JP2017143308A - ビーム反転モジュールおよびそのようなビーム反転モジュールを有する光パワー増幅器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールは、第1の方向に伝搬する入来レーザビーム(28a)を受けて第1の方向とは異なる第2の方向に反射するための少なくとも1つの反射面(86)を備え、少なくとも1つの反射面は、少なくとも1つのミラーの高反射面(86)である。
【選択図】図3
Description
さらに、本発明は、ビーム反転モジュールを備えたレーザ機構の光パワー増幅器に関するものである。
米国特許出願公開第2010/0098120号によるレーザ機構は、たとえば半導体リソグラフィ用途で光源として使用される。
光パワー増幅器の一部分はビーム反転モジュールである。米国特許出願公開第2010/0098120号では、ビーム反転モジュールはプリズムとして設計されており、入来レーザビームがプリズムに入るレーザビーム入射面を有する。このプリズムがさらに有する第1の内部全反射(TIR:total internal reflection)面は、プリズムに入るレーザビーム受けて、これを第1のTIR面に対して約90°の角を成す第2のTIR面へ反射するためのものである。最後に、このプリズムはレーザビーム出口面を有し、第2のTIR面で反射されたレーザビームがレーザビーム出口面を通ってプリズムから出て来る。
具体的には、米国特許出願公開第2010/0098120号に開示されている光パワー増幅器によるビーム反転モジュールは、熱負荷が高くなって熱レンズ効果を被りやすい。高エネルギー密度の用途については、CaF2面は、劣化しないように保護するためにコーティングする必要がある。むき出しのCaF2面をコーティングによって改修すると、完全に反射されるビームが、面を通り抜けるビームよりもかなり強く吸収されるように作用することが判明している。そのため、TIRについては(少なくともCaF2の場合)吸収のレベルが強度に過小評価され、高い光学的負荷の下では、TIR面の熱的に誘起される変形が、レーザビーム特性の全体としての熱ドリフトに対する最も重要な原因のうちの1つであることに本発明者は気付いた。それに加えて、既知のビーム反転モジュールのプリズムは比較的大きくかさばったものであり、その結果、プリズムを通るレーザビームの光学的伝搬路は比較的長いものである。吸収が媒体を通る光の光学的伝搬路に比例するので、伝搬路が長ければ吸収が増加するわけである。
本発明のこの態様によるビーム反転モジュールがレーザビームを反転するために使用するのはTIR面ではなく、既知のビーム反転モジュールのTIR面のうち少なくとも1つを置換する少なくとも1つの高反射ミラーである。
TIR面での吸収が大きければ熱勾配が大きくなり、反射面の変形が熱的に誘起され、したがってレーザビームの波面も変形することになる。既知のビーム反転モジュールのTIR面を少なくとも1つの高反射性ミラーで置換することによって、熱レンズ効果を低減することができる。
下流のビーム偏向素子により、既知のビーム反転モジュールと同一の光学的機能を、既知のビーム反転モジュールの場合よりも熱レンズ効果のリスクを低減して得ることができる。
前述の改良の状況では、下流のビーム偏向素子は、入射面および出口面を有する透過性の光学素子であることがさらに好ましく、透過性の光学素子は、少なくとも1つの反射面で反射されたレーザビームに対して、レーザビームが入射面から出口面へ透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている。
さらに、前述の改良に伴う状況では、入射面および/または出口面は反射防止コーティングでコーティングされている。
反射防止コーティングにより、透過性のビーム偏向素子の入射面および/または出口面における反射によるレーザ光損失が低減する。
さらなる好ましい改良では、下流のビーム偏向素子はプリズムである。
この改良には、ビーム偏向素子の生産に関して単純設計という利点がある。
さらなる好ましい改良では、ビーム反転モジュールは、少なくとも1つの反射面の上流に配置された上流のビーム偏向素子をさらに備え、これによって入来ビームが第1の方向に偏向される。
上流のビーム偏向素子は、下流のビーム偏向素子の代わりに、または下流の偏向素子に加えて使用され得る。
下流のビーム偏向素子の場合と同様に、上流のビーム偏向素子は、好ましくは入射面および出口面を有する透過性の光学素子であって、入来レーザビームに対して、レーザビームが入来面から出口面へ透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている。
上流のビーム偏向素子は、好ましくはプリズムである。
さらなる好ましい改良では、上流のビーム偏向素子および下流のビーム偏向素子は、単一のモノリシック光学素子として、好ましくは単一のプリズムとして一緒に実施される。
さらなる好ましい改良では、少なくとも1つの反射面は第1の反射面であり、ビーム反転モジュールがさらに備える少なくとも1つの第2の反射面が、第1の反射面で反射されたレーザビームを受けて第1の方向とは異なる方向に反射し、少なくとも1つの第2の反射面は、少なくとも1つの第2のミラーの高反射面である。
前述の改良の状況では、第1のミラーおよび少なくとも1つの第2のミラーは、第1の反射面と少なくとも1つの第2の反射面の間に形成される角度を定義するベースプレート上に、光学的に接合されている。
さらに、第1のミラーおよび第2のミラーは、レーザビームが約40°〜約50°の範囲の入射角で、好ましくは約45°の入射角で第1の反射面および少なくとも1つの第2の反射面に当たるように配置されるのが好ましい。
本発明の第2の態様によれば、本発明の基をなす目的は、入来レーザビームが入るレーザビーム入射面を有するプリズムと、プリズムに入って来るレーザビームを受けるための第1のTIR面と、第1のTIR面で反射されたレーザビームを受けるための第2のTIR面であって、60°を上回る角度を形成する第1のTIR面および第2のTIR面と、第2のTIR面で反射されたレーザビームがプリズムから出るレーザビーム出口面とを備える、レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールであって、入射面が、入来レーザビームに対して、入来レーザビームの入射角がブルースター角を上回るように配置され、その結果、レーザビームが、増加したビーム幅を有してプリズムを通って伝搬するビーム反転モジュールを提供することによって達成される。
本発明のこの態様によれば、このビーム反転モジュールは、既知のビーム反転モジュールと同様にプリズムを備える。しかしながら、既知のビーム反転モジュールのプリズムは、入来ビームに対して、入射角が(レーザ光の波長に応じて)ブルースター角に等しくなるように配置されるのに対し、本発明のこの態様によるビーム反転モジュールでは入射角がブルースター角よりも大きく、その結果、プリズムを通って伝搬するレーザビームのビーム幅が、既知のビーム反転モジュールのプリズムを伝搬するレーザ光のビーム幅と比較して増加される。
プリズムを通って伝搬するレーザビームの内部のビーム幅が増加することにより、エネルギー密度およびTIR面上の熱負荷の勾配が低減し、したがって熱レンズ効果のリスクを低減することができる。
さらに、プリズムの入射面および/または出口面は、高いレーザ耐久性(HLD:High Laser Durability)の反射防止コーティングでコーティングされているのが好ましい。
本発明のこの態様によるビーム反転モジュールを改良するための別の方策には、プリズムを通るレーザビームの光学的伝搬路を短縮するようにプリズムの厚さを低減することがある。
本発明のこの態様のさらなる改良には、0.2×10-4cm/mJ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するCaF2で製作されたプリズムを提供するものがある。
この改良は、ビーム反転モジュールの光学素子上またはその内部における熱勾配を低減することにより、熱レンズ効果を低減することするためのさらなる方策を提供するものである。たとえば、本発明の第1の態様による上流のビーム偏向素子および/または下流のビーム偏向素子あるいは本発明の第2の態様によるビーム反転プリズムは、レーザビームによって部分的にしか使用されず、これらの光学素子において、上記で説明された熱勾配がもたらされる。これらの光学素子を、光学素子上またはその内部におけるレーザビームの位置に従って光学素子の面にわたって変化するパージ率でパージすることにより、光学素子の熱勾配を低減することができる。したがって、パージ率は、光学素子の、レーザビームが通過する部分に相当する「熱い部位」ではより高く設定され、レーザビームが通過しない位置またはレーザビームの強度が低い位置に相当する「冷たい部位」では低いものになる。
以下の説明および添付図面から、さらなる特徴および利点が明らかになるであろう。
前述の特徴および以下でさらに説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、所与の組合せばかりなく他の組合せで、または独立して用いられ得ることを理解されたい。
本発明の例示的実施形態が、添付図面を参照しながら以下で説明される。
光パワー増幅器10はレーザ機構の一部分を形成するものであり、たとえば主発振器またはシードレーザといったレーザ機構の他の部分は図面には示されていない。
光パワー増幅器10は、ビーム反転モジュール12と、電力アンプ室14と、レーザビームの拡張およびアウトカップリングのための光ユニット16とを備える。より詳細には、光ユニット16は、3つのプリズム18、20および22、折り畳み式ミラー24ならびにアウトカップリングミラー26を備える。
レーザビーム28は、光パワー増幅器10内で循環するとき、光パワー増幅器10の一端を形成するビーム反転モジュール12で反転される。
図2は、独立して拡大されたビーム反転プリズム30を示すものである。
以下で、既知のビーム反転プリズム30に生じる熱レンズ効果の有害作用を改善するビーム反転モジュールの実施形態を説明する。
以下で説明されるビーム反転モジュールは、図1の光パワー増幅器10においてビーム反転モジュール12の代わりに使用され得、すなわち、以下で説明されるビーム反転モジュールは、ビームの反転および配向の点で同一の光学的機能を有するように設計されているものである。
以下で説明されるビーム反転モジュールの実施形態のいくつかは、ビーム反転プリズム30が他の光学素子で置換される新規の設計に基づくものであり、以下で説明されるビーム反転モジュールのいくつかの実施形態は、ビーム反転プリズム30の修正形態である。
図3はビーム反転モジュール40の第1の実施形態を示すものであり、図1のビーム反転プリズム30が2つの光学素子で置換されている。第1の光学素子は、高反射面面44を有するミラー42である。
第1の方向に伝搬する入来光ビーム28aは、ミラー42の高反射面44によって受けられて高反射面44で第2の方向へ反射され、反射されたレーザビーム28bになる。反射されたレーザビーム28bは、下流のビーム偏向素子46によって第3の方向へ方向を変えられるかまたは偏向されて、偏向されたレーザビーム28cになる。偏向されたレーザビーム28cは、電力増幅器チャンバ14内にレーザビームの交点39が存在するという図1に示された光学的機能を満たすために、図3に示されるように、入来レーザビーム28aと交差するような方向に伝搬する。
ビーム反転モジュール40により、ビーム反転プリズム30のTIR面34および36がなしで済まされ、その結果、TIR吸収はもはや問題ではない。さらに、下流のビーム偏向素子46のプリズム48が薄いことにより、プリズム48を通るレーザビーム28bの光学的伝搬路が比較的短く、その結果、レーザ誘起吸収も、ビーム反転プリズム30を通る長い光学的伝搬路と比較して大いに低減される。
入射面50および出口面52は、これらの面における反射損失を低減するために反射防止コーティングでコーティングされている。
図4は、図3のビーム反転モジュール40の修正形態であるビーム反転モジュール60の別の実施形態を示すものである。
ビーム反転モジュール60は、下流のビーム偏向素子66および上流のビーム偏向素子68をさらに備える。下流のビーム偏向素子66および上流のビーム偏向素子68のために、個別の光学素子を、特に個別のプリズムとして用意することも可能であるが、この設計では、上流のビーム偏向素子68および下流のビーム偏向素子66は、単一のモノリシック光学素子として、この場合は単一のプリズム70として一緒に実施される。
上流のビーム偏向素子68は入射面72および出口面74を有し、下流のビーム偏向素子66は入射面76および出口面78を有し、出口面74および入射面76は、プリズム70の同一の面によって形成されている。
上流のビーム偏向素子68は透過性の光学素子であり、入来レーザビーム28は、上流のビーム偏向素子68を通って入射面72から出口面74へとTIRなしで伝搬する。
面72、74、76、78は、反射損失を最小化するために反射防止コーティングでコーティングされている。
入来レーザビーム28は、上流のビーム偏向素子68によって第1の方向へ偏向されてレーザビーム28aになる。レーザビーム28aは、高反射面64によって第2の方向へ反射されてレーザビーム28bになり、次いで、入来レーザビーム28と交差するように第3の方向へ偏向されてレーザビーム28cになる。
熱レンズ効果を低減するかさらには防止することに関するビーム反転モジュール60の利点は、ビーム反転モジュール40の利点と同等である。
図5はビーム反転モジュール80の別の実施形態に示すものであり、ビーム反転モジュール80は、第1のミラー82および第2のミラー84を備えることがビーム反転モジュール40および60とは異なる。第1のミラー82は高反射面86を有し、第2のミラー84は高反射面88を有する。反射面86および88は、図1のビーム反転モジュール12のTIR面34および36を置換する。
反射面86と反射面88の間に形成される角度90は、反射面88で反射されたレーザビーム28bが入来レーザビーム28aと交差するように設定されている。
特定の実施形態では、ミラー82および84が光学的に接合されているベースプレート92が、角度90を定義する角度98を形成する2つの側面94、96を有して設計されているという事実によって角度90を定義する。
ミラー82および84は、入来レーザビーム28aに対して、レーザビーム28aが約40°〜約50°の範囲の入射角で、好ましくは約45°の入射角で反射面86に当たるように配置されている。反射面86で反射されたレーザビーム28bは、約40°〜約50°の範囲の入射角で、好ましくは約45°の入射角で反射面88に当たる。
図6は、図1のビーム反転モジュール12の場合と同様にプリズム102を備えるビーム反転モジュール100を示すものである。
プリズム102は、レーザビーム入射面104と、第1のTIR面106と、第2のTIR面108と、レーザビーム入射面104と一致するレーザビーム出口面110とを有する。
TIR面106と108は、その間に60°よりも大きい角度112を形成し、図6に示された実施形態では角度112は約90°である。
方策の1つには、入射面104を、入来レーザビーム28aに対して、入射角114がブルースター角を上回るように配置することによって、プリズム102を通って伝搬するときのレーザビームのビーム幅を増加させるものがある。プリズム102内でビーム幅が増加すると、TIR面106および108に対する熱負荷が低減され得る。入射面におけるp偏光の光の反射が、もはやブルースター角よりも大きな入射角に抑制されないので、入射面104をHLD(高いレーザ耐久性)の反射防止コーティングでコーティングする必要がある。
TIR面106、108におけるTIR吸収を低減するための別の方策には、CaF2上の電界を最小化する適切なコーティングによってTIR面106、108の電界条件を変化させるものがある。
熱レンズ効果を低減するためのさらなる方策には、0.2×10-4cm/mJ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するCaF2をプリズム102の材料に用いるものがある。
図7は、たとえばパージガス136、138といったパージする媒体で光学素子100を直接パージするためのパージ装置134が配置されている図6Aの光学素子100を再び示すものである。パージ装置134は、レーザビームが光学素子100のTIR面106、108に当たるときの位置140、142に依拠するパージ率で光学素子100をパージするように適合されている。矢印146、148は、レーザビームの位置に依存した局所的パージ率を示すものである。パージ率はレーザビームの位置140、142で最も高く、レーザビームの位置140、142の外側の光学素子100の部位の上では低下する。
Claims (22)
- 第1の方向に伝搬する入来レーザビーム(28、28a)を受けて前記第1の方向とは異なる第2の方向に反射するための少なくとも1つの反射面(44、64、86)を備える、レーザ機構の光パワー増幅器(10)用のビーム反転モジュールであって、前記少なくとも1つの反射面(44、64、86)が第1のミラー(42、62、82)の高反射面であるビーム反転モジュール。
- 前記少なくとも1つの反射面(44、64)の下流に配置された下流のビーム偏向素子(46、66)であって、前記少なくとも1つの反射面(44、64)で反射された前記レーザビーム(28b)を、前記ビーム偏向素子(46、66)で偏向された前記レーザビーム(28c)が前記第1の方向に伝搬する前記レーザビーム(28、28a)と交差させるように、前記第1の方向および前記第2の方向とは異なる第3の方向へ偏向する下流のビーム偏向素子(46、66)をさらに備える請求項1に記載のビーム反転モジュール。
- 前記下流のビーム偏向素子(46、66)が、入射面(50、76)および出口面(52、78)を有する透過性の光学素子であり、前記透過性の光学素子が、前記少なくとも1つの反射面(44、64)で反射された前記レーザビーム(28b)に対して、前記レーザビーム(28b)が前記入射面(50、76)から前記出口面(52、78)へ前記透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている請求項2に記載のビーム反転モジュール。
- 前記入射面(50、76)および/または前記出口面(52、78)が高いレーザ耐久性(HLD)の反射防止コーティングでコーティングされている請求項3に記載のビーム反転モジュール。
- 前記下流のビーム偏向素子(46、66)がプリズムである請求項2から4までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記少なくとも1つの反射面(44、64)の上流に配置された上流のビーム偏向素子(68)であって、前記入来ビーム(28)を前記第1の方向に偏向する上流のビーム偏向素子(68)をさらに備える請求項1から5までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記上流のビーム偏向素子(68)が、入射面(72)および出口面(74)を有する透過性の光学素子であり、前記透過性の光学素子が、前記入来レーザビーム(28)に対して、前記レーザビーム(28)が前記入射面(72)から前記出口面(74)へ前記透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている請求項6に記載のビーム反転モジュール。
- 前記入射面(72)および/または前記出口面(74)が反射防止コーティングでコーティングされている請求項7に記載のビーム反転モジュール。
- 前記上流のビーム偏向素子(68)がプリズムである請求項6から8までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記上流のビーム偏向素子(68)および前記下流のビーム偏向素子(66)が、単一のモノリシック光学素子として、好ましくは単一のプリズムとして一緒に実施されている請求項2から5まで、および請求項6から9までの、いずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記少なくとも1つの反射面(86)である第1の反射面(86)で反射された前記レーザビーム(28b)を受けて前記第1の方向とは異なる方向に反射する少なくとも1つの第2の反射面(88)をさらに備えるビーム反転モジュールであって、前記少なくとも1つの第2の反射面(88)が少なくとも1つの第2のミラー(84)の高反射面である請求項1から10までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記第1の反射面(86)と前記少なくとも1つの第2の反射面(88)の間に形成される角度(90)が、前記少なくとも1つの第2の反射面(88)で反射されたレーザビーム(28c)を前記入来レーザビーム(28a)と交差させるように設定されている請求項11に記載のビーム反転モジュール。
- 前記第1のミラー(82)および前記少なくとも1つの第2のミラー(84)が、前記角度(90)を定義するベースプレート(92)に光学的に接合されている請求項12に記載のビーム反転モジュール。
- 前記角度(90)が、約85°〜約95°の範囲、好ましくは約90°に設定されている請求項12または13に記載のビーム反転モジュール。
- 前記第1のミラー(82)および前記第2のミラー(84)が、前記レーザビーム(28a、28b)が約40°〜約50°の範囲の入射角で、好ましくは約45°の入射角で前記第1の反射面および前記少なくとも1つの第2の反射面(86、88)に当たるように配置されている請求項11から14までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 入来レーザビーム(28a)が入るレーザビーム入射面(104)を有するプリズム(102)と、前記プリズム(102)に入る前記レーザビーム(28a)を受けるための第1の内部全反射面(106)と、前記第1の内部全反射面(106)で反射された前記レーザビーム(28b)を受けるための第2の内部全反射面(108)であって、前記第1の内部全反射面(106)との間に60°よりも大きい角度を形成する第2の内部反射面(108)と、前記第2の内部全反射面(108)で反射された前記レーザビーム(28c)が前記プリズム(102)から出て来るレーザビーム出口面(110)とを備える、レーザ機構の光パワー増幅器(10)用のビーム反転モジュールであって、前記プリズム(102)を通って伝搬する前記レーザビーム(28a、28b、28c)のビーム幅を、ブルースター角の下での幅よりも増加させるために、前記入射面(104)が、前記入来レーザビーム(28a)に対して、前記入来レーザビーム(28a)の入射角(114)がブルースター角を上回るように配置されているビーム反転モジュール。
- 前記第1および第2の内部全反射面(106、108)が、面吸収を最小化するやり方でこれらの面(106、108)に関する電界条件を変化させる面保護コーティングを有する請求項16に記載のビーム反転モジュール。
- 前記プリズム(102)が、0.2×10-4cm/mJ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するCaF2を用いて、好ましくは約193nmの波長で製作されている請求項16または17に記載のビーム反転モジュール。
- 前記レーザビーム入射面104および/または前記レーザビーム出口面(110)が、HDL反射防止コーティングでコーティングされている請求項16から18までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記ビーム反転モジュールの前記光学素子(40、60、80、100)のうち少なくとも1つを、この光学素子(100)の表面上またはその内部におけるレーザビームの位置(140、142)に従って光学素子(100)の面にわたって変化するパージ率で直接パージするように適合されたパージ装置(134)をさらに備える請求項1から19までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール。
- 前記パージ装置(134)が、前記第1の内部全反射面(106)および/または前記第2の内部全反射面(108)をパージするように適合されている請求項(20)に記載のビーム反転モジュール。
- 請求項1から21までのいずれか1項に記載のビーム反転モジュール(40、60、80、100)を備える、レーザ機構の光増幅器。
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