JP2013536581A - 周波数変換レーザシステムの動的波面制御 - Google Patents

周波数変換レーザシステムの動的波面制御 Download PDF

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Abstract

本発明は、レーザシステムの現在におけるレーザ波面性能が監視され得るレーザシステムを対象とする。さらに、本明細書において開示されるレーザシステムの実施形態は、レーザシステム内の補正システム(単数または複数)を介してレーザ波面を内部的に補正するよう構成され得る。さらに、本明細書において開示される補正システム(単数または複数)は、長い寿命を有し、光汚染に対して最少の影響を有するよう構成され得る。

Description

関連出願の相互参照
本願は、2010年8月8日に出願された「Dynamic Wavefront Control of a Frequency Converted Laser System」を発明の名称とする米国仮特許出願第61/371,704号の優先権を、合衆国法典第35巻第119条(e)に基づいて主張する。

本発明は、全般に、半導体ウェーハ検査システムおよびフォトマスク検査システム等の検査システムと組み合わせて用いられる照明器に関し、さらに詳細には、係る検査システムとともに用いられる周波数変換光源に関する。

米国特許第4326800号 米国特許出願公開第2008/0253417号

現在利用可能である周波数変換光源は所望するレベルの性能を提供し得ない。

したがって、現在利用可能であるソリューションの欠点を克服する周波数変換光源を提供することが望まれるであろう。

したがって、本発明は、基本光を生成および放射するよう構成されたレーザ光源と、レーザ光源に動作可能に連結され且つ放射された光の1部分を選択的にサンプリングするよう構成されたビームサンプリング装置と、ビームサンプリング装置に動作可能に連結され、放射された光のサンプリングされた部分を受容することと、放射された光のサンプリングされた部分の波面パラメータの現在状態を測定することとを実行するよう構成され、この波面パラメータは、放射された光のサンプリングされた部分のビームウェスト位置および放射された光のサンプリングされた部分の非点収差のうちの1つである、ビーム診断システムと、を含むレーザシステムを対象とする。このレーザシステムは、ビーム診断システムに動作可能に連結され、レンズまたはミラー要素(例えば、制御可能なレンズまたはミラー要素)のうちの少なくとも1つを備え、測定された状態をビーム診断システムから取得することと、波面パラメータの測定された状態を放射された光に対する波面パラメータの所望の状態に対して比較することと、前記比較に基づいてレーザシステムに補正を提供することとを行うよう構成された、ビーム補正システムと、をさらに備える。このビーム診断システムは、レンズアレイまたはアパーチャアレイを利用し得る波面センサを備え得る。さらなる実施形態において、このビーム診断システムは、放射された光のサンプリングされた部分のビームプロファイルを測定するために、スキャニングスリット、スキャニングナイフエッジ、またはスキャニングピンホールを備え得るM2乗(M2)測定システムを備え得る。さらなる実施形態において、このビームサンプリング装置は、ホログラフィックビームサンプリング装置または部分(低)透過ミラーのうちの1つであり得る。低透過ミラーに対する入射角は20度未満であり得る。さらなる実施形態において、ビームサンプリング装置は、部分(低)反射性の光サンプリング表面(例えば、非コーティングガラス、石英ガラス、フッ化カルシウム、およびフッ化マグネシウム)であり得る第1表面を有する基板であり得る。低反射表面に対する入射角は20度未満であり得る。さらに、この基板は、反射防止物質でコーティングされた第2表面を備え、基本光をサンプリングするために用いられ得る。さらなる実施形態において、レンズまたはミラー要素は、補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、第1位置から第2位置に移動され得る。さらに、レンズまたはミラー要素の温度は、補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、第1温度から第2温度に変化され得る。さらに、レンズまたはミラー要素の傾斜角および/または回転角は、補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、調節され得る。さらに、モータ装置、圧電装置、または電歪装置(electrorestrictive device)は、第1位置から第2位置にレンズまたはミラー要素を移動させること、およびレンズまたはミラー要素の傾斜角または回転角を調節することを行うために、利用され得る。さらに、レンズまたはミラー要素は回転対称表面を備え得る。なお、回転対称表面の1つは円筒形プロファイルを有する。さらなる実施形態において、ビーム補正システムは少なくとも2つのレンズまたはミラー要素を備え得る。レンズまたはミラー要素間の相対的間隔は、補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、変化され得る。さらに、レンズまたはミラー要素のそれぞれは円筒形表面を備え得る。さらに、レンズまたはミラー要素は、補正が所望の波面を達成するために提供されるとき、2つのレンズまたは2つのミラー要素の円筒形表面が相互に対して直交方向に整列される第1方向と、2つのレンズまたは2つのミラー要素の円筒形表面が相互に対して平行方向に整列される第2方向と、の間で回転され得る。さらなる実施形態において、レンズはテレスコープとして構成され(例えば、機能し)得る。

本発明のさらなる実施形態は、ビーム補正をレーザシステムにおいて提供するための方法であって、レーザシステムのレーザ光源から放射された光の1部分をレーザシステムのビームサンプリング装置に誘導することと、放射された光の部分をビームサンプリング装置を介してサンプリングし、そのサンプリングされた光の部分をレーザシステムのビーム診断システムに提供することと、放射された光のサンプリングされた部分のパラメータの現在状態を測定し、測定されたパラメータの状態をレーザシステムのビーム補正システムに提供することと、所望の波面を取得するために、前記比較に基づいてビーム補正システムを介してレーザシステムに補正を提供することと、を含む方法を対象とする。

本発明のさらなる実施形態は、光を生成および放射するよう構成されたレーザ光源と、レーザ光源に動作可能に連結され且つ放射された光の1部分を選択的にサンプリングするよう構成されたビームサンプリング装置と、ビームサンプリング装置に動作可能に連結され、且つ放射された光のサンプリングされた部分を受容すること、および放射された光のサンプリングされた部分のパラメータの現在状態を測定することを実行するよう構成されたビーム診断システムと、ビーム診断システムに動作可能に連結され、測定された状態をビーム診断システムから取得すること、パラメータの測定された状態を、放射された光に対するパラメータの所望の状態に対して比較すること、および前記比較に基づいてレーザシステムに補正を提供することを実行するよう構成されたビーム補正システムと、を含むレーザシステムを対象とする。

上述の全般的な説明および以下の詳細な説明の両方が、単に代表的且つ説明的であり、請求項に定められる本発明を必ずしも限定するものではないことを理解すべきである。添付の図面は、本明細書に組み込まれ本明細書の一部を構成するものであって、本発明の実施形態を例示し、一般的な説明とともに、本発明の原理を説明する機能を有する。

本発明の多くの利点は、以下の添付の図面を参照することにより、当業者により、よりよく理解され得る。

本開示の代表的な実施形態に係る、内部的なビームサンプリング、ビーム診断、およびビーム補正を備えるレーザシステムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、ビーム診断モジュールおよびビーム補正モジュールが周波数変換モジュールに対して外部に配置されたレーザシステム(例えば、周波数変換レーザ)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、ビーム診断およびビーム補正が実質的に周波数変換モジュールの内部に配置されたレーザシステム(例えば、周波数変換レーザ)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビームサンプリングシステム(例えば、回折ビームサンプラ)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビームサンプリングシステム(例えば、低透過ミラーをビームサンプラとして実装する)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビームサンプリングシステム(例えば、低反射面をビームサンプラとして実装する)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム診断システム(例えば、ビーム診断のために用いられる波面センサ)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム診断システム(例えば、ビーム診断のために用いられるM2測定システム)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、ビーム補正システムがレーザ集束における変化を補正するためにレンズを変位させることを実装する、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、ビーム補正システムがレーザ集束における変化を補正するためにレンズ温度を変化させることを実装する、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、ビーム補正システムがレーザ集束における変化を補正するために近接して配置されたレンズ間の間隔を変化させることを実装する、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、ビーム補正システムが幅広く離間されたレンズの平行状態を変化させることを実装する、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるビーム補正システムの実施形態のうちの1つまたは複数において使用されるための、レンズがビーム非点収差補正を促進するために調節可能に傾斜され得る、代表的な傾斜光学要素(例えば、傾斜レンズ要素、傾斜レンズ)の概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるビーム補正システムの実施形態のうちの1つまたは複数において使用されるための、前記光学要素システムがビーム非点収差補正を提供するために回転可能レンズを実装する、代表的な傾斜光学要素システムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、ビーム補正システムが2つのミラーを用いてビーム傾斜および偏心の補正を実装する、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図である。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、レンズを変位させることによりビーム非点収差および集束の補正を提供する、単一レンズシステムにおける波面集束および波面非点収差を補正するためのシステムである。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、ビーム非点収差および集束の補正が熱制御を用いることにより提供される、単一レンズシステムにおける波面集束および波面非点収差を補正するためのシステムである。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、複数のビームサンプリングサブシステムおよび複数のビーム補正サブシステムを含む複数段階周波数変換レーザシステムである。 本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、ビーム補正をレーザシステムにおいて提供するための方法を示すフローチャートである。

本発明の現時点での好適な実施形態についてここで詳細に参照する。なお、係る実施形態の例は添付の図面において示される。

高生産性と解像度における改善とを示すウェーハおよびフォトマスク検査システムに対する半導体産業の要求は、留まることがない。係る検査システムの継続的生成は、より短い波長を有する光エネルギーを用いてウェーハまたはレチクルを照射することにより、より高い解像度を達成する傾向がある。特定の実際的な利点は400nm以下の波長を有する光を用いてウェーハまたはレチクルを照射するときに達成され得る。高品質なウェーハおよびフォトマスク検査システムに対して好適であるレーザを提供することは特定の難点を提供する。深紫外(DUV:deeo ultraviolet)光エネルギーを生成する従来のレーザは、通常は、大きく且つ高額な装置であり、その寿命は比較的短く、平均出力は低いものとなっている。ウェーハおよびフォトマスク検査システムは一般に、十分な処理能力および適切な欠陥信号対雑音比(SNR:signal−to−noise ratio)を得るためには、一般に、高い平均出力、低いピーク出力、および比較的短い波長を有するレーザを必要とする。

適切なDUV出力を提供する主要な方法は、より長い波長の光からより短い波長の光を生成することを含む。この波長を変化させるプロセスは一般に周波数変換と呼ばれる。周波数変換は、光学結晶において非線形応答を生成するために、高いピーク出力の光を必要とする。このプロセスの効率を高めるために、より長い波長の光は、高い平均出力、短い光パルスを有し得、光学結晶に集束し得る。周波数変換前の光は、通常、基本光と呼ばれる。

400nm未満、特に300nm未満の波長の光を生成することは極めて困難である。半導体検査に用いられる光源は、比較的高い出力、長い寿命、および安定した性能を必要とする。高度な検査技術のためのこれらの要件を満足する光源は存在しない。現在のDUV周波数変換レーザの寿命、出力、および安定性は、一般に、周波数変換結晶および変換方式により、特に355ナノメートル(nm)、266nm、213nm、193nm等のDUV波長に曝露される場合に、制限される。

多くの検査用途においては、周波数変換レーザ波面が一定期間にわたり安定状態に保持されることが要求される。光学部品、コーティング、および特に非線形結晶が一定期間で劣化するため、周波数変換レーザ波面の安定保持は難点となり得る。本開示において説明される実施形態は、現在におけるレーザ波面性能を監視しレーザシステム内において内部的にレーザ波面を補正するための機構(単数または複数)を提供する。さらに、本明細書において開示される補正機構(単数または複数)は、長い寿命を有し、光汚染に対して最少の影響を与える。

安定した波面出力を有する周波数変換レーザシステムを作るためには、所望の波面と現在における波面とを知ることができる必要がある。通常、所望の波面とは、レーザが新しいときに生成される波面である。レーザ波面が一定期間経過後に変化する場合、ビーム補正技術が必要となる。補正技術のために現在における値の近傍における変化率を知ることも、フィードバック補正を形成するために必要である。

図1を参照すると、本開示の代表的な実施形態に係るレーザシステムの概略ブロック図が示される。レーザシステム101は、レーザ光源102と、レーザ光源102に接続されたビームサンプリングシステム103と、ビームサンプリングシステム103に接続されたビーム診断システム104と、ビーム診断システム104に接続されたビーム補正システム105と、を備える。レーザ光源102は、様々なレーザのうちのいずれでもよいが、好適には周波数変換レーザである。レーザ光源102により生成された波面を測定するための第1ステップは、レーザ光源102によりビームサンプリングシステム103に提供されたビームをサンプリングするために、ビームサンプリングシステム103を利用することである。さらに、ビームサンプリングシステム103はサンプリングされたビームをビーム診断システム104に提供し得る。高出力レーザ光が所望されるため、レーザ光源102からの光の最小量が、ビーム診断システム104に提供され、ビーム診断システム104により利用されるべきである。ビームサンプリングシステム103は、また、レーザ偏光における変化に対して敏感であってはならない。レーザ出力のわずかな部分をサンプリングするためのいくつかの典型的な方式は、偏光におけるわずかな変化に対して極めて敏感となり得る。理想的には、ビームサンプリングシステム103は、また、レーザ光源102の波面を顕著に変更するべきでない。このことは、一般に、最初は当てはまるが、一方、何らかの劣化が一定時間経過後に生じた場合、劣化はビーム補正システム105により完全にまたは部分的に補正され得る。

代表的な実施形態において、ビーム診断システム104はビームサンプリングシステム103からの光を受容し、レーザシステム101の現在における波面を測定し得る。通常、保持すべき波面の最も重要なパラメータはビームウェスト位置および非点収差である。非点収差は、実質上、水平測定軸および垂直測定軸におけるビームウェスト位置の差異である。ビームウェスト位置および非点収差は直接的または間接的に測定され得る。通常、レーザにおける変化は低速であり、そのため、ビーム診断システム104が波面を測定する速さも低速であってよい。本発明の実施形態において、補正が要求されるのは1日あたり1回未満であり得る。しかし、ビーム診断システム104は、ビーム補正システム105がビームを補正する速度よりもはるかに高い速度で波面を測定することが望ましい場合もある。このことにより、システム精度を改善するために平均を使用することが可能となる。このことにより、補正サイクル内における傾向監視の使用も可能となる。ビームサンプリングシステム103および/またはビーム診断システム104が迷光に対して敏感でないことも重要である。ビームサンプリングシステム103は、好適には、レーザ光源102から提供された光の1%以下をサンプリングする。周波数変換レーザ内における迷光レベルがこの何倍も大きくなることは珍しいことではない。

本発明の実施形態において、ビーム補正システム105は、ビーム診断システム104から提供される測定された波面に基づいて、レーザシステム101の波面を補正し得る。この補正は本明細書において説明されるであろう様々な方法で実行され得る。ビーム補正システム(例えば、補正光学素子)105のレーザシステム101内における位置は重要である。例えば、補正光学要素は、劣化を生じさせ且つ補償を必要とする光学要素の直接後方に配置され得る。通常、およそ400ナノメートル(nm)より小さい、特に300nmより小さい光波長に曝露される光学要素は、400nmを超える波長と比較して、はるかにより高い劣化速度を経験する。しかし、補正光学要素が高出力紫外線(UV:ultraviolet)光において配置される場合、補正光学要素も一定時間経過後に劣化し得る。係る場合、ビームサンプリングシステム103およびビーム診断システム104は、ビーム補正システム105における劣化が完全にまたは部分的に補正され得るよう、ビーム補正システム105の後方に配置され得ることが望ましい。いくつかの実施形態において、ビーム劣化の根本原因である光学素子の前方にビーム補正システム105を配置することが可能となり得る。係る場合において、ビーム補正105は、レーザシステム101のより短い波長領域において生じる波面エラーを補正するために、より長い波長領域に配置され得る。このことにより、ビーム補正光学要素に対するビーム劣化に関連する問題は低減され得る。

さらに、2つ以上のビームサンプリングシステム103、ビーム診断システム104、および/またはビーム補正システム105が単一のレーザシステム101内で用いられ得る。このことは、周波数変換レーザからの2つ以上の波長またはビームが用いられ、2つ以上の波長またはビームの波面が保持されるべき場合に、特に当てはまる。さらに、ビームサンプリングシステム103、ビーム診断システム104、および/またはビーム補正システム105は、レーザシステム101内において完全に内蔵または分散され得る。これらのシステムが、低ノイズおよびメンテナンスのために可能な限り内蔵化されることが望ましい場合もあるが、しかし複雑なレーザにおいては係る内蔵化はしばしば実際的ではない。ビームサンプリングシステム(単数または複数)103、ビーム診断システム(単数または複数)104、およびビーム補正システム(単数または複数)105がレーザシステム101に顕著なコストを追加するものではない点も重要である。実際に、レーザ波面を補正することにより獲得される付加的なレーザ寿命は、ここでおよび以下の実施形態で説明されように実装される場合、ビームサンプリングシステム103、ビーム診断システム104、およびビーム補正システム105の付加的なコストおよび複雑度を容易に補償することができる。

図2を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係るレーザシステム(例えば、周波数変換レーザ)の概略ブロック図が示される。レーザシステム201は、レーザ光源202と、レーザ光源202に接続された周波数変換システム203と、周波数変換システム203に接続された(例えば、その1部分として含まれた)ビーム補正システム204と、ビームサンプリング205システムと、ビーム診断システム206と、を備える。基本レーザ光源202から提供される光は周波数変換システム203に提供され(例えば、入り)得る。さらに、周波数変換システム203は、レーザ光源202から提供される基本光の任意の高調波を生成、またはレーザ光源202の複数の基本光源からの光を周波数混合し得る。代表的な実施形態において、ビーム補正システム204は実質的に周波数変換システム203内に配置され得る。ビーム補正システム204は、レーザ光源202から提供される光に対して直接的に作用するよう、および/または、周波数変換システム203により生成される高調波または周波数混合光に対して作用するよう、構成され得る。

本開示の様々な実施形態において、ビーム補正システム204は、光学素子を移動させること、光学素子の温度を変化させること、および/または光学素子の形状を変化させることを含むがこれらに限定されない様々な技術を実装し得る。さらなる実施形態において、補正された光はビーム補正システム204からビームサンプリングシステム205に提供され得る。補正された光のわずかな部分が出力ビーム207から分離され、ビーム診断システム206により使用され得る。ビームサンプリングシステム205は、フレネル反射、低効率回折、部分透過コーティング、および/または反射コーティングを含むがこれらに限定されない様々な技術を利用し得る。さらに、ビーム診断システム206は、所望のビーム特性を測定するために、ビームサンプリングシステム205から提供されるサンプリング光を用い得る。ビーム診断システム206により実行されるこの測定は、波面センサ、干渉計、ビームプロファイラ、およびM2乗(M2)測定を含むがこれらに限定されない様々な技術を用い得る。ビーム診断システム206を介して作成される測定値は基準値または所望値に対して比較され得る。次いで、この比較情報は、ビーム補正システム204を変更することにより所望の波面を生成するために、閉ループフィードバックシステムにおいて用いられ得る。通常、波面の変動は時間から日までのきわめて遅い時間尺度で生じる。このことにより、測定値における多数の平均の実施が可能となり、それにより、きわめて正確な測定および補正が可能となる。

図3を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係るレーザシステム(例えば、周波数変換レーザ)の概略ブロック図が示される。レーザシステム301は、レーザ光源302と、レーザ光源302に接続された周波数変換システム303と、周波数変換システム303に接続された(例えば、周波数変換システム303に含まれた)ビームサンプリングシステム304と、周波数変換システム303に接続された(例えば、周波数変換システム303に含まれた)ビーム診断システム305と、周波数変換システム303に接続された(例えば、周波数変換システム303に含まれた)ビーム補正システム306と、を備え得る。代表的な実施形態において、基本レーザ光源302から提供される光は周波数変換システム303に提供され(例えば、入り)得る。周波数変換システム303は、レーザ光源302から提供される基本光の任意の高調波を生成、またはレーザ光源302内の複数の基本光源からの光を周波数混合し得る。本発明の1つの実施形態において、ビーム補正システム306、ビームサンプリングシステム304、および/またはビーム診断システム305は実質的に周波数変換システム303内に配置され得る。

さらなる実施形態において、ビーム補正システム306は、レーザ光源302から提供される光に対して直接的に作用、または、周波数変換システム303により生成される高調波または周波数混合光に対して作用し得る。ビーム補正システム306は、光学素子を移動させること、光学素子の温度を変化させること、および光学素子の形状を変化させることを含むがこれらに限定されない様々な技術を用い得る。次いでビーム補正システム306からの補正された光はビームサンプリングシステム304に入り(例えば、提供され)得る。補正された光のわずかな部分が出力ビーム307から分離され、ビーム診断システム305に提供され得る。ビームサンプリングシステム304は、フレネル反射、低効率回折、部分透過コーティング、および/または部分反射コーティングを含むがこれらに限定されない様々な技術を使用し得る。ビーム診断システム305は所望のビーム特性を測定するためにビームサンプリングシステム304から提供されるサンプリングされた光を利用し得る。この測定は、波面センサ、干渉計、ビームプロファイラ、および/またはM2乗(M2)測定を含むがこれらに限定されない様々な技術を利用し得る。さらなる実施形態において、ビーム診断システム305を介して作成された測定値は基準値または所望値に対して比較され得る。次いで、これは、ビーム補正システム306を変更し所望の波面を生成するために、閉ループフィードバックシステムにおいて用いられ得る。

図4を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)の概略ブロック図が示される。図4の例示的な実施形態において、ビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)402は、低効率回折構造(例えば、ホログラフィックサンプラ、回折サンプラ)402として構成される。図4において、入射光401は回折サンプラ402上に入射する。本開示の実施形態において、回折サンプラの1つの表面(例えば、回折サンプラ402の基板の1つの表面)は、所望の波長に対する反射防止コーティングが施される一方、回折サンプラ402に対する基板の他の表面は回折機能を含み得る。代表的な実施形態において、回折機能は、回折次数間で所望の回折角が提供されるよう構成され得る。さらに、回折機能は、特定量のエネルギーを1次以上の回折次数(404、405、406、407)に回折させるよう構築され得る。高出力レーザを用いて回折サンプラ402を実装するとき、1%未満の入射エネルギーが必要となる。通常、1次(404および405)はエネルギーの最大部分を有する一方、より高次(406および407)は1次404および405よりも実質的により小さいエネルギーを有し、その結果、透過光403に対する影響は最小となる。

さらなる実施形態において、多数の異なる種類の回折構造がこの用途に対して可能である一方、最良の損傷閾値のために、回折サンプラ402の表面に回折構造を作成することが望ましい場合もある。このように回折構造を作成することは、回折サンプラ402に対する基板上に堆積された薄膜上に格子構造を作成し、次いで、その結果生成されたパターンをその表面にエッチングすることにより、なされ得る。これにより、高い損傷閾値の回折構造が、石英ガラス、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム、または他のつくつかの望ましい物質に直接的に作成され得る。さらなる実施形態において、回折次数(404、405、406、407)は強度、位相、および偏光を正確にサンプリングする。しかし、回折されたビームはアナモフィック圧縮が生じ得る。回折サンプラに垂直に入射する光に対して、回折方向におけるアナモフィック圧縮は回折角のコサインとなる。この効果は任意のビームプロファイル測定を用いて電子的に補償され得る。

図5を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)の概略ブロック図が示される。図5の例示的な実施形態において、ビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)502は部分透過ミラー(例えば、低透過ミラー)として構成される。図5において、入射光501は部分透過ミラー502上に入射する。部分透過ミラー502の基板の第1表面は、所望の波長に対する入射光501の所望の部分を可能にするコーティングを有する一方、第2表面は反射防止コーティングを有する場合も有さない場合もある。これは、反射光503に加えられる影響が最小となる状態でビーム出力および/またはビームパラメータが測定され得るよう透過光504が部分透過ミラー502から提供される(例えば、部分透過ミラー502を通って伝達される、部分透過ミラー502を通過する)ことを可能にする非常に簡単な機構となり得る。この種類のビームサンプリングは、出力に対し敏感である測定値に対して用いられる場合、いくつかの欠点を有し得る。さらに、部分透過ミラー502のコーティング性能におけるわずかな変化が、透過光強度504に対して大きい変化を生じさせる可能性がある。これらの変化は、コーティング損傷、光汚染、または、温度もしくは湿度等のコーティングに直接影響する他の変化であり得る。例えば、入射光501の1%が最初ミラー502を通って透過光504として伝達される場合、光の99%が反射される(例えば、反射光503)ために残ることとなるであろう。しかし、コーティングが変化することにより光の99.1%が反射光503として反射される一方で光の0.9%が透過光504として透過される場合、その結果として透過光504の光レベルにおける変化は10%ととなり、反射光503における変化はわずか0.1%となる。加えて、部分透過ミラーであるビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)502を実装するとき、入射偏光におけるわずかな変化に対する感度が要因となり得る。これは、部分透過ミラー502に対する入射光501の入射角が20度を越える場合には偏光が異なると光学コーティングも通常は異なる動作をするという事実によるものであり得る。この理由のために、この種類のビームサンプリングは可能な限り小さい入射角で使用することが望ましい。

図6を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)の概略ブロック図が示される。図6の例示的な実施形態において、ビームサンプリングシステム(例えば、ビームサンプラ)602は低反射表面(単数または複数)(例えば、くさび形プレート)602として構成される。図6において、入射光601は低反射表面(単数または複数)602上に入射する。代表的な実施形態において、入射光601の第1部分603はビームサンプラ602の第1表面から反射され、入射光601の第2部分604はビームサンプラ602の第2表面から反射される一方で、入射光の第3部分(例えば、残余部分)605はビームサンプラ602を通って伝達される。

さらなる実施形態において、ビームサンプラの1つまたは複数の表面(ビームサンプラ602を形成する基板の表面)はコーティングが施されなくてもよく、または反射率をさらに低減するためにコーティングが施されてもよい。コーティングされていない表面は、損傷閾値が高いため、良好な選択肢である。しかし、コーティングされない表面を有するビームサンプラ602を実装すると反射率は望ましい値よりも高くなり得る。例えば、入射光601が0度に近い入射角でビームサンプラ602に接触するとき、ビームサンプラ602がコーティングされない表面(単数または複数)を実装する場合、表面毎に4%の反射が生じ得る。したがって、ビームサンプラ602の2つのコーティングされない表面は入射光601に対して透過光605を8%だけ低減し得る。さらなる実施形態において、反射全体を4%に制限するためにビームサンプラ602の第2表面上に反射防止コーティングを用いてもよいが、しかしこれは依然として光の相当量である。さらなる実施形態において、コーティングされない表面がブリュースター角に近い角度に配向されると、入射光601のp偏光部分は、はるかに小さい反射率を経験し得る。しかし、第1表面から反射される光603および第2表面から反射される光604を低減するこの技術は、入射光601における偏光変化に対して影響され易い。ブリュースター角に近い表面からのs偏光反射はおよそ14%となり得る。コーティングがビームサンプラ602の表面(一方または両方)上で用いられる場合、入射光601の所望の部分は、所望の波長に対して、第1表面および/または第2表面から反射することが可能となるであろう。さらなる実施形態において、ビームサンプラ602の第2表面は反射防止コーティングを有する場合も有さない場合もあり得る。

図7を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム診断システムの概略ブロック図が示される。ビーム診断システム700は波面およびビームプロファイルを測定するよう構成され、第1レンズ702および第2レンズ703を有するテレスコープ750を備え得る。ビーム診断システム700は波面およびビームプロファイル検出器704をさらに備え得、この波面およびビームプロファイル検出器704はテレスコープ750に動作可能に連結される。図7において、入射光(例えば、ビームサンプラにより提供される光)701はテレスコープ750のレンズ(702、703)を通過し得る。

代表的な実施形態において、テレスコープ750は、波面およびビームプロファイル検出器(例えば、波面測定装置、波面計測装置)704上において好適な空間解像度を獲得するよう、入射光701のビームを拡大するために用いられ得る。テレスコープ750は、波面測定装置704の測定範囲内にある基準値に波面の集束を設定するためにも用いられ得る。この基準設定からの変動はビーム波面または空間強度プロファイルにおける変化を示し得る。テレスコープ750はレンズまたはミラーの異なる配列を用いても設計され得る。さらなる実施形態において、テレスコープ750は、入射光(例えば、ビームサンプラからの光)701のビームパラメータがすでに所望の要件を満足している場合、省略され得る。光は、テレスコープ750から出た後、波面およびビームプロファイル検出器704に入り得る。図7において示される実施形態において、波面およびビームプロファイル検出器704は波面センサであり得る。一方、さらなる実施形態において、波面およびビームプロファイル検出器704は干渉計またはその他の装置であり、および/または干渉計またはその他の装置を含み得る。図7において示される実施形態において、波面センサ704はレンズアレイ(例えば、アパーチャアレイ)705および検出器アレイ706を備え得る。

本開示の様々な実施形態において、レンズアレイ705は光701を受容するために構成され得る。なお、光701はビームサンプラを介してビーム診断システム700に提供され、テレスコープ750を介してレンズアレイ705に提供され得る。レンズアレイ705は、受容した光701に基づいて、スポットの配列を検出器アレイ706上に効果的に作るよう構成され得る。これらのスポットの位置における変動は、ビーム診断システム700を実装するレーザシステムにより形成されるビーム波面を算出するために用いられ得る。これらのスポットの強度分布は、ビーム強度プロファイルの測定値も提供する。代表的な実施形態において、波面センサ704は、レーザビームパラメータの略リアルタイムの測定値を提供する。

図8を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム診断システムの概略ブロック図が示される。代表的な実施形態において、ビーム診断システム800は集束レンズ802を備える。ビーム診断システム800は光801(例えば、光801はビームサンプラからビーム診断システム800に提供され得る)を受容する。受容された光801は、前記光が集束してビームウェスト部803が形成されるよう、集束レンズ802を通して誘導され得る。さらなる実施形態において、ビーム診断システム800は、軸方向スキャン範囲806に沿った複数の異なる位置における集束光のビームプロファイルを利用(例えば、測定)するよう構成される。代表的な実施形態において、スキャニングスリット、スキャニングナイフエッジ、スキャニングピンホール、および/またはアレイ検出器のうちの1つまたは複数がビームプロファイルを測定するために実装され得る。さらに、ビームプロファイルは、軸方向スキャン範囲806に沿った様々な位置において測定され得る。なお、この軸方向スキャン範囲はイントラフォーカル断面804およびエクストラフォーカル断面805を含む。例えば、断面の軸方向位置、測定された4σ断面直径、および入射光801の波長が、ビーム品質値M2および垂直軸および水平軸におけるビームウェスト部803の位置を正確に計算するために用いられ得る。次いで、ビームウェスト部803の寸法および/または位置における測定された変化は、本明細書において開示される実施形態のうちの1つまたは複数において説明されるように、ビーム補正システムにフィードバックするために用いられ得る。

図9を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図が示される。代表的な実施形態において、ビーム補正システム900は、レンズシステム902と、レンズシステム902に接続(例えば、動作可能に連結)された平行移動要素903と、平行移動要素903に接続(例えば、動作可能に結合)された位置決め要素904と、平行移動要素903に接続(例えば、動作可能に結合)された位置検出要素905と、を備え得る。

本開示の様々な実施形態において、ビーム補正システム900は光901を受容するよう構成され得る。さらなる実施形態において、光901はレンズシステム902を通過し得る。例えば、光901は、発散、集束、または、略平行であり得る。例示の実施形態において、レンズシステム902は、光901が、レンズシステム902を通過後に、略平行光906となるよう、構成され得る。さらなる実施形態において、レンズシステム902は、レンズから出る光906が発散または集束するよう、構成され得る。さらなる実施形態において、レンズシステム902は単一のレンズ要素(例えば、レンズ)または2つ以上のレンズ要素を備え得る。

本開示の代表的な実施形態において、レンズシステム902は平行移動要素903上において構成(例えば、設置または配置)され得る。さらに、平行移動要素903は、位置決め要素904を利用することにより、正確に位置決めされるよう構成され得る。さらなる実施形態において、位置検出要素905は平行移動要素903の位置を正確に判定するために利用され得る。例えば、位置検出要素905は、平行移動要素903の位置を設定(例えば、変位)および保持するために閉ループ回路を介して平行移動要素903および位置決め要素904に接続され得る。

さらなる実施形態において、レンズシステム902のレンズ要素(単数または複数)は球面(単数または複数)を有し得、円筒形要素(単数または複数)であり得、または非球面(単数または複数)を有し得る。代表的な実施形態において、平行移動要素903は、他の実施形態に示されるようにビーム診断システムにより測定されたビームパラメータを調節するために移動されるよう構成される。レンズシステム902の軸上球面要素を軸に沿って平行移動することにより波面出力が調節され得る。レンズシステム902の軸上円筒形要素を軸に沿って平行移動することにより波面非点収差が調節され得る。レンズシステム902の非球面要素を平行移動することにより高次波面収差が調節され得る。レンズシステム902の要素のコマ収差および回転を調節することにより非点収差を調節するために、レンズシステム902の要素の横方向位置を調節することも可能である。

図10を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図が示される。代表的な実施形態において、ビーム補正システム1000は、加熱要素1003と、加熱要素1003に動作可能に連結された(例えば、近接する)レンズ要素(例えば、レンズ)1002と、加熱要素1003およびレンズ要素1002に接続(例えば、動作可能に連結)されたヒータ制御1004と、を備え得る。

代表的な実施形態において、ビーム補正システム1000は光1001を受容するよう構成され得る。さらなる実施形態において、光1001(例えば、発散光、集束光、または略平行光)はレンズ要素1002を通過し得る。レンズ要素1002は、レンズ要素1002を通過する光1001が、略平行である、発散する、または集束する光1007としてレンズ要素1002から出るよう、構成され得る。さらなる実施形態において、ビーム補正システム1000は2つ以上のレンズ要素1002を実装し得る。

上述のように、レンズ要素1002は加熱要素1003に近接し得る。さらに、加熱要素1003はヒータ制御1004を用いて制御され得る。代表的な実施形態において、ヒータ制御1004は加熱要素1003の温度を検出(加熱要素から受容したフィードバック1006を介して)するよう構成される。さらに、前記受容されたフィードバック1006に基づいて、ヒータ制御1004は、ヒータ制御1004が加熱要素1003に供給する電力1005の量を変更し、それにより加熱要素1003の温度を変更し得る。さらに、加熱要素1003の温度が変化するにつれてレンズ要素1002の温度は変化する。レンズ要素1002の温度を変化させることにより、レンズ要素1002の率、厚さ、および曲率が効果的に変化され、それにより、波面における変化が促進される。代表的な実施形態において、レンズ要素1002は、波面の出力を調節するために軸に沿って光1001と位置合わせされた軸上球面要素として構成され得る。さらなる実施形態において、レンズ要素102は、波面の非点収差を調節するために軸に沿って位置合わせされた軸上円筒形要素として構成され得る。結果として生じた発散光1007の波面に影響を与えるために温度を用いることによる補正の他の例も可能である。

図11を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図が示される。代表的な実施形態において、ビーム補正システム1100は第1レンズ要素(例えば、第1レンズ)1002および第2レンズ要素(例えば、第2レンズ)1004を備え得る。なお、これらのレンズ要素(1002および1004)は相互に対して近接するが、相互から可変距離1003だけ離間する。本開示の実施形態において、ビーム補正システム1100は入力光(例えば、略平行光、発散光、または集束光)1101を受容するよう構成される。これらのレンズ要素(1102、1104)は、入力光1101が、第1レンズ要素1102を通過すること、第2レンズ要素1104を通過すること、および出射光(例えば、発散光、集束光、または略平行光)1105として第2レンズ要素1104から出ること、を可能とするよう構成される。

さらなる実施形態において、レンズ要素(1102、1104)の組み合わせは略ゼロの正味出力を生成する。要素(1102、1104)間の距離(例えば、間隔)1103を変化させることにより、レンズ要素1104から出る光1105の出力は変化され得る。例えば、間隔1103は、圧電要素、モータ駆動要素、または温度制御要素等の様々な方法および/または機構により変化され得る。

代表的な実施形態において、レンズ要素(1102、1104)は、波面の出力を調節するために軸に沿って光1101と位置合わせされた軸上球面要素として構成され得る。さらなる実施形態において、レンズ要素(1102、1104)は、波面の非点収差を調節するために軸に沿って光1101と位置合わせされた軸上球面要素として構成され得る。さらに、結果として生じた出射光1105の波面を変更するために相互に対して近接して配置されたレンズ要素間の可変間隔を用いることによる補正の他の例も可能である。

図12を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図が示される。本開示の代表的な実施形態において、ビーム補正システム1200は第1レンズ要素(例えば、第1レンズ)1202および第2レンズ要素1203を備え得る。なお、これらのレンズ要素(1202および1203)は相互に対して動作可能に結合される。さらなる実施形態において、ビーム補正システム1200は入力光1201を受容するよう構成される。例えば、入力光1201は、発散光、集束光、または、略平行光であり得る。さらなる実施形態において、受容される光1201は第1レンズ要素1202を通過し得る。さらに、第1レンズ要素1202を通過した後、光1201は集束により誘導され、次いで、第2レンズ要素1203により集光され得る。代替的な実施形態において、光1201は第1レンズ要素1202を通過し、集束により誘導されることなく第2レンズ要素1203に誘導され得る。次いで、光1201は出射光1207として第2レンズ要素1203を通過し(例えば、出)得る。例えば、出射光1207は、発散光、集束光、または、略平行光であり得る。

代表的な実施形態において、これらのレンズ要素(1202、1203)の組み合わせは略ゼロの正味出力を生成し得る。要素(1202、1203)間の距離(例えば、間隔)を変化させることにより、出射光1207の出力は変化され得る。さらなる実施形態において、第2レンズ要素1203はビーム補正システム1200の平行移動要素1204に接続(例えば、搭載)され得る。ビーム補正システム1200の位置決め要素1205は平行移動要素1204に接続され得る。さらに、位置検出要素1206は平行移動要素1204および位置決め要素1205に接続され得る。第2レンズ要素1203の位置(例えば、第1レンズ要素1202に対する)は、平行移動要素1204、位置決め要素1205、および位置検出要素1206を介して、設定、変化、および/または制御され得る。なお、これらの平行移動要素1204、位置決め要素1205、および位置検出要素1206は閉フィードバックループを介して動作可能に連結される。位置決め要素1205および平行移動要素1204は、圧電要素、モータ駆動要素、温度制御要素、および/または平行移動ステージを含む様々な方法および/または機構を実装し得る。上記において説明された前述の例の場合と同様に、光学要素(1202、1203)は軸に沿って光1201と位置合わせされた軸上球面要素であり、波面の出力を調節するよう構成され得る。代替的に、光学要素(1202、1203)は軸に沿って光1201と位置合わせされた軸上円筒形要素であり、波面の非点収差を調節するよう構成され得る。さらなる実施形態において、相互に対して近接して配置されたレンズ要素間の可変間隔を実装する他の機構が、結果として生じた出射光1207の波面に対して補正(例えば、変更)を提供するために利用され得る。

図13を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるビーム補正システムの実施形態のうちの1つまたは複数において使用されるための代表的な傾斜光学要素(例えば、傾斜レンズ要素、傾斜レンズ)の概略ブロック図が示される。本開示の代表的な実施形態において、傾斜レンズ要素1302は、入力光1301(例えば、発散光、集束光、または略平行光)が傾斜レンズ要素1302を通過することが可能となるよう、構成され得る。傾斜レンズ要素1302は、入力光1301が傾斜レンズ要素1302を通過し出射光1304として傾斜レンズ要素1302から出るとき、出射光1304が発散光、集束光、または略平行光となり得るよう、さらに構成され得る。例えば、図13において示される例示的な実施形態において、入力光1301は発散光である一方、出射光1304は略平行光である。さらなる実施形態において、2つ以上の傾斜レンズ要素1302が、本明細書において説明されるビーム補正システムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る。

本開示の代表的な実施形態において、光学要素1302は、出射光1304の波面の非点収差を変更するために、様々な角度(参照番号1303で示される)の範囲内で傾斜されるよう構成され得る。上記において説明された前述の例の場合と同様に、傾斜光学要素1302は(非傾斜時)、軸上球面要素であり得る。なお、この軸上球面要素は、最初は、光軸に沿って入力光1301に対して位置合わせされた状態にある。代替的に、光学要素1302も、円筒形表面またはその他の非球面形状(単数または複数)を有し得る。さらに、傾斜レンズ1302は、結果として生じた出射光1304の波面を変更するために、角度範囲に沿って傾斜され得る。

図14を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるビーム補正システムの実施形態のうちの1つまたは複数において使用されるための代表的な傾斜光学要素システムの概略ブロック図が示される。代表的な実施形態において、傾斜光学要素システム1400は第1光学要素1401および第2光学要素1403を備え得る。例えば、第1光学要素1401および第2光学要素1403はそれぞれ円筒形表面を備え得る。さらなる実施形態において、第1および第2光学要素(1401、1403)は、光を通すように構成され得る。例示的な実施形態において、光は図示されないが、図14が示されるページにまたはそのページから伝播するものとして視覚化され得る。第1の構成において、第1光学要素1401は第2光学要素1403に対して垂直配向され得る。例えば、第1の構成において、第1光学要素1401の円筒形構造は第1軸1402に沿って位置合わせされる一方で、第2光学要素の円筒形構造は第2軸1404に沿って位置合わせされ得る。なお、第1軸1402は第2軸1404に対して垂直である。

代表的な実施形態において、第1光学要素1401および第2光学要素が図14に示す相対的垂直配向にあるとき、正味非点収差はこれらの光学要素(1401、1403)を通過する光には含まれない。一方、第1傾斜光学要素1403等の光学要素のうちの1つ(または両方)が、傾斜光学要素1403であり、第1光学要素1401に対して角度(例えば、回転経路)1405だけ回転される(図14に示すように)と、波面における正味非点収差は最大非点収差が達成される(例えば、第2光学要素1403が第1光学要素1401に対して平行配列するまで移動する時点において)まで増加し得る。

図15を参照すると、本開示のさらなる実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、代表的なビーム補正システムの概略ブロック図が示される。代表的な実施形態において、ビーム補正システム1500は第1ミラー要素1502および第2ミラー要素1503を実装し得る。なお、第2ミラー要素1503は第1ミラー要素1502に動作可能に結合される。ビーム補正システム1500は、レーザシステムにより生成される波面(例えば、光、ビーム)の角度変化および横方向位置変化の両方を補正するよう構成される。

本開示の実施形態において、ビーム補正システム1500は入射光1501を受容するよう構成され得る。入射光1501は、付加的な角度を光1501に与える第1ミラー1502から反射され得る。さらに、光1501は次いで第2ミラー1503から反射され、それにより出射光1504が生成される。さらなる実施形態において、第1ミラー1502は、第2ミラー1503の近傍において横方向変位1506を生成するために、移動(小さい角度変化1505を介して)され得る。次いで、第2ミラー1503は小さい角度変化1507を生成し(例えば、作り)得る。正味角度変化は角度1505および角度1507の和であり得る。角度変化1507が角度変化1505に等しく角度変化1505に対して逆である場合、正味角度変化はまったく存在せず、純粋な変位(例えば、純粋な角度変化)1506が達成される。純粋な角度変化は、第1ミラー1502の角度を一定に保つ一方で第2ミラー1503の角度のみを変化させることにより、達成され得る。

図16を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、単一レンズシステムにおいて波面集束および波面非点収差を補正するためのシステムが示される。本開示の代表的な実施形態において、波面集束および非点収差補正システム1600は第1レンズ(例えば、球面レンズ)1602、第2レンズ(例えば、円筒レンズ)1604、および第3レンズ(例えば、円筒レンズ)1605を備え得る。なお、これらのレンズ(1602、1604、1605)は相互に対して動作可能に結合される。図16において示される例示的な実施形態において、入力光(例えば、発散光)1601はシステム1600により受容され、前記光が第3レンズ1605から略平行光1607として出るよう、レンズ(1602、1604、1605)のそれぞれを通過し得る。さらなる実施形態において、入力光1601は、発散光、集束光、または略平行であり得る一方、出射光1607は発散光、集束光、または略平行光であり得る。さらなる実施形態において、システム1600は付加的レンズ(例えば、レンズ要素)を備え得、および/またはこれらのレンズ要素は図16において示されるものとは異なる構成/配列で配列され得る。

本開示の代表的な実施形態において、波面(例えば、光1601および/または1607)の集束は第1レンズ要素1602の位置1603を変化させることにより、変化され得る。例えば、要素1602は、本明細書において開示された前述の例において説明されたようにモータおよび/または圧電要素を介することを含む様々な方法でまたは様々な機構を介して位置決め(例えば、近接して位置決め)され得る。さらなる実施形態において、波面の非点収差は第3レンズ要素1605の位置1606を変化させることにより、変化され得る。レンズ要素1605は第1レンズ要素1601と同様の方法/機構を介して位置決めされ得る。本明細書において検討されるシステム1600は、波面集束および非点収差の両方を効果的に管理し得る。複数の収差補正も、本明細書において開示された前述の例において提示された技術の組み合わせを用いて、可能となり得る。

図17を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、本明細書において説明されるレーザシステムの実施形態のうちの1つまたは複数において実装され得る、単一レンズシステムにおいて波面集束および波面非点収差を補正するためのシステムが示される。代表的な実施形態において、波面集束および非点収差補正システム1700は第1レンズ(例えば、球面レンズ)1702、第2レンズ(例えば、円筒レンズ)1707、および第3レンズ(例えば、円筒レンズ)1708を備え得る。なお、これらのレンズ(1702、1707、1708)は相互に対して動作可能に結合される。さらなる実施形態において、第1レンズ1702は加熱組立体(例えば、加熱要素)1703に接続され(例えば、内部に含まれ)得る。さらに、第3レンズ1708は加熱組立体1709に接続され(例えば、内部に含まれ)得る。代表的な実施形態において、システム1700は第1ヒータ制御器1704および第2ヒータ制御器1710を備え得る。第1ヒータ制御器1704は第1加熱要素1703に接続され得る一方、第2ヒータ制御器1710は第2加熱要素1709に接続され得る。

代表的な実施形態において、入射光1701はシステム1700により受容され(例えば、入り)、第1レンズ1702、第2レンズ1707、および第3レンズ1708を通過し、出射光1713として第3レンズ1708から出得る。図17において示される例示的な実施形態において、入射光1701は発散光であり、出射光1713は略平行光である。一方、代替的な実施形態において、入射光1701は、集束光または略平行であり、出射光1713は集束光または発散光であり得る。さらなる実施形態において、図17において示されるものとは異なる(例えば、より多いまたはより少ない)個数のレンズ要素がシステム1700において実装され得る。さらなる実施形態において、システム1700のレンズ要素は、図17において示される配列とは異なる複数の構成または配列のうちの任意のいずれか1つにおいて構成され得る。

本開示の1つの実施形態において、レーザシステムの波面の集束は第1レンズ要素1702の温度を変化させることにより、補正システム1700を介して変化され得る。例えば、第1ヒータ制御器1704が電流1705を第1加熱要素1703に提供し、それにより、第1加熱要素1703は第1レンズ要素1702を加熱する。温度第1レンズ要素1702の温度は、第1レンズ要素1702、第1加熱要素1703、および第1ヒータ制御器1704が閉フィードバックループを介して接続されているという事実により、保持され得る。例えば、第1ヒータ制御器1704の温度検出要素は、第1レンズ要素1702および/または第1加熱要素1703の現在における温度の表示1706を受容し得る。受容した表示1706に基づいて、第1ヒータ制御器1704の温度検出要素は、第1レンズ要素1702を加熱することまたは第1レンズ要素1702の加熱を停止することのいずれかを行うことを第1加熱要素1703に行わせるための電流を提供することまたはその電流の供給を停止することを第1ヒータ制御器1704に行わせる。

代表的な実施形態において、レーザシステムの波面の非点収差は、第3レンズ要素1708の温度を変化させることにより、補正システム1700により変化され得る。例えば、第2ヒータ制御器1710は電流1711を第2加熱要素1709に提供し、それにより、第2加熱要素1709は第3レンズ要素1708を加熱する。第3レンズ要素1708の温度は、第3レンズ要素1708、第2加熱要素1709、および第2ヒータ制御器1710が閉フィードバックループを介して接続されているという事実により、保持され得る。例えば、第2ヒータ制御器1710の温度検出要素は、第3レンズ要素1708および/または第2加熱要素1709の現在における温度の表示1712を受容し得る。受容した表示1712に基づいて、第2ヒータ制御器1710の温度検出要素は、第3レンズ要素1708を加熱することまたは第3レンズ要素1708の加熱を停止することのいずれかを行うことを第2加熱要素1709に行わせるための電流を提供することまたはその電流の供給を停止することを第2ヒータ制御器1710に行わせる。したがって、本明細書において説明され図17において示されるシステム1700は、波面集束および非点収差の両方を効果的に管理し得る。さらにシステム1700は、複数の収差補正を提供するシステム1700の能力を促進するための技術、機構、および/または方法の上記の組み合わせのうちの任意の1つまたは複数も実装し得る。さらなる実施形態において、システム1700は、位置決め要素と温度制御された要素とを並列的に実装し得る。

図18を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、複数のビームサンプリングサブシステムおよび複数のビーム補正サブシステムを含む複数段階周波数変換レーザシステムが示される。レーザシステム1801により生成された、生成された周波数のうちの2つ以上が用いられる場合、複数のビームサンプリングサブシステムおよび複数のビーム補正サブシステムが必要となり得る。

代表的な実施形態において、レーザシステム1801は、レーザ光(例えば、光)を生成(例えば、発生)するよう構成された基本レーザ1802を備える。基本レーザ1802は任意の標準的レーザ、固定レーザ、またはファイバレーザであり得る。代替的な実施形態において、光は、単に、外部光源により生成された基本光を伝達するファイバの出力であり得る。さらなる実施形態において、システム1801は、基本レーザ1802に接続された、集光および集束要素1803を備え得る。システム1801は、集光および集束要素1803に接続された2次高調波生成結晶システム1804をさらに備え得る。例えば、基本レーザ1802の出力は、集光および集束要素1803を介して、2次高調波生成結晶システム1804に集光および集束され得る。集光および集束要素1803は単一のレンズまたはミラー要素を単に備えるか、または集光および集束要素1803は複数のレンズまたはミラー要素を備え得る。

さらなる実施形態において、2次高調波生成結晶システム(例えば、2次高調波サブシステム)1804は、サブシステム1804の結晶を所望温度に保持するための加熱要素を備え得、サブシステム1804の結晶の環境を制御するための筐体をさらに備え得る。さらなる代表的な実施形態において、液体および気体を含む他の形態の周波数変換が用いられ得る。

本開示の1つの実施形態において、システム1800はさらにダイクロイック要素1805を備え得る。なお、このダイクロイック要素1805は2次高調波サブシステム1804に接続され、2次高調波光から基本光を分離するよう構成され得る。基本光はダイクロイック要素1805を通過し、ミラー1806から反射(例えば、反射)し、ビーム集光および成形サブシステム1809に誘導され得る。次いで、基本光はサンプリングサブシステム1807に進行し得る。図18において示される実施形態において、サンプリングサブシステム1807は部分反射ミラー1807を備え得る。一方、本明細書において開示されるサンプリング機構の他の例が、サンプリングサブシステム1807においてまたはサンプリングサブシステム1807の一部として、実装され得る。さらなる実施形態において、ビームサンプリングサブシステム1807からのサンプリングされた基本光は、システム1800のビーム診断サブシステム1808に進行し得る。代表的な実施形態において、ビーム診断サブシステム1808は、基本光、2次高調波光、および4次高調波光に対して作用し得る。次いで、ビームサンプリングサブシステム1807からのサンプリングされていない光は、1810においてレーザシステム1801から出得る。

本開示の代表的な実施形態において、2次高調波光は、ダイクロイック要素1805から反射し、ミラー1811からも反射し、次いで、集光および集束要素1812を介して、4次高調波生成結晶システム1813に集光および集束され得る。集光および集束要素1812は、単一のレンズまたはミラー要素を単に備えるか、または複数の要素を備える。4次高調波サブシステム1813は、サブシステム1813の結晶を所望温度に保持するための加熱要素を備え、サブシステム1813の結晶の環境を制御するための筐体も備え得る。さらなる代表的な実施形態において、液体および気体を含む他の形態の周波数変換が用いられ得る。

本開示の実施形態において、ダイクロイック要素1814は4次高調波光から2次高調波光を分離するために利用され得る。2次高調波光はダイクロイック要素1814から反射し、次いで、ビーム集光および成形要素1816に進行し得る。次いで、2次高調波光はサンプリングサブシステム1815に進行し得る。例示的な実施形態において、サンプリングサブシステム1815は部分反射ミラーを備えるが、さらなる実施形態においては他のサンプリング装置または機構が実装され得る。さらなる実施形態において、サンプリングサブシステム1815からのサンプリングされた2次高調波光は、次いでビーム診断サブシステム1808に進行し得る。次いで、ビームサンプリングサブシステム1815からのサンプリングされていない光1817はレーザシステム1801から出得る。本開示の代表的な実施形態において、4次高調波光はダイクロイック要素1814から進行(例えば、通過)し、ビーム集光および成形サブシステム1818に誘導され、次いでビームサンプリングサブシステム1819に誘導される。次いで、ビームサンプリングサブシステム1819はサンプリングされた基本光をミラー1820に誘導し、サンプリングされた基本光はミラー1820から反射しビーム診断サブシステム1808に誘導され得る。さらに、ビームサンプリングサブシステム1819を通過するサンプリングされていない光1821はレーザシステム1801から出得る。

図19を参照すると、本開示のさらなる代表的な実施形態に係る、レーザシステムにおけるビーム補正を提供するための方法を示すフローチャートが示される。方法1900は、レーザシステムのレーザ光源から放射される光の1部分をレーザシステム1902のビームサンプリング装置に誘導するステップを含み得る。方法1900は、放射光のその部分を、ビームサンプリング装置を介してサンプリングし、サンプリングされた光の部分をレーザシステム1904のビーム診断システムに提供するステップをさらに含み得る。方法1900は、放射光のサンプリングされた部分のパラメータの現在状態を、ビーム診断システムを介して測定し、パラメータの測定された状態をレーザシステム1906のビーム補正システムに提供するステップをさらに含み得る。方法1900は、パラメータの測定された状態を、レーザシステム1908のビーム補正システムを介して、放射光に対するパラメータの所望の状態に対して比較するステップをさらに含み得る。方法1900は、所望の波面1910を取得するために、ビーム補正システムを介して、前記比較に基づいてレーザシステムに補正を提供するステップをさらに含み得る。

前記に開示された方法におけるステップの特定の順序または階層は代表的なアプローチの例であることが理解されるであろう。設計上の選好に基づいて、方法におけるステップの特定の順序または階層は、本発明の範囲から逸脱することなく、再編可能であることが理解される。添付の方法請求項は、様々なステップの要素を1つの順序例において提示するものであり、提示された特定の順序または階層への限定を意図するものではない。

本発明およびそれに付随する利点の多くは、前述の説明により理解されるであろう。様々な変更例が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、または本発明の物質的利点の必ずしも全部を犠牲にすることなく、本発明の構成要素の形態、構成、および配列において可能であることが明白となることも考えられる。本明細書において前述の形態は本発明の説明的な実施形態に過ぎず、係る変更例を網羅し含むことは以下の請求項は意図するところである。

Claims (20)

  1. 光を生成および放射するよう構成されたレーザ光源と、
    前記レーザ光源に動作可能に連結され、且つ前記放射された光の1部分を選択的にサンプリングするよう構成された、ビームサンプリング装置と
    前記ビームサンプリング装置に動作可能に連結され、且つ前記放射された光の前記サンプリングされた部分を受容することと前記放射された光の前記サンプリングされた部分のパラメータの現在状態を測定することとを実行するよう構成された、ビーム診断システムと、
    前記ビーム診断システムに動作可能に連結され、且つ前記ビーム診断システムから前記測定された状態を取得することと、前記パラメータの前記測定された状態を、前記放射された光に対する前記パラメータの所望の状態に対して比較することと、前記比較に基づいて前記レーザシステムに補正を提供することとを実行するよう構成された、ビーム補正システムと、
    を備えるレーザシステム。
  2. 前記パラメータは、前記放射された光の前記サンプリングされた部分のビームウェスト位置および前記放射された光の前記サンプリングされた部分の非点収差のうちの1つである、請求項1に記載のレーザシステム。
  3. 前記ビーム診断システムは、レンズアレイおよびアパーチャアレイのうちの1つを利用する波面センサを備える、請求項1に記載のレーザシステム。
  4. 前記ビーム診断システムは、前記放射された光の前記サンプリングされた部分のビームプロファイルを測定するよう構成されたM2乗(M2)測定システムを備える、請求項1に記載のレーザシステム。
  5. 前記ビーム補正システムはレンズまたはミラー要素のうちの1つを含む、請求項1に記載のレーザシステム。
  6. 前記ビームサンプリング装置はホログラフィックビームサンプリング装置および部分透過ミラーのうちの1つである、請求項1に記載のレーザシステム。
  7. 前記ビームサンプリング装置は、部分反射表面である第1表面を備える基板である、請求項1に記載のレーザシステム。
  8. 前記レンズまたはミラー要素は、前記補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、第1位置から第2位置に移動される、請求項5に記載のレーザシステム。
  9. 前記レンズまたはミラー要素の温度は、前記補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、第1温度から第2温度に変化される、請求項5に記載のレーザシステム。
  10. 前記レンズまたはミラー要素の傾斜角および前記レンズまたはより多くの要素の回転角のうちの少なくとも1つは、前記補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、調節される、請求項5に記載のレーザシステム。
  11. モータ装置、圧電装置、または電歪装置のうちの1つが第1位置から第2位置に前記レンズまたはミラー要素を移動させるために利用される、請求項5に記載のレーザシステム。
  12. 前記レンズまたはミラー要素は回転対称表面を備え、前記回転対称表面のうちの1つは円筒形プロファイルを有する、請求項5に記載のレーザシステム。
  13. 前記基板は反射防止物質でコーティングされた第2表面を備える、請求項7に記載のレーザシステム。
  14. 前記部分反射表面は非コーティングガラス、石英ガラス、フッ化カルシウム、およびフッ化マグネシウムのうちの1つである、請求項7に記載のレーザシステム。
  15. 前記ビーム補正システムは、2つのレンズまたは2つのミラー要素のうちの1つを備える、請求項1に記載のレーザシステム。
  16. 前記2つのレンズまたは2つのミラー要素間の相対的間隔は、前記補正が所望の波面を取得するために提供されるとき、変化される、請求項15に記載のレーザシステム。
  17. 前記2つのレンズまたは2つのミラー要素のそれぞれが円筒形表面を備える、請求項15に記載のレーザシステム。
  18. 前記2つのレンズまたは2つのミラー要素は、前記補正が所望の波面を達成するために提供されるとき、前記2つのレンズまたはミラー要素の円筒形表面が相互に対して直交方向に整列される第1方向と、前記2つのレンズまたはミラー要素の前記円筒形表面が相互に対して平行方向に整列される第2方向と、の間で回転される、請求項17に記載のレーザシステム。
  19. ビーム補正をレーザシステムにおいて提供するための方法であって、
    前記レーザシステムのレーザ光源から放射される光の1部分を前記レーザシステムのビームサンプリング装置に誘導するステップと、
    前記放射された光の部分を、前記ビームサンプリング装置を介してサンプリングし、前記サンプリングされた光の部分を前記レーザシステムのビーム診断システムに提供するステップと、
    前記放射された光の前記サンプリングされた部分のパラメータの現在状態を、前記ビーム診断システムを介して測定し、前記パラメータの前記測定された状態を前記レーザシステムのビーム補正システムに提供するステップと、
    前記パラメータの前記測定された状態を、前記レーザシステムの前記ビーム補正システムを介して、前記放射された光に対する前記パラメータの所望の状態に対して比較するステップと、
    所望の波面を取得するために、前記ビーム補正システムを介して、前記比較に基づいて前記レーザシステムに補正を提供するステップと、
    を含む方法。
  20. 基本光を生成および放射するよう構成されたレーザ光源と、
    前記レーザ光源に動作可能に連結され、且つ前記放射された光の1部分を選択的にサンプリングするよう構成された、ビームサンプリング装置と、
    前記ビームサンプリング装置に動作可能に連結され、且つ前記放射された光の前記サンプリングされた部分を受容することと前記放射された光の前記サンプリングされた部分の波面パラメータの現在状態を測定することとを実行するよう構成され、ただし前記波面パラメータは、前記放射された光の前記サンプリングされた部分のビームウェスト位置および前記放射された光の前記サンプリングされた部分の非点収差のうちの1つである、ビーム診断システムと、
    前記ビーム診断システムに動作可能に連結され、レンズまたはミラー要素のうちの少なくとも1つを備え、前記測定された状態を前記ビーム診断システムから取得することと、前記波面パラメータの前記測定された状態を前記放射された光に対する前記波面パラメータの所望の状態に対して比較することと、前記比較に基づいて補正を前記レーザシステムに提供することとを行うよう構成された、ビーム補正システムと、
    を備えるレーザシステム。
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