深紫外ダイオードレーザの短波長化

ウルリッヒ・アイスマン、マチアス・ショルツ、ティム・パーシュ=コルベルク、ユルゲン・シュトゥーラ

周波数変換ダイオードレーザは、真空UVの 200nm以下まで連続波を生成する。

研究および産業分野の多くのフォトニクス応用で、紫外（UV）レーザ光が求められている。従来のレーザシステムでUV光を出せるものはわずか数タイプしか存在せず、しかもそれらは固定波長である。
　ここでは、連続波可変UV出力ダイオードレーザシステムの最新の開発を紹介する。この最新成果では、デジタル制御エレクトロニクスが性能改善、使いやすさを実現している。新しい周波数逓倍技術により、出力向上、長期安定動作が可能になり、結晶材料研究が非線形変換における古典的限界の克服に寄与し、周波数逓倍出力波長は193nm以下が可能になっている。
　深紫外（DUV）領域（300nm以下の波長領域）で動作する新しいレーザ光源は、産業応用や科学応用を効率的にする。例えば、先端的半導体リソグラフィや検査は現在、いささか高価な193nmパルスエキシマレーザを利用して行われる。露光ウエハの化学線検査、つまり露光波長での検査は、連続波光源の方が便利である。
　科学分野では、アプリケーションとして角度分解紫外光電子分光法（ARPES）がある。この場合、研究者は、新しい材料のブリルアン領域の大部分を計測するために高エネルギーフォトンを必要としている。170〜205nm波長で狭帯域発光のレーザが最も有効であることが証明されている。ハイバンドギャップ材料のフォトルミネセンス研究では200nm以下の波長も必要とされている。こうした材料はUV LED実現のために研究中である（1）。また、ラマン分光領域に新しいアプリケーションがでてきている、例えばタンパク質構造分析や太陽バックグラウンドを超えるラマン分光である（2）。
　量子技術では、可変DUVレーザは高分解能分光計測やレーザ冷却に用いられる。例えば、原子時計はアルミニウムや水銀イオンにおける光遷移に直接アクセスできることで大幅に改良できる。また、将来的にはトリウムで原子光時計が実現する可能性がある（3）、（4）。

短波長ダイオードレーザ

ダイオードレーザはコンパクトで軽量、非常にエネルギー効率がよく、メンテナンスがほとんど不要であり、相対的にローコストである。科学・研究分野は、ダイオードレーザ技術の恩恵を受けている、特にそれらの分野は改善された放出光や、波長可変性に依存するところが多い。その例として、外部反射グレーティングを使用する狭線幅レーザ、これは外部キャビティダイオードレーザ（ECDL）が知られている。この技術を使い、トプティカ社のこのタイプのレーザは自走線幅数kHzを達成している。ECDL技術を使わないダイオードレーザと比較すると、こちらは数100GHzである。
　ECDLのもう1つの利点は、レーザ発振波長を、モードホップなしで十分に制御して連続的に可変できることである。通常、モードホップフリー可変範囲は30〜50GHzが達成されており、粗チューニングは数ナノメートルである。先進的ECDL技術により、モードホップなしで110nmを超えるスキャンも可能である。
　信頼性のある長寿命のダイオードレーザを実現するための半導体材料とその発振波長との完璧な組み合わせは、まだ課題になっている。これまでのところ、赤外領域だけが、異なる半導体を用いて準連続的に利用可能になっている。青色と紫外波長では、488、455、405、375nm波長を含むスペクトル領域をカバーする材料がいくつか存在する。現在、市販で入手可能な最短波長は370nm付近である。今まで、ダイレクトダイオードレーザ技術ではDUV領域の発光はできない。

周波数逓倍により短波長化

ダイオードレーザの波長範囲を広げる別の方法は、レーザ光の周波数を2倍にする第2高調波発生（SHG）である。効率的な周波数逓倍プロセスには、いくつかの技術課題がある。エネルギー保存以外に、3つの関連するフォトン（2入力と1出力）の運動量保存基準が満たされなければならない。これには同じ位相速度が必要になり、したがって非線形結晶内のフォトンにとって屈折率が同じでなければならない。
　通常、波長が異なると分散が屈折率の同一性の妨げになる、つまり位相速度を同じにするために結晶の温度とともに、フォトンの偏向や伝搬方向が最適化されるような特殊条件ができていない場合である。この、いわゆる位相整合は、非線形結晶が特殊な角度でカットされていることを必要とする。さらに調整可能なマウントや温度安定性以外に機械的に安定でなければならない。
　非線形特性のために、SHGプロセスは十分な基本波レーザのパワーを必要とする。非線形結晶を透過した後、共振光キャビティで非線形結晶を封じ込め、残っている最初の光を再利用することで周波数逓倍効率が数ケタ向上する。干渉パワー増強は、レーザの線幅が数MHzのキャビティ線幅を大幅に下回る条件でのみ達成される。最先端のECDLは、この基準を簡単に満たしており、その出力は半導体テーパー増幅器（TA）を用いて増幅できるので、ECDLは周波数変換レーザシステムの基本光源に理想的な候補となる。
　共振動作を維持するために、キャビティの光路長は基本レーザ波長の整数倍でなけばならない。これは、コントロールループの圧電アクチュエータによる調整で達成される。エラー信号生成には、トプティカ社のSHGシステムは、PDH法（レーザ周波数安定化法）を使用する。それが最高速で最も信頼性が高い技術だからである。制御信号はデジタル的に処理されるが、2つの圧電アクチュエータスキームは、スローな変動あるいは波長スキャンに大きな振幅を与える。また、音響ノイズや振動の補償には30kHz程度の高帯域にする。
　それらのTAチップなど必須の光半導体材料、それに周波数逓倍技術の着実な改善が、周波数逓倍ダイオードレーザシステムの出力増をもたらした（図1）。現在、2Wを上回る出力パワーが可視光領域、およびUV波長に近い領域で利用できる（5）。また、これらの領域における多くのスペクトルギャップは、最近埋められた。例としては、400nm付近の領域（イッテルビウムとカルシウムイオン冷却）、461nm（ストロンチウム冷却）、480nm（ルビジウムのリュードベリ励起）、556nm（イッテルビウムレーザ冷却）、589nm（ナトリウムレーザ冷却）、それに671nm（リチウムレーザ冷却）。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2016/11/LFWJ1609ft2.pdf