有
し、後述するようにビーム中心位置調節手段を構成して
いる。また、球面レンズ26は、4倍波発生部20から
同軸に射出された基本波および4倍波を集光する作用を
有し、後述するようにビーム形状整合手段を構成してい
る。なお、図2(a)に示すように、2倍波発生部から
同軸に供給される基本波および2倍波はともに、直径2
00μmの円形ビーム形状を有する。
The apparatus of the first embodiment has an optical path on the incident side of the fourth harmonic generator 20 (the second harmonic generator and the fourth harmonic generator 2).
0) and a spherical lens 26 disposed in the optical path between the fourth harmonic generator 20 and the fifth harmonic generator 21. I have. The pair of prisms 24 and 25 are the fourth harmonic wave generator 2
In order to emit the fundamental wave and the fourth harmonic coaxially from 0, 2
This has the function of translating the fundamental wave and the second harmonic wave coaxially incident from the harmonic wave generating unit by different distances in the x direction, and constitutes a beam center position adjusting means as described later. The spherical lens 26 has a function of condensing the fundamental wave and the fourth harmonic coaxially emitted from the fourth harmonic generation unit 20, and constitutes a beam shape matching unit as described later. As shown in FIG. 2A, both the fundamental wave and the second harmonic supplied coaxially from the second harmonic generation unit have a diameter of 2.
It has a circular beam shape of 00 μm.

【0021】図3は、第1実施例の4倍波発生部20に
おけるウォークオフの影響を説明するための図である。
図3(a)を参照すると、2倍波発生部からの基本波と
2倍波とが一対のプリズム24および25を介すること
なく結晶軸が反転された一対のBBO結晶22および2
3からなる4倍波発生部20に同軸に入射し、且つ4倍
波発生部20からの基本波と2倍波とが球面レンズ26
を介することなく5倍波発生部21に入射する様子が示
されている。この場合、図10を参照してすでに説明し
たように、異常光である4倍波は、常光である2倍波の
ビーム中心軸線上の各発生箇所から4.9°のウォーク
オフ角度をもって一対のBBO結晶中を伝播する。ま
た、異常光である基本波は、複屈折により3.9°の角
度でBBO結晶22および23中を伝播するが、その方
向はBBO結晶22と23とで互いに反対向きであるた
め、結果としてビーム中心位置はBBO結晶22への入
射ビームと同一になり、またそのビーム形状は不変であ
る。
FIG. 3 is a diagram for explaining the effect of the walk-off in the fourth harmonic wave generator 20 of the first embodiment.
Referring to FIG. 3A, a pair of BBO crystals 22 and 2 whose crystal axes are inverted without the fundamental wave and the second harmonic wave from the second harmonic wave generating unit passing through a pair of prisms 24 and 25 are shown.
3 is coaxially incident on the fourth harmonic wave generating unit 20, and the fundamental wave and the second harmonic wave from the fourth harmonic wave generating unit 20 are converted into a spherical lens 26.
3 shows a state in which the light is incident on the fifth harmonic generation unit 21 without passing through. In this case, as already described with reference to FIG. 10, the fourth harmonic as the extraordinary light is paired with a walk-off angle of 4.9 ° from each generation point on the beam center axis of the second harmonic as the ordinary light. In the BBO crystal. The fundamental wave, which is extraordinary light, propagates through the BBO crystals 22 and 23 at an angle of 3.9 ° due to birefringence, but the directions thereof are opposite to each other between the BBO crystals 22 and 23. The beam center position is the same as the incident beam on the BBO crystal 22, and its beam shape is unchanged.

【0022】したがって、図3(b)に示すように、4
倍波発生部20の射出端および5倍波発生部21の入射
端において、4倍波のビーム形状はウォークオフの影響
を受けるx方向に900μmでウォークオフの影響を受
けないy方向に200μmの細長い形状となる。一方、
基本波のビーム形状はウォークオフの影響を受けること
なく200μmの円形状のままであり、基本波の伝播方
向すなわちビーム中心軸線方向に対する複屈折の影響は
一対のBBO結晶22および23により相殺される。こ
のように、第1実施例においてビーム中心位置調節手段
およびビーム形状整合手段を介在させない場合には、4
倍波発生部20におけるウォークオフの影響により、4
倍波発生部20の射出端および5倍波発生部21の入射
端で基本波のビーム中心と4倍波のビーム中心とはx方
向に沿って350μmだけ離れてしまうことになる。
Therefore, as shown in FIG.
At the exit end of the harmonic generation unit 20 and the entrance end of the fifth harmonic generation unit 21, the beam shape of the fourth harmonic is 900 μm in the x direction affected by the walk-off and 200 μm in the y direction not affected by the walk-off. It has an elongated shape. on the other hand,
The beam shape of the fundamental wave remains in a circular shape of 200 μm without being affected by the walk-off, and the effect of birefringence on the propagation direction of the fundamental wave, that is, the beam center axis direction is canceled by the pair of BBO crystals 22 and 23. . As described above, when the beam center position adjusting means and the beam shape matching means are not interposed in the first embodiment, 4
Due to the effect of the walk-off in the harmonic generation unit 20, 4
At the exit end of the harmonic generation unit 20 and the entrance end of the fifth harmonic generation unit 21, the beam center of the fundamental wave and the beam center of the fourth harmonic are separated by 350 μm in the x direction.

【0023】図4は、第1実施例においてビーム中心位
置調節手段を構成する一対のプリズム24および25の
作用を説明するための図である。図4に示すように、一
対のプリズム24および25は、4倍波発生部20から
基本波と4倍波とを同軸に射出させるために、2倍波発
生部から同軸に入射した基本波および2倍波を互いに異
なる距離だけx方向に平行移動させている。すなわち、
4倍波発生部20に入射する基本波のビーム中心軸線と
2倍波のビーム中心軸線とをx方向に沿って350μm
だけ離れさせることによって、4倍波発生部20から基
本波と4倍波とを同軸に射出させることを、ひいては5
倍波発生部21に基本波と4倍波とを同軸に入射させる
ことを可能にしている。このように、一対のプリズム2
4および25は、5倍波発生部21のBBO結晶におけ
る基本波のビーム中心位置と4倍波のビーム中心位置と
をほぼ一致させるためのビーム中心位置調節手段を構成
している。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the pair of prisms 24 and 25 constituting the beam center position adjusting means in the first embodiment. As shown in FIG. 4, a pair of prisms 24 and 25 are used to output the fundamental wave and the fourth harmonic wave coaxially from the second harmonic wave generation unit 20 so that the fundamental wave and the fourth harmonic wave are coaxially incident from the second harmonic wave generation unit. The second harmonic is translated in the x direction by different distances from each other. That is,
The beam center axis of the fundamental wave and the beam center axis of the second harmonic incident on the fourth harmonic generator 20 are set to 350 μm along the x direction.
By causing the fundamental wave and the fourth harmonic to be emitted coaxially from the fourth harmonic generation unit 20, and thus by 5
This allows the fundamental wave and the fourth harmonic wave to be coaxially incident on the harmonic wave generation unit 21. Thus, a pair of prisms 2
4 and 25 constitute beam center position adjusting means for making the beam center position of the fundamental wave and the beam center position of the fourth harmonic in the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21 substantially coincide with each other.

【0024】以下、分散(色収差)の比較的大きい光学
材料SF57を用いた場合の一対のプリズム24および
25の具体的な構成について説明する。なお、光学材料
SF57は、基本波(波長1064nm)に対してn
(ω1 )=1.81104の屈折率を有し、2倍波(波
長532nm)に対してn(2ω1 )=1.85850
の屈折率を有する。一対のプリズム24および25で
は、この波長による屈折率の違い、すなわち光学材料の
有する分散により、各プリズムへの入射角と射出角とが
なす角すなわちプリズムの偏角がビームの波長(すなわ
ち周波数ω)に依存して異なる。この偏角の違いによっ
て、2つの入射ビームの相対位置を所望量だけずらせる
ことができる。図4において、一対のプリズム24およ
び25は、その対向面24aと25aとがほぼ平行でz
方向に沿って距離Lだけ離れている。この場合、各プリ
ズムの頂角をAとし、プリズムへの入射角と射出角とが
なす角すなわちプリズムの偏角をDとし、プリズムの光
学材料の屈折率をnとすると、次の式(1)に示す関係
が成立する。この式(1)は、プリズムの頂角Aが後述
するように30°と小さな角度であり、プリズムへの入
射が垂直入射に近い場合に近似的に成立する式である。 D=A(n−1) (1)
Hereinafter, a specific configuration of the pair of prisms 24 and 25 when the optical material SF57 having a relatively large dispersion (chromatic aberration) is used will be described. Note that the optical material SF57 has n with respect to the fundamental wave (wavelength 1064 nm).
It has a refractive index of (ω 1 ) = 1.81104 and n (2ω 1 ) = 1.85850 for the second harmonic (wavelength 532 nm).
Having a refractive index of In the pair of prisms 24 and 25, due to the difference in refractive index due to the wavelength, that is, the dispersion of the optical material, the angle between the incident angle and the exit angle to each prism, that is, the deflection angle of the prism is the wavelength of the beam (that is, the frequency ω). Depends on). Due to this difference in declination, the relative positions of the two incident beams can be shifted by a desired amount. In FIG. 4, a pair of prisms 24 and 25 have opposing surfaces 24a and 25a substantially parallel to each other.
It is separated by a distance L along the direction. In this case, assuming that the apex angle of each prism is A, the angle between the incident angle and the exit angle to the prism, that is, the declination angle of the prism is D, and the refractive index of the optical material of the prism is n, the following equation (1) The relationship shown in parentheses is established. Equation (1) is an equation that is approximately established when the apex angle A of the prism is a small angle of 30 ° as described later, and the incidence on the prism is close to normal incidence. D = A (n-1) (1)

【0025】したがって、距離Lだけ離れたところでの
ビーム中心位置変位Xは、次の式(2)で表される。 X=D・L=L・A(n−1) (2) すなわち、一対のプリズム24および25を形成する光
学材料SF57の有する分散(dn(ω)/dω)によ
り、入射ビームの波長に依存したビーム中心位置変位X
(ω)が得られる。したがって、基本波(ω1 )と2倍
波(2ω1 )との相対位置変位(X(2ω1 )−X(ω
1 ))を所要の値である350μmにするには、頂角A
=30°の一対のプリズムを距離L=15mmだけ間隔
を隔てて配置すればよいことになる。なお、頂角A=3
0°を変えることなく光学材料SF57よりもさらに分
散の大きい光学材料を用いると、距離Lをさらに小さく
することができ、よりコンパクトな構成が可能となる。
Therefore, the beam center position displacement X at a distance L is expressed by the following equation (2). X = D · L = L · A (n−1) (2) That is, the dispersion (dn (ω) / dω) of the optical material SF57 forming the pair of prisms 24 and 25 depends on the wavelength of the incident beam. Beam center displacement X
(Ω) is obtained. Accordingly, the relative position displacement (X (2ω 1 ) −X (ω) between the fundamental wave (ω 1 ) and the second harmonic (2ω 1 )
1 )) to a required value of 350 μm, the apex angle A
It is only necessary to dispose a pair of prisms having a distance of 30 ° at a distance L of 15 mm. Note that the apex angle A = 3
If an optical material having a larger dispersion than the optical material SF57 is used without changing 0 °, the distance L can be further reduced, and a more compact configuration can be realized.

【0026】図5は、第1実施例におけるビーム中心位
置調節手段として平行平面板を用いた変形例を説明する
ための図である。図5において、周波数ωを有するビー
ムに対する平行平面板51の屈折率をn(ω)とし、平
行平面板51の厚さをtとし、平行平面板51へのビー
ムの入射角をIとすると、入射ビームの変位X(ω)は
次の式(3)で表される。
FIG. 5 is a view for explaining a modification of the first embodiment in which a parallel plane plate is used as the beam center position adjusting means. In FIG. 5, when the refractive index of the parallel flat plate 51 with respect to the beam having the frequency ω is n (ω), the thickness of the parallel flat plate 51 is t, and the incident angle of the beam on the parallel flat plate 51 is I, The displacement X (ω) of the incident beam is represented by the following equation (3).

【数1】 (Equation 1)

【0027】このように、平行平面板51を形成する光
学材料の有する分散(dn(ω)/dω)により、入射
ビームの波長に依存した変位X(ω)が得られる。上述
の光学材料SF57で平行平面板51を形成する場合、
基本波(ω1 )と2倍波(2ω1 )との相対位置変位
(X(2ω1 )−X(ω1 ))を所要の値である350
μmにするには、厚さt=36mmの平行平面板を入射
角がI=53°になるように配置すればよいことにな
る。なお、入射角I=53°を変えることなく光学材料
SF57よりもさらに分散の大きい光学材料を用いる
と、厚さtをさらに小さくすることができ、よりコンパ
クトな構成が可能となる。
As described above, the displacement X (ω) depending on the wavelength of the incident beam can be obtained by the dispersion (dn (ω) / dω) of the optical material forming the parallel plane plate 51. When forming the parallel plane plate 51 with the above-described optical material SF57,
The relative position displacement (X (2ω 1 ) −X (ω 1 )) between the fundamental wave (ω 1 ) and the second harmonic (2ω 1 ) is a required value of 350.
In order to make μm, a parallel flat plate having a thickness of t = 36 mm may be arranged so that the incident angle becomes I = 53 °. If an optical material having a larger dispersion than the optical material SF57 is used without changing the incident angle I = 53 °, the thickness t can be further reduced, and a more compact configuration can be realized.

【0028】ここで、ビーム中心位置調節手段として平
行平面板51を用いる場合と一対のプリズム24および
25を用いる場合とを比較すると、一対のプリズムでは
4つの面での屈折を利用することができるのに対して、
平行平面板では2つの面しか屈折を利用することができ
ない。したがって、同じ長さで同じ光学材料を用いた場
合、平行平面板よりも一対のプリズムを用いる方がビー
ムの変位量を大きくすることができる。換言すれば、ビ
ーム中心位置調節手段として平行平面板よりも一対のプ
リズムを用いる方が、より短い長さで必要なビーム変位
量を得ることができるため、よりコンパクトな構成を実
現することができる。
Here, when comparing the case where the parallel plane plate 51 is used as the beam center position adjusting means with the case where the pair of prisms 24 and 25 are used, refraction on four surfaces can be used with the pair of prisms. Whereas
In a plane-parallel plate, only two surfaces can utilize refraction. Therefore, when the same length and the same optical material are used, the amount of beam displacement can be increased by using a pair of prisms as compared with a plane-parallel plate. In other words, when a pair of prisms is used as the beam center position adjusting means rather than a parallel flat plate, the required beam displacement can be obtained with a shorter length, and a more compact configuration can be realized. .

【0029】次に、図2に戻って、第1実施例において
ビーム形状整合手段を構成する球面レンズ26の作用を
説明する。図2に示すように、第1実施例では、4倍波
発生部20の直後であって5倍波発生部21のBBO結
晶の入射端面から42mmの間隔を隔てた位置に球面レ
ンズ26を配置している。球面レンズ26は、基本波
(波長1064nm)に対してf(ω1 )=40mmの
焦点距離を有し、4倍波(波長266nm)に対してf
(4ω1 )=36mmの焦点距離を有する。球面レンズ
26では、レンズを形成する光学材料の有する分散およ
び2つの入射ビーム(基本波と4倍波)の広がり角の違
いを利用し、各ビームの焦点位置および発散角を調節す
ることにより、5倍波発生部21のBBO結晶の中央に
おいて基本波のビーム形状と4倍波のビーム形状とを整
合させることができる。
Returning to FIG. 2, the operation of the spherical lens 26 constituting the beam shape matching means in the first embodiment will be described. As shown in FIG. 2, in the first embodiment, the spherical lens 26 is disposed immediately after the fourth harmonic wave generator 20 and at a distance of 42 mm from the incident end face of the BBO crystal of the fifth harmonic wave generator 21. doing. The spherical lens 26 has a focal length of f (ω 1 ) = 40 mm with respect to a fundamental wave (wavelength 1064 nm), and has a focal length f with respect to a fourth harmonic (wavelength 266 nm).
It has a focal length of (4ω 1 ) = 36 mm. In the spherical lens 26, the focal position and the divergence angle of each beam are adjusted by utilizing the dispersion of the optical material forming the lens and the difference in the spread angles of the two incident beams (the fundamental wave and the fourth harmonic). The beam shape of the fundamental wave and the beam shape of the fourth harmonic can be matched at the center of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21.

【0030】第1実施例では、4倍波発生部20の射出
端に基本波および4倍波のビームウエストがある場合に
ついて、したがって4倍波発生部20の射出端での波面
の曲率を0とした場合について、ガウシアンビームの伝
播をABCDマトリクスを用いて計算することにより、
各ビームのビーム径を求めている。図2(a)〜(c)
に示すように、4倍波発生部20の射出端において直径
200μmの基本波は、球面レンズ26の後方約47m
mの位置すなわち5倍波発生部21のBBO結晶の中央
位置において直径300μmのビーム形状に整形され
る。一方、4倍波発生部20の射出端においてx方向に
900μmでy方向に200μmのビーム形状を有する
4倍波は、5倍波発生部21のBBO結晶の中央位置に
おいてx方向に300μmでy方向に100μmの楕円
ビーム形状に整形される。こうして、5倍波発生部21
のBBO結晶の入射端から射出端までの全体に亘って、
基本波と4倍波との間に良好なビームの重なりを実現す
ることができる。
In the first embodiment, the case where there is a beam waist of the fundamental wave and the fourth harmonic at the exit end of the fourth harmonic wave generating section 20, therefore, the curvature of the wavefront at the exit end of the fourth harmonic wave generating section 20 is set to 0. By calculating the Gaussian beam propagation using the ABCD matrix,
The beam diameter of each beam is determined. FIG. 2 (a) to (c)
As shown in the figure, the fundamental wave having a diameter of 200 μm at the exit end of the fourth harmonic wave generation unit 20 is approximately 47 m behind the spherical lens 26.
The beam is shaped into a beam shape having a diameter of 300 μm at the position of m, that is, at the center position of the BBO crystal in the fifth harmonic generation unit 21. On the other hand, the fourth harmonic having a beam shape of 900 μm in the x direction and 200 μm in the y direction at the exit end of the fourth harmonic generator 20 is 300 μm in the x direction at the center position of the BBO crystal of the fifth harmonic generator 21 and y It is shaped into an elliptical beam shape of 100 μm in the direction. Thus, the fifth harmonic generation unit 21
Over the entire BBO crystal from the entrance end to the exit end,
Good beam overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic can be realized.

【0031】以上のように、第1実施例では、2倍波発
生部と4倍波発生部20との間の光路中に配置されたビ
ーム中心位置調節手段の作用により、4倍波発生部20
の射出端における基本波のビーム中心位置と4倍波のビ
ーム中心位置とを、ひいては5倍波発生部21のBBO
結晶における基本波のビーム中心位置と4倍波のビーム
中心位置とをほぼ一致させている。また、4倍波発生部
20と5倍波発生部21との間の光路中に配置されたビ
ーム形状整合手段の作用により、5倍波発生部21のB
BO結晶における基本波のビーム形状と4倍波のビーム
形状とを整合させている。その結果、ビーム中心位置調
節手段とビーム形状整合手段との協働作用により、5倍
波発生部21のBBO結晶の入射端から射出端までの全
体に亘って、基本波と4倍波との間に良好なビームの重
なりを実現することができる。
As described above, in the first embodiment, the operation of the beam center position adjusting means disposed in the optical path between the second harmonic wave generating section and the fourth harmonic wave generating section 20 causes the fourth harmonic wave generating section to operate. 20
Of the beam center position of the fundamental wave and the beam center position of the fourth harmonic at the exit end of
The center position of the beam of the fundamental wave and the center position of the beam of the fourth harmonic wave in the crystal are substantially matched. Also, by the action of the beam shape matching means disposed in the optical path between the fourth harmonic generation unit 20 and the fifth harmonic generation unit 21, the B of the fifth harmonic generation unit 21
The beam shape of the fundamental wave and the beam shape of the fourth harmonic in the BO crystal are matched. As a result, by the cooperative action of the beam center position adjusting means and the beam shape matching means, the fundamental wave and the fourth harmonic wave of the fifth harmonic wave generating section 21 from the incident end to the exit end of the BBO crystal are entirely formed. Good beam overlap can be realized in between.

【0032】このように、第1実施例では、基本波のビ
ーム径を200μmと小さく設定しても、4倍波発生部
20のBBO結晶におけるウォークオフの影響を補償
し、5倍波発生部21のBBO結晶において基本波と4
倍波との間に良好なビームの重なりを確保することがで
きる。また、ビーム中心位置調節手段を構成する一対の
プリズム24および25(または平行平面板51)およ
びビーム形状整合手段を構成する球面レンズ26を、2
倍波発生部、4倍波発生部20および5倍波発生部21
とともに一直線状にコンパクトに配列することができ
る。こうして、第1実施例によれば、基本波として高ピ
ーク出力のレーザ光を必要とすることなく、波長変換効
率が高く且つコンパクトな構成を有する波長変換装置を
実現することができる。
As described above, in the first embodiment, even if the beam diameter of the fundamental wave is set to be as small as 200 μm, the influence of the walk-off in the BBO crystal of the fourth harmonic wave generator 20 is compensated for, and the fifth harmonic wave generator Fundamental wave and 4 in 21 BBO crystals
Good beam overlap with the harmonics can be ensured. Further, a pair of prisms 24 and 25 (or a parallel plane plate 51) constituting the beam center position adjusting means and a spherical lens 26 constituting the beam shape matching means are replaced by 2
Harmonic generator, fourth harmonic generator 20, and fifth harmonic generator 21
And can be arranged compactly in a straight line. Thus, according to the first embodiment, it is possible to realize a wavelength converter having a high wavelength conversion efficiency and a compact configuration without requiring a laser beam having a high peak output as a fundamental wave.

【0033】図6は、本発明の第2実施例にかかる波長
変換装置の構成を概略的に示す図である。第2実施例
は、第1実施例と類似の構成を有する。しかしながら、
第1実施例ではビーム形状整合手段として球面レンズを
使用しているのに対し、第2実施例ではx方向に正屈折
力でy方向に無屈折力のシリンドリカル61とx方向に
無屈折力でy方向に正屈折力のシリンドリカル62とを
用いている点だけが基本的に相違する。したがって、図
6において、図2の第1実施例の構成要素と同様の機能
を有する要素には、図2と同じ参照符号を付している。
以下、第1実施例との相違点に着目して、第2実施例を
説明する。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of a wavelength converter according to a second embodiment of the present invention. The second embodiment has a configuration similar to that of the first embodiment. However,
In the first embodiment, a spherical lens is used as the beam shape matching means, whereas in the second embodiment, a cylindrical 61 having a positive refractive power in the x direction and a non-refractive power in the y direction and a non-refractive power in the x direction are used. The only difference is that a cylindrical member 62 having a positive refractive power is used in the y direction. Therefore, in FIG. 6, elements having the same functions as those of the first embodiment in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as in FIG.
Hereinafter, the second embodiment will be described by focusing on the differences from the first embodiment.

【0034】図6に示すように、第2実施例では、4倍
波発生部20の直後において5倍波発生部21のBBO
結晶の入射端面から42mmの間隔を隔てて一対のシリ
ンドリカルレンズ61および62を配置している。シリ
ンドリカルレンズ61は、x方向において基本波(波長
1064nm)に対してfx(ω1 )=40mmの焦点
距離を有し、4倍波(波長266nm)に対してfx
(4ω1 )=36mmの焦点距離を有する。一方、シリ
ンドリカルレンズ62は、y方向において基本波(波長
1064nm)に対してfy(ω1 )=20mmの焦点
距離を有し、4倍波(波長266nm)に対してfy
(4ω1 )=18mmの焦点距離を有する。一対のシリ
ンドリカルレンズ61および62では、各ビームの焦点
位置および発散角をx方向とy方向とで別々に調節する
ことにより、5倍波発生部21のBBO結晶の中央にお
いて基本波のビーム形状と4倍波のビーム形状とを球面
レンズよりも良好に整合させることができる。
As shown in FIG. 6, in the second embodiment, the BBO of the fifth harmonic generation unit 21 immediately after the fourth harmonic generation unit 20 is used.
A pair of cylindrical lenses 61 and 62 are arranged at a distance of 42 mm from the incident end face of the crystal. The cylindrical lens 61 has a focal length of fx (ω 1 ) = 40 mm with respect to the fundamental wave (wavelength 1064 nm) in the x direction, and has fx with respect to the fourth harmonic (wavelength 266 nm).
It has a focal length of (4ω 1 ) = 36 mm. On the other hand, the cylindrical lens 62 has a focal length of fy (ω 1 ) = 20 mm with respect to the fundamental wave (wavelength 1064 nm) in the y direction and has fy (ω 1 ) with respect to the fourth harmonic (wavelength 266 nm).
It has a focal length of (4ω 1 ) = 18 mm. In the pair of cylindrical lenses 61 and 62, the focal position and the divergence angle of each beam are separately adjusted in the x direction and the y direction, so that the beam shape of the fundamental wave at the center of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21 is adjusted. The beam shape of the fourth harmonic can be better matched with the spherical lens.

【0035】図6(a)〜(c)に示すように、4倍波
発生部20の射出端において直径200μmの基本波
は、シリンドリカルレンズ62の後方約47mmの位置
すなわち5倍波発生部21のBBO結晶の中央位置にお
いて直径が約300μmのビーム形状に整形される。一
方、4倍波発生部20の射出端においてx方向に900
μmでy方向に200μmのビーム形状を有する4倍波
も、5倍波発生部21のBBO結晶の中央位置において
直径が約300μmのビーム形状に整形される。こうし
て、第2実施例では、5倍波発生部21のBBO結晶の
入射端から射出端までの全体に亘って、基本波と4倍波
との間にx方向およびy方向に第1実施例よりも良好な
ビームの重なりを実現することができる。なお、第2実
施例において、第1実施例の変形例のように、ビーム中
心位置調節手段として平行平面板を用いることができ
る。
As shown in FIGS. 6A to 6C, the fundamental wave having a diameter of 200 μm at the exit end of the fourth harmonic wave generating section 20 is located about 47 mm behind the cylindrical lens 62, that is, the fifth harmonic wave generating section 21. The beam is shaped into a beam having a diameter of about 300 μm at the central position of the BBO crystal. On the other hand, at the emission end of the fourth harmonic wave
The fourth harmonic having a beam shape of 200 μm in the y direction at μm is also shaped into a beam shape having a diameter of about 300 μm at the central position of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21. Thus, in the second embodiment, the first embodiment is arranged between the fundamental wave and the fourth harmonic in the x direction and the y direction over the entire area from the incident end to the exit end of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21. Better beam overlap can be achieved. In the second embodiment, a plane-parallel plate can be used as the beam center position adjusting means as in the modification of the first embodiment.

【0036】図7は、本発明の第3実施例にかかる波長
変換装置の構成を概略的に示す図である。第3実施例
は、第1実施例や第2実施例と類似の構成を有する。し
かしながら、第1実施例ではビーム中心位置調節手段と
して一対のプリズムを使用しビーム形状整合手段として
球面レンズを使用しているのに対し、第3実施例ではビ
ーム中心位置調節手段およびビーム形状整合手段として
一対の回折レンズ71および72を用いている点だけが
基本的に相違する。したがって、図7において、図2の
第1実施例の構成要素と同様の機能を有する要素には、
図2と同じ参照符号を付している。以下、第1実施例と
の相違点に着目して、第3実施例を説明する。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a wavelength converter according to a third embodiment of the present invention. The third embodiment has a similar configuration to the first and second embodiments. However, in the first embodiment, a pair of prisms are used as beam center position adjusting means and a spherical lens is used as beam shape matching means, whereas in the third embodiment, beam center position adjusting means and beam shape matching means are used. Only in that a pair of diffraction lenses 71 and 72 are used. Therefore, in FIG. 7, the elements having the same functions as those of the first embodiment of FIG.
The same reference numerals as in FIG. 2 are assigned. Hereinafter, the third embodiment will be described by focusing on the differences from the first embodiment.

【0037】図7に示すように、第3実施例では、第1
の回折レンズ71が4倍波発生部20の射出端から60
mmの間隔を隔てて配置され、第2の回折レンズ72が
第1の回折レンズ71から120mmの間隔を隔て且つ
5倍波発生部21の入射端から53mmの間隔を隔てて
配置されている。なお、一対の回折レンズ71および7
2の中心は、4倍波のビーム中心軸線と一致するように
位置決めされている。そして、第1の回折レンズ71
は、基本波(波長1064nm)に対してf(ω1 )=
40mmの焦点距離を有し、4倍波(波長266nm)
に対してf(4ω 1 )=160mmの焦点距離を有す
る。一方、第2の回折レンズ72は、基本波(波長10
64nm)に対してf(ω1 )=40mmの焦点距離を
有し、4倍波(波長266nm)に対してf(4ω1
=160mmの焦点距離を有する。
As shown in FIG. 7, in the third embodiment, the first
From the exit end of the fourth harmonic wave generating section 20
mm, and the second diffraction lens 72 is
At a distance of 120 mm from the first diffraction lens 71 and
At a distance of 53 mm from the incident end of the fifth harmonic wave generator 21
Are located. Note that a pair of diffraction lenses 71 and 7
The center of 2 is aligned with the beam center axis of the fourth harmonic
Positioned. Then, the first diffraction lens 71
Is f (ω) with respect to the fundamental wave (wavelength 1064 nm).1) =
40 mm focal length, 4th harmonic (wavelength 266 nm)
F (4ω 1) = Has a focal length of 160 mm
You. On the other hand, the second diffraction lens 72 has a fundamental wave (wavelength
64 nm) and f (ω1) = 40mm focal length
F (4ω) for the fourth harmonic (wavelength 266 nm)1)
= Has a focal length of 160 mm.

【0038】このように、回折レンズ(ゾーンプレー
ト:zone plate)は、その焦点距離が入射ビームの波長
の逆数に比例すなわち入射ビームの周波数に比例する回
折光学素子である。したがって、基本波(波長1064
nm)に対する焦点距離f(ω1 )と4倍波(波長26
6nm)に対する焦点距離f(4ω1 )との間には、4
f(ω1 )=f(4ω1 )の関係が成立する。なお、開
口数NAは、開口径D0を用いて、NA=D0 /(2
f)と与えられる。したがって、同一口径の基本波(波
長1064nm)に対する開口数NA(ω1 )と4倍波
(波長266nm)に対する開口数NA(4ω1 )との
間には、NA(ω1 )=4NA(4ω1 )の関係が成立
する。一方、焦点でのスポットサイズdは、光の波長を
λとして、d=λ/NA∝1/(ω・NA)となる。し
たがって、同一口径の基本波(波長1064nm)のス
ポットサイズd(ω1 )と4倍波(波長266nm)の
スポットサイズd(4ω1 )とが等しくなり、d
(ω1 )=d(4ω1 )の関係が成立するという特徴を
有する。
As described above, the diffractive lens (zone plate) is a diffractive optical element whose focal length is proportional to the reciprocal of the wavelength of the incident beam, that is, proportional to the frequency of the incident beam. Therefore, the fundamental wave (wavelength 1064)
focal length f for nm) (omega 1) and fourth harmonic (wavelength 26
6 nm) and the focal length f (4ω 1 )
The relationship of f (ω 1 ) = f (4ω 1 ) holds. Note that the numerical aperture NA is obtained by using the aperture diameter D 0 and NA = D 0 / (2
f). Therefore, between the numerical aperture NA (ω 1 ) for the fundamental wave (wavelength 1064 nm) of the same diameter and the numerical aperture NA (4ω 1 ) for the fourth harmonic (wavelength 266 nm), NA (ω 1 ) = 4NA (4ω). 1 ) is established. On the other hand, the spot size d at the focal point is d = λ / NA∝1 / (ω · NA), where λ is the wavelength of light. Accordingly, the spot size d (ω 1 ) of the fundamental wave (wavelength 1064 nm) of the same aperture is equal to the spot size d (4ω 1 ) of the fourth harmonic (wavelength 266 nm), and d
It is characterized in that the relationship of (ω 1 ) = d (4ω 1 ) holds.

【0039】さらに、2つの回折レンズ71と72との
間の距離を調節することにより、この一対の回折レンズ
の後側焦点位置の調節を行い、基本波に対する後側焦点
位置を5倍波発生部21のBBO結晶の中央位置に一致
させるとともに、4倍波に対する後側焦点位置を5倍波
発生部21のBBO結晶の中央位置よりも所定距離だけ
4倍波発生部側に設定することができる。その結果、一
対の回折レンズ71および72は、基本波のビーム形状
と4倍波のビーム形状とを基本波の焦点付近で整合させ
る。回折レンズ71に垂直入射したビームは、回折レン
ズ71上での入射位置に依存することなく、光軸上の焦
点(5倍波発生部21のBBO結晶の中央位置)に集め
られる。このため、回折レンズ71の中心からずれて入
射した基本波のビーム中心位置は、5倍波発生部21の
BBO結晶の中央位置における光軸上で4倍波のビーム
中心位置とほぼ一致する。このように、一対の回折レン
ズ71および72は、5倍波発生部21のBBO結晶に
おけるビーム中心位置調節手段の機能とビーム形状整合
手段の機能とを同時に果たすことができる。
Further, by adjusting the distance between the two diffractive lenses 71 and 72, the rear focal position of the pair of diffractive lenses is adjusted, and the rear focal position with respect to the fundamental wave is generated by the fifth harmonic. It is possible to match the center position of the BBO crystal of the part 21 and set the rear focal position for the fourth harmonic to the fourth harmonic generation part side by a predetermined distance from the central position of the BBO crystal of the fifth harmonic generation part 21. it can. As a result, the pair of diffraction lenses 71 and 72 match the beam shape of the fundamental wave and the beam shape of the fourth harmonic near the focal point of the fundamental wave. The beam vertically incident on the diffraction lens 71 is collected at the focal point on the optical axis (the center position of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21) without depending on the incident position on the diffraction lens 71. For this reason, the beam center position of the fundamental wave that is shifted from the center of the diffraction lens 71 substantially coincides with the beam center position of the fourth harmonic on the optical axis at the center position of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21. As described above, the pair of diffractive lenses 71 and 72 can simultaneously perform the function of the beam center position adjusting unit and the function of the beam shape matching unit in the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21.

【0040】したがって、図7(a)〜(c)に示すよ
うに、4倍波発生部20の射出端において4倍波のビー
ム中心軸線から350μmだけ偏心した直径200μm
の基本波は、第2の回折レンズ72の後方約58mmの
位置すなわち5倍波発生部21のBBO結晶の中央位置
において4倍波のビーム中心軸線を中心として直径が約
180μmのビーム形状に整形される。一方、4倍波発
生部20の射出端においてx方向に900μmでy方向
に200μmのビーム形状を有する4倍波も、5倍波発
生部21のBBO結晶の中央位置において4倍波のビー
ム中心軸線を中心として直径が約180μmのビーム形
状に整形される。こうして、第3実施例では、5倍波発
生部21のBBO結晶の入射端から射出端までの全体に
亘って、基本波と4倍波との間に良好なビームの重なり
を実現することができる。
Therefore, as shown in FIGS. 7A to 7C, the diameter of 200 μm eccentric from the center axis of the beam of the fourth harmonic by 350 μm at the exit end of the fourth harmonic generator 20.
Is shaped into a beam shape having a diameter of about 180 μm about a beam center axis of the fourth harmonic at a position about 58 mm behind the second diffraction lens 72, that is, at the center position of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21. Is done. On the other hand, the fourth harmonic having a beam shape of 900 μm in the x direction and 200 μm in the y direction at the exit end of the fourth harmonic generator 20 also has the beam center of the fourth harmonic at the center position of the BBO crystal of the fifth harmonic generator 21. The beam is shaped into a beam having a diameter of about 180 μm about the axis. Thus, in the third embodiment, it is possible to realize good beam overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic over the entire area from the incident end to the exit end of the BBO crystal of the fifth harmonic generation unit 21. it can.

【0041】なお、上述の第1実施例および第2実施例
では、2倍波発生部と4倍波発生部20との間の光路中
にビーム中心位置調節手段としての一対のプリズムまた
は平行平面板を配置しているが、4倍波発生部20と5
倍波発生部21との間の光路中にビーム中心位置調節手
段を配置してもよい。ただし、この場合には、4倍波発
生部20で発生した波長の短いビーム(たとえば紫外ビ
ーム)がビーム中心位置調節手段を透過することになる
ので、光の吸収が問題とならないような光学材料を選択
しなければならない。換言すれば、ビーム中心位置調節
手段を2倍波発生部と4倍波発生部20との間の光路中
に配置する方が、使用する光学材料の選択の幅が大きく
なるという利点を有する。
In the above-described first and second embodiments, a pair of prisms or parallel flat plates as beam center position adjusting means is provided in the optical path between the second harmonic wave generating section and the fourth harmonic wave generating section 20. A face plate is arranged, but the fourth harmonic wave generating units 20 and 5
A beam center position adjusting means may be arranged in the optical path between the harmonic wave generating unit 21 and the harmonic wave generating unit 21. However, in this case, a beam having a short wavelength (for example, an ultraviolet beam) generated by the fourth harmonic generation unit 20 is transmitted through the beam center position adjusting means, so that an optical material which does not cause a problem of light absorption. You have to choose. In other words, arranging the beam center position adjusting means in the optical path between the second harmonic wave generating section and the fourth harmonic wave generating section 20 has an advantage that the range of selection of an optical material to be used is increased.

【0042】また、第2実施例では、ビーム形状整合手
段として一対のシリンドリカルレンズを用いているが、
x方向とy方向とで屈折力の異なる非球面レンズを使用
することもできる。さらに、上述の各実施例では、4倍
波発生部20において結晶軸を反転させた一対のBBO
結晶を用いているが、1つのBBO結晶で4倍波発生部
20を構成しても本発明が成立することは明らかであ
る。また、上述の各実施例では、5倍波発生用の波長変
換装置を例にとって本発明を説明しているが、本発明
は、5倍波発生用の波長変換装置に限定されることな
く、周波数ω1 のレーザ光と周波数ω2 のレーザ光とに
基づいて周波数(ω1 +2ω2 )のレーザ光を発生させ
る波長変換装置に対して一般的に適用が可能である。
In the second embodiment, a pair of cylindrical lenses are used as beam shape matching means.
An aspheric lens having different refractive powers in the x direction and the y direction can also be used. Further, in each of the above-described embodiments, a pair of BBOs whose crystal axes are inverted in the fourth harmonic wave generation unit 20 are used.
Although a crystal is used, it is clear that the present invention can be realized even if the fourth harmonic wave generating section 20 is formed by one BBO crystal. Further, in each of the above-described embodiments, the present invention has been described by taking the wavelength converter for generating the fifth harmonic as an example. However, the present invention is not limited to the wavelength converter for generating the fifth harmonic, The present invention can be generally applied to a wavelength converter that generates a laser beam having a frequency (ω 1 + 2ω 2 ) based on a laser beam having a frequency ω 1 and a laser beam having a frequency ω 2 .

【0043】図8は、本発明の波長変換装置を用いた紫
外レーザ装置にかかる一実施例の構成を概略的に示す斜
視図である。本実施例は、本出願人の出願にかかる特開
平8−334803号公報に開示された波長変換装置に
本発明の装置を適用した例である。図8に示すように、
本実施例の紫外レーザ装置80は、並列的に縦横配置さ
れた100個のレーザユニット83を備えている。各レ
ーザユニット83は、半導体レーザ励起固体レーザ装置
81と、該レーザ装置81からの発振レーザ光を紫外レ
ーザ光に波長変換するための波長変換装置82とを有す
る。波長変換装置82として、たとえば上述の第1実施
例〜第3実施例にかかる波長変換装置を使用することが
できる。
FIG. 8 is a perspective view schematically showing the structure of one embodiment of an ultraviolet laser device using the wavelength converter of the present invention. This embodiment is an example in which the device of the present invention is applied to the wavelength conversion device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-334803 filed by the present applicant. As shown in FIG.
The ultraviolet laser device 80 of the present embodiment includes 100 laser units 83 arranged vertically and horizontally in parallel. Each laser unit 83 has a semiconductor laser-excited solid-state laser device 81 and a wavelength converter 82 for converting the wavelength of the oscillation laser light from the laser device 81 into ultraviolet laser light. As the wavelength conversion device 82, for example, the wavelength conversion devices according to the above-described first to third embodiments can be used.

【0044】本実施例では、半導体レーザ励起固体レー
ザ装置81の固体レーザ媒質として、例えばNd:YA
Gを用いることができる。この場合、レーザ媒質(すな
わちNd:YAG)の吸収スペクトルに応じて約808
nmの励起光を供給するレーザダイオードを使用し、半
導体レーザ励起固体レーザ装置81から1064nmの
波長を有するレーザ光を発振させることができる。半導
体レーザ励起固体レーザ装置81から発振された106
4nmの近赤外レーザ光は、たとえば5倍波発生作用を
有する波長変換装置82を介して波長変換され、213
nmの波長を有する紫外レーザ光となって各レーザユニ
ット83から出力される。各レーザユニット83から出
力された紫外レーザ光は、図示を省略した光結合手段に
よって、同じ光路に沿って(同軸に)結合される。
In this embodiment, the solid-state laser medium of the semiconductor laser-excited solid-state laser device 81 is, for example, Nd: YA.
G can be used. In this case, about 808 depending on the absorption spectrum of the laser medium (ie, Nd: YAG).
A laser diode having a wavelength of 1064 nm can be oscillated from the semiconductor laser-excited solid-state laser device 81 using a laser diode that supplies excitation light of 10 nm. 106 oscillated from the semiconductor laser pumped solid-state laser device 81
The near-infrared laser light of 4 nm is wavelength-converted through, for example, a wavelength converter 82 having a fifth harmonic generation action, and
An ultraviolet laser beam having a wavelength of nm is output from each laser unit 83. The ultraviolet laser light output from each laser unit 83 is coupled (coaxially) along the same optical path by optical coupling means not shown.

【0045】本実施例の紫外レーザ装置80では、各レ
ーザユニット83からの紫外レーザ光の出力が小さくて
も、並列的に配置された所要数(本実施例では100
個)のレーザユニット83から出力された紫外レーザ光
を光結合させているので、最終的に得られる紫外レーザ
光の出力を高くすることができる。また、本実施例の紫
外レーザ装置80では、並列的に配置された複数のレー
ザユニット83から出力された紫外レーザ光を光結合さ
せているので、最終的に得られる紫外レーザ光のコヒー
レンスを低くすることができる。その結果、本実施例で
は、たとえば半導体露光装置の光源として十分な出力と
低コヒーレンスとを備えた紫外レーザ装置を実現するこ
とができる。
In the ultraviolet laser device 80 of the present embodiment, even if the output of the ultraviolet laser light from each laser unit 83 is small, the required number of parallelly arranged (in this embodiment, 100
), The ultraviolet laser light output from the laser units 83 is optically coupled, so that the output of the finally obtained ultraviolet laser light can be increased. Further, in the ultraviolet laser device 80 of the present embodiment, since the ultraviolet laser lights output from the plurality of laser units 83 arranged in parallel are optically coupled, the coherence of the finally obtained ultraviolet laser light is reduced. can do. As a result, in the present embodiment, for example, an ultraviolet laser device having a sufficient output and low coherence as a light source of a semiconductor exposure apparatus can be realized.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の波長変換
装置によれば、基本波のビーム径を小さく設定しても、
ビーム中心位置調節手段およびビーム形状整合手段の作
用により、4倍波発生部のBBO結晶におけるウォーク
オフの影響を補償し、5倍波発生部のBBO結晶におい
て基本波と4倍波との間に良好なビームの重なりを確保
することができる。また、ビーム中心位置調節手段およ
びビーム形状整合手段を、2倍波発生部、4倍波発生部
および5倍波発生部とともに一直線状にコンパクトに配
列することができる。したがって、本発明によれば、基
本波として高ピーク出力のレーザ光を必要とすることな
く、波長変換効率が高く且つコンパクトな構成を有する
波長変換装置を実現することができる。
As described above, according to the wavelength converter of the present invention, even if the beam diameter of the fundamental wave is set small,
By the operation of the beam center position adjusting means and the beam shape matching means, the influence of the walk-off in the BBO crystal of the fourth harmonic generation part is compensated, and the fundamental wave and the fourth harmonic are eliminated in the BBO crystal of the fifth harmonic generation part. Good beam overlap can be ensured. Further, the beam center position adjusting means and the beam shape matching means can be compactly arranged in a straight line together with the second harmonic wave generating unit, the fourth harmonic wave generating unit and the fifth harmonic wave generating unit. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a wavelength converter having a high wavelength conversion efficiency and a compact configuration without requiring a laser beam having a high peak output as a fundamental wave.

【0047】また、たとえば半導体レーザ励起固体レー
ザ装置と本発明の波長変換装置とを有するレーザユニッ
トを並列的に複数配置することによって、紫外レーザ装
置を構成することができる。この場合、各レーザユニッ
トから出力された紫外レーザ光を光結合させると、最終
的に得られる紫外レーザ光の出力を高くするとともにコ
ヒーレンスを低くすることができる。その結果、本発明
の紫外レーザ装置は、たとえば半導体露光装置の光源と
して十分な出力と低コヒーレンスとを備えた紫外レーザ
光を供給することができる。
For example, an ultraviolet laser device can be constructed by arranging a plurality of laser units having a semiconductor laser pumped solid-state laser device and the wavelength converter of the present invention in parallel. In this case, when the ultraviolet laser light output from each laser unit is optically coupled, the output of the finally obtained ultraviolet laser light can be increased and the coherence can be reduced. As a result, the ultraviolet laser device of the present invention can supply an ultraviolet laser beam having sufficient output and low coherence as a light source of a semiconductor exposure apparatus, for example.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の波長変換装置の作用を説明するための
図であって、(a)は各レーザ光が装置を伝播する様子
を、(b)は4倍波発生部の射出端における基本波と4
倍波との重なりを、(c)は5倍波発生部のBBO結晶
における基本波と4倍波との重なりをそれぞれ示してい
る。
FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining the operation of a wavelength conversion device according to the present invention, in which FIG. 1A shows a state in which each laser beam propagates through the device, and FIG. Fundamental wave and 4
(C) shows the overlap between the fundamental wave and the fourth harmonic in the BBO crystal of the fifth harmonic generation part.

【図2】本発明の第1実施例にかかる波長変換装置の構
成を概略的に示す図である。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a wavelength conversion device according to a first embodiment of the present invention.

【図3】第1実施例の4倍波発生部20におけるウォー
クオフの影響を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining an influence of a walk-off in a fourth harmonic generation unit 20 according to the first embodiment.

【図4】第1実施例においてビーム中心位置調節手段を
構成する一対のプリズム24および25の作用を説明す
るための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of a pair of prisms 24 and 25 constituting a beam center position adjusting means in the first embodiment.

【図5】第1実施例におけるビーム中心位置調節手段と
して平行平面板を用いた変形例を説明するための図であ
る。
FIG. 5 is a view for explaining a modification in which a parallel plane plate is used as a beam center position adjusting means in the first embodiment.

【図6】本発明の第2実施例にかかる波長変換装置の構
成を概略的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of a wavelength converter according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3実施例にかかる波長変換装置の構
成を概略的に示す図である。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration of a wavelength converter according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の波長変換装置を用いた紫外レーザ装置
にかかる一実施例の構成を概略的に示す斜視図である。
FIG. 8 is a perspective view schematically showing a configuration of an example of an ultraviolet laser device using the wavelength conversion device of the present invention.

【図9】従来の波長変換装置の4倍波発生部を構成する
非線形光学結晶BBOにおける4倍波発生の様子を示す
図であって、(a)は各レーザ光がBBO結晶を伝播す
る様子を、(b)はBBO結晶の射出端における各レー
ザ光のビーム位置およびビーム形状をそれぞれ示してい
る。
FIG. 9 is a diagram showing a state of generation of a fourth harmonic in a nonlinear optical crystal BBO constituting a fourth harmonic generation part of a conventional wavelength conversion device, where (a) shows a state in which each laser beam propagates through the BBO crystal. (B) shows the beam position and beam shape of each laser beam at the exit end of the BBO crystal.

【図10】従来の波長変換装置において結晶軸を反転さ
せた一対のBBO結晶を直列配置して4倍波発生部を構
成した様子を示す図であって、(a)は各レーザ光が一
対のBBO結晶を伝播する様子を、(b)は後段のBB
O結晶の射出端における各レーザ光のビーム位置および
ビーム形状をそれぞれ示している。
10A and 10B are diagrams showing a state in which a pair of BBO crystals whose crystal axes are inverted in a conventional wavelength converter are arranged in series to constitute a fourth harmonic wave generating unit, and FIG. (B) shows the state of propagation of the BBO crystal of
The beam position and beam shape of each laser beam at the exit end of the O crystal are shown.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 4倍波発生部 21 5倍波発生部 22、23 BBO結晶 24、25 プリズム 26 球面レンズ 51 平行平面板 61、62 シリンドリカルレンズ 71、72 回折レンズ 80 紫外レーザ装置 81 半導体レーザ励起固体レーザ装置 82 波長変換装置 83 レーザユニット Reference Signs List 20 fourth harmonic generator 21 fifth harmonic generator 22, 23 BBO crystal 24, 25 prism 26 spherical lens 51 parallel plane plate 61, 62 cylindrical lens 71, 72 diffractive lens 80 ultraviolet laser device 81 semiconductor laser-excited solid-state laser device 82 Wavelength converter 83 Laser unit

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複屈折性を有する第1の非線形光学結晶
を有し、該第1の非線形光学結晶に入射した周波数ω1
のレーザ光をその周波数を変化させることなく透過させ
て射出するとともに、前記第1の非線形光学結晶に常光
として入射した周波数ω2 のレーザ光に基づいてビーム
形状が所定方向に延びた周波数2ω2の異常光を発生さ
せて射出する第二高調波発生手段と、 複屈折性を有する第2の非線形光学結晶を有し、前記第
1の非線形光学結晶を介して前記第2の非線形光学結晶
に入射した周波数ω1 のレーザ光と、前記第1の非線形
光学結晶を介して前記第2の非線形光学結晶に入射した
周波数2ω2 のレーザ光とに基づいて、周波数(ω1
2ω2 )のレーザ光を発生させて射出する和周波発生手
段と、 前記第2の非線形光学結晶における前記周波数ω1 のレ
ーザ光のビーム中心位置と前記周波数2ω2 のレーザ光
のビーム中心位置とを共通の光学素子を用いてほぼ一致
させるためのビーム中心位置調節手段と、 前記第2の非線形光学結晶における前記周波数ω1 のレ
ーザ光のビーム形状と前記周波数2ω2 のレーザ光のビ
ーム形状とを共通の光学素子を用いて整合させるための
ビーム形状整合手段と、 を備えていることを特徴とする波長変換装置。
A first nonlinear optical crystal having birefringence, and a frequency ω 1 incident on the first nonlinear optical crystal.
And the laser beam is transmitted without changing its frequency and emitted, and the frequency 2ω 2 whose beam shape extends in a predetermined direction based on the laser beam of frequency ω 2 incident as ordinary light on the first nonlinear optical crystal. A second harmonic generation means for generating and emitting the extraordinary light, and a second nonlinear optical crystal having birefringence, and the second nonlinear optical crystal is connected to the second nonlinear optical crystal via the first nonlinear optical crystal. Based on the incident laser light of frequency ω 1 and the laser light of frequency 2ω 2 incident on the second nonlinear optical crystal via the first nonlinear optical crystal, the frequency (ω 1 +
Sum frequency generation means for generating and emitting a laser beam of 2ω 2 ), a beam center position of the laser beam of the frequency ω 1 and a beam center position of the laser beam of the frequency 2ω 2 in the second nonlinear optical crystal. and a beam center position adjusting means for substantially coincident with the common optical elements, and the beam shape of the frequency omega 1 of the laser light beam shape and the laser light of the frequency 2 [omega 2 in the second nonlinear optical crystal And a beam shape matching means for matching by using a common optical element.
【請求項2】 前記ビーム中心位置調節手段は、前記第
二高調波発生手段の入射側の光路中または前記第二高調
波発生手段と前記和周波発生手段との間の光路中に配置
された平行平面板を有することを特徴とする請求項1に
記載の波長変換装置。
2. The beam center position adjusting means is disposed in an optical path on the incident side of the second harmonic generating means or in an optical path between the second harmonic generating means and the sum frequency generating means. The wavelength converter according to claim 1, further comprising a plane-parallel plate.
【請求項3】 前記ビーム中心位置調節手段は、前記第
二高調波発生手段の入射側の光路中または前記第二高調
波発生手段と前記和周波発生手段との間の光路中に配置
された一対のプリズムを有することを特徴とする請求項
1に記載の波長変換装置。
3. The beam center position adjusting means is disposed in an optical path on the incident side of the second harmonic generating means or in an optical path between the second harmonic generating means and the sum frequency generating means. The wavelength conversion device according to claim 1, further comprising a pair of prisms.
【請求項4】 前記ビーム形状整合手段は、前記第二高
調波発生手段と前記和周波発生手段との間の光路中に配
置されたレンズを有することを特徴とする請求項1乃至
3のいずれか1項に記載の波長変換装置。
4. The apparatus according to claim 1, wherein said beam shape matching means has a lens disposed in an optical path between said second harmonic generation means and said sum frequency generation means. 2. The wavelength converter according to claim 1.
【請求項5】 前記レンズは、その光軸を含んで直交す
る2つの面内において互いに異なる屈折力を有すること
を特徴とする請求項4に記載の波長変換装置。
5. The wavelength converter according to claim 4, wherein the lens has different refractive powers in two planes orthogonal to each other including the optical axis.
【請求項6】 前記ビーム中心位置調節手段および前記
ビーム形状整合手段は、前記第二高調波発生手段と前記
和周波発生手段との間の光路中に配置された一対の回折
光学素子を有し、各回折光学素子の焦点距離は入射光の
周波数に比例することを特徴とする請求項1に記載の波
長変換装置。
6. The beam center position adjusting means and the beam shape matching means have a pair of diffractive optical elements arranged in an optical path between the second harmonic generation means and the sum frequency generation means. 2. The wavelength converter according to claim 1, wherein the focal length of each diffractive optical element is proportional to the frequency of the incident light.
【請求項7】 複屈折性を有する第3の非線形光学結晶
を有し、該第3の非線形光学結晶に入射した周波数ω1
のレーザ光に基づいて周波数2ω1 のレーザ光を発生さ
せて射出する第2の第二高調波発生手段をさらに備え、 前記第2の第二高調波発生手段は、前記周波数2ω1
レーザ光を前記周波数ω2 のレーザ光として前記周波数
ω1 のレーザ光と同じ光路に沿って射出することを特徴
とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の波長変換
装置。
7. It has a third nonlinear optical crystal having birefringence, and a frequency ω 1 incident on the third nonlinear optical crystal.
To generate a laser beam of frequency 2 [omega 1 based on the laser light further comprises a second second harmonic generator for emitted, the second second-harmonic generation unit, the laser light of the frequency 2 [omega 1 the wavelength conversion device according to any one of claims 1 to 6, wherein the injection along the same optical path and the frequency omega 1 of the laser beam as the laser beam of the frequency omega 2.
【請求項8】 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の
波長変換装置と、該波長変換装置に所定の周波数を有す
るレーザ光を供給するためのレーザ装置とを有するレー
ザユニットを並列的に複数配置することによって構成さ
れ、各レーザユニットは前記レーザ装置からのレーザ光
を前記波長変換装置において紫外レーザ光に波長変換し
て射出することを特徴とする紫外レーザ装置。
8. A laser unit comprising the wavelength conversion device according to claim 1 and a laser unit for supplying a laser beam having a predetermined frequency to the wavelength conversion device. A plurality of laser units, wherein each laser unit converts the wavelength of the laser light from the laser device into ultraviolet laser light in the wavelength conversion device and emits the laser light.
【請求項9】 前記レーザ装置は、Ndをドープした固
体レーザ媒質を半導体レーザで光励起することによって
レーザ発振する半導体レーザ励起固体レーザ装置であ
り、 前記波長変換装置は、前記半導体レーザ励起固体レーザ
装置からの近赤外レーザ光をその5倍波の紫外レーザ光
に波長変換することを特徴とする請求項8に記載の紫外
レーザ装置。
9. The semiconductor laser-excited solid-state laser device that performs laser oscillation by optically exciting a solid-state laser medium doped with Nd with a semiconductor laser, and the wavelength converter is the semiconductor laser-excited solid-state laser device. 9. The ultraviolet laser device according to claim 8, wherein the wavelength of the near-infrared laser light from the laser beam is converted into an ultraviolet laser light having a fifth harmonic thereof.
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