JP2013045537A - Light source device - Google Patents

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Toshio Yokota
利夫 横田
Chandra Paul Khokan
チャンドラ パウル コウカン
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
Energetiq Technology Inc
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Ushio Denki KK
Ushio Inc
Energetiq Technology Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light source device with high luminous efficiency, capable of increasing a light volume which can be obtained by plasma, even if a laser beam is inexpensive with a small output.SOLUTION: In the light source device provided with an arc tube with a luminescent material sealed inside, a preliminary plasma generating means for generating plasma inside the arc tube, and a continuous wave laser beam oscillation part irradiating continuous wave laser beams inside the arc tube, using light emitted from the plasma, with the continuous wave laser beams irradiated onto plasma generated in the arc tube, the laser beam includes an induction absorption wavelength inherent in the luminescent material.

Description

本発明は、レーザ装置から放射されるレーザビームによって点灯される、露光装置等に適用するに好適な光源装置に関する。   The present invention relates to a light source device that is turned on by a laser beam emitted from a laser device and that is suitable for application to an exposure apparatus or the like.

レーザ装置からのレーザビームを、発光ガスを封入した発光管に照射して、ガスを励起させて発光させるようにした光源装置が知られている(特許文献1)。
図14に、特許文献1に開示された光源装置について示す。
光源装置8は、発光元素を封入した発光管82と、該発光管82に向かって連続波レーザビームを放射する連続波レーザ発振部83と、予備プラズマ発生手段として、発光管に対向配置された一対の電極81、81とを備える光源装置である。
この光源装置8では、電極81、81間に電圧を印加しアーク放電を形成して発光管内に高温プラズマ状態を作る。
そして、このプラズマにレーザビームを照射することで、プラズマ温度を上昇させ、発光強度を増強することができる。
また、電極間に電圧を印加することにより、発光管82内の高温プラズマ状態を維持することができ、高温プラズマ状態が断ち切らずに放電状態を安定させることができる。
There is known a light source device in which a laser beam from a laser device is irradiated onto an arc tube enclosing a luminescent gas to excite the gas to emit light (Patent Document 1).
FIG. 14 shows a light source device disclosed in Patent Document 1.
The light source device 8 is disposed so as to face the arc tube as an arc tube 82 in which a light emitting element is enclosed, a continuous wave laser oscillation unit 83 that emits a continuous wave laser beam toward the arc tube 82, and a preliminary plasma generating means. A light source device including a pair of electrodes 81, 81.
In the light source device 8, a voltage is applied between the electrodes 81 and 81 to form an arc discharge to create a high-temperature plasma state in the arc tube.
By irradiating the plasma with a laser beam, the plasma temperature can be raised and the emission intensity can be enhanced.
Further, by applying a voltage between the electrodes, the high temperature plasma state in the arc tube 82 can be maintained, and the discharge state can be stabilized without breaking the high temperature plasma state.

特開2010−205577号公報JP 2010-205577 A

しかしながら、この種の光源装置では、プラズマより得られる放射光を増やすために必要なレーザのエネルギーが大きく、そのような出力の大きいレーザ源は、装置が大型化、高価になるという問題があった。
そこで、本発明は、安価で出力が小さいレーザ光であっても、プラズマより得られる光量を増やすことができる、発光効率の高い光源装置を提供することを目的とする。
However, this type of light source device has a problem that a large amount of laser energy is required to increase the radiation light obtained from the plasma, and such a laser source having a large output has a problem that the device becomes large and expensive. .
Therefore, an object of the present invention is to provide a light source device with high light emission efficiency that can increase the amount of light obtained from plasma even if it is inexpensive and has a small output.

上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、内部に発光物質が封入された発光管と、発光管内にプラズマを発生させる予備プラズマ発生手段と、発光管内に連続波レーザ光を照射する連続波レーザ発振部を備え、発光管内に発生したプラズマに連続波レーザ光が照射され、プラズマより放射される光を利用する光源装置において、レーザ光は、発光物質に固有の誘導吸収波長を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to claim 1 is directed to an arc tube in which a luminescent material is sealed, preliminary plasma generating means for generating plasma in the arc tube, and continuous wave laser light irradiation in the arc tube. In a light source device that includes a continuous wave laser oscillating unit that irradiates plasma generated in an arc tube with continuous wave laser light and uses light emitted from the plasma, the laser light has an induced absorption wavelength specific to the luminescent material. It is characterized by including.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記レーザ光は、発振波長の発光強度の1/e以上の発光強度を有する範囲の波長が、前記発光物質に固有の誘導吸収波長を含むことを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the laser beam has a wavelength in a range having an emission intensity of 1 / e 2 or more of an emission intensity of an oscillation wavelength. It includes a characteristic induced absorption wavelength.

また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記レーザ照射手段は、レーザダイオードを備え、レーザダイオードの温度調節機構を備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the laser irradiation means includes a laser diode, and includes a laser diode temperature adjustment mechanism.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の発明において、前記発光物質は希ガスであること特徴とする。   The invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the light-emitting substance is a rare gas.

また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記希ガスはXe(キセノン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)のいずれかを含むこと特徴とする。   The invention described in claim 5 is characterized in that, in the invention described in claim 4, the rare gas includes any one of Xe (xenon), Ar (argon), and Kr (krypton).

また、請求項6に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の発明において、前記発光物質は、第一の発光物質と第二の発光物質から構成されることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the luminescent material is composed of a first luminescent material and a second luminescent material. And

また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記第一の発光物質は希ガスであり、前記第二の発光物質は金属であることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the invention, in the sixth aspect of the invention, the first luminescent material is a rare gas and the second luminescent material is a metal.

また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において、前記金属はHg(水銀)であることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7, wherein the metal is Hg (mercury).

また、請求項9に記載の発明は、請求項5に記載の光源装置を備え、前記発光物質はXe(キセノン)であるプロジェクタであることを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the light source device according to the fifth aspect, wherein the light emitting material is a projector made of Xe (xenon).

また、請求項10に記載の発明は、請求項8に記載の光源装置を備える露光装置であることを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an exposure apparatus comprising the light source device according to the eighth aspect.

また、請求項11に記載の発明は、請求項8に記載の光源装置を備えるプロジェクタであることを特徴とする。   The invention described in claim 11 is a projector including the light source device described in claim 8.

また、請求項12記載の発明は、請求項1ないし8記載の発明において、前記予備プラズマ発生手段は、発光管内に配置された2以上の電極と、電極間に電圧を印加する電源とからなることを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, the preliminary plasma generating means includes two or more electrodes disposed in the arc tube and a power source for applying a voltage between the electrodes. It is characterized by that.

また、請求項13記載の発明は、請求項1ないし8記載の発明において、前記予備プラズマ発生手段は、発光管内にパルスレーザを照射するパルスレーザ発振部であることを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, the preliminary plasma generating means is a pulse laser oscillation unit that irradiates a pulse laser in the arc tube.

請求項1記載の発明によれば、発光管内に形成されたプラズマに、そのプラズマを形成する発光物質の固有の誘導吸収波長を含む発振波長のレーザ光が照射され、プラズマからの発光が増加されるので、レーザ光の出力を変えずに発光を増やすことができる。
さらに、レーザ光の発振波長と異なる波長のプラズマ発光も増加することができるので、発光効率を高めることができる。
According to the first aspect of the present invention, the plasma formed in the arc tube is irradiated with laser light having an oscillation wavelength including the intrinsic induced absorption wavelength of the luminescent material forming the plasma, and light emission from the plasma is increased. Therefore, light emission can be increased without changing the output of the laser beam.
Furthermore, plasma emission with a wavelength different from the oscillation wavelength of the laser light can be increased, so that the light emission efficiency can be increased.

また、請求項2記載の発明によれば、レーザ光は発振波長の発光強度の1/e以上の発光強度を有する範囲の波長とすることにより、より強い誘導吸収が生じて、より発光が増加する。 According to the second aspect of the present invention, when the laser light has a wavelength in a range having an emission intensity of 1 / e 2 or more of the emission intensity of the oscillation wavelength, stronger induced absorption occurs and more light emission occurs. To increase.

また、請求項3記載の発明によれば、レーザダイオードを備え、レーザダイオードの温度調節機構を備えることにより、発振波長と誘導吸収波長の不一致をある程度解消して、好適な波長のレーザビームを発光管に照射することができる。   According to a third aspect of the present invention, the laser diode is provided, and the temperature adjustment mechanism of the laser diode is provided, so that the mismatch between the oscillation wavelength and the induced absorption wavelength is eliminated to some extent, and a laser beam having a suitable wavelength is emitted. The tube can be irradiated.

また、請求項4記載の発明によれば、発光物質は希ガスであることにより、化学的に不活性で、発光管材料と反応して着色することがなく、封入する材料により様々な波長の光を発光させることができる。   According to the invention described in claim 4, since the luminescent substance is a rare gas, it is chemically inert, does not react with the arc tube material and does not color, and has various wavelengths depending on the encapsulated material. Light can be emitted.

また、請求項5記載の発明によれば、発光物質はキセノン、アルゴン、クリプトンのいずれかを含むことにより、プラズマ発光を増加する効果が良好となり、かつ、これらの発光物質に対応するレーザ発振波長の選択が容易である。   According to the invention described in claim 5, since the luminescent material contains any of xenon, argon, and krypton, the effect of increasing the plasma emission becomes good, and the lasing wavelength corresponding to these luminescent materials. Is easy to select.

また、請求項6記載の発明によれば、発光物質を第一の発光物質と、それとは異なる第二の発光物質とから構成することにより、複数の発光を利用することができ、また、いずれか一方の発光物質に固有の誘導吸収波長を含むレーザ光が照射されることにより、他方の発光物質の発光も増加させることができる。   According to the invention described in claim 6, a plurality of light emission can be used by configuring the light emitting material from the first light emitting material and the second light emitting material different from the first light emitting material. Irradiation with a laser beam including an induced absorption wavelength specific to one of the light emitting materials can increase light emission of the other light emitting material.

また、請求項7記載の発明によれば、第一の発光物質を希ガス、第二の発光物質を金属とすることにより、金属封入物により特徴ある放射が得られる既存のランプと同様の用途に用いることができる。   Further, according to the invention described in claim 7, by using a rare gas as the first luminescent material and a metal as the second luminescent material, the same use as that of an existing lamp capable of obtaining characteristic radiation by the metal enclosure Can be used.

また、請求項8記載の発明によれば、金属を水銀とすることにより、紫外線や可視光を利用することができる。   According to the eighth aspect of the present invention, ultraviolet or visible light can be used by using mercury as the metal.

また、請求項9または11記載の発明によれば、本発明の光源装置を用いて発光効率に優れたプロジェクタを実現することができる。   According to the invention of claim 9 or 11, a projector having excellent luminous efficiency can be realized using the light source device of the present invention.

また、請求項10記載の発明によれば、本発明の光源装置を用いて発光効率に優れた露光装置を実現することができる。   According to the invention described in claim 10, it is possible to realize an exposure apparatus having excellent luminous efficiency by using the light source device of the present invention.

また、請求項12記載の発明によれば、予備プラズマ発生手段を発光管内に配置された2以上の電極と、電極間に電圧を印加する電源とすることができるので、ランプ型の発光管を利用することができる。   According to the twelfth aspect of the present invention, since the preliminary plasma generating means can be a power source for applying a voltage between two or more electrodes arranged in the arc tube and between the electrodes, a lamp-type arc tube can be used. Can be used.

また、請求項13記載の発明によれば、予備プラズマ発生手段を発光管内にパルスレーザを照射するパルスレーザ発振部とすることができるので、レーザ発振装置のみで光源装置を構成することができる
また、発光管内に電極を設置する必要が無いので、プラズマの高温により電極材料が蒸発して発光管の管壁に付着することがない。
According to the thirteenth aspect of the present invention, since the preliminary plasma generating means can be a pulse laser oscillation unit that irradiates a pulse laser in the arc tube, the light source device can be configured only by the laser oscillation device. Since there is no need to install an electrode in the arc tube, the electrode material does not evaporate and adhere to the tube wall of the arc tube due to the high temperature of the plasma.

本発明に係る光源装置の全体構成図を示す。1 is an overall configuration diagram of a light source device according to the present invention. 本発明に係る予備プラズマ発生手段の他の例としてパルスレーザ発振部を用いた光源装置の全体構成図を示す。The whole block diagram of the light source device using the pulse laser oscillation part is shown as another example of the preliminary | backup plasma generation means based on this invention. 本発明に係る実験1についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 1 which concerns on this invention. 本発明に係る光源装置の発光管に照射するレーザの発振波長として好適な、発光物質に固有の誘導吸収波長についての表を示す。The table | surface about the induced absorption wavelength intrinsic | native to a luminescent substance suitable as an oscillation wavelength of the laser irradiated to the arc tube of the light source device which concerns on this invention is shown. レーザ光の吸収率についての実験2の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the experiment 2 about the absorption factor of a laser beam. 本発明に係るレーザ光の発振波長と誘導吸収波長との関係を表す模式図を示す。The schematic diagram showing the relationship between the oscillation wavelength of the laser beam based on this invention and an induced absorption wavelength is shown. 本発明に係る実験3についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 3 which concerns on this invention. 本発明に係る実験4についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 4 which concerns on this invention. 本発明に係る実験5についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 5 which concerns on this invention. 本発明に係る実験6についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 6 which concerns on this invention. 本発明に係る実験7についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 7 which concerns on this invention. 本発明に係る実験8についての結果を示す図である。It is a figure which shows the result about the experiment 8 which concerns on this invention. 本発明に係る光源装置を用いた露光装置の全体構成図であるIt is a whole block diagram of the exposure apparatus using the light source device which concerns on this invention. 従来例に係る光源装置の全体構成図である。It is a whole block diagram of the light source device which concerns on a prior art example.

以下に図面を参照しながら説明する。
図1には、本発明に係る光源装置の全体構成図を示す。
光源装置1は、レーザ光が入射される発光管2、発光管2内にプラズマを発生させる予備プラズマ発生手段10、連続波レーザ光を発振する連続波レーザ発振部3、レーザ発振部に給電する給電装置5、給電装置5を制御する制御部4を備えている。
This will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a light source device according to the present invention.
The light source device 1 supplies power to the arc tube 2 into which laser light is incident, the preliminary plasma generating means 10 that generates plasma in the arc tube 2, the continuous wave laser oscillation unit 3 that oscillates continuous wave laser light, and the laser oscillation unit. A power supply device 5 and a control unit 4 that controls the power supply device 5 are provided.

発光管2は、内部に発光物質が封入された透光性材料からなる密閉容器である。
発光管2に対して、連続波レーザ発振部3からのレーザ光を入射して、内部に封入された発光物質からの(出射光)励起光を、発光管2外に出射させるものである。そのため入射光が波長980nm、出射光が波長365nmのように互いが異なる波長である場合でも、両方を良好に透過する部材、例えば、石英ガラスで構成される。
The arc tube 2 is a sealed container made of a translucent material in which a luminescent substance is enclosed.
Laser light from the continuous wave laser oscillation unit 3 is incident on the arc tube 2 and (exit light) excitation light from the luminescent material enclosed inside is emitted to the outside of the arc tube 2. Therefore, even when incident light has a wavelength of 980 nm and output light has a wavelength different from each other, such as a wavelength of 365 nm, it is made of a member that can transmit both well, for example, quartz glass.

発光管2の内部には、その用途により利用したい波長の光に応じて、様々な発光物質が適宜選択され封入される。これについては後述する。 Various light-emitting substances are appropriately selected and sealed in the arc tube 2 in accordance with light having a wavelength desired to be used depending on the application. This will be described later.

光学部材7は、レーザ光の集光のために、連続波レーザ発振部3と発光管2との間のレーザ光の光路上に配置される。
この光学部材7は、例えば集光レンズや回折光学格子などの集光機能を有するもので、発光管の内部で焦点を結ぶように構成される。図1にはビームを透過するものを図示したが、集光機能があればよく集光ミラーや回折格子等であっても構わない。
The optical member 7 is disposed on the optical path of the laser light between the continuous wave laser oscillation unit 3 and the arc tube 2 for condensing the laser light.
The optical member 7 has a condensing function such as a condensing lens or a diffractive optical grating, and is configured to focus on the inside of the arc tube. Although FIG. 1 illustrates a beam that transmits light, a light collecting mirror or a diffraction grating may be used as long as it has a light collecting function.

予備プラズマ発生手段10は、発光管内に配置された放電用内電極に電圧を印加しアーク放電を形成するものと、パルスレーザ発振部によるパルスレーザを照射するものとがあり、本発明においては、いずれも予備プラズマ発生手段10として用いることができる。
図1に示された予備プラズマ発生手段10は、発光管2内に配置された放電電極11間に電圧を印加し、アーク放電させることにより、発光管内にプラズマを連続的に発生させることができる。
Preliminary plasma generating means 10 includes those that apply a voltage to the discharge inner electrode disposed in the arc tube to form arc discharge, and those that irradiate the pulse laser by the pulse laser oscillation unit. In the present invention, Either can be used as the preliminary plasma generating means 10.
The preliminary plasma generation means 10 shown in FIG. 1 can continuously generate plasma in the arc tube by applying a voltage between the discharge electrodes 11 arranged in the arc tube 2 and causing arc discharge. .

図2には、本発明の他の例として、予備プラズマ発生手段10をパルスレーザ発振部12、光学部材13、制御部14を用いて構成した光源装置1の全体構成を示す。
なお、この図においては、予備プラズマ発生手段10としてパルスレーザ発振部12等を用いたこと以外は図1と同様であるので、その他の構成の説明を省略する。
この図に示すように、発光管2外から発光管2内部へパルスレーザを集光して照射することで、発光管内に断続的にするプラズマを発生させることができる。そして、連続波レーザを予め発光管内に照射させておくか、パルスレーザの照射のタイミングに合わせて連続波レーザを照射することにより、プラズマが連続的に形成される。
FIG. 2 shows an overall configuration of a light source device 1 in which the preliminary plasma generation means 10 is configured by using a pulse laser oscillation unit 12, an optical member 13, and a control unit 14 as another example of the present invention.
Note that this figure is the same as FIG. 1 except that the pulse laser oscillation unit 12 and the like are used as the preliminary plasma generating means 10, and the description of the other components is omitted.
As shown in this figure, plasma that is intermittently generated in the arc tube can be generated by condensing and irradiating the pulse laser from outside the arc tube 2 to the inside of the arc tube 2. Then, plasma is continuously formed by irradiating the arc tube with a continuous wave laser in advance or by irradiating the continuous wave laser in accordance with the timing of irradiation with the pulse laser.

再び図1に戻り、連続波レーザ発振部について説明する。
連続波レーザ発振部3は、レーザ源として例えば、レーザダイオード(LD)を用いた装置であり、レーザ光を連続的に発振する。
連続波レーザ発振部3は、この連続波レーザ発振部3に給電する給電装置5と、レーザダイオードの温度を調節する温度調節機構6と、これらの制御をする制御部4を備えている。
制御部4は、レーザダイオードの温度及び電流値を変化させてこれらを制御することができる。
レーザダイオードの温度調節機構6は、水冷冷却板上に配置された、例えばペルチェ素子など加熱冷却素子によるものである。制御部4は、給電装置5から温度調節機構6に流す電流等を調節することにより、レーザダイオードの温度を調節する。
レーザダイオードは、温度によって発振波長がシフトするという温度特性を有するため、レーザダイオードの温度を調節することにより、発振波長を調節することができる。
一般的にレーザダイオードには0.30〜0.25nm/℃の波長−温度特性がある。そのため、発振波長を1nmシフトさせるには、レーザダイオードの温度を4℃程度変化させればよい。
これにより、既存の入手しやすいレーザダイオードを用いて、ある程度の範囲で所望の発振波長を有するレーザ光源を得ることができる。
なお、温度調節によらずとも、ボリュームブラッググレーティング(VBG)、ボリュームホログラフィックグレーティング(VHG)等の波長安定化素子などにより、元のレーザ光の波長を変換して所望の波長とし利用することもできる。
Returning to FIG. 1 again, the continuous wave laser oscillation unit will be described.
The continuous wave laser oscillation unit 3 is a device using, for example, a laser diode (LD) as a laser source, and continuously oscillates laser light.
The continuous wave laser oscillating unit 3 includes a power supply device 5 that supplies power to the continuous wave laser oscillating unit 3, a temperature adjusting mechanism 6 that adjusts the temperature of the laser diode, and a control unit 4 that controls these.
The controller 4 can control these by changing the temperature and current value of the laser diode.
The temperature adjustment mechanism 6 of the laser diode is based on a heating / cooling element such as a Peltier element disposed on a water-cooled cooling plate. The controller 4 adjusts the temperature of the laser diode by adjusting the current flowing from the power supply device 5 to the temperature adjusting mechanism 6.
Since the laser diode has a temperature characteristic that the oscillation wavelength shifts depending on the temperature, the oscillation wavelength can be adjusted by adjusting the temperature of the laser diode.
Generally, a laser diode has a wavelength-temperature characteristic of 0.30 to 0.25 nm / ° C. Therefore, in order to shift the oscillation wavelength by 1 nm, the temperature of the laser diode may be changed by about 4 ° C.
Thereby, a laser light source having a desired oscillation wavelength can be obtained within a certain range by using an existing laser diode that can be easily obtained.
Even if the temperature is not adjusted, the wavelength of the original laser beam can be converted into a desired wavelength by using a wavelength stabilizing element such as a volume Bragg grating (VBG) or a volume holographic grating (VHG). it can.

上記の図1の光源装置を用いて以下の実験を行った。
<実験1>
実験は、発光物質を封入した発光管内に予備プラズマを発生させ、そのプラズマに対してレーザ発振部よりレーザ光を照射して、発光強度分布を測定するというものである。
発光管内には、XeとArとを1:9の比率で封入した。連続波レーザは、発振波長810nm、出力50Wのものを用いた。
次に、発光管内の電極間に電圧を印加し、アーク放電によるプラズマを形成した。印加する電圧は50Wとした(以下、電極間に印加する電圧は全て50Wである)。
そして、温度調節機構によりレーザダイオードの温度を調節し、レーザの発振波長を806.1nmとした。波長を調節したレーザ光をプラズマに入射して、発光空間内のガスの発光強度分布を測定した。
The following experiment was conducted using the light source device shown in FIG.
<Experiment 1>
In the experiment, a preliminary plasma is generated in an arc tube in which a luminescent material is sealed, and the emission intensity distribution is measured by irradiating the plasma with laser light from a laser oscillation unit.
Xe and Ar were sealed in the arc tube at a ratio of 1: 9. A continuous wave laser having an oscillation wavelength of 810 nm and an output of 50 W was used.
Next, a voltage was applied between the electrodes in the arc tube to form plasma by arc discharge. The applied voltage was 50 W (hereinafter, all voltages applied between the electrodes were 50 W).
Then, the temperature of the laser diode was adjusted by a temperature adjustment mechanism, and the laser oscillation wavelength was set to 806.1 nm. Laser light with adjusted wavelength was incident on the plasma, and the emission intensity distribution of the gas in the emission space was measured.

図3(a)は、発振波長806.1nmのときの発光管内のガスの発光強度分布を示す図である。発光強度は数値の大きさを濃淡によって示しており、濃くなるほど発光強度が高い。
この図において、紙面の左端側、右端側にそれぞれ先端が中心を向いた一対の電極が対向配置されている。これらの電極間にアーク放電が形成されており、そのプラズマによる発光が中央部に観測される。
発振波長806.1nmのレーザ光は、左端側の電極のやや右下位置を、手前から奥に向かって入射されているが、これによる発光は生じていないことがわかる。
したがって、観測されるのはアーク放電のみにより形成されたプラズマの発光であり、レーザを照射したことによる発光は観測されなかった。
FIG. 3A is a diagram showing the emission intensity distribution of the gas in the arc tube at an oscillation wavelength of 806.1 nm. The light emission intensity indicates the magnitude of the numerical value by shading. The darker the intensity, the higher the light emission intensity.
In this figure, a pair of electrodes, each having a tip directed toward the center, are arranged opposite to each other on the left end side and the right end side of the sheet. An arc discharge is formed between these electrodes, and light emission by the plasma is observed in the central portion.
The laser light having an oscillation wavelength of 806.1 nm is incident from the near side to the back at the slightly lower right position of the left end electrode, but it can be seen that no light is emitted.
Therefore, what is observed is light emission of plasma formed only by arc discharge, and light emission due to laser irradiation was not observed.

次に、レーザ光の出力(50W)一定のまま温度調節のみを行い、発振波長を810.8nmまで変化させ、発光空間内のガスの発光強度分布を測定した。
図3(b)は、波長810.0nm(一致)のときの発光管内のガスの発光強度分布を示す図である。
上記と同様に、左端の電極からやや右下位置にレーザを照射した。すると、電極間に形成されたアーク放電によるプラズマとは別の発光が観測された。この2つの例は、同じレーザ出力、レーザ照射位置であるが、発振波長を変化させたことで、図3(a)では発光しなかったのに対し、図3(b)では発光が生じた、という異なる結果が得られた。
また、この図3(b)においては図示されていないが、レーザ光は発光管を透過している。発光管を透過したレーザ光の受光器において、受光するレーザ光の出力は減少した。
Next, only temperature adjustment was performed while keeping the laser beam output (50 W) constant, the oscillation wavelength was changed to 810.8 nm, and the emission intensity distribution of the gas in the emission space was measured.
FIG. 3B is a diagram showing the emission intensity distribution of the gas in the arc tube at a wavelength of 810.0 nm (match).
In the same manner as described above, the laser was irradiated slightly from the left end electrode to the lower right position. Then, light emission different from the plasma by the arc discharge formed between the electrodes was observed. These two examples are the same laser output and laser irradiation position, but due to the change of the oscillation wavelength, light emission did not occur in FIG. 3 (a), whereas light emission occurred in FIG. 3 (b). Different results were obtained.
Although not shown in FIG. 3B, the laser light is transmitted through the arc tube. In the laser beam receiver that has passed through the arc tube, the output of the received laser beam has decreased.

これらの現象について、詳細は明らかではないが、以下の理由によるものであると考えられる。
まず、発光管を貫通したレーザ光の出力が減少していることから、レーザ光のエネルギーがプラズマ発光の増加に寄与していると考えられる。
そして、図3(a)と(b)とは、レーザ光の発振波長にのみ相違があり、(a)では発光が観測されず、(b)でのみ発光が観測されたことから、プラズマ発光の増加は、レーザ光の発振波長の変化により生じていると考えられる。
ここで図4に、これらの現象について説明する鍵として発光物質ごとに固有の誘導吸収波長を表により示す。この表において、Arの誘導吸収波長を参照すると、810.3693nmに誘導吸収波長が存在することがわかる。
図3(a)に示した実験結果では、レーザ光の発振波長は、806.1nmであり、810.3693nmとは一致しない。これに対し、図3(b)では、レーザ光の発振波長は810.0nmでありほぼ一致する。
このことから、図3(b)ではレーザ光の誘導吸収が生じたものと推測される。ここで誘導吸収とは、単に吸収、若しくは吸光ともいい、物質が光を吸収する現象のことをいう。
つまり、発光管2内に封入される発光物質の原子には、図4に示すように固有の誘導吸収波長が多数存在するので、それらの波長のいずれかとレーザ光の波長が合致することにより、誘導吸収が生じたものと考えられる。そして、誘導吸収が生じたことにより、プラズマ温度が上昇し、プラズマからの放射が増加したものと考えられる。
以上の実験結果から、従来のようにレーザの出力を増加させずとも、誘導吸収が生じるようにレーザの発振波長のみを調整することにより、プラズマから得られる放射光を増加させることができた。そして、小さい出力のレーザによっても発光が増加するので、発光効率を高められることがわかった。
Details of these phenomena are not clear, but are thought to be due to the following reasons.
First, since the output of the laser beam penetrating the arc tube is decreasing, it is considered that the energy of the laser beam contributes to an increase in plasma emission.
3 (a) and 3 (b) differ only in the oscillation wavelength of the laser beam, and no light emission is observed in (a), and light emission is observed only in (b). This increase is considered to be caused by a change in the oscillation wavelength of the laser beam.
Here, FIG. 4 shows a table of induced absorption wavelengths specific to each luminescent material as a key for explaining these phenomena. In this table, referring to the induced absorption wavelength of Ar, it can be seen that there is an induced absorption wavelength at 810.3693 nm.
In the experimental result shown in FIG. 3A, the oscillation wavelength of the laser beam is 806.1 nm, which does not coincide with 810.3693 nm. On the other hand, in FIG. 3B, the oscillation wavelength of the laser light is 810.0 nm, which is almost the same.
From this, it is presumed that in FIG. 3B, induced absorption of the laser light has occurred. Here, induced absorption is also simply referred to as absorption or absorption, and refers to a phenomenon in which a substance absorbs light.
That is, since there are a number of intrinsic induced absorption wavelengths in the atoms of the luminescent material sealed in the arc tube 2, as shown in FIG. 4, when any of these wavelengths matches the wavelength of the laser beam, It is thought that induced absorption occurred. And it is thought that the plasma temperature rose and the radiation from the plasma increased due to the induction absorption.
From the above experimental results, it was possible to increase the emitted light obtained from the plasma by adjusting only the oscillation wavelength of the laser so that induction absorption occurs without increasing the output of the laser as in the prior art. Further, it was found that the light emission efficiency can be improved because the light emission increases even with a low-power laser.

なお、図4に係る表は、NISTのデータベース(NIST Bibliographic Datebases)に基づいて、上記発光物質の固有の誘導吸収波長のうち、比較的相対強度が大きい波長を選別したものである。
Xeについては、Xe(1)としてNISTのデータベースに基づくもののほか、Xe(2)としてTable of spectral lines(Zaidel’,A.N.IFI−Plenum,1970)による文献値も示した。誘導吸収波長は、測定方法、条件により測定値が異なる場合があり、報告されている値も文献により異なるためである。
The table according to FIG. 4 is a table in which wavelengths having relatively large relative intensities are selected from the intrinsic induced absorption wavelengths of the luminescent materials based on the NIST database (NIST Bibliographic Datebases).
Regarding Xe, in addition to Xe (1) based on the NIST database, Xe (2) also shows literature values by Table of spectral lines (Zadel ', AN IFI-Plenum, 1970). This is because the induced absorption wavelength may vary in measured value depending on the measurement method and conditions, and the reported value varies depending on the literature.

<実験2>
次に、レーザ光を照射して誘導吸収が生じていることを検証する実験を行った。
上記の誘導吸収波長を発振するレーザ光を基本に波長を変化させながら照射して、発光物質に生じる誘導吸収の吸収率を測定した。
発光物質にはXeを用い、レーザの発振波長は、中心をいずれもXeの誘導吸収波長である980nm、880nmとし、温度変化により変化させた。
吸収率は、図1に示した装置を用い、発光管を挟んでレーザ発振部の反対側、すなわち発光管を貫通したレーザ光を受ける位置にレーザパワー受光器を設置し、レーザパワーモニターにより測定した結果を用いて算出した。
図5は、算出した吸収率について示す図である。横軸は、レーザ光の波長(nm)、縦軸は吸収率(%)である。吸収率は、発振したレーザ光の出力と、受光したレーザ光のエネルギーとの差から損失を算出して、その損失を誘導吸収に寄与したものとして吸収量とし、吸収量/出力として求めた。
<Experiment 2>
Next, an experiment was conducted to verify that induced absorption occurred by irradiating laser light.
Irradiation was performed while changing the wavelength based on the laser light that oscillates the above-described stimulated absorption wavelength, and the absorption rate of the induced absorption generated in the luminescent material was measured.
Xe was used as the luminescent material, and the oscillation wavelength of the laser was centered at 980 nm and 880 nm, both of which are induced absorption wavelengths of Xe, and was changed by temperature change.
The absorptance is measured with a laser power monitor using the apparatus shown in FIG. 1, with a laser power receiver installed on the opposite side of the laser oscillation part across the arc tube, that is, at a position for receiving the laser beam penetrating the arc tube. It calculated using the result.
FIG. 5 is a diagram showing the calculated absorption rate. The horizontal axis represents the wavelength (nm) of the laser beam, and the vertical axis represents the absorption rate (%). The absorptance was calculated as the amount of absorption / output by calculating the loss from the difference between the output of the oscillated laser beam and the energy of the received laser beam, and assuming that the loss contributed to the induced absorption.

この図において、(1)は、波長980nmのレーザ光を照射したときのXeの吸収率である。誘導吸収波長である980nmが最も吸収率が高く、この波長を頂点として山型に広がる分布が確認された。
すなわち、レーザ発振波長は、誘導吸収波長に合致させた場合が最も吸収率が高く、そこから変位することにより吸収率は減少した。これは、レーザ光が実際には単一波長ではなく、一定の波長幅を有することによると考えられる。
(2)は、波長880nmのレーザ光を照射したときにXeの吸収率である。(1)と同様に誘導吸収波長である881nmが最も吸収率が高く、そこから変位することにより吸収率は減少した。すなわち、この傾向は誘導吸収波長が異なる場合でも同様であることがわかる、
これらのことから、レーザ光を効率よく吸収させるには、発振波長を誘導吸収波長により合致させることが好ましいことがわかる。また、誘導吸収波長を多少外れても、誘導吸収という現象自体は生じているのであるから、ある一定の波長範囲であればレーザ光の発振波長として許容できる範囲があることがわかる。
In this figure, (1) is the Xe absorption rate when laser light with a wavelength of 980 nm is irradiated. The absorption at the induced absorption wavelength of 980 nm was the highest, and a distribution spreading in a mountain shape with this wavelength at the top was confirmed.
That is, the laser oscillation wavelength had the highest absorption rate when matched with the induced absorption wavelength, and the absorption rate decreased by shifting from there. This is considered to be due to the fact that the laser light actually has a fixed wavelength width instead of a single wavelength.
(2) is the absorption rate of Xe when irradiated with laser light having a wavelength of 880 nm. As in (1), the absorption wavelength is 881 nm, which is the induced absorption wavelength, and the absorption rate is the highest. That is, this tendency is the same even when the induced absorption wavelength is different.
From these facts, it is understood that it is preferable to match the oscillation wavelength with the induced absorption wavelength in order to efficiently absorb the laser beam. Further, since the phenomenon of induced absorption itself occurs even if the induced absorption wavelength is slightly deviated, it can be seen that there is an allowable range for the oscillation wavelength of the laser light within a certain wavelength range.

以上のことから検討された、誘導吸収波長の好適な範囲について以下に説明する。
図6に、レーザ光の発振波長と、誘導吸収波長との関係を表す模式図を示す。
この図は、横軸を波長(nm)、縦軸を発光強度(任意強度)としてそのレーザ光の波長分布を表し、その分布したレーザ光と、ある物質に固有の誘導吸収波長との関係について示している。
上記の<実験1>、<実験2>の結果から、ある波長範囲を有するレーザ光が、誘導吸収波長を含んでいれば、誘導吸収が生じることになる。すなわち、レーザ光の分布の範囲内に、発光物質に固有の誘導吸収波長が含まれればよい。
分布したレーザ光の一部が誘導吸収波長を含むことにより、誘導吸収が生じ、レーザ光のエネルギーがプラズマ温度を上昇させ、プラズマからの発光が増えるという効果が生じるからである。
The preferred range of the induced absorption wavelength that has been studied from the above will be described below.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the relationship between the oscillation wavelength of the laser beam and the induced absorption wavelength.
This figure shows the wavelength distribution of the laser beam with the wavelength (nm) on the horizontal axis and the emission intensity (arbitrary intensity) on the vertical axis, and the relationship between the distributed laser beam and the induced absorption wavelength specific to a certain substance Show.
From the results of the above <Experiment 1> and <Experiment 2>, if the laser light having a certain wavelength range includes an induced absorption wavelength, stimulated absorption occurs. That is, the induced absorption wavelength unique to the luminescent material may be included in the range of the laser light distribution.
This is because part of the distributed laser light includes the induced absorption wavelength, so that induced absorption occurs, and the energy of the laser light raises the plasma temperature and the light emission from the plasma increases.

それについて、図に示すレーザ光の波長範囲1および2と、誘導吸収波長1、2、および3を用いて説明する。
図に示す波長範囲1と誘導吸収波長1、2のように互いに交わっていれば、レーザ光に吸収が生じる成分があり、誘導吸収波長が含まれるといえる。すなわち、誘導吸収波長1、2に対して、波長範囲1を有するレーザ光は、本願発明のレーザ光として好適に用いることができる。
逆に、波長範囲1と誘導吸収波長3のような関係にあるときは、誘導吸収は生じないので、波長範囲1を有するレーザ光は、本願発明のレーザ光として適当ではない。
This will be described with reference to wavelength ranges 1 and 2 of the laser beam and induced absorption wavelengths 1, 2, and 3 shown in the figure.
If the wavelength range 1 and the induced absorption wavelengths 1 and 2 shown in the figure cross each other, it can be said that there are components that cause absorption in the laser light, and the induced absorption wavelength is included. That is, the laser beam having the wavelength range 1 with respect to the induced absorption wavelengths 1 and 2 can be suitably used as the laser beam of the present invention.
Conversely, when there is a relationship such as the wavelength range 1 and the stimulated absorption wavelength 3, no induced absorption occurs, so that the laser beam having the wavelength range 1 is not suitable as the laser beam of the present invention.

さらに、この図においてより好ましい波長範囲として、ピーク波長を中心に、そのピーク発光強度の1/e以上である発光強度を有する波長範囲2を示している。
この1/eという数値は、例えばレーザ光の断面強度分布で、この強度以上の出力がある範囲がビーム径とされているように、十分なレーザ出力の基準として技術的意義のある数値である。
ここで、この波長範囲2には、誘導吸収波長1が含まれているから、本願発明としては波長範囲1よりも好ましい関係にあるといえる。波長範囲2に誘導吸収波長が含まれていれば、波長範囲1よりも強い誘導吸収が生じ、より発光が増強されるからである。
Furthermore, in this figure, as a more preferable wavelength range, a wavelength range 2 having a light emission intensity that is 1 / e 2 or more of the peak light emission intensity around the peak wavelength is shown.
This numerical value of 1 / e 2 is a numerical value having a technical significance as a reference for a sufficient laser output so that, for example, the cross-sectional intensity distribution of the laser light has a beam diameter within a range where the output exceeds this intensity. is there.
Here, since the wavelength range 2 includes the induced absorption wavelength 1, it can be said that the present invention has a more preferable relationship than the wavelength range 1. This is because if the wavelength range 2 includes an induced absorption wavelength, stimulated absorption stronger than that in the wavelength range 1 occurs, and light emission is further enhanced.

上記の波長範囲1、2のようなレーザ光と誘導吸収波長との関係は、例えば、実際にレーザ光の分布を測定し、具体的な発光物質ごとの固有の誘導吸収波長と照らし合わせることにより確認できるし、そのレーザの仕様として明らかにされている発振波長および波長幅と、具体的な誘導吸収波長とを照らし合わせることにより確認できる。
発光物質に固有の誘導吸収波長については、例えば図4に示した波長が用いられる。原則、誘導吸収波長であればよいが、相対強度が小さい波長は生じる吸収も弱く、あまり実用的では無い。この表では相対的に強度の強い誘導吸収波長が選別されて掲載されており、これらは強い誘導吸収が生じる波長であるので好適である。
なお、発光物質については例示であり、本願発明の適用はこれらの発光物質に限定されるものではない。
The relationship between the laser light and the stimulated absorption wavelength as in the above wavelength ranges 1 and 2 is, for example, by actually measuring the distribution of the laser light and comparing it with the specific induced absorption wavelength for each specific luminescent material. It can be confirmed by comparing the oscillation wavelength and wavelength width, which are clarified as the specifications of the laser, with a specific induced absorption wavelength.
For example, the wavelength shown in FIG. 4 is used as the induced absorption wavelength unique to the luminescent material. In principle, an induced absorption wavelength may be used, but a wavelength with a small relative intensity causes a weak absorption and is not very practical. In this table, induced absorption wavelengths having relatively strong intensities are selected and listed, and these are suitable because they are wavelengths at which strong induced absorption occurs.
Note that the luminescent materials are examples, and application of the present invention is not limited to these luminescent materials.

以上に示した本発明について用いられる、発光物質の代表例について説明する。発光物質は、特に限定されるものではないが、例えば、キセノン(Xe)、アルゴン(Ar)クリプトン(Kr)、ネオン(Ne)などの希ガスが封入される。
希ガスを用いることで、化学的に不活性で、発光管材料と反応して着色することがなく、封入する材料により様々な波長の光を発光させる光源装置とすることができる。
特に、キセノンは、主に可視光を利用する目的で封入され、プロジェクタ等の光源に利用される。
A typical example of the luminescent material used for the present invention described above will be described. The light-emitting substance is not particularly limited, but a rare gas such as xenon (Xe), argon (Ar) krypton (Kr), or neon (Ne) is enclosed.
By using the rare gas, it is possible to provide a light source device that is chemically inert and does not react with the arc tube material to be colored, and emits light of various wavelengths by the encapsulated material.
In particular, xenon is enclosed mainly for the purpose of using visible light, and is used for a light source such as a projector.

発光物質として希ガスを封入した場合について、本発明の効果がどの波長域で生じているか確認するために、まずXeについて発光分光スペクトルを測定した。
<実験3>
実験には図1に記載の装置を用い、発光管2内には、Xeのみを10気圧封入した。放電によるプラズマを形成した後、発振波長881.0nm、出力44Wのレーザを照射した。
図7は、発光管内のプラズマより得られる放射光の発光分光スペクトル測定結果であり、(a)は波長800〜1000nm、(b)は、波長350〜750nmの領域の測定結果である。
グラフには、(1)レーザ光のみの測定結果、(2)アーク放電に加えて波長876.0nmのレーザ(波長不一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果、(3)アーク放電に加えて波長881.0nmのレーザ(波長一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果を示した。
In order to confirm in which wavelength range the effect of the present invention occurred when a rare gas was sealed as a luminescent substance, an emission spectrum was first measured for Xe.
<Experiment 3>
In the experiment, the apparatus shown in FIG. 1 was used, and Xe alone was sealed in the arc tube 2 at 10 atm. After forming plasma by discharge, a laser having an oscillation wavelength of 881.0 nm and an output of 44 W was irradiated.
FIG. 7 shows the emission spectrum measurement results of the radiated light obtained from the plasma in the arc tube. (A) shows the measurement results in the wavelength region of 800 to 1000 nm, and (b) shows the measurement results in the wavelength region of 350 to 750 nm.
The graph shows (1) the measurement result of only the laser beam, (2) the measurement result of the plasma synchrotron radiation when irradiating the laser with the wavelength of 876.0 nm (wavelength mismatch) in addition to the arc discharge, and (3) the addition of the arc discharge. The results of measuring the plasma synchrotron radiation when irradiating a laser with a wavelength of 881.0 nm (wavelength coincidence) are shown.

図7(a)において、波長881.0nmに、それぞれ(1)(2)(3)の発光ピークが観測される。上記したようにこの点は誘導吸収波長であり、(3)のレーザの発振波長はこの波長に合わせて調整されている。
(2)と(3)の発光ピーク強度を各々比較すると、レーザの発振波長である881.0nm以外の波長の発光ピークでも、(3)の波長が一致するレーザを照射した場合の方が、(2)の波長が一致しないレーザを照射する場合よりも発光強度が大きいことがわかる。
In FIG. 7A, emission peaks (1), (2), and (3) are observed at a wavelength of 881.0 nm, respectively. As described above, this point is an induced absorption wavelength, and the oscillation wavelength of the laser in (3) is adjusted according to this wavelength.
Comparing the emission peak intensities of (2) and (3) respectively, even when the emission peak of a wavelength other than 881.0 nm which is the oscillation wavelength of the laser is irradiated with a laser having the same wavelength of (3), It can be seen that the emission intensity is higher than that in the case of irradiating a laser whose wavelength does not match in (2).

さらに図7(b)においては、350nm〜750nmの可視光域において連続スペクトルが観測されており、この範囲内での全ての波長について、(2)の発光強度と比較して(3)の発光強度が大きくなっている。
以上のことから、誘導吸収波長のレーザ光を照射して、発光物質にレーザ光を吸収させると、レーザ発振波長のみならず、その他の波長についても放射光が増加することが確認された。
Further, in FIG. 7B, a continuous spectrum is observed in the visible light range of 350 nm to 750 nm, and the emission of (3) is compared with the emission intensity of (2) for all wavelengths within this range. Strength is increasing.
From the above, it was confirmed that when the light emitting material was irradiated with laser light having an induced absorption wavelength and the laser light was absorbed, the emitted light increased not only at the laser oscillation wavelength but also at other wavelengths.

<実験4>
次に、Xeとは異なる発光物質でも同様の現象が生じるか確認するために、Krについて発光分光スペクトルを測定した。
発光管内には、Krのみを10気圧封入し、放電によるプラズマを形成した後、発振波長810.0nm、出力50Wのレーザを照射した。Krは、810nm付近にいくつか強い誘導吸収があるためである(図4表参照)。
<Experiment 4>
Next, an emission spectrum was measured for Kr in order to confirm whether the same phenomenon occurs even with a light emitting material different from Xe.
In the arc tube, only Kr was sealed at 10 atm. After plasma was formed by discharge, a laser having an oscillation wavelength of 810.0 nm and an output of 50 W was irradiated. This is because Kr has some strong induced absorption around 810 nm (see FIG. 4).

図8は、発光管内のプラズマより得られる放射光の発光分光スペクトル測定結果である。なお、レーザのみの測定結果は図示していない。
グラフには、(4)アーク放電に加えて波長806.1nmのレーザ(波長不一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果、(5)アーク放電に加えて波長810.0nmのレーザ(波長一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果を示した。
図8において、最も発光強度が大きい波長810nmの発光ピーク強度を比較すると、(4)の波長不一致の場合の発光強度に比べて、(5)の波長一致の場合の発光強度が著しく大きいことがわかる。
その他の発光ピークについても上記と同様に(4)より(5)の強度が大きいことがいえる。
以上のことから、Krについても誘導吸収波長のレーザを照射して、発光物質にレーザ光を吸収させると、レーザ発振波長のみならず、その他の波長についても放射光が増加することが確認された。
FIG. 8 shows an emission spectrum measurement result of the radiated light obtained from the plasma in the arc tube. Note that the measurement result of only the laser is not shown.
The graph shows (4) plasma synchrotron radiation measurement results when irradiating a laser with a wavelength of 806.1 nm (wavelength mismatch) in addition to arc discharge, and (5) a laser with a wavelength of 810.0 nm (wavelength match) in addition to the arc discharge. ) Shows the measurement result of the plasma synchrotron radiation.
In FIG. 8, when the emission peak intensity at the wavelength of 810 nm where the emission intensity is the highest is compared, the emission intensity in the case of the wavelength coincidence in (5) is remarkably larger than the emission intensity in the case of the wavelength mismatch of (4). Recognize.
It can be said that the intensity of (5) is larger than that of (4) in the same manner as described above for other emission peaks.
From the above, it was confirmed that when Kr is irradiated with a laser having an induced absorption wavelength and the light emitting material absorbs the laser light, the emitted light increases not only at the laser oscillation wavelength but also at other wavelengths. .

<実験5>
2種以上の発光物質を封入した場合について調べるためにXeとArを混合して封入した発光管についても測定を行った。
まず、発光管内にXeを9気圧、Arを1気圧、すなわち9:1の割合で封入した場合について、上記実験と同様に発光分光スペクトル測定を行った。
レーザ光には、Xeの誘導吸収のある発振波長881.0nm、出力44Wを用いた。
<Experiment 5>
In order to investigate the case where two or more kinds of luminescent substances are encapsulated, measurement was also performed on an arc tube in which Xe and Ar were mixed and encapsulated.
First, in the case where Xe was sealed in the arc tube at 9 atm and Ar at 1 atm, that is, 9: 1, the emission spectrum was measured in the same manner as the above experiment.
As the laser light, an oscillation wavelength of 881.0 nm with an induced absorption of Xe and an output of 44 W were used.

図9は、発光管内のプラズマより得られる放射光の発光分光スペクトル測定結果である。
グラフには、(6)アーク放電に加えて波長876.0nmのレーザ(波長不一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果、(7)アーク放電に加えて波長881.0nmのレーザ(波長一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果を示した。
FIG. 9 shows an emission spectrum measurement result of the radiated light obtained from the plasma in the arc tube.
The graph shows (6) plasma synchrotron radiation measurement results when irradiating a laser with a wavelength of 876.0 nm (wavelength mismatch) in addition to arc discharge, and (7) a laser with a wavelength of 881.0 nm in addition to arc discharge (wavelength match) ) Shows the measurement result of the plasma synchrotron radiation.

図9において、最も発光強度が大きい波長881.0nmの発光ピークを比較すると、(6)の波長不一致の場合の発光強度に比べて、(7)の波長一致の場合の発光強度が大きいことがわかる。
封入ガスの割合は、Xeがほぼ占めるものなので、上記<実験2>のXeのみの結果との違いはほとんど見られない。
In FIG. 9, when the emission peak at the wavelength of 881.0 nm where the emission intensity is the highest is compared, the emission intensity in the case of wavelength matching in (7) is higher than the emission intensity in the case of wavelength mismatching in (6). Recognize.
Since the ratio of the filled gas is almost occupied by Xe, there is almost no difference from the result of Xe alone in <Experiment 2>.

<実験5>
次に、発光管内にXeを1気圧、Arを9気圧、すなわち1:9の割合で封入した場合について、上記実験と同様に発光分光スペクトル測定を行った。
レーザは、Xeの弱い誘導吸収とArの強い誘導吸収のある発振波長810.0nm、出力50Wを用いた。上記<実験4>と、レーザの波長を変えたのは、Arの誘導吸収の強い波長を選択し、発光の増加を顕著にすることにより、Arの発光を確認しやすくするためである。
<Experiment 5>
Next, in the case where Xe was sealed at 1 atmosphere and Ar was sealed at 9 atmospheres, that is, 1: 9, the emission spectrum was measured in the same manner as in the above experiment.
As the laser, an oscillation wavelength of 810.0 nm and an output of 50 W having weak induced absorption of Xe and strong induced absorption of Ar were used. The reason for changing the laser wavelength in the above <Experiment 4> is to make it easier to confirm the emission of Ar by selecting a wavelength with strong Ar absorption and making the increase in emission remarkable.

図10に、発光管内のプラズマより得られる放射光の発光分光スペクトル測定結果を示す。なお、レーザのみの測定結果は図示していない。
グラフには、(8)アーク放電に加えて波長806.0nmのレーザ(波長不一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果、(9)アーク放電に加えて波長810.0nmのレーザ(波長一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果を示した。
FIG. 10 shows the emission spectrum measurement result of the radiated light obtained from the plasma in the arc tube. Note that the measurement result of only the laser is not shown.
The graph shows (8) plasma synchrotron radiation measurement results when irradiating a laser with a wavelength of 806.0 nm (wavelength mismatch) in addition to arc discharge, and (9) a laser with a wavelength of 810.0 nm (wavelength matching) in addition to the arc discharge. ) Shows the measurement result of the plasma synchrotron radiation.

図10において、最も発光強度が大きい波長810nmの発光ピークを比較すると、(8)の波長不一致の場合の発光強度に比べて、(9)の波長一致の場合の発光強度が著しく大きいことがわかる。
また、図10と図9を比較すると、図9では観測されなかった発光ピークが、750nm〜850nmにおいて観測された。これは、Arに起因する発光であり、Arの封入割合がほとんど占めることによるものと考えられる。
また、881.0nmはXeの誘導吸収もあり、図9でも観測されたXeによる881.0nm付近のピーク群と、その発光の増加が観測された。
以上のことから、2種以上の発光物質が封入された場合でも、それぞれの物質に起因する発光について増加させる効果があることがわかった。
In FIG. 10, when the emission peak at the wavelength of 810 nm having the highest emission intensity is compared, it can be seen that the emission intensity in the case of the wavelength match in (9) is significantly higher than the emission intensity in the case of wavelength mismatch in (8). .
Moreover, when FIG. 10 and FIG. 9 are compared, the emission peak which was not observed in FIG. 9 was observed in 750 nm-850 nm. This is the light emission caused by Ar, and is considered to be due to the fact that the enclosure ratio of Ar is almost occupied.
In addition, there was Xe induced absorption at 881.0 nm, and a peak group near 881.0 nm by Xe observed in FIG. 9 and an increase in light emission were observed.
From the above, it was found that even when two or more kinds of luminescent substances are encapsulated, there is an effect of increasing the luminescence caused by each substance.

<実験6>
次に、2種類の発光物質を封入し、そのうち1種類の発光物質の誘導吸収波長のみにレーザの発振波長を合わせて照射した場合について実験を行った。
発光管2内には、Xeを10気圧と、Hg(水銀)を10mg/mm封入した。
発光管2内に放電によるプラズマを形成した後、発振波長881.0nm、出力44Wのレーザを照射した。
<Experiment 6>
Next, an experiment was conducted in the case where two types of luminescent materials were encapsulated and the laser oscillation wavelength was matched with only the induced absorption wavelength of one of the luminescent materials.
The arc tube 2 was filled with 10 atm of Xe and 10 mg / mm 3 of Hg (mercury).
After plasma was formed by discharge in the arc tube 2, a laser having an oscillation wavelength of 881.0 nm and an output of 44 W was irradiated.

図11は、発光管内のプラズマより得られる放射光の発光分光スペクトル測定結果であり、(a)は波長800〜1000nm、(b)は、波長250〜500nmの領域の測定結果である。
グラフには、(10)レーザ光のみの測定結果、(11)アーク放電に加えて波長876.0nmのレーザ(波長不一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果、(12)アーク放電に加えて波長881.0nmのレーザ(波長一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果を示した。
FIGS. 11A and 11B show the emission spectrum measurement results of the radiated light obtained from the plasma in the arc tube. FIG. 11A shows the measurement results in the wavelength range of 800 to 1000 nm, and FIG. 11B shows the measurement results in the wavelength range of 250 to 500 nm.
The graph shows (10) measurement result of only laser light, (11) measurement result of plasma synchrotron radiation when irradiating laser with wavelength 876.0 nm (wavelength mismatch) in addition to arc discharge, (12) addition to arc discharge The results of measuring the plasma synchrotron radiation when irradiating a laser with a wavelength of 881.0 nm (wavelength coincidence) are shown.

図11(a)において、発振波長である881.0nmに、それぞれ(10)(11)(12)の発光ピークが観測される。この波長はXeの誘導吸収波長であり、この波長付近には水銀の強い誘導吸収波長はなく、発光ピークも観測されない。
881.0nm(11)と(12)の発光ピーク強度を各々比較すると、<実験2>同様に、(12)の波長が一致するレーザを照射した場合の方が大きいことがわかる。
In FIG. 11A, the emission peaks of (10), (11), and (12) are observed at the oscillation wavelength of 881.0 nm, respectively. This wavelength is the induced absorption wavelength of Xe, and there is no strong induced absorption wavelength of mercury near this wavelength, and no emission peak is observed.
Comparing the emission peak intensities at 881.0 nm (11) and (12), respectively, it can be seen that, similarly to <Experiment 2>, the irradiation with a laser having the same wavelength of (12) is larger.

そして、図11(b)において、波長250nm〜450nmの紫外線領域では、(11)の発光強度よりも(12)発光強度の方が大きいことがわかるが、これはXeの発光波長ではなく、Hgの発光波長である。これは、プラズマ中のXeがレーザ光を吸収した結果、プラズマ温度が上昇してHgの発光強度増強に寄与しているためと考えられる。
すなわち、封入されている物質が入射されたレーザ光を誘導吸収する物質であれば、その物質によるプラズマ温度が上昇することにより、入射されたレーザ光の誘導吸収を持たない他の物質の発光増強にも寄与することができる。
In FIG. 11B, it can be seen that in the ultraviolet region with a wavelength of 250 nm to 450 nm, the emission intensity of (12) is larger than the emission intensity of (11), but this is not the emission wavelength of Xe, but Hg Is the emission wavelength. This is presumably because Xe in the plasma absorbs the laser beam, and as a result, the plasma temperature rises and contributes to the enhancement of Hg emission intensity.
In other words, if the encapsulated substance is a substance that induces and absorbs incident laser light, the plasma temperature of the substance increases, thereby increasing the emission of other substances that do not have induced absorption of the incident laser light. Can also contribute.

以上のことから、2種類の発光物質を封入し、そのうち1種類の発光物質の誘導吸収波長のみにレーザの発振波長を合わせて照射した場合についても、レーザの出力を増加させずに、誘導吸収が生じるように発振波長を調整することにより、プラズマから得られる放射光を増加させることができることがわかった。   From the above, even when two types of luminescent materials are encapsulated and only one type of luminescent material is irradiated with the laser's oscillation wavelength matched to the induced absorption wavelength, stimulated absorption is achieved without increasing the laser output. It was found that the radiated light obtained from the plasma can be increased by adjusting the oscillation wavelength so as to generate.

<実験7>
最後にArとNaを封入した発光管についても、発光分光スペクトルの測定を行った。
Naは、1074nmに誘導吸収波長が存在するので、レーザは、発振波長1074nmのものを用いた。
図12は、発光管内のプラズマより得られる放射光の発光分光スペクトル測定結果である。なお、レーザのみの測定結果は図示していない。
<Experiment 7>
Finally, the emission spectrum of the arc tube enclosing Ar and Na was also measured.
Since Na has an induced absorption wavelength at 1074 nm, a laser having an oscillation wavelength of 1074 nm was used.
FIG. 12 shows the measurement results of the emission spectrum of the radiated light obtained from the plasma in the arc tube. Note that the measurement result of only the laser is not shown.

この図において、(13)波長1070nmのレーザ(波長不一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果、(14)波長1074nmのレーザ(波長一致)を照射したときのプラズマ放射光測定結果を示した。
最も発光強度が大きい発光ピーク同士を比較すると、(13)の波長不一致の場合に比べて、(14)の波長一致の場合の強度が著しく大きいことがわかる。
その他の発光ピークについても上記と同様に(13)より(14)の強度が大きいことがいえる。
以上のことから、Naについても、誘導吸収波長のレーザを照射して、発光物質にレーザ光を吸収させると、レーザ発振波長のみならず、その他の波長についても放射光が増加することが確認された。
In this figure, (13) plasma synchrotron radiation measurement result when irradiated with a laser with a wavelength of 1070 nm (wavelength mismatch), and (14) plasma synchrotron radiation measurement result when irradiated with a laser with a wavelength of 1074 nm (wavelength match) are shown. .
Comparing the light emission peaks having the highest light emission intensity, it can be seen that the intensity in the case of the wavelength coincidence (14) is remarkably higher than that in the case of the wavelength mismatch of (13).
It can be said that the intensity of (14) is larger than that of (13) for the other emission peaks as well.
From the above, it has been confirmed that when Na is irradiated with a laser having an induced absorption wavelength and the light emitting material absorbs the laser light, the emitted light increases not only at the laser oscillation wavelength but also at other wavelengths. It was.

上記のごとく、発光物質は第一の発光物質と、第一の発光物質とは異なる第二の発光物質とから構成することができる。
複数の発光物質を組み合わせることにより、複数の発光を利用することができ、また、いずれか一方の発光物質に固有の誘導吸収波長を含むレーザ光が照射されることにより、他方の発光物質の発光も増加させることができる。なお、三種以上の発光物質から構成してもよい。
第一の発光物質と第二の発光物質がいずれも希ガスである場合は、例えば、キセノンとアルゴン(Ar)の混合ガスが封入される。この場合は、キセノンによる発光を可視光として利用するのが主である。
As described above, the luminescent material can be composed of a first luminescent material and a second luminescent material different from the first luminescent material.
By combining a plurality of light-emitting substances, a plurality of light emission can be used, and when one of the light-emitting substances is irradiated with a laser beam including an intrinsic absorption wavelength, the other light-emitting substance emits light. Can also be increased. In addition, you may comprise from 3 or more types of luminescent substances.
In the case where both the first luminescent material and the second luminescent material are rare gases, for example, a mixed gas of xenon and argon (Ar) is enclosed. In this case, the light emitted by xenon is mainly used as visible light.

そのほか、第一の発光物質には希ガスを、第二の発光物質には金属を採用することができる。この場合、金属封入物により特徴ある放射が得られる既存のランプと同様の用途に用いることができる。
組み合わせの具体的な例としては、実験で示したキセノンと水銀(Hg)、アルゴンとナトリウム(Na)などがある。水銀は、主に紫外光を利用する目的で封入される。より具体的には、フォトリソグラフィに用いられる露光装置等の光源に利用される。
In addition, a rare gas can be used for the first luminescent material, and a metal can be used for the second luminescent material. In this case, it can be used for the same use as an existing lamp in which characteristic radiation is obtained by the metal enclosure.
Specific examples of combinations include xenon and mercury (Hg), argon and sodium (Na), etc., which have been shown in experiments. Mercury is sealed mainly for the purpose of using ultraviolet light. More specifically, it is used for a light source such as an exposure apparatus used for photolithography.

以下に、本発明の光源装置の具体的な用途の例について説明する。
図13は、本発明に係る光源装置を用いた露光装置20の全体構成図である。
本発明の光源装置を光源、特に水銀を含む場合には、この発光を利用する紫外線光源として、露光装置20に用いることができる。利用される紫外線は、例えば図11(b)に示される250〜450nmの領域の紫外線である。
レーザの光に水銀の誘導吸収波長が含まれていなくても、例えばXeやArなど、レーザ光の誘導吸収があるガスが、水銀とともに発光管22内に封入されていればよい。
この露光装置20では、光源装置を覆うように集光鏡28が配置され、この集光鏡28は、回転楕円を短径で半分にした反射面を有する。
集光鏡28は、開口部が紙面下側に向いており、このような開口部を有する集光鏡28によって、発光管22の周囲が覆われている。
この集光鏡28は、連続波レーザ発振部23からのビームを入射する一方の貫通孔と、発光管22を通過したビームを出射する他方の貫通孔とを有する。この発光管22と集光鏡28はケーシング29に収納される。
このような構成とすることにより、本発明の光源装置を露光装置に利用することができる。
Below, the example of the concrete use of the light source device of this invention is demonstrated.
FIG. 13 is an overall configuration diagram of an exposure apparatus 20 using the light source device according to the present invention.
When the light source device of the present invention contains a light source, particularly mercury, it can be used for the exposure device 20 as an ultraviolet light source utilizing this light emission. The ultraviolet rays used are, for example, ultraviolet rays in the region of 250 to 450 nm shown in FIG.
Even if the laser light does not include the induced absorption wavelength of mercury, it is only necessary that a gas having induced absorption of laser light, such as Xe or Ar, is enclosed in the arc tube 22 together with mercury.
In this exposure apparatus 20, a condensing mirror 28 is disposed so as to cover the light source device, and this condensing mirror 28 has a reflecting surface in which a rotation ellipse is halved with a short diameter.
The condensing mirror 28 has an opening facing downward in the drawing, and the periphery of the arc tube 22 is covered by the condensing mirror 28 having such an opening.
The condensing mirror 28 has one through-hole into which the beam from the continuous wave laser oscillation unit 23 is incident and the other through-hole through which the beam that has passed through the arc tube 22 is emitted. The arc tube 22 and the condenser mirror 28 are accommodated in a casing 29.
With such a configuration, the light source device of the present invention can be used for an exposure apparatus.

また、発光物質によっては、本発明の光源装置を可視光光源として、プロジェクタに用いることができる。装置の具体的構成などについては省略する。
発光物質は、例えば881.0nmのレーザを用いる場合は、キセノンのみでもよいし、キセノンとともに水銀が封入されていても良い。
また、水銀の誘導吸収波長を含むレーザ光を照射できるレーザがあれば、水銀のみでもよい。
図7(b)に示されるように、350nm〜750nmの可視光域では、ブロードな連続波長が観測されており、これを、超高圧水銀ランプのように家庭用、オフィス用に用いられるプロジェクタの光源とすることもできるし、キセノンランプのように、映画館で用いられるプロジェクタ用の光源とすることができる。
Depending on the luminescent substance, the light source device of the present invention can be used as a visible light source in a projector. The specific configuration of the apparatus will be omitted.
For example, when a 881.0 nm laser is used as the luminescent material, only xenon may be used, or mercury may be enclosed together with xenon.
Further, if there is a laser that can irradiate laser light including an induction absorption wavelength of mercury, only mercury may be used.
As shown in FIG. 7B, a broad continuous wavelength is observed in the visible light range of 350 nm to 750 nm, and this is used for projectors used for home use and office use like an ultrahigh pressure mercury lamp. It can be used as a light source, or it can be used as a light source for a projector used in a movie theater like a xenon lamp.

1 光源装置
2 発光管
3 連続波レーザ発振部
4 制御部
5 給電装置
6 温度調節機構
7 光学部材
10 予備プラズマ発生手段
11 放電電極
12 パルスレーザ発振部
13 光学部材
14 発振部
20 露光装置
22 発光管
23 連続波レーザ発振部
26 ビームダンパ
27 光学部材
28 集光鏡
29 ケーシング
8 光源装置
81 電極
82 発光管
83 連続波レーザ発振部
84 集光鏡
85 ビームダンパ
87 集光部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source device 2 Light emission tube 3 Continuous wave laser oscillation part 4 Control part 5 Power supply device 6 Temperature adjustment mechanism 7 Optical member 10 Preliminary plasma generation means 11 Discharge electrode 12 Pulse laser oscillation part 13 Optical member 14 Oscillation part 20 Exposure apparatus 22 Light emission tube 23 Continuous wave laser oscillator 26 Beam damper 27 Optical member 28 Condensing mirror 29 Casing 8 Light source device 81 Electrode 82 Light emitting tube 83 Continuous wave laser oscillator 84 Condensing mirror 85 Beam damper 87 Condensing member

Claims (13)

内部に発光物質が封入された発光管と、
発光管内にプラズマを発生させる予備プラズマ発生手段と、
発光管内に連続波レーザ光を照射する連続波レーザ発振部を備え、
発光管内に発生したプラズマに連続波レーザ光が照射され、プラズマより放射される光を利用する光源装置において、
レーザ光は、発光物質に固有の誘導吸収波長を含むことを特徴とする光源装置。
An arc tube with a luminescent material sealed inside,
Preliminary plasma generating means for generating plasma in the arc tube;
Provided with a continuous wave laser oscillating unit for irradiating continuous wave laser light in the arc tube,
In the light source device that uses the light emitted from the plasma when the plasma generated in the arc tube is irradiated with continuous wave laser light,
The light source device, wherein the laser light includes an induced absorption wavelength unique to the luminescent material.
前記レーザ光は、発振波長の発光強度の1/e以上の発光強度を有する範囲の波長が、前記発光物質に固有の誘導吸収波長を含むことを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 2. The light source device according to claim 1, wherein the laser light has a wavelength in a range having an emission intensity of 1 / e 2 or more of an emission intensity of an oscillation wavelength including an induced absorption wavelength unique to the light emitting material. . 前記連続波レーザ発振部は、レーザダイオードを備え、レーザダイオードの温度調節機構を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の光源装置。   The light source device according to claim 1, wherein the continuous wave laser oscillating unit includes a laser diode and includes a temperature adjustment mechanism of the laser diode. 前記発光物質は希ガスであること特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の光源装置。   The light source device according to claim 1, wherein the luminescent material is a rare gas. 前記希ガスはXe(キセノン)、Ar(アルゴン)、Kr(クリプトン)のいずれかを含むこと特徴とする請求項4に記載の光源装置。   The light source device according to claim 4, wherein the rare gas includes any one of Xe (xenon), Ar (argon), and Kr (krypton). 前記発光物質は、第一の発光物質と第二の発光物質から構成されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の光源装置。   The light source device according to any one of claims 1 to 3, wherein the luminescent material includes a first luminescent material and a second luminescent material. 前記第一の発光物質は希ガスであり、前記第二の発光物質は金属であることを特徴とする請求項6に記載の光源装置   The light source device according to claim 6, wherein the first luminescent material is a rare gas and the second luminescent material is a metal. 前記金属はHg(水銀)であることを特徴とする請求項7に記載の光源装置。   The light source device according to claim 7, wherein the metal is Hg (mercury). 請求項5に記載の光源装置を備え、前記発光物質はXe(キセノン)であることを特徴とするプロジェクタ。   A projector comprising the light source device according to claim 5, wherein the luminescent material is Xe (xenon). 請求項8に記載の光源装置を備えることを特徴とする露光装置。   An exposure apparatus comprising the light source device according to claim 8. 請求項8に記載の光源装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。   A projector comprising the light source device according to claim 8. 前記予備プラズマ発生手段は、発光管内に配置された2以上の電極と、
電極間に電圧を印加する電源であることを特徴とする請求項1ないし8記載の光源装置。
The preliminary plasma generating means includes two or more electrodes disposed in the arc tube,
9. The light source device according to claim 1, wherein the light source device applies a voltage between the electrodes.
前記予備プラズマ発生手段は、発光管内にパルスレーザを照射するパルスレーザ発振部であることを特徴とする請求項1ないし8に記載の光源装置。   9. The light source device according to claim 1, wherein the preliminary plasma generating means is a pulse laser oscillation unit that irradiates a pulse laser in an arc tube.
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