DE3887322T2

DE3887322T2 - Verfahren zur stabilisierung der laserwellenlänge und so stabilisierte laseranordnung.

Info

Publication number: DE3887322T2
Application number: DE88909365T
Authority: DE
Inventors: Jp; Kenyu Haruta; Hiromi Mitsubishi Denki Kaneko; Yoshibumi Mitsubishi De Minowa; Denki Engineering M Mitsubishi; Denki Kabushik -Cho Mitsubishi; Denki Kabushiki -Ch Mitsubishi; Hiroyuki Mukumoto; Haruhiko Nagai; Hajime Mitsubishi Den Nakatani; Hitoshi Wakata; Kenichi Mitsubishi Denk Yasuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2008-10-29
Also published as: CA1313688C; EP0341315B1; EP0341315A4; US5107511A; EP0341315A1; WO1989004075A1; DE3887322D1; KR890702304A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren einer Laserwellenlänge und eine Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge.
Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Schmalbandlasers, wie er z.B. in "CAN. J. PHYS.", Vol. 63. ('85) 214 erläutert ist.
In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Lasermedium, 2 einen Vollreflektionsspiegel, 3 einen Spiegel mit unvollständiger Reflektion, 4 ein Etalon für die Grobabstimmung, 5 ein Etalon für die Feinabstimmung, und 6 einen Laserstrahl.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der Laservorrichtung erläutert. Gemäß Fig. 1 ist das Lasermedium 1 normalerweise von einem Lichtresonator umgeben, der aus dem Vollreflektionsspiegel 2 und dem Spiegel 3 mit unvollständiger Reflektion besteht, und das Licht wird verstärkt, während es viele Male in dem Lichtresonator umläuft, und dann wird das Licht als Laserstrahl 6 ausgegeben. Auf diese Weise haben einige der Laserresonatoren, z.B. Excimer-Laser, Halbleiter-Laser, Pigment-Laser und einige Arten von Festkörper-Lasern, eine Schwingungswellenlänge mit beträchtlicher Breite. Durch Einführen von Spektroskopieelementen in den Lichtresonator kann die Schwingungswellenlänge der Laserresonatoren verkleinert werden. Beispielsweise kann ein extrem nahe an der Monofarbe liegender Laserstrahl erzeugt werden, indem mehrere Fabry-Perot-Etalons (im folgenden verkürzt als Etalon bezeichnet) verwendet werden.
Die folgenden Erläuterungen betreffen insbesondere den Fall, daß zwei Etalons, d.h. das Etalon 4 für die Grobabstimmung und das Etalon für die Feinabstimmung, in den Lichtresonator eingeführt sind. Fig. 2 veranschaulicht das Prinzip, daß die Schwingungswellenlänge verengt ist, und (a) zeigt die Spektroskopiecharakteristik des Etalons für die Grobabstimmmung. Die Stelle mit der Spitze λ jedes Berges der Spektroskopiecharakteristik wird durch die folgende Gleichung (1) dargestellt.
Dabei bezeichnet n den Brechungsindex eines Materials, das sich zwischen zwei das Etalon bildenden Spiegeln befindet, d den Abstand zwischen den Spiegeln, θ&sub1; den Winkel des Auftreffens des Lichtes auf das Etalon, und m eine Ganzzahl. Die Spitzen entsprechen der Differenz des Wertes von m. Wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, kann die Spitzenwellenlänge des Berges beliebig geändert werden, indem die Werte von n, d und θ geändert werden. Der Abstand zwischen den Spitzen wird als freier Spektralbereich bezeichnet (im folgenden als FSR abgekürzt) und ist durch die folgende Gleichung (2) bestimmt.
Die halbe Bandbreite Δλ&sub1; jeder Spitze ist durch die folgende Gleichung (3) bestimmt.
Hier bedeutet Finesse (Feinheit) und ist durch die Eigenschaften des Etalons definiert.
Fig. 2(c) zeigt die Spektroskopie-Verstärkungsfaktorcharakteristik eines Lasermediums. Wenn in dem Lichtresonator keine Spektroskopieelemente vorhanden sind, wird das Licht zu einem Laserstrahl im Bereich des vorhandenen Verstärkungsfaktors verstärkt. Zu diesem Zeitpunkt wird aufgrund des Vorhandensein des Etalons für die Grobabstimmung ein Zustand realisiert, in dem der Verlust nur an der Position von λ&sub0; gering ist; somit wird Licht nur in der Nähe der Wellenlänge verstärkt und zum Schwingen gebracht, indem d&sub1; und dgl. derart bestimmt werden, daß die Spitzenposition λm&sub1; des Etalons für die Grobabstimmung einer jeden Wellenlänge λ&sub0; in dem Bereich gleich ist, in dem eine Verstärkung erfolgt, und daß Spitzen außerhalb λm&sub1; nicht in die Wellenlänge gelangen, in der eine Verstärkung erfolgt.
Der Mindestwert von FSR&sub1; tritt auf, wenn nur eine Spitze vorhanden ist. Die Feinheit wird durch das Verhalten des Etalons bestimmt, und diese Feinheit beträgt etwa zwanzig, so daß sich eine Begrenzung der Wellenlängenbreite ergibt, welche durch nur ein Etalon für die Grobabstimmung verengt werden kann.
Hier wird ein weiteres Etalon 5 für die Feinabstimmung verwendet. Die Spektroskopiecharakteristik sollte gemäß (b) in Fig. 2 beschaffen sein. Zu dieser Zeit sollte die Wellenlänge λm&sub2; der Spitze den Wert λ&sub0; aufweisen, und FSR&sub2; sollte FSR&sub2; ≥ Δλ&sub1; sein.
Wenn eine engere Wellenlänge eingestellt werden soll, kann ein anderes Etalon gewählt werden.
Auf diese Weise - indem zwei Etalons verwendet werden - schwingt der Laserstrahl, dessen Spektroskopiecharakteristik urspünglich gemäß (c) in Fig. 2 beschaffen war, nur in einem sehr engen Bereich, wobei λ&sub0;, wo die Spitzen eines jeden Etalons einander überlappen, das Zentrum bildet, wie Fig. 2(d) zeigt. Tatsächlich passieren Laserstrahlen während der Oszillation mit großer Häufigkeit die Etalons, und die Wellenlängenbreite des Laserstrahls wird zu 1/2 - 1/10 der Wellenlänge der durch die zwei Etalons bestimmten Wellenlänge.
Auf die vorstehend aufgeführte Weise kann die Wellenlänge des Laserstrahls - wie in der genannten Veröffentlichung beschrieben - verengt werden, und die Stabilität über kurze Dauer wird erhöht, indem der Lichtresonator verbessert und der Einfallswinkel θ klein bemessen wird; bei der Stabilität über eine lange Dauer besteht jedoch ein thermisches Problem, insbesondere in Form einer Wellenlängenverschiebung aufgrund der Hitzeentwicklung, die entsteht, wenn der Laserstrahl die Etalons durchläuft. Dieses Problem wird im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert.
Fig. 3(a) zeigt eine vergrößerte Spektroskopiecharakteristik des Etalons für die Grobabstimmung, und die durchgezogene Linie zeigt die Spektroskopiecharakteristik unmittelbar nach der Oszillation. Dabei ist anzumerken, daß die Erzeugung von Wärme nach der Oszillation eine Deformierung der Etalons bewirkt. Die Deformation verschlechtert nicht die Charakteristik der Etalons, jedoch verändert sie die Spaltlänge der Etalons und verschiebt deshalb die Wellenlängen. Es existiert die in Gleichung (4) ausgedrückte Beziehung zwischen dem Verschiebungsbetrag und der Veränderung von d aufgrund der Etalon-Deformation.
Hier wird die Richtung der Wellenlängenverschiebung durch die Struktur des Etalons und dgl. bestimmt, und aufgrund der Erzeugung von Wärme durch den Laserstrahl verschiebt sich die Wellenlänge in einer bestimmten Richtung, wenn ein bestimmtes Etalon verwendet wird. Der Verschiebungszustand zu dieser Zeit ist in Fig. 3(a) durch eine unterbrochene Linie gezeigt. Auch das Etalon für die Feinabstimmung unterliegt einer ähnlichen Wellenlängenverschiebung. Dieser Zustand ist in Fig. 3(b) dargestellt. Der Verschiebungsbetrag des Etalons für die Feinabstimmung wird um den Betrag verkleinert, der die Differenz zwischen dem Etalon-Abstand d&sub2; und dem Etalon d&sub1; bildet, wenn d&sub2; größer als d&sub1; ist.
Das derzeitige Problem besteht darin, daß die Wellenlängen λm&sub1; und λm&sub2; der Spitze der Spektroskopiecharakteristik der beiden Etalons abweichen. Dann ist der Lichtübertragungsbetrag bei Überlappung der beiden Wellenlängen im Vergleich mit dem Fall, daß λm&sub1; = λm&sub2; ist, reduziert. Der Zustand der Laseroszillation zu dieser Zeit ist in Fig. 3(c) gezeigt. Nach einer langen Oszillation zeigt der Laserausgang Wellenlängenverschiebungen von λm&sub1; = λm&sub2;, und die Ausgangsleistung wird reduziert. Wenn der Verschiebungsbetrag groß ist, kann eine Oszillation sogar in einem anderen Modus als bei dem Etalon für die Feinabstimmung erfolgen.
Eine wie oben beschrieben ausgebildete herkömmliche Schmalbandlaservorrichtung weist keine Einrichtung zum Kompensieren der aufgrund des thermischen Problems von Etalons auftretenden Wellenlängenverschiebung und auch keine Einrichtung zum Stoppen der bei Verwendung zweier Etalons auftretenden Ausgangsleistungsreduzierung auf, und somit leidet diese Vorrichtung unter dem Problem, daß sie nur für einen Laser mit niedriger Ausgangsleistung verwendbar ist, bei dem die Auswirkung der Wärmedeformation gering ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Laservorrichtung mit einem Laseroszillator mit variabler Wellenlänge vorgesehen, der ein Fabry-Perot-Etalon für die Feinabstimmung und ein Fabry-Perot-Etalon für die Grobabstimmung für die Auswahl der Laseroszillationswellenlänge in einem Lichtresonator aufweist, und der gekennzeichnet ist durch ein Wellenlängenmonitorsystem für die Überwachung der Wellenlänge des von dem Laseroszillator emittierten Laserstrahls, um ein für die Schwingungswellenlänge repräsentatives Ausgangssignal zu erzeugen; ein Servosystem zum Regeln des Fabry-Perot-Etalons für die Feinabstimmung auf der Basis des Ausgangssignals des Wellenlängenmonitorsystems; eine Einrichtung zum Bestimmen der dem Lasermedium zugeführten Spannung und/oder der Laserausgangsleistung, und ein weiteres Servosystem zum Regeln des Fabry-Perot-Etalons für die Grobabstimmung auf der Basis des Ausgangssignals der Bestimmungseinrichtung.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Stabilisieren der Laserwellenlänge eines Laseroszillators mit variabler Oszillationswellenlänge vorgeschlagen, der ein erstes Fabry-Perot-Etalon für die Feinabstimmung und ein zweites Fabry-Perot-Etalon für die Grobabstimmung aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Bestimmen der Oszillationswellenlänge des Laserstrahls des Laserozillators durch Spektroskopie; Regeln des ersten Fabry-Perot-Etalons auf der Basis der Oszillationswellenlänge, um die Wellenlänge des Laserozillators mittels der Oszillationswellenlänge zu stabilisieren; Bestimmen der dem Lasermedium zugeführten Spannung und/oder der Laserausgangsleistung, um basierend darauf das zweite Fabry- Perot-Etalon zu regeln und dadurch die Ausgangsleistung des Laseroszillators auf einem gewünschten Wert zu stabilisieren.
Ausführungsformen des nach der Erfindung vorgesehenen Verfahrens zum Stabilisieren der Laserwellenlänge betreffen das Stabilisieren der Wellenlänge des Laserstrahls mittels Spektroskopie von einem Teil der Laserstrahlwellenlänge, der durch zwei Etalons selektiert ist, und durch Regeln eines Etalons auf der Basis des Analyseergebnisses des Laserstrahlspektrums, und sie betreffen die Reduzierung des Laserstrahls durch Messen der Veränderung der Ausgangsleistung des Laserstrahls aus einem Teil des Laserstrahls und durch Regeln eines weiteren Etalons gemäß der Analyse der Veränderung der Ausgangsleistung.
Eine Ausführungsform der nach der Erfindung vorgesehenen Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge weist auf: ein Servosystem, das die Wellenlänge wählt, indem es zwei Etalons verwendet, nämlich das Etalon für die Feinabstimmung und das Etalon für die Grobabstimmung, und das einen aus dem Laseroszillator herausgenommenen Teil des Laserstrahls einem Wellenlängenmonitorsystem zuführt, um die Oszillationswellenlänge zu messen, und um zur Veränderung der Wellenlänge das Etalon für die Feinabstimmung mittels der gemessenen Wellenlänge zu regeln, ein Leistungsmonitorsystem, das einen Leistungsmesser zum Messen der Abweichung der Laserausgangsleistung unabhängig von dem Wellenlängenmonitorsystem und ein Teil zum Aufzeichnen der Abweichung der Ausgangsleistung aufweist, und ein Servosystem zum Regeln des Etalons für die Grobabstimmung auf der Basis von Signalen des Leistungsmonitorsystems.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge ein Servosystem auf, das die Wellenlänge wählt, indem es zwei Etalons verwendet, nämlich das Etalon für die Feinabstimmung und das Etalon für die Grobabstimmung, das einen aus dem Laseroszillator herausgenommenen Teil des Laserstrahls zur Messung der Oszillationswellenlänge abführt, das die Wellenlänge verändert, indem das Etalon für die Feinabstimmung gemäß dem ersten Servosystem geregelt wird, das die dem Lasermedium zugeführte Spannung mißt, und das das Etalon für die Grobabstimmung auf der Basis der Abweichung der gemessenen Betriebsspannung regelt.
Eine Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist auf: das Servosystem, das die Wellenlänge durch Verwendung zweier Etalons selektiert, nämlich des Etalons für die Feinabstimmung und des Etalons für die Grobabstimmung, das ferner einen aus dem Laseroszillator herausgenommenen Teil des Laserstrahls dem Wellenlängenmonitorsystem zuführt, um die Oszillationswellenlänge zu messen, und das das Etalon für die Feinabstimmung regelt, sowie ein Servosystem, das die Laserausgangsleistung an dem Leistungsmonitorsystem mißt, die dem Lasermedium zugeführte Spannung regelt, die zugeführte Spannung mißt und das Etalon für die Grobabstimmung auf der Basis des Analsysergebnisses regelt.
Eine Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist ein Servosystem auf, das die Wellenlänge durch Verwendung zweier Etalons selektiert, nämlich des Etalons für die Feinabstimmung und des Etalons für die Grobabstimmung, ferner den aus dem Laseroszillator herausgenommenen Teil des Laserstrahls dem Wellenlängenmonitorsystem zuführt, um die Oszillationswellenlänge zu messen, das Etalon für die Feinabstimmung mittels der gemessenen Wellenlänge regelt und die Wellenlänge verändert und ferner die Laserausgangsleistung an dem Leistungsmonitorsystem mißt, und das die Regelung der Betriebsspannung zu dem Lasermedium und das Etalon für die Grobabstimmung auf Zeitteilungsbasis regelt, um die Laserausgangsleistung konstant zu machen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Schmalbandlasers;
Fig. 2 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung des mit zwei Etalons durchgeführten Bestimmungsverfahrens für die Wellenlänge;
Fig. 3 zeigt eine Ansicht zur Veranschaulichung der Tatsache, daß die Veränderung der Ausgangsleistung aufgrund der Differenz der Wellenlängenverschiebungen der beiden Etalons erfolgt;
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht des nach einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Lasers mit stabilisierter Wellenlänge, bei dem ein Wellenlängenmonitorsystem und ein Leistungsmonitorsystem verwendet werden;
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Wellenlängenmonitorsystems;
Fig. 6 zeigt ein Verteilungsdiagramm der Intensitätsverteilung der Interferenzlinie an dem Aufnahmeelement des Wellenlängenmonitorsystems;
Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm des Verlaufs des Verfahrens zum Stabilisieren der Laserwellenlänge;
Fig. 8 zeigt ein weiteres Flußdiagramm des Verlaufs des Verfahrens zum Stabilisieren der Laserwellenlänge bei Verwendung der in Fig. 4 gezeigten Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge;
Fig. 9 zeigt eine schematische Ansicht des nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Lasers mit stabilisierter Wellenlänge, bei dem ein Betriebsspannungserzeugungssystem verwendet wird;
Fig. 10 zeigt ein weiteres Flußdiagramm des Verlaufs des Verfahrens zum Stabilisieren der Laserwellenlänge bei Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge;
Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm der parallelen Regelung der Laserausgangsleistung;
Fig. 12 zeigt ein Flußdiagramm der Laserausgangsleistung mit Zeitteilung;
Fig. 13 zeigt die Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge zur Ausführung des Ablaufs gemäß Fig. 11; und
Fig. 14 zeigt die Laservorrichtung mit stabilisierter Wellenlänge zur Ausführung des Ablaufs gemäß Fig. 12.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Im folgenden wird anhand der Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert. In Fign. 4 und 5 sind die Bezugszeichen 1 - 5 die gleichen wie bei der herkömmlichen Vorrichtung. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Laserstrahl, 7 ein Wellenlängenmonitorsystem, 8 ein Regelsystem, 9 ein Leistungsmonitorsystem, 10 und 11 Servosysteme zum Regeln der Etalons, 12 einen Integrator, 13 ein Fabry-Perot-Etalon, 14 eine Fokussierlinse, 15 ein Aufnahmeelement zur Beobachtung einer durch das Fabry-Perot-Etalon 13 bewirkten Interferenzlinie, wobei es sich z.B. um einen eindimensionalen Bildsensor handelt. 16 bezeichnet eine Bildverarbeitungseinheit zum Analysieren der Interferenzlinie.
Im folgenden wird die Arbeitsweise erläutert. In der gleichen Weise wie bei dem herkömmlichen Beispiel kann die Ausführungsform der Erfindung einen Laserstrahl 6 mit beliebiger Wellenlänge λ&sub0; erzeugen, dessen Oszillationswellenlänge schmal ist und sich in dem Bereich befindet, in dem eine Verstärkung erfolgt. Der diese Merkmale aufweisende Laserstrahl ist jedoch, wie zuvor beschrieben, hinsichtlich seiner Wellenlänge und seiner Ausgangsleistung instabil, so daß das im folgenden zu beschreibende Regelsystem für das Etalon erforderlich ist.
Zunächst wird das Regelsystem für das zur Feinabstimmung vorgesehene Etalon erläutert.
Gemäß Fig. 5 wird ein Teil des Laserstrahls 6 zu dem Wellenlängenmonitorsystem geleitet. Für das Wellenlängenmonitorsystem 7 wird beispielsweise, wie in "IEEE Journal Quantum Electronics" QE-14 ('78) 17 beschrieben, ein Etalon, Prisma, Gitter, Fizeau-Interferometer und dgl. verwendet, dessen Funktion in der Erzeugung von Spektroskopie liegt; im Zusammenhang mit der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung jedoch wird der Fall erläutert, in dem ein Etalon und ein Aufnahmeelement verwendet werden.
Das Wellenlängenmonitorsystem weist einen Integrator 12 zum Abschwächen und Zerlegen des Laserstrahls, ein Etalon 13 und eine Linse 14 auf. Von den von dem Integrator 12 geschaffenen divergierenden Komponenten können lediglich Komponenten mit einem bestimmten Einfallswinkel das Etalon durchlaufen und eine Fokussierlinse 14 erreichen. Unter der Annahme, daß die Brennweite der Linse f beträgt, sammelt sich das Licht, das eine Komponente θ aufweist, an einer um fθ von der Achse der Linse entfernten Position an dem Brennpunkt, um eine kreisförmige Interferenzlinie zu bilden. Daraufhin kann, indem mittels des Aufnahmeelementes die Position beobachtet wird, wo sich das Licht sammelt, θ ermittelt werden, wodurch λ gemäß der erwähnten Transmisionsgleichung der Wellenlänge des Etalons errechnet werden kann.
Die Lichtintensitätsverteilung des Aufnahmeelementes ist in Fig. 6 dargestellt. Die Ordinatenachse zeigt die Ausgangsleistung, und die Abszissenachse zeit den Abstand f vom Zentrum der Interferenzlinie. Jeder Berg entspricht dem Differenzwert m eines Etalon-Grades. Der Abstand zwischen den Bergen wird als freier Spektralbereich bezeichnet, und die Wellenlänge kann in diesem Bereich bestimmt werden. Ferner sollte, da der freie Spektralbereich durch das Design von FP bestimmt ist, eine Wellenlängenverschiebung mit größerer Breite einkalkuliert sein, als tatsächlich zu erwarten ist.
Da jeder Berg eine Lichtintensitätsverteilung aufweist, die der Wellenlängenverteilung des Laserstrahls entspricht, ist eine Bildverarbeitungseinheit 16 erforderlich. Ferner wird im vorliegenden Fall die Wellenlänge λ errechnet, und die Einstellung der Wellenlänge des Oszillators wird durch das Servosystem 10 durchgeführt.
Fig. 7(A) ist ein Flußdiagramm des Ablaufs des Verfahrens zum Stabilisieren der Laserwellenlänge und zeigt ein Beispiel der Durchführung der Regelung der Oszillationswellenlänge.
In Schritt 17 wird die Spektroskopie durch den Laserstrahl mittels des Etalons 13 erzeugt, und in Schritt 18 wird mittels des Aufnahmeelementes die eindimensionale Lichtintensitätsverteilung gemessen. In Schritt 19 werden die Meßdaten verwischt, und es wird ein Bildverarbeitungsablauf durchführt, beispielsweise das Entfernen von Störrauschen und dgl. In Schritt 20 wird die Position x, die die höchste Intensität zeigt, mit dem Wert x&sub0; verglichen (dem Koordinatenwert der bestimmten Position, die der bestimmten Wellenlänge entspricht), und wenn diese sich voneinander unterscheiden, wird das Etalon 5 für die Feinabstimmung durch das Servosystem 10 gemäß x > x&sub0; oder x < x&sub0; geregelt, und die zentrale Wellenlänge λm&sub2; des Übertragungsbereiches des Etalons wird geändert (Schritt 22), und der Ablauf kehrt wieder zu Schritt 17 zurück, und die Operation wird wiederholt, bis x = x&sub0; ist. Auf die oben beschriebene Weise wird die Oszillationswellenlänge konstant gehalten, indem das Etalon für die Feinabstimmung geregelt wird.
Im folgenden wird das Regelsystem für das zur Grobabstimmung vorgesehene Etalon erläutert. Gemäß Fig. 4 wird ein Teil des Laserstrahls dem Leistungsmonitor 9 zugeführt. Der Leistungsmonitor 9 besteht aus einem Teil zur Messung der Laserausgangsleistung und einem Teil zum Aufzeichnen der erhaltenen Laserausgangsleistung, und wenn das Etalon für die Grobabstimmung in einer der Richtungen geregelt wird, wird mit Hilfe des Leistungsmonitors bestimmt, wie das Etalon für die Grobabstimmung als nächstes eingestellt wird. Entsprechend dieser Bestimmung wird die zentrale Wellenlänge λm&sub2; des Etalons 4 für die Grobabstimmung von dem Servosystem 11 geregelt. Das Flußdiagramm dieser Regelung ist in Fig. 7(B) gezeigt. Wenn die Laseroszillation beginnt, wird der Zustand gemäß Fig. 3 geschaffen, wodurch die Laserausgangsleistung geändert wird. Anschließend wird in Schritt 23 die Ausgangsleistung p gemessen, wobei das Ergebnis der Messung aufgezeichnet wird, und in Schritt 25 wird das Ergebnis mit dem zuvor gemessenen Ergebnis P&sub0; verglichen. Wenn sich die Ausgangsleistungen voneinander unterscheiden, wird das Etalon für die Grobabstimmung mittels des Servosystems 11 gemäß p > p&sub0; oder p < p&sub0; nachgestellt. Der Ablauf wird fortgesetzt, bis das Etalon 4 für die Grobabstimmung ein Wärme-Gleichgewicht erreicht und die Laserausgangsleistung konstant ist.
Die Regelung der beiden Etalons 4 und 5 kann gleichzeitig ausgeführt werden, jedoch kann z.B. die Laserausgangsleistung Schwankungen unterworf en sein, und zwar aufgrund einer zu starken Bewegung der zentralen Wellenlänge des Etalons 5 für die Feinabstimmung, so daß eine inkorrekte Regelung die Veränderung der Ausgangsleistung beschleunigen kann. Deshalb ist zwecks Überwachung der beiden Regelvorgänge das Regelsystem 8 vorgesehen, das eine Auswahl unter den Regelabläufen (A), (B) durchführt, was in dem Anfangsabschnitt des in Fig. 7 gezeigten Flußdiagramms dargestellt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform erhält (B) Priorität unmittelbar nach Beginn der Laseroszillation, und (A) erhält Priorität, nachdem der Betrieb bis zu einem gewissen Grad stabilisiert ist. Im folgenden wird anhand des Flußdiagramms gemäß Fig. 8 die Regelung des Etalons 4 für die Grobabstimmung in dem Fall beschrieben, daß ein Zielwert (Zielwert < Höchstausgangsleistung des Lasers) als Laserausgangsleistung eingestellt, die Laserausgangsleistung auf den Zielwert stabilisiert wird und eine Nichtregelungs-Zeitspanne unmittelbar nach dem Oszillationsbeginn vorgesehen ist. Zunächst wird in Schritt 26 die Laserausgangsleistung gemessen, und in Schritt 27 wird die aktuelle Laserausgangsleistung PN durch einen Mittelwert-Verarbeitungsablauf errechnet, wobei die in der Häufigkeit N vorhandenen Meßdaten verarbeitet werden, und in Schritt 28 wird der Absolutwert Px der Differenz zwischen der aktuellen Laserausgangsleistung PN und dem Laserausgangsleistungs-Zielwert (einem von außen einstellbaren Wert) errechnet. Als nächstes wird geprüft, ob die Zeit vom Beginn der Oszillation in der Nichtregelungs-Zeitspanne liegt oder nicht, und wenn diese in der Nichtregelungs-Zeitspanne liegt, wird das Etalon 4 für die Grobabstimmung nicht geregelt, und der Ablauf kehrt zu Schritt 26 zurück, nachdem bestätigt worden ist, daß der Laser oszilliert. Wenn die Zeit vom Beginn der Oszillation die Nichtregelungs-Zeitspanne überschreitet, wird der bereits erwähnte Betrag Px mit dem zulässigen Schwankungswert (dem von außen einstellbaren Wert) der bestimmten Laserausgangsleistung PA verglichen, und wenn Px < PA, wird die Regelung des Etalons für die Grobabstimmung nicht durchgeführt, und der Ablauf kehrt zu Schritt 26 zurück, und wenn Px > PA, wird in Schritt 29 die Regelgröße anhand Px errechnet, und in Schritt 30 wird die Regel-Richtung aus der Polarität von Px = PN - P&sub0; bestimmt, und in Schritt 31 wird das Servosystem 11 betätigt und das Etalon 4 für die Grobabstimmung derart geregelt, daß die Laserausgangsleistung mit dem eingestellten Zielwert übereinstimmt. Durch Fortführen der Regelung während der Regelung der Laseroszillation wird eine Stabilisierung der Laserausgangsleistung über eine lange Zeitdauer erreicht.
Bei dem oben beschriebenen Regelvorgang wird die Regelung des Etalons für die Grobabstimmung durchgeführt, indem die Laserausgangsleistung durch den Leistungsmomitor überwacht wird; im Zusammenhang mit Fig. 9 kann jedoch die in Fig. 10(B) gezeigte Regelung ausgeführt werden, bei der anstelle des Leistungsmonitors ein Betriebsspannungserzeugungsystem verwendet wird. Ferner kann die Regelung der Laserausgangsleistung gemäß Fig. 11 in dem Sinne parallel durchgeführt werden, daß sowohl eine Regelung der Betriebsspannung als auch eine Regelung des Grobabstimmungs-Etalons erfolgt, oder die Regelung kann gemäß Fig. 12 auf Zeitteilungsbasis erfolgen. Zunächst wird die Parallelregelung gemäß Fig. 11 erläutert. Die in diesem Fall verwendete Einrichtung ist z.B. gemäß Fig. 13 ausgebildet.
Zuerst soll die Regelung der Betriebsspannung erläutert werden. Zu Beginn wird die Laserausgangsleistung in dem Leistungsmonitorsystem 9 gemessen, und die Meßdaten werden durch eine Betriebsspannungserzeugungsschaltung um N Male zur Erstellung eines Mittelwertes verarbeitet, wodurch der aktuelle Laserausgangsleistungswert PN errechnet wird. Als nächstes wird der Absolutwert ΔP = PN - P&sub0; der Differenz zwischen PN und dem bestimmten Laserausgangsleistungswert P&sub0; (dem von außen einstellbaren Wert) errechnet, und dann wird der Wert ΔP mit dem zulässigen Abweichungswert PA (dem von außen einstellbaren Wert) der bezeichneten Laserausgangsleistung verglichen, und falls ΔP ≤ PA, wird die Oszillation fortgeführt, wobei die gegenwärtig zugeführte Spannung intakt bleibt. Falls andererseits ΔP > P ist, wird die Regelgröße der Betriebsspannung aus ΔP errechnet. Anschließend wird die Regel-Richtung der Betriebsspannung aus der Polarität von ΔP = PN - P&sub0; bestimmt, und die Betriebsspannung wird derart geregelt, daß die Laserausgangsleistung gemäß der genannten Regelgröße und der Regel-Richtung konstant wird.
Im folgenden wird die Regelung des Etalons für die Grobabstimmung erläutert. Zunächst wird in Schritt 33 die Betriebsspannung von der Betriebsspannungserzeugungseinrichtung 32 zu dem Lasermedium mittels des Regelsystems 8 gemessen.
Als nächstes werden in Schritt 34 die Meßdaten M Male gemessen und einer Mittelwertbildung unterzogen, und der aktuelle Betriebsspannungswert VN wird errechnet, und in Schritt 35 wird die Differenz ΔV = VN - V&sub0; zwischen VN und dem bestimmten Ziel-Betriebsspannungswert V&sub0; (dem von außen einstellbaren Wert) errechnet und aufgezeichnet. Da jedoch die Oszillation unmittelbar nach Oszillationsbeginn gemäß Schritt 36 instabil ist, ist zur Regelung des Etalons 4 für die Grobabstimmung die Nichtregelungs-Zeitspanne vorgesehen, und während der Zeitspanne wird der Ablauf zum Errechnen des genannten Betrages ΔV durchgeführt, jedoch wird die Regelung für das Etalon 4 für die Grobabstimmung nicht durchgeführt. Falls die Laseroszillation wie in Schritt 37 die Nichtregelungs-Zeitspanne überschreitet, wird ΔV mit dem zulässigen Schwankungswert VA (dem von außen einstellbaren Wert) verglichen, und falls ΔV ≤ VA ist, wird die Regelung für das Etalon 4 für die Grobabstimmung nicht ausgeführt, und die Oszillation wird fortgesetzt.
Falls andererseits ΔV > VA ist, wird in Schritt 38 die Regelgröße des Etalons 4 für die Grobabstimmung aus dem Wert von ΔV errechnet, und in Schritt 41 wird das Servosystem 11 angesteuert, und das Etalon 4 für die Grobabstimmung wird derart eingestellt, daß ΔV den Minimalwert annimmt. (Am Anfang wird die Regelgröße des Etalons auf die bestimmte Regel-Richtung geändert, und vom nächsten Mal an wird in Schritt 39 der aktuelle Betrag ΔV mit dem vorherigen Betrag ΔV verändert. Falls "aktueller Betrag ΔV < vorheriger Betrag ΔV", wird in Schritt 40 die Regelgröße des Etalons auf die der vorherigen Richtung entgegengesetzte Richtung geändert. In Schritt 41 wird das Servosystem angesteuert, und die Etalon- Abstimmung wird geregelt.
Wie zuvor beschrieben, kann die Laserausgangsleistung geregelt werden, indem die Regelvorgänge für die Betriebsspannung und für das Etalon 4 für die Grobabstimmung des Lasers während der Oszillation fortgesetzt werden.
Auf diese Weise können die Regelvorgänge für die beiden Etalons 4 und 5 gleichzeitig ausgeführt werden, aber es besteht z.B. die Möglichkeit, daß die Laserausgangsleistung schwankt, da sich die zentrale Wellenlänge des Etalons 5 für die Feinabstimmung extrem bewegt, und es besteht ferner die Möglichkeit, daß die Schwankung der Ausgangsleistung beschleunigt wird, wenn die Regelung inkorrekt ausgeführt wird. Deshalb ist zwecks Überwachung der beiden Regelvorgänge das Regelsystem 8 vorgesehen, das eine Wahl unter den Regelabläufen (A), (B) trifft, wobei es sich um den ersten Abschnitt des in Fig. 4 gezeigten Flußdiagramms handelt. Bei der vorliegenden Ausführungsform erhält (B) Priorität unmittelbar nach Beginn der Laseroszillation, und (A) erhält Priorität, nachdem der Betrieb bis zu einem gewissen Grad stabilisiert ist.
Im folgenden wird anhand Fig. 12 die auf Zeitteilungsbasis erfolgende Regelung beschrieben. Die in diesem Fall verwendete Einrichtung ist z.B. gemäß Fig. 14 gezeigt ausgebildet.
Zunächst wird in Schritt 42 mittels des Leistungsmonitorsystems 9 die Laserausgangsleistung gemessen, und in Schritt 43 werden die Meßdaten durch eine auf Zeitteilungsbasis arbeitende Regeleinrichtung 53 einem N-fach-Mittelwertverarbeitungsablauf unterzogen, um den aktuellen Laserausgangsleistungswert PN zu errechnen. Als nächstes wird in Schritt 44 der Absolutwert ΔP der Differenz zwischen PN und dem bezeichneten Laserausgangsleistungswert P&sub0; (einem von außen einstellbaren Wert) errechnet, und in Schritt 45 wird der Betrag ΔP mit dem zulässigen Schwankungswert PA (dem von außen einstellbaren Wert) verglichen, und wenn ΔP > PA, wird in Schritt 46 geprüft, ob die Betriebsspannung auf Zeitteilungsbasis anhand des Betrages des aktuellen Zuführwertes geregelt wird oder das Etalon für die Grobabstimmung geregelt wird. Falls die Betriebsspannung beispielsweise auf dem unteren Grenzwert der Spannung oder darunter liegt, wird die Ausgangsleistung nur durch die Betriebsspannung geregelt, und falls die Betriebsspannung auf dem unteren Grenzwert der Spannung und darüber liegt, und falls es sich um den voreingestellten oberen Grenzwert der Spannung und einen höheren Wert handelt, werden die Regelvorgänge für die Betriebsspannung und für das Etalon zur Grobabstimmung mit variablem Zeitintervall geschaltet und alternierend durchgeführt. Ferner wird in dem Fall, daß die Betriebsspannung den oberen Grenzwert der Spannung überschreitet, die Regelung derart ausgeführt, daß nur die Ausgangsleistung des Etalons für die Grobabstimmung den Höchstwert annimmt. Auf diese Weise wird die Regelung in Abhängigkeit von der Größe der Betriebsspannung geschaltet.
In dem Fall, in dem die Betriebsspannung geregelt wird, wird in Schritt 47 die Regelgröße der Betriebsspannung aus ΔP errechnet, und in dem nächsten Schritt 48 wird geprüft, ob die Betriebsspannung durch den Regelvorgang zunimmt oder abnimmt. Entsprechend dem Ergebnis wird in Schritt 49 die Betriebsspannung derart geregelt, daß die Laserausgangsleistung konstant ist. In dem Fall, in dem das Etalon 4 für die Grobabstimmung geregelt wird, wird in Schritt 50 der Regelbetrag des Etalons 4 für die Grobabstimmung errechnet, und in dem nächsten Schritt 51 wird veranlaßt, daß die Polarität, in der das Etalon 4 für die Grobabstimmung geregelt wird, aus der Polarität gemäß ΔP = PN - P&sub0; bestimmt wird, und in Schritt 52 wird das Etalon 4 für die Grobabstimmung derart eingestellt, daß die Laserausgangsleistung mittels des Servosystems 11 konstant ist. Ferner wird in dem Fall, daß ΔP ≤ PA ist, die Oszillation intakt beibehalten. Indem die Operation bei der Oszillation fortgeführt wird, wird die Laserausgangsleistung auf einen konstanten Wert geregelt.
Bei einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein Etalon als Wellenlängenmonitorsystem verwendet, und es kann Spektroskopie mit Hilfe eines Fizeau-Interferometers, Gitters, Prismas und dgl. erzeugt werden. Diese haben den gleichen Effekt wie bei den bereits erläuterten Ausführungsformen, indem sie die Verteilung der Spektrallichtintensität messen.
Ferner wird bei den erläuterten Ausführungsformen das Verfahren des Regelns des Etalons zur Feinabstimmung durchgeführt, indem die Wellenlängenabweichung entsprechend der Bild-Verarbeitung der Lichtintensitätsverteilung des Laserlichtes errechnet wird, aber es kann selbstverständlich auch mit jedem anderen Verfahren, das zur Überwachung der Wellenlänge geeignet ist, der gleiche Effekt erzielt werden, ohne daß eine Bild-Verarbeitung durchgeführt wird. Bei einem ohne Bild-Verarbeitung der Lichtintensitätsverteilung durchgeführten Verfahren kann es sich z.B. um ein Verfahren handeln, bei dem das Etalon für die Feinabstimmung geregelt wird, indem ein optischer Sensor gemäß Fig. 3 auf X = X&sub0; eingestellt und als Wellenlängenmonitorsystem verwendet wird, und indem das Etalon für die Feinabstimmung von dem optimalen Zustand rückwärts und vorwärts verändert wird, und indem ausgehend von dem sich verändernden optimalen Zustand des Etalons für die Feinabstimmung anhand des sich verändernden Betrages des Lichtintensität bei X = X&sub0; zu diesem Zeitpunkt die Richtung des optimalen Zustandes des Etalons für die Feinabstimmung vorausbestimmt wird.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Die Erfindung ist verwendbar zum Stabilisieren der Wellenlänge von Laservorrichtungen, z.B. einer Exzimerlaservorrichtung.

Claims

1. Laservorrichtung mit einem Laseroszillator mit variabler Wellenlänge, der ein Fabry-Perot-Etalon (5) für die Feinabstimmung und ein Fabry- Perot-Etalon (4) für die Grobabstimmung für die Auswahl der Laseroszillationswellenlänge in einem Lichtresonator aufweist, gekennzeichnet durch ein Wellenlängenmonitorsystem (7) für die Überwachung der Wellenlänge des von dem Laseroszillator emittierten Laserstrahls, um ein für die Schwingungswellenlänge repräsentatives Ausgangssignal zu erzeugen; ein Servosystem (10) zum Regeln des Fabry-Perot-Etalons (5) für die Feinabstimmung auf der Basis des Ausgangssignals des Wellenlängenmonitorsystems (7); eine Einrichtung (9,32,17,53) zum Bestimmen der dem Lasermedium zugeführten Spannung und/oder der Laserausgangsleistung, und ein weiteres Servosystem (11) zum Regeln des Fabry-Perot-Etalons (4) für die Grobabstimmung auf der Basis des Ausgangssignals der Bestimmungseinrichtung.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bestimmungseinrichtung eine Leistungsmonitoreinrichtung (9) zum Messen der Ausgangsleistung des Laserstrahls aufweist, um Veränderungen in der Laserausgangsleistung zu analysieren.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Bestimmungseinrichtung ein Steuersystem zum Messen der dem Lasermedium zugeführten Spannung aufweist, um deren Veränderung für die Erzeugung eines für diese repräsentativen Signals zu analysieren.

4. Laservorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bestimmungseinrichtung ein Leistungsmonitorsystem (9) zum Messen der Ausgangsleistung des Laserstrahls und eine Zeitteilungssteuereinrichtung (53) aufweist, um dem weiteren Servosystem ein Steuersignal zum Steuern des weiteren Fabry- Perot-Etalons (4) und auch zum Steuern der dem Lasermedium zugeführten Spannung zuzuführen.

5. Verfahren zum Stabilisieren der Laserwellenlänge eines Laseroszillators mit variabler Oszillationswellenlänge, der ein erstes Fabry-Perot- Etalon (5) für die Feinabstimmung und ein zweites Fabry-Perot-Etalon (4) für die Grobabstimmung aufweist, mit den folgenden Verfahrensschritten: Bestimmen der Oszillationswellenlänge des Laserstrahls des Laserozillators durch Spektroskopie; Regeln des ersten Fabry-Perot-Etalons (5) auf der Basis der Oszillationswellenlänge, um die Wellenlänge zu stabilisieren; Bestimmen der dem Lasermedium zugeführten Spannung und/oder der Laserausgangsleistung, um basierend darauf das zweite Fabry-Perot-Etalon (4) zu regeln und dadurch die Ausgangsleistung des Laseroszillators auf einem gewünschten Wert zu stabilisieren.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Laserausgangsleistung gemessen wird und das zweite Fabry-Perot-Etalon (4) auf der Basis des erhaltenen Meßwertes geregelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Differenz zwischen der detektierten und der gewünschten Ausgangsleistung bestimmt wird und das zweite Fabry-Perot-Etalon (4) derart geregelt wird, daß die Differenz minimiert wird, wenn die Differenz nach einer Periode der Nicht-Regelung durch das zweite Fabry-Perot-Etalon (4), die für eine bestimmte Zeit nach Beginn der Laseroszillation eingestellt ist, einen vorbestimmten Schwankungswert für den Laserausgang überschreitet.

8. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die dem Lasermedium zugeführte Spannung gemessen und das zweite Fabry-Perot-Etalon (4) auf der Basis des erhaltenen Meßwertes geregelt wird, um die Ausgangsleistung des Laseroszillators zu stabilisieren.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 8, bei dem die Ausgangsleistung des Laserstrahls gemessen wird, um die dem Lasermedium zugeführte Spannung derart zu regeln, daß der Laserausgang konstant ist, und die zugeführte Spannung gemessen wird, um basierend darauf das zweite Fabry- Perot-Etalon (4) zu regeln.

10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 8, bei dem die dem Lasermedium zugeführte Spannung detektiert wird, um die Spannungsdifferenz zwischen der zugeführten und der gewünschten Spannung zu errechnen, und das zweite Fabry-Perot-Etalon (4) derart geregelt wird, daß die Spannungsdifferenz minimiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die dem Lasermedium zugeführte Spannung und die Laserausgangsleistung des Laserstrahls gemessen werden und die dem Lasermedium zugeführte Spannung sowie der Ausgang des zweiten Fabry-Perot-Etalons mit Zeitteilung derart geregelt werden, daß der Laserausgang konstant ist, um den Ausgang des Laseroszillators zu stabilisieren.