JP2002252398A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光の強度分布を、所望する分布形状に
効率良く変換することの可能なレーザ装置を提供する。 【解決手段】レーザ媒質を挟んで互いに対向して配置さ
れた、レーザ光(11)を部分反射する部分反射光学部品
(6)、及びレーザ光(11)を全反射する全反射光学部品(3
6)を備えたレーザ装置において、前記全反射光学部品(3
6)が、互いに直交する反射面(19A,19B)を備えた直角プ
リズム(42,43)を、底面(37A,37B)が互いに直交するよう
に２個組み合わせた形状を有する山型プリズム(36)であ
ることを特徴とするレーザ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ装置に関し、
より詳細には、レーザ装置から発振するレーザ光の強度
分布を均一化する技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、レーザ装置のリアミラーを頂
角が９０度の円錐ミラーとすることによって、レーザ光
の強度分布をレーザ光軸に対して対称化する技術が知ら
れており、例えば特開平７−１０６６６９号公報に示さ
れている。以下、これを第１従来技術と呼ぶ。図２０
は、同公報に開示されたレーザ装置１０１を表してお
り、以下図２０に基づいて第１従来技術を説明する。レ
ーザ装置１０１は、レーザ媒質１１３の前方に、レーザ
光１１１を部分反射するフロントミラー１０６を備えて
いる。また、レーザ媒質１１３の後方には、内面が円錐
形状をした円錐ミラー１１９が配置されている。レーザ
媒質を図示しない手段により励起することによって発生
したレーザ光１１１は、円錐ミラー１１９の内面で２度
反射されることで、往路と復路とでレーザ光軸１１０に
対して対称な光路を通過する。これにより、レーザ光軸
１１０に対して非対称な増幅率（ゲイン）の分布を相殺
し、レーザ光軸１１０に対して対称なレーザ光１１１の
強度分布を得ている。

【０００３】また、特許第２９６４２０２号公報、或い
は第５３回（1992年）秋期応用物理学会学術講演会の講
演予稿集（第３分冊877頁17a-SS-4）「共振器内のプリ
ズムによるレーザビーム強度分布の均一化」には、図２
１に示すように、レーザ媒質１１３とリアミラー１０８
との間にプリズム１２０を配置する技術が開示されてい
る。これにより、レーザ光１１１の通過する光路を、往
路と復路とで変更し、強度分布を均一化させる。以下、
これを第２従来技術と言う。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術には、次に述べるような問題がある。即ち、第１
従来技術においては、円錐ミラー１１９をリアミラーと
して用いている。このとき、円錐内面に全反射膜を施さ
ない場合には、円錐内面でレーザ光１１１が反射するた
びに、数％の損失が生じる。レーザ光１１１は円錐ミラ
ー内面で２回反射するため、１０％近い損失が生じて、
レーザ光１１１の出力低下を招くことになる。

【０００５】この出力低下を防ぐために、円錐内面に全
反射膜をコーティングするという技術も知られている
が、このような全反射膜を円錐内面のような曲面に対し
て均一にコーティングすることは、困難が伴う。その結
果、コーティングの不均一が生じ、そこにレーザ光１１
１が集中して全反射膜が汚損されて反射率が低下し、甚
だしきは円錐ミラーが破損することがある。さらに、特
にレーザ光１１１が紫外線であるような場合には、全反
射膜が紫外線の長時間の照射によって劣化することがあ
る。さらに全反射膜は、紫外線によって酸素から発生す
るオゾンによっても汚損される。従って、第１従来技術
をエキシマレーザ装置やフッ素レーザ装置のような紫外
線レーザ装置に用いるのは困難である。

【０００６】また、第２従来技術については、前記予稿
集にも記載があるように、プリズム１２０の挿入によっ
てレーザ出力が約１０％低下するという問題がある。こ
の原因としては、プリズム１２０を共振器内部に挿入し
たためにリアミラー１０８が後方に押しやられ、共振器
長が長くなったことによって生まれる損失がある。さら
に、プリズム１２０の表面における反射損失や、リアミ
ラー１０８の表面での反射損失も、出力低下の原因とな
っている。

【０００７】また、ミラー１０６，１０８及びプリズム
１２０のすべてを、レーザ媒質に対して正しく位置合わ
せ（アライメント）しなければならず、アライメントの
手間が煩雑になる。さらに、上のような方法ではレーザ
光１１１の強度分布を、例えば均一化することは可能で
あっても、加工に好適な任意の強度分布にすることは困
難である。

【０００８】また、目的は異なるが、リアミラー１０８
における反射損失を低減するために、共振器の最後段に
全反射プリズムを用いるという技術が、特開平１１−３
６６９４７号公報に開示されている。以下、これを第３
従来技術と言う。図２２に、第３従来技術に係るフッ素
レーザ装置の構成例を示す。図２２において、フッ素レ
ーザ装置１２１は、フッ素ガスを含むレーザガスを封入
したレーザチャンバ１０２を備えている。レーザチャン
バ１０２の両端部にはウィンドウ１０７，１０９が固定
されている。また、レーザチャンバ１０２の後方には、
フッ素レーザ光１１２をシングルライン化する分散プリ
ズム１１８と、フッ素レーザ光１１２を全反射する直角
プリズム１２５とが配置されている。

【０００９】これにより、フッ素レーザ光１１２は直角
プリズム１２５の内部で全反射を２度行なって反射され
るので、反射による損失が少ない。このとき、フッ素レ
ーザ光１１２が入射する入射面１２６が平坦であると、
シングルライン化されていないフッ素レーザ光１１２が
入射面１２６で反射してレーザチャンバ２内に戻り、出
射するフッ素レーザ光１１２の品位が低下する。これを
防ぐために入射面１２６をフッ素レーザ光１１２に対し
てブリュースタ角とし、入射面１２６での反射率を低く
している。その結果、直角プリズム１２５の構造が複雑
になるとともに、直角プリズム１２５をフッ素レーザ光
１１２に対して正確に角度合わせするのが難しいという
問題がある。

【００１０】本発明は、上記の問題に着目してなされた
ものであり、レーザ光の強度分布を、所望する分布形状
に効率良く変換することの可能なレーザ装置を提供する
ことを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】上記の目
的を達成するためには、本発明によれば、レーザ媒質を
挟んで互いに対向して配置された、レーザ光を部分反射
する部分反射光学部品、及びレーザ光を全反射する全反
射光学部品を備えたレーザ装置において、前記全反射光
学部品が、互いに直交する反射面を有する直角プリズム
としている。

【００１２】かかる構成によれば、レーザ光が直角プリ
ズムの直交する反射面で２度にわたって全反射され、往
路と復路とでレーザ光軸に対して対称な経路を通る。こ
れにより、レーザ光軸に対するレーザ媒質の増幅率の非
対称を相殺し、レーザ光軸に対して対称な強度分布のレ
ーザ光を得ることができる。また、直角プリズムに入射
したレーザ光は、全反射によって損失なくレーザ媒質に
戻るため、反射による損失が生じない。しかも、直角プ
リズムの底面で反射したレーザ光もレーザ媒質に戻って
再増幅されるため、直角プリズムの入射面における反射
でも損失が生じない。従って、レーザ光の損失が、非常
に小さなものとなり、また、レーザ光の入射面をブリュ
ースタ角のような複雑な形状にする必要がない。

【００１３】また、本発明によるレーザ装置は、全反射
光学部品が、互いに直交する反射面を備えた直角プリズ
ムを、底面が互いに直交するように２個組み合わせた形
状を有する山型プリズムであってもよい。

【００１４】かかる構成によれば、レーザ光の一部は底
面で部分反射され、レーザ光軸に対して互いに対称な光
路を通るので、レーザ光軸を中心とする強度分布の非対
称性を相殺される。一方、レーザ光の残りの成分は、底
面を透過して反射面で全反射され、往路と復路とで、レ
ーザ光軸から異なる距離の経路を通過する。従って、レ
ーザ光軸からの距離に対する増幅率の強弱が相殺され、
レーザ光の強度分布が、レーザ光軸からの距離に対して
均一化される。出射光は、レーザ光軸を中心とする強度
分布の非対称性を相殺されたレーザ光と、レーザ光軸か
らの距離に対する増幅率の強弱を相殺されたレーザ光と
の合成であるため、全体としてレーザ光軸に対称で均一
な強度分布のレーザ光を得ることができる。これによ
り、レーザ加工の際に、レーザ光を照射する全面積に対
して、均質な加工が可能となる。

【００１５】また、本発明によるレーザ装置は、全反射
光学部品が、互いに直交する反射面を有する２個の直角
プリズムを、レーザ光軸を挟んで対称に組み合わせた形
状を有する山型プリズムであってもよい。かかる構成に
よれば、レーザ光軸に垂直な１方向の、レーザ光軸から
の距離に対する増幅率の強弱を相殺でき、この方向に対
する強度分布を均一化できる。

【００１６】また、本発明によるレーザ装置は、レーザ
媒質を挟んで互いに対向して配置された、レーザ光を全
反射する一対の全反射光学部品と、レーザ媒質と、いず
れか一方の全反射光学部品との間に配置され、レーザ光
を取り出す部分反射光学部品とを備えたレーザ装置にお
いて、前記全反射光学部品が、互いに直交する反射面を
有する２個の直角プリズムを、レーザ光軸を挟んで対称
に配置した山型プリズムであって、レーザ媒質の一側に
配置された山型プリズムの反射面がなす稜線と、他側に
配置された山型プリズムの稜線とを直交させて配置して
いる。

【００１７】かかる構成によれば、一側の山型プリズム
で、レーザ光軸に垂直な１方向の、レーザ光軸からの距
離に対する増幅率の強弱を相殺できる。また、他側の山
型プリズムで、前記１方向及びレーザ光軸に垂直な他方
向の、レーザ光軸からの距離に対する増幅率の強弱を相
殺できる。従って、レーザ光軸に対して垂直な２方向の
増幅率の強弱を相殺できるので、レーザ光の強度分布が
２方向に対して均一化され、より均一な強度分布のレー
ザ光を得ることが可能である。

【００１８】また、本発明によるレーザ装置は、前記全
反射光学部品の一方が、互いに直交する反射面を有する
直角プリズムであり、他方が、互いに直交する反射面を
有する２個の直角プリズムを、レーザ光軸を挟んで対称
に配置した山型プリズムであってもよい。

【００１９】かかる構成によれば、レーザ光は、直角プ
リズムで全反射される際に、往路と復路とでレーザ光軸
に対して対称な通路を通り、レーザ光軸を中心とする強
度分布の非対称性を相殺される。一方、レーザ光は、他
側の山型プリズムで全反射される際には、往路と復路と
でレーザ光軸からの距離が異なる道筋を通り、レーザ光
軸からの距離に対する増幅率の強弱を相殺される。出射
光は、直角プリズムで全反射されたレーザ光と、山型プ
リズムで全反射されたレーザ光との合成であるため、全
体としてレーザ光軸に対称で均一な強度分布のレーザ光
を得ることができる。これにより、レーザ加工の際に、
レーザ光を照射する全面積に対して、均質な加工が可能
となる。しかも、いずれの反射も反射面での全反射であ
るので、損失が少ない。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しながら、本発明
に係る実施形態を詳細に説明する。まず、第１実施形態
を説明する。図１及び図２は、本実施形態に係るエキシ
マレーザ装置１の構成図を示している。図１は平面図、
図２は、図１におけるＡ−Ａ視断面図である。尚、以下
の図において、図１における上下方向をＹ方向、紙面に
垂直な方向をＸ方向とし、Ｘ，Ｙ方向に直交するレーザ
光軸の方向をＺ方向として説明する。

【００２１】図１、図２において、エキシマレーザ装置
１は、レーザ媒質であるレーザガスを封入したレーザチ
ャンバ２を備えている。レーザチャンバ２の前後部に
は、レーザ光１１を透過させるフロントウィンドウ７及
びリアウィンドウ９がそれぞれ固定されている。また、
レーザチャンバ２の内部には、一対の放電電極４，５が
図１中紙面と垂直に対向して配置されている。この放電
電極４，５間に、図示しない高圧電源から高電圧を印加
することにより放電を起こし、レーザガスを励起してレ
ーザ光１１を発振させる。このとき、発振したレーザ光
１１の中心軸を、レーザ光軸１０と言い、レーザガスを
励起する放電電極４，５間に挟まれた領域を、励起空間
と呼ぶ。レーザチャンバ２の内部には、レーザガスを放
電電極４，５間に送り込む貫流ファン１４が設置されて
いる。レーザガスの流れを、図２中、矢印Ｇで示す。ま
た、レーザチャンバ２の内部には、レーザガスを冷却す
る熱交換器３が設置されている。

【００２２】レーザチャンバ２の前方（図１中右方）に
は、レーザ光１１を部分透過するフロントミラー６が配
置されている。また、レーザチャンバ２の後方には、レ
ーザ光１１を全反射する直角プリズム２０が配置されて
いる。図３に、第１実施形態に係る直角プリズム２０の
斜視図を示す。図３において、直角プリズム２０は、反
射面２２Ａと反射面２２Ｂとのなす角が直角であり、断
面が直角二等辺三角形状を有している。図１に示すよう
に、直角プリズム２０は、その底面２１がレーザ光軸１
０に対して略垂直となるようにレーザチャンバ２に対面
し、かつ直角二等辺三角形の頂点がレーザ光軸１０上に
来るように配置されている。

【００２３】図１に基づき、このような直角プリズム２
０を用いたエキシマレーザ装置１におけるレーザ光１１
の振舞いについて説明する。レーザチャンバ２内で放電
によって発生したレーザ光１１は、リアウィンドウ９を
透過し、直角プリズム２０で反射されてレーザチャンバ
２内で増幅され、その一部がフロントミラー６を部分透
過して、出射光２７として前方に出射する。以下、レー
ザチャンバ２から直角プリズム２０に向かうレーザ光１
１の通過する道筋を往路２４と言う。また、直角プリズ
ム２０で反射され、レーザチャンバ２に向かうレーザ光
１１の通過する道筋を復路２５と言う。

【００２４】図１においてレーザ光１１は、レーザ光軸
１０の図１中上方の往路２４を通過して、直角プリズム
２０に入射する。直角プリズム２０に入射したレーザ光
１１は、直角プリズム２０の底面２１を透過し、直角プ
リズム１０内部から反射面２２Ａに入射角４５度で入射
する。レーザ光１１は、反射面２２Ａで図１中下方に反
射角４５度で反射され、反射面２２Ｂに入射角４５度で
入射する。そして、やはり反射角４５度で反射面２２Ｂ
で反射されて、レーザ光軸１０よりも図１中下方から、
往路２４と平行に出射する。即ち、レーザ光１１はレー
ザ光軸１０に対して対称な復路２５を通ってレーザチャ
ンバ２に戻ることになる。

【００２５】このときレーザ光１１は、直角プリズム２
０内の反射面２２Ａ，２２Ｂで２回反射する際に、いず
れも全反射されるため、反射面２２Ａ，２２Ｂでの反射
による損失はほぼゼロとなる。また、往路２４において
直角プリズム２０に入射したレーザ光１１のうち、底面
２１で反射した反射光２６は、往路２４と同じ経路を辿
ってレーザチャンバ２に入射し、レーザチャンバ２内で
再増幅される。

【００２６】前記第１従来技術に記載があるように、レ
ーザガスの流れによって、励起空間の増幅率には、例え
ばＹ方向にレーザ光軸１０に対する非対称性が生じてい
る。第１実施形態においては、レーザ光１１が直角プリ
ズム２０内部で２度反射することにより、往路２４と復
路２５とでレーザ光軸１０に対してＹ方向に対称な光路
を通過する。従って、レーザチャンバ２から、直接前方
へ進むレーザ光１１と、直角プリズム２０内部で反射さ
れたレーザ光１１とを合成することにより、Ｙ方向にお
ける増幅率の非対称性を相殺し、レーザ光軸１０に対し
て対称な強度分布を得ることができる。

【００２７】以上説明したように、第１実施形態によれ
ば、直角二等辺三角形状を有する直角プリズム２０を全
反射光学部品として用いることにより、Ｙ方向における
レーザ光１１の強度分布をレーザ光軸１０に対して対称
とすることができる。これにより、レーザ光１１の集光
性が良好となるとともに、例えば図示しないホモジナイ
ザ等を用いて強度分布を均一化するのも容易となり、こ
のレーザ光１１を加工等の光源として用いた場合の加工
精度が向上する。しかも、直角プリズム２０に入射した
レーザ光１１は、内部で全反射されてレーザチャンバ２
に戻るため、損失が殆んど生じない。

【００２８】また、直角プリズム２０の底面２１で反射
したレーザ光１１は、反射光２６となってレーザチャン
バ２に戻って再増幅され、所望する出射光２７として出
射するので、底面２１における反射での損失も生じな
い。従って、直角プリズム２０による損失は、直角プリ
ズム２０の内部での吸収のみであり、これは第１従来技
術に係る円錐ミラー１１９の表面での反射損失に比較し
て、非常に小さなものとなる。しかもこの吸収は、レー
ザ光１１に対して吸収率の小さい材質を用いることによ
り、最小限に抑えることが可能である。例えば、ＫｒＦ
エキシマレーザ装置の場合には、ＣａＦ2等が好適であ
る。

【００２９】さらに、直角プリズム２０の底面２１での
反射光２６を抑制する必要がないので、底面２１に全反
射膜をコーティングする必要がない。従って、レーザ光
１１の照射によって全反射膜が劣化して直角プリズム２
０が損傷するようなことがなく、直角プリズム２０の寿
命が長くなる。また、レーザ光１１の入射面をブリュー
スタ角のような複雑な形状にする必要がない。しかも、
直角プリズム２０の底面２１を、レーザ光軸１０に対し
て垂直となるようにアライメントするのは容易であり、
アライメントの手間が軽減される。

【００３０】図４に、第１実施形態に係るエキシマレー
ザ装置１の他の実施例を示す。図４において、直角プリ
ズム２０の底面２１には、レーザ光１１を所定の反射率
で反射し、残りを透過する部分反射膜２８がコーティン
グされている。図４に示すように、往路２４を通って直
角プリズム２０に入射するレーザ光１１のうち、一部は
上述したように直角プリズム２０の底面２１を透過し
て、復路２５を通ってレーザチャンバ２に戻る。これに
対して、残りは直角プリズム２０の底面２１の部分反射
膜２８で反射して反射光２６となり、往路２４と同じ光
路を逆方向に通ってレーザチャンバ２内に戻る。

【００３１】即ち、出射光２７は、直角プリズム２０内
部で全反射したレーザ光１１と、部分反射膜２８で反射
したレーザ光１１との合成となる。全反射したレーザ光
１１は、レーザ光軸１０に対する非対称性を相殺されて
いるのに対し、部分反射膜２８で反射したレーザ光１１
は相殺されていない。従って、部分反射膜２８の反射率
を変更することにより、レーザ光１１の強度分布を変え
ることが可能となっている。そして、レーザ光１１の強
度分布は、部分反射膜２８の反射率が大きいほど、直角
プリズム２０の代わりに平板リアミラーを配置した場合
の強度分布に近づくことになる。

【００３２】次に、第２実施形態を説明する。図５に、
第２実施形態に係るエキシマレーザ装置１に用いられ
る、山型プリズム１７の斜視図を示す。図５に示すよう
に、第２実施形態に係る山型プリズム１７は、断面が直
角二等辺三角形状を有する直角プリズム３８，３９を、
底面１８，１８が同一平面となるように、上下に２個組
み合わせた形状を有している。以下の説明では、これら
を上側プリズム３８、下側プリズム３９と呼んで説明す
る。図６に、この山型プリズム１７を用いたエキシマレ
ーザ装置１の構成断面図を示す。図６において、レーザ
チャンバ２の前後方には、山型プリズム１７Ａ，１７Ｂ
が、その稜線２３，２３を互いに直交させてそれぞれ配
置されている。また、前方（図６中右方）の山型プリズ
ム１７Ｂとレーザチャンバ２との間には、レーザ光１１
の一部を透過し、残りを反射するビームスプリッタ１２
が、レーザ光軸１０に対して４５度の角度で配置されて
いる。ビームスプリッタ１２の両面には部分反射膜２
８，２８がコーティングされ、レーザ光１１を透過／反
射する割合を任意に設定自在である。また、ビームスプ
リッタ１２の図６中上方には、レーザ光１１を全反射す
る全反射ミラー３１が配置されている。

【００３３】図６に示すように、レーザ光軸１０の近傍
の往路２４Ａを通るレーザ光１１は、上側プリズム３８
の底面１８から入射し、上側プリズム３８の反射面１９
Ｂに入射角４５度で入射する。そして、２箇所の反射面
１９Ａ，１９Ｂでいずれも全反射されて、上側プリズム
３８の底面１８から、レーザ光軸１０から距離が離れた
復路２５Ａを通って、往路２４Ａと平行に出射し、レー
ザチャンバ２に入射する。一方、これとは逆に、レーザ
光軸１０から遠方の往路２４Ｂを通るレーザ光１１は、
上側プリズム３８の底面１８から入射し、上側プリズム
３８の反射面１９Ａに入射角４５度で入射する。そし
て、２箇所の反射面１９でいずれも全反射されて、上側
プリズム３８の底面１８から、レーザ光軸１０の近傍の
復路２５Ｂを通って、往路２４Ｂと平行に出射し、レー
ザチャンバ２に入射する。

【００３４】このとき、レーザチャンバ２内部の励起空
間においては、一般的にレーザ光軸１０近傍が最も増幅
率が高く、遠方ほど増幅率が低くなっている。従って、
図７に破線２９で示すように、全反射光学部品が平坦な
平板ミラーである場合には、中央部（レーザ光軸１０近
傍）が強く、端部（レーザ光軸１０から遠方）が弱い強
度分布を示す。これに対して第２実施形態によれば、レ
ーザ光１１は往路２４と復路２５とで、増幅率の高い近
傍と増幅率の低い遠方とを通過する。従って、レーザチ
ャンバ２から直接前方へ進むレーザ光１１と、山型プリ
ズム１７Ａで反射されたレーザ光１１とが合成されて増
幅率の強弱が相殺され、レーザ光１１の強度分布が、レ
ーザ光軸１０からの距離に対して均一化される。以上、
レーザ光軸１０よりも上方を通るレーザ光１１について
説明したが、レーザ光軸１０よりも下方を通るレーザ光
１１についても同様である。従って、図７に実線３０で
示すように、第２実施形態に係るエキシマレーザ装置１
から発振したレーザ光１１は、図６中Ｙ方向に対して、
レーザ光軸１０からの距離に対して平坦な強度分布を示
すことになる。

【００３５】そして、山型プリズム１７Ａで反射したレ
ーザ光１１は、レーザチャンバ２を通過し、前方に出射
してビームスプリッタ１２に入射する。レーザ光１１の
一部の成分１１Ａは、ビームスプリッタ１２で図６中下
方へ反射される。この成分１１Ａは、山型プリズム１７
によって、レーザ光軸１０からの距離に対するＹ方向の
強度分布を均一化されている。また、レーザ光１１の残
りの成分１１Ｂは、ビームスプリッタ１２を透過して図
６中右方へ進み、他側の山型プリズム１７Ｂに入射す
る。山型プリズム１７Ｂは、一側の山型プリズム１７Ａ
と垂直に配置されているので、レーザ光１１Ｂは、この
山型プリズム１７Ｂによって、Ｘ方向におけるレーザ光
軸１０を中心とする強度分布の非対称性を相殺され、強
度分布を均一化される。そして、ビームスプリッタ１２
に再入射したレーザ光１１Ｂは、そのうちの一部が透過
してレーザチャンバ２内に戻る。また、ビームスプリッ
タ１２で図６中上向きに反射した成分１１Ｂは、全反射
ミラー３１によって反射され、ビームスプリッタ１２を
透過して図６中下方へ出射する。

【００３６】従って、ビームスプリッタ１２から下方に
出射するレーザ光１１は、Ｙ方向に対してレーザ光軸１
０からの距離に対する強度分布を均一化された成分１１
Ａと、Ｘ方向に対して強度分布を均一化された成分１１
Ｂとが合成されている。即ち、レーザ光軸１０に対して
ＸＹ両方向に強度分布を均一化されたレーザ光１１とな
っている。

【００３７】尚、第２実施形態では、山型プリズム１７
Ａの断面形状として、図６に示したように直角二等辺三
角形状の直角プリズム２０を並べたものを例示したが、
これに限られるものではない。即ち、この直角プリズム
２０は、互いに直交する反射面１９Ａ，１９Ｂ、及びこ
れらの反射面１９Ａ，１９Ｂに対してそれぞれ４５度の
角度をなす底面１８を備えていればよく、例えば図８に
示すような五角形の直角プリズム３８，３９でもよい。
勿論、山型プリズム１７Ｂも同様である。さらには、こ
の底面１８がレーザ光軸１０に対してブリュースタ角を
なすように製作されていてもよい。これにより、底面１
８での反射光２６が殆んどなくなる。また、第１実施形
態に係る直角プリズム２０も、直角二等辺三角形状から
なるものとは限らず、図８に示す五角形形状の山型プリ
ズム３８，３９の片方からなるようなプリズムでもよ
い。さらには、底面がレーザ光軸１０に対してブリュー
スタ角をなすようなプリズムでもよい。さらに、例えば
図６において、全反射ミラー３１と山型プリズム１７Ｂ
の位置を置き換えてもよく、全反射ミラー３１と山型プ
リズム１７Ａとを置き換えてもよく、山型プリズム１７
Ａと山型プリズム１７Ｂとを置き換えてもよい。

【００３８】図９に、第２実施形態に係る山型プリズム
１７Ａ，１７Ｂの、他の実施例を示す。レーザ光１１の
強度分布は、図７に破線２９に示したように中心に向か
ってガウシアン状に強くなると限られるものではなく、
レーザチャンバ２の内部の放電電極４，５の形状などの
条件によって変化する。図９の例においては、破線２９
で示すように、中央のピークがより高く、端部がよりフ
ラットな強度分布をしている。即ち、強度がピークの１
／２となるＹ方向の位置２９Ａ，２９Ａが、図７に示し
たものよりもレーザ光軸１０に近づいている。図９にお
いては、山型プリズム１７Ａが、互いに直交する反射面
１９Ａ，１９Ｂを有する直角プリズム５１，５２を備え
ている。そして、直角プリズム５１，５２のそれぞれの
稜線２３，２３が、位置２９Ａ，２９Ａを通ってレーザ
光軸１０に平行な一点鎖線１３Ａ，１３Ｂを通るよう
に、レーザ光軸１０に対称に配置している。これによ
り、中央部の強度分布がより高いレーザ光１１の強度分
布も、図１０の実線３０に示すように均一化される。

【００３９】また、図１１に示すように、断面が直角二
等辺三角形の直角プリズム３８，３９を、その稜線２
３，２３が一点鎖線１３Ａ，１３Ｂを通るように配置し
てもよい。但し、このような場合には、往路２４Ａ，２
４Ｂを通過するレーザ光１１が底面１８，１８に入射す
る際に屈折するので、一点鎖線１３Ａ，１３Ｂを、図９
に示した一点鎖線１３Ａ，１３Ｂよりもわずかにレーザ
光軸１０側に寄せる必要がある。

【００４０】以上説明したように第２実施形態によれ
ば、レーザ光軸１０からの距離に対するレーザ光１１の
強度分布を、全方向にわたって均一化することができ
る。このレーザ光１１を、例えばマスクやレンズアレイ
等に照射してマーキングや孔あけ加工を行なうような場
合には、マスクやレンズアレイの全面にわたって均一な
強度のレーザ光１１を照射することが可能である。従っ
て、被加工物の加工領域にレーザ光１１が均一に照射さ
れるので、加工領域全体にわたって、均質な加工が可能
となる。また、山型プリズム１７Ａ，１７Ｂにおいて
は、全反射を用いてレーザ光１１を反射しているので、
損失がほとんど生じない。しかも、山型プリズム１７
Ａ，１７Ｂの底面１８，１８で反射したレーザ光１１
は、往路２４と同じ光路を逆方向に通ってレーザチャン
バ２に戻り、再増幅される。これにより、レーザ光１１
の損失が、山型プリズム１７内部での吸収のみとなり、
非常に小さくなる。

【００４１】さらにこのとき、第１実施形態と同様に、
山型プリズム１７Ａ，１７Ｂの底面１８に、レーザ光１
１を所定の反射率で反射し、残りを透過する部分反射膜
をコーティングすれば、任意の強度分布を得ることも可
能となる。尚、第２実施形態においては、図６に示した
山型プリズム１７Ａと、図９又は図１１に示した山型プ
リズム１７とを組み合わせてもよい。さらには、山型プ
リズム１７は、図６に示すようにレーザチャンバ２の両
側に配置されると限られるものではなく、図１における
直角プリズム２０の代わりに、片側のみに配置されても
よい。これにより、Ｘ又はＹ方向の、少なくともいずれ
か一方の強度分布を均一化することが可能である。

【００４２】次に、第３実施形態を説明する。図１２
に、第３実施形態に係るエキシマレーザ装置１の構成図
を示す。図１２において、エキシマレーザ装置１は、レ
ーザチャンバ２の後方（図６左方）には、図５で説明し
た山型プリズム１７を、前方には、図３で説明した直角
プリズム２０を、それぞれ揃えている。また、レーザチ
ャンバ２と直角プリズム２０との間には、レーザ光１１
の一部を透過し、残りを反射するビームスプリッタ１２
が、レーザ光軸１０に対して４５度の角度で配置されて
いる。ビームスプリッタ１２の両面には部分反射膜２
８，２８がコーティングされ、レーザ光１１を透過／反
射する割合を任意に設定自在である。また、ビームスプ
リッタ１２の図１２中上方には、レーザ光１１を全反射
する全反射ミラー３１が配置されている。

【００４３】レーザ光１１は、山型プリズム１７での反
射によって、往路２４と復路２５とでＹ方向の光路を変
えられ、第２実施形態で説明したようにレーザ光軸１０
からの距離に対する強度分布を均一化される。そして、
山型プリズム１７で反射したレーザ光１１は、レーザチ
ャンバ２を通過し、前方に出射してビームスプリッタ１
２に入射する。レーザ光１１の一部の成分１１Ａは、ビ
ームスプリッタ１２で図１２中下方へ反射される。この
成分１１Ａは、山型プリズム１７によって、レーザ光軸
１０からの距離に対する強度分布を均一化されている。

【００４４】また、レーザ光１１の残りの成分１１Ｂ
は、ビームスプリッタ１２を透過して図１２中右方へ進
み、直角プリズム２０に入射する。レーザ光１１は、こ
の直角プリズム２０で全反射し、第１実施形態で説明し
たように、Ｙ方向におけるレーザ光軸１０を中心とする
強度分布の非対称性を相殺される。ビームスプリッタ１
２に再入射したレーザ光１１Ｂのうち、一部の成分は透
過してレーザチャンバ２内に戻る。また、ビームスプリ
ッタ１２で図１２中上向きに反射した成分１１Ｂは、全
反射ミラー３１によって反対方向へ反射され、ビームス
プリッタ１２を透過して図１２中下方へ出射する。従っ
て、ビームスプリッタ１２から下方に出射する出射光２
７は、Ｙ方向におけるレーザ光軸１０からの距離に対す
る強度分布を均一化された成分１１Ａと、その成分１１
Ａに対するレーザ光軸１０を中心とする強度分布の非対
称性を相殺された成分１１Ｂとが合成されている。

【００４５】以上説明したように第３実施形態によれ
ば、レーザチャンバ２の前後両側に、レーザ光１１を全
反射するプリズム１７，２０をそれぞれ設置している。
レーザ光１１は、一側の直角プリズム２０では、レーザ
光軸１０を中心とする強度分布の非対称性を相殺され、
強度分布をレーザ光軸１０に対して対称化される。ま
た、他側の山型プリズム１７では、レーザ光軸１０から
の距離に対する増幅率の強弱を相殺され、強度分布をレ
ーザ光軸１０からの距離に対して均一化される。これに
より、出射光２７の強度分布は、Ｙ軸に関してレーザ光
軸１０に対称に均一化され、これを加工に用いたときに
均質な加工が可能である。そして、ビームスプリッタ１
２の部分反射膜２８を変更して、ビームスプリッタ１２
の反射率を変更することにより、任意の強度分布を得る
ことも可能である。

【００４６】尚、第３実施形態では、レーザチャンバ２
と直角プリズム２０との間に、レーザ光１１を外部に取
り出すビームスプリッタ１２を配置するように説明した
が、レーザチャンバ２と山型プリズム１７との間にビー
ムスプリッタ１２を配置してもよい。また、直角プリズ
ム２０をレーザ光軸１０を中心として９０度回転させて
もよい。このようにすれば、出射光２７の強度分布は、
山型プリズム１７により、レーザ光軸１０からの距離に
対する増幅率の強弱をＹ軸に対して相殺され、直角プリ
ズム２０により、レーザ光軸１０を中心とする強度分布
の非対称性をＸ軸に対して相殺される。また、図１３に
示すように、平板型のビームスプリッタ１２の代わり
に、二等辺三角形状の、プリズム４４を配置してもよ
い。プリズム４４の入射面４５には、所定の反射率でレ
ーザ光１１を透過／反射させる部分反射膜２８がコーテ
ィングされている。また、プリズム４４の図１３中上面
４６には、プリズム内部から図１３中上向きに進行して
きたレーザ光１１Ｂを、全反射させる全反射膜４７がコ
ーティングされている。このとき、プリズム４４に入射
するレーザ光１１Ａは、その入射面４５、及び出射面４
８で屈折するため、直角プリズム２０をレーザ光軸１０
からずらし、傾けて配置するようにする。

【００４７】図１４に、第３実施形態に係るエキシマレ
ーザ装置１の、他の構成例を示す。図１４において、エ
キシマレーザ装置１の前方には、互いに垂直な３個の反
射面４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃを有する、コーナーキュー
ブプリズム４０が配置されている。尚、図１４において
は、説明のためにコーナーキューブプリズム４０を、傾
けて描画している。コーナーキューブプリズム４０とレ
ーザチャンバ２との間には、４５度直角プリズムを２個
組み合わせた、立方体形状のキューブビームスプリッタ
３２が、レーザ光１１が反射面３３に対して４５度の入
射角で入射するように配置されている。キューブビーム
スプリッタ３２の反射面３３には、所定の反射率でレー
ザ光１１を透過／反射させる部分反射膜２８がコーティ
ングされている。また、プリズムの図１４中上面３４に
は、プリズム内部から図１４中上向きに進行してきたレ
ーザ光１１を、全反射させる全反射膜３５がコーティン
グされている。

【００４８】図１４において、山型プリズム１７によっ
て、Ｙ方向におけるレーザ光軸１０からの距離に対する
強度分布を均一化されたレーザ光１１のうち、一部の成
分１１Ａが反射面２８で図１４中下方に反射される。ま
た、反射面２８を透過し、コーナーキューブプリズム４
０に入射した成分１１Ｂは、反射面４１Ａ，４１Ｂ，４
１Ｃでそれぞれ全反射される。そして、Ｘ，Ｙ両方向に
対してレーザ光軸１０に対称にコーナーキューブプリズ
ム４０から出射する。これにより、Ｘ，Ｙ両方向に対し
て、レーザ光軸１０を中心とする強度分布の非対称性を
相殺される。成分１１Ｂは、一部がキューブビームスプ
リッタ３２を透過して、レーザチャンバ２に戻り、残り
は反射面３３及び上面３４で反射して図１４中下方に出
射する。これにより、Ｙ方向における強度分布を均一化
され、かつＸＹ両方向における非対称性を相殺された出
射光２７を得ることができる。

【００４９】またこのとき図１４において、キューブビ
ームスプリッタ３２をレーザ光軸１０を中心として９０
度回転させ、出射光２７を紙面と垂直方向に出射させる
ようにしてもよい。このようにするならば、キューブビ
ームスプリッタ３２の反射面３３に部分反射膜２８がな
かったとしても、レーザ光１１のうちＳ偏光が反射面３
３で７〜１０％程度反射して出射するので、部分反射膜
２８が不要となる。これにより、部分反射膜２８がレー
ザ光１１の照射によって劣化することがなく、キューブ
ビームスプリッタ３２の寿命を伸ばすことが可能とな
る。

【００５０】次に、第４実施形態について説明する。図
１５に、第４実施形態に係るエキシマレーザ装置１に用
いられる山型プリズム３６の斜視図を示す。図１６は、
山型プリズム３６を用いたエキシマレーザ装置１の構成
断面図である。図１５、図１６に示すように、山型プリ
ズム３６は、互いに直交する反射面１９Ａ，１９Ｂを有
し、その底面３７Ａ，３７Ｂが反射面１９Ａ，１９Ｂに
それぞれ平行な台形形状の２個の台形プリズム４２，４
３を備えている。そして、これらの台形プリズム４２，
４３と、直角二等辺三角形状の直角プリズム４９とを組
み合わせて形成されている。台形プリズム４２，４３と
直角プリズム４９とが接する底面３７Ａ，３７Ｂには、
例えばレーザ光１１を５０％透過し、５０％反射させる
部分透過膜２８，２８がコーティングされている。山型
プリズム３６は、中心軸をレーザ光軸１０に一致させ、
底面５０をレーザチャンバ２側に向け、レーザチャンバ
２の後方に配置されている。尚、図１６において、レー
ザチャンバ２の前方（図１６中右方）には、図４と同様
に、図示しないフロントミラー６が配置されている。

【００５１】図１６において、往路２４を通るレーザ光
１１は、底面５０を通過し、底面３７Ａに入射角４５度
で入射する。その一部の成分１１Ａは、部分透過膜２８
で図１６中下向きに反射し、底面３７Ｂで再反射して、
レーザ光軸１０に対してＹ方向に対称な復路２５を通っ
てレーザチャンバ２に戻る。これにより、Ｙ方向におけ
る増幅率の非対称性が相殺される。また、底面３７Ａの
部分透過膜２８を透過したレーザ光１１Ｂは、山型プリ
ズム３６の反射面１９Ａ，１９Ｂで２度全反射する。そ
して、例えば往路２４がレーザ光軸１０近傍を通ったの
であれば、復路２５はレーザ光軸１０の遠方を通ってレ
ーザチャンバ２に戻るようになっている。これにより、
Ｙ方向において、レーザ光軸１０に対する増幅率が均一
化される。さらに、底面５０で反射した図示しないレー
ザ光１１は、往復共に同一の光路を通ってレーザチャン
バ２に戻る。

【００５２】尚、上記の説明では、例えば山型プリズム
３６を２個の台形プリズム４２，４３、及び直角プリズ
ム４９を組み合わせた形状として説明したが、製作時に
は一体として製作するものであり、各プリズム間には継
ぎ目がない。他の実施形態の山型プリズムについても、
同様である。また、山型プリズム３６は、図１５のよう
な形状に限らず、図１７や図１８に示したような形状で
もよい。さらに、図１９に示すように、山型プリズム３
６を、互いに垂直な反射面１９Ａ，１９Ｂを有する五角
形のプリズム４２，４３を組み合わせたような形状とし
てもよい。このように、底面５０がない場合には、レー
ザ光１１は反射面３７Ａ，３７Ｂを透過する際に屈折す
るため、反射面１９Ｂと反射面１９Ａとのなす角θが鈍
角になるように山型プリズム３６を形成する。

【００５３】このように、第４実施形態によれば、底面
３７Ａ，３７Ｂで反射したレーザ光１１の一部の成分１
１Ｂは、Ｙ方向における増幅率の非対称性を相殺され、
レーザ光軸に対して対称な強度分布を得る。一方、底面
３７Ａ，３７Ｂを透過した成分１１Ａは、レーザ光軸１
０の近傍と遠方とを通過するので、レーザ光軸１０から
の距離に対する強度分布を均一化される。出射光２７
は、これらの成分１１Ａ，１１Ｂの合成であるので、レ
ーザ光軸１０に対称で、かつ均一な強度分布のレーザ光
１１が得られ、これを加工に用いたときに、均質な加工
が可能である。しかも、山型プリズム３６に入射したレ
ーザ光１１は、吸収される成分を除いてすべてレーザチ
ャンバ２に返って再増幅されるので、損失が少ない。ま
たこのとき、図６における山型プリズム１７Ａ，１７Ｂ
の代わりに、山型プリズム３６，３６を互いにその稜線
２３，２３を直交させて配置してもよい。これにより、
Ｘ，Ｙ両方向において、強度分布が均一なレーザ光１１
を得ることが可能となる。

【００５４】尚、本実施形態では、部分透過膜２８の反
射比率を、透過５０％、反射５０％としたが、これに限
られるものではなく、比率を変更することによって、任
意の強度分布を得ることが可能である。また、底面３７
Ａ，３７Ｂに、部分透過膜２８をコーティングしないよ
うにしてもよい。これにより、底面３７Ａ，３７Ｂで反
射するレーザ光１１Ｂの比率が小さくなり、レーザ光１
１のレーザ光軸１０からの距離に対する強度分布を均一
化する作用のほうが大きくなる。このようにすることに
より、部分透過膜２８がレーザ光１１の照射によって劣
化するのを防止することができるので、山型プリズム３
６の寿命が長くなる。

【００５５】また、エキシマレーザ装置１について説明
したが、これはエキシマレーザ装置１から出射するレー
ザ光１１が、特にレーザ光軸１０に対する非対称性が大
きいことによる。また、エキシマレーザ装置１から出射
するレーザ光１１を加工に応用する場合には、リソグラ
フィなどの応用が一般的であり、レーザ光１１を集光せ
ずにマスク等に照射する加工が多い。そのため、レーザ
光１１の非対称性を予め是正し、強度分布を均一化する
ことが、加工効率の向上に大きく寄与する。即ち、本発
明は特にエキシマレーザ装置１やフッ素レーザ装置に対
して有効である。しかしながら、本発明の応用範囲はこ
れらのレーザ装置に限られるものではなく、すべてのレ
ーザ装置について応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係るエキシマレーザ装置の構成
断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ視断面図。

【図３】第１実施形態に係る円錐プリズムの斜視図。

【図４】エキシマレーザ装置の他の実施例を示す構成断
面図。

【図５】第２実施形態に係る山型プリズムの斜視図。

【図６】図５の山型プリズムをエキシマレーザ装置に用
いた際の断面図。

【図７】レーザ光の強度分布を示す説明図。

【図８】エキシマレーザ装置の他の実施例を示す構成断
面図。

【図９】第２実施形態に係る山型プリズムの他の実施例
を示す説明図。

【図１０】レーザ光の強度分布を示す説明図。

【図１１】第２実施形態に係る山型プリズムの他の実施
例を示す説明図。

【図１２】第３実施形態に係るエキシマレーザ装置の構
成断面図。

【図１３】エキシマレーザ装置の他の実施例を示す構成
断面図。

【図１４】エキシマレーザ装置の他の実施例を示す構成
断面図。

【図１５】第４実施形態に係る山型プリズムの斜視図。

【図１６】山型プリズムをエキシマレーザ装置に用いた
際の断面図。

【図１７】山型プリズムの他の構成例を示す断面図。

【図１８】山型プリズムの他の構成例を示す断面図。

【図１９】エキシマレーザ装置の他の実施例を示す構成
断面図。

【図２０】第１従来技術に係るレーザ装置の説明図。

【図２１】第２従来技術に係るレーザ装置の説明図。

【図２２】第３従来技術に係るフッ素レーザ装置の構成
例。

【符号の説明】

１：エキシマレーザ装置、２：レーザチャンバ、３：熱
交換器、４：アノード、５：カソード、６：フロントミ
ラー、７：フロントウィンドウ、９：リアウィンドウ、
１０：レーザ光軸、１１：レーザ光、１２：ビームスプ
リッタ、１４：貫流ファン、１７：山型プリズム、１
８：底面、１９：反射面、２０：直角プリズム、２１：
底面、２２：反射面、２３：稜線、２４：往路、２５：
復路、２６：反射光、２７：出射光、２８：部分反射
膜、２９：強度分布、３０：強度分布、３１：全反射ミ
ラー、３２：キューブビームスプリッタ、３３：反射
面、３４：上面、３５：全反射膜、３６：山型プリズ
ム、３７：底面、３８：上側プリズム、３９：上側プリ
ズム、４０：コーナーキューブプリズム、４１：反射
面、４２：台形プリズム、４３：台形プリズム、４４：
プリズム、４５：入射面４５、４６：上面、４７：全反
射膜、４８：出射面、４９：直角プリズム、５０：底
面、５１：直角プリズム、５２：直角プリズム。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ媒質を挟んで互いに対向して配置
   された、レーザ光(11)を部分反射する部分反射光学部品
   (6)、及びレーザ光(11)を全反射する全反射光学部品(2
   0)を備えたレーザ装置において、 前記全反射光学部品(20)が、互いに直交する反射面(22
   A,22B)を有する直角プリズム(20)であることを特徴とす
   るレーザ装置。
2. 【請求項２】 レーザ媒質を挟んで互いに対向して配置
   された、レーザ光(11)を部分反射する部分反射光学部品
   (6)、及びレーザ光(11)を全反射する全反射光学部品(3
   6)を備えたレーザ装置において、 前記全反射光学部品(36)が、互いに直交する反射面(19
   A,19B)を備えた直角プリズム(42,43)を、底面(37A,37B)
   が互いに直交するように２個組み合わせた形状を有する
   山型プリズム(36)であることを特徴とするレーザ装置。
3. 【請求項３】 レーザ媒質を挟んで互いに対向して配置
   された、レーザ光(11)を部分反射する部分反射光学部品
   (6)、及びレーザ光(11)を全反射する全反射光学部品(17
   A)を備えたレーザ装置において、 前記全反射光学部品(17A)が、互いに直交する反射面(19
   A,19B)を有する２個の直角プリズム(51,52)を、レーザ
   光軸(10)を挟んで対称に組み合わせた形状を有する山型
   プリズム(17A)であることを特徴とするレーザ装置。
4. 【請求項４】 レーザ媒質を挟んで互いに対向して配置
   された、レーザ光(11)を全反射する一対の全反射光学部
   品(17A,17B)と、 レーザ媒質と、いずれか一方の全反射光学部品(17B)と
   の間に配置され、レーザ光(11)の一部を部分反射して取
   り出す部分反射光学部品(12)とを備えたレーザ装置にお
   いて、 前記全反射光学部品(17A,17B)が、互いに直交する反射
   面(19A,19B)を有する２個の直角プリズム(38,39)を、レ
   ーザ光軸(10)を挟んで対称に組み合わせた形状を有する
   山型プリズム(17A,17B)であって、 レーザ媒質の一側に配置された山型プリズム(17A)の反
   射面(19A,19B)がなす稜線(23)と、他側に配置された山
   型プリズム(17B)の稜線(23)とを直交させて配置したこ
   とを特徴とするレーザ装置。
5. 【請求項５】 レーザ媒質を挟んで互いに対向して配置
   された、レーザ光(11)を全反射する一対の全反射光学部
   品(17,20)と、 レーザ媒質と、いずれか一方の全反射光学部品(20)との
   間に配置され、レーザ光(11)の一部を部分反射して取り
   出す部分反射光学部品(12)とを備えたレーザ装置におい
   て、 前記全反射光学部品(17,20)の一方が、互いに直交する
   反射面(22A,22B)を有する直角プリズム(20)であり、 他方が、互いに直交する反射面(19A,19B)を有する２個
   の直角プリズム(38,39)を、レーザ光軸(10)を挟んで対
   称に組み合わせた形状を有する山型プリズム(17)である
   ことを特徴とするレーザ装置。