JP2014528641A - レーザー維持プラズマ光源向けプラズマ・セル - Google Patents

Abstract

選択された放射波長に対して実質上透明なガラス材料で形成された、プラズマ電球と、該電球に動作可能に連結され、該ガス電球の第１の部分に設けられたガス・ポート組立体であって、該電球が、該ガス・ポート組立体を介して、ガス源からガスを選択的に受け取るよう構成されたガス・ポート組立体とを備える、レーザー維持プラズマ光源での使用に適した再充填可能なプラズマ・セル。

Description

本発明は一般に、プラズマ・ベース光源に関し、より詳細には、レーザー維持プラズマ・セルにおけるガス・バルブ構成および電極構成に関する。

常に小型化するデバイス形状の集積回路への需要が高まり続けるにつれて、これらの常に小型化するデバイスの検査に用いられる改良された照明光源に対する必要性が高まり続けている。こうした光源の１つが、レーザー維持プラズマ光源である。レーザー維持プラズマ光源（ＬＳＰ）は、高出力広帯域光を発することができる。レーザー維持光源は、アルゴン、キセノン、水銀などのガスを、光を発することができるプラズマ状態に励起するよう、ガスの塊にレーザー光線を合焦することによって作動する。この効果は通常、「プラズマのポンピング」と呼ばれる。プラズマを発生させるのに使用されるガスを封じ込めるため、実施しているプラズマ・セルは、生成されたプラズマの他、ガス種を封じ込めるよう構成された、「電球」を必要とする。

典型的なレーザー維持プラズマ光源は、およそ数キロワットのビーム出力を有する赤外レーザー・ポンプを用いて維持されうる。次に、該レーザー・ベース照明光源からのレーザー光線は、プラズマ・セル内の低圧または中圧ガスの塊に合焦される。次に、プラズマによるレーザー出力の吸収により、プラズマが発生および維持される（例：１２Ｋ−１４Ｋプラズマ）。典型的には、プラズマ・セルは、該プラズマ・セルにおけるプラズマ発生を開始するのに用いられる１対の電極を含む。例えば、所定のプラズマ・セルの該電極は、該プラズマ・セル内でのプラズマ発生を開始するのに適切なアーク放電またはコロナ放電を発生することができる。

米国特許第７７０５３３１号 米国特許出願公開第２００９／０３２２２４０号

ポンピング出力が上がり続け、プラズマがより大きく、かつより高温になるにつれ、ガラス・セル内での温度管理はより困難になる。一般的に、放射、対流などのいくつかの機構によって、プラズマは冷却される。同様に、プラズマの冷却により、ガス・セル内の領域が加熱されうる。さらに、プラズマは、同様に、放射的または伝導的にプラズマ・セルのガラス電球を加熱する、電極を加熱するためのいくつかの機構も含む。

プラズマ・セルのガラス容器が、該プラズマ・セルの電球のガラス壁の軟化点を超えた温度に達すると、該セルは、作動中（もしくは冷却後）に破裂するおそれがある。そのため、先行技術で確認されている欠陥を修正するプラズマ・セルを提供することが望ましい。

レーザー維持プラズマ光源での使用に適した再充填可能なプラズマ・セルが開示される。１つの態様では、該再充填可能なプラズマ・セルは、選択された放射波長に対して、実質上透明なガラス材料から形成されたプラズマ電球と、該電球に動作可能に連結され、前記ガス電球の第１の部分に設けられたガス・ポート組立体であって、該電球が、該ガス・ポート組立体を介して、ガス源から選択的にガスを受け取るよう構成された、ガス・ポート組立体とを含んでいてもよいが、これらに限定されない。

レーザー維持プラズマ光源で使用するためのヒート・パイプを備えたプラズマ・セルが開示される。１つの態様では、該プラズマ・セルは、選択された放射波長に対して、実質上透明なガラス材料から形成されたプラズマ電球と、該電球内に設けられ、該電球内でプラズマ発生を開始するよう構成された１つまたは複数の電極と、該１つまたは複数の電極との熱交換を行い、さらに熱交換器との熱交換を行うヒート・パイプと、該プラズマ電球内から該プラズマ電球の外側にある媒体に熱エネルギーを移動するよう構成された該熱交換器とを含んでいてもよいが、これらに限定されない。

レーザー維持プラズマ光源で使用する１つまたは複数の放射線遮蔽を備えたプラズマ・セルが開示される。１つの態様では、該プラズマ・セルは、選択された放射波長に対して、実質上透明なガラス材料から形成されたプラズマ電球であって、プラズマ発生に適したガスを封じ込めるよう構成された、プラズマ電球と、該電球内に設けられ、該電球内でプラズマ発生を開始するよう構成された１つまたは複数の電極と、該１つまたは複数の電極上に設けられた１つまたは複数の放射線遮蔽であって、該プラズマ電球内のプラズマ領域によって放出される放射線から、該電球の該ガラス材料を保護するよう構成された、１つまたは複数の放射線遮蔽とを含んでいてもよいが、これらに限定されない。

レーザー維持プラズマ光源での使用に適した無電極プラズマ・セルが開示される。１つの態様では、該プラズマ・セルは、選択された放射波長に対して、実質上透明なガラス材料から形成されたプラズマ電球であって、プラズマ発生に適したガスを封じ込めるよう構成された、プラズマ電球と、該プラズマ電球内のプラズマ発生領域であって、ポンピング・レーザーからの放射線の吸収を介して、該電球内でプラズマを開始するよう構成され、該プラズマ電球が電極なしで該プラズマを開始するよう構成された、プラズマ発生領域とを含んでいてもよいが、これらに限定されない。

上述の一般的な説明と、以下に述べる詳細な説明は具体例であって、例示だけを目的としており、特許請求されている本発明の範囲を必ずしも限定するものではないことが理解されよう。本明細書に記載され、本明細書の一部を構成する、添付の図面は、本発明の実施例を図示し、上述の一般的な説明と共に、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本開示の多くの利点は、以下に示す添付の図面を参照することで、当業者によってよりよく理解されよう。
本発明の一実施例による再充填可能なプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、ヒート・パイプを有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、１つまたは複数の電極上に設けられた少なくとも放射線遮蔽を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、少なくとも１つの凹型電極を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、電球の上部を保護するよう構成された実質上平坦な電極を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、プラズマ電球の中心に対して、中心から外れて配列された１つまたは複数の電極を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、実質上フィラメント状の電極を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、実質上球状のプラズマ電球を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、実質上心臓形のプラズマ電球を有するプラズマ・セルの簡略化された概略図である。 本発明の一実施例による、無電極プラズマ・セルの簡略化された概略図である。

ここで、添付の図面に図示されている、開示されている主題を詳細に参照する。

図１から図６までを全般的に参照すると、レーザー維持プラズマ光源での使用に適したプラズマ・セルは、本発明により説明される。１つの態様では、本発明は、所定のプラズマ・セル内での圧力制御およびガス混合物制御を可能とする再充填可能なプラズマ・セルに関する。別の態様では、本発明は、該プラズマ・セルのガス電球内に封じ込められた該プラズマに関連する冷却機構を制御するよう設計されたプラズマ・セルに関する。更に別の態様では、本発明は、該所定のプラズマ・セルの１つまたは複数の電極に関連する該冷却機構の制御に関する。該プラズマおよびプラズマ・セルの電極に関連する該冷却機構を制御することにより、該プラズマ・セルの該電球のガラス温度を許容動作限界内で制御でき、それにより、該プラズマ・セルの該電球の機能不全の可能性を最小限に抑えることができる。

本発明のプラズマ・セルは、選択された形状を有し、ポンピング・レーザー源およびプラズマからの広帯域放出からの照明の少なくとも一部に対して、実質上透明なガラス材料から形成されたプラズマ電球を含む。一部の実施例では、本発明のプラズマ・セルはさらに、プラズマの電球でのプラズマ発生を開始するのに使用されるプラズマ・セルの電球内に設けられた１つまたは複数の電極を含む。その他の実施例では、本発明のプラズマ・セルは、電極なしでプラズマ発生を開始するよう構成される。

不活性ガス種内でのプラズマ発生は一般に、米国特許出願番号第１１／６９５，３４８号（２００７年４月２日出願）、米国特許出願番号第１１／３９５，５２３号（２００６年３月３１日出願）で説明されており、これらはすべてその全体が、本明細書に組み込まれている。

図１は、本発明の一実施例による、レーザー維持プラズマ光源での使用に適した再充填可能なプラズマ・セル１００を示す。１つの態様では、プラズマ・セル１００は、プラズマ電球１０２の一部に動作可能に連結されたガス・ポート組立体１０５を含んでいてもよい。例えば、本発明のプラズマ・セル１００は、電球１０２の底部に機械的に連結され、かつ、ガス源からプラズマ・セル１００の電球１０２の内部領域１０４へのガスの選択的移動を促進するよう構成されたガス・ポート組立体１０５を含んでいてもよい。

１つの実施例では、ガス・ポート組立体１０５は、充填ポート１０７と、供給キャップ１０３と、受入キャップ１０８と、供給キャップ１０３を受入キャップ１０８に機械的に固定するのに適したクランプ１１０とを含んでいてもよい。これに関して、クランプ１１０を利用して供給キャップ１０３と受入キャップ１０８間に密封が確立されてもよい。別の態様では、ガス源（図示せず）からのガスは、ガス・ポート組立体１０５の充填ポート１０７を介して、該ガス源からガラス電球１０２の内部の塊１０４に輸送（つまり、流入）されてもよい。別の実施例では、充填ポート１０７、供給キャップ１０３、受入キャップ１０８およびクランプ１１０はそれぞれ、選択された金属（ステンレス鋼など）から構成されてもよい。

別の態様では、再充填可能なプラズマ・セル１００は、プラズマ・セル１００の電球１０２内のガス圧の調整を可能とする。これに関して、所定の用途に必要な選択された圧力にまでガス電球１０２を充填するのに、ガス制御システム（図示せず）を用いてもよい。また、電球１０２内の圧力を解放するのに、ガス制御システムを用いてもよい。さらに、電球１０２内のガス圧は、ガス・ポート組立体１０５の充填ポート１０７に動作可能に連結されたガス流量調節器（図示せず）を介して、使用者によって手動で制御されてもよいことが考えられる。

別の態様では、再充填可能なプラズマ・セル１００は、プラズマ・セル１００の電球１０２内でのガスの種類の切り替えを可能とする。これに関して、使用者または通信可能に連結された制御システムは、ガス・ポート組立体１０５の充填ポート１０７を用いて、電球１０２内に封じ込められたガスの種類を切り替えることができる。別の実施例では、プラズマ・セル１００内の所定のガス混合体の相対成分は、ガス・ポート組立体１０５によって管理されてもよい。例えば、電球内のガスの種類（または、ガス混合体内の成分の相対量）は、プラズマ・セル１００の所定のニーズに基づいて切り替えられてもよい。例えば、電球１０２内のプラズマの点火に必要な最適なガス（またはガス混合体）は、プラズマ・セル１００の所定の動作モードに最適なガスの種類とは異なっていてもよい。そのようなものとして、電球１０２内のプラズマ１０６の点火の後、初期点火ガスをその後の動作ガスに置換するのに、ガス・ポート組立体１０５を用いてもよい。

本明細書において、様々なガス環境でプラズマを維持するのに、本発明の再充填可能なプラズマ・セル１０２を用いてもよいことが考えられる。１つの実施例では、プラズマ・セルのガスは、不活性ガス（例：希ガスまたは非希ガス）または非不活性ガス（例：水銀）を含んでいてもよい。例えば、本明細書において、本明細書のガスの塊は、アルゴンを含んでいてもよい。ことが予想される。例えば、該ガスは、５ａｔｍを超える圧力に保持される実質上純粋なアルゴンを含んでいてもよい。別の例では、該ガスは、５ａｔｍを超える圧力に保持される実質上純粋なクリプトンを含んでいてもよい。一般的に、ガラス電球１０２には、レーザー維持プラズマ光源での使用に適した、当技術分野で周知のどのガスを充填してもよい。さらに、充填ガスは、１つまたは複数のガスの混合体を含んでいてもよい。ガス電球１０２を充填するのに使用されるガスは、Ｘｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｈｅ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、Ｈ_２、Ｄ_２、Ｆ_２、ＣＨ_４、１つまたは複数の金属ハロゲン化物、ハロゲン、Ｈｇ、Ｃｄ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎａ、Ａｒ：Ｘｅ、ＡｒＨｇ、ＫｒＨｇ、ＸｅＨｇなどを含んでいてもよいが、これらに限定されない。一般的に、本発明は、どの光ポンプ・プラズマ発生システムにまで拡張されるものと解釈されるべきであり、さらに、プラズマ・セル内のプラズマを維持するのに適したガスのどの種類にも拡張されるものと解釈されるべきである。

１つの実施例では、プラズマ・セル１００は、プラズマ・セル１００の電球１０２内に設けられた１つまたは複数の電極（図１には図示せず）を含んでいてもよい。該１つまたは複数の電極は、電球１０２でプラズマ１０６の発生を開始するよう構成されてもよい。本実施例の該１つまたは複数の電極の特定の構成は、本明細書においてさらに詳細に説明される。代替実施例では、プラズマ・セル１００は、電極なしで、プラズマ１０６の発生を開始するよう構成されてもよい。本構成では、プラズマ・セル１００は、電極なしでもよい。

別の態様では、該プラズマ・セルの電球１０２は、レーザーなどの関連する照明源からの照明およびプラズマ１０６からの放出の１つまたは複数の選択された波長（または、波長帯）に対して実質上透明なガラスなどの材料で形成されてもよい。該ガラス電球は、様々なガラス材料で形成されてもよい。一部の実施例では、ガラス電球１０２は、ＯＨ低含有人工溶融水晶ガラス材料で形成されてもよい。その他の実施例では、ガラス電球1０２は、ＯＨ高含有人工溶融シリカ・ガラス材料で形成されてもよい。例えば、ガラス電球２０２は、ＳＵＰＲＡＳＩＬ １、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ２、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３００、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３１０、ＨＥＲＡＬＵＸ ＰＬＵＳ、ＨＥＲＡＬＵＸ−ＶＵＶなどを含んでいてもよいが、これらに限定されない。本発明のガラス電球に導入するのに適した様々なガラスは、Ａ． Ｓｃｈｒｅｉｂｅｒ ｅｔ ａｌ．，Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｑｕａｒｔｚ Ｇｌａｓｓ ｆｏｒ ＶＵＶ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ Ｌａｍｐｓ．Ｊ．Ｐｈｙｓ. Ｄ： Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．３８ （２００５）， ３２４２−３２５０において詳細に説明されており、これは、その全体が本明細書に組み込まれている。

本発明の別の態様では、プラズマ・セル１００のプラズマ１０６をポンピングするのに使用される照明源は、１つまたは複数のレーザーを含んでいてもよい。一般的に証明源は当技術分野で周知の任意のレーザーシステムを含んでもよい。たとえば、該照明源は、電磁スペクトラムの可視または紫外線部分で放射線を放出できる、当技術分野で周知の任意のレーザー・システムを含んでいてもよい。１つの実施例では、該照明源は、連続波（ＣＷ）レーザー放射を放出するよう構成されたレーザー・システムを含んでいてもよい。例えば、塊になっているガスがアルゴンか、もしくは、該ガスがアルゴンを含んでいる場合、該照明源は、１０６９ｎｍで放射線を放出するよう構成されたＣＷレーザー（例：ファイバー・レーザーまたはディスクＹｂレーザー）を含んでいてもよい。該波長が、アルゴンにおける１０６８ｎｍ吸収線に適しており、それ自体、特にガスのポンピングに便利であることに気付くであろう。本明細書において、ＣＷレーザーの上述の説明が限定されるものではなく、本発明に関して、当技術分野で周知のＣＷレーザーを実施してもよいことに気付くであろう。

別の実施例では、該照明源は、１つまたは複数のダイオード・レーザーを含んでいてもよい。例えば、該照明源は、プラズマ・セルのガスの種類の１つまたは複数の吸収線に対応した波長で放射線を放出する１つまたは複数のダイオード・レーザーを含んでいてもよい。一般的に、該ダイオード・レーザーの該波長が、当技術分野で周知の任意のプラズマの任意の吸収線（例：イオン性転位線）またはプラズマ発生ガス（例：高励起状態中性転位線）に調整されるように、実施に対して、該照明源のダイオード・レーザーが選択されてもよい。そのようなものとして、所定のダイオード・レーザーの選択（または、ダイオード・レーザーのセット）は、本発明のプラズマ・セルで用いられるガスの種類によって決まる。

別の実施例では、該照明源は、イオン・レーザーを含んでいてもよい。例えば、該照明源は、当技術分野で周知の希ガス・イオン・レーザーを含んでいてもよい。例えば、アルゴンベースのプラズマの場合、アルゴン・イオンのポンピングに用いられる照明源は、Ａｒ＋レーザーを含んでいてもよい。

別の一つの実施例では、該照明源は、１つまたは複数の周波数変換レーザー・システムを含んでいてもよい。例えば、該照明源は、１００ワットを超える電力レベルを有するＮｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＬＦレーザーを含んでいてもよい。別の実施例では、該照明源は、広帯域レーザーを含んでいてもよい。別の実施例では、該照明源は、変調レーザー放射またはパルス・レーザー放射を放出するよう構成されたレーザー・システムを含んでいてもよい。

本発明の別の態様では、該照明源は、２つまたは複数の光源を含んでいてもよい。１つの実施例では、該照明源は、２つまたは複数のレーザーを含んでいてもよい。例えば、該照明源（もしくは複数の照明源）は、複数のダイオード・レーザーを含んでいてもよい。別の例を通じて、該照明源は、複数のＣＷレーザーを含んでいてもよい。さらなる実施例では、該２つまたは複数のレーザーのそれぞれは、プラズマ・セル内のガスまたはプラズマの異なる吸収線に調整されたレーザー放射を放出してもよい。

図２は、本発明の１つの実施例による、光維持プラズマ光源で使用されるヒート・パイプ２０４を備えたプラズマ・セル２００を示す。１つの態様では、プラズマ・セル２００は、電球１０２内に設けられた１つまたは複数の電極２０４（例：上電極および／または下電極）を含み、これにより、該１つまたは複数の電極２０４は、電球１０２内でプラズマ発生を開始するよう構成される。該１つまたは複数の電極２０４の特定の構成は、本明細書において、より詳細に説明される。

別の態様では、プラズマ・セル１００は、該１つまたは複数の電極２０４との熱交換に設けられたヒート・パイプ２０２を含む。さらに、ヒート・パイプ２０２は、熱交換器２０６との熱交換に設けられる。これに関して、ヒート・パイプ２０２は、プラズマ電球１０２内から熱エネルギーを、プラズマ・セル２００の電球１０２の外部にある領域に設けられた該熱交換器に伝達してもよい。該熱交換器はさらに、ヒート・パイプ２０２から受け取った熱エネルギーを、プラズマ電球１０２の外部にある媒体（例：ヒート・シンク）に伝達するよう構成される。

１つの実施例では、ヒート・パイプ２０２は、熱交換器２０６を介して、プラズマ電球１０２の１つまたは複数の電極２０４からの熱エネルギーを、プラズマ電球１０２の外部にある媒体に伝達するよう構成される。別の実施例では、ヒート・パイプ２０２は、熱交換器２０６を介して、プラズマ電球１０２のプラズマ領域１０６からガスを上がらせることによって発生されたプルーム（図２には図示せず）からの熱エネルギーを、プラズマ電球１０２の外部にある媒体に伝達するよう構成される。これに関して、ヒート・パイプ２０２は、電極２０４および／またはプラズマ領域１０６によって発生されたプルームからの熱エネルギーの伝達によって、プラズマ電球１０２を冷却するよう作用してもよい。

１つの実施例では、ヒート・パイプ２０２は、ヒート・パイプ２０２内に設けられた溶融物質の塊を含んでいる。１つの実施例では、ヒート・パイプ２０２は、ヒート・パイプ２０２内に設けられたガス物質の塊を含む。さらなる実施例では、該溶融またはガス物質の塊は、ヒート・パイプ２０２の「高温」端（つまり、電極と接触しているヒート・パイプの端）から、ヒート・パイプ２０２の「低音」端（つまり、熱交換器２０６と熱的接触しているヒート・パイプの端）へと拡張してもよい。

さらなる実施例では、ヒート・パイプ２０２は、相転移ベース・ヒート・パイプである。これに関して、ヒート・パイプ２０２は、材料の混合相を含んでいてもよい。例えば、「高温」の電極２０４インターフェースでは、ヒート・パイプ２０２内の該材料は、高温電極２０４から熱を吸収することで、溶融物質から、ガスへと変換してもよい。次に、該ガス物質は、熱エネルギーを該ヒート・パイプ物質の塊から熱交換器２０６に伝達することによって、「低音」の熱交換器２０６インターフェースへと移行し、該低音インターフェースで再度溶融状態に凝縮する。次に、該溶融物質は、該プロセスが繰り返されるポイントである重力作用、もしくは毛管現象のいずれかを通じて、該高温インターフェースに戻る。本明細書において、当技術分野で周知の任意のヒート・パイプは、本発明における実施に適していることに気付くであろう。

本明細書において、図１に関して、本明細書で上述の充填ガスの種類、ガラス・バルブ材料、およびレーザー・ポンピング源は、特に断りのない限り、本開示のプラズマ・セル２００にまで拡張されると解釈されるべきことに気付くであろう。また、本発明のプラズマ・セル２００のヒート・パイプは、再充填可能なプラズマ・セル１００構成（本明細書で上述の通り）において、もしくが再充填不可能なプラズマ・セルにおいて、実施されてもよいことが、さらに予想されよう。

図３は、本発明の１つの実施例による、光維持プラズマ光源で使用される１つまたは複数の放射線遮蔽を備えたプラズマ・セル３００を示す。１つの態様では、プラズマ・セル３００は、電極１０２内に設けられた１つまたは複数の電極３０４ａ、３０４ｂ（例：上電極３０４ａおよび／または下電極３０４ｂ）を含み、それにより、該１つまたは複数の電極３０４ａおよび３０４ｂは、電球１０２内でプラズマ発生を開始するよう構成される。該１つまたは複数の電極３０４ａおよび３０４ｂの特定の構成は、本明細書において、より詳細に説明される。

別の態様では、プラズマ・セル３００は、該１つまたは複数の電極３０４ａ、３０４ｂに、または、それらの近傍に連結された１つまたは複数の放射線遮蔽３０２ａおよび／または３０２ｂを含む。例えば、上放射線遮蔽３０２ａは、上電極３０４ａに連結されてもよい。これに関して、上電極３０４ａは、放射線遮蔽３０２ａの開口部を通過して、該電極が下電極３０４ｂへの電気路を可能としてもよい。同様に、下放射線遮蔽３０２ａは、下電極３０４ｂに連結されてもよい。このように、上放射線遮蔽３０４ａおよび／または下放射線遮蔽３０４ｂは、ガラス電球１０２の上部および下部に対して、放射線遮蔽を提供するよう作用してもよい。これに関して、放射線遮蔽３０４ａ／３０４ｂは、プラズマ・セル３００のプラズマ領域１０６から放出される放射線によってガラス電球１０２に対して生じる損傷を減らすよう作用してもよい。

さらなる態様では、放射線遮蔽３０４ａ／３０４ｂはまた、プラズマ・セル３００のプラズマ電球１０２内の規約電流の方向を変えるよう作用してもよい。これに関して、放射線遮蔽３０４ａ／３０４ｂは、プラズマ・セル１０２の高温プラズマ領域１０６から、ガラス電球１０２の低音の内面への高温ガスの流れに影響してもよい。これに関して、放射線遮蔽３０４ａ／３０４ｂは、該高温ガスによって生じる電球１０２への損傷を最小限に抑えるか、もしくは少なくとも減らすプラズマ電球内の領域に、対流を向けるよう構成されてもよい。放射線遮蔽３０２ａ／３０２ｂの特定の位置、サイズおよび厚さは、多くの要因によって決まってもよいことに。詳細には、該放射線遮蔽の様々な特性は、セル３００のガラス電球１０２に設定された動作限界によって決まってもよい。

また、本明細書において、図１に関して、本明細書で上述の充填ガスの種類、ガラス電球の種類、およびレーザー・ポンピング源は、特に断りのない限り、本開示のプラズマ・セル３００に拡張するよう解釈されるべきである。また、さらに、プラズマ・セル３００の放射線遮蔽は、本発明のプラズマ・セル２００において説明されたヒート・パイプの有無を問わず、実施されてもよいことが期待され、かつ、再充填可能なプラズマ・セル１００の構成（本明細書で上述の通り）、もしくは充填不可能なプラズマ・セルで実施されてもよい。

図４Ａ−４Ｄは、本発明における、実施に適したプラズマ・セル電極の一連の構成を示す。当業者は、レーザー維持プラズマ光源のプラズマ・セルは、該プラズマ・セル内でのプラズマの発生を開始するのに使用される、１つまたは複数の電極を含んでいてもよいことを認識するはずである。本明細書において、上述の電極構成は、本開示で説明された実施例（例：図１−３および図５Ａ−図５Ｂ）のいずれの組み合わせでも実施されてもよい。１つの実施例では、プラズマ・セルの１つまたは複数の電極は、該プラズマ・セルの該電球内でプラズマ発生を開始できるアーク放電を生成するのに使用されてもよい。別の実施例では、プラズマ・セルの該１つまたは複数の電極は、該プラズマ・セルの該電球内でプラズマ発生を開始できるコロナ放電を生成するのに使用されてもよい。次に、プラズマの種類は、プラズマの種類は、「ポンピング・レーザー」を用いて維持され、それによって選択された波長のレーザー光線は、該プラズマ・セルの該電球内のガスの塊に集中されてもよく、エネルギーは、該電球内の該ガスまたはプラズマの１つまたは複数の吸収線を通じて吸収される。

図４Ａは、凹状の上電極４１２を有するプラズマ・セル４１０を示す。１つの態様では、プラズマ・セル４１０は、プラズマ・セル４１０の電球１０２内のプラズマ領域１０６から放出される対流「プルーム」を捕らえ、向きを変えるのに適した凹状の上電極４１２を有する。凹状上電極４１２の凹部の特定の位置およびサイズは、多くの要因によって決まってもよい。詳細には、凹状の上電極４１２の特定の配置は、セル４１０のガラス電球１０２に設定された動作限界によって決まってもよい。この意味では、ガラス電球１０２の選択された部位の温度を最小限に抑える（もしくは、少なくとも減らす）ため、電極４１２の該位置およびサイズが選択されてもよい。

図４Ｂは、平坦な上電極４２２を有するプラズマ・セル４１０を示す。１つの態様では、プラズマ・セル４２０は、プラズマ領域１０６から電球１０２の上部を保護するのに適した小型で平坦な上電極４２２を含む。さらなる態様では、平坦な上電極４２２は、平坦な上電極４２２上に直接配置されたヒート・シンク（図示せず）との熱交換を行い、電極４２２から熱の効率的な除去を可能としてもよい。

図４Ｃは、１組の偏心電極４３２ａ、４３２ｂを有するプラズマ・セル４３０を示す。１つの態様では、上電極４３２ａは、下電極４３２ｂのオフセット方向とは反対の方向に、プラズマ・セル４３０の中心からオフセットされてもよい。１つの実施例では、オフセット電極４３２ａおよび４３２ｂは、ワイヤーで形成された電極を含んでいてもよい。別の実施例では、オフセット電極４３２ａおよび４３２ｂは、ホイルで形成された電極を含んでいてもよい。

図４Ｄは、１組の薄型電極４４２ａ、４４２ｂを有するプラズマ・セル４４０を示す。１つの実施例では、上および下電極４４２ａおよび４４２ｂは、ワイヤーで形成された電極を含んでいてもよい。別の実施例では、上および下電極４４２ａおよび４４２ｂは、ホイルで形成された電極を含んでいてもよい。本明細書において、ワイヤーベースの電極などの「薄型」電極は、プラズマ領域１０６から該電極への熱エネルギーの伝達を減らすのに役立ってもよい。

図５Ａ−５Ｂは、本発明での実施に適した代替のプラズマ電球の形状を示す。本明細書において、上述のプラズマ電球の形状は、図１の円筒形のプラズマ電球の形状とともに、本開示に記載の実施例（例：図１−３、４Ａ−４Ｄおよび図６の実施例）のいずれかの組み合わせで実施されてもよい。

図５Ａは、球状のプラズマ電球５０２を有するプラズマ・セル５００を示す。本明細書において、プラズマ電球５０２の該球状は、プラズマ発生照明の収差補償の必要性を減らすまたはなくしてもよい。図５Ｂは、本発明の代替実施例による、心臓型のプラズマ電球５１２を有するプラズマ・セル５１０を示す。１つの態様では、心臓型のプラズマ電球５１２は、プラズマ・セル５１０の塊１０４内で対流をむかわせるように構成された、ガラス電球５１２の内面上に設けられたピークを含んでも良い。

図１、５Ａおよび５Ｂは、再充填可能な電球（ガス・ポート組立体１０５を備える）において実施される様々なプラズマ電球の形状を示すが、本明細書において、本発明に記載のプラズマ電球の形状はそれぞれ、再充填不可能なプラズマ・セルにおいて実施されてもよい。

図６は、本発明の代替実施例による、無電極プラズマ・セル６００を示す。１つの態様では、プラズマ・セル６００は、１つまたは複数の電極なしでプラズマ発生を開始するよう構成される。これに関して、該プラズマ電球は、適切なガスが充填され、かつ、開始電極の必要性なしに、ポンピング・レーザーからの放射線の吸収を介して、プラズマ１０６が、プラズマ電球１０２内で発生されてもよいように、ポンピング・レーザー（図示せず）からの放射線を受け取ることができる。プラズマ・セルに電極がないことで、電球のガラスの１つの加熱源がなくなる、つまり、加熱された電極から、周囲の電球のガラス材料への熱の移動がなくなる。

出願者は、本開示の様々な実施例が、図６の無電極セル６００への適用であることを言及している。例えば、図６の無電極セル６００は、本開示に記載のどの電球の形状（例：円筒形１００、球状５００、および心臓型５１０）でも実施されてもよい。また、図３において記載されている放射線遮蔽は、無電極プラズマ・セル６００において実施されてもよい。さらに、無電極プラズマ・セル６００は、再充填可能なプラズマ・セルまたは再充填不可能なプラズマ・セルを含んでいてもよい。

さらなる態様では、プラズマ・セル１００に関して記載されている様々な充填ガス、レーザー源、および電球ガス材料は、図６の無電極セル６００にまで拡張されるものと解釈されるべきである。

本明細書に記載の主題は、その他の異なる構成要素内に含まれる、もしくは、その他の異なる構成要素に関連している異なる構成要素を示すことがある。このように示されている構造は、例示に過ぎず、実際、同じ機能を達成する、その他多くの構造が実施できうることが理解されるべきである。概念的な意味では、必要な機能が達成されるよう、同じ機能を達成するための構成要素の任意の配置は、効果的に「関連付け」される。従って、本明細書において、特定の機能を達成するよう組み合わされた任意の２つの構成要素は、構造または中間の構成要素に関係なく、必要な機能を達成するよう、相互に「関連付け」されているものと見ることができる。同様に、そのように関連付けられた任意の２つの構成要素も、必要な機能を達成するよう、相互に「連結されている」、または「結合されている」ものと見ることができ。かつ、そのように関連付けることができる任意の２つの構成要素も、必要な機能を達成するために、相互に「結合可能」であると見ることができる。結合可能な特定の例は、物理的に嵌合可能な、および／または物理的に相互に作用する構成要素および／または無線で相互に作用可能なおよび／または無線で相互に作用する構成要素および／または論理的に相互に作用するおよび／または論理的に相互に作用可能な構成要素を含むが、これらに限定されない。

本明細書に記載の本主題の特定の態様は示され、かつ記載されているが、本明細書において教示されているものに基づいて、本明細書に記載の該主題から逸脱することなく、変更および修正を加えうること、かつ、それゆえに、そのより広い態様において、本明細書に記載の該主題の趣旨および範囲内にあるように、添付された特許請求の範囲は、そのようなすべての変更および修正をその範囲内において、包含すべきであることが、当業者には明らかであろう。

本発明の特定の実施例が示されてきたが、本発明の種々の修正および実施例は、上述の開示の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者によってなされうることが明らかであろう。それに応じて、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。

本開示およびその付随する利点の多くは、上述の説明によって理解され、かつ、開示される主題から逸脱することなく、かつ、その重要な利点のすべてを犠牲にすることなく、構成要素の形態、構成および配置において、種々の変更を加えてもよいことが明らかであろうことが考えられる。記載の形態は、例示に過ぎず、かつ、下記の特許請求の範囲の意図は、このような変更を包含および内包することである。

さらに、本発明が、添付の特許請求の範囲によって定義されることが理解されよう。

Claims (46)

1. 選択された放射波長に対して実質上透明なガラス材料で形成された、プラズマ電球と、
   前記電球に動作可能に連結され、前記ガス電球の第１の部分に設けられたガス・ポート組立体であって、前記電球が、前記ガス・ポート組立体を介して、ガス源からガスを選択的に受け取るよう構成されたガス・ポート組立体とを備える、レーザー維持プラズマ光源での使用に適した再充填可能なプラズマ・セル。
2. 前記電球が、実質上円筒形および実質上球状の少なくとも１つを有する、請求項１に記載のプラズマ・セル。
3. 前記電球が、実質上心臓型を有する、請求項１に記載のプラズマ・セル。
4. 前記電球が、前記プラズマ電球内の対流を向かわせるように構成された、前記電球の内面上に設けられたピークを有する、請求項１に記載のプラズマ・セル。
5. 前記電球が無電極である、請求項１に記載のプラズマ・セル。
6. 前記電球内に設けられ、前記電球内でプラズマ発生を開始するように構成された、１つまたは複数の電極をさらに備える、請求項１に記載のプラズマ・セル。
7. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球内の対流プルームの捕獲および方向変更を行うように構成された凹状の電極を備える、請求項７に記載のプラズマ・セル。
8. 前記１つまたは複数の電極が、前記電球の上部を保護するように構成された実質上平坦な電極を備える、請求項７に記載のプラズマ・セル。
9. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の縦方向に沿って動作するフィラメント状の電極を備える、請求項７に記載のプラズマ・セル。
10. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の中心に関して、中心から外れて配置された電極を備える、請求項７に記載のプラズマ・セル。
11. 前記ガス・ポート組立体が、
    ガス・ポートと、
    供給キャップと、
    受入キャップを備え、前記供給キャップおよび受入キャップがガス源および前記プラズマ電球の内部間に密封状態を確立するように構成され、
    前記供給キャップおよび前記受入キャップを機械的に連結するように構成されたクランプとを備える、請求項１に記載のプラズマ・セル。
12. 前記ガスが、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４、１つまたは複数の金属ハロゲン化物、Ａｒ／Ｘｅ混合物、ＡｒＨｇ、ＫｒＨｇ、およびＸｅＨｇの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプラズマ・セル。
13. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＯＨ低含有人工溶融水晶ガラス材料およびＯＨ高含有人工溶融シリカ・ガラス材料の少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプラズマ・セル。
14. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＳＵＰＲＡＳＩＬ １、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ２、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３００、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３１０、ＨＥＲＡＬＵＸ ＰＬＵＳ、およびＨＥＲＡＬＵＸ−ＶＵＶの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のプラズマ・セル。
15. 選択された放射波長に対して実質上透明なガラス材料で形成された、プラズマ電球と、
    前記電球内に設けられ、前記電球内でプラズマ発生を開始するように構成された、１つまたは複数の電極と、
    前記１つまたは複数の電極と熱交換を行い、さらに、熱交換器と熱交換を行うヒート・パイプであって、前記熱交換器が、前記プラズマ電球内から、前記プラズマ電球の外部の媒体に熱エネルギーを伝達するように構成された、ヒート・パイプとを備える、レーザー維持プラズマ光源での使用に適したヒート・パイプを備えたプラズマ・セル。
16. 前記ヒート・パイプが、前記プラズマ電球の１つまたは複数の電極から、前記プラズマ電球の外部の媒体に熱エネルギーを伝達するように構成された、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
17. 前記ヒート・パイプが、前記プラズマ電球内のプラズマ領域から、前記プラズマ電球の外部の媒体に、ガスによって生成されたプルームからの熱を伝達するように構成された、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
18. 前記ヒート・パイプが、前記ヒート・パイプの外面内に溶融物質の塊を含む、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
19. 前記ヒート・パイプが、前記ヒート・パイプの前記外面内にガス物質の塊を含む、請求項１６に記載のプラズマ・セル。
20. 前記ヒート・パイプが、相転移ベースのヒート・パイプを備える、請求項１６に記載のプラズマ・セル。
21. 前記電球が、実質上円筒形、実質上球状、および実質上心臓型の少なくとも１つを有する、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
22. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球内の対流プルームの捕獲および方向変更を行うように構成された凹状の電極を備える、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
23. 前記１つまたは複数の電極が、前記電球の上部を保護するように構成された実質上平坦な電極を備える、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
24. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の縦方向に沿って動作するフィラメント状の電極を備える、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
25. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の中心に関して、中心から外れて配置された電極を備える、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
26. 前記ガスが、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４、１つまたは複数の金属ハロゲン化物、Ａｒ／Ｘｅ混合物、ＡｒＨｇ、ＫｒＨｇ、およびＸｅＨｇの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
27. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＯＨ低含有人工溶融水晶ガラス材料およびＯＨ高含有人工溶融シリカ・ガラス材料の少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
28. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＳＵＰＲＡＳＩＬ １、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ２、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３００、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３１０、ＨＥＲＡＬＵＸ ＰＬＵＳ、およびＨＥＲＡＬＵＸ−ＶＵＶの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のプラズマ・セル。
29. 選択された放射波長に対して実質上透明なガラス材料で形成され、プラズマ発生に適したガスを含むように構成された、プラズマ電球と、
    前記電球内に設けられ、前記電球内でプラズマ発生を開始するように構成された、１つまたは複数の電極と、
    前記１つまたは複数の電極に設けられた１つまたは複数の放射線遮蔽であって、前記１つまたは複数の放射線遮蔽が、前記電球の前記ガラス材料を、プラズマ電球内のプラズマ領域によって放出された放射線から、保護するように構成された、放射線遮蔽とを備える、レーザー維持プラズマ光源での使用に適した１つまたは複数の放射線遮蔽を備えたプラズマ・セル。
30. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の上部に設けられた上電極と、
    前記プラズマ電球の下部に設けられた下電極とを備える、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
31. 前記１つまたは複数の放射線遮蔽が、前記上電極に連結された上放射線遮蔽および前記下電極に連結された下放射線遮蔽の少なくとも１つを備える、請求項３０に記載のプラズマ・セル。
32. 前記１つまたは複数の放射線遮蔽が、前記プラズマ電球内の前記プラズマ領域からの対流電流の向きを変更するよう、さらに構成された、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
33. 前記電球が、実質上円筒形、実質上球状、および実質上心臓型の少なくとも１つを有する、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
34. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球内の対流プルームの捕獲および方向変更を行うように構成された凹状の電極を備える、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
35. 前記１つまたは複数の電極が、前記電球の上部を保護するように構成された実質上平坦な電極を備える、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
36. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の縦方向に沿って動作するフィラメント状の電極を備える、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
37. 前記１つまたは複数の電極が、前記プラズマ電球の中心に関して、中心から外れて配置された電極を備える、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
38. 前記ガスが、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４、１つまたは複数の金属ハロゲン化物、Ａｒ／Ｘｅ混合物、ＡｒＨｇ、ＫｒＨｇ、およびＸｅＨｇの少なくとも１つを含む、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
39. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＯＨ低含有人工溶融水晶ガラス材料およびＯＨ高含有人工溶融シリカ・ガラス材料の少なくとも１つを含む、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
40. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＳＵＰＲＡＳＩＬ １、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ２、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３００、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３１０、ＨＥＲＡＬＵＸ ＰＬＵＳ、およびＨＥＲＡＬＵＸ−ＶＵＶの少なくとも１つを含む、請求項２９に記載のプラズマ・セル。
41. 選択された放射波長に対して実質上透明なガラス材料で形成され、プラズマ発生に適したガスを含むように構成された、プラズマ電球と、
    前記電球内のプラズマ発生領域であって、前記プラズマ発生領域が、ポンピング・レーザーからの放射線の吸収を介して、前記電球内でプラズマを開始するように構成され、前記プラズマ電球が、電極なしで、前記プラズマを開始するように構成されたプラズマ発生領域とを備える、レーザー維持プラズマ光源での使用に適した無電極プラズマ・セル。
42. 前記電球が、実質上円筒形、実質上球状、および実質上心臓型の少なくとも１つを有する、請求項４１に記載のプラズマ・セル。
43. 前記プラズマ電球が、再充填可能なプラズマ電球および再充填不可能なプラズマ電球の少なくとも１つである、請求項４１に記載のプラズマ・セル。
44. 前記ガスが、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４、１つまたは複数の金属ハロゲン化物、Ａｒ／Ｘｅ混合物、ＡｒＨｇ、ＫｒＨｇ、およびＸｅＨｇの少なくとも１つを含む、請求項４１に記載のプラズマ・セル。
45. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＳＵＰＲＡＳＩＬ １、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ２、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３００、ＳＵＰＲＡＳＩＬ ３１０、ＨＥＲＡＬＵＸ ＰＬＵＳ、およびＨＥＲＡＬＵＸ−ＶＵＶの少なくとも１つを含む、請求項４１に記載のプラズマ・セル。
46. 前記プラズマ電球の前記ガラス材料が、ＯＨ低含有人工溶融水晶ガラス材料およびＯＨ高含有人工溶融シリカ・ガラス材料の少なくとも１つを含む、請求項４１に記載のプラズマ・セル。

Images