JPH098389A - 狭帯域化エキシマレーザー発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザー媒質を封入した１つのレーザー管だ
けで光発振と光増幅を効果的に行うようにする。 【構成】 レーザー媒質１０１を封入したレーザー管１
０２を間にして、一対のアパーチャ１０３ａ，１０３ｂ
と、光共振器である全反射鏡１０４と波長分散性光学素
子１０６を備え、狭帯域化した良質なレーザー光Ｌを得
る。この場合、全反射鏡１０４を用いているのでＱ値が
大きく、レーザー光強度は高い。レーザー光Ｌはビーム
拡大素子１０５により光断面積が拡げられ、波長分散性
光学素子１０６により特定の次数の光成分が取り出され
る。取り出されたレーザー光Ｌ′は、折り返し鏡１０７
で反射されて再びレーザー管１０２のレーザー媒質１０
１の中を通り光増幅される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー分光装置や微
細加工の光源に適用される狭帯域化エキシマレーザー発
振器に関し、光強度の高いレーザー光が得られると共に
装置構成が簡単になるように工夫したものである。

【０００２】

【従来の技術】エキシマレーザー発振器は、エキシマ
（二つの原子が付着したゆるやかな結合状態の分子）状
態から基底状態へ、紫外域の誘導放出光を出して遷移す
ることを利用したものである。このエキシマレーザー発
振器は、一般には、放電により励起している。つまり、
レーザー管には希ガスとハロゲン元素とでなるレーザー
媒質（混合ガス）が封入されており、放電を均一化し効
率を上げるため予備放電電極により予備放電をした後、
主放電電極がグロー放電して、レーザー発振が行なわれ
る。

【０００３】ここで従来のエキシマレーザー発振器の一
例を、図４を基に説明する。図４に示すようにこのエキ
シマレーザー発振器は、主に発振器１０と増幅器２０と
で構成されている。

【０００４】このうち発振器１０では、レーザー媒質
（希ガスとハロゲン元素との混合ガス）１１が封入され
たレーザー管１２を間にして、一対のアパーチャ（孔直
径が２〜３mm）１３ａ，１３ｂが配置されている。更に
アパーチャ１３ａの外側（図中左側）に出力鏡１４が備
えられ、アパーチャ１３ｂの外側（図中右側）にビーム
拡大素子（プリズム）１５及び波長分散性光学素子（反
射式回折格子）１６が備えられている。

【０００５】レーザー管１２の放電電極（図示省略）の
放電により生じた光は、出力鏡１４と波長分散性光学素
子１６とで反射され両者の間で往復する。つまり出力鏡
１４と波長分散性光学素子１６とにより光共振器が構成
されている。３つのプリズムで構成したビーム拡大素子
１５は、アパーチャ１３ｂから出力された光を拡大（光
断面積を拡大）して波長分散性光学素子１６に送る。波
長分散性光学素子１６は、回折現象を利用して入射光を
分光し、特定の波長（次数）の光成分のみを反射する。
反射した光は、ビーム拡大素子１５により光断面積が絞
られてアパーチャ１３ｂに戻っていく。よって光は特定
の波長幅に絞られて狭帯域化される。また、光はアパー
チャ１３ａ，１３ｂを通過することにより拡がり角が制
限されて高次の横モード発振が制限され、光の質が向上
する。結局、波長分散性光学素子１６の波長選択機能
と、アパーチャ１３ａ，１３ｂの横モード発振制限機能
とが相俟って、光が狭帯域化しきれいなスペクトルが得
られる。更に光はレーザー管１２を通過する毎に増幅さ
れる。そして光強度が発振しきい値を越えたら、出力鏡
１４からレーザー光Ｌが出力される。

【０００６】一方、増幅器２０では、レーザー媒質２１
が封入されたレーザー管２２を間にして、孔付き凹面鏡
２３ａ及び凸面鏡２３ｂが相対向して配置されている。
この鏡２３ａ，２３ｂにより不安定共振器２３が形成さ
れており、凸面鏡２３ｂの中心部には、レーザー光Ｌつ
まり発振波長の光成分を１００％反射するコーティング
が施こされている。更に、レーザー光Ｌをレーザー管２
２に導くミラー２４，２５が備えられている。

【０００７】この増幅器２０では、発振器１０から出力
されたレーザー光Ｌを、ミラー２４，２５で導びいてレ
ーザー管２１に通過させることにより、光強度を増幅す
る。更にレーザー光Ｌを不安定共振器２３の凸面鏡２３
ａ及び凹面鏡２３ｂで反射させることにより、光断面積
の大きな平行光線としている。よって光断面積の大きな
平行光線となった光強度の高いレーザー光Ｌが出力（凸
面鏡２３ｂから図中右方に出力）される。

【０００８】なお増幅器２０での増幅を行うためには、
注入同期を最適化する必要がある。注入同期とは、レー
ザー媒質内にコヒーレンスの高い外部レーザー光を注入
し、発振モードを、注入した光のモードに引き入れる技
術のことである。注入同期では、小さな注入パワーで注
入光と同程度のスペクトル幅（波長幅）を持った出力光
を発生させることができる。図４の例では、発振器１０
と増幅器２０を独立させているため、発振器１０で発振
したレーザー光を増幅器２０に注入するときに、発振器
１０と増幅器２０とのガス励起同期を適正にとりながら
注入する必要がある。なお、同期が不適正であると注入
したレーザー光は消滅してしまうので、適正同期がとれ
るように制御をしている。

【０００９】図５は従来のエキシマレーザー発振器の他
の例を示す。このエキシマレーザー発振器では、レーザ
ー光Ｌの光断面積をビームエキスパンダ（コリメータレ
ンズ）２６により拡大してから、レーザー管２２に入力
して増幅している。つまり不安定共振器２３（図４参
照）の代わりに、ビームエキスパンダ２６を用いてい
る。なお他の部分は、図４に示す例と同じである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで図４及び図５
に示す従来のエキシマレーザー発振器では、次のような
問題があった。 （１）発振器１０と増幅器２０とが独立した別部材とな
っているため、２つのレーザー媒質１１，２１及び２つ
のレーザー管１２，２２が必要となり、装置が大型化し
ていた。 （２）エキシマレーザーの場合、一般に、パルス幅が２
０〜５０［ns］と非常に短く、発振器１０と増幅器２０
の注入同期には、数１０［ns］オーダの制御が必要であ
り、注入同期制御に精度の高い制御装置が用いられ装置
構成が複雑になっていた。 （３）発振器１０から得られるレーザー光断面積が小さ
いので、増幅器２０でレーザー光出力を有効に上げるた
め、レーザー光断面積を大きくする不安定共振器２３や
ビームエキスパンダ２６が必要になり、装置構成が複雑
であった。

【００１１】本発明は、上記従来技術に鑑み、出力する
レーザー光の光強度が高く且つ構成が簡単な狭帯域化エ
キシマレーザー発振器を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、レーザー媒質が封入されたレーザー管と、
レーザー管を間にして対向配置されており、前記レーザ
ー管から出力された光の拡がり角を制限しつつ通過させ
る一対の拡がり角制限手段と、前記レーザー管から出力
され前記拡がり角制限手段の一方を通過してきた光を反
射し、反射光を往路と同じ光路に送る位置に設置された
全反射鏡と、前記レーザー管から出力され前記拡がり角
制限手段の他方を通過してきた光が入射する位置に設置
され、光がレーザー管から離れる方向に進行・通過する
ときには光断面積を拡大し、光がレーザー管に近づく方
向に進行・通過するときには光断面積を縮小するビーム
拡大素子と、前記ビーム拡大素子を進行・通過すること
により光断面積が拡大した光が入射する位置に設置さ
れ、回折現象を利用して、特定次の光は反射して往路と
同じ光路に送ると共に、特定次と１次異なる光は反射し
て往路と異なる光路に送る波長分散性光学素子と、前記
波長分散性光学素子により反射された特定次と１次異な
る光を反射することにより前記レーザー管に入力して通
過させる折り返し鏡と、でなることを特徴とする。

【００１３】また本発明の構成は、レーザー媒質が封入
されたレーザー管と、レーザー管を間にして対向配置さ
れており、前記レーザー管から出力された光の拡がり角
を制限しつつ通過させる一対の拡がり角制限手段と、前
記レーザー管から出力され前記拡がり角制限手段の一方
を通過してきた光を反射し、反射光を往路と同じ光路に
送る位置に設置された第１の全反射鏡と、前記レーザー
管から出力され前記拡がり角制限手段の他方を通過して
きた光が入射する位置に設置され、光がレーザー管から
離れる方向に進行・通過するときには光断面積を拡大
し、光がレーザー管に近づく方向に進行・通過するとき
には光断面積を縮小するビーム拡大素子と、前記ビーム
拡大素子を進行・通過することにより光断面積が拡大し
た光が入射する位置に設置され、回折現象を利用して、
特定次の光は反射して往路と同じ光路に送ると共に、特
定次と１次異なる光は反射して往路と異なる光路に送る
波長分散性光学素子と、前記波長分散性光学素子により
反射された特定次と１次異なる光を反射することにより
前記レーザー管に入力して通過させる折り返し鏡と、前
記折り返し管と前記レーザー管との間に配置した偏光光
学素子と、前記レーザー管を間にして前記折り返し鏡に
対向する位置に配置され、前記折り返し鏡で反射されて
偏光光学素子及びレーザー管中を通過してきたレーザー
光を全反射することにより前記レーザー管を通過させて
前記偏光光学素子に送る第２の全反射鏡と、前記第２の
全反射鏡と前記レーザー管との間に配置した１／４波長
板と、を有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】本発明では、波長分散性光学素子と共に光共振
器となる鏡が全反射鏡であるので、損失が少なくなりレ
ーザー光の光強度が大きく、発振成立時間が短くなる。
また同一のレーザー媒質によりレーザー光の発振と増幅
を行う。

【００１５】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づき詳細に
説明する。

【００１６】＜第１実施例＞図１は本発明の第１実施例
に係る狭帯域化エキシマレーザー発振器を示す。本実施
例では、レーザー媒質（希ガスとハロゲン元素との混合
ガス）１０１が封入されたレーザー管１０２には、放電
電極（図示省略）が備えられている。放電電極により放
電をするとレーザー媒質１０１から光が発生する。

【００１７】アパーチャ１０３ａ，１０３ｂは、孔直径
が２〜３mmとなっており、レーザー管１０２を間にして
対向設置されている。このアパーチャ１０３ａ，１０３
ｂは、レーザー管１０２から出力された光の拡がり角を
制限し、制限した一部の光のみを絞って通過させる。こ
のようにすることにより、光の高次の横モード発振を制
限してレーザー光Ｌの質を向上させることができる。な
おアパーチャ１０３ａ，１０３ｂの代わりに、スリット
（スリット幅が２〜３mm）を用いてもよい。

【００１８】全反射鏡１０４は、アパーチャ１０３ａの
外側（図中左側）に位置しており、レーザー光Ｌに対し
て、つまり発振波長成分の光成分に対して１００％の反
射率を有している。このため、全反射鏡１０４は、レー
ザー管１０２から出力してアパーチャ１０３ａを通過し
てきた光（レーザー光Ｌ）を全反射し、反射光を往路と
同じ光路に送ってレーザー管１０２に戻す。このように
全反射鏡を用いていることが、本発明のポイントの１つ
である。

【００１９】ビーム拡大素子１０５は、プリズムやコリ
メータで構成したものであるが、図１では四角のブロッ
クにより簡略化して示している。このビーム拡大素子１
０５は、アパーチャ１０３ｂの外側（図中右側）に位置
しており、レーザー管１０２から出力してアパーチャ１
０３ａを通過してきた光の光断面積を拡大して波長分散
性光学素子１０６に送り、この波長分散性光学素子１０
６で反射してきた光の光断面積を縮小してアパーチャ１
０３ｂを介してレーザー管１０２に戻す。

【００２０】波長分散性光学素子１０６は、反射式回折
格子であり、ビーム拡大素子１０５から送られてくる光
に対して、その面が斜めになる角度で配置されている。
更に詳述すると、入射する光のうち０次の光成分は反射
後に往路と同じ光路を戻り、入射する光のうち１次の光
成分は一定の反射角（回折角）をもって反射して取り出
すことができるような角度で、波長分散性光学素子１０
６が設置されている。このため波長分散性光学素子１０
６は、全反射鏡１０４と共働して光共振器としての機能
を発揮すると共に、それ単独でレーザー光Ｌの取り出し
の機能も発揮する。

【００２１】レーザー媒質１０１で発生した光は、波長
分散性光学素子１０６で反射（回折）されることにより
波長成分が絞られて狭帯域化する。狭帯域化された光
（レーザー光）は、全反射鏡１０４と波長分散性光学素
子１０６とで反射され、レーザー媒質１０１の中を往復
通過し光増幅される。この場合、全反射鏡１０４がレー
ザー光Ｌを全反射（１００％反射）するので、光損失が
減少しレーザー光ＬのＱ値（光共振器内に蓄えられるエ
ネルギー）が向上する。Ｑ値が向上することにより、発
振光強度が増加し、更に狭帯域発振に至るまでの時間
（発振成立時間）が短縮化される。つまり図２に示すよ
うにレーザー光強度が点線のものから実線のものになる
と、発振成立時間がｔ_B からｔ_A にまで短縮されるので
ある。

【００２２】上述したようにして発生した光強度の高い
レーザー光Ｌは、前述したようにビーム拡大素子１０５
により光断面積が拡大され、更にレーザー光Ｌのうち１
次の光成分は波長分散性光学素子１０６により取り出さ
れる。

【００２３】折り返し鏡１０７は、波長分散性光学素子
１０６により取り出された光強度が高く光断面積の大き
なレーザー光Ｌ′を全反射してレーザー管１０２に送
る。したがってレーザー光Ｌ′はレーザー媒質１０１を
通過することにより光増幅されてから出力される。この
場合、レーザー光Ｌ′の光断面積が大きいので、レーザ
ー光Ｌ′は効果的に増幅され、レーザー管１０２から出
力（図中左方に出力）された増幅済のレーザー光Ｌ′の
光強度はきわめて大きくなっている。

【００２４】本実施例では、同一のレーザー媒質１０１
により、レーザー光（０次の光成分）Ｌの発振と、レー
ザー光Ｌ′（光断面積の大きい１次の光成分）の増幅を
行なっているので、レーザー光Ｌとレーザー光Ｌ′は常
に同期し、従来用いていたような注入同期制御は不要と
なる。このように１つのレーザー媒質１０１により、レ
ーザー発振とレーザー増幅を行うことが、本発明のポイ
ントの１つである。

【００２５】＜第２実施例＞図３は本発明の第２実施例
を示す。第２実施例では、レーザー光Ｌ′をレーザー媒
質１０１に２回通過させて、２パス増幅させるようにし
たものである。なお、第１実施例と同一機能をはたす部
分には同一符号を付して同一機能部の説明は省略し、新
たに付け加えた部分の説明をする。

【００２６】図３に示すように第２実施例では、折り返
し鏡１０７とレーザー管１０２との間に偏光光学素子１
０８を備えている。偏光光学素子１０８は、ある一定の
方向の振動の光（縦方向偏光の光）は透過させ、それと
直角方向の光（横方向偏光の光）は反射させる。

【００２７】また全反射鏡１０９は、図中レーザー管１
０２の左側に配置され、レーザー管１０２から出力され
たレーザー光Ｌ′を反射して再びレーザー管１０２に入
射する。更に全反射鏡１０９とレーザー管１０２との間
に１／４波長板１１０を備えている。１／４波長板１１
０は、光が透過すると光に対して１／４の位相差を生じ
させて出力する。

【００２８】本実施例では、折り返し鏡１０７で反射さ
れるレーザー光Ｌ′は、ビーム拡大素子１０５と波長分
散性光学素子１０６の作用により、縦方向偏光となって
いる。したがって折り返し鏡１０７で反射されたレーザ
ー光Ｌ′は、偏光光学素子１０８を透過し、レーザー媒
質１０１中を図中左方に進みつつ光増幅される。レーザ
ー管１０２の左側から左方に出力されたレーザー光Ｌ′
は、１／４波長板１１０を通過することにより位相が１
／４ずれる。位相ずれしたレーザー光Ｌ′は全反射鏡１
０９で反射されてこんどは右方に進み再び１／４波長板
を通過することにより、位相が更に１／４ずれる。よっ
て１／４波長板１１０を再通過して右方に進むレーザー
光Ｌ′は、横偏光となっている。横偏光となって右方に
進むレーザー光Ｌ′は再びレーザー媒質１０１中を進み
光増幅される。２パス増幅されてレーザー管１０２の右
側から右方に出力されたレーザー光Ｌ′は横偏光となっ
ているので、偏光光学素子１０８で全反射して取り出さ
れる。

【００２９】第２実施例ではレーザー光を２パス増幅し
ているので、取り出したレーザー光Ｌ′の光強度は更に
高いものとなる。

【００３０】

【発明の効果】以上実施例と共に具体的に説明したよう
に本発明によれば次のような効果が得られる。

【００３１】（１）１つのレーザー媒質により狭帯域化
発振と光増幅ができるため、注入同期制御が不要になる
と共に、装置のコンパクト化ができる。

【００３２】（２）光共振器の一方を、全反射鏡として
反射率を１００％にしたので、光共振器内での損失が低
下し、光強度が高く発振に至るまでの時間が短縮でき
る。この結果、エキシマレーザーのようにパルス幅の短
いレーザーであっても、１つのレーザー媒質により狭帯
域化発振と光増幅ができるようになった。ちなみに従来
では、光共振器の損失が大きく、生じたレーザー光は光
強度が減衰して小さいので、減衰したレーザー光を同一
のレーザー媒質（発振用のレーザー媒質）に入力して増
幅をしようとしても効率よく増幅できない事状を考慮し
て、別の増幅用のレーザー媒質にレーザー光に入力して
光増幅を行なわざるを得なかった。

【００３３】（３）ビーム拡大素子により拡大し波長分
散性光学素子により取り出した光断面の大きなレーザー
光を、折り返し鏡により反射させて、光増幅のためレー
ザー媒質に入射させるようにしたので、不安定共振器や
ビームエキスパンダのように複雑な光学器具が不要にな
り、構成が簡単になる。

【００３４】光増幅のためレーザー光をレーザー媒質に
２回通すようにしたことにより、レーザー光強度をより
高いものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す構成図。

【図２】レーザー光強度と発振成立時間との関係を示す
特性図。

【図３】本発明の第２実施例を示す構成図。

【図４】従来技術を示す構成図。

【図５】従来技術を示す構成図。

【符号の説明】

１０ 発振器 １１ レーザー媒質 １２ レーザー管 １３ａ，１３ｂ アパーチャ １４ 出力鏡 １５ ビーム拡大素子 １６ 波長分散性光学素子 ２０ 増幅器 ２１ レーザー媒質 ２２ レーザー管 ２３ 不安定共振器 ２３ａ 孔付き凹面鏡 ２３ｂ 凸面鏡 ２４，２５ ミラー ２６ ビームエキスパンダ １０１ レーザー媒質 １０２ レーザー管 １０３ａ，１０３ｂ アパーチャ １０４ 全反射鏡 １０５ ビーム拡大素子 １０６ 波長分散性光学素子 １０７ 折り返し鏡 １０８ 偏光光学素子 １０９ 全反射鏡 １１０ １／４波長板 Ｌ，Ｌ′ レーザー光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー媒質が封入されたレーザー管
   と、 レーザー管を間にして対向配置されており、前記レーザ
   ー管から出力された光の拡がり角を制限しつつ通過させ
   る一対の拡がり角制限手段と、 前記レーザー管から出力され前記拡がり角制限手段の一
   方を通過してきた光を反射し、反射光を往路と同じ光路
   に送る位置に設置された全反射鏡と、 前記レーザー管から出力され前記拡がり角制限手段の他
   方を通過してきた光が入射する位置に設置され、光がレ
   ーザー管から離れる方向に進行・通過するときには光断
   面積を拡大し、光がレーザー管に近づく方向に進行・通
   過するときには光断面積を縮小するビーム拡大素子と、 前記ビーム拡大素子を進行・通過することにより光断面
   積が拡大した光が入射する位置に設置され、回折現象を
   利用して、特定次の光は反射して往路と同じ光路に送る
   と共に、特定次と１次異なる光は反射して往路と異なる
   光路に送る波長分散性光学素子と、 前記波長分散性光学素子により反射された特定次と１次
   異なる光を反射することにより前記レーザー管に入力し
   て通過させる折り返し鏡と、 でなることを特徴とする狭帯域化エキシマレーザー発振
   器。
2. 【請求項２】 レーザー媒質が封入されたレーザー管
   と、 レーザー管を間にして対向配置されており、前記レーザ
   ー管から出力された光の拡がり角を制限しつつ通過させ
   る一対の拡がり角制限手段と、 前記レーザー管から出力され前記拡がり角制限手段の一
   方を通過してきた光を反射し、反射光を往路と同じ光路
   に送る位置に設置された第１の全反射鏡と、 前記レーザー管から出力され前記拡がり角制限手段の他
   方を通過してきた光が入射する位置に設置され、光がレ
   ーザー管から離れる方向に進行・通過するときには光断
   面積を拡大し、光がレーザー管に近づく方向に進行・通
   過するときには光断面積を縮小するビーム拡大素子と、 前記ビーム拡大素子を進行・通過することにより光断面
   積が拡大した光が入射する位置に設置され、回折現象を
   利用して、特定次の光は反射して往路と同じ光路に送る
   と共に、特定次と１次異なる光は反射して往路と異なる
   光路に送る波長分散性光学素子と、 前記波長分散性光学素子により反射された特定次と１次
   異なる光を反射することにより前記レーザー管に入力し
   て通過させる折り返し鏡と、 前記折り返し管と前記レーザー管との間に配置した偏光
   光学素子と、 前記レーザー管を間にして前記折り返し鏡に対向する位
   置に配置され、前記折り返し鏡で反射されて偏光光学素
   子及びレーザー管中を通過してきたレーザー光を全反射
   することにより前記レーザー管を通過させて前記偏光光
   学素子に送る第２の全反射鏡と、 前記第２の全反射鏡と前記レーザー管との間に配置した
   １／４波長板と、 を有することを特徴とする狭帯域化エキシマレーザー発
   振器。