JP2011204882A - Vacuum ultraviolet light generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は真空紫外光発生装置に関し、特に、真空紫外光の波長を可変可能な真空紫外光発生装置に関する。 The present invention relates to a vacuum ultraviolet light generator, and more particularly to a vacuum ultraviolet light generator capable of changing the wavelength of vacuum ultraviolet light.
真空紫外光は、半導体の製造過程や、化学分析等様々な用途に用いられている。波長が２００ｎｍよりも短い光は、空気中の水や酸素に吸収されてしまうため、通常、真空中での取り扱いが必要である。このため、紫外線の中でも最も波長の短い１０〜２００ｎｍ付近の波長の光は、真空紫外光と呼ばれている。真空紫外光は高エネルギの光であり、可視光や紫外光では起きない様々な化学反応を誘発する。したがって、真空紫外光発生装置は半導体製造や環境浄化、化学分析等の分野において有望なエネルギ源として注目され、その利用が進められている。 Vacuum ultraviolet light is used in various applications such as semiconductor manufacturing processes and chemical analysis. Since light having a wavelength shorter than 200 nm is absorbed by water or oxygen in the air, it is usually necessary to handle it in a vacuum. For this reason, light having a shortest wavelength in the vicinity of 10 to 200 nm among ultraviolet rays is called vacuum ultraviolet light. Vacuum ultraviolet light is high-energy light and induces various chemical reactions that do not occur with visible light or ultraviolet light. Accordingly, vacuum ultraviolet light generators are attracting attention as promising energy sources in the fields of semiconductor manufacturing, environmental purification, chemical analysis, and the like, and their use is being promoted.
一般に、真空紫外光の光源としては、真空紫外ランプや、エキシマーレーザを用いるものがある。これらは、放出される真空紫外光の波長が固定波長である。しかしながら、任意の波長の真空紫外光が得られれば、特定の化学反応をいわば狙い撃ちすることが可能となるため、真空紫外光の波長を可変可能な真空紫外光発生装置が望まれている。波長可変可能な真空紫外光発生装置としては、例えば軌道放射光光源が知られている。しかしながら、これは設備が巨大であり、任意の場所で任意のときに真空紫外光を発生させることはできなかった。 In general, vacuum ultraviolet light sources include vacuum ultraviolet lamps and excimer lasers. In these, the wavelength of the emitted vacuum ultraviolet light is a fixed wavelength. However, if vacuum ultraviolet light having an arbitrary wavelength is obtained, a specific chemical reaction can be aimed at, so a vacuum ultraviolet light generator capable of changing the wavelength of vacuum ultraviolet light is desired. As a vacuum ultraviolet light generator capable of changing the wavelength, for example, an orbital radiation light source is known. However, this is a huge facility, and vacuum ultraviolet light could not be generated at any time in any place.
これに対して、簡単な設備で容易に真空紫外光の波長を可変できるものとして、共鳴４波混合法を用いた真空紫外光発生装置が知られている（例えば特許文献１）。これは、まず、希ガス原子を紫外光（ＵＶ）で２光子励起する。そして、電子励起された原子は、光放出も２光子過程で起こる。このとき、可視光（Ｖｉｓ）も同時に希ガスに入射すると、可視光の波長で誘導放出が起こり、残りの波長の光も同時に発生する。例えば、希ガスとしてＫｒを用いた場合、ＵＶに約２１６ｎｍ、Ｖｉｓに５００ｎｍの波長の光を用いると、２１６ｎｍの２倍のエネルギ（１０８ｎｍ）から５００ｎｍのエネルギを差し引いたエネルギである１３７．７ｎｍの光が発生する（エネルギは波長に逆比例する）。この差のエネルギの光が真空紫外光（ＶＵＶ）である。ここで、可視光の波長を可変することにより、任意の波長の真空紫外光を発生させることが可能となる。 On the other hand, a vacuum ultraviolet light generator using a resonant four-wave mixing method is known as one that can easily change the wavelength of vacuum ultraviolet light with simple equipment (for example, Patent Document 1). First, a two-photon excitation of a rare gas atom with ultraviolet light (UV) is performed. The electron-excited atoms also emit light in a two-photon process. At this time, when visible light (Vis) also enters the rare gas at the same time, stimulated emission occurs at the wavelength of visible light, and light of the remaining wavelengths is also generated at the same time. For example, when Kr is used as a rare gas, when light having a wavelength of about 216 nm is used for UV and 500 nm is used for Vis, the energy obtained by subtracting the energy of 500 nm from twice the energy of 216 nm (108 nm) is 137.7 nm. Light is generated (energy is inversely proportional to wavelength). The light of this difference energy is vacuum ultraviolet light (VUV). Here, by changing the wavelength of visible light, vacuum ultraviolet light having an arbitrary wavelength can be generated.
通常、共鳴４波混合法では、ＫｒやＸｅ等の希ガスが用いられ、これらを封入したセルに紫外光と可視光を集光することにより、真空紫外光が発生する。しかしながら、このときの真空紫外光への変換効率は概ね１％未満であり、セルから出射する光の殆どは、未変換の紫外光と可視光である。この未変換の光による副次的な影響を取り除くために、真空紫外光のみを分離する必要がある。従来の真空紫外光を分離する手法としては、例えば特許文献２に開示されているようにプリズムを用いて分離するものや、例えば特許文献３に開示されているように回折格子を用いて分離するものがある。 Normally, in the resonance four-wave mixing method, a rare gas such as Kr or Xe is used, and vacuum ultraviolet light is generated by condensing ultraviolet light and visible light in a cell in which these are enclosed. However, the conversion efficiency to vacuum ultraviolet light at this time is generally less than 1%, and most of the light emitted from the cell is unconverted ultraviolet light and visible light. In order to remove the side effect due to the unconverted light, it is necessary to separate only the vacuum ultraviolet light. As a conventional method for separating vacuum ultraviolet light, for example, a method using a prism as disclosed in Patent Document 2 or a method using a diffraction grating as disclosed in Patent Document 3 is used. There is something.
しかしながら、共鳴４波混合法を用いた真空紫外光発生装置により、可視光掃引を行うことで真空紫外光の波長を連続的に変化させた場合、真空紫外光の出射方向が波長によって変化してしまう（ビームラインシフト）。このため、例えばプリズムを用いるものでは、真空紫外光の出射方向を一定に保持することが困難であった。また、真空紫外光がプリズムを透過する際にパワー損失が生じるため、真空紫外光の実効的な出力が低下してしまっていた。一方、回折格子を用いるものでも、真空紫外光の出射方向が変化してしまうとスリットから真空紫外光が出射しなくなってしまう。さらに、強力な未変換の紫外光により回折格子が損傷を受ける場合があり、真空紫外光の反射効率が著しく低下するという問題も生じ得る。さらにまた、高輝度の真空紫外光を安定的に得るためには、回折格子に照射する紫外光のビームサイズを大きくする必要があるが、そのためには巨大な回折格子が必要となり、装置が大型で且つ高価なものとなってしまっていた。 However, when the wavelength of the vacuum ultraviolet light is continuously changed by performing the visible light sweep by the vacuum ultraviolet light generator using the resonance four-wave mixing method, the emission direction of the vacuum ultraviolet light changes depending on the wavelength. (Beam line shift). For this reason, for example, in the case of using a prism, it is difficult to keep the emission direction of the vacuum ultraviolet light constant. In addition, since the power loss occurs when the vacuum ultraviolet light passes through the prism, the effective output of the vacuum ultraviolet light has been reduced. On the other hand, even if a diffraction grating is used, if the emission direction of the vacuum ultraviolet light is changed, the vacuum ultraviolet light is not emitted from the slit. In addition, the diffraction grating may be damaged by strong unconverted ultraviolet light, which may cause a problem that the reflection efficiency of vacuum ultraviolet light is significantly reduced. Furthermore, in order to stably obtain high-intensity vacuum ultraviolet light, it is necessary to increase the beam size of the ultraviolet light irradiated to the diffraction grating. For this purpose, a huge diffraction grating is required, and the apparatus is large. And it was expensive.
本発明は、斯かる実情に鑑み、装置が大型化せず、パワー損失も少なく、且つ、ビームラインシフトを抑えつつ波長を可変可能な真空紫外光発生装置を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention is intended to provide a vacuum ultraviolet light generating apparatus that is capable of changing the wavelength while suppressing the beam line shift without increasing the size of the apparatus and reducing the power loss.
上述した本発明の目的を達成するために、本発明の真空紫外光発生装置は、所定の２光子吸収線を有する希ガスが封入されるセルと、照射する可視光の波長を可変可能な可視光光源と、セルに封入される希ガスの２光子吸収線に合わせられる紫外光を照射する紫外光光源と、可視光光源からの可視光及び紫外光光源からの紫外光をセル内で交差するように集光する第１レンズであって、可視光及び紫外光が第１レンズの光軸からずらされて入射されるように配置される第１レンズと、セルから発生する真空紫外光を平行化する第２レンズであって、真空紫外光が第２レンズの光軸からずらされて入射されるように配置される第２レンズと、第２レンズにより平行化される真空紫外光を所望の焦点に集光する第３レンズであって、可視光の波長の変化により生ずる真空紫外光の第３レンズへの入射角の変化を、真空紫外光の波長の変化により生ずる第３レンズにおける出射角の変化により相殺するように構成される第３レンズと、を具備するものである。 In order to achieve the above-described object of the present invention, the vacuum ultraviolet light generator of the present invention includes a cell in which a rare gas having a predetermined two-photon absorption line is sealed, and a visible light whose wavelength can be varied. The light source, the ultraviolet light source that irradiates the ultraviolet light that matches the two-photon absorption line of the rare gas enclosed in the cell, and the visible light from the visible light source and the ultraviolet light from the ultraviolet light source intersect in the cell. In this way, the first lens is arranged such that visible light and ultraviolet light are shifted from the optical axis of the first lens and the vacuum ultraviolet light generated from the cell is parallel. A second lens that is arranged so that the vacuum ultraviolet light is shifted from the optical axis of the second lens and the vacuum ultraviolet light collimated by the second lens A third lens that focuses light at the focal point, the wavelength of visible light A third lens configured to cancel the change in the incident angle of the vacuum ultraviolet light caused by the change to the third lens by the change in the emission angle in the third lens caused by the change in the wavelength of the vacuum ultraviolet light. To do.
ここで、第１レンズは、可視光及び紫外光がセル内で一点に集光するように配置されても良い。 Here, the first lens may be arranged so that visible light and ultraviolet light are condensed at one point in the cell.
また、第１レンズ、第２レンズ及び／又は第３レンズは、平凸レンズであっても良い。 Further, the first lens, the second lens, and / or the third lens may be a plano-convex lens.
また、平凸レンズは、可視光、紫外光及び／又は真空紫外光の入射面及び出射面のみを残してカットされるカットレンズであっても良い。 The plano-convex lens may be a cut lens that is cut leaving only the incident surface and the exit surface of visible light, ultraviolet light, and / or vacuum ultraviolet light.
本発明の真空紫外光発生装置には、装置が大型化せず、パワー損失も少なく、且つ、ビームラインシフトを抑えつつ波長を可変可能であるという利点がある。 The vacuum ultraviolet light generator of the present invention has the advantages that the apparatus is not enlarged, the power loss is small, and the wavelength can be varied while suppressing the beam line shift.
以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の真空紫外光発生装置の構成を説明するための概略ブロック図である。図示の通り、本発明の真空紫外光発生装置は、４波混合法を用いるものであり、セル１０と、可視光光源２０と、紫外光光源３０と、第１レンズ４０と、第２レンズ５０と、第３レンズ６０とで主に構成されている。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described together with illustrated examples. FIG. 1 is a schematic block diagram for explaining the configuration of the vacuum ultraviolet light generator of the present invention. As shown in the drawing, the vacuum ultraviolet light generator of the present invention uses a four-wave mixing method, and includes a cell 10, a visible light source 20, an ultraviolet light source 30, a first lens 40, and a second lens 50. And the third lens 60.
ここで、セル１０は、所定の２光子吸収線を有する希ガスが封入されるものである。希ガスとしては、例えばＫｒやＸｅ、及びそれらとＡｒとの混合ガスが挙げられる。また、セル１０には、所定の位置に、入射される光用の入射窓や出射される光用の出射窓が設けられれば良い。 Here, the cell 10 is filled with a rare gas having a predetermined two-photon absorption line. Examples of the rare gas include Kr and Xe, and a mixed gas of them and Ar. The cell 10 may be provided with an incident window for incident light and an exit window for emitted light at predetermined positions.
可視光光源２０は、照射する可視光Ｖｉｓの波長を可変可能なものである。可視光Ｖｉｓの波長は、例えば４００ｎｍ−７００ｎｍの範囲で可変されるものである。 The visible light source 20 can change the wavelength of the visible light Vis to be irradiated. The wavelength of the visible light Vis is variable within a range of 400 nm to 700 nm, for example.
紫外光光源３０は、セル１０に封入される希ガスの２光子吸収線に合わせられる紫外光を照射するものである。例えば、希ガスにＫｒを用いれば、紫外光光源３０により照射される紫外光は、例えば２１６．５９９ｎｍ、２１４．７０１ｎｍ、２１２．４８８ｎｍの何れかの波長を選択すれば良い。また、希ガスがＸｅの場合には２２４．２４０ｎｍ、２２５．０４９ｎｍ、２５５．９４５ｎｍ、２５２．４１５ｎｍ、２４９．５５９ｎｍの何れかの波長を選択すれば良い。このように、希ガスの種類やその吸収線を適宜選択し、それに合わせた紫外光を紫外光光源３０から照射すれば良い。 The ultraviolet light source 30 irradiates the ultraviolet light matched with the two-photon absorption line of the rare gas sealed in the cell 10. For example, if Kr is used as the rare gas, the ultraviolet light irradiated from the ultraviolet light source 30 may be selected from any of the wavelengths of 216.599 nm, 214.701 nm, and 212.488 nm, for example. Further, when the rare gas is Xe, any one of wavelengths of 224.240 nm, 225.049 nm, 255.945 nm, 252.415 nm, and 249.559 nm may be selected. In this way, the type of rare gas and its absorption line may be appropriately selected, and ultraviolet light corresponding to the selected rare gas may be irradiated from the ultraviolet light source 30.
これらの光源を用いて、以下に説明する光学系により真空紫外光のビームラインシフトを抑制する。まず、図示の通り、第１レンズ４０は、可視光光源２０からの可視光Ｖｉｓ及び紫外光光源３０からの紫外光ＵＶをセル１０内で交差するように集光するものである。そして、第１レンズ４０は、可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶが第１レンズ４０の光軸からずらされて入射されるように配置されている。即ち、第１レンズ４０と可視光光源２０、紫外光光源３０との関係は、オフアキシャルな状態となっている。また、第１レンズ４０は、可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶがセル１０内で一点に集光するように配置されると、即ち、第１レンズ４０を透過した可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶがセル１０内で一点に集光するように配置されると、効率が良い。 Using these light sources, the beam line shift of vacuum ultraviolet light is suppressed by an optical system described below. First, as illustrated, the first lens 40 condenses the visible light Vis from the visible light source 20 and the ultraviolet light UV from the ultraviolet light source 30 so as to intersect within the cell 10. The first lens 40 is arranged so that the visible light Vis and the ultraviolet light UV are incident with being shifted from the optical axis of the first lens 40. That is, the relationship between the first lens 40, the visible light source 20, and the ultraviolet light source 30 is in an off-axial state. Further, when the first lens 40 is arranged so that the visible light Vis and the ultraviolet light UV are collected at one point in the cell 10, that is, the visible light Vis and the ultraviolet light UV transmitted through the first lens 40 is the cell. If it arrange | positions so that it may concentrate on one point within 10, efficiency will be good.
第２レンズ５０は、セル１０から発生する真空紫外光ＶＵＶを平行化するものである。そして、第２レンズ５０は、真空紫外光ＶＵＶが第２レンズ５０の光軸からずらされて入射されるように配置されている。即ち、第２レンズ５０と真空紫外光ＶＵＶとの関係も、オフアキシャルな状態となっている。なお、第２レンズ５０は、真空紫外光ＶＵＶを平行化するような位置に配置されれば良く、可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶについては、第２レンズ５０を透過後、適当な遮蔽板７５にて遮蔽されれば良いため、平行化されなくても良い。 The second lens 50 collimates the vacuum ultraviolet light VUV generated from the cell 10. The second lens 50 is arranged such that the vacuum ultraviolet light VUV is incident with being shifted from the optical axis of the second lens 50. That is, the relationship between the second lens 50 and the vacuum ultraviolet light VUV is also in an off-axial state. The second lens 50 may be disposed at a position that makes the vacuum ultraviolet light VUV collimated. The visible light Vis and the ultraviolet light UV are transmitted through the second lens 50 and then applied to an appropriate shielding plate 75. Therefore, it is not necessary to make it parallel.
また、第３レンズ６０は、第２レンズ５０により平行化される真空紫外光ＶＵＶを所望の焦点、即ち、集光スポット７０に集光するものである。第３レンズ６０は、可視光Ｖｉｓの波長の変化により生ずる真空紫外光ＶＵＶの第３レンズ６０への入射角の変化を、真空紫外光ＶＵＶの波長の変化により生ずる第３レンズ６０における出射角の変化により相殺するように構成されている。ここで、レンズに入射する光の波長の変化によって、レンズからの出射光の出射角は変化する。即ち、可視光Ｖｉｓの波長を可変する（掃引する）と、第２レンズ５０からの出射光の出射角が変化する。したがって、第３レンズ６０に入射する真空紫外光ＶＵＶの入射角も変化することになる。このとき、真空紫外光ＶＵＶの波長も可視光Ｖｉｓの掃引に従って変化するため、この波長の変化により生ずる出射角の変化により、第３レンズへの真空紫外光ＶＵＶの入射角の変化を相殺するように、第３レンズが構成されれば良い。また、基本的に第１レンズ４０の光軸と第３レンズ６０の光軸は一致するように配置されている。 The third lens 60 condenses the vacuum ultraviolet light VUV collimated by the second lens 50 at a desired focal point, that is, the condensing spot 70. The third lens 60 changes the incident angle of the vacuum ultraviolet light VUV caused by the change in the wavelength of the visible light Vis to the third lens 60, and changes the emission angle of the third lens 60 caused by the change in the wavelength of the vacuum ultraviolet light VUV. It is configured to cancel out by changes. Here, the outgoing angle of the outgoing light from the lens changes according to the change in the wavelength of the light incident on the lens. That is, when the wavelength of the visible light Vis is varied (swept), the emission angle of the emitted light from the second lens 50 changes. Therefore, the incident angle of the vacuum ultraviolet light VUV incident on the third lens 60 also changes. At this time, since the wavelength of the vacuum ultraviolet light VUV also changes according to the sweep of the visible light Vis, the change in the incident angle of the vacuum ultraviolet light VUV to the third lens is canceled by the change in the emission angle caused by the change in the wavelength. In addition, the third lens may be configured. Further, basically, the optical axis of the first lens 40 and the optical axis of the third lens 60 are arranged to coincide.
ここで、図示例では、第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズは、すべて平凸レンズを用いた例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されず、これらのレンズは、平凸レンズから、可視光、紫外光、真空紫外光の入射面及び出射面のみを残してカットされるカットレンズであっても良い。また、レンズの片面側が平行光線又はそれに近い場合には、収差を抑える観点からは平凸レンズ、又は平凹レンズが好ましい。しかしながら、上述のような条件の光学系が構築できれば、両凸レンズのような他の形状のレンズを用いても良い。さらにまた、第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズは、それぞれ同一種のレンズでなくても良く、各種レンズをそれぞれ組み合わせて選択しても良い。 Here, in the illustrated example, the first lens, the second lens, and the third lens are all plano-convex lenses. However, the present invention is not limited to this, and these lenses may be cut lenses that are cut from a plano-convex lens leaving only the incident surface and the exit surface of visible light, ultraviolet light, and vacuum ultraviolet light. In addition, when one side of the lens is a parallel ray or close to it, a plano-convex lens or a plano-concave lens is preferable from the viewpoint of suppressing aberrations. However, a lens having another shape such as a biconvex lens may be used as long as the optical system having the above-described conditions can be constructed. Furthermore, the first lens, the second lens, and the third lens may not be the same type of lens, and may be selected by combining various lenses.
以下、このように構成される本発明の真空紫外光発生装置の各光線の光路を中心に説明する。図示の通り、可視光光源２０及び紫外光光源３０からそれぞれ出射された可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶが、第１レンズ４０の光軸からずれた位置に、即ちオフアキシャルな状態で入射される。集光レンズである第１レンズ４０により、可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶがセル１０に設けられた入射窓を介してセル１０内に集光され、セル１０内で交差する。そして、セル１０内に封入された希ガス原子が紫外光ＵＶにより２光子励起され、同時に入射された可視光Ｖｉｓの波長で誘導放出が起こり、紫外光ＵＶのエネルギから可視光Ｖｉｓのエネルギを引いた残りのエネルギの光である真空紫外光ＶＵＶが発生する。このような共鳴４波混合法の原理により発生した真空紫外光ＶＵＶは、差分エネルギの光であるため、可視光Ｖｉｓの波長を可変することにより、真空紫外光ＶＵＶの波長も変化する。そして、可視光Ｖｉｓ、紫外光ＵＶ及び真空紫外光ＶＵＶが、セル１０に設けられた出射窓から、拡散する方向に出射する。セル１０から出射する可視光Ｖｉｓ，紫外光ＵＶ及び真空紫外光ＶＵＶは、空間的に分離した状態で発生する。したがって、この段階でプリズム等を用いて真空紫外光と他の波長の光を分離する必要がないため、プリズムによるパワーの損失等が生じない。 Hereinafter, the light path of each light beam of the vacuum ultraviolet light generator of the present invention configured as described above will be mainly described. As shown in the figure, the visible light Vis and the ultraviolet light UV respectively emitted from the visible light source 20 and the ultraviolet light source 30 are incident on positions shifted from the optical axis of the first lens 40, that is, in an off-axial state. Visible light Vis and ultraviolet light UV are condensed into the cell 10 through the incident window provided in the cell 10 by the first lens 40 which is a condensing lens, and intersect in the cell 10. Then, the rare gas atoms enclosed in the cell 10 are excited by two photons by the ultraviolet light UV, and stimulated emission occurs at the wavelength of the visible light Vis incident at the same time, and the energy of the visible light Vis is subtracted from the energy of the ultraviolet light UV. Vacuum ultraviolet light VUV which is light of the remaining energy is generated. Since the vacuum ultraviolet light VUV generated based on the principle of the resonance four-wave mixing method is light of differential energy, the wavelength of the vacuum ultraviolet light VUV is changed by changing the wavelength of the visible light Vis. Then, visible light Vis, ultraviolet light UV, and vacuum ultraviolet light VUV are emitted from the emission window provided in the cell 10 in the diffusing direction. Visible light Vis, ultraviolet light UV, and vacuum ultraviolet light VUV emitted from the cell 10 are generated in a spatially separated state. Therefore, it is not necessary to separate the vacuum ultraviolet light and the light of other wavelengths using a prism or the like at this stage, so that power loss due to the prism does not occur.
そして、このように拡散する方向に出射する可視光Ｖｉｓ，紫外光ＵＶ及び真空紫外光ＶＵＶが、第２レンズ５０の光軸からずれた位置に、即ちオフアキシャルな状態で入射されれる、第２レンズ５０を通過した可視光Ｖｉｓ，紫外光ＵＶ及び真空紫外光ＶＵＶは、それぞれ平行化され、可視光Ｖｉｓ及び紫外光ＵＶが出射される方向に設けられた遮蔽板７５により遮蔽される。一方、真空紫外光ＶＵＶは、第３レンズ６０に入射される。そして、第３レンズ６０により集光スポット７０へ集光される。 The visible light Vis, the ultraviolet light UV, and the vacuum ultraviolet light VUV emitted in the diffusing direction are incident on the position shifted from the optical axis of the second lens 50, that is, in an off-axial state. The visible light Vis, ultraviolet light UV, and vacuum ultraviolet light VUV that have passed through the lens 50 are collimated and shielded by a shielding plate 75 provided in the direction in which the visible light Vis and ultraviolet light UV are emitted. On the other hand, the vacuum ultraviolet light VUV is incident on the third lens 60. Then, the light is condensed on the condensing spot 70 by the third lens 60.
ここで、可視光Ｖｉｓの波長を掃引することにより真空紫外光ＶＵＶの波長が変化した場合の真空紫外光ＶＵＶの光路について、より詳細に説明する。例えば、可視光Ｖｉｓを長波長側（低エネルギ側）に掃引すると、真空紫外光ＶＵＶのセル１０からの出射方向は、図１の図面上、下側、即ち、第２レンズ５０の光軸に対して外側にシフトする。そして、発生する真空紫外光ＶＵＶはより短波長となるため、第２レンズ５０により、図面上、逆により上方向、即ち、第２レンズの光軸に対して内側にシフトする。これは、波長が短いほどレンズの屈折率が高くなり、レンズの焦点距離が短くなるためである。その結果、第３レンズ６０への入射角が僅かながら小さくなる。即ち、レンズへの入射角が小さくなると、そのレンズからの出射光の焦点距離は伸びるが、真空紫外光の波長が短くなると、焦点距離は短くなる。したがって、真空紫外光の波長の変化が入射角の変化により相殺され、結果として可視光の波長掃引を行っても、真空紫外光の集光スポットは一定の位置を保つことになる。即ち、本発明の真空紫外光発生装置は、発生する真空紫外光のビームラインシフトを抑えることが可能である。 Here, the optical path of the vacuum ultraviolet light VUV when the wavelength of the vacuum ultraviolet light VUV is changed by sweeping the wavelength of the visible light Vis will be described in more detail. For example, when the visible light Vis is swept to the long wavelength side (low energy side), the emission direction of the vacuum ultraviolet light VUV from the cell 10 is the lower side in the drawing of FIG. 1, that is, the optical axis of the second lens 50. Shift outward. Since the generated vacuum ultraviolet light VUV has a shorter wavelength, the second lens 50 shifts upward in the drawing and reversely, that is, inward with respect to the optical axis of the second lens. This is because the shorter the wavelength, the higher the refractive index of the lens and the shorter the focal length of the lens. As a result, the incident angle on the third lens 60 is slightly reduced. That is, when the incident angle to the lens is reduced, the focal length of the light emitted from the lens is increased, but when the wavelength of the vacuum ultraviolet light is shortened, the focal length is shortened. Therefore, the change in the wavelength of the vacuum ultraviolet light is canceled out by the change in the incident angle. As a result, even if the wavelength sweep of the visible light is performed, the focused spot of the vacuum ultraviolet light is kept at a certain position. That is, the vacuum ultraviolet light generator of the present invention can suppress the beam line shift of the generated vacuum ultraviolet light.
また、上述のように、本発明の真空紫外光発生装置は、真空紫外光の分離にプリズム等を用いる必要が無いため、装置自体を小型に構成することが可能である。 Further, as described above, the vacuum ultraviolet light generator of the present invention does not need to use a prism or the like for the separation of vacuum ultraviolet light, so that the device itself can be made compact.
以下、本発明の真空紫外光発生装置の集光スポットが一定の位置を保っていることを、飛行時間型質量分析を用いて確認したので説明する。図２は、本発明の真空紫外光発生装置の具体的構成を説明するための概略ブロック図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 Hereinafter, it will be described that the focused spot of the vacuum ultraviolet light generator of the present invention is maintained at a certain position by using time-of-flight mass spectrometry. FIG. 2 is a schematic block diagram for explaining a specific configuration of the vacuum ultraviolet light generator of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts.
セル１０に希ガスとしてＸｅを内圧２００ｍｂａｒで封入する。セル１０には、入射窓１２は高純度フッ化カルシウム板からなり、出射窓１３はフッ化マグネシウム板からなる。 Xe as a rare gas is sealed in the cell 10 at an internal pressure of 200 mbar. In the cell 10, the entrance window 12 is made of a high-purity calcium fluoride plate, and the exit window 13 is made of a magnesium fluoride plate.
可視光光源２０は、パルスレーザ２２と色素レーザ２３とで主に構成される。パルスレーザ２２にはＳｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社製のＮｄ３＋：ＹＡＧパルスレーザＬＡＢ−１５０を用い、色素レーザ２３にはＳｉｒａｈ社製のＣｏｂｒａ−Ｓｔｒｅｔｃｈを用い、パルスレーザ２２の３倍波の３５５ｎｍで色素レーザ２３を励起し、５００−５３０ｎｍの波長可変可視光光源とした。そして、発生した可視光は、ミラー２４により第１レンズ４０方向に屈折させられ、焦点距離２２０ｍｍの合成石英製レンズ２５で集光され、焦点距離２００ｍｍの合成石英製レンズ２６を用いて略平行光となるように調整される。なお、レンズ２５とレンズ２６との間の距離は４６０ｍｍとした。 The visible light source 20 is mainly composed of a pulse laser 22 and a dye laser 23. The pulse laser 22 uses Nd 3+ : YAG pulse laser LAB-150 made by Spectra-Physics, the dye laser 23 uses Cobra-Stretch made by Sirah, and a dye laser at 355 nm, which is the third harmonic of the pulse laser 22. 23 was excited to obtain a wavelength-tunable visible light source of 500 to 530 nm. The generated visible light is refracted in the direction of the first lens 40 by the mirror 24, collected by the synthetic quartz lens 25 having a focal length of 220 mm, and substantially parallel light using the synthetic quartz lens 26 having a focal length of 200 mm. It is adjusted to become. The distance between the lens 25 and the lens 26 was 460 mm.
紫外光光源３０も、パルスレーザ３２と色素レーザ３３とで主に構成される。パルスレーザ３２にはＳｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社製のＮｄ３＋：ＹＡＧパルスレーザＬＡＢ−１５０を用い、色素レーザ３３にはＦｉｎｅ Ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ社製のＰｕｌｓａｒｅ−Ｓ ＰＲＯを用い、パルスレーザ３２の２倍波の５３２ｎｍで色素レーザ３３を励起し、６４９．７９７ｎｍの光を発生させる。そして、これをλ／４板３４を用いて円偏光とした後に、第１のＢＢＯ結晶（β−ＢａＢ２Ｏ４）３５に導入し、２倍波の３２４．８９８ｎｍの波長の光を発生させる。そして、未変換の６４９．７９７ｎｍの波長の光と２倍波をそのまま第２のＢＢＯ結晶３６に導入し、和周波発生により２１６．５９９ｎｍの波長の光を発生させる。ここで、第２のＢＢＯ結晶３６からは、３つの波長の光が混合して出力されるので、これらの光をペランブロッカプリズム３７に導入し、各波長の光を空間的に分離して２１６．５９９ｎｍの紫外光のみを取り出す。これをミラー３８．３９を用いて第１レンズ４０方向に屈折させる。 The ultraviolet light source 30 is also mainly composed of a pulse laser 32 and a dye laser 33. The pulse laser 32 uses Spectra-Physics' Nd 3+ : YAG pulse laser LAB-150, the dye laser 33 uses Fine Adjustment's Pulsare-S PRO, and the pulse laser 32 has a double wave of 532 nm. The dye laser 33 is excited to generate light of 649.797 nm. And after making this into circularly polarized light using the λ / 4 plate 34, it is introduced into the first BBO crystal (β-BaB 2 O 4 ) 35 to generate light having a wavelength of 324.898 nm as a second harmonic. . Then, unconverted light with a wavelength of 649.797 nm and a double wave are introduced as they are into the second BBO crystal 36, and light with a wavelength of 216.599 nm is generated by sum frequency generation. Here, since the light of three wavelengths is mixed and output from the second BBO crystal 36, these lights are introduced into the Perran blocker prism 37, and the light of each wavelength is spatially separated 216. Extract only 599 nm ultraviolet light. This is refracted in the direction of the first lens 40 using a mirror 38.39.
そして、このようにして得られた５００−５３０ｎｍの可視光と２１６．５９９ｎｍの紫外光を、希ガスとしてＸｅが封入されたセル１０内に第１レンズ４０を用いて集光する。第１レンズ４０は、曲率半径５０ｍｍ（波長２１３ｎｍの場合には焦点距離１００ｍｍに相当）の高純度フッ化カルシウム製レンズからなる。紫外光と可視光のレーザの焦点を一致させるには、合成石英製レンズ２６を調整すれば良い。なお、レンズ２６と第１レンズ４０との間の距離は５５０ｍｍとした。また、パルスレーザ２２，３２は、そのレーザ出射タイミングをデジタル遅延パルス発生器９０を用いて同期させ、焦点位置で紫外光と可視光のタイミングが一致するように調整する。 Then, the visible light of 500 to 530 nm and the ultraviolet light of 216.599 nm obtained in this way are condensed using the first lens 40 in the cell 10 in which Xe is enclosed as a rare gas. The first lens 40 is a high-purity calcium fluoride lens having a curvature radius of 50 mm (corresponding to a focal length of 100 mm in the case of a wavelength of 213 nm). In order to make the focal points of the ultraviolet light and the visible light laser coincide with each other, the synthetic quartz lens 26 may be adjusted. The distance between the lens 26 and the first lens 40 was 550 mm. Further, the pulse lasers 22 and 32 are synchronized so that the laser emission timing is synchronized using the digital delay pulse generator 90 so that the timings of the ultraviolet light and the visible light coincide at the focal position.
そして、セル１０内で発生した真空紫外光と、紫外光及び可視光は、第２レンズ５０により平行光に戻される。第２レンズ５０は、曲率半径１１０ｍｍのフッ化マグネシウムレンズからなる。なお、第１レンズ４０と第２レンズ５０との間の距離は２１５ｍｍとした。そして、空間的に分離された紫外光及び可視光は、セラミックス製の遮蔽板７５でカットされる。 The vacuum ultraviolet light, ultraviolet light, and visible light generated in the cell 10 are returned to parallel light by the second lens 50. The second lens 50 is made of a magnesium fluoride lens having a curvature radius of 110 mm. The distance between the first lens 40 and the second lens 50 was 215 mm. The spatially separated ultraviolet light and visible light are cut by a ceramic shielding plate 75.
平行化された真空紫外光は、第３レンズ６０により所定の真空チャンバ８０内に位置する集光スポットに集光する。第３レンズ６０は、曲率半径１６０ｍｍのフッ化マグネシウムレンズからなる。なお、第２レンズ５０と第３レンズ６０との間の距離は４９０ｍｍとした。このとき、第３レンズ６０と集光スポット７０との間の距離は３７０ｍｍである。なお、セル１０の出射窓１３以降のレンズ等はすべて真空チャンバ８０内に設置されれば良い。 The collimated vacuum ultraviolet light is condensed by a third lens 60 on a condensing spot located in a predetermined vacuum chamber 80. The third lens 60 is composed of a magnesium fluoride lens having a curvature radius of 160 mm. The distance between the second lens 50 and the third lens 60 was 490 mm. At this time, the distance between the third lens 60 and the focused spot 70 is 370 mm. Note that all the lenses and the like after the exit window 13 of the cell 10 may be installed in the vacuum chamber 80.
このように構成された本発明の真空紫外光発生装置において、真空紫外光の集光スポットで発生するイオンの飛行時間を飛行時間型質量分析を用いて測定することで、波長掃引に伴う真空紫外光の集光スポットの位置ずれを飛行時間変化により評価することができる。まず、真空紫外光の集光スポットに、トリエチルアミン及び１，２，４−トリクロロベンゼン蒸気を含むヘリウムガスを、直径０．８ｍｍのオリフィスより噴射し、真空紫外光によって発生したそれぞれの分子の正イオンラジカルを飛行時間型質量分析により検出する。真空紫外光を入射したタイミングをｔ＝０とし、イオン検出器１００によりイオンが検出されるまでの時間（飛行時間）を、デジタルオシロスコープ１０１を用いて測定した。なお、デジタルオシロスコープ１０１についてもデジタル遅延パルス発生器９０を用いて同期させる。測定に用いた真空チャンバ８０では、０．１ｍｍ位置ずれがあると飛行時間が約６７ｎｓずれる。したがって、波長掃引に伴う真空紫外光の焦点位置のずれを、飛行時間の変化として１０μｍ程度の精度で測定することが可能である。 In the vacuum ultraviolet light generator of the present invention configured as described above, the time of flight of ions generated at the focused spot of the vacuum ultraviolet light is measured using time-of-flight mass spectrometry, so that the vacuum ultraviolet light accompanying the wavelength sweep is obtained. The positional deviation of the light condensing spot can be evaluated by the change in flight time. First, helium gas containing triethylamine and 1,2,4-trichlorobenzene vapor is jetted from an orifice with a diameter of 0.8 mm to a focused spot of vacuum ultraviolet light, and positive ions of each molecule generated by vacuum ultraviolet light. Radicals are detected by time-of-flight mass spectrometry. The timing at which the vacuum ultraviolet light was incident was t = 0, and the time until the ions were detected by the ion detector 100 (flight time) was measured using the digital oscilloscope 101. The digital oscilloscope 101 is also synchronized using the digital delay pulse generator 90. In the vacuum chamber 80 used for the measurement, the flight time is shifted by about 67 ns when there is a positional deviation of 0.1 mm. Therefore, it is possible to measure the deviation of the focal position of the vacuum ultraviolet light accompanying the wavelength sweep with a precision of about 10 μm as a change in flight time.
図３は、上述のような構成で、可視光を５００−５３０ｎｍの範囲で掃引したときのイオンの飛行時間スペクトルを示すグラフである。真空紫外光の波長（エネルギ）は、１３６．１ｎｍ（９．１１ｅＶ）−１３８．２ｎｍ（８．９７ｅＶ）の範囲で可変する。米国国立標準技術研究所データベースによると、トリエチルアミンのイオン化ポテンシャルは７．５３±０．１０ｅＶであるため、今回用いた真空紫外光のすべての波長において、トリエチルアミンはイオン化される。一方、１，２，４トリクロロベンゼンのイオン化ポテンシャルは９．０４±０．０３ｅＶであり、９．０２−９．０４ｅＶ付近でイオン化効率の増大が観測されているため、必要とする波長の真空紫外光の発生が確認できる。また、１，２，４トリクロロベンゼンは、塩素原子の質量数３５と３７との同位体のため、３５Ｃｌ３：３５Ｃｌ２ ３７Ｃｌ１：３５Ｃｌ１ ３７Ｃｌ２：３７Ｃｌ３＝２７：２７：９：１の強度比に分裂する。 FIG. 3 is a graph showing a time-of-flight spectrum of ions when visible light is swept in the range of 500 to 530 nm with the above-described configuration. The wavelength (energy) of the vacuum ultraviolet light is variable in the range of 136.1 nm (9.11 eV) -138.2 nm (8.97 eV). According to the National Institute of Standards and Technology database, the ionization potential of triethylamine is 7.53 ± 0.10 eV, and therefore triethylamine is ionized at all wavelengths of vacuum ultraviolet light used this time. On the other hand, the ionization potential of 1,2,4 trichlorobenzene is 9.04 ± 0.03 eV, and an increase in ionization efficiency is observed near 9.02 to 9.04 eV. The generation of light can be confirmed. Further, 1,2,4-trichlorobenzene, because the isotopes with mass numbers of 35 and 37 chlorine atoms, 35 Cl 3: 35 Cl 2 37 Cl 1: 35 Cl 1 37 Cl 2: 37 Cl 3 = 27: Split to an intensity ratio of 27: 9: 1.
真空紫外光の集光スポットのずれ、即ち、飛行時間のずれの有無を確認するために、図３には各波長の真空紫外光でイオン化したときのトリエチルアミンの質量ピークを重ねて示した。同図から、すべての波長で飛行時間１１．７６μｓにおいて質量ピークが観測され、完全に一致していることが分かる。したがって、今回波長掃引により真空紫外光の波長を１３６．１ｎｍ−１３８．２ｎｍの範囲で可変させた場合に、飛行時間の変動、即ち、ビームラインシフトが無いことが確認できる。 In order to confirm the presence or absence of the deviation of the focused spot of the vacuum ultraviolet light, that is, the time of flight, FIG. 3 shows the mass peaks of triethylamine when ionized with vacuum ultraviolet light of each wavelength. From the figure, it can be seen that mass peaks are observed at a flight time of 11.76 μs at all wavelengths, and are completely in agreement. Therefore, when the wavelength of the vacuum ultraviolet light is varied in the range of 136.1 nm-138.2 nm by the wavelength sweep this time, it can be confirmed that there is no fluctuation in flight time, that is, no beam line shift.
なお、本発明の真空紫外光発生装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、上述の説明で用いた具体的な数値や波長については、あくまでも単なる一例であり、本発明はこれに限定されるものではないことも勿論である。 The vacuum ultraviolet light generator of the present invention is not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. In addition, the specific numerical values and wavelengths used in the above description are merely examples, and the present invention is of course not limited thereto.
１０ セル
１２ 入射窓
１３ 出射窓
２０ 可視光光源
２２，３２ パルスレーザ
２３，３３ 色素レーザ
２４，３８ ミラー
２５，２６ 合成石英製レンズ
３０ 紫外光光源
３４ λ／４板
３５，３６ ＢＢＯ結晶
３７ ペランブロッカプリズム
３８ ミラー
４０ 第１レンズ
５０ 第２レンズ
６０ 第３レンズ
７０ 集光スポット
７５ 遮蔽板
８０ 真空チャンバ
９０ デジタル遅延パルス発生器
１００ イオン検出器
１０１ デジタルオシロスコープ
10 cell 12 entrance window 13 exit window 20 visible light source 22, 32 pulse laser 23, 33 dye laser 24, 38 mirror 25, 26 synthetic quartz lens 30 ultraviolet light source 34 λ / 4 plate 35, 36 BBO crystal 37 perran blocker Prism 38 Mirror 40 First lens 50 Second lens 60 Third lens 70 Condensing spot 75 Shield plate 80 Vacuum chamber 90 Digital delay pulse generator 100 Ion detector 101 Digital oscilloscope
Claims (4)
所定の２光子吸収線を有する希ガスが封入されるセルと、
照射する可視光の波長を可変可能な可視光光源と、
セルに封入される希ガスの２光子吸収線に合わせられる紫外光を照射する紫外光光源と、
前記可視光光源からの可視光及び紫外光光源からの紫外光をセル内で交差するように集光する第１レンズであって、可視光及び紫外光が第１レンズの光軸からずらされて入射されるように配置される第１レンズと、
前記セルから発生する真空紫外光を平行化する第２レンズであって、真空紫外光が第２レンズの光軸からずらされて入射されるように配置される第２レンズと、
前記第２レンズにより平行化される真空紫外光を所望の焦点に集光する第３レンズであって、可視光の波長の変化により生ずる真空紫外光の第３レンズへの入射角の変化を、真空紫外光の波長の変化により生ずる第３レンズにおける出射角の変化により相殺するように構成される第３レンズと、
を具備することを特徴とする真空紫外光発生装置。 A vacuum ultraviolet light generating device using a four-wave mixing method capable of changing the wavelength of vacuum ultraviolet light, the vacuum ultraviolet light generating device,
A cell in which a rare gas having a predetermined two-photon absorption line is enclosed;
A visible light source capable of changing the wavelength of visible light to be irradiated; and
An ultraviolet light source that irradiates ultraviolet light that is aligned with a two-photon absorption line of a rare gas sealed in the cell;
A first lens that collects visible light from the visible light source and ultraviolet light from the ultraviolet light source so as to intersect within the cell, wherein the visible light and the ultraviolet light are shifted from the optical axis of the first lens. A first lens arranged to be incident;
A second lens for collimating vacuum ultraviolet light generated from the cell, the second lens being arranged so that the vacuum ultraviolet light is shifted from the optical axis of the second lens, and
A third lens for condensing the vacuum ultraviolet light collimated by the second lens at a desired focal point, and a change in the incident angle of the vacuum ultraviolet light to the third lens caused by a change in the wavelength of visible light, A third lens configured to cancel out by a change in emission angle in the third lens caused by a change in the wavelength of vacuum ultraviolet light;
The vacuum ultraviolet light generator characterized by comprising.
Priority Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020122869A (en) * | 2019-01-30 | 2020-08-13 | 国立大学法人電気通信大学 | Laser device, wavelength conversion device, and optical output method |
| CN113629481A (en) * | 2021-07-19 | 2021-11-09 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | Device for generating 160nm femtosecond vacuum ultraviolet laser pulse |
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2010
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