JP5758569B2 - スラブ型レーザ装置 - Google Patents
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Description
最近では、ArFレーザの液浸方式により、45nmの微細加工までできるようになり、EUV光を使った32〜22nm以下の微細加工がEUVリソグラフィにより行われようとしている。
EUV光源は、真空チャンバ内に存在するターゲットたとえばスズ(Sn)にドライバレーザを集光することによりプラズマを生成する。生成したプラズマからは、極端紫外光(EUV)を含む様々な波長成分が放射されるので、その内の所望のEUV成分を、集光ミラー(EUV集光ミラー)を用いて選択的に反射集光し、EUV光を利用する露光機などの機器に出力する。
EUV光源には100Wを超える出力が要求されており、比較的高効率にEUVを発生する、たとえば炭酸ガス(CO2)レーザスズ(Sn)プラズマであっても、産業用途に用いるためには、プラズマ生成用ドライバレーザを放射するCO2レーザ装置の高効率化、省スペース化が要求される。
プラズマ生成にはパルスレーザが使われるので、図に示す発振増幅型レーザは、短パルスCO2レーザ発生器であるレーザ発振器と、短パルスCO2レーザ光を増幅するレーザ増幅器とから構成される。レーザ増幅器は、二酸化炭素(CO2)、窒素(N2)、ヘリウム(He)、さらに、必要に応じて、水素(H2)、一酸化炭素(CO)、キセノン(Xe)等を含むCO2レーザガスを放電によって励起する放電装置を有している。
しかし、上記構成を有する発振増幅型レーザ装置では、発振器と増幅器の最低2台のレーザモジュールで構成されるため、広い設置面積が必要とされるという問題がある。
有我達也、遠藤彰,「極端紫外線(EUV)リソグラフィ光源用CO2レーザ」,O plus E,新技術コミュニケーションズ,平成16年12月,第28巻,第12号,p.1263−1267
なお、カップリング装置は、共振器中で共振した光を必要な時に外部にレーザ光を出力するための装置あり、必ずしもカップリングミラーで構成しなくてもよい。例えば、少なくとも、ポケルスセルとポーラライザの組合せ、または、光音響素子からなってもよい。
さらに、シングルラインシーダーの例としては、炭酸ガスレーザの増幅ラインの波長で発振するシングル縦モードの半導体レーザであってもよい。また、マルチラインシーダーの例としては、複数の炭酸ガスレーザの増幅ラインのレーザ光を出す半導体レーザもしくは、複数台のシングル縦モードの半導体レーザを合波したレーザ光であってもよい。
また、再生増幅器部の共振器には種レーザ光を共振器内に注入するための第1のカップリング装置と共振して増幅されたレーザ光を共振器の外部に出力するための第2のカップリング装置で構成してもよい。
なお、増幅器部の折返しミラーは、平面鏡同士、平面鏡と凹面鏡、凹面鏡同士、凹面鏡と凸面鏡など、目的に適合する各種の組合せが可能である。
また、増幅器における寄生発振を防ぐために、折返しミラーの間に6フッ化イオウなどの可飽和吸収体を配置してもよい。
さらに、増幅器部のマルチパス増幅器は、入射するレーザ光が増幅領域に最初に入射する入射ビームの光路上の第1の定点を通過して、最後のレーザ増幅領域を通過して出射される出射ビーム上の光路上の第2の定点を通過し、かつ、第1の定点における入射ビームの断面の像を、第2の定点において、転写結像させる光学システムで構成してもよい。
したがって、本発明のレーザ装置を極端紫外光源装置のドライバレーザ発生装置として利用すれば、省スペースの効率の良いEUV発生装置を得ることができる。
また、同一のスラブレーザ装置において、マルチラインシーダーの光を再生増幅器で増幅した後に、同一のスラブレーザ内のマルチパス増幅器でさらに増幅することができるため、コンパクトでしかも増幅効率が向上する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスラブ型レーザ装置の構成を示す概念図である。
本実施形態に係るスラブ型レーザ装置は、露光装置に極端紫外光(EUV)を供給する極端紫外光源装置におけるターゲット物質に照射してプラズマ化するレーザビームを供給するCO2レーザ装置である。
CO2レーザ媒体部30は、高周波電源(図示せず)に接続された1対の電極が対向して設置された領域で、電極に高周波電圧を印加することにより電極で挟んだ炭酸ガス(CO2)を含むCO2レーザ媒体を励起して電極の間にスラブ型の放電領域が形成される。
発振器部10では、偏光方向を高速でスイッチするQスイッチを構成するEOポッケルスセル13を使って10ns程度の短パルスCO2レーザ光を発生させる。なお、パルス幅が100ns程度のレーザ光が欲しいときは、EOポッケルスセル13に代えて音響光学素子(AO素子)にすることができる。
EOポッケルスセル13に電圧を印加しないときは偏光状態が変化しないので、発振器部10で発生したP偏光のレーザ光は、共振器ミラー11,12の間を多数回往復しレーザ媒体のエネルギーを転移して増強することができる。すなわち、レーザ光がレーザ媒体を通過することによって誘導放出が発生し、レーザ光は増幅される。
発振器部10で発生したCO2レーザ光は、λ/4波長電圧を印加したEOポッケルスセル13を往復する間にS偏光となり、ポーラライザ14で反射してカップリングミラー15に入射し、カップリングミラー15で反射して増幅器部20に入射する。
このように、所望のタイミングで共振器で共振した光を共振器の外部へ出力する、または、共振器中に導入する機構をカップリング装置と呼ぶ。
折返しミラー22と対向する折返しミラー23は平面鏡で、CO2レーザ媒体部30を挟んで平行に対向して配置される。発振器部10から入射したCO2レーザ光は、入射ミラー21で偏向して、平行に配設された折返しミラー22と対向する折返しミラー23の間に入射して、折返しミラー22と対向する折返しミラー23の間を多重反射しながら反射位置をずらせていって、最後に折返しミラー22の端から射出し、スラブ型レーザ装置の出力窓を介してEUV光生成チャンバや別のCO2レーザ増幅器に供給される。
CO2レーザ光は、励起されたCO2レーザ媒体中を往復走行する間に出力を増幅し、高出力のレーザ光になる。
このように、本実施形態のスラブ型レーザ装置は、省スペースで、高出力の短パルスCO2レーザ発振装置になる。
また、パルス幅を長くすることにより、さらに高出力、高効率のレーザ装置になる。
図1の実施形態では、増幅器部20の折返しミラー22とこれに対向する折返しミラー23はいずれも平面鏡であったが、図2に示すように一方のミラーを凹面鏡24にしたり、図3に示すように両方のミラー25,26を共に凹面鏡としたりしてもよいことはいうまでもない。また、一方を凹面鏡、他方を凸面鏡として、不安定共振器と同様に大断面積の放電部を有効に利用するようにしてもよい。
図5は、増幅器部20の往復光路中に6フッ化イオウ(SF6)などの可飽和吸収体31を介挿した態様を示す概念図である。増幅器部20において寄生発振が見られた場合は、可飽和吸収体を用いて抑制することができる。
ここで、増幅器部20は、折返しミラー22と対向する折返しミラー23により形成され、発振部10から出力され増幅器部20に入射したレーザ光がスラブ型ガスレーザ媒体部30を少なくとも2回以上通過することにより増幅させる光学システムを備えたマルチパス増幅器として構成され、入射したレーザ光を所定の出力をもつレーザ光まで増幅して出力する機能をはたしている。
さらに、図6〜図18は、本発明に係る第2の実施形態のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。本実施形態のスラブ型レーザ装置は、第1実施形態に係るスラブ型レーザ装置に対して、光学システム(折返しミラー光学系)を改良することにより光軸を安定化させた増幅器部を適用したものであり、増幅器部の他は実質的に同じ構成を有する。
図6と図7は、第2実施形態の第1態様に係るスラブ型レーザ装置を説明する図面である。図6は第1態様のスラブ型レーザ装置の構成概念を示す平面図、図7は本態様のスラブ型レーザ装置の一部を断面で示す側面図である。
図6と図7に示す通り、本態様のスラブ型レーザ装置も、1体のスラブ型CO2レーザ媒体部30に発振器部10と増幅器部20を一緒に組み込んだ構成を有する。スラブ型CO2レーザ媒体部30は、高周波電源(図示せず)に接続された1対の平板電極40,41が対向して設置された領域で、電極に高周波電圧を印加することにより、電極で挟んだ炭酸ガス(CO2)を含むCO2レーザ媒体を励起して電極の間にスラブ型の放電領域を形成する。電極ギャップは約0.5〜5mm程度であり、放電断面は薄型の長方形の形状となっている。
ここで、EOポッケルスセル13にλ/4波長位相がずれるように電圧を印加すると、発振器部10で発生したポーラライザ14の反射面に対してP偏光のCO2レーザ光はEOポッケルスセル13を往復する間にS偏光となるので、ポーラライザ14で反射し、高反射(HR)ミラーであるカップリングミラー15に入射する。
本態様の増幅器部20における折返しミラー37,38からなる光学系システムは、入射ビーム位置(第1定点)34におけるレーザ光の断面像がレーザ光の光路上であって出射ウインドウ36近傍の入射ビーム転写位置(第2定点)35において入射ビーム転写像として結像するように構成される。
図8と図9は、第2実施形態に係る第2態様のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。図8は本態様のスラブ型レーザ装置における発振器部と増幅器部の平面断面図、図9は本態様の増幅器部に関する光学システム図である。本態様のスラブ型レーザ装置は、第1態様に係るスラブ型レーザ装置において、増幅器部の折返しミラー光学系でレーザ光がトリプルパスの増幅をするようにしたもので、実質的に同類の構成を有する。
(1) F=f1・f2/(f1+f2−t)
(2) ZH=f1・t/(f1+f2−t)
ここで、f1は前側レンズM1の焦点距離,f2は後ろ側レンズM2の焦点距離、tはレンズ間の距離である。
ここで、物体の位置と前側レンズM1の距離がレンズ間距離tと等しい場合を想定する場合、この合成レンズ系による物体の転写像の倍率Mは、次式で表現される。
(3) M=(ZH+t−F)/F
(4) F=f2/(2f−L)
(5) ZH=f・L/(2f−L)
(6) M=1=(ZH+L−F)/F
本態様のスラブ型レーザ装置では、出射ビームの転写像は入射ビームと同程度しか変動しないので、増幅部の入射ビームの光軸が多少ずれても安定に増幅することができ、かつ出射ビーム光軸の安定性が向上する。
図10と図11は、第2実施形態に係る第3態様のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。図10は本態様のスラブ型レーザ装置における発振器部と増幅器部の平面断面図、図11は本態様の増幅器部に関する光学システム図である。
本態様のスラブ型レーザ装置は、第1態様に係るスラブ型レーザ装置において、増幅器部の折返しミラーからなる光学システムでレーザ光が5パス増幅をするようにしたもので、入射ビームの第1の定点での断面像が折返し光路中にある第3の定点に第1の転写結像させ、この光路途中における第1の転写像をさらに出射レーザ光の光路上の第2の定点に第2の転写像を結像させることに特徴がある。しかし、本態様も、入射ビームの第1定点における入射ビームの断面を出射レーザ光の光路上の第2定点位置に転写することにより光軸を安定化させるものであって、実質的に第1態様などと同類の構成を有する。
本態様のスラブ型レーザ装置は、入口側の入射ビーム光路の第1定点34におけるビーム断面像を2回転写結像させて、出口側の出射ビーム光路上の第2の定点35に結像させるところに特徴がある。特に、本態様の光学システム入射ビームの所定位置(第1定点)34と最後の転写像としての出射ビームの光路上の入射ビームの第2の転写像位置(第2定点)35がほぼ一致するように構成している。このような光学システムを構成することによって、レーザ装置全体の光学システムを構成する上で便利となる。
本態様の光学システムは、図9の態様の光学システムと異なり、(1)式に、f1=f2=L/2、t=Lを代入すると合成焦点距離は無限大となり、(1)、(2)、(3)式は適用することはできなくなる。このような光学システムは一般的にアフォーカル系と呼ばれる。レンズM1及びレンズM2の焦点距離をそれぞれf1とf2として、M1とM2のレンズをf1+f2の間隔で配置した場合、物体の位置がM1レンズの前側f1の位置とすると、物体の転写結像位置はM2レンズの後ろ側f2の位置となる。
そして、アフォーカル系の場合の倍率Mは次式で表される。
(7) M=f1/f2
本態様のようにf1=f2の場合は、倍率Mは1となる。ここで、レンズM1、M2、M3、M4の焦点距離を同じfとして、互いのレンズ間距離をLとすると、L=2fの関係を満たせば、図11のような光学結像システムとなる。凹面ミラー37及び38の曲率半径をRとすると、L=Rの関係を満たすことによって本光学システムを実現できる。
図11を参照すると、入射ビーム(シードレーザ光)は、入射ビームの光路上にある入射ビーム位置(第1定点)34を通って、図中右側の凹面HRミラー37の集光力を持った焦点距離fのレンズM1に入射する。入射ビーム位置(第1定点)34はレンズM1の前側L/2の距離にある。図中左側の凹面HRミラー38の集光力を持った焦点距離fのレンズM2とレンズM1の間隔はLである。入射ビーム位置(第1定点)34を通ったレーザ光は、レンズM1とレンズM2を透過して、レンズM2に対してL/2後側の位置である入射ビーム第1の転写像位置(第3定点)39に第1の転写像を結像する。
本態様のスラブ型レーザ装置では、出射ビームの光路上の定点における入射ビーム位置(定点)における断面の転写像は入射ビームと同程度しか変動しないので、出射ビームの安定性が向上する。さらに、増幅効率を高く維持できるのでレーザの出力が安定する。
また、本態様では、レーザ増幅器の入射ビームの光路上の第1定点と出射ビーム光路上の第2定点が一致することから、さらに、本態様の光学システムとして、アフォーカル系を採用しているので、入射ビームの光品位特性(ビームサイズ、ビーム広がり角等)を維持した状態で、出射ビームとして、出力される。その結果、多数の増幅器を直列に繋いで大増幅を行う装置を構成する場合に、接続される光学装置同士のアライメントが極めて容易になる特性を有する。
図12と図13は、第2実施形態に係る第4態様のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。図12は本態様のスラブ型レーザ装置における発振器部と増幅器部の平面断面図、図13は本態様の増幅器部に関する光学システム図である。
本態様のスラブ型レーザ装置は、第1態様に係るスラブ型レーザ装置において、増幅器部の折返しミラーの脇に入射ミラーを設けて、発振器部のポーラライザから出力したシードレーザ光を入射ミラーにより入射ビームとして増幅器部の側面から直接的に折返しミラー光学システムに取り込んだところと、折返しミラー光学システム内をレーザ光がマルチパスでジグザグに往復するところが異なる、マルチパス増幅式スラブ型レーザ装置で、実質的に同類の構成を有する。
図13に示すように、折り返し(凹面HR)ミラー系の両側に凹面ミラーを配したマルチパス増幅の場合、図12に示す入射ビームの位置(第1定点)のビーム断面を増幅後の出射ビームの光路上の第2定点に転写結像させる光学システムは、同じ焦点距離f=R/2を持つ複数のレンズが間隔Lで並んだ合成レンズにおいて、前側最初のレンズM1の距離Lだけ手前の位置(第1定点)34における入射ビームの断面像を、最終レンズMnから距離Lだけ離れた位置(第2定点)35に転写像を結像するように、レンズを直列配置した場合と等価である。
(8) Fk+1=Fk・f/(Fk+f−L)
(9) ZHk+1=Fk・L/(Fk+f−L)+ZHk
(10) M=(ZHk+1+L−Fk+1)/Fk+1
k=0の場合(M1のみの場合)の合成焦点距離の初期値F1=fである。ここで、式(8)(9)(10)を用いて、F1からFnまで、逐次計算することにより、n個のレンズ(M1、M2、・・・Mn)までの、合成レンズの焦点距離Fnと前側主点位置ZHnを求めて、倍率Mが約1を満たすような各レンズの焦点距離fを求めることができる。
本態様では、増幅領域30をジグザグに上から下の方向に斜めに通過した後に、今度は下から上の方向にジグザグに増幅領域30を通過するようにする光学システムを採用することにより、11パスという多数のパスを有するマルチパス増幅により高い増幅効率を実現し、かつ入射ミラー21の位置と同じ入射ビーム位置(第1定点)34におけるレーザビームの断面像を出射ビームの光路上の第2の定点35の位置に結像させて安定なビーム軌跡を実現することができる。
図14と図15は、第2実施形態に係る第5態様のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。図14は本態様のスラブ型レーザ装置における発振器部と増幅器部の平面断面図、図15は本態様の増幅器部に関する光学システム図である。
本態様のスラブ型レーザ装置は、第4態様に係るスラブ型レーザ装置に対して、折返しミラーの一方を平面HRミラーとして6パス増幅を行うようにしたところが異なる、マルチパス増幅式スラブ型レーザ装置である。
(11) F=f2/(2f−2L)
(12) ZH=f・2L/(2f−2L)
(13) M=1=(ZH+2L−F)/F
本態様のスラブ型レーザ装置は、増幅部の入射ビームの光軸が多少ずれても、出射ビームの位置と角度は入射ビームの位置と角度と同程度しか変動しないので、増幅効率が変動しにくく、安定に増幅することができ、かつ光軸の安定性が向上する。さらに、本態様に係るスラブ型レーザ装置の特徴のひとつは、入射ビームと出射ビームが凹面折返しミラー38を挟んだ両側面に配置されることである。
図16と図17は、第2実施形態に係る第6態様のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。図16は本態様のスラブ型レーザ装置における発振器部と増幅器部の平面断面図、図17は本態様の増幅器部に関する光学システム図である。
本態様のスラブ型レーザ装置は、第5態様に係るスラブ型レーザ装置に対して、凹面折返しミラーを平面HRミラーに対して角度をもって設置したところなどが異なる、マルチパス増幅式スラブ型レーザ装置である。
(14) Fk+1=Fk・f/(Fk+f−2L)
(15) ZHk+1=Fk・2L/(Fk+f−2L)+ZHk
(16) M=(ZHk+1+2L−Fk+1)/Fk+1
k=0の場合合成焦点距離の初期値F1=fである。
ここで、式(14)(15)(16)を用いて、F1からFnまで、逐次計算することにより、n個のミラー(レンズ)(M1、M2、・・・Mn)までの、合成焦点距離Fnと前側主点位置ZHnを求めて、倍率Mが約1を満たすような各ミラー(レンズ)の焦点距離fを求めることができる。
この方式のメリットは、増幅領域に多数のパスを通すことにより、レーザ媒体のエネルギーをより有効に活用して、高出力のレーザ光を得ることであり、また、発振器部10のカップリングミラー15の位置におけるビーム断面像を転写結像させて出力するため、増幅後のレーザ出力ビームの位置及び角度が安定することである。
図18は、第2実施形態に係る第7態様のスラブ型レーザ装置における発振器部と増幅器部の平面断面図である。なお、本態様の増幅器部に関する光学システム図は、本質的に図17に表されたものと変わらないので、ここでは省略する。
本態様のスラブ型レーザ装置は、図16に示された第6態様に係るスラブ型レーザ装置とほぼ同じ構成を有するもので、凹面折返しミラーを筐体に対して直交するように配置し、平面HRミラーを凹面折返しミラーに対して角度をもって対向配置した、マルチパス増幅式スラブ型レーザ装置である。この型式のスラブ型レーザ装置では、折返しミラーの集光力や長さ、挟角、およびシードレーザ光の入射角度などを調整することによりパス数を適宜に変化させることができる。図18に表した態様では、パス数を11にしている。
本態様のスラブ型レーザ装置では、凹面折返しミラー38がスラブレーザ筐体部32に対して直交するように配置され、平面HRミラー42が凹面折返しミラー38に対して図中上端が近づく方向に傾いくように配置されている。
このときの光学システムは、入射ビーム位置(第1定点)34と初めの凹面折返しミラー38までの光路長が2Lで、凹面折返しミラー38と平面折返しミラー42との距離がそれぞれLで、最後の凹面折返しミラー38と入射ビーム転写位置(第2定点)35までの距離が2Lとなるように構成されている。
この方式のメリットは、第6態様におけるものと同じであるが、さらに、位置姿勢の調整が難しい凹面折返しミラー38を固定して、平面折返しミラー42の調整により光路の調整を行うため、装置の設計及びアライメントがより簡単になることである。
図19は、本発明の第3の実施形態に係るスラブ型レーザ装置の構成を示す概念図である。
本実施形態に係るスラブ型レーザ装置は、1体のCO2レーザ媒体部30に再生増幅器部50と増幅器部20を一緒に組み込んだ構成を有し、マルチラインシーダー60など外部の励起光発生装置から種レーザを導入し共振器ミラー間で再生増幅した後にレーザ増幅して高出力化したCO2レーザ光をEUV光源装置に供給するようにしたものである。
マルチラインシーダー60からS偏光である発振光を入射させると、入射光はポーラライザ14で反射して再生増幅器部50内に注入される。注入された光はλ/4波長板17を往復通過する間にP偏光に変化するのでポーラライザ14を透過し、フロント側の共振器ミラー12で反射して戻り、再びポーラライザ14を透過する。
上記内容をさらに詳しく説明する。第1のEOポッケルスセルに電圧を印加しない場合は、ポーラライザ14を透過したP偏光レーザ光がλ/4波長板17を往復通過するとS偏光に変化するので、ポーラライザ14で高反射されることになる。そこで、第1のEOポッケルスセル13にλ/4波長位相がずれるように電圧を印加することにより、第1のEOポッケルスセル13とλ/4波長板17を透過することにより、P偏光からS偏光に変換される。そして、共振器ミラー11によって、再び、λ/4波長板17と第1のEOポッケルスセル13を透過することにより、S偏光からP偏光に変換されポーラライザ14を透過させる。
第1のEOポッケルスセル13にλ/4波長電圧を印加した状態では、レーザ光が共振器ミラー11,12の間を何度も往復してCO2レーザ媒体により出力増幅をすることができる。いいかえれば、第1のEOポッケルスセル13にλ/4波長位相がずれるように電圧を印加した状態では、レーザ光が共振器ミラー11,12の間を何度も往復してCO2レーザ媒体により、マルチラインシーダからのシードレーザ光を増幅することができる。
再生増幅器部50内のレーザ光を放出した後に、再び第1のEOポッケルスセル13と第2のEOポッケルスセル16の印加電圧を零にすると、マルチラインシーダー60からの発振光を再生増幅器部50内に取り込むことができる。
増幅器部20は、第1の実施形態におけるものと同じものなので、折返しミラー22とこれに対向する折返しミラー23は図1に示したようにいずれも平面鏡であってもよいが、一方のミラーを凹面鏡にしたり、両方のミラーを共に凹面鏡としたりしてもよいことはいうまでもない。また、一方を凹面鏡、他方を凸面鏡として、大断面積の放電部を有効に利用するようにしてもよい。また、往復する光路ごとに対になった反射鏡をそれぞれ装備してもよい。
さらに、可飽和吸収体や空間フィルタなどを介挿して、増幅器部20における寄生発振を抑制するようにしてもよい。
CO2レーザ光は、励起されたCO2レーザ媒体中を往復走行する間に出力を増幅し、高出力のレーザ光になる。
すなわち、再生増幅器部50を増幅器部20と同じCO2レーザ媒体中で作動させることと、増幅器部20においてレーザ光をマルチパス増幅させることにより、増幅効率が高くなり高出力のCO2レーザを得ることができると同時に、コンパクトなスラブレーザ装置となる。
このように、本実施形態のスラブ型レーザ装置は、省スペースで、高出力の短パルスCO2レーザ発振装置になる。
なお、上記では注入するレーザ光がマルチラインシーダーから得られるレーザ光である場合を説明したが、シングルラインシーダーを用いてレーザ光を供給してもよい。
本態様のスラブ型レーザ装置は、図19に示したレーザ装置に対して、再生増幅器部50のレーザ光路中に1対のプリズム18を挿入したところのみが異なり、他は全く同じものである。
再生増幅器部50に1対のプリズム18を挿入することにより、共振器ミラー11,12間の光学距離を微調整することができるので、たとえば、マルチラインシーダー60を使用する場合には波長選択が可能になり、またシングルラインシーダーを使用するときは共振調整ができるなど、出力レーザ光の波長選択や波長調整が容易になる。
図21〜図23は、本発明に係る第4の実施形態のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。本実施形態のスラブ型レーザ装置は、極端紫外光源装置におけるターゲット物質にレーザビームを供給するCO2レーザ装置である。本実施形態は、平面ミラーをほぼ平行に対向配置した折返しミラー光学システムを備えた増幅器部に対して、光学システムを簡約化した発振器部を適用したものであり、発振器部の他は、図1に例示した、第1実施形態の第1態様に係るスラブ型レーザ装置と実質的に同じ構成を有する。
図21は、本発明の第4の実施形態に係る第1の態様のスラブ型レーザ装置の構成例を示す概念図である。本態様のスラブ型レーザ装置は、1体のスラブ型CO2レーザ媒体部30に発振器部10と増幅器部20を一緒に組み込んだ構成を有する。図1に例示する第1実施形態の第1態様のスラブ型レーザ装置と比較すると、スラブ型CO2レーザ媒体部30と増幅器部20の構成は変わらず、発振器部10の構成が異なる。
発振器部10は、ポーラライザ14により発振器部10で発生したCO2レーザ光のS偏光成分を反射して、共振器ミラー11及び12で共振させて成長させる。適宜の間隔で、EOポッケルセル13を駆動してλ/4位相を変化させることにより、共振しているCO2レーザ光をP偏光に変換すると、CO2レーザ光はポーラライザ14を透過して増幅器部20に入射する。
本態様のスラブ型レーザ装置では、発振器部10にカップリングミラー15を使用せず、光学系が簡約化する。
図22は、本発明の第4の実施形態に係る第2の態様のスラブ型レーザ装置の構成例を示す概念図である。本態様のスラブ型レーザ装置の発振器部10は、第1態様のものと同様に、CO2レーザ媒体部30の一部を含み、1対の共振器ミラー11,12、電気光学(EO)ポッケルスセル13、ポーラライザ14で構成される。
また、発振器部10にカップリングミラーを使用せず、光学系が簡約化する。
図23は、本発明の第4の実施形態に係る第3の態様のスラブ型レーザ装置の構成例を示す概念図である。本態様のスラブ型レーザ装置の発振器部10は、第2態様のものと同様に、CO2レーザ媒体部30の一部を含み、1対の共振器ミラー11,12、電気光学(EO)ポッケルスセル13、ポーラライザ14で構成され、P偏光成分の共振を使っている。ただし、発振器部10と増幅器部20は交差するように配置され、一部のCO2レーザ媒体部30を共用している。所望のタイミングでEOポッケルスセル13に電圧を印加して、位相をλ/4ずらすことによって、このEOポッケルスセル13を往復することによって、P偏光からS偏光に変換される。P偏光で共振しているCO2レーザ光をS偏光に切り替えることによって、レーザ光はポーラライザ14によって高反射されて、そのまま増幅器部20に入射させる。このため、カップリングミラー15に加えて入射ミラー21も設置する必要がない。
図24は、本発明に係る第5の実施形態のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。本実施形態のスラブ型レーザ装置は、発振器部10においてEOポッケルセルとポーラライザの代わりに光音響素子70を用いることにより、第4実施形態のスラブ型レーザ装置と同様にカップリングミラーを使わず、さらに増幅器部20における入射ミラーを省いた構成となっている。
本実施形態のスラブ型レーザ装置は、共振器ミラー11と12の間でレーザ光を共振させている間に、所定のタイミングで光音響素子70を動作させると、共振器ミラー間の光軸と異なる方向にレーザ光が出力され、発振器部10に近い側から増幅器部20に入射する。入射したレーザ光は、CO2レーザ媒体部30を挟んでほぼ平行に配置された折返しミラー22と23間をマルチパス増幅させて、増幅器部20の発振器部10に遠い側から出力する。
図25は、本発明に係る第6の実施形態のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。本実施形態のスラブ型レーザ装置は、第5実施形態のスラブ型レーザ装置の発振器部10に代えて、共振器ミラー11と12の間の共振光軸中に第2の光音響素子71を設け、シードレーザ光を導入して増幅する再生増幅器50を備えたものである。
図26と図27は、本発明に係る第7の実施形態のスラブ型レーザ装置を説明する図面である。本実施形態のスラブ型レーザ装置は、たとえば図22に示す第4実施形態のスラブ型レーザ装置における発振器部の代わりに、シードレーザ光を導入して再生増幅する再生増幅器部を備えたものである。
図26は、第7実施形態に係る第1の態様のスラブ型レーザ装置の構成例を示す概念図である。本態様のスラブ型レーザ装置は、再生増幅器部50において、共振器ミラー11,12の間にEOポッケルスセル13とポーラライザ14と光音響素子71とを備え、光音響素子71でシードレーザ光を導入して再生増幅し、増幅したレーザ光を増幅器部20に供給するようにしたものである。
図27は、第7実施形態に係る第2の態様のスラブ型レーザ装置の構成例を示す概念図である。本態様のスラブ型レーザ装置は、再生増幅器部50において、共振器ミラー11,12の間に第1のEOポッケルスセル13とポーラライザ14と第2のEOポッケルスセル16と、λ/4位相を変化させる素子としての高反射膜ミラー17−2とを備え、ポーラライザ14でS偏光のシードレーザ光を導入して共振器ミラー11,12間で再生増幅し、増幅器部20に供給するようにしたものである。再生増幅器部50と増幅器部20の間にカップリングミラーを設ける必要がない。
(17) Δν=7.58(ΦCO2+0.73ΦN2+0.64ΦHe)×P(300/T) 1/2
となる。ここで、Φは分圧、Pは圧力(torr)、Tは温度(K)である。典型的な条件として、CO2:N2:He=1:1:8で、圧力が100torr、温度が450Kとすれば、各ラインのゲイン幅Δν=424MHz、すなわち波長幅が約0.001588μmとなる。
(18) mλ=a(sinα±sinβ)
ここで、mは次数、λは波長、aは格子間距離である。したがって、下の式が成立するような入射角度α1、α2、・・・αnと回折角度βを設定することによって合波することが可能となる。
(19) mλ1=a(sinα1±sinβ)
(20) mλ2=a(sinα2±sinβ)
・
・
(21) mλn=a(sinαn±sinβ)
ここで、半導体レーザの発振波長λ1、λ2・・・λnは、図28に示したようなCO2レーザの増幅ラインの波長であればどれでもよい。
Claims (20)
- 発振器部と増幅器部とスラブ型ガスレーザ媒体部を収納したスラブ型レーザ装置であって、
該スラブ型ガスレーザ媒体部は、ガスレーザ媒体が充填される筐体部内で平行に対向して配設した1対の電極平板で画定した増幅領域に形成され、該電極平板には高周波電源が接続され、前記筐体部内にガスレーザ媒体を充填して前記電極平板に高周波電力を印加するとガスレーザ媒体が励起され、
前記発振器部は、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第1の部分を挟んで対向する1対の共振器ミラーと、前記1対の共振器ミラーの間に位置するポッケルスセルとポーラライザとカップリングミラーとを含むカップリング装置と、を備え、前記1対の共振器ミラーの一方及び前記ポッケルスセルは前記筐体部の外に位置しており、前記1対の共振器ミラーの他方は前記筐体部の中に位置しており、該発振器部内で発振したレーザ光を増幅した後に前記カップリング装置を駆動することにより該ポッケルスセルでレーザ光をS偏光に変えて、該ポーラライザの表面で反射させて該カップリングミラーに入射させ、該カップリングミラーで反射して該レーザ光を前記増幅器部に入射させ、
該増幅器部は、入射したレーザ光を偏向する入射ミラーと、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分を挟んで対向する折返しミラーを備え、該折返しミラーの間をレーザ光が少なくとも第1の光路を通過しその後少なくとも第2の光路を通過することにより複数回往復して増幅されるように構成され、
前記第1の部分と前記第1の光路の間に、前記第2の光路が位置する、スラブ型レーザ装置。 - 再生増幅器部と増幅器部とスラブ型ガスレーザ媒体部を収納したスラブ型レーザ装置であって、
該スラブ型ガスレーザ媒体部は、ガスレーザ媒体が充填される空間内で平行に対向して配設した1対の電極平板で画定した増幅領域に形成され、該電極平板には高周波電源が接続され、ガスレーザ媒体を充填して前記電極平板に高周波電力を印加すると該ガスレーザ媒体が励起され、
前記再生増幅器部は、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第1の部分を挟んで対向する1対の共振器ミラーとλ/4波長板とカップリング装置を備え、前記カップリング装置は、第1のポッケルスセルとポーラライザと第2のポッケルスセルを備え、種レーザ発振器から放出される種レーザ光を、前記ポーラライザの第1の面を介して取り込んで前記共振器ミラーの間で共振させてレーザ光を増幅した後に前記カップリング装置を駆動するように該第1ポッケルスセルと第2ポッケルスセルの印加電圧を調整して、前記種レーザ光の前記再生増幅器部内における再生増幅と前記増幅器部へのレーザ光出力を切り替えることにより、該レーザ光を前記ポーラライザの第2の面を介して前記増幅器部に入射させ、
該増幅器部は、入射したレーザ光を偏向する入射ミラーと、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分を挟んで対向する折返しミラーを備え、該折返しミラーの間をレーザ光が少なくとも第1の光路を通過しその後少なくとも第2の光路を通過することにより複数回往復して増幅されるように構成され、前記入射ミラー及び折返しミラーは、前記ポーラライザの位置と一致する第1の定点におけるレーザ光の断面の像を、前記増幅領域を最後に通過して出射されるレーザ光の光路上の第2の定点において、転写結像させる光学システムであり、
前記第1の部分と前記第1の光路の間に、前記第2の光路が位置する、スラブ型レーザ装置。 - 前記種レーザ発振器はシングルラインシーダーおよびマルチラインシーダーのいずれかであることを特徴とする請求項2記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記レーザ媒体が炭酸ガス(CO2)を含むCO2レーザ媒体である請求項1から3のいずれか一項に記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記折返しミラーが、それぞれ平面鏡同士、平面鏡と凹面鏡、凹面鏡同士、凹面鏡と凸面鏡のいずれか1つの組合せである請求項1から4のいずれか一項に記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記増幅器部における前記折返しミラーの間に可飽和吸収体を備える請求項1から5のいずれか一項に記載のスラブ型レーザ装置。
- 発振器部と増幅器部とスラブ型ガスレーザ媒体部を収納したスラブ型レーザ装置であって、
該スラブ型ガスレーザ媒体部は、ガスレーザ媒体が充填される筐体部内で平行に対向して配設した1対の電極平板で画定した増幅領域に形成され、該電極平板には高周波電源が接続され、前記筐体部内にガスレーザ媒体を充填して前記電極平板に高周波電力を印加するとガスレーザ媒体が励起され、
前記発振器部は、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第1の部分を挟んで対向する1対の共振器ミラーと、前記1対の共振器ミラーの間に位置するポッケルスセル及びポーラライザを含むカップリング装置と、を備え、前記1対の共振器ミラーの一方及び前記ポッケルスセルは前記筐体部の外に位置しており、前記1対の共振器ミラーの他方は前記筐体部の中に位置しており、該発振器部内で発振したレーザ光を増幅した後に前記カップリング装置を駆動することにより該ポッケルスセルでレーザ光をS偏光またはP偏光に変えて、該ポーラライザの偏光の分離面でそれぞれS偏光を反射またはP偏光を透過させて該レーザ光を前記増幅器部に入射させ、
該増幅器部は、前記入射したレーザ光が前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分に位置する第1の光路を通過しその後前記第2の部分に位置する第2の光路を通過することにより前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分を少なくとも2回以上通過して増幅されるように構成された光学システムを備え、
前記第1の部分と前記第1の光路の間に、前記第2の光路が位置する、スラブ型レーザ装置。 - 発振器部と増幅器部と前記発振器部から出力されたレーザ光を前記増幅器部に入射させる入射部とスラブ型ガスレーザ媒体部を収納したスラブ型レーザ装置であって、
該スラブ型ガスレーザ媒体部は、ガスレーザ媒体が充填される筐体部内で平行に対向して配設した1対の電極平板で画定した増幅領域に形成され、該電極平板には高周波電源が接続され、前記筐体部内にガスレーザ媒体を充填して前記電極平板に高周波電力を印加するとガスレーザ媒体が励起され、
前記発振器部は、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第1の部分を挟んで対向する1対の共振器ミラーと、前記1対の共振器ミラーの間に位置するポッケルスセル及びポーラライザを含むカップリング装置と、を備え、前記1対の共振器ミラーの一方及び前記ポッケルスセルは前記筐体部の外に位置しており、前記1対の共振器ミラーの他方は前記筐体部の中に位置しており、該発振器部内で発振したレーザ光を増幅した後に前記カップリング装置を駆動することにより該ポッケルスセルでレーザ光をS偏光またはP偏光に変えて、該ポーラライザの偏光の分離面でそれぞれS偏光を反射またはP偏光を透過させて該レーザ光を出力し、
前記入射部は、少なくとも1個の光学素子を含み、前記カップリング装置を駆動して出力された該レーザ光を前記増幅器部に入射させ、
該増幅器部は、前記入射したレーザ光が前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分に位置する第1の光路を通過しその後前記第2の部分に位置する第2の光路を通過することにより前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分を少なくとも2回以上通過して増幅されるように構成された光学システムを備え、
前記第1の部分と前記第1の光路の間に、前記第2の光路が位置する、スラブ型レーザ装置。 - 再生増幅器部と増幅器部とスラブ型ガスレーザ媒体部を収納したスラブ型レーザ装置であって、
該スラブ型ガスレーザ媒体部は、ガスレーザ媒体が充填される空間内で平行に対向して配設した1対の電極平板で画定した増幅領域に形成され、該電極平板には高周波電源が接続され、ガスレーザ媒体を充填して前記電極平板に高周波電力を印加すると該ガスレーザ媒体が励起され、
前記再生増幅器部は、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第1の部分を挟んで対向する1対の共振器ミラーと、種レーザ発振器から放出される種レーザ光を前記共振器ミラーの間に注入する第1のカップリング装置と、前記共振器ミラーの間で増幅されたレーザ光を外部に出力する第2のカップリング装置を備え、前記第1及び第2のカップリング装置は、位相をλ/4ずらす光学素子とポーラライザと第1のポッケルスセルと第2のポッケルスセルとを備え、該種レーザ発振器から放出される種レーザ光を、前記ポーラライザの第1の面を介して前記第1のカップリング装置により取り込んで前記共振器ミラーの間で共振させてレーザ光を増幅した後に前記第2のカップリング装置を駆動するように該第1のポッケルスセルと第2のポッケルスセルの動作タイミングを制御して、前記種レーザ光の前記再生増幅器部内における再生増幅と前記増幅器部へのレーザ光出力を切り替えることにより、該レーザ光を前記ポーラライザの第2の面を介して前記増幅器部に入射させ、
該増幅器部は、前記入射したレーザ光が前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分に位置する第1の光路を通過しその後前記第2の部分に位置する第2の光路を通過することにより前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分を少なくとも2回以上通過して増幅されるように構成された光学システムを備え、前記光学システムは、前記ポーラライザの位置と一致する第1の定点におけるレーザ光の断面の像を、前記増幅領域を最後に通過して出射されるレーザ光の光路上の第2の定点において、転写結像させる光学システムであり、
前記第1の部分と前記第1の光路の間に、前記第2の光路が位置する、スラブ型レーザ装置。 - 再生増幅器部と増幅器部と前記再生増幅器部から出力されたレーザ光を前記増幅器部に入射させる入射部とスラブ型ガスレーザ媒体部を収納したスラブ型レーザ装置であって、
該スラブ型ガスレーザ媒体部は、ガスレーザ媒体が充填される空間内で平行に対向して配設した1対の電極平板で画定した増幅領域に形成され、該電極平板には高周波電源が接続され、ガスレーザ媒体を充填して前記電極平板に高周波電力を印加するとガスレーザ媒体が励起され、
前記再生増幅器部は、前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第1の部分を挟んで対向する1対の共振器ミラーと、種レーザ発振器から放出される種レーザ光を前記共振器ミラーの間に注入する第1のカップリング装置と、前記共振器ミラーの間で増幅されたレーザ光を外部に出力する第2のカップリング装置を備え、前記第1及び第2のカップリング装置は、位相をλ/4ずらす光学素子とポーラライザと第1のポッケルスセルと第2のポッケルスセルとを備え、該種レーザ発振器から放出される種レーザ光を、前記ポーラライザの第1の面を介して前記第1のカップリング装置により取り込んで前記共振器ミラーの間で共振させてレーザ光を増幅した後に前記第2のカップリング装置を駆動するように該第1のポッケルスセルと第2のポッケルスセルの動作タイミングを制御して、前記種レーザ光の前記再生増幅器部内における再生増幅と前記増幅器部へのレーザ光出力を切り替えることにより、該レーザ光を前記ポーラライザの第2の面を介して出力し、
前記入射部は、少なくとも1個の光学素子を含み、前記第2のカップリング装置を駆動して出力された該レーザ光を前記増幅器部に入射させ、
該増幅器部は、前記入射したレーザ光が前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分に位置する第1の光路を通過しその後前記第2の部分に位置する第2の光路を通過することにより前記スラブ型ガスレーザ媒体部の第2の部分を少なくとも2回以上通過して増幅されるように構成された光学システムを備え、前記光学システムは、前記ポーラライザの位置と一致する第1の定点におけるレーザ光の断面の像を、前記増幅領域を最後に通過して出射されるレーザ光の光路上の第2の定点において、転写結像させる光学システムであり、
前記第1の部分と前記第1の光路の間に、前記第2の光路が位置する、スラブ型レーザ装置。 - 前記種レーザ発振器はスラブ型ガスレーザ媒体の複数の増幅ラインの波長領域で出力するシングル縦モード発振またはマルチ縦モード発振する種レーザ発振器のいずれかであることを特徴とする請求項9又は10記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記種レーザ発振器はスラブ型ガスレーザ媒体の複数の増幅ラインの波長領域で出力する発振波長の異なる複数のシングル縦モード発振する種レーザ発振器であり、前記複数の波長の光を合波した光を種レーザ光とすることを特徴とする請求項9又は10記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記レーザ媒体が炭酸ガス(CO2)を含むCO2レーザ媒体である請求項7から12のいずれか一項に記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記増幅器部の前記光学システムは、前記入射するレーザ光が該増幅領域に最初に入射するレーザ光の光路上の第1の定点を通過して、最後に前記増幅領域を通過して出射されるレーザ光の光路上の第2の定点を通過し、かつ、前記第1の定点におけるレーザ光の断面の像を、前記第2の定点において、転写結像させる光学システムである、請求項7又は8記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記増幅器部の前記光学システムは、前記第1の定点におけるレーザ光の断面像を前記第1及び第2の定点間の光路中で少なくとも1回以上転写結像させた後、前記第2の定点において、さらに転写結像させる光学システムである、請求項14記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記増幅器部の前記光学システムは、前記入射するレーザ光が該増幅領域に最初に入射するレーザ光の光路上の第1定点を通過して、最後に前記増幅領域を通過して出射されるレーザ光の光路上の第2の定点を通過し、かつ、前記第1の定点におけるレーザ光の断面の像を、前記第2の定点において転写結像させる光学システムであり、前記第1の定点が前記カップリング装置の前記ポーラライザの位置と一致する、請求項7又は8記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記増幅器部の前記光学システムは、前記入射するレーザ光が該増幅領域に最初に入射するレーザ光の光路上の第1定点を通過して、最後に前記増幅領域を通過して出射されるレーザ光の光路上の第2の定点を通過し、かつ、前記第1の定点におけるレーザ光の断面の像を、前記第2の定点において転写結像させる光学システムであり、前記入射部の少なくとも1個の光学素子の位置と前記第1定点が一致する、請求項8記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記光学システムが、それぞれ、平面鏡と凹面鏡、凹面鏡同士、凹面鏡と凸面鏡のいずれか1つの組合せである請求項7から17のいずれか一項に記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記光学システムが、それぞれ平面鏡同士の組合せである請求項7又は8記載のスラブ型レーザ装置。
- 前記増幅器部における前記光学システムによって構成されるレーザ光の光路中に可飽和吸収体を備える請求項7から19のいずれか一項に記載のスラブ型レーザ装置。
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