JP2010085408A - 狭帯域光源のスペクトル測定方法及び分光計装置 - Google Patents

Abstract

【課題】狭帯域光源、特に狭帯域化レーザのスペクトルを高分解能で測定可能にする。
【解決手段】狭帯域化レーザによって放射された光ビーム（６４）のスペクトルを測定するための分光計装置（１０）は１つのエタロン（１６）と光ビーム（６４）を第１の部分ビーム（６６）と第２の部分ビーム（６８）とに分けるビームスプリッタ（１８）と、ｎ及びｋは１以上の整数として第１の部分ビーム（６６）はエタロン（１６）を経てｎ回、第２の部分ビーム（６８）は（ｎ+ｋ）回指向させるための光指向素子（２０）と、光感知検出器（２２）と、検出器（２２）によって記録され、エタロン（１６）をｎ回通過した第１の部分ビーム（６６）とエタロン（１６）を（ｎ+ｋ）回通過した第２の部分ビーム（６８）とのスペクトルを評価してエタロン（１６）の装置関数に対して補正された光スペクトルを決定する、スペクトル評価デバイス（２８）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、狭帯域光源、特に、狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための方法に関する。

本発明はさらに、狭帯域光源、特に、狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための分光計装置にも関する。

狭帯域光源のスペクトルの測定は、大型回折格子の使用か、エタロンの使用に基づく高分解能の分光計の使用を前提とする。

現在市販の装置、特に、高分解能のエシェル回折格子分光計は、さほどコンパクトでなく、極めて高価であり、しかも、有限のスペクトル分解能を決定してから補正するために、装置分解能よりもかなり劣る帯域幅を有する光源を必要としている。

回折格子の使用は、一般に、それ相当の大きな光学アセンブリと、対応する構造空間を必要とするものの、エタロンは測定範囲によって制限される。

エタロンを用い、且つエタロンを経る一度の通過でスペクトルを測定する分光計装置は、スペクトル分解能で作成される現在の要求を満たすものではない。

従って、狭帯域光源、例えば帯域幅を狭めたエキシマレーザのスペクトルを、その光源によって放射された光をエタロンに二度通過させて測定することが、例えば特許文献１に提案されている。この特許文献１から既知であり、且つ２つの平行なプレートを有するエタロンを用いる分光計装置では、光強度の９５％（Δλ_９５％）でのスペクトル線の半値幅（Δλ_ＦＷＨＭ）と、線幅との双方の正確な測定を行なうことができるようにすることを意図している。しかしながら、光を二度通すエタロンを用いる方法では、不都合なことに、エタロンのプレート間の、プレート間隔を広い範囲に亘って極めて厳密に均一にする必要がある。さらに、これらの装置は、狭帯域光源を用いてキャリブレーションする必要がある。

特許文献１から既知の分光計装置の場合には、レーザ光源から到来する光は、光を散乱させる拡散器を経て指向される。次いで、それ相当の角度スペクトルを有する散乱光は、エタロンを経て指向され、再帰反射器によって再度エタロンを経て指向されて、光検出器によってインターセプトされる。

特許文献２には、分光計装置が第２のエタロンを有し、第１のエタロンを経て二度指向された光は、それが光検出器に達する前に、第２のエタロンを通過することを除けば、上述した既知の分光計装置に似ている方法及び分光計装置が開示されている。この装置の場合には、エタロンのプレート間隔の均一性をより一層厳格にする必要がある。

狭帯域光源のスペクトルを高分解能で測定する上での困難性は、光がエタロンを通過する際に、スペクトル関数が、エタロンの装置関数又は透過関数でコンボリューションされると云うことに基づいている。光がエタロンを２度通過すると、真のスペクトルは、エタロンの透過関数又は装置関数の二乗でそれ相当にコンボリューションされる。従って、真のスペクトルを評価するためには、検出器によって記録されたスペクトルを、エタロンの装置関数又は透過関数からデコンボリューションしなければならなかった。このデコンボリューションは、装置関数又はその二乗に対する積分方程式の解を必要とする。さらに、エタロンの装置関数又は透過関数は一般に知られておらず、それは、特に動作中、例えば光のＵＶ放射の影響下でプレートの反射率が変化することにより変化し得るか、又はこうした変化は、エタロン特性の側方不均一性（lateral inhomogeneities）による中心波長の位置における分解能の依存度に起因し得る。

特許文献３には、レーザ光の波長選択装置が開示されており、この装置は、波長選択の目的のために、各々がウェッジ状プレートを有している２つのエタロンを用い、これらのエタロンは、一方のウェッジ状プレートのウェッジ方向が、他方のウェッジ状プレートのウェッジ方向に対して９０°だけ回転したように配置される。この配置の場合に、光は、双方のウェッジ状プレートを一度通過してから、検出器によって捕捉される。この配置は分光計装置として用いることもできる。光が第１のウェッジ状プレートに入る前に、光は音響光学偏向器を経て指向され、この偏向器は光をウェッジ状プレートの一方又は双方のテーパ方向に偏向する。

米国特許第６，２４３，１７０号明細書 米国特許第６，３５９，６９３号明細書 米国特許第５，１２８，７９８号明細書

本発明の目的は、狭帯域光源、特に、狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための方法、及びこの方法を実施するための分光計装置も特定し、当該方法及び分光計装置によって、スペクトルを高分解能で測定可能にすると共に、分光計装置をできるだけコンパクトにすることにある。

上記目的は、狭帯域光源、特に狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための方法であって：
− 少なくとも１つのエタロンを経て、光源によって放射された光ビームを指向させ、光ビームを第１の部分ビームと第２の部分ビームとに分け、ｎ及びｋは１以上の整数として、第１の部分ビームは、少なくとも１つのエタロンを経てｎ回、前記第２の部分ビームは、（ｎ+ｋ）回指向されるように、光ビームを指向させるステップと；
− 少なくとも１つのエタロンをｎ回通過した第１の部分ビーム及び少なくとも１つのエタロンを（ｎ+ｋ）回通過した前記第２の部分ビームを、少なくとも１つの光感知検出器における少なくとも１つの検出領域上に指向させるステップと；
− 少なくとも１つの光感知検出器によって記録され、少なくとも１つのエタロンをｎ回通過した第１の部分ビームと、少なくとも１つのエタロンを（ｎ+ｋ）回通過した第２の部分ビームとのスペクトルを評価して、少なくとも１つのエタロンの装置関数に対して補正された光スペクトルを決定する、スペクトル評価ステップと；
を備えている、狭帯域光源のスペクトル測定方法によって達成される。

本発明の上記目的はさらに、光ビームを放射する、狭帯域光源、特に狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための分光計装置であって：
− 少なくとも１つのエタロンと；
− 光ビームを、第１の部分ビームと第２の部分ビームとに分けるビームスプリッタと；
− ｎ及びｋは１以上の整数として、第１の部分ビームは、少なくとも１つのエタロンを経て、ｎ回、第２の部分ビームは、（ｎ+ｋ）回指向させるための１つ以上の光指向素子と；
− 少なくとも１つの光感知検出器と；
− 少なくとも１つの光感知検出器によって記録され、少なくとも１つのエタロンをｎ回通過した第１の部分ビームと、少なくとも１つのエタロンを（ｎ+ｋ）回通過した第２の部分ビームとのスペクトルを評価して、少なくとも１つのエタロンの装置関数に対して補正された光スペクトルを決定する、スペクトル評価デバイスと；
を備えている、分光計装置によって達成される。

本発明による方法及び本発明による分光計装置は、光源によって放射された光を少なくとも１つのエタロンにｎ回のみならず（ｎ+ｋ）回通過させ、且つ、少なくとも１つのエタロンをｎ回及び（ｎ+ｋ）回通過後のスペクトルを同時に測定するという概念に基づくものである。従って、２つのスペクトルは同時に記録され、その一方は、少なくとも１つのエタロンの、ｎ倍の透過関数でコンボリューションされ、他方は、（ｎ+１）倍の透過関数でコンボリューションされる。本発明による方法及び本発明による分光計装置の場合には、特許文献２に記載されているような２つのエタロン配置の代わりに、１つのエタロン配置のみを必要とすることにより、本発明による分光計装置は、コンパクトな態様で具体化され、構造空間が少なくて済み、調整費用も少なくて済む。

本発明の目的のための「エタロン」とは、一般に、多重反射が間に起こり得る一対の光学面を意味するものと理解すべきである。この場合、空間距離が間に存在する、２つのプレートの互いに対向する面、又は単一プレートの２つの面をエタロンとすることができる。エタロンを形成する反射面は、平行とするか、又は互いに傾斜させることができる。エタロンを複数のプレートで構成する場合に、これらのプレート間の距離は、調節可能とするか、又は固定させることができる。どんな設計のエタロンも本発明に適合する。

本発明による方法及び本発明による分光計装置の１つの特別な利点は、測定すべきスペクトルの評価が簡単なことにある。これは、デコンボリューションの代わりに、本発明による方法及び本発明による分光計装置は、少なくとも１つのエタロンの装置関数又は透過関数を記述するためのテスト関数を用いることを可能にするからであり、このテスト関数は、例えば、少なくとも１つのエタロンを（ｎ+ｋ）回通過した後のスペクトルで一度だけコンボリューションされ、且つ少なくとも１つのエタロンを一度通過した後のスペクトルで（ｎ+ｋ）回コンボリューションされる。テスト関数の自由パラメータを設定することにより、このテスト関数は、上述した２つのコンボリューション積がほぼ等しくなるように、即ち、同じスペクトル関数が得られるように、適合させることができる。次いで、測定すべき真のスペクトルは、前記テスト関数からコンボリューション積をデコンボリューションすることから得られる。

本発明の一好適例では、第２の部分ビームを、少なくとも１つのエタロンを経て、第１のビームよりも一回多く指向させ、即ち、この場合、ｋ＝１とする。この場合に、第１の部分ビームは、少なくとも１つのエタロンを経てｎ回指向され、第２の部分ビームは、（ｎ+１）回指向される。

さらに、第１の部分ビームは少なくとも１つのエタロンを経て一度指向させ（ｎ＝１）、第２の部分ビームは二度指向させる（ｎ＝１，ｋ＝１）のが好適であり、これにより分光計装置を極めて簡単に実現することができる。

前記後者の場合、光源から到来する光ビームは、少なくとも１つのエタロンを通過後に、第１の部分ビームと第２の部分ビームとに分け、第２の部分ビームは少なくとも１つのエタロンを経て逆方向に指向させるのが好適である。第１の部分ビームは、次に、少なくとも１つのエタロンをさらに通過することなく検出器上に指向され、第２の部分ビームは、少なくとも１つのエタロンを二度通過した後に、検出器上に指向される。

本発明の目的のために、少なくとも１つのエタロンをｎ回及び（ｎ+１）回通過した後のスペクトルの同時記録は、同じ検出器によるか、又は２つの別個の検出器によって記録することができる。重要なことは、少なくとも１つのエタロンをｎ回及び（ｎ+１）回通過した後にスペクトルが同時に測定されると云うことにある。しかしながら、本発明による方法及び分光計装置の双方にとっては、検出器を１つだけとして、この検出器上に第１の部分ビーム及び第２の部分ビームを指向させるのが好適である。

このようにすることは、分光計装置を特にコンパクトに設計する目的にとって有利であり、しかも、スペクトルを測定する方法に関しては、複数の検出器を用いる際の検出器感度の相違を考慮する必要がないから、スペクトルをより一層正確に評価し得る利点がある。

これに関連して、第１の部分ビーム及び第２の部分ビームは、検出器のそれぞれ異なる検出領域の上に指向させるのが好適である。

このようにすることにより、双方のスペクトル、即ち、エタロンをｎ回通過した後と、少なくとも１つのエタロンを（ｎ+１）回通過した後のスペクトルを、同じ検出器を用いて別々ではあるが、同時に記録することができる。

この場合にはさらに、第１の部分ビーム及び第２の部分ビームは、検出器領域の第１の領域方向においては互いに、検出器領域の第２の領域方向においては同程度にオフセットされるように、検出器の検出領域上に指向させるのが好適である。

分光計装置の場合で、この場合には、ビーム拡大素子を第２の部分ビームのビーム通路内に配置し、ビーム拡大素子、例えば少なくとも１つのプリズムを、第１の部分ビームのビーム通路内に配置して、双方の部分ビームを前記検出器領域の一次元方向に同程度指向させるのが好適である。

この手法は、測定すべきスペクトルの簡単な評価にも貢献する。その理由は、特に、前述したテスト関数に関連して、少なくとも１つのエタロンをｎ回及び（ｎ+ｋ）回通過した後の２つのスペクトルを直接比較でき、且つテスト関数の自由パラメータを適合させることができるからである。

本発明による方法及び本発明による分光計装置の場合に、少なくとも１つのエタロンは、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の少なくとも２倍のスペクトル領域が検出器上に現れるような、ウェッジエラーを有する。

この場合、測定すべきスペクトル線の一次極大をその二次極大から明確に分離させることができると云う利点がある。

本発明による方法及び本発明による分光装置のさらに好適例では、少なくとも１つのエタロンを２つの平面プレートで構成するか、又は２つのウェッジから構成される少なくとも２つのエタロンを設け、後者の場合に、２つのウェッジは、それらのウェッジ方向が好ましくは互いに９０°だけオフセットされるように配向させる。

各々がウェッジで構成され、ウェッジの方向を互いに９０°だけオフセットして２つのウェッジが配向される、２つのエタロンの使用は、２つのプレートで構成されるエタロンの場合のように、エタロンを調整する必要がないと云う利点がある。２つのウェッジは、異なる自由スペクトル領域を有するのが好適である。２つの平面プレートで構成されるエタロンのプレートの共通調整は、ウェッジの場合には、双方のウェッジプレートにおけるそれぞれ対応する厚さを有している位置の選定によって取って代わられる。従って、ウェッジプレートの利点は、動かす要素がないことにある。ウェッジプレートが、一好適形態にて提供されるように、ウェッジ方向が互いに交差する方向に配向される場合には、検出器上の対角線の評価が共通調整に対応する。しかしながら、２つのウェッジプレートは交差態様で配置しなくてもよく、むしろ平行に配向させることができることは云うまでもないが、この場合には、２つのウェッジプレートのウェッジ角度と厚さを互いに正確な比率にする注意を払う必要がある。

既に上述したように、第１の部分ビーム及び前記第２の部分ビームのスペクトルを評価するステップは、以下のステップ、即ち、第１の部分ビームのスペクトルを、少なくとも１つのエタロンの装置関数を近似的に記述するテスト関数の（ｋ+１）乗でコンボリューションし、第２の部分ビームのスペクトルを、同じテスト関数でコンボリューションし、且つこうして得られたコンボリューション積間の平均二乗偏差を、前記テスト関数の少なくとも１つの自由パラメータを変えることによって最小にする、ステップを有するのが好適である。

エタロンの装置又は透過関数は、形状上の欠陥、及び層の反射率の水平変化による影響を受け、物理的なプロセスから導出し得る理想的な関数によっては記述できないから、上記手法は、装置関数をテスト関数によって反復的に近似させることができると云う利点がある。これは、本発明による方法の設定により、即ち、少なくとも１つのエタロンを、ｎ回通過した後と、（ｎ+ｋ）回通過した後の双方のスペクトルを測定することを可能にする。ｎ回通過した後のスペクトルをテスト関数の（ｋ+１）乗で、（ｎ+ｋ）回通過した後のスペクトルをテスト関数そのものでコンボリューションする場合には、テスト関数のパラメータを、双方のコンボリューション積が同じになるまで、又はコンボリューション積間の平均二乗偏差が最小か、ゼロになるまで調整することができる。

好ましくは、少なくとも１つのパラメータを変えるプロセスは、複数の評価サイクルにて反復的に行うようにする。

テスト関数は、スペクトルの測定後に記憶させるようにして、異なる光源のスペクトルを新たに測定する場合に、例えば１個又は複数のエタロンの変更により生じる装置又は透過関数の変化を、テスト関数の自由パラメータを極めて少ない反復ステップにて調整することで、極めて迅速に見つけることができるようにするのが有利である。

選定テスト関数は、線幅は異なるも、中心波長は同じ既知のスペクトルの評価に基づく前記少なくとも１つの自由パラメータを調整する前に決定するのが好適である。

このようにして、仮定されるテスト関数の適合性を高い精度で、即ち、幅は異なるも、中心波長は同じ入力スペクトルによって実際上同一の装置関数を導き、導出した装置関数を用いて、一度及び二度通過後のスペクトルのコンボリューションによって、Δλ_ＦＷＨＭ及びΔλ_９５％に対するできるだけ整合する値が得られることをチェックすることができる。

テスト関数のパラメータを決定する際に、達成し得る品質は、少なくとも１つのエタロンをｎ回及び（ｎ+１）回通過後のスペクトルのスペクトル対を個々に評価することによって決定されるのではなく、むしろその品質は、各評価サイクルで増大させることができる。有限の物理分解能にも拘わらず、実効分解能は、本発明による方法によって実際上ゼロに増大させることができる。

本発明による分光計装置の場合には、ビームスプリッタと、１個又は複数個の指向素子とを、部分透過ミラーによって一緒に形成するのが好適である。

この手法は、分光計装置の簡単化、特に、より一層コンパクトな設計に寄与する。その理由は、光ビームの２つの部分ビームへの分割、及び少なくとも１つのエタロンに一度又は多数回通過させるための、２つの部分ビームの指向を１つの光学コンポーネントによって行なうことができるからである。

これに関連して、部分透過ミラーは、少なくとも１つのエタロンとの関連で、部分ビームが、互いに少なくともほぼ完全に重なり合って少なくとも１つのエタロンを通過するように方向付けるのがさらに好適である。

この場合、少なくとも１つのエタロンを通過する部分ビームは、同じ位置にて少なくとも１つのエタロンを通過するようにするのが有利である。１個又は複数のエタロンの不良、例えば、このようなエタロンの表面に沿う、異なる屈折率、即ち、形状誤差は、スペクトルの測定結果には悪影響を及ぼさない。

分光計装置のさらに好適な構成では、少なくとも１つのエタロンを光ビームとの関連でわずかに傾けるようにする。

この場合、少なくとも１つのエタロンを最初に通過する前の、光ビームの反射がエタロンに達しないようにするのではなくて、むしろ、光トラップにて無能化させるのが有利である。このようにして、光源からのスペクトル測定の乱れ及び障害を回避する。

更なる利点及びと特徴は、以下の説明及び添付図面から明らかになる。

上述した特徴は、本発明の範疇を逸脱することなく、それぞれ特有化した組み合わせのみならず、他の組み合わせ、又はそれら自体で使用できることは勿論である。

本発明の例示的な実施形態を図面に示すと共に、以下の記述においてより一層詳細に説明する。

第１の例示的な実施形態による狭帯域光源のスペクトルを測定するための分光計装置を示す線図である。 第２の例示的な実施形態による狭帯域光源のスペクトルを測定するための分光計装置を示す線図である。 各々がウェッジプレートで構成される、図１又は図２における分光計装置に代替使用する２つのエタロンを示す線図である。 図４aは、図３におけるエタロンの第２のウェッジプレートを示す線図である。図４ｂは、図４ａによるウェッジプレートによって生成される干渉縞パターンを示す線図である。 図５ａは、図３におけるエタロンの第２のウェッジプレートを示す線図である。図５ｂは、図５ａによるウェッジプレートによって生成される干渉縞パターンを示す線図である。 図３におけるエタロンを通過した後の光の干渉縞パターンを示す線図である。 図７ａは、各々が光軸に対して傾斜した平面平行プレートで構成される、２つのエタロンによって生成される干渉縞パターンを示す線図である。図７ｂは、各々が光軸に対して傾斜した平面平行なプレートで構成される、２つのエタロンによって生成される干渉縞パターンを示す線図である。図７ｃは、各々が光軸に対して傾斜した平面平行なプレートで構成される、２つのエタロンによって生成される干渉縞パターンを示す線図である。

図１は狭帯域光源１２のスペクトルを測定するための分光計装置を示し、この分光計装置を参照符号１０にて総称する。光源１２は、具体的には狭帯域化レーザ、例えば、狭帯域化エキシマレーザである。光源１２によって放射される光は、ファイバを介して分光計装置１０に供給することもできる。

分光計装置１０は、一般概念を制限することなく、光源１２によって放射された光が、少なくとも１つのエタロンを１回及び同時に２回（即ち、図示の例示的な例では、以下のパラメータｎ及びｋ：ｎ＝１，ｋ＝１に当てはまる）通過した後の光のスペクトルを測定すべく設計される。

分光計装置１０は、一般に、コリメータ１４と、エタロン１６と、ビームスプリッタ１８と、光指向素子２０と、光感知検出器２２と、さらに、第１の光指向素子２４と、第２の光指向素子２６と、評価デバイス２８とを有している。

例示的な実施形態において、コリメータ１４は平凸レンズとして具体化され、その凸面の曲率半径は、例えば５００ｍｍとする。コリメータ１４の下流にはピンホール絞り３４が配置されており、このピンホール絞りの貫通孔３６は分光計装置１０のアパーチャ（開口）を決定する。このアパーチャは、ピンホール絞りの上流における光ビームの幅に比べて小さい。

図示の例示的な実施形態において、エタロン１６は平面平行なプレートとして具体化される２つのプレート３８及び４０を有している。しかしながら、これらのプレート３８及び４０は、ウェッジタイプの態様で具体化することもできる。

図示の例示的な実施形態において、ビームスプリッタ１８と光指向素子２０は、プレート４２の形態にて具体化する単一の光学素子によって形成される。このプレート４２の表面４４は、部分透過ミラーとして具体化され、例えば、この表面の反射率は９５％とする。このことは、プレート４２が光の一部を透過し、他の部分は後方に反射することを意味する。

光の伝搬方向に見て、プレート４２の下流に減衰器４６が配置されている。

第１の光指向素子２４はミラー４８として具体化され、このミラーの反射率は、好ましくは１００％に近づける。ミラー４８は、入射光を偏向させるために、入射光の光伝搬方向に対して傾ける。

第２の光指向素子２６は、プレート５０の形に具体化され、その表面５２は部分ミラー化され、この表面５２の反射率は、例えば約３０％とする。プレート５０、又は表面５２は、この表面５２に入射する光の伝搬方向に対して傾いている。ビーム拡大素子５４及び５６が、光伝搬方向に見て、第１の光指向素子２４及び第２の光指向素子２６の下流にそれぞれ配置されている。図示の例示的な実施形態において、ビーム拡大素子５４及び５６は、プリズムとして具体化される。

検出器２２は検出領域５８を有し、これは、第１の領域方向６０と、図１の図面の平面に対して垂直の第２の領域方向に広がっている、二次元のＣＣＤセンサーとして具体化される。

分光計装置１０はさらに、光トラップ６２も有している。

評価デバイス２８は評価電子機器（詳細には図示せず）を有している。

先ず、光源１２のスペクトルを測定する方法につき以下説明する。

光源１２から到来する所定のダイバージェンスを有する光ビーム６４は、先ずコリメータ１４によってコリメートされる。光ビーム６４は次に、その周縁の範囲を定めるために、ピンホール絞り３４を通過する。光ビーム６４はさらに、プレート５０を通過して、エタロン１６を経て指向される。エタロン１６（プレート３８，４０）では、多数の反射が起こり、これは、エタロン１６の下流に建設的及び相殺的干渉をもたらす。光ビーム６４は、エタロン１６を通過した後に、ビームスプリッタ１８に衝突し、これにより光ビーム６４は、第１の部分ビーム６６と、第２の部分ビーム６８とに分けられる。これは、光ビーム６４が、部分的に透過性のミラーとして具体化されるプレート４２に衝突することによって成される。

従って、エタロン１６を一旦通過した第１の部分ビーム６６は、減衰器４６を通過して、第１の光指向素子２４によって検出器２２の方向に方向付けられ、この第１の部分ビーム６６はビーム拡大素子５４によって拡大される。次いで、第１の部分ビーム６６は、検出器２２の検出領域５８に入射する。

第２の部分ビーム６８は、プレート４２により同じように形成される指向素子２０によってエタロン１６を経て逆方向に指向される。従って、第２の部分ビーム６８は、エタロン１６を２回通過して、部分的にミラー化したプレート５０状の第２の光指向素子２６に突き当る。そこから、第２の部分ビーム６８は同じように、検出器２２の検出領域５８の方へと指向され、第２の部分ビーム６８は、第２の光指向素子２６から検出器２２までの光路上におけるビーム拡大素子５６によって拡大される。

エタロン１６のプレート３８は、最初に入射する光ビーム６４対してわずかに傾けて、例えば、プレート３８の表面７０での直接の逆反射は検出器には伝わらずに、むしろ光トラップ６２によって遮られるか、又は無効にされるようにする。

従って、エタロン１６を一度（ｎ＝１）通過した第１の部分ビーム６６、及びエタロン１６を二度（ｎ+ｋ＝２）通過した第２の部分ビーム６８は検出器２２の検出領域５８に入射する。

この場合に、第１の部分ビーム６６と、第２の部分ビーム６８は、検出器２２の検出領域５８の異なる箇所の上に向けられるようにする。このために、第１の部分ビーム６６と、第２の部分ビーム６８は、例えば第２の光指向素子２６を第１の領域方向６０に対して垂直（図１の図面の平面に対して垂直）の方向にそれ相当に方向付けることによって、検出領域５８上にて互いにオフセットされるように指向させる。

従って、検出領域５８上には、光源１２によって放射されされて、エタロン１６を一度通過した後の、及びエタロン１６を二度通過した後の光のスペクトルが、第１の検出領域６０の方向には同程度はあるが、この方向に対して互いに垂直の方向に対してはオフセットされるようにして記録される。

この場合に、エタロン１６はウェッジエラーを有し、エタロン１６の自由分光領域（ＦＳＲ）の少なくとも２倍のスペクトル領域が検出領域５８上に現れるようになる。

従って、光源１２によって放射されされて、エタロン１６を一度通過した後と、エタロン１６を二度通過した後との光のスペクトルが、分光計装置１０によって同時に記録される。

光源１２によって放射された光の測定すべき「真の」スペクトルは、評価デバイス２８にて以下のようにして決定される。

エタロン１６を一度通過した後に記録されるスペクトル（部分ビーム６６）は、エタロン１６の装置関数又は透過関数でコンボリューションされた「真の」スペクトルである。エタロン１６を二度通過した後のスペクトル（部分ビーム６８）は、装置関数又は透過関数の二乗でコンボリューションされた「真の」スペクトルである。

装置関数は、物理的なプロセスから導出することができる理想的な関数によって記述することができないから、エタロン１６の装置関数を近似的に記述するテスト関数を用いる。このようなテスト関数は、例えば、好ましくは装置関数の可能な非対称性を記述することができる、ガウス−ローレンツ関数とすることができる。テスト関数はさらに、それが少なくとも１つのパラメータ、好ましくは、変更し得る複数の自由パラメータを有するように構成するのが好適である。

次いで、第１の部分ビーム６６のスペクトルは前記テスト関数の二乗（一般に、（ｋ+１）乗）でコンボリューションし、第２の部分ビーム６８のスペクトルはテスト関数そのものでコンボリューションする。テスト関数の少なくとも１つの自由パラメータは、上述したコンボリューション積間の平均二乗偏差が最小になるまで調整する。少なくとも１つの自由パラメータを調整した後に、コンボリューション積が少なくともほぼ一致したら直ぐに、検出器２２によって記録された、エタロン１６を一度通過した後の（部分ビーム６６の）スペクトルは、線形積分方程式を解くことによってデコンボリューションすることができ、即ち、例えば、従来必要としたように、エタロン１６を二度通過した後のスペクトルをデコンボリューションするために、装置関数の二乗に対する積分方程式を解く必要がなくなる。デコンボリューションは、上述したようにして決定されるテスト関数によって行なわれる。

使用したテスト関数の適合性は、種々の幅を有する（しかし、中心波長は同じである）入力スペクトルが実際上同一の装置関数とならなければならず、しかも、エタロンを一度通過したスペクトルと、二度通過したスペクトルの、導出した装置関数でのデコンボリューションによって、Δλ_ＦＷＨＭ及びΔλ_９５％に対してできるだけ整合する値が得られるようになる、と言うことによってチェックすることができる。

テスト関数の少なくとも１つの自由パラメータは、複数の評価サイクルにて繰返し適合させてみるのが好適である。

本発明による方法及び分光計装置１０は、例えば、光放射（特に、エキシマレーザのスペクトルの測定中におけるＵＶ放射）の影響下でのエタロン１６のプレート３８及び４０の反射率の変化か、又は（エタロン特性の側方不均一性が原因での）中心波長の位置での分解能の依存度に起因する、分解能の変動に反応し得る。

図２は、分光計装置１０’の第２の例示的な実施形態を示し、ここでは、図１のものと同じか、又は類似の部分には同じ参照符号にプライム符号を付して示してある。分光計装置１０’と分光計装置１０との違いだけを以下説明する。分光計装置１０’も、エタロン１６’を一度及び二度通過したスペクトルを測定するように設計される。

分光計装置１０’は、２つの検出器２２ａ’及び２２ｂ’を有しており、エタロン１６’を一度通過した後の、第１の部分ビーム６６’のスペクトルは検出器２２ａ’によって記録されるものの、エタロン１６’を二度通過した後の、第２の部分ビーム６８’のスペクトルは検出器２２ｂ’によって記録される。

図２にごく概略的に示したエタロン１６’は、２つの平面平行なプレートか、又はウェッジ状のプレートで構成することができ、これらのプレート間の距離は一定とするも、エタロン１６’は回動自在とする。次に、スペクトルの測定は、エタロン１６’の回転中に、ポイント検出器として具体化される検出器２２ａ’及び２２ｂ’によって行われる。

分光計装置１０’の場合には、プレート４２’が、エタロン１６’を通過した光ビーム６４’を第１の部分ビーム６６’と第２の部分ビーム６８’とに分けるビームスプリッタ１８’と、第２の部分ビーム６８’を、エタロン１６’を経て逆方向に向けるための光指向素子２０’と、エタロン１６’を一度通過した第１の部分ビーム６６’を検出器２２ａ’上に向けるための第１の光指向素子２４’とを形成する。

分光計装置１０の場合と、分光計装置１０’の場合との双方の場合に、光指向素子２０’は、光ビーム６４’と第２の部分ビーム６８’とがエタロン１６’内で完全にオーバラップし、即ち、光伝搬方向に対する横方向に対しては互いにオフセットされないように、方向付けるのであるが、光指向素子２０及び２０’をそれぞれわずかに傾けることによって、エタロン内での光ビーム６４’と第２の部分ビーム６８’とのオーバラップを変えるように同様な配慮をして、エタロン１６及び１６’を一度及び二度通過後のスペクトルの多数対を記録できるようにし、この場合に、エタロン１６及び１６’を一度及び二度通過後のスペクトルの変化は、理想的には、外へ向かうのと、戻り通過の透過曲線のオフセットによって決定されるだけである。

検出器２２’は二次元の検出領域を有しているも、検出器２２ａ’及び２２ｂ’は、単一チャネル動作用の検出器とすることができ、この場合、エタロン１６’を一度及び二度通過後のスペクトルはエタロン１６’を回転させることにより測定される。単一チャネル動作では、エタロン１６’の有効領域をピンホール絞り３４’によってかなり制限することができ、これによりエタロン１６’のプレート間隔を均一にする要件があまり厳しくならない、と云う利点がある。

これに反し、面検出器２２を有する分光計装置１０の場合には、エタロン１６を一度及び二度通過後のスペクトルは、多チャネル動作にてプレート３８と４０との間の距離の線形変分によって測定することができる。

図３は、図１のエタロン１６の代わりに用いることができる２つのエタロン１６ａ及び１６ｂを示している。エタロン１６ａは、プレート３８ａを有し、エタロン１６ｂはプレート４０ｂを有し、これらの各プレートはウェッジプレートとして構成される。

図３によれば、プレート３８ａは矢印７２の方向（楔方向）にテーパを有し、プレート４０ｂは矢印７４の方向（ウェッジ方向）にテーパを有している。矢印７６は、エタロン１６ａ，１６ｂを通る光の伝搬方向を示している。図３による好適な例示形態では、エタロン１６ａ，１６ｂの２つのプレート３８ａ及び４０ｂは、それらのウェッジ方向（矢印７２及び７４）が互いに垂直となるように配置される。

プレート３８ａ及び４０ｂはさらに、異なる自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する。

各々が異なる自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する２つの平面平行プレートで構成されるエタロンの場合には、良好な分解能と相俟って大きな測定範囲を得ることができる。２つの平面平行プレートで構成するエタロンの場合には、特定波長での透過最大値が一致するように、２つのプレートの厚さも同時に調整し、次いで、スペクトルを走査するために、共通の透過最大値をシフトさせるように、２つのプレートの厚さを調節する。この場合に、透過最大値は適切なキャリブレーションによって一致させなければならない。２つのプレートの合成透過関数は、「繊細」プレートの狭い半値全幅と、「粗」プレートの自由スペクトル領域とを有する。

各々が異なる自由スペクトル領域を有する、交差配置のウェッジ状プレート３８ａ，４０ｂでそれぞれ構成されるエタロン１６ａ，１６ｂの場合には、２つのプレートを調節することなく、同じ原理が有利に実現される。このことを、以下図４〜図６を参照して説明する。

図４ａは、それ単独でエタロン１６ａのウェッジ状プレート３８ａを示している。このプレート３８ａは、プレート４０ｂに比べて大きな自由スペクトル領域、例えば２０ｐｍを有する。プレート３８ａは、自由スペクトル領域、つまり、ここでは例えば２０ｐｍの間隔を有する水平方向の干渉縞７８，８０で特定波長λのみを透過する。

図５ａは、それ単独でエタロン１６ｂの第２のウェッジ状プレート４０ｂを示しており、このプレート４０ｂの自由スペクトル領域は、プレート３８ａの自由スペクトル領域よりも小さい。プレート４０ｂの自由スペクトル領域は、例えば、３ｐｍである。図５ａによる方位では、プレート４０ｂは、互いに例えば３ｐｍの自由スペクトル領域の間隔を有する垂直方向の干渉縞８２〜９０で特定波長λのみを透過する。

双方のプレート３８ａと４０ｂは相俟って、図３に従って互いに前後に配置される配置にて、干渉縞７８，８０と干渉縞８２〜９０との交差箇所で特定波長λのみを透過し、従ってこれらの交差箇所での透過最大値は一致する。これを図６に示してある。

図６によれば、透過最大値は、２つのプレート３８ａと４０ｂとの最大強度の箇所にて一致する。ウェッジのない平面平行のプレートで構成される可調整エタロンとは対照的に、従来のキャリブレーションが不要である。

図６による点パターンの評価は、２つのプレート３８ａ，４０ｂの離調（detuning）が同符号で行なわれるようにするために、２つのプレート３８ａと４０ｂの厚さが増えるか、又は減る方向にて行なわれるのであって、垂直方向ではない。評価の正確な方向は、透過最大値も一致し、即ち、厚さの変化が、２つのプレート３８ａ，４０ｂそのものの厚さに比例しなければならないと云う条件に由来する。プレートの厚さ又は自由スペクトル領域の比率が整数である場合には、双方の軸線における最大値を“カウントする”ことによって正確な方向を決定することができる。

図１のエタロン１６も光の伝搬方向に対して傾けた平面平行なプレートで構成することができる。この場合にも、一方のプレートは大きな自由スペクトル領域を有し、他方のプレートは小さな自由スペクトル領域を有する。２つのプレートを通過する光は所定の角度発散を有するから、大きな自由スペクトル領域を有する第１の平面平行パネルを通過した後の干渉縞は、前記プレートの自由スペクトル領域に対応する間隔を有するリングを備え（図７ａ参照）、光が第２の平面平行なプレートを通過すると、図７ｂに示すようなリングパターンが生じ、ここで、小さな自由スペクトル領域によるリングの間隔は、上述したプレートの場合におけるよりも小さくなる。光が、前後に配置した双方の平面平行プレートを通過した後には、図７ｃに示したような点パターンが生じる。対応するセクションを点像内に入れれば、このセクションは、上述したウェッジ状プレートの場合におけるように直線にはならず、むしろ双曲線状関数のセグメントになる。

エタロン１６を平面平行なプレートで構成する場合、光ビームは、角度スペクトルでコリメートする代わりに、エタロンを介して指向させることができる。

ウェッジ状プレート３８ａ及び４０ｂを有するエタロン１６ａ，１６ｂの構成は、できるだけ首尾よくコリメートされるビームを必要とし、このために、分光計装置１０及び１０’内にそれぞれコリメータ１４及び１４’を設ける。これは、先ず第１に、傾斜通路の場合に、１個又は複数のエタロンの透過曲線を他の値にシフトさせるためであり、第２として、光ビームは、１個又は複数のエタロンを通過した後に僅かに異なる方向に進むからである。

１０；１０’ 分光計装置
１２；１２’ 狭帯域光源
１４；１４’ コリメータ
１６；１６’；１６ａ，１６ｂ エタロン
１８；１８’ ビームスプリッタ
２０；２０’ 光指向素子
２２；２２ａ，２２ｂ 光感知検出器
２８；２８’ 評価デバイス
５４，５６ ビーム拡大素子
６４；６４’光ビーム
６６；６６’ 第１の部分ビーム
６８；６８’ 第２の部分ビーム

Claims (29)

1. 狭帯域光源（１２；１２’）、特に狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための方法であって：
   − 少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を経て、前記光源（１２；１２’）によって放射された光ビーム（６４；６４’）を指向させ、前記光ビーム（６４；６４’）を第１の部分ビーム（６６；６６’）と第２の部分ビーム（６８；６８’）とに分け、ｎ及びｋは１以上の整数として、前記第１の部分ビーム（６６；６６’）は、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を経てｎ回、前記第２の部分ビーム（６８；６８’）は、（ｎ+ｋ）回指向されるように、前記光ビーム（６４；６４’）を指向させるステップと；
   − 前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）をｎ回通過した前記第１の部分ビーム（６６；６６’）及び前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を（ｎ+ｋ）回通過した前記第２の部分ビーム（６６；６６’）を、少なくとも１つの光感知検出器（２２，２２ａ’，２２ｂ）の少なくとも１つの検出領域上に指向させるステップと；
   − 前記少なくとも１つの光感知検出器（２２；２２ａ’，２２ｂ’）によって記録され、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）をｎ回通過した前記第１の部分ビーム（６６；６６’）と、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を（ｎ+ｋ）回通過した前記第２の部分ビーム（６８；６８’）とのスペクトルを評価して、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）の装置関数に対して補正された光スペクトルを決定する、スペクトル評価ステップと；
   を備えている、狭帯域光源のスペクトル測定方法。
2. ｋ＝１である、請求項１に記載の方法。
3. ｎ＝１である、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記光ビーム（６４；６４’）は、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を通過した後に、前記第１の部分ビーム（６６；６６’）と前記第２の部分ビーム（６８；６８’）とに分けられ、前記第２の部分ビーム（６８；６８’）は、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を経て逆方向に指向される、請求項３に記載の方法。
5. 前記光ビーム（６４；６４’）は、該光ビームが前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を経て指向される前にコリメートされる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記検出器（２２）は１個だけ存在し、前記第１の部分ビーム（６６）及び第２の部分ビーム（６８）は、当該検出器（２２）上に指向される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１の部分ビーム（６６）及び第２の部分ビーム（６８）は、前記検出器（２２）の検出領域（５８）の異なる領域の上に指向される、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の部分ビーム（６６）及び第２の部分ビーム（６８）は、前記検出領域（５８）の第１の領域方向においては互いに、前記検出領域（５８）の第２の領域方向においては同程度にオフセットされるように、前記検出器（２２）の検出領域（５８）上に指向される、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’）は、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の少なくとも２倍のスペクトル領域が前記検出器（２２；２２ａ’，２２ｂ’）上に現れるような、ウェッジエラーを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’）は、２つの平面プレート（３８，４０）又はウェッジプレートで構成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記光ビーム（６４；６４’）は、各々がウェッジ（３８ａ，４０ｂ）で構成される少なくとも２つのエタロン（１６ａ，１６ｂ）を経て指向される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記２つのウェッジ（３８ａ，４０ｂ）は、これらウェッジの方向が互いに９０°オフセットされて配向される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の部分ビーム（６６；６６’）及び前記第２の部分ビーム（６８；６８’）のスペクトルを評価するステップは、以下のステップ、即ち、前記第１の部分ビーム（６６；６６’）のスペクトルを、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）の装置関数を近似的に記述するテスト関数の（ｋ+１）乗でコンボリューションすると共に、前記第２の部分ビーム（６８；６８’）のスペクトルを、同じテスト関数でコンボリューションし、且つこれにて得られたコンボリューション積間の平均二乗偏差を、前記テスト関数の少なくとも１つの自由パラメータを変えることによって最小にする、ステップを有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記少なくとも１つの自由パラメータを変えるプロセスは、複数の評価サイクルにて繰返し行なわれる、請求項１３に記載の方法。
15. 選定されるテスト関数は、線幅は異なるも、中心波長は同じ既知のスペクトルの評価に基づいて前記少なくとも１つの自由パラメータを調整する前に決定される、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 光ビーム（６４；６４’）を放射する、狭帯域光源（１２；１２’）、特に狭帯域化レーザのスペクトルを測定するための分光計装置であって：
    − 少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）と；
    − 前記光ビーム（６４；６４’）を、第１の部分ビーム（６６；６６’）と第２の部分ビーム（６８；６８’）とに分けるビームスプリッタ（１８；１８’）と；
    − ｎ及びｋは１以上の整数として、前記第１の部分ビーム（６６；６６’）は、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を経てｎ回、前記第２の部分ビーム（６８；６８’）は、（ｎ+ｋ）回指向させるための１つ以上の光指向素子（２０；２０’）と；
    − 少なくとも１つの光感知検出器（２２；２２ａ’，２２ｂ’）と；
    − 前記少なくとも１つの光感知検出器（２２；２２ａ’，２２ｂ’）によって記録され、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）をｎ回通過した前記第１の部分ビーム（６６；６６’）と、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を（ｎ+ｋ）回通過した前記第２の部分ビーム（６８；６８’）とのスペクトルを評価して、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）の装置関数に対して補正された光スペクトルを決定する、スペクトル評価デバイス（２８；２８’）と；
    を備えている、分光計装置。
17. ｋ＝１である、請求項１６に記載の分光計装置。
18. ｎ＝１である、請求項１６又は１７に記載の分光計装置。
19. 前記ビームスプリッタ（１８；１８’）は、前記光源（１２；１２’）から見て、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）の下流に配置され、且つ前記少なくとも１つの指向素子は、前記第２の部分ビーム（６８；６８’）を前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を経て逆方向に指向させる逆指向素子（２０；２０’）である、請求項１８に記載の分光計装置。
20. 前記光源（１２；１２’）から到来する前記光ビーム（６４；６４’）をコリメートするためのコリメータ（１４；１４’）をさらに備えている、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の分光計装置。
21. 前記光感知検出器（２２）が１個だけ存在し、該光感知検出器（２２）上に前記第１及び第２の部分ビームが指向される、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の分光計装置。
22. 前記第２の部分ビーム（６８）のビーム通路内にビーム拡大素子（５６）が配置され、前記第１の部分ビーム（６６）のビーム通路内にビーム拡大素子（５４）が配置されて、双方の部分ビーム（６６，６８）を前記検出器（２２）の検出領域（５８）上に指向させ、前記検出領域は一次元の方向に同じ広さを有する、請求項２１に記載の分光計装置。
23. 前記ビームスプリッタ（１８，１８’）及び前記１個又は複数の指向素子（２０，２０’）は、部分透過ミラー（４２；４２’）によって一緒に形成される、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の分光計装置。
24. 前記部分透過ミラー（４２；４２’）は、前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）との関連で、前記部分ビーム（６６；６６’；６８；６８’）が、お互いに少なくともほぼ完全に重なり合って前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）を通過するように方向付けられる、請求項２３に記載の分光計装置。
25. 前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’；１６ａ，１６ｂ）は、前記光ビーム（６４；６４’）との関連で、わずかに傾いている、請求項１６〜２４のいずれか一項に記載の分光計装置。
26. 前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’）は、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）の少なくとも２倍のスペクトル領域が前記検出器（２２；２２ａ’，２２ｂ’）上に現れるような、ウェッジエラーを有する、請求項１６〜２５のいずれか一項に記載の分光計装置。
27. 前記少なくとも１つのエタロン（１６；１６’）は、２つの平面プレートで構成される、請求項１６〜２６のいずれか一項に記載の分光計装置。
28. 各々がウェッジ（３８ａ，４０ｂ）で構成される少なくとも２つのエタロン（１６ａ，１６ｂ）が設けられる、請求項１６〜２６のいずれか一項に記載の分光計装置。
29. 前記２つのウェッジ（３８ａ，４０ｂ）は、これらウェッジの方向が互いに９０°オフセットされて配向される、請求項２８に記載の分光計装置。

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