光源装置
【課題】安定した出力を得ることができる波長変換型の紫外光源装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る光源装置は、基本波Ｌ１を発生するレーザー光源１と、基本波Ｌ１又はその高調波を入射光として、波長変換光Ｌ２を発生する少なくとも１つの非線形光学結晶３と、入射光の光路上に配置され、当該入射光の偏光成分に対する屈折率を変化させて、波長変換光Ｌ２の出力を変化させる偏光調整手段２とを備える。偏光調整手段２は、光検出器７から電気信号出力に応じて屈折率の変化量を変化させる
【解決手段】本発明の一態様に係る光源装置は、基本波Ｌ１を発生するレーザー光源１と、基本波Ｌ１又はその高調波を入射光として、波長変換光Ｌ２を発生する少なくとも１つの非線形光学結晶３と、入射光の光路上に配置され、当該入射光の偏光成分に対する屈折率を変化させて、波長変換光Ｌ２の出力を変化させる偏光調整手段２とを備える。偏光調整手段２は、光検出器７から電気信号出力に応じて屈折率の変化量を変化させる
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に関し、特に非線形光学結晶を用いて紫外域の光を発生させる波長変換型の光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細化が進む半導体露光用フォトマスク原板の製造過程では、原板内の微小な欠陥を測定することが必要である。また、微細な露光パターンが描かれたレチクルに対しては、実際のパターンが正しく描かれているか、パターン上に欠陥が無いかを測定する必要がある。
【０００３】
このような目的には、連続ないし高繰返しパルス出力の光を被測定物に照射して、その散乱等による強度変化を捉えて比較する半導体欠陥検査装置が用いられている。半導体欠陥検査装置の方式は多岐にわたるが、一般的に光源の波長を短波長化するほど分解能が向上する。このため、近年、非線形光学結晶を用いた波長変換による深紫外域の光源が主に利用されている。
【０００４】
しかし、半導体検査用として可干渉性の高い光を用いると、スペックルと呼ばれる空間強度分布の不均一性が発生してしまう。このため、例えば特許文献１に指摘されているように、可干渉性があまり高くない紫外光を用いること、そのために複数の縦モードで発振する縦マルチモードのレーザー光を基本光源として用いることが望ましい。
【０００５】
このような条件を満たす光源として、波長５１５ｎｍないし４８８ｎｍで連続発振するアルゴンイオンレーザーを用い、内部共振型波長変換により第２高調波（２５７、２４４ｎｍ）を発生するものがある。
【０００６】
また、アルゴンイオンレーザーの第２高調波である２４４ｎｍ光とＮｄ：ＹＡＧレーザー等からの１０６４ｎｍ光との和周波混合により得られる連続出力１９８．５ｎｍ光源が開発されている。しかし、アルゴンイオンレーザーは、非常に発振効率が低く大電力を必要とする上、ガスレーザー管の頻繁な交換が必要な点で、メンテナンス性に大きな課題がある。
【０００７】
そのため、近年では、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４レーザー（１０６４ｎｍ）の第４高調波（２６６ｎｍ）、第５高調波（２１３ｎｍ）を発生するものや、１５４０ｎｍ光を発生するエルビウム添加ファイバーレーザー光の第８高調波発生による１９３．４ｎｍ光源等、より小型でメンテナンス性の良い全固体構成の深紫外光源の研究、開発が盛んに進められている。
【０００８】
縦マルチモードのＮｄ：ＹＡＧレーザーやファイバーレーザー等の赤外光から深紫外光を発生するには、最低２段階の波長変換が必要となる。このため、紫外光発生用の非線形光学結晶をレーザー共振器の内部や外部共振器内に設置することは原理的に困難である。実用的な出力の光源とするためにはピーク強度の高い赤外レーザー、例えばモードロック動作による高繰返しパルス発振の高出力レーザー光源が適している。
【０００９】
２６６ｎｍ以下の深紫外光源は、発生方式に関わらず、一般に非線形光学結晶の光学損傷や劣化が原因となって入射光に対する発生光への変換効率が経時的に低下する。このため、その低下分を補うように入射光パワーを上げて出力を安定化することが必要である。通常は、発生光の一部を分岐して、その出力を測定し、出力の増減に応じて励起レーザー光の出力を増減するＡＰＣ（Automatic Power Control）回路による安定化制御が行われる。
【００１０】
半導体検査用の光源においては、長期的な安定性だけでなく周波数帯域でｋＨｚオーダーの短時間での出力安定性、すなわち高周波光ノイズの抑制も求められる。波長変換光における光ノイズは、内部共振器型のレーザー光源の共振器内に波長変換結晶を配した緑色や青色の小出力光源において大きな課題となっている。
【００１１】
その抑制方法としては、例えば特許文献２、３等において、分岐した出力を測定して励起用半導体レーザーの電流にフィードバックすることが提案されている。電気的制御なので高周波光ノイズの補償も可能である。また、内部共振器型特有の光ノイズ発生の要因である共振器内のモード競合を補償する波長板設置、位相補償等の各種手段が知られている。
【００１２】
被測定物に照射されるレーザー光の強度変化の微妙な差を捉えて欠陥を検出する半導体検査装置の紫外光源としては、短期及び長期での光出力の揺らぎが小さいこととが重要である。同様の理由により、照射面での空間強度分布の均一性も重要である。
【００１３】
非線形光学結晶による波長変換型の光源の変換効率は、入射光強度の２乗（高調波発生の場合）、ないし２つの入射光強度の積（和周波発生の場合）に依存する。そのため、例えば、基本波に１％の出力変動が存在すると、２段階の波長変換過程となる第４高調波発生では４％の出力変動となってしまう。
【００１４】
従来の共振器内波長変換による小型可視光源のように、励起用半導体レーザーの駆動電流を制御することにより出力の安定化を図ろうとすると、レーザー媒質への光吸収量が変化して熱レンズ効果と呼ばれるレーザー媒質の屈折率分布変化により出力光の広がり角やプロファイルが変化する。このため、紫外域への波長変換の効率がむしろ低下したり、発生する紫外光の広がり角やプロファイルが変化してしまう問題があるので適さない。
【００１５】
また、近年主流となっている半導体可飽和ミラーを用いたモードロックレーザーを基本波とした光源では、励起光パワーを下げるとモードロック動作が保たれなくなるので励起用半導体レーザーの電流を調整して出力を制御することはやはり実用的ではない。
【００１６】
スペックルを生じにくい縦マルチモードの光源を基本光源とした非線形波長変換により紫外光を発生させると、縦モード間の競合現象により和周波混合が起こり、発生する紫外光出力の揺らぎが大きくなるという問題が顕著になる。前述した内部共振器型波長変換における波長板設置、位相補償等の手段は、共振器の外部に１つ以上の非線形光学結晶が配される高次高調波発生による紫外光源においては有効ではない。
【００１７】
スペックルを除去、抑制する手段としては、その空間コヒーレンスを劣化される光学手段を配することも有効である。このような光学手段として、例えば、特許文献４にはすりガラス等の回転拡散板や回折型レンズ素子が記載されている。しかしながら、このような変調素子を用いると、その素子を通過した後の光出力は若干であったとしても、その変調周期で変動し、光ノイズの発生源となりうる。その変動量が例えば２％程度でも、半導体検査用の光源装置においては大きな障害となる。
【００１８】
特許文献５には、波長板と偏光子によるアッテネータをレーザー光源と非線形光学結晶の間に設置した装置が示されている。しかし、波長板の回転により抑制できる光の揺らぎは、精々１秒オーダーであり、ｋＨｚオーダーの光ノイズには追随できない。
【００１９】
また、レーザー光における一般的な光ノイズ除去用として、ノイズイーターと呼ばれる装置がある。これは、電気光学結晶等と偏光子の組み合わせによりアッテネータを構成して、偏光子を透過する光の出力が安定化するようにフィードバック制御する装置である。
【００２０】
このような装置では、基本的に変動する出力の最低値以下に透過パワーが固定されており、また偏光子の光損失もかなり大きいことから、レーザー光出力は最大８５％程度に低下してしまう。さらに、波長変換においては、ノイズイーターを用いて励起光源の出力を安定化しても、縦モード競合による和周波発生等の波長変換の過程で発生する光ノイズや、波長変換光に対して作用する空間コヒーレンスを劣化させる手段により生じる光ノイズは除去できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００６−２６９４５５号公報
【特許文献２】特開平９−２３２６６５号公報
【特許文献３】特開平１０−７０３３３号公報
【特許文献４】特開２００２−２６７８２５号公報
【特許文献５】特開２０００−１６４９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記のような問題を背景としてなされたものであり、安定化した波長変換光出力を得ることができる光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第１の態様に係る光源装置は、基本波を発生するレーザー光源と、前記基本波又はその高調波を入射光として、波長変換光を発生する少なくとも１つの非線形光学結晶と、前記入射光の光路上に配置され、当該入射光の偏光成分に対する屈折率を変化させて、前記波長変換光の出力を変化させる偏光調整手段とを備えるものである。これにより、偏光調整手段により入射光の偏光を調整して非線形光学結晶に入射させることにより、波長変換光の出力の安定化を図ることが可能となる。
【００２４】
本発明の第２の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記波長変換光の出力を電気信号出力に変換する光出力測定器を備え、前記偏光調整手段は、前記光出力測定器からの前記電気信号出力に応じて前記屈折率の変化量を変化させることを特徴とするものである。これにより、波長変換光の変化に応じて偏光調整手段における屈折率を変化させることができ、波長変換光の出力を安定に保つことが可能となる。
【００２５】
本発明の第３の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記入射光の光路上に設けられ、前記偏光調整手段に印加される電気信号が略一定となるように、前記入射光のうち前記非線形光学結晶に入射して波長変換に寄与する偏光成分を調整する位相差板をさらに備えるものである。これにより、偏光調整手段に印加される電気信号を略一定に保つことができ、消費電力を抑制することが可能となる。
【００２６】
本発明の第４の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記波長変換光の光路上に設けられ、前記波長変換光の空間コヒーレンスを劣化させる光学手段を備えるものである。このように、スペックルを低減させるための空間コヒーレンスを劣化する光学手段を配置したとしても、安定した出力の波長変換光を得ることが可能となる。
【００２７】
本発明の第５の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記光学手段は、回転駆動される光学素子、液晶空間光変調素子又は形状可変鏡を含むことを特徴とするものである。本発明は、このような場合に特に有効である。
【００２８】
本発明の第６の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記偏光調整手段は、光弾性効果又は電気光学効果によって屈折率変化を生じる光学素子であることを特徴とするものである。本発明は、このような偏光調整手段を用いることにより実現可能である。
【００２９】
本発明の第７の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は第４高調波発生による２７０ｎｍ以下の紫外光であり、前記偏光調整手段は、前記基本波又は第２高調波に対して作用することを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第８の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は前記基本波と第４高調波の和周波混合により発生する２１６ｎｍ以下の紫外光であり、前記偏光調整手段は、前記基本波、第２高調波又は第４高調波に対して作用することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第９の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記レーザー光源は、縦マルチモードの基本波を発生することを特徴とするものである。本発明は、このような場合に、特に有効である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、安定化した波長変換光出力を得ることができる光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態１に係る光源装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る光源装置において用いられる偏光調整手段の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る光源装置の効果を説明する図である。
【図４】実施の形態２に係る光源装置の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る光源装置において用いられる偏光調整手段の他の例を示す図である。
【図６】非線形光学結晶の配置例と、偏光調整手段がどのレーザー光に作用するかについて説明するための図である。
【図７】非線形光学結晶の配置例と、偏光調整手段がどのレーザー光に作用するかについて説明するための図である。
【図８】非線形光学結晶の配置例と、偏光調整手段がどのレーザー光に作用するかについて説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００３５】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光源装置の構成を、図１、２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。図２は、本実施の形態に係る光源装置において用いられる偏光調整手段の構成を示す図である。図１に示すように、光源装置は、レーザー光源１、偏光調整手段２、非線形光学結晶３、ダイクロイックミラー４ａ、４ｂ、空間コヒーレンス劣化手段５、部分反射ミラー６、光検出器７、制御器８、参照用電圧発生器９を備えている。
【００３６】
本発明では、非線形光学結晶を用いて紫外域の光を発生させる波長変換型の光源装置において、半導体検査装置の照明等に適した低ノイズで高安定出力の光源を実現することを目的としている。
【００３７】
レーザー光源１からのレーザー光Ｌ１は、偏光調整手段２を透過して波長変換用の非線形光学結晶３に入射する。非線形光学結晶３は、入射光を紫外域の波長変換光Ｌ２に変換して出射する。波長変換光Ｌ２の一部は光分岐手段である部分反射ミラー６により分岐されて、光検出器７に入射する。光検出器７からの出力電気信号は、偏光調整手段２の信号源となる。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００３８】
レーザー光源１は、基本波であるレーザー光Ｌ１を発生する。レーザー光Ｌ１の波長は、１０３０〜１０８０ｎｍの赤外域の波長である。また、レーザー光源１のレーザー発振方式は、半導体検査に必要な繰返し数２００ｋＨｚ以上のパルス発振方式である。レーザー光源１から出射されるレーザー光Ｌ１は、直線偏光の光である。図２に示すように、本実施の形態においては、レーザー光Ｌ１は紙面に対して垂直に偏光した光であるものとする。
【００３９】
偏光調整手段２は、入射するレーザー光Ｌ１の偏光成分に対する屈折率を変化させるものである。本実施の形態おいて用いられる偏光調整手段２は、電気光学効果を用いて屈折率変化を生じる光学素子である。偏光調整手段２は、後述する制御器８からの電気信号に応じて偏光調整手段２に印加される電場が変化することにより、その屈折率が変化する。偏光調整手段２は、非線形光学結晶３への入射光の光路上に設けられている。
【００４０】
図２に示すように、偏光調整手段２は、遅軸（slow axis）と速軸（fast axis）を有している。すなわち、偏光調整手段２は複屈折性を有する。つまり、偏光調整手段２においては、光の振動方向でその屈折率が変化する。偏光調整手段２において、低い屈折率を有する方向を速軸、速軸に対して直角な方向で高い屈折率を有するほう光を遅軸という。
【００４１】
図２において、速軸をｘ、遅軸をｙ、入射光の進む方向をｚとする。入射光の偏光面がｘ軸、ｙ軸に対してほぼ４５°傾くように入射させると、偏光調整手段２内では速軸に平行な偏光成分と遅軸に平行な成分に分解され、それぞれ異なる屈折率で偏光調整手段２を通過する。
【００４２】
入射光のうち遅軸に平行な偏光成分と速軸に平行な偏光成分との間に位相差が発生することで、偏光調整手段２から出射するレーザー光Ｌ１１は楕円偏光となる。偏光調整手段２に印加される電場の変化に応じて、遅軸方向の屈折率と速軸方向の屈折率との差が変化する。
【００４３】
これにより、偏光調整手段２から出射される楕円偏光の楕円率と楕円方位角が変化し、後述する非線形光学結晶３において波長変換に寄与する偏光成分の光量が変化する。従って、非線形光学結晶３からの波長変換光Ｌ２の出力を変化させることができる。なお、波長に寄与する偏光成分以外の偏光成分は、非線形光学結晶３に入射しても波長変換には寄与しない。
【００４４】
非線形光学結晶３は、レーザー光源１からの基本波又はその高調波を入射光として、波長変換光を発生する。なお、図１に示す例では、１つの非線形光学結晶３のみを図示しているが、実際には複数個の非線形光学結晶が設けられている。非線形光学結晶３は、レーザー光Ｌ１１を波長２７０ｎｍ以下の紫外域の波長変換光に変換する。
【００４５】
ここで、非線形光学結晶３が、図２の入射光であるレーザー光Ｌ１の偏光面と垂直な方向の偏光成分に対して位相整合して波長変換を行うように構成されているものとする。すなわち、非線形光学結晶３における波長変換に寄与する偏光成分が、図２の入射光であるレーザー光Ｌ１の偏光面と垂直な方向であるものとする。偏光調整手段２に電圧を加えることにより入射光の偏光面と垂直な偏光成分は増加する。これより、非線形光学結晶３で発生する波長変換光Ｌ２の出力を増大させることができる。
【００４６】
なお、偏光調整手段２の出射側に偏光子を設けてもよい。偏光子は、非線形光学結晶３における波長変換に寄与する入射光の偏光成分を透過するように配置される。また、偏光子は、非線形光学結晶３での波長変換に寄与しない偏光成分を反射する。偏光調整手段２と偏光子とは、光アッテネータを構成する。
【００４７】
偏光調整手段２により楕円偏光化したレーザー光Ｌ１１の偏光子を透過した後の透過率Ｔは、位相差をΓとすると、以下の式（１）のように表される。
【００４８】
ここで、Ｖπは位相差が１８０°となる半波長電圧である。偏光調整手段２に電圧を加えることにより入射光の偏光面と垂直な偏光成分は増加し、Ｖ＝Ｖπにおいて透過率は最大の１となる。
【００４９】
非線形光学結晶３が、この偏光成分に対して位相整合して波長変換作用を行うように構成すれば、偏光調整手段２への印加電圧の変化により非線形光学結晶から発生する波長変換光出力を変化させられる。なお、偏光子を透過しない偏光成分は非線形光学結晶３での波長変換に寄与しないので、偏光子が無くても波長変換出力を変化させられることには変わりない。
【００５０】
非線形光学結晶３で発生した波長変換光Ｌ２は、変換されずに残存する残存基本波光Ｌ３とダイクロイックミラー４ａにより分離される。そして、波長変換光Ｌ２は、ダイクロイックミラー４ｂ、空間コヒーレンス劣化手段５、部分反射ミラー６を経て外部に出力される。
【００５１】
空間コヒーレンス劣化手段５は、入射する波長変換光Ｌ２のコヒーレンスを劣化させ、スペックルを除去する。空間コヒーレンス劣化手段５としては、例えば、回転拡散板や回折型レンズ素子等のモータ等により回転駆動される光学素子を用いることができる。また、空間コヒーレンス劣化手段５としては、液晶空間光変調素子又は形状可変鏡を用いることも可能である。
【００５２】
部分反射ミラー６は、波長変換光Ｌ２の一部を分岐する。分岐された波長変換光Ｌ２の一部は、光検出器７に入射する。光検出器７は、入射した波長変換光Ｌ２を電気信号（電圧信号）に変換して制御器８に入力する。参照用電圧発生器９は、目標値となる電圧を発生する。
【００５３】
制御器８は、参照用電圧発生器９からの電圧を目標値として、光検出器７の出力との偏差を適切に負帰還して、偏光調整手段２へ印加する電圧を制御する。すなわち、制御器８は、光検出器７の出力電圧と、参照用電圧発生器９の目標値とがほぼ等しくなるように、偏光調整手段２に印加する電圧を制御する。
【００５４】
これにより、光検出器７からの出力電圧は、参照用電圧発生器９の目標値とほぼ等しく保たれ、波長変換光Ｌ２の出力を略一定にすることができる。このように、本発明によれば、長期的な出力変動を抑制することができる。また、電気光学効果を用いた光学素子を偏光調整手段２として用いることにより、回転拡散板等の空間コヒーレンス劣化素子を用いた場合に生じる光ノイズも含めてｋＨｚオーダーの高周波ノイズを補償することが可能となる。
【００５５】
図３を参照して、本実施の形態に係る光源装置の効果について説明する。図３は、波長変換光の出力（図中、光出力とする）及び偏光調整手段２への電気信号の変化を示すグラフである。図３（ａ）は偏光調整手段２に対して一定の電気信号を供給する例を示しており、同図（ｂ）は実施の形態１のように偏光調整手段２に対して波長変換光の出力が一定となるように偏光調整手段２への電気信号を変動させる例を示している。
【００５６】
図３から分かるように、図３（ｂ）では図３（ａ）のような波長変換光の光ノイズが除去されている。本図の例では、図３（ａ）では光出力の安定度は６．２％ｐｐであるのに対し、図３（ｂ）では光出力の安定度は０．５％ｐｐである。このように、本発明によれば、空間コヒーレンス劣化手段５を通過した波長変換光の光ノイズは１／１２以下に抑制される。
【００５７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る光源装置について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。図４において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５８】
図４に示すように、本実施の形態に係る光源装置は、図１に示す光源装置の構成に加え、分圧回路１０、コンピュータ１１、モータ制御器１２、１／２波長板１３を備えている。レーザー光源１と偏光調整手段２との間には、１／２波長板１３が設けられている。
【００５９】
１／２波長板１３は、位相差がπ（１８０度）となるものであり、直線偏光を回転させる機能を有する。回転角は、入射光の偏光方向と、１／２波長板１３の遅軸とのなす角で調整される。例えば、直線偏光の入射光に対し遅軸を４５度になるように配置すると、入射光の偏光面が９０度回転する。
【００６０】
１／２波長板１３は、図示しないモータ等の回転駆動機構により回転駆動される。１／２波長板１３を回転駆動することにより、入射光の偏光面の角度が変化する。すなわち、非線形光学結晶３の波長変換に寄与する偏光成分の強度が、１／２波長板１３の回転に応じて変化する。このように、１／２波長板１３を回転駆動することにより、波長変換光Ｌ２の出力が調整される。
【００６１】
なお、上述のように、本実施の形態においても偏光調整手段２の出射側に偏光子を設けてもよい。偏光子は、偏光調整手段２への印加電圧が０のときに透過率が最大となり、かつ、その透過光の偏光成分が非線形光学結晶３において位相整合して波長変換するように配置することができる。この場合、偏光子の透過率Ｔは、以下の式（２）のようになる。
もちろん、先に記したように偏光子は必ずしも設ける必要はない。
【００６２】
制御器８の出力と偏光調整手段２との間には、分圧回路１０が接続されている。分圧回路１０には、偏光調整手段２に印加される電圧が入力され、分圧された電圧を出力する。分圧回路１０と１／２波長板１３の駆動手段との間には、コンピュータ１１、モータ制御器１２が設けられている。
【００６３】
コンピュータ１１は、分圧回路１０で分圧された電圧を監視し、その値が偏光調整手段２に印加される電圧範囲の略半分の値になるように１／２波長板１３の角度を制御するための制御信号をモータ制御器１２に入力する。モータ制御器１２は、コンピュータ１１からの制御信号に基づいて１／２波長板１３の駆動手段を制御する。
【００６４】
これにより、偏光調整手段２に印加される電圧は略一定となる。偏光調整手段２に印加される電圧は、モータ等により駆動される１／２波長板１３の回転では追いつかない、高速の波長変換光Ｌ２の出力変化があった場合にのみ変化する。すなわち、この構成の場合、偏光調整手段２へ印加が必要な電圧は、様々な要因による波長変換出力の揺らぎの補償に必要な範囲で十分である。
【００６５】
例えば、第４高調波発生光の出力に±４％の光ノイズがある場合、偏光調整手段２に印加すべき最大の電圧は、Ｖπの約１％あればよい。一般的な偏光調整手段２のＶπは数ｋＶであるが、本実施の形態においては、数十Ｖないし精々１００Ｖ程度でよいこととなり、高電圧電源回路が不要となる。
【００６６】
このように、本実施の形態によれば、高繰返しパルスレーザーを用いた多段階の波長変換による紫外光源において、短期、長期の出力を安定化するととともに、消費電力を低減することが可能となる。なお、上述の例では、位相差板として１／２波長板を用いる例について説明したが、必ずしも位相差は正確に１／２波長である必要はない。
【００６７】
図５に、本発明に係る光源装置において用いられる偏光調整手段２の他の例を示す。図５に示す偏光調整手段２０は、光弾性効果によって屈折率変化を生じる光弾性体を用いた光学素子である。図５に示すように、偏光調整手段２０は、光弾性体２１、圧電素子２２、バネ２３を備えている。図５において、実線の矢印方向を入射光の偏光方向とし、破線の矢印方向を応力方向とする。
【００６８】
光弾性体とは、外力を加えると、歪の大きさと向きに応じて光弾性効果により物質の屈折率が変化し、複屈折の大きさと向きが変化する物質である。この現象は応力複屈折ないし光弾性複屈折と呼ばれる。光学ガラスを含め、通常のほとんどの固体物質は光弾性体である。
【００６９】
光弾性体２１に応力を加えると、応力と平行な方向に偏光面を有する偏光に対する屈折率と、それに直交する方向に偏光面をする偏光に対する屈折率が変化する。図５に示すように、応力方向と４５°傾いた方向に偏光面を持つ直線偏光の光が入射した場合、応力のほうに平行及び直交の各偏光成分に位相差が生じる複屈折が起こり、出射する光の直線偏光性は崩れて、一般に楕円偏光となる。
【００７０】
出射光の偏光度は、加える応力の大きさにより高速で変化させることができる。たとえ光弾性体２１の全面で一様な複屈折性を形成できなくとも、後段の非線形光学結晶３への僅かな偏光成分の変化をもたらすことができる。
【００７１】
図５に示す例では、光弾性体２１に印加する応力の発生源として、圧電素子２２が用いられている。圧電素子２２は、圧電体に加えられた電圧を力に変換する圧電効果を利用した素子で、ピエゾ素子といわれるものである。圧電素子２２位いることにより、上述の電気光学効果を利用した偏光調整手段２と同様に、数１０ｋＨｚオーダーの高速な出力変化が可能である。
【００７２】
本発明によれば、簡易手段によって、短期、長期ともに±０．５％以下の出力安定性を達成することができ、半導体検査等に適した波長変換による紫外光源装置が実現できる。特に、縦マルチモードで高繰返しパルス発振のＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、ファイバーレーザー等を励起レーザー光源として、多段階の波長変換により発生される波長２６６ｎｍの第４高調波発生や２１３ｎｍの第５高調波発生において顕著となる出力不安定性を補償するのに有効である。
【００７３】
さらに、スペックルを低減させるために回転拡散板等の空間コヒーレンス劣化手段５を配置したことにより生じる出力の変動、光ノイズが発生する場合においても、安定した出力の波長変換光を得ることが可能となる。
【００７４】
なお、上記の実施の形態においては、偏光調整手段２がレーザー光源１から出射する波長１０３０〜１０８０ｎｍの基本波に対して作用する例について説明したが、これに限定されるものではない。以下、図６〜図８を参照して、非線形光学結晶３の配置例と、偏光調整手段２がどのレーザー光に作用するかについて説明する。ここでは、レーザー光源１が出射するレーザー光の波長を１０６４ｎｍであるものとする。
【００７５】
図６に示す例では、非線形光学結晶３として、第１非線形光学結晶３ａ、第２非線形光学結晶３ｂが設けられている。第１非線形光学結晶３ａ及び第２非線形光学結晶３ｂは、レーザー光源１の外部に配置されている。
【００７６】
レーザー光源１からの波長１０６４ｎｍのレーザー光Ｌ１は、第１の非線形光学結晶３ａにより波長５３２ｎｍの第２高調波に変換される。第１の非線形光学結晶３ａからの第２高調波は、第２非線形光学結晶３ｂにより波長２６６ｎｍの第４高調波に変換される。すなわち、この例では、第４高調波発生により２７０ｎｍ以下のレーザー光が波長変換光として出射される。
【００７７】
偏光調整手段２は、基本波又は波長５３２ｎｍの第２高調波に作用することができる。偏光調整手段２が第２高調波に対して作用する場合、第２高調波の第２非線形光学結晶３ｂにおいて波長変換に寄与する偏光成分を調整することができる。なお、図７に示すように、第１非線形光学結晶３ａは、レーザー光源１を構成する共振器の内部に配置しても良い。
【００７８】
図８に示す例では、非線形光学結晶３として、第１非線形光学結晶３ａ、第２非線形光学結晶３ｂ、第３非線形光学結晶３ｃが設けられている。これらの第１非線形光学結晶３ａ、第２非線形光学結晶３ｂ、第３非線形光学結晶３ｃは、レーザー光源１の外部に配置されている。
【００７９】
レーザー光源１からの波長１０６４ｎｍのレーザー光は、第１非線形光学結晶３ａにより波長５３２ｎｍの第２高調波に変換される。この第２高調波は、第２非線形光学結晶３ｂにより、波長２６６ｎｍの第４高調波に変換される。第３非線形光学結晶３ｃには、第４高調波と波長１０６４ｎｍの残存基本波とが入射する。
【００８０】
第３非線形光学結晶３ｃは、第４高調波と残存基本波との和周波混合により、波長２１３ｎｍのレーザー光を出射する。すなわち、この例では、波長変換光は、基本波と第４高調波の和周波混合により発生する２１６ｎｍ以下の紫外光である。
【００８１】
図８に示すように、偏光調整手段２は、基本波、波長５３２ｎｍの第２高調波又は波長２６６ｎｍの第４高調波に対して作用する。偏光調整手段２が第２高調波に対して作用する場合、第２高調波の第２非線形光学結晶３ｂにおいて波長変換に寄与する偏光成分を調整することができる。偏光調整手段２が第４高調波に対して作用する場合、第４高調波の第３非線形光学結晶３ｃにおいて波長変換に寄与する偏光成分を調整することができる。
【００８２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１ レーザー光源
２ 偏光調整手段
３ 非線形光学結晶
４ ダイクロイックミラー
５ 空間コヒーレンス劣化手段
６ 部分反射ミラー
７ 光検出器
８ 制御器
９ 参照用電圧発生器
１０ 分圧回路
１１ コンピュータ
１２ モータ制御器
１３ １／２波長板
２０ 偏光調整手段
２１ 光弾性体
２２ 圧電素子
２３ バネ
Ｌ１ レーザー光
Ｌ２ 波長変換光
Ｌ３ 残存基本波光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置に関し、特に非線形光学結晶を用いて紫外域の光を発生させる波長変換型の光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細化が進む半導体露光用フォトマスク原板の製造過程では、原板内の微小な欠陥を測定することが必要である。また、微細な露光パターンが描かれたレチクルに対しては、実際のパターンが正しく描かれているか、パターン上に欠陥が無いかを測定する必要がある。
【０００３】
このような目的には、連続ないし高繰返しパルス出力の光を被測定物に照射して、その散乱等による強度変化を捉えて比較する半導体欠陥検査装置が用いられている。半導体欠陥検査装置の方式は多岐にわたるが、一般的に光源の波長を短波長化するほど分解能が向上する。このため、近年、非線形光学結晶を用いた波長変換による深紫外域の光源が主に利用されている。
【０００４】
しかし、半導体検査用として可干渉性の高い光を用いると、スペックルと呼ばれる空間強度分布の不均一性が発生してしまう。このため、例えば特許文献１に指摘されているように、可干渉性があまり高くない紫外光を用いること、そのために複数の縦モードで発振する縦マルチモードのレーザー光を基本光源として用いることが望ましい。
【０００５】
このような条件を満たす光源として、波長５１５ｎｍないし４８８ｎｍで連続発振するアルゴンイオンレーザーを用い、内部共振型波長変換により第２高調波（２５７、２４４ｎｍ）を発生するものがある。
【０００６】
また、アルゴンイオンレーザーの第２高調波である２４４ｎｍ光とＮｄ：ＹＡＧレーザー等からの１０６４ｎｍ光との和周波混合により得られる連続出力１９８．５ｎｍ光源が開発されている。しかし、アルゴンイオンレーザーは、非常に発振効率が低く大電力を必要とする上、ガスレーザー管の頻繁な交換が必要な点で、メンテナンス性に大きな課題がある。
【０００７】
そのため、近年では、Ｎｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ４レーザー（１０６４ｎｍ）の第４高調波（２６６ｎｍ）、第５高調波（２１３ｎｍ）を発生するものや、１５４０ｎｍ光を発生するエルビウム添加ファイバーレーザー光の第８高調波発生による１９３．４ｎｍ光源等、より小型でメンテナンス性の良い全固体構成の深紫外光源の研究、開発が盛んに進められている。
【０００８】
縦マルチモードのＮｄ：ＹＡＧレーザーやファイバーレーザー等の赤外光から深紫外光を発生するには、最低２段階の波長変換が必要となる。このため、紫外光発生用の非線形光学結晶をレーザー共振器の内部や外部共振器内に設置することは原理的に困難である。実用的な出力の光源とするためにはピーク強度の高い赤外レーザー、例えばモードロック動作による高繰返しパルス発振の高出力レーザー光源が適している。
【０００９】
２６６ｎｍ以下の深紫外光源は、発生方式に関わらず、一般に非線形光学結晶の光学損傷や劣化が原因となって入射光に対する発生光への変換効率が経時的に低下する。このため、その低下分を補うように入射光パワーを上げて出力を安定化することが必要である。通常は、発生光の一部を分岐して、その出力を測定し、出力の増減に応じて励起レーザー光の出力を増減するＡＰＣ（Automatic Power Control）回路による安定化制御が行われる。
【００１０】
半導体検査用の光源においては、長期的な安定性だけでなく周波数帯域でｋＨｚオーダーの短時間での出力安定性、すなわち高周波光ノイズの抑制も求められる。波長変換光における光ノイズは、内部共振器型のレーザー光源の共振器内に波長変換結晶を配した緑色や青色の小出力光源において大きな課題となっている。
【００１１】
その抑制方法としては、例えば特許文献２、３等において、分岐した出力を測定して励起用半導体レーザーの電流にフィードバックすることが提案されている。電気的制御なので高周波光ノイズの補償も可能である。また、内部共振器型特有の光ノイズ発生の要因である共振器内のモード競合を補償する波長板設置、位相補償等の各種手段が知られている。
【００１２】
被測定物に照射されるレーザー光の強度変化の微妙な差を捉えて欠陥を検出する半導体検査装置の紫外光源としては、短期及び長期での光出力の揺らぎが小さいこととが重要である。同様の理由により、照射面での空間強度分布の均一性も重要である。
【００１３】
非線形光学結晶による波長変換型の光源の変換効率は、入射光強度の２乗（高調波発生の場合）、ないし２つの入射光強度の積（和周波発生の場合）に依存する。そのため、例えば、基本波に１％の出力変動が存在すると、２段階の波長変換過程となる第４高調波発生では４％の出力変動となってしまう。
【００１４】
従来の共振器内波長変換による小型可視光源のように、励起用半導体レーザーの駆動電流を制御することにより出力の安定化を図ろうとすると、レーザー媒質への光吸収量が変化して熱レンズ効果と呼ばれるレーザー媒質の屈折率分布変化により出力光の広がり角やプロファイルが変化する。このため、紫外域への波長変換の効率がむしろ低下したり、発生する紫外光の広がり角やプロファイルが変化してしまう問題があるので適さない。
【００１５】
また、近年主流となっている半導体可飽和ミラーを用いたモードロックレーザーを基本波とした光源では、励起光パワーを下げるとモードロック動作が保たれなくなるので励起用半導体レーザーの電流を調整して出力を制御することはやはり実用的ではない。
【００１６】
スペックルを生じにくい縦マルチモードの光源を基本光源とした非線形波長変換により紫外光を発生させると、縦モード間の競合現象により和周波混合が起こり、発生する紫外光出力の揺らぎが大きくなるという問題が顕著になる。前述した内部共振器型波長変換における波長板設置、位相補償等の手段は、共振器の外部に１つ以上の非線形光学結晶が配される高次高調波発生による紫外光源においては有効ではない。
【００１７】
スペックルを除去、抑制する手段としては、その空間コヒーレンスを劣化される光学手段を配することも有効である。このような光学手段として、例えば、特許文献４にはすりガラス等の回転拡散板や回折型レンズ素子が記載されている。しかしながら、このような変調素子を用いると、その素子を通過した後の光出力は若干であったとしても、その変調周期で変動し、光ノイズの発生源となりうる。その変動量が例えば２％程度でも、半導体検査用の光源装置においては大きな障害となる。
【００１８】
特許文献５には、波長板と偏光子によるアッテネータをレーザー光源と非線形光学結晶の間に設置した装置が示されている。しかし、波長板の回転により抑制できる光の揺らぎは、精々１秒オーダーであり、ｋＨｚオーダーの光ノイズには追随できない。
【００１９】
また、レーザー光における一般的な光ノイズ除去用として、ノイズイーターと呼ばれる装置がある。これは、電気光学結晶等と偏光子の組み合わせによりアッテネータを構成して、偏光子を透過する光の出力が安定化するようにフィードバック制御する装置である。
【００２０】
このような装置では、基本的に変動する出力の最低値以下に透過パワーが固定されており、また偏光子の光損失もかなり大きいことから、レーザー光出力は最大８５％程度に低下してしまう。さらに、波長変換においては、ノイズイーターを用いて励起光源の出力を安定化しても、縦モード競合による和周波発生等の波長変換の過程で発生する光ノイズや、波長変換光に対して作用する空間コヒーレンスを劣化させる手段により生じる光ノイズは除去できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開２００６−２６９４５５号公報
【特許文献２】特開平９−２３２６６５号公報
【特許文献３】特開平１０−７０３３３号公報
【特許文献４】特開２００２−２６７８２５号公報
【特許文献５】特開２０００−１６４９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、上記のような問題を背景としてなされたものであり、安定化した波長変換光出力を得ることができる光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第１の態様に係る光源装置は、基本波を発生するレーザー光源と、前記基本波又はその高調波を入射光として、波長変換光を発生する少なくとも１つの非線形光学結晶と、前記入射光の光路上に配置され、当該入射光の偏光成分に対する屈折率を変化させて、前記波長変換光の出力を変化させる偏光調整手段とを備えるものである。これにより、偏光調整手段により入射光の偏光を調整して非線形光学結晶に入射させることにより、波長変換光の出力の安定化を図ることが可能となる。
【００２４】
本発明の第２の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記波長変換光の出力を電気信号出力に変換する光出力測定器を備え、前記偏光調整手段は、前記光出力測定器からの前記電気信号出力に応じて前記屈折率の変化量を変化させることを特徴とするものである。これにより、波長変換光の変化に応じて偏光調整手段における屈折率を変化させることができ、波長変換光の出力を安定に保つことが可能となる。
【００２５】
本発明の第３の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記入射光の光路上に設けられ、前記偏光調整手段に印加される電気信号が略一定となるように、前記入射光のうち前記非線形光学結晶に入射して波長変換に寄与する偏光成分を調整する位相差板をさらに備えるものである。これにより、偏光調整手段に印加される電気信号を略一定に保つことができ、消費電力を抑制することが可能となる。
【００２６】
本発明の第４の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記波長変換光の光路上に設けられ、前記波長変換光の空間コヒーレンスを劣化させる光学手段を備えるものである。このように、スペックルを低減させるための空間コヒーレンスを劣化する光学手段を配置したとしても、安定した出力の波長変換光を得ることが可能となる。
【００２７】
本発明の第５の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記光学手段は、回転駆動される光学素子、液晶空間光変調素子又は形状可変鏡を含むことを特徴とするものである。本発明は、このような場合に特に有効である。
【００２８】
本発明の第６の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記偏光調整手段は、光弾性効果又は電気光学効果によって屈折率変化を生じる光学素子であることを特徴とするものである。本発明は、このような偏光調整手段を用いることにより実現可能である。
【００２９】
本発明の第７の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は第４高調波発生による２７０ｎｍ以下の紫外光であり、前記偏光調整手段は、前記基本波又は第２高調波に対して作用することを特徴とするものである。
【００３０】
本発明の第８の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は前記基本波と第４高調波の和周波混合により発生する２１６ｎｍ以下の紫外光であり、前記偏光調整手段は、前記基本波、第２高調波又は第４高調波に対して作用することを特徴とするものである。
【００３１】
本発明の第９の態様に係る光源装置は、上記の光源装置において、前記レーザー光源は、縦マルチモードの基本波を発生することを特徴とするものである。本発明は、このような場合に、特に有効である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、安定化した波長変換光出力を得ることができる光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態１に係る光源装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る光源装置において用いられる偏光調整手段の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る光源装置の効果を説明する図である。
【図４】実施の形態２に係る光源装置の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る光源装置において用いられる偏光調整手段の他の例を示す図である。
【図６】非線形光学結晶の配置例と、偏光調整手段がどのレーザー光に作用するかについて説明するための図である。
【図７】非線形光学結晶の配置例と、偏光調整手段がどのレーザー光に作用するかについて説明するための図である。
【図８】非線形光学結晶の配置例と、偏光調整手段がどのレーザー光に作用するかについて説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００３５】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る光源装置の構成を、図１、２を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。図２は、本実施の形態に係る光源装置において用いられる偏光調整手段の構成を示す図である。図１に示すように、光源装置は、レーザー光源１、偏光調整手段２、非線形光学結晶３、ダイクロイックミラー４ａ、４ｂ、空間コヒーレンス劣化手段５、部分反射ミラー６、光検出器７、制御器８、参照用電圧発生器９を備えている。
【００３６】
本発明では、非線形光学結晶を用いて紫外域の光を発生させる波長変換型の光源装置において、半導体検査装置の照明等に適した低ノイズで高安定出力の光源を実現することを目的としている。
【００３７】
レーザー光源１からのレーザー光Ｌ１は、偏光調整手段２を透過して波長変換用の非線形光学結晶３に入射する。非線形光学結晶３は、入射光を紫外域の波長変換光Ｌ２に変換して出射する。波長変換光Ｌ２の一部は光分岐手段である部分反射ミラー６により分岐されて、光検出器７に入射する。光検出器７からの出力電気信号は、偏光調整手段２の信号源となる。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００３８】
レーザー光源１は、基本波であるレーザー光Ｌ１を発生する。レーザー光Ｌ１の波長は、１０３０〜１０８０ｎｍの赤外域の波長である。また、レーザー光源１のレーザー発振方式は、半導体検査に必要な繰返し数２００ｋＨｚ以上のパルス発振方式である。レーザー光源１から出射されるレーザー光Ｌ１は、直線偏光の光である。図２に示すように、本実施の形態においては、レーザー光Ｌ１は紙面に対して垂直に偏光した光であるものとする。
【００３９】
偏光調整手段２は、入射するレーザー光Ｌ１の偏光成分に対する屈折率を変化させるものである。本実施の形態おいて用いられる偏光調整手段２は、電気光学効果を用いて屈折率変化を生じる光学素子である。偏光調整手段２は、後述する制御器８からの電気信号に応じて偏光調整手段２に印加される電場が変化することにより、その屈折率が変化する。偏光調整手段２は、非線形光学結晶３への入射光の光路上に設けられている。
【００４０】
図２に示すように、偏光調整手段２は、遅軸（slow axis）と速軸（fast axis）を有している。すなわち、偏光調整手段２は複屈折性を有する。つまり、偏光調整手段２においては、光の振動方向でその屈折率が変化する。偏光調整手段２において、低い屈折率を有する方向を速軸、速軸に対して直角な方向で高い屈折率を有するほう光を遅軸という。
【００４１】
図２において、速軸をｘ、遅軸をｙ、入射光の進む方向をｚとする。入射光の偏光面がｘ軸、ｙ軸に対してほぼ４５°傾くように入射させると、偏光調整手段２内では速軸に平行な偏光成分と遅軸に平行な成分に分解され、それぞれ異なる屈折率で偏光調整手段２を通過する。
【００４２】
入射光のうち遅軸に平行な偏光成分と速軸に平行な偏光成分との間に位相差が発生することで、偏光調整手段２から出射するレーザー光Ｌ１１は楕円偏光となる。偏光調整手段２に印加される電場の変化に応じて、遅軸方向の屈折率と速軸方向の屈折率との差が変化する。
【００４３】
これにより、偏光調整手段２から出射される楕円偏光の楕円率と楕円方位角が変化し、後述する非線形光学結晶３において波長変換に寄与する偏光成分の光量が変化する。従って、非線形光学結晶３からの波長変換光Ｌ２の出力を変化させることができる。なお、波長に寄与する偏光成分以外の偏光成分は、非線形光学結晶３に入射しても波長変換には寄与しない。
【００４４】
非線形光学結晶３は、レーザー光源１からの基本波又はその高調波を入射光として、波長変換光を発生する。なお、図１に示す例では、１つの非線形光学結晶３のみを図示しているが、実際には複数個の非線形光学結晶が設けられている。非線形光学結晶３は、レーザー光Ｌ１１を波長２７０ｎｍ以下の紫外域の波長変換光に変換する。
【００４５】
ここで、非線形光学結晶３が、図２の入射光であるレーザー光Ｌ１の偏光面と垂直な方向の偏光成分に対して位相整合して波長変換を行うように構成されているものとする。すなわち、非線形光学結晶３における波長変換に寄与する偏光成分が、図２の入射光であるレーザー光Ｌ１の偏光面と垂直な方向であるものとする。偏光調整手段２に電圧を加えることにより入射光の偏光面と垂直な偏光成分は増加する。これより、非線形光学結晶３で発生する波長変換光Ｌ２の出力を増大させることができる。
【００４６】
なお、偏光調整手段２の出射側に偏光子を設けてもよい。偏光子は、非線形光学結晶３における波長変換に寄与する入射光の偏光成分を透過するように配置される。また、偏光子は、非線形光学結晶３での波長変換に寄与しない偏光成分を反射する。偏光調整手段２と偏光子とは、光アッテネータを構成する。
【００４７】
偏光調整手段２により楕円偏光化したレーザー光Ｌ１１の偏光子を透過した後の透過率Ｔは、位相差をΓとすると、以下の式（１）のように表される。
【００４８】
ここで、Ｖπは位相差が１８０°となる半波長電圧である。偏光調整手段２に電圧を加えることにより入射光の偏光面と垂直な偏光成分は増加し、Ｖ＝Ｖπにおいて透過率は最大の１となる。
【００４９】
非線形光学結晶３が、この偏光成分に対して位相整合して波長変換作用を行うように構成すれば、偏光調整手段２への印加電圧の変化により非線形光学結晶から発生する波長変換光出力を変化させられる。なお、偏光子を透過しない偏光成分は非線形光学結晶３での波長変換に寄与しないので、偏光子が無くても波長変換出力を変化させられることには変わりない。
【００５０】
非線形光学結晶３で発生した波長変換光Ｌ２は、変換されずに残存する残存基本波光Ｌ３とダイクロイックミラー４ａにより分離される。そして、波長変換光Ｌ２は、ダイクロイックミラー４ｂ、空間コヒーレンス劣化手段５、部分反射ミラー６を経て外部に出力される。
【００５１】
空間コヒーレンス劣化手段５は、入射する波長変換光Ｌ２のコヒーレンスを劣化させ、スペックルを除去する。空間コヒーレンス劣化手段５としては、例えば、回転拡散板や回折型レンズ素子等のモータ等により回転駆動される光学素子を用いることができる。また、空間コヒーレンス劣化手段５としては、液晶空間光変調素子又は形状可変鏡を用いることも可能である。
【００５２】
部分反射ミラー６は、波長変換光Ｌ２の一部を分岐する。分岐された波長変換光Ｌ２の一部は、光検出器７に入射する。光検出器７は、入射した波長変換光Ｌ２を電気信号（電圧信号）に変換して制御器８に入力する。参照用電圧発生器９は、目標値となる電圧を発生する。
【００５３】
制御器８は、参照用電圧発生器９からの電圧を目標値として、光検出器７の出力との偏差を適切に負帰還して、偏光調整手段２へ印加する電圧を制御する。すなわち、制御器８は、光検出器７の出力電圧と、参照用電圧発生器９の目標値とがほぼ等しくなるように、偏光調整手段２に印加する電圧を制御する。
【００５４】
これにより、光検出器７からの出力電圧は、参照用電圧発生器９の目標値とほぼ等しく保たれ、波長変換光Ｌ２の出力を略一定にすることができる。このように、本発明によれば、長期的な出力変動を抑制することができる。また、電気光学効果を用いた光学素子を偏光調整手段２として用いることにより、回転拡散板等の空間コヒーレンス劣化素子を用いた場合に生じる光ノイズも含めてｋＨｚオーダーの高周波ノイズを補償することが可能となる。
【００５５】
図３を参照して、本実施の形態に係る光源装置の効果について説明する。図３は、波長変換光の出力（図中、光出力とする）及び偏光調整手段２への電気信号の変化を示すグラフである。図３（ａ）は偏光調整手段２に対して一定の電気信号を供給する例を示しており、同図（ｂ）は実施の形態１のように偏光調整手段２に対して波長変換光の出力が一定となるように偏光調整手段２への電気信号を変動させる例を示している。
【００５６】
図３から分かるように、図３（ｂ）では図３（ａ）のような波長変換光の光ノイズが除去されている。本図の例では、図３（ａ）では光出力の安定度は６．２％ｐｐであるのに対し、図３（ｂ）では光出力の安定度は０．５％ｐｐである。このように、本発明によれば、空間コヒーレンス劣化手段５を通過した波長変換光の光ノイズは１／１２以下に抑制される。
【００５７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る光源装置について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態に係る光源装置の構成を示す図である。図４において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５８】
図４に示すように、本実施の形態に係る光源装置は、図１に示す光源装置の構成に加え、分圧回路１０、コンピュータ１１、モータ制御器１２、１／２波長板１３を備えている。レーザー光源１と偏光調整手段２との間には、１／２波長板１３が設けられている。
【００５９】
１／２波長板１３は、位相差がπ（１８０度）となるものであり、直線偏光を回転させる機能を有する。回転角は、入射光の偏光方向と、１／２波長板１３の遅軸とのなす角で調整される。例えば、直線偏光の入射光に対し遅軸を４５度になるように配置すると、入射光の偏光面が９０度回転する。
【００６０】
１／２波長板１３は、図示しないモータ等の回転駆動機構により回転駆動される。１／２波長板１３を回転駆動することにより、入射光の偏光面の角度が変化する。すなわち、非線形光学結晶３の波長変換に寄与する偏光成分の強度が、１／２波長板１３の回転に応じて変化する。このように、１／２波長板１３を回転駆動することにより、波長変換光Ｌ２の出力が調整される。
【００６１】
なお、上述のように、本実施の形態においても偏光調整手段２の出射側に偏光子を設けてもよい。偏光子は、偏光調整手段２への印加電圧が０のときに透過率が最大となり、かつ、その透過光の偏光成分が非線形光学結晶３において位相整合して波長変換するように配置することができる。この場合、偏光子の透過率Ｔは、以下の式（２）のようになる。
もちろん、先に記したように偏光子は必ずしも設ける必要はない。
【００６２】
制御器８の出力と偏光調整手段２との間には、分圧回路１０が接続されている。分圧回路１０には、偏光調整手段２に印加される電圧が入力され、分圧された電圧を出力する。分圧回路１０と１／２波長板１３の駆動手段との間には、コンピュータ１１、モータ制御器１２が設けられている。
【００６３】
コンピュータ１１は、分圧回路１０で分圧された電圧を監視し、その値が偏光調整手段２に印加される電圧範囲の略半分の値になるように１／２波長板１３の角度を制御するための制御信号をモータ制御器１２に入力する。モータ制御器１２は、コンピュータ１１からの制御信号に基づいて１／２波長板１３の駆動手段を制御する。
【００６４】
これにより、偏光調整手段２に印加される電圧は略一定となる。偏光調整手段２に印加される電圧は、モータ等により駆動される１／２波長板１３の回転では追いつかない、高速の波長変換光Ｌ２の出力変化があった場合にのみ変化する。すなわち、この構成の場合、偏光調整手段２へ印加が必要な電圧は、様々な要因による波長変換出力の揺らぎの補償に必要な範囲で十分である。
【００６５】
例えば、第４高調波発生光の出力に±４％の光ノイズがある場合、偏光調整手段２に印加すべき最大の電圧は、Ｖπの約１％あればよい。一般的な偏光調整手段２のＶπは数ｋＶであるが、本実施の形態においては、数十Ｖないし精々１００Ｖ程度でよいこととなり、高電圧電源回路が不要となる。
【００６６】
このように、本実施の形態によれば、高繰返しパルスレーザーを用いた多段階の波長変換による紫外光源において、短期、長期の出力を安定化するととともに、消費電力を低減することが可能となる。なお、上述の例では、位相差板として１／２波長板を用いる例について説明したが、必ずしも位相差は正確に１／２波長である必要はない。
【００６７】
図５に、本発明に係る光源装置において用いられる偏光調整手段２の他の例を示す。図５に示す偏光調整手段２０は、光弾性効果によって屈折率変化を生じる光弾性体を用いた光学素子である。図５に示すように、偏光調整手段２０は、光弾性体２１、圧電素子２２、バネ２３を備えている。図５において、実線の矢印方向を入射光の偏光方向とし、破線の矢印方向を応力方向とする。
【００６８】
光弾性体とは、外力を加えると、歪の大きさと向きに応じて光弾性効果により物質の屈折率が変化し、複屈折の大きさと向きが変化する物質である。この現象は応力複屈折ないし光弾性複屈折と呼ばれる。光学ガラスを含め、通常のほとんどの固体物質は光弾性体である。
【００６９】
光弾性体２１に応力を加えると、応力と平行な方向に偏光面を有する偏光に対する屈折率と、それに直交する方向に偏光面をする偏光に対する屈折率が変化する。図５に示すように、応力方向と４５°傾いた方向に偏光面を持つ直線偏光の光が入射した場合、応力のほうに平行及び直交の各偏光成分に位相差が生じる複屈折が起こり、出射する光の直線偏光性は崩れて、一般に楕円偏光となる。
【００７０】
出射光の偏光度は、加える応力の大きさにより高速で変化させることができる。たとえ光弾性体２１の全面で一様な複屈折性を形成できなくとも、後段の非線形光学結晶３への僅かな偏光成分の変化をもたらすことができる。
【００７１】
図５に示す例では、光弾性体２１に印加する応力の発生源として、圧電素子２２が用いられている。圧電素子２２は、圧電体に加えられた電圧を力に変換する圧電効果を利用した素子で、ピエゾ素子といわれるものである。圧電素子２２位いることにより、上述の電気光学効果を利用した偏光調整手段２と同様に、数１０ｋＨｚオーダーの高速な出力変化が可能である。
【００７２】
本発明によれば、簡易手段によって、短期、長期ともに±０．５％以下の出力安定性を達成することができ、半導体検査等に適した波長変換による紫外光源装置が実現できる。特に、縦マルチモードで高繰返しパルス発振のＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、ファイバーレーザー等を励起レーザー光源として、多段階の波長変換により発生される波長２６６ｎｍの第４高調波発生や２１３ｎｍの第５高調波発生において顕著となる出力不安定性を補償するのに有効である。
【００７３】
さらに、スペックルを低減させるために回転拡散板等の空間コヒーレンス劣化手段５を配置したことにより生じる出力の変動、光ノイズが発生する場合においても、安定した出力の波長変換光を得ることが可能となる。
【００７４】
なお、上記の実施の形態においては、偏光調整手段２がレーザー光源１から出射する波長１０３０〜１０８０ｎｍの基本波に対して作用する例について説明したが、これに限定されるものではない。以下、図６〜図８を参照して、非線形光学結晶３の配置例と、偏光調整手段２がどのレーザー光に作用するかについて説明する。ここでは、レーザー光源１が出射するレーザー光の波長を１０６４ｎｍであるものとする。
【００７５】
図６に示す例では、非線形光学結晶３として、第１非線形光学結晶３ａ、第２非線形光学結晶３ｂが設けられている。第１非線形光学結晶３ａ及び第２非線形光学結晶３ｂは、レーザー光源１の外部に配置されている。
【００７６】
レーザー光源１からの波長１０６４ｎｍのレーザー光Ｌ１は、第１の非線形光学結晶３ａにより波長５３２ｎｍの第２高調波に変換される。第１の非線形光学結晶３ａからの第２高調波は、第２非線形光学結晶３ｂにより波長２６６ｎｍの第４高調波に変換される。すなわち、この例では、第４高調波発生により２７０ｎｍ以下のレーザー光が波長変換光として出射される。
【００７７】
偏光調整手段２は、基本波又は波長５３２ｎｍの第２高調波に作用することができる。偏光調整手段２が第２高調波に対して作用する場合、第２高調波の第２非線形光学結晶３ｂにおいて波長変換に寄与する偏光成分を調整することができる。なお、図７に示すように、第１非線形光学結晶３ａは、レーザー光源１を構成する共振器の内部に配置しても良い。
【００７８】
図８に示す例では、非線形光学結晶３として、第１非線形光学結晶３ａ、第２非線形光学結晶３ｂ、第３非線形光学結晶３ｃが設けられている。これらの第１非線形光学結晶３ａ、第２非線形光学結晶３ｂ、第３非線形光学結晶３ｃは、レーザー光源１の外部に配置されている。
【００７９】
レーザー光源１からの波長１０６４ｎｍのレーザー光は、第１非線形光学結晶３ａにより波長５３２ｎｍの第２高調波に変換される。この第２高調波は、第２非線形光学結晶３ｂにより、波長２６６ｎｍの第４高調波に変換される。第３非線形光学結晶３ｃには、第４高調波と波長１０６４ｎｍの残存基本波とが入射する。
【００８０】
第３非線形光学結晶３ｃは、第４高調波と残存基本波との和周波混合により、波長２１３ｎｍのレーザー光を出射する。すなわち、この例では、波長変換光は、基本波と第４高調波の和周波混合により発生する２１６ｎｍ以下の紫外光である。
【００８１】
図８に示すように、偏光調整手段２は、基本波、波長５３２ｎｍの第２高調波又は波長２６６ｎｍの第４高調波に対して作用する。偏光調整手段２が第２高調波に対して作用する場合、第２高調波の第２非線形光学結晶３ｂにおいて波長変換に寄与する偏光成分を調整することができる。偏光調整手段２が第４高調波に対して作用する場合、第４高調波の第３非線形光学結晶３ｃにおいて波長変換に寄与する偏光成分を調整することができる。
【００８２】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１ レーザー光源
２ 偏光調整手段
３ 非線形光学結晶
４ ダイクロイックミラー
５ 空間コヒーレンス劣化手段
６ 部分反射ミラー
７ 光検出器
８ 制御器
９ 参照用電圧発生器
１０ 分圧回路
１１ コンピュータ
１２ モータ制御器
１３ １／２波長板
２０ 偏光調整手段
２１ 光弾性体
２２ 圧電素子
２３ バネ
Ｌ１ レーザー光
Ｌ２ 波長変換光
Ｌ３ 残存基本波光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本波を発生するレーザー光源と、
前記基本波又はその高調波を入射光として、波長変換光を発生する少なくとも１つの非線形光学結晶と、
前記入射光の光路上に配置され、当該入射光の偏光成分に対する屈折率を変化させて、前記波長変換光の出力を変化させる偏光調整手段と、
を備える光源装置。
【請求項２】
前記波長変換光の出力を電気信号出力に変換する光出力測定器を備え、
前記偏光調整手段は、前記光出力測定器からの前記電気信号出力に応じて前記屈折率の変化量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記入射光の光路上に設けられ、前記偏光調整手段に印加される電気信号が略一定となるように、前記入射光のうち前記非線形光学結晶に入射して波長変換に寄与する偏光成分を調整する位相差板をさらに備える請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記波長変換光の光路上に設けられ、前記波長変換光の空間コヒーレンスを劣化させる光学手段を備える請求項１、２又は３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記光学手段は、回転駆動される光学素子、液晶空間光変調素子又は形状可変鏡を含むことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記偏光調整手段は、光弾性効果又は電気光学効果によって屈折率変化を生じる光学素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は第４高調波発生による２７０ｎｍ以下の紫外光であり、
前記偏光調整手段は、前記基本波又は第２高調波に対して作用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は前記基本波と第４高調波の和周波混合により発生する２１６ｎｍ以下の紫外光であり、
前記偏光調整手段は、前記基本波、第２高調波又は第４高調波に対して作用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記レーザー光源は、縦マルチモードの基本波を発生することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１】
基本波を発生するレーザー光源と、
前記基本波又はその高調波を入射光として、波長変換光を発生する少なくとも１つの非線形光学結晶と、
前記入射光の光路上に配置され、当該入射光の偏光成分に対する屈折率を変化させて、前記波長変換光の出力を変化させる偏光調整手段と、
を備える光源装置。
【請求項２】
前記波長変換光の出力を電気信号出力に変換する光出力測定器を備え、
前記偏光調整手段は、前記光出力測定器からの前記電気信号出力に応じて前記屈折率の変化量を変化させることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記入射光の光路上に設けられ、前記偏光調整手段に印加される電気信号が略一定となるように、前記入射光のうち前記非線形光学結晶に入射して波長変換に寄与する偏光成分を調整する位相差板をさらに備える請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記波長変換光の光路上に設けられ、前記波長変換光の空間コヒーレンスを劣化させる光学手段を備える請求項１、２又は３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記光学手段は、回転駆動される光学素子、液晶空間光変調素子又は形状可変鏡を含むことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記偏光調整手段は、光弾性効果又は電気光学効果によって屈折率変化を生じる光学素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は第４高調波発生による２７０ｎｍ以下の紫外光であり、
前記偏光調整手段は、前記基本波又は第２高調波に対して作用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記基本波の波長は１０３０〜１０８０ｎｍ、前記波長変換光は前記基本波と第４高調波の和周波混合により発生する２１６ｎｍ以下の紫外光であり、
前記偏光調整手段は、前記基本波、第２高調波又は第４高調波に対して作用することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記レーザー光源は、縦マルチモードの基本波を発生することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−４３５４８（Ｐ２０１１−４３５４８Ａ）
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８９９１２（Ｐ２００９−１８９９１２）
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３日（２０１１．３．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１９日（２００９．８．１９）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
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