CN105745796A - 正交激励型气体激光振荡装置 - Google Patents

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Abstract

目的在于通过提高激光介质气体的冷却能力，获得一种小型且高输出的正交激励型气体激光振荡装置。正交激励型气体激光振荡装置具备：放电部，具有一对放电电极；轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；第一热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；第二热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；及风道，架设于放电部和第一热交换器之间，在气体通路上配设有轴流送风机。轴流送风机相比第一热交换器配置于上风侧。第二热交换器相比轴流送风机配置于上风侧。

Description

正交激励型气体激光振荡装置
技术领域
本发明涉及一种气体激光振荡装置，尤其涉及一种将激光介质气体封入密闭构造的振荡器筐体来进行激光振荡的正交激励型气体激光振荡装置。
背景技术
正交激励型气体激光振荡装置具有封入有CO2等激光介质气体的密闭构造的振荡器筐体(例如专利文献1)。在振荡器筐体的内部具备：用于激光介质气体的放电激励的放电电极、冷却激光介质气体的热交换器、使激光介质气体循环的送风机等。取代全反射镜和部分反射镜而安装有窗户时，正交激励型气体激光振荡装置起到激光放大器的作用(例如专利文献2)。
近年来，作为应对下一代曝光机的光源，LPP(LaserProducedPlasma激光等离子体)型的EUV(ExtremeUltraViolet，极紫外)光源装置正被开发(例如专利文献3)。这种驱动光源所使用的CO2气体激光振荡装置正在要求高输出化和小型化。为了提高加工能力，提高激光加工等使用的激光振荡器的输出成为课题(例如专利文献4～11)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭60-254680号公报
专利文献2：日本特开2011-159901号公报
专利文献3：日本特开2008-85292号公报
专利文献4：日本特开平07-283464号公报
专利文献5：日本特开2003-338647号公报
专利文献6：日本特开平06-350164号公报
专利文献7：日本特开昭62-219986号公报
专利文献8：日本特开平08-279637号公报
专利文献9：日本特开2005-117846号公报
专利文献10：日本特开2000-045987号公报
专利文献11：日本特开平08-306989号公报
发明内容
发明要解决的课题
为了获得高的激光输出而增大投入电力的话，穿过放电部之后的激光气体温度变高，因此振荡效率低，并不能获得高输出。为了不增大激光气体温度地增加投入电力而在光轴方向上增加放电长度时，振荡器变得大型化，从而设置面积增加。进而，电极及筐体(真空容器)变长而导致的成本增加、光路变长导致的光轴稳定性降低等缺点变得明显。本发明是为了解决如上所述的问题而做出的，其目的在于通过提高激光介质气体的冷却能力，获得一种小型且高输出的气体激光振荡装置。
用于解决课题的方案
本申请涉及的正交激励型气体激光振荡装置具备：放电部，具有一对放电电极；轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；第一热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；及风道，架设于放电部和第一热交换器之间，在气体通路上配设有轴流送风机。轴流送风机相比第一热交换器配置于上风侧。
发明效果
通过利用具有多级动叶并采用永磁铁式马达的轴流送风机，使风量增加，通过配置于轴流送风机后方的热交换器，能够抑制轴流送风机导致的激光气体温度上升。其结果是能够向放电部供给大量的冷却的激光介质气体，能够获得高输出且小型的正交激励型气体激光振荡装置。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的气体激光振荡装置的立体图。
图2是表示本发明的实施方式1涉及的气体激光振荡装置的剖视图。
图3是表示本发明的实施方式2涉及的气体激光振荡装置的立体图。
图4是表示本发明的实施方式2涉及的气体激光振荡装置的剖视图。
图5是表示本发明的实施方式3涉及的气体激光振荡装置的剖视图。
图6是表示本发明的实施方式4涉及的气体激光振荡装置的立体图。
图7是表示本发明的实施方式4涉及的气体激光振荡装置的剖视图。
图8是表示本发明的实施方式5涉及的气体激光振荡装置的剖视图。
图9是表示本发明的实施方式6涉及的气体激光振荡装置的剖视图。
具体实施方式
下面，基于附图详细地说明本发明涉及的正交激励型气体激光振荡装置的实施方式。另外，本发明并不限于以下所述的内容，在不脱离本发明的主旨的范围内能够适当变更。在图中标以相同标号的构成要素表示相同或等同的构成要素。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1涉及的正交激励型气体激光振荡装置的立体图。气体激光振荡装置100由筐体(真空容器)1、轴流送风机2、热交换器3、排出侧风道4、放电部5、吸入侧风道6、全反射镜7、部分反射镜8等构成。激光产生用的放电部5由放电电极5a和放电电极5b等构成，设置于筐体1的内侧。热交换器3对激光介质气体9进行冷却。全反射镜7和部分反射镜8设置于筐体1的光轴方向的两侧，构成光谐振器。激光21从部分反射镜8射出。在取代全反射镜7和部分反射镜8而安装有窗户时，气体激光振荡装置100起到激光放大器的作用。在此，激光介质气体9利用4台轴流送风机2在筐体1的内侧循环。
排出侧风道4和吸入侧风道6相连以使激光介质气体9循环，在放电部5和热交换器3之间形成气体通路。激光介质气体9从放电部5朝向热交换器3在一体化的风道的气体通路中移动。热交换器3由管10、U型弯管11、集管17、冷却片20等构成。热交换器3的冷却片20配置于与光轴正交的平面上。这是因为激光介质气体9是在与光轴垂直的平面上流动。管10垂直地(在光轴方向上)插入于冷却片20。通过在管10中流过冷却水19来对冷却片20进行冷却。多根管10与集管17连接而汇总成一根。管10的折回部分由U形弯管11构成。设置有两根集管17，一根相当于制冷剂供给口，另一根相当于制冷剂排出口。另外，在本实施方式中将热交换器3以平行于放电方向的朝向配置，但如果管10与光轴平行、冷却片20与光轴垂直的话，热交换器3也可以斜向配置。
图2是表示实施方式1涉及的气体激光振荡装置的剖面的图。气体激光振荡装置100是光轴方向、放电方向和气体流动方向正交的正交激励型激光振荡装置。正交激励型是从光轴的垂直方向供给激光介质气体9，因此激光气体流路的剖面积大，压力损失小。其结果是具有能够向放电部5大量地供给激光介质气体9，将激光气体温度保持得较低的特征。在放电电极5a和放电电极5b之间施加有高频电压。排出侧风道4和吸入侧风道6架设于放电部5和热交换器3之间。
轴流送风机2由动叶12A、动叶12B、静叶13、马达14、壳体15等构成。具有两个动叶的两级型的轴流送风机2在旋转轴方向上直线性地流过气体。马达14使用永磁铁式马达(PMM：PermanentMagnetMotor)。动叶12A和动叶12B安装于马达轴的两端。永磁铁式马达不同于感应马达(IM：InductionMotor)，转子使用强力的永磁铁。永磁铁式马达与感应马达相比，转矩高且旋转速度大。在轴流送风机2中，激光介质气体9在马达14的周围流动。马达14通过薄的静叶13和不阻碍流动的最小限度的部件由壳体15支承固定。
根据我们的实验，在送风机使用感应马达的情况下或者动叶为一级的情况下，送风机导致的温度上升很小，因此不需要在送风机的后方配置大型且高成本的热交换器。为了使送风机的马达不会变成高温，主流的方法是将热交换器仅配置于送风机的前侧。但是我们发现，即使是风压小的轴流送风机，在使用动叶为2个以上的多级型且转子使用强力的磁铁的永磁铁式马达的情况下，压缩热大，成为对激光输出造成影响的水平。因此，在本实施方式中，在轴流送风机2的后方设置热交换器3。
在马达14的周围流过气体的轴流送风机2是激光介质气体9直接碰到马达的构造。并且，固定马达14的静叶13是薄的，因此向壳体15的热传导性低，高输出马达的发热容易散热到激光介质气体9也使得轴流送风机导致的温度上升变大。进而，从马达14向激光介质气体9的热传导率随着气体流速的增加而上升也是造成使激光气体温度上升的原因。若由于轴流送风机而温度上升了的激光介质气体9流到放电部5，产生激光21的放电部5的激光气体温度会变高。若激光气体温度高，则激光的振荡效率降低，无法获得高输出的激光。
由于激光介质气体9进入放电部5之前通过热交换器3，轴流送风机导致的温度上升的量得以冷却，因此能够向放电部5供给冷却的激光介质气体。在本发明中，通过利用多级且采用永磁铁式马达的轴流送风机来增大风量。通过利用配置于送风机的出口的热交换器3冷却大输出的轴流送风机导致的激光气体温度上升，抑制了轴流送风机导致的激光气体温度上升。其结果是能够向放电部5供给大量的冷却的激光介质气体，能够提高向放电部投入的电力，能够获得高输出且小型的激光振荡装置。
轴流送风机2的马达14也可以是嵌入磁铁型IPM(InteriorPermanentMagnet)马达。IPM马达是具有在硅钢板等制成的转子的内部嵌入永磁铁的构造的旋转磁场形式的同步马达。即使在马达的旋转过程中，永磁铁也不会因为离心力而飞出，机械性的稳定性高。IPM马达能够利用磁阻转矩，因此公知其能够实现高转矩高旋转化。通过在轴流送风机2中采用该IPM马达，能够增加风量。通过配设于轴流送风机的后方的热交换器3进行冷却而能够抑制压缩热的增加，其结果是能够获得冷却能力高的激光装置。
实施方式2.
图3是表示本发明的实施方式2涉及的气体激光振荡装置的立体图。图4是表示本发明的实施方式2涉及的气体激光振荡装置的剖视图。在实施方式1中，在轴流送风机2的后方配置有热交换器3，但在本实施方式中，在轴流送风机2的前方(上风侧)和后方(下风侧)分别配置有热交换器3B和热交换器3A。在放电部5中变成了高温的激光介质气体在热交换器3B中得以冷却，因此能够保证碰到马达14的激光介质气体9的温度是低的，能够使轴承等长寿命化。
实施方式3.
图5是表示本发明的实施方式3涉及的气体激光振荡装置的剖视图。与实施方式2的不同点在于，将热交换器3A和热交换器3B以垂直于放电方向的朝向配置。在气体激光振荡装置100中，需要对放电部5、热交换器3、轴流送风机2等进行维护，但在轴流送风机2被热交换器3夹着的构造的情况下，不拆下热交换器的话难以进行轴流送风机2的维护。
热交换器3A和热交换器3B与放电方向垂直地配置。筐体1的盖16使用固定螺栓18和O型环23固定于筐体1的框架。即使不拆下热交换器，只要拆下筐体1的盖16并拆下排出侧风道4，就能够在垂直于放电方向的方向上取出轴流送风机2，易于维护。并且，热交换器3A和热交换器3B也可以是一片，在这种情况下能够减少配管，成本低。
实施方式4.
图6是表示本发明的实施方式4涉及的气体激光振荡装置的图。在此，放电部、轴流送风机和风道分别设有两组。具体地说，放电部5A和放电部5B配置于光轴方向上。放电部5A和放电部5B具有筐体1的光轴方向长度的大致一半的长度。在放电部5A架设有吸入侧风道6A和排出侧风道4A，配设有两台轴流送风机2A。在放电部5B架设有吸入侧风道6B和排出侧风道4B，配设有两台轴流送风机2B。轴流送风机2A和轴流送风机2B配置成在送风方向上相对。这种相对流型是改善正交激励型振荡器的束流轮廓中的轴对称性的有效手段，尤其在高输出气体激光振荡装置中是必需的技术。
图7是从上方观察气体激光振荡装置100的图。在气体流路相对的正交激励型气体激光振荡装置中，将热交换器配置于轴流送风机的前后方，送风机后方的热交换器和送风机前方的热交换器为一体。在图中，箭头24A表示从集管17A朝向U形弯管11A的方向。箭头24B表示从集管17B朝向U形弯管11B的方向。在此，从集管17A朝向U形弯管11A的方向与从集管17B朝向U形弯管11B的方向朝向相反方向。
放电部5A的风道在气体通路中的相比轴流送风机2A靠上风侧包括热交换器3B。并且，放电部5B的风道在气体通路中的相比轴流送风机2B靠上风侧包括热交换器3A。热交换器3A和热交换器3B中需要具有供给冷水的配管。尤其是集管17需要一根根地进行管10的钎焊的手工作业，因此成本高。与此相对，在热交换器为一体的情况下，能够通过共用化来减少通向热交换器的配管。并且还能够减少折回用的U形弯管11，能够将在送风机后方追加热交换器导致的成本提高抑制在最小限度。
放电部5A和放电部5B共用光轴，在两者之间存在间隙。在该间隙中没有激光介质气体流过，因此形成有不产生放电的非激励部。在非激励部中，激光被激光介质气体吸收，激光输出降低。根据本实施方式，通过热交换器3的一体化，U形弯管的干涉消失，因此能够使放电部5A和放电部5A的间隙最小化。非激励部变小，因此激光输出变高。在非激励部中的激光的吸收量会根据激光的强度变大，因此在数10kW的激光通过的EUV用的放大器的情况下尤为有效。
实施方式5.
在实施方式4中，将冷却水的集管(制冷剂供给口和制冷剂排出口)17配置于光轴方向的相反侧，但也可以如图8所示配置于相同侧。在图中，箭头24A表示从集管17A朝向U形弯管11A的方向。箭头24B表示从集管17B朝向U形弯管11B的方向。箭头24A朝向与箭头24B相同的方向。通过向同一方向拉出集管17A和集管17B，能够将配管的配线最小化，实现低成本的同时还提高组装性。
实施方式6.
图9是表示热交换器并未一体化的情况的图。气体激光振荡装置100具备热交换器3A、热交换器3B、热交换器3C和热交换器3D。热交换器3B相比轴流送风机2A配置于上风侧。热交换器3D相比轴流送风机2B配置于上风侧。由于U形集管11的机械性干涉，需要在吸入侧风道6A和吸入侧风道6B之间存在间隙。该部分没有激光介质气体流过，因此成为无法放电的非激励部22。在非激励部22中，激光被激光介质气体吸收，因此激光输出降低。在非激励部22中的激光的吸收量根据激光的强度而变大，因此本实施方式适用于小型输出的气体激光振荡装置。
另外，本发明在其发明的范围内能够将实施方式自由组合，能够将各实施方式适当变形、省略。
符号说明
1：筐体、2：轴流送风机、2A：轴流送风机、2B：轴流送风机、
3：热交换器、3A：热交换器、3B：热交换器、3C：热交换器、
3D：热交换器、4：排出侧风道、4A：排出侧风道、
4B：排出侧风道、5：放电部、5a：放电电极、
5b：放电电极、5A：放电部、5B：放电部、
6：吸入侧风道、6A：吸入侧风道、
6B：吸入侧风道、7：全反射镜、8：部分反射镜、
9：激光介质气体、10：管、11：U形弯管、12A：动叶、
12B：动叶、13：静叶、14：马达、15：壳体、16：盖、
17：集管、18：固定螺栓、19：冷却水、20：冷却片、
21：激光、22：非激励部、23：O型环、24A：箭头、
24B：箭头、100：气体激光振荡装置。

Claims (9)

1.一种正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，具备：
放电部，具有一对放电电极；
轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；
第一热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；及
风道，架设于所述放电部和所述第一热交换器之间，在气体通路上配设有所述轴流送风机，
所述轴流送风机相比所述第一热交换器配置于上风侧。
2.根据权利要求1所述的正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，
具备第二热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上，所述第二热交换器相比所述轴流送风机配置于上风侧。
3.根据权利要求2所述的正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，
所述第一热交换器和所述第二热交换器以平行于所述放电部的放电方向的朝向配置。
4.根据权利要求2所述的正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，
所述第一热交换器和所述第二热交换器以垂直于所述放电部的放电方向的朝向配置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，
所述永磁铁式马达在转子的内部嵌入有永磁铁。
6.一种正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，具备：
第一放电部，具有一对放电电极；
第二放电部，具有一对放电电极并与所述第一放电部共用光轴；
第一轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；
第二轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；
第一热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；
第二热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；
第一风道，架设于所述第一放电部和所述第一热交换器之间，在气体通路上配设有所述第一轴流送风机；及
第二风道，架设于所述第二放电部和所述第二热交换器之间，在气体通路上配设有所述第二轴流送风机，
所述第一风道在气体通路中的相比所述第一轴流送风机靠上风侧包括所述第二热交换器，
所述第二风道在气体通路中的相比所述第二轴流送风机靠上风侧包括所述第一热交换器。
7.根据权利要求6所述的正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，
所述第一热交换器在两端部分别具有第一集管和第一弯管，所述第二热交换器在两端部具有第二集管和第二弯管，
从所述第一集管朝向所述第一弯管的方向与从所述第二集管朝向所述第二弯管的方向朝向相反方向。
8.根据权利要求6所述的正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，
所述第一热交换器在两端部分别具有第一集管和第一弯管，所述第二热交换器在两端部具有第二集管和第二弯管，
从所述第一集管朝向所述第一弯管的方向与从所述第二集管朝向所述第二弯管的方向朝向相同方向。
9.一种正交激励型气体激光振荡装置，其特征在于，具备：
第一放电部，具有一对放电电极；
第二放电部，具有一对放电电极并与所述第一放电部共用光轴；
第一轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；
第二轴流送风机，具有多个动叶，通过永磁铁式马达而工作；
第一热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；
第二热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；
第三热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；
第四热交换器，多个冷却片配置于与光轴正交的平面上；
第一风道，架设于所述第一放电部和所述第一热交换器之间，在气体通路上配设有所述第一轴流送风机和所述第二热交换器；及
第二风道，架设于所述第二放电部和所述第三热交换器之间，在气体通路上配设有所述第二轴流送风机和所述第四热交换器，
所述第二热交换器相比所述第一轴流送风机配置于上风侧，所述第四热交换器相比所述第二轴流送风机配置于上风侧。
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