超小型の微小共振器デバイスで真空深紫外光を発生：大型レーザー光源の小型化に期待

大阪大学や立命館大学、京都大学らの研究グループは、従来とは異なる超小型の微小共振器デバイスを開発し、波長変換によって波長199nmの真空深紫外（VUV）光を発生させることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

DBRの材料を工夫すれば、より短波長でのデバイス動作も期待

　大阪大学や立命館大学、京都大学らの研究グループは2024年12月、従来とは異なる超小型の微小共振器デバイスを開発し、波長変換によって波長199nmの真空深紫外（VUV）光を発生させることに成功したと発表した。

　波長が200nm以下のVUVレーザー光源は、極めて小さなスポットに集光できるため、微細加工やフォトリソグラフィ、ウエハーやフォトマスクの検査といった用途で需要が拡大している。ただ、従来のVUVレーザー光源は大型でランニングコストが高い、などの課題があった。こうした中で、波長変換技術を用いた全固体VUVレーザー光源が期待されている。しかし、既存の波長変換結晶ではVUV帯域で第二高調波発生（SHG）の位相整合が達成できなかったという。

SBO微小共振器型波長変換デバイスのイメージ図［クリックで拡大］ 出所：大阪大学他

　研究グループはこれまで、微小共振器型のデバイス構造を提案してきた。厚みがコヒーレンス長の波長変換結晶からなる共振器の内部にレーザー光を強く閉じ込め、そこから効率よく発生する変換光の反射位相を精密に制御することで、効率の良い波長変換を実現しようという考えである。

　今回は、吸収端波長が130nmと極めて短く、高い光学非線形性と光損傷耐性を示しながらも、強誘電性や複屈折性を持たないSrB₄O₇（SBO）結晶に注目。SBO波長変換層を高反射分布ブラッグ反射器（DBR）で挟みこんだ微小共振器型SHGデバイスを設計した。この構造を最適化したところ、厚みが数μmというデバイスで高い波長変換効率を示すことが分かった。その上で、SBO微小共振器型SHGデバイスを試作し、これに波長398nmの青紫色レーザー光を入射した。この結果、波長199nmのVUV光を発生させることに成功した。

　実験で得られたSH光の波長である199nmは、既に実用化されている波長変換結晶の「BBO（βBaB₂O₄）」や 「CLBO（CsLiB₆O₁₀）」の理論最短SH波長を下回っている。開発した技術を応用することで、大型で複雑だった従来の全固体VUVレーザーシステムを、直線型のシンプルな構造にすることが可能となった。さらに、DBRに用いる材料を工夫すれば、より短波長でのデバイス動作も期待できるという。

左は波長199nmのSH光および入射光のスペクトル、中央はSH光強度の入射光パワー依存性、右はSH光強度のSH光中心波長依存性［クリックで拡大］ 出所：大阪大学他

左は従来型、右はSBO微小共振器型SHGデバイスを用いた全固体VUVレーザー光源の構成図［クリックで拡大］ 出所：大阪大学他

　今回の研究成果は、大阪大学レーザー科学研究所の南部誠明助教や吉村政志教授、大阪大学大学院工学研究科の上向井正裕助教、谷川智之准教授、森勇介教授、片山竜二教授、立命館大学総合科学技術研究機構の藤原康文教授および、京都大学大学院工学研究科の石井良太助教、川上養一教授らによるものである。