JP2011119200A - レーザー駆動光源 - Google Patents

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Abstract

【課題】 本発明は、管球内に封入した放電媒体にレーザー光線を集光し、レーザー光線によって放電媒体を励起してプラズマを生成するレーザー駆動光源において、管球内に生成したプラズマに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を遮蔽することを目的とする。
【解決手段】 放電媒体を封入した管球を備え、前記管球内に集光させたレーザー光線によって前記管球内にプラズマを生成するレーザー駆動光源において、前記管球内には、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を遮蔽する光線遮蔽部材が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明はレーザー駆動光源に関する。特に、半導体、液晶基板およびカラーフィルタの露光工程に使用される露光装置、デジタルシネマ用の画像投影装置、並びに光分析装置の光源として使用されるレーザー駆動光源に関する。
近年、上記した露光工程に使用される露光装置、デジタルシネマ用の画像投影装置、および光分析装置等に使用される光源には、所望波長域の発光強度が充分であることの他に、寿命が長いことが必要である。
この種の分野において使用される光源は、水銀または希ガス(キセノンガス)を封入したガラス管球内で電極間にアーク放電を発生させるタイプのものであったが、電極がアーク放電に曝されるため、極めて高温になって徐々に蒸発することが避けられなかった。
この電極から蒸発した金属は、管球内壁面に付着して紫外域の波長透過性を変化させるので、点灯時間が経過するにつれて、光源の発光強度とスペクトルとを徐々に変化させる、という問題があった。
このような問題に対して、従来より様々な対策が検討されている。例えば、特許文献1のFig.7に示すレーザー駆動光源は、石英バルブ内に封入されたガスに外部からレーザー光線を集光して、石英バルブ内に封入されたガスをレーザー光線で励起させることによってプラズマを発生させることにより、封入ガスの成分組成に応じたスペクトル分布の安定した発光強度および発光中心位置の光源を得ている。
特許文献1のレーザー駆動光源は、レーザー光を石英バルブ内に封入された放電ガスに照射して放電ガスを励起して高温プラズマを生成すると共に、当該高温プラズマに対しレーザー光を照射している。
しかしながら、高温プラズマに照射されたレーザー光の全てが高温プラズマに吸収される訳ではなく、高温プラズマを透過したレーザー光が石英バルブから発した光と共に出射することが頻繁にあった。この高温プラズマを透過したレーザー光の強度は、石英バルブから発する光に対して無視することができない位に高いことが確認された。それ故に、レーザー駆動光源の周辺機器等が、高温プラズマを透過したレーザー光線に曝されることによって破壊される、といった不具合を生じる惧れがあった。ところが、上記のレーザー駆動光源においては、高温プラズマを透過したレーザー光についての対策が検討されていなかった。
図13は、特許文献2に開示される、従来のレーザー駆動光源の基本構成を示す構成図である。
図13に示すレーザー駆動光源130は、パルス状のレーザー光線を発振するレーザー発振器131と、レーザー光を適当な形状にして伝達する光学系部材132,133と、伝達されたレーザー光を管球内の焦点に集光させる集光用光学系部材134と、キセノンガス等の希ガス、アルゴンガスおよび水銀蒸気などを封入した管球135と、管球135を透過したレーザー光をもう一度管球内へ入射させるための反射光学系部材136とを備える。
このレーザー駆動光源130は、レーザー発振器131からのレーザー光線が、光学系部材132,133によって適当な形状にされて所要の光路を伝達され、集光用光学系部材134によって集光されて管球135内の焦点位置に集まる。管球135の焦点では、レーザー光の強い電場(高いエネルギー密度)によって封入ガスがプラズマ化され、そのプラズマから紫外線を含むスペクトルの放射がなされる。プラズマ生成に寄与しなかったレーザー光は、反射光学系部材136に入射し、そこで反射されて再び管球135内の焦点に集光される。
上記のレーザー駆動光源130は、管球内に電極が存在しないため、その蒸発やスパッタの影響で発光強度やスペクトルが変化することがなく、長寿命のものが得られる。そのほか、上記のレーザー駆動光源130は、発光中心位置が、外部からのレーザー光の焦点位置で定まるために常に安定に維持できると共に、管球の交換によって変化することがない。上記のレーザー駆動光源130は、それらの面に関しては有益であるといえる。
しかしながら、図13に示すレーザー駆動光源130の始動時においては、管球135内に封入された水銀は殆ど蒸発していないので、管球135内の水銀蒸気圧は非常に低い。しかも、従来のレーザー駆動光源130は、管球135内から電極を排除したので、管球135内の水銀を十分に蒸発させることができず、管球135内の水銀蒸気圧を上昇させることができない。
こういった事情により、従来のレーザー駆動光源130は、管球135の外部へ放出される水銀の発光の強度が極めて低く、かつ、管球135内の焦点に集光したレーザー光線の殆どは、水銀蒸気に吸収されずに管球135の外部へ放出される、という問題を引き起こす。
しかしながら、図13に示すレーザー駆動光源130においては、管球135内における水銀蒸気圧が低く、これに起因して上記した問題が生じることに関し、何ら検討されていなかった。そして、上記の問題は、水銀を発光用金属として管球135に封入した場合に限らず、水銀以外の他の発光用金属を管球135に封入した場合も当然に発生すると考えられる。
US2007/0228300A1 特開昭61−193358号公報
以上から、本発明は、管球内に封入した放電媒体にレーザー光線を集光し、レーザー光線によって放電媒体を励起してプラズマを生成するレーザー駆動光源において、管球内に生成したプラズマに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を遮蔽することを目的とする。また、本発明は、管球内に封入した発光用金属にレーザー光線を集光し、レーザー光線によって発光用金属を励起してプラズマを生成するレーザー駆動光源において、管球内の発光用金属の蒸気圧を高い状態に維持し、管球内に安定したプラズマを形成することを目的とする。
請求項1の発明は、上記の課題を解決するために、放電媒体を封入した管球を備え、前記管球内に集光させたレーザー光線によって前記管球内にプラズマを生成するレーザー駆動光源において、前記管球内には、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を遮蔽する光線遮蔽部材が設けられていることを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載のレーザー駆動光源において、前記放電媒体が金属であり、前記光線遮蔽部材が、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を吸収して発熱することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材には、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を反射誘導して吸収するビームダンパーが設けられていることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項2記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材に輻射率を高めるための表面加工が施されていることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項2記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材には、ピッチが1μm〜1mmの範囲内である凹凸部が設けられていることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項2記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材の、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線が照射される表面に、タングステンパウダーを焼結したことを特徴とする。
請求項7の発明は、請求項2記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材が、タングステン、モリブデン、タンタルおよびレニウムの何れか一種以上の金属によって構成されることを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項2記載のレーザー駆動光源において、前記管球内に封入された放電媒体が水銀を含むことを特徴とする。
請求項9の発明は、請求項1記載のレーザー駆動光源において、前記管球内に封入された放電媒体が、水銀および希ガスの何れか一種以上を含むことを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項1記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材が、前記管球内に伸び出るように配置された支持部材によって支持されていることを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項1記載のレーザー駆動光源において、前記管球内に、互いに向き合うように配置された一対の電極を備えることを特徴とする。
請求項12の発明は、請求項11記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材が、前記電極に固定された支持部材によって支持されていることを特徴とする。
請求項13の発明は、請求項1記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材が、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を反射する反射面を備えることを特徴とする。
請求項14の発明は、請求項13記載のレーザー駆動光源において、前記光線遮蔽部材の反射面が散乱反射面であることを特徴とする。
請求項15の発明は、請求項13記載のレーザー駆動光源において、前記管球の外方に、前記光線遮蔽部材の反射面によって反射されたレーザー光線を吸収する、光線吸収部材を設けたことを特徴とする。
請求項16の発明は、請求項1記載のレーザー駆動光源において、前記管球内に生成するプラズマに対して焦点位置が一致するように配置され、前記プラズマが出射する光線を反射する凹面反射鏡を備えたことを特徴とする。
請求項17の発明は、請求項16記載のレーザー駆動光源において、前記凹面反射鏡には、前記管球内に集光するレーザー光線の光軸上に開口が設けられ、前記凹面反射鏡の開口に、前記管球内にレーザー光線を集光するための光学部材が配置されていることを特徴とする。
本発明のレーザー駆動光源は、管球内にプラズマを生成・維持するために、管球内に封入された放電媒体に対してレーザー光線を照射するものであり、管球内にレーザー光線遮蔽部材が設けられているため、管球内に生成したプラズマに吸収されることなくそれを透過したレーザー光線を確実に遮蔽することができるので、レーザー駆動光源の周辺機器等が管球内のプラズマを透過したレーザー光線に曝されることにより破壊される、という不具合を生じる惧れがない。
さらに、本発明のレーザー駆動光源は、管球の焦点に生成したプラズマを透過したレーザー光線を吸収して発熱する光線遮蔽部材が管球内に設けられているため、管球内に封入された放電媒体が金属である場合に、次のような効果が得られる。
レーザー光線を吸収して発熱した光線遮蔽部材は、プランクの法則にしたがって管球に向けて赤外〜遠赤外の波長域の光を放射して管球を輻射加熱し、管球を高温化して管球内に封入された金属の蒸気圧を上昇させる。この状態の管球内においては、管球内に集光されたレーザー光線によって金属が確実に励起して、管球内の焦点位置に安定したプラズマが生成する。したがって、本発明のレーザー駆動光源によれば、管球内に生成したプラズマから放出される光の出力を、高いレベルで安定させることができる。
本発明の第1の実施例のレーザー駆動光源の基本構成を示す図である。 図1に示すレーザー駆動光源の管球を拡大して示す図である。 本発明の第1の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す図である。 本発明の第1の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す図である。 本発明の第1の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す図である。 本発明の第1の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す図である。 本発明の第2の実施例のレーザー駆動光源の基本構成を示す図である。 図7に示すレーザー駆動光源の管球を拡大して示す図である。 本発明の第2の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す図である。 本発明の第2の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す図である。 本発明の第3の実施例のレーザー駆動光源の基本構成を示す図である。 図11に示すレーザー駆動光源の管球を拡大して示す図である。 従来のレーザー駆動光源の基本構成を示す図である。
〔第1の実施例のレーザー駆動光源〕
図1は、本発明の第1の実施例のレーザー駆動光源の基本構成を示す断面図である。本実施例のレーザー駆動光源は、管球内に電極を有しない、無電極タイプの光源である。また、本実施例のレーザー駆動光源は、プラズマに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を吸収することによって遮蔽する光線遮蔽部材を備える。
レーザー駆動光源100は、管球3の周囲を覆うように配置された、光出射開口12を有する碗状の凹面反射鏡1と、レーザー光線L1を管球3内の焦点Fに集光させるための光学系部材2と、凹面反射鏡1の焦点Fに一致するように配置された、放電媒体が封入された管球3と、管球3に向けて連続またはパルス状のレーザー光線を出射するレーザー源4とを備えている。凹面反射鏡1の焦点Fには、レーザー源4から出射したレーザー光線L1が光学系部材2によって集光され、管球3内に封入された放電媒体がレーザー光線L1によって励起されプラズマPが生成する。
管球3は、回転楕円形状の密閉空間35を有しており、密閉空間35内に、例えば水銀が発放電媒体として封入されている。管球3内に封入された水銀の封入量は2〜70mg/ccである。なお、水銀の他にカドミウム、亜鉛、錫等の金属を放電媒体として封入することもできる。
管球3は、凹面反射鏡1に対し、封止部32が凹面反射鏡1の光出射開口12側に位置するように配置されているので、レーザー光線L1が封止部32によって遮られることがない。
凹面反射鏡1は、例えば回転放物面形状の反射面11と、プラズマPが発した光を凹面反射鏡1の外部へ放出する光出射開口12と、レーザー光線L1を凹面反射鏡1の内部に導入するための後方開口13とを備えてなり、その焦点Fに生成したプラズマPが発した光を前方方向(紙面の右方)に反射し、平行光を光出射開口12から出射する。
反射面11は、管球3が発した光LXを反射する誘電体多層膜により構成されている。反射面11は、例えば、高屈折率材料からなる層と低屈折率材料からなる層とを交互に積層してなる誘電体多層膜により構成されている。例えば、反射面11は、HfO(酸化ハフニウム)およびSiO(酸化シリコン)を交互に積層してなる誘電体多層膜、または、Ta(酸化タンタル)およびSiO(酸化シリコン)を交互に積層してなる誘電体多層膜等によって構成されている。
なお、反射面11は、回転放物面形状に限らず、回転楕円形状を有するものであっても良い。
凹面反射鏡1の後方開口13は、レーザー光線L1の光軸LA上に一致するように形成され、光学系部材2が配置されている。後方開口13をレーザー光線L1の光軸LA上に配置することによって、反射面11の有効反射面積を減少させることがない。なお、特許文献1の第2図に示すように、レーザー光線を凹面反射鏡内に導入するための開口を凹面反射鏡の側面に形成すると、有効反射面積を減少させることになる。
光学系部材2は、レーザー光線L1を管球3内の焦点位置に集光させるレンズである。レーザー源4は、パルス駆動、CW駆動、あるいはそれらを併用する駆動方式のレーザーを使用することができ、放電媒体の励起に十分な強度のレーザー光線L1を発振する。レーザー光線L1は、可視〜赤外の波長域、例えば1.06μmにピークを有する。
図2は、図1のレーザー駆動光源の管球3を拡大して示す図である。管球3は、図2(A)に示すように、回転楕円形状の密閉空間35を内部に有する略球状に形成された発光部31と、発光部31の端部に連続して形成され、例えばモリブデンからなる金属箔33によって気密に封止された柱状の封止部32とを備えると共に、発光部31の内部に密閉空間35を有している。なお、図2に示す例では、発光部31の一端側のみに封止部32を有する。
封止部32には、光線遮蔽部材S1を支持するための支柱34が埋設されている。この支柱34は、その根本部が金属箔33に接続され、その先端部が密閉空間35内に伸び出すと共に光線遮蔽部材S1を密閉空間35において支持している。
管球3内に配置された光線遮蔽部材S1は、管球3内の焦点Fに生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2を吸収する板状部材である。
光線遮蔽部材S1は、プラズマPを透過したレーザー光線L2を効果的に吸収するために、レーザー光線の焦点Fよりもレーザー光線L2の進行方向に位置する封止部32側において、レーザー光線L1の光軸LAに対して直交するように配置されている。
なお、光線遮蔽部材S1の光軸LAに直交する方向の幅は、レーザー光線L1の入射角および管球3の焦点Fと、光線遮蔽部材S1との間の距離に応じて適宜設定される。
光線遮蔽部材S1は、レーザー源4が発する可視〜赤外の波長域のレーザー光線を吸収することができるとともに、高温時に溶融することのないように耐熱性に優れた物質によって構成される。光線遮蔽部材S1を構成する物質は、例えば、タングステン、モリブデン、タンタルおよびレニウムの何れか一種以上を含む金属である。
次に、図1に示す第1の実施例のレーザー駆動光源100の動作について、図2を参照しながら説明する。図2(A)はレーザー駆動光源の始動初期の状態を、図2(B)はレーザー駆動光源の定常時の状態をそれぞれ示す。
(始動時)
まず、レーザー駆動光源の始動時の動作について図2(A)に基いて説明する。以下では、管球3内の焦点Fにレーザー光線L1を集光開始してから、管球3内に封入した放電媒体としての発光用金属が完全に蒸発するまでの期間を始動時と呼ぶ。
レーザー源4から発振される連続またはパルス状のレーザー光線L1は、光学系部材2によって管球3内の焦点Fに集光される。レーザー駆動光源の始動時においては、管球3内の発光用金属の蒸気圧は非常に低いため、焦点Fに集光したレーザー光線L1の全てのエネルギーがプラズマを生成するために費消されず、管球3内の焦点Fには極めて小さいプラズマPが形成される。
つまり、管球3内の焦点Fに集光したレーザー光線L1は、その大部分は焦点Fを通過するものの、光線遮蔽部材S1に吸収され、管球3の外部へ放出されることが防止される。
光線遮蔽部材S1は、レーザー光線L2を吸収して発熱し、図2(A)に示すように、管球3の発光部31に向けて赤外〜遠赤外の波長域の熱線T1を輻射し、発光部31を輻射加熱し、管球3内に封入した発光用金属の蒸気圧を上昇させる。これに伴い、管球3内の焦点Fに形成されたプラズマPは、次第に大きくなり発光強度が徐々に増加する。
(定常時)
次に、レーザー駆動光源の定常時の動作について図2(B)に基いて説明する。以下では、管球3内の発光用金属の蒸気圧が所定のレベルで安定し、焦点Fに形成されたプラズマPの大きさが一定になった時を定常時と呼ぶ。
定常時においては、管球3内の焦点Fに集光したレーザー光線L1によって発光用金属が確実に励起され、焦点Fに形成されるプラズマPが一定の大きさに収束し、プラズマPから所定のレベルで安定した強度の光が放出される。管球内に発光用金属として水銀が封入されている場合は、例えば波長365nmのi線が発光部31の外方へ放出される。
定常時においては、レーザー光線L1をプラズマPに照射し続ける。これは、管球3内に生成したプラズマPを消滅させないためである。プラズマPに照射されたレーザー光線L1のうちの一部は、プラズマPに吸収されることなく焦点Fを通過する(図2(B)のL2を参照)。例えば、1KWのYAGレーザーを管球内に照射した場合は、プラズマPを透過したレーザー光線L2の出力は約150Wである。
プラズマPを透過したレーザー光線L2は光線遮蔽部材S1に吸収される。光線遮蔽部材S1はレーザー光線L2を吸収して発熱し、図2(B)に示すように、管球3の発光部31に向けて赤外〜遠赤外の波長域の熱線T1を輻射し、管球3の発光部31を輻射加熱する。
これに伴い、定常時の管球3においては、発光部31が常に高温状態になり、発光用金属が完全に蒸発して蒸気圧が高い状態で安定するので、発光用金属によってレーザー光線L1が確実に吸収される。したがって、管球3内に生成したプラズマPが消滅することがなく、プラズマPから所定のレベルで安定した強度の光が放出される。
このように、本発明のレーザー駆動光源100は、管球3内に生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2を吸収する光線遮蔽部材S1が設けられているため、次の効果が得られる。
第1に、管球3内に生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2が光線遮蔽部材S1によって確実に遮蔽されるため、レーザー駆動光源100の周辺機器等が、管球3内に生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2に曝されることによって破壊される、という不具合を生じる惧れがない。
第2に、光線遮蔽部材S1が、プラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線L2を吸収して発熱し、管球3内に封入された放電媒体としての発光用金属の蒸気圧を速やかに上昇させるとともに高レベルで安定させることにより、管球3内に生成したプラズマPが消滅することなく維持されるため、プラズマPから安定した出力の光を放出することができる。
図3は、第1の実施例のレーザー駆動光源の変形例を示す断面図である。同図では、レーザー源および光学系部材については、図1に示すレーザー駆動光源と共通するので図示を省略し、管球のみを図示している。図3のレーザー駆動光源101は、光線遮蔽部材S2の形状が図1,2に示す光線遮蔽部材S1と異なることを除き、第1の実施例のレーザー駆動光源100と同じ構成を備えるので、図1,2と共通する構成については図1,2と同一符号を付すことにより説明を省略する。
図3(A)に示すように、光線遮蔽部材S2は、プラズマPを透過したレーザー光線L2の照射側の表面S21において、その内側に向ってV字型に次第に狭くなる複数のビームダンパーS22が形成されている。ビームダンパーS22は、図3(B)に示すように、反射面S23,S24にカーボンブラックを塗布したり、或いは反射面S23,S24に微粒子のタングステンパウダーを焼結させることによって、ビームダンパーS22に入射したレーザー光線L2を効果的に吸収、減衰することができるようにしている。
なお、ビームダンパーS22の成す角度θは、レーザー光線L2が吸収されずにビームダンパーS22の外部へ出ることがない程度の角度に設定されている。
光線遮蔽部材S2は、上記のように、複数のビームダンパーS22がレーザー光線L2の照射側の表面S21に形成されており、管球3内のプラズマPを透過したレーザー光線L2が効率良く吸収されるため、発熱し易い構造になっている。
光線遮蔽部材S2のビームダンパーS22の機能について説明する。図3(B)に示すように、プラズマPを透過したレーザー光線L2がビームダンパーS22の一方の反射面S23に照射されると、当該ビームダンパーの一方の反射面S23で吸収することができなかったレーザー光線L2は、ビームダンパーS22の他方の反射面S24に向けて反射される。
上記したように、ビームダンパーS22を成す溝の角度θは、入射したレーザー光線L2がビームダンパーS22の外部に出ることがない角度に設定されている。したがって、ビームダンパーS22内に入射したレーザー光線L2は、ビームダンパーS22の内側に向かって多数回にわたり反射誘導され、最終的にはビームダンパーS22によって完全に吸収される。
図3に示すレーザー駆動光源101は、上記のように、光線遮蔽部材S2の、レーザー光線L2が照射される側の表面S21に複数のビームダンパーS22が形成されている。
ビームダンパーS22は、管球3の焦点Fに生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2を効率良く吸収するので、光線遮蔽部材S2が容易に発熱する。光線遮蔽部材S2は、管球3の発光部31に向けて赤外〜遠赤外の波長域の熱線T1を輻射し、管球3の発光部31を輻射加熱する。
したがって、レーザー駆動光源101は、管球3内の発光用金属の蒸気圧がより速やかに上昇するとともに高レベルで安定し易くなり、管球3内に生成したプラズマPが消滅することなく維持されるため、プラズマPから安定した出力の光を放出することができる。
なお光線遮蔽部材S2は、図3に示すようなV字型のビームダンパーS22によって高温プラズマPを透過したレーザー光を吸収するものに限らない。
光線遮蔽部材S2は、例えば高融点金属からなる基板の表面に対して黒色アルマイト処理をしたり或いはカーボンブラックを塗布したものでも良いし、また、有機色素あるいは有機顔料を含有したセラミックス基板でも良いし、さらには、光線遮蔽部材S2の表面に微粒子のタングステンパウダーを焼結等により付着させたものでも良い。
このようにすることで、光線遮蔽部材S2の実効的表面積が増加し、管球3内に生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2を吸収して発熱し易くなり、管球3の発光部31を効果的に輻射加熱することができる。
図4は、第1の実施例のレーザー駆動光源100の変形例を示す断面図である。同図では、レーザー源および光学系部材については、図1に示すレーザー駆動光源と共通するので図示を省略し、管球のみを図示している。
図4のレーザー駆動光源102は、光線遮蔽部材S3の形状が図1,2に示す光線遮蔽部材S1と異なることを除き、第1の実施例のレーザー駆動光源100と同じ構成を備えるので、図1,2と共通する構成については図1,2と同一符号を付すことにより説明を省略する。
図4(A)に示すように、光線遮蔽部材S3は、光線遮蔽部材S3の表面に微細な凹凸部S31が形成されている。微細な凹凸部S31は、光線遮蔽部材S3の表面積を増やし、プラズマPを透過したレーザー光線L2を効率良く吸収するとともに、光線遮蔽部材S3からの熱放射を促進する。
凹凸部S31のピッチは例えば1μm〜1mmの範囲である。凹凸部S31のピッチは、図4(B)に示すように、凹凸部S31において隣接する凸部S32および凸部S33のそれぞれの頂点を通過し、かつ、レーザー光線の光軸LAに平行に伸びる一対の仮想線K1およびK2の間の距離を意味する。
図5は、第1の実施例のレーザー駆動光源100の変形例を示す図である。同図では、レーザー源および光学系部材は、図1に示すレーザー駆動光源と共通するので省略してある。
図5のレーザー駆動光源103は、光線遮蔽部材S4の形状が図1に示す光線遮蔽部材S1と異なることを除き、第1の実施例のレーザー駆動光源100と同じ構成を備えるので、図1,2と共通する構成については図1,2と同一符号を付すことにより説明を省略する。
図5に示すように、光線遮蔽部材S4は、その全表面にわたり微細な凹凸部S41が形成されるとともに、レーザー光線L2を受ける側の面に円柱状の凹部S42が形成されている。
微細な凹凸部S41は、光線遮蔽部材S4の表面積を増やし、管球3の焦点Fに生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2を効率良く吸収するとともに、光線遮蔽部材S4からの熱放射を促進する。
円柱状の凹部S42は、光線遮蔽部材S4の表面積を増やし、且つ光線遮蔽部材S4を軽量化する。凹凸部S41のピッチは、上記した光線遮蔽部材S4の凹凸部S41と同じく1μm〜1mmである。
図6は、第1の実施例のレーザー駆動光源100の変形例を示す断面図である。同図では、レーザー源および光学系部材は、図1に示すレーザー駆動光源と共通するので省略してある。
図6のレーザー駆動光源104は、光線遮蔽部材S5の形状が図1に示す光線遮蔽部材S1と異なることを除き、第1の実施例のレーザー駆動光源100と同じ構成を備えるので、図1,2と共通する構成については図1,2と同一符号を付すことにより説明を省略する。
図6に示すように、レーザー駆動光源104が備える光線遮蔽部材S5は、レーザー光線L1の光軸LA上に位置する中心S52から径方向外方に向かって放射状に伸びる多数の線状部S51を有することにより束子状に形成されている。多数の線状部材S51は、光線遮蔽部材S5の表面積を増やし、プラズマPを透過したレーザー光線L2を効率良く吸収するとともに、光線遮蔽部材S5からの熱放射を促進する。
図3乃至図6に示すレーザー駆動光源101乃至104は、上記のように、光線遮蔽部材S2乃至S5がそれぞれの表面積を増やすための表面構造を有しており、プラズマPを透過したレーザー光線L2を効率良く吸収して容易に発熱して、管球3の発光部31を効率良く輻射加熱する。
したがって、レーザー駆動光源101乃至104によれば、管球3内の発光用金属の蒸気圧が速やかに上昇するとともに上昇後に高いレベルで安定し、管球3内に生成したプラズマPが消滅することなく維持され、プラズマPから安定した出力の光を放出することができる。
〔第2の実施例のレーザー駆動光源〕
図7は、本発明の第2の実施例のレーザー駆動光源の基本構成を示す断面図である。本実施例のレーザー駆動光源は、管球内に電極を有する、有電極タイプの光源である。また、本実施例のレーザー駆動光源は、プラズマに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を吸収することによって遮蔽する光線遮蔽部材を備える。
なお、図7のレーザー駆動光源200は、図1に示すレーザー駆動光源100と共通する構成については、図1と同一符号を付すことにより、説明を省略する。
同図に示すレーザー駆動光源200は、光出射開口12を有し、全体として碗状に形成された凹面反射鏡1と、レーザー源4が発したレーザー光線L1を集光する光学系部材2と、凹面反射鏡1の光軸LAに対して、管軸Xが直交する姿勢で凹面反射鏡1の焦点Fに配置された管球7と、管球7に向けてレーザー光線L1を照射するレーザー源4とを備えている。
同図に示すレーザー駆動光源200は、レーザー源4、光学系部材2および管球7がレーザー光線L1の光軸LA上において、この順通りに凹面反射鏡1の光軸LA上に一直線に並んで配置されている。
図8(A)は、図7に示すレーザー駆動光源200の管球7を拡大して示す断面図である。管球7は、例えば石英ガラスによって構成される略球状の発光部71と、その両端のそれぞれに連続して管軸X方向に伸びるロッド状の封止部72および73と、発光部71の内部に形成された回転楕円形状の密閉空間77と、封止部72および73にそれぞれ埋設された棒状の電極74および75と、密閉空間77内に配置され、レーザー源4が発して高温プラズマPを透過したレーザー光を吸収して遮蔽する光線遮蔽部材S2と、光線遮蔽部材S2を電極74に固定するための支持部材76とを備えている。
管球7の密閉空間77には、放電媒体として、希ガス、水銀(蒸気)の少なくとも1種以上が封入されている。すなわち、放電媒体の組み合わせは、希ガス単独、水銀単独、並びに希ガスおよび水銀の双方の3通りである。
例えば、放電媒体として水銀を封入した場合は、管球12から水銀の発光である波長365nmの紫外光を発する。水銀の封入量は、例えば2〜70mg/ccである。希ガスは、キセノンガスに加え、アルゴンガス若しくはハロゲンガスの一種以上を封入しても良い。なお、放電媒体として、上記以外に、カドミウム、亜鉛、錫等を封入することもできる。
電極74,75は、それぞれ例えばロッド状のタングステンにより構成され、ロッドシールされることによって封止部72,73に気密に埋設されている。
電極74,75は、それぞれの一端部741,751が密閉空間77内に伸び出すと共に、密閉空間77において所定の距離を隔てて互いに向き合って配置されている。
また、電極74および75は、それぞれの他端部742,752が封止部72,73の外方へ伸び出して、不図示の給電装置に電気的に接続されている。これら電極74,75の極間中心位置は、図7に示すように、凹面反射鏡1の焦点Fに一致する。
電極74,75の極間中心位置には、上記した電極74,75の間に高電圧が印加されることによって高温のプラズマPが生成する。
第2の実施例のレーザー駆動光源200の管球7は、上記した電極74,75を備えているので、管球7の始動時において電極74および75の間を容易に絶縁破壊することができるため、プラズマPを電極74および75の間の極間中心位置に容易に生成することができる。
図8(B)は、図8(A)のA部を拡大した部分拡大図である。
光線遮蔽部材S2は、図8(B)に示すように、全体として鉤状に形成された支持部材76によって、電極74,75に対して平行方向に伸びるようにして電極74に固定され、発光部71の密閉空間77内に配置されている。
図8(B)に示すように、支持部材76は、電極74に対して直交する方向に伸びる管軸直交部761と、管軸直交部761に対して直角に折り曲げられて電極74と平行に伸びる管軸平行部762とで全体として鉤状に構成され、管軸直交部761が電極74に固定されると共に、管軸平行部762が光線遮蔽部材S2に固定されている。
これら光線遮蔽部材S2および支持部材76は、それぞれ例えばタングステン、タンタルおよびモリブデン等の高融点金属によって構成されている。
第2の実施例のレーザー駆動光源200においては、電極74、光線遮蔽部材S2および支持部材76がそれぞれ金属で構成されていることから、支持部材76が電極74および光線遮蔽部材S2のそれぞれに対して、例えばスポット溶接により一体的に固定されている。無論、支持部材76は、電極74および光線遮蔽部材S2のそれぞれに対して、ネジ、バンド等の他の機械的固定方法によって固定されていても良い。
光線遮蔽部材S2は、管球7内に生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2(図8(B))を吸収するために、当該レーザー光線L2の光路上において、プラズマPの近傍に配置される。また、光線遮蔽部材S2は、光線遮蔽部材S2が固定されていない電極75との間で不所望な放電が発生しないような位置に配置される。
光線遮蔽部材S2は、プラズマPを透過したレーザー光線L2の照射側の表面S21において、その内側に向ってV字型に次第に狭くなる複数のビームダンパーが形成されている。ビームダンパーは、図3と同様の構成を有しており、これについては前述したとおりの構成を有するので、説明は省略する。
第2の実施例のレーザー駆動光源200の動作について、以下に図7を用いて説明する。
管球7の一対の電極74および75に高電圧が印加されることにより、電極74および75の極間が絶縁破壊され、電極74および75の極間中心位置に予備放電が形成される。
この状態で、レーザー源4は、光学系部材2に向けてレーザー光線L1を出射する。レーザー光線L1は、光学系部材2によって管球7の電極74および75の極間中心位置に集光され、電極74および75の極間中心位置に生成した予備放電に照射される。電極74および75の極間中心位置には、予備放電に対してレーザー光線L1が照射されることによって、高輝度のプラズマPが生成する。
プラズマPから発した光LXは、凹面反射鏡1の反射面11によって光軸LAと平行方向に反射され、光出射開口12から凹面反射鏡1の外部へ放出される。
一方、プラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線L2は、図8(B)に示すように、管球7の密閉空間77内に配置された光線遮蔽部材S2に入射して、前述したように、V字型のビームダンパーS22(図3参照)の内部で多数回にわたり反射誘導され、最終的に吸収、減衰する。
以上のように、本発明の第2の実施例のレーザー駆動光源200は、図8(A)に示すように、レーザー源4から発したレーザー光線L1がプラズマPを透過したとしても、そのプラズマPを透過したレーザー光線L2が、その光路上に配置された光線遮蔽部材S2によって吸収されるため、プラズマPから発した光LXと共にプラズマPを透過したレーザー光線L2が同時に放出されることがない。したがって、本実施例のレーザー駆動光源200によれば、その周辺機器等が管球7内のプラズマPを透過したレーザー光線L2に曝されることによって破壊される、という不具合を生じることがない。
しかも、本実施例のレーザー駆動光源200によれば、光線遮蔽部材S2が、プラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を吸収して発熱することにより管球7を加熱するので、管球7内に封入された発光用金属の蒸気圧がより速やかに上昇するとともに高レベルで安定し易くなり、管球7内に生成したプラズマPが消滅することなく維持されるため、プラズマPから安定した出力の光を放出することができる。
図9および図10は、第2の実施例のレーザー駆動光源の変形例をそれぞれ示す断面図である。図9および図10に示すレーザー駆動光源201および202は、管球7に対するレーザー光線の入射経路のみが、図7に示すレーザー駆動光源200と相違している。したがって、図9および図10では、図7に示すレーザー駆動光源200と共通する構成については、図7と同一符号を付すことにより説明を省略する。
図9に示すように、レーザー駆動光源201は、光出射開口12を有する全体として碗状の凹面反射鏡1と、管球7に向けてレーザー光線L1を集光する光学系部材2と、凹面反射鏡1の焦点Fに配置された管球7と、管球7に向けてレーザー光線L1を照射するレーザー源4とを備えている。
凹面反射鏡1は、回転放物面形状を有する反射面11と、プラズマPから発した光を出射する光出射開口12と、光学系部材2を配置するための側方開口14とを備えている。
管球7は、管軸Xが凹面反射鏡1の光軸LAに対して平行となる姿勢で凹面反射鏡1の焦点Fに配置されている。
光線遮蔽部材S2は、図3に示すV字型のビームダンパーS22が形成されており、光線遮蔽部材32の管軸Xが凹面反射鏡1の光軸LAに対して平行となる姿勢で、プラズマPを透過したレーザー光線の光路上においてプラズマPの近傍に配置されている。
図9に示すレーザー駆動光源201は、レーザー源4から発したレーザー光線L1が、凹面反射鏡1の側方開口14に配置された光学系部材2によって集光され、管球7に照射される。管球7の密閉空間77には、管球7内に封入された放電媒体が励起されることによって、凹面反射鏡1の焦点Fに高温のプラズマPが生成される。プラズマPから発した光LXは、凹面反射鏡1の光軸LAと平行方向に反射されて、光出射開口12から凹面反射鏡1の外部へと放出される。
一方、プラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線は、管球7の密閉空間77内に配置された光線遮蔽部材S2に入射し、前述したように図3に示すV字状のビームダンパーS22の内部で多数回にわたり反射誘導され、最終的に光線遮蔽部材S2によって吸収、減衰される。
図10に示すレーザー駆動光源202は、光出射開口12を有する全体として碗状の凹面反射鏡1と、凹面反射鏡1の光軸LAに対して管軸Xが直交する姿勢で、凹面反射鏡1の焦点Fに配置された管球7と、管球7に向けてレーザー光線L1を照射するレーザー源4と、レーザー源4から出射したレーザー光線L1を管球7方向へ反射すると共に、プラズマPから発した光LXを透過する反射部材5とを備えている。
凹面反射鏡1は、回転放物面形状の反射面11と、高温プラズマPから発した光を出射する光出射開口12とを備えている。
反射部材5は、高温のプラズマPから発する光LXの光路上に、凹面反射鏡1の光軸LAに対して傾斜した状態で配置されている。反射部材5の表面には、プラズマPから発する光LXを透過すると共に、レーザー光線L1を管球7の方向へ反射する誘電体多層膜からなる反射面が形成されている。この反射部材5に設けられた誘電体多層膜からなる反射面については、凹面反射鏡1の反射面11と同じであり、これについては前述したとおりであるので、説明は省略する。
図10に示すレーザー駆動光源202は、レーザー源4から発したレーザー光線L1が、反射部材5と凹面反射鏡1の反射面11とに順次反射されて管球7に照射され、密閉空間77において凹面反射鏡1の焦点Fに高温のプラズマPが生成される。プラズマPから発した光LXは、凹面反射鏡1の光軸LAと平行方向に反射され、光出射開口12から凹面反射鏡1の外部へと放出される。
一方、プラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線は、管球7内の密閉空間77内に配置された光線遮蔽部材S2に入射して、前述したように図3に示すV字状のビームダンパーS22の内部で多数回にわたり反射誘導され、最終的に光線遮蔽部材S2によって吸収、減衰される。
〔第3の実施例のレーザー駆動光源〕
図11は、第3の実施例のレーザー駆動光源の基本構成を示す断面図である。本実施例のレーザー駆動光源は、管球内に電極を有する有電極タイプの光源である。
また、本実施例のレーザー駆動光源は、プラズマに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を反射することによって遮蔽する光線遮蔽部材を、管球内に備えることが、第1および第2の実施例のレーザー駆動光源と相違する。(第1および第2の実施例のレーザー駆動光源は、プラズマに吸収されずにそれを透過したレーザー光線を、管球内に配置した光線遮蔽部材で吸収することによって遮蔽するものである。)
なお、図11に示すレーザー駆動光源300は、図7,8に示すレーザー駆動光源200と共通する構成については、図7,8と同一符号を付すことにより、説明を省略する。
レーザー駆動光源300は、光出射開口12を有する全体として碗状の凹面反射鏡1と、凹面反射鏡1の光軸LAに対して管軸Xが直交する姿勢で凹面反射鏡1の焦点Fに配置された管球8と、レーザー源4が発したレーザー光線L1を管球8に集光する光学系部材2と、管球8に向けてレーザー光線L1を照射するレーザー源4と、凹面反射鏡1の外部に配置された光線吸収部材AB1とを備えている。
凹面反射鏡1は、回転放物面形状の反射面11と、高温のプラズマPから発した光LXを出射する光出射開口12と、光学系部材2を配置するための後方開口13とを備えている。本実施例のレーザー駆動光源300は、レーザー源4、光学系部材2および管球8がレーザー光線L1の光路上において、この順通りに凹面反射鏡1の光軸LA上に一直線に並んで配置されている。
図12(A)は、図11に示すレーザー駆動光源300が備える管球8の構成の概略を光線吸収部材AB1と共に示す断面図である。図12(B)は、図12(A)に示すA部を拡大した図である。
図12(A)に示す管球8は、例えば石英ガラスによって構成される略球状の発光部81およびその両端のそれぞれに連続して管軸X方向に伸びるロッド状の封止部82および83と、発光部81の内部に形成された密閉空間87と、発光部81の封止部82および83にそれぞれ埋設された棒状の電極84および85と、密閉空間87内に配置され、高温のプラズマPを透過したレーザー光線L2を反射して遮蔽する光線遮蔽部材R1(図12(B)参照)と、光線遮蔽部材R1を電極84に固定するための支持部材86とを備えている。
管球8は、上記した84および電極85の間に高電圧が印加されることによって、電極84および85の極間中心位置に高温のプラズマPを生成する。プラズマPから発した光LXは、図11に示すように、凹面反射鏡1の光軸LAと平行に光出射開口12から凹面反射鏡1の外部へと放出される。
光線遮蔽部材R1は、図12(B)に示すように、全体として鉤状に形成された支持部材86によって、管軸Xに対して傾斜するように電極84に固定されている。
光線遮蔽部材R1は、タングステン、タンタル、モリブデン等の高融点金属からなる基板上に、誘電体多層膜で構成された反射面R11を備えて構成される。反射面R11は、レーザー源4から出射したレーザー光線L1を殆ど吸収することなく、凹面反射鏡1の外方へ反射するように、誘電体多層膜の材質および膜数が適宜設計されている。
なお、光線遮蔽部材R1の反射面R11は、上記したような誘電体多層膜に限られず、例えば上記の高融点金属からなる基板の表面を研磨することによって鏡面加工したものでも良い。
このような光線遮蔽部材R1は、高温のプラズマPを透過したレーザー光線L2の光路上においてプラズマPの近傍に配置されている。また、光線遮蔽部材R1は、それが固定されていない電極85との間で不所望な放電が発生しないような位置に配置される。
凹面反射鏡1の光出射開口12の開口端縁の近傍には、図11に示すように、光線遮蔽部材R1で反射したレーザー光線L2を吸収、減衰させる光線吸収部材AB1が設置されている。光線吸収部材AB1のレーザー光の入射面には、図3に示すV字型の溝状のビームダンパーS22が形成されている。
図12(B)に示されるように、光線遮蔽部材R1の反射面R11と管球8の管軸Xとで成す角θは、反射面R11に入射したレーザー光線L1が光線吸収部材AB1の方向に反射されるように適宜設定されている。
以上の本発明の第3の実施例のレーザー駆動光源300では、図11に示すように、高温のプラズマPが電極84および85の極間中心位置に生成され、プラズマPから発した光LXが凹面反射鏡1によって光軸LAと平行方向に反射され、光出射開口12から凹面反射鏡1の外部へと放出される。
一方、高温のプラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線L2は、図12(A)に示すように、管球8内の密閉空間87内に配置された光線遮蔽部材R1の反射面R11に入射すると共に、反射面R11によって凹面反射鏡1の外方に設置された光線吸収部材AB1に向けて反射され、前述したように、図3に示すV字型の溝状のビームダンパーS22で多数回にわたり反射誘導されることによって、光線吸収部材AB1に設けられたビームダンパーS22に吸収される。
このように、プラズマPを透過したレーザー光線L2は、光線遮蔽部材R1によって凹面反射鏡1の外方へと反射され、最終的には光線吸収部材AB1によって吸収、減衰する。
以上の本発明の第3の実施例のレーザー駆動光源300によれば、管球8内に生成したプラズマPを透過したレーザー光線L2が、図11に示すように、光線遮蔽部材R1によって凹面反射鏡1の外方へ反射され、光線吸収部材AB1によって吸収される。そのため、プラズマPを透過したレーザー光線L2が、プラズマPから発した光LXと同時に凹面反射鏡1の外方へ放出されることがない。
したがって、本実施例のレーザー駆動光源300によれば、その周辺機器等が、管球8内のプラズマPを透過したレーザー光線L2に曝されることによって破壊される、という不具合を生じることがない。
なお、光線遮蔽部材R1は、凹面反射鏡1の外方に配置された光線吸収部材AB1と併用されることは必須ではない。
例えば、光線遮蔽部材R1は、銅、アルミニウムおよび銀のいずれかよりなる基板の表面を梨地加工することで凹凸形状に形成された散乱反射面を有するようにしても良いし、また、耐熱性および加工性に優れた樹脂からなる基板の表面を梨地加工することで凹凸形状に形成すると共に、当該基板の表面に銅、アルミニウムおよび銀のいずれかよりなる金属を塗布して散乱反射面を形成しても良い。
このようにすれば、プラズマPに吸収されずにそれを透過したレーザー光線L2が、光線遮蔽部材R1の散乱反射面に入射した後に、散乱反射面の周囲に向けて拡散反射することによって遮蔽されるため、上記の光線吸収部材AB1を省略することができる。
100〜300 第1〜第3の実施例のレーザー駆動光源
1 凹面反射鏡
2 光学系部材
3 管球
31 発光部
32 封止部
33 金属箔
34 支柱
35 密閉空間
S1〜S5 光線遮蔽部材
S22 ビームダンパー
S31 凹凸部
S41 凹凸部
S42 凹部
S51 線状部
4 レーザー源
7 管球
71 発光部
72,73 封止部
74,75 電極
76 支持部材
77 密閉空間
8 管球
81 発光部
82,83 封止部
84,85 電極
86 支持部材
87 密閉空間
R1 光線遮蔽部材
AB1 光線吸収部材

Claims (17)

  1. 放電媒体を封入した管球を備え、前記管球内に集光させたレーザー光線によって前記管球内にプラズマを生成するレーザー駆動光源において、
    前記管球内には、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を遮蔽する光線遮蔽部材が設けられていることを特徴とするレーザー駆動光源。
  2. 前記放電媒体が金属であり、
    前記光線遮蔽部材が、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を吸収して発熱することを特徴とする請求項1記載のレーザー駆動光源。
  3. 前記光線遮蔽部材には、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を反射誘導して吸収するビームダンパーが設けられていることを特徴とする請求項2記載のレーザー駆動光源。
  4. 前記光線遮蔽部材は、その輻射率を高めるための表面加工が施されていることを特徴とする請求項2記載のレーザー駆動光源。
  5. 前記光線遮蔽部材には、ピッチが1μm〜1mmの範囲内である凹凸部が設けられていることを特徴とする請求項2記載のレーザー駆動光源。
  6. 前記光線遮蔽部材の、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線が照射される表面に、タングステンパウダーを焼結したことを特徴とする請求項2記載のレーザー駆動光源。
  7. 前記光線遮蔽部材が、タングステン、モリブデン、タンタルおよびレニウムの何れか一種以上の金属によって構成されることを特徴とする請求項2記載のレーザー駆動光源。
  8. 前記管球内に封入された放電媒体が水銀を含むことを特徴とする請求項2記載のレーザー駆動光源。
  9. 前記管球内に封入された放電媒体が、水銀および希ガスの何れか一種以上を含むことを特徴とする請求項1記載のレーザー駆動光源。
  10. 前記光線遮蔽部材が、前記管球内に伸び出るように配置された支持部材によって支持されていることを特徴とする請求項1記載のレーザー駆動光源。
  11. 前記管球内に、互いに向き合うように配置された一対の電極を備えることを特徴とする請求項1記載のレーザー駆動光源。
  12. 前記光線遮蔽部材が、前記電極に固定された支持部材によって支持されていることを特徴とする請求項11記載のレーザー駆動光源。
  13. 前記光線遮蔽部材が、前記管球内に生成したプラズマを透過したレーザー光線を反射する反射面を備えることを特徴とする請求項1記載のレーザー駆動光源。
  14. 前記光線遮蔽部材の反射面が散乱反射面であることを特徴とする請求項13記載のレーザー駆動光源。
  15. 前記管球の外方に、前記光線遮蔽部材の反射面によって反射されたレーザー光線を吸収する、光線吸収部材を設けたことを特徴とする請求項13記載のレーザー駆動光源。
  16. 前記管球内に生成するプラズマに対して焦点位置が一致するように配置され、前記プラズマが出射する光線を反射する凹面反射鏡を備えたことを特徴とする請求項1に記載のレーザー駆動光源。
  17. 前記凹面反射鏡には、前記管球内に集光するレーザー光線の光軸上に開口が設けられ、前記凹面反射鏡の開口に、前記管球内にレーザー光線を集光するための光学部材が配置されていることを特徴とする請求項16記載のレーザー駆動光源。
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