JP2017157299A - レーザ駆動光源 - Google Patents

Abstract

【課題】一対の電極が対向配置され、発光物質が封入された発光部を備え、該発光部内の前記電極の間にレーザ光を集光させることにより、前記発光部内にプラズマを生成するレーザ駆動光源において、前記電極が発光部内において高温のプラズマに曝されることによって、電極材料が蒸発し、これが発光部の内面に付着してしまって、透過率低下を招き、光量が減少してしまうことを防止した構造を提供することである。
【解決手段】前記電極には、少なくとも最先端部を除いて絶縁物が密着被覆されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ駆動光源に関するものであり、特に、電極を使用したレーザ駆動光源に係わるものである。

近年、半導体、液晶基板およびカラーフィルタ等の被処理物の製造工程においては、入力電力の大きな紫外線光源が使用されている。紫外線光源として多用されているのは、水銀蒸気或いは希ガスを封入した管球内で電極間にアーク放電を発生させるタイプの高圧放電ランプである。
上記製造工程においては、処理時間の一層の短縮化が要求されており、そのため、この用途に使用される高圧放電ランプには、より一層の放射輝度の向上が必要とされている。高圧放電ランプの放射輝度を向上させるためには、入力電力を増やすことが必要である。
しかし、ランプへの入力電力を単純に大きくすると、放電ランプの電極への負荷が増大し、電極からの電子放射性物質の蒸発が原因となって、ランプの黒化、短寿命が発生する、といった問題があった。

このような高圧放電ランプの問題を解決するために、レーザにより放電空間にエネルギーを投入し、発光ガスを励起して紫外線放射を得る技術が提案されている。特表２００９−５３２８２９号公報（特許文献１）がそれである。

特許文献１には、図５に示すように、希ガス、水銀等のイオン性媒体が封入された発光部（バルブ）１１と、該発光部１１内の封入媒体をイオン化するための点火源である一対の電極１２、１３と、連続またはパルス状のレーザエネルギーを照射するレーザ源１４とを備えたレーザ駆動光源１０が開示されている。
レーザ源１４からのレーザ光は、光ファイバ１６からコリメータ１７に供給されてここで平行光とされ、ビームエキスパンダ１８に向かう。ここでレーザ光は、ビーム径サイズを拡大されて、光学レンズ１９に向かう。次いで、レーザ光はこの光学レンズ１９で集光されて、発光部１１のうちのプラズマ２０が存在する領域に向けられるものである。

そして、このレーザ駆動光源１０は、陰極１２および陽極１３からなる点火源によって発光部１１内で放電を発生させて封入媒体をイオン化し、次いで、イオン化された媒体に、前記レーザ源１４からのレーザエネルギーを供給して高輝度光２１を発生するプラズマ２０を維持または生成するものである。
このようなレーザ駆動光源（Ｌａｓｅｒ Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ Ｐｌａｓｍａ）は、ＬＳＰランプとも呼ばれている。

このようなＬＳＰランプにおいては、始動時においては、放電空間内に対向して配置された電極間に高電圧を印加し、該電極間で絶縁破壊を生じさせ、この絶縁破壊を生じた部分にレーザ光を集中させることにより、点灯が開始されるものである。
絶縁破壊の後は、電極間に印加した高電圧の供給を停止し、上記のように、プラズマ維持のためのエネルギーを、継続的に照射されるレーザ光によって供給し、定常点灯が継続される。
つまり、ランプ始動のためには、ランプの中心を通る一対の電極が必要であるが、ランプが一旦点灯すれば、プラズマに投入されるエネルギーはレーザによって供給されるため、電極に特に役割はない。

ところで、このようなＬＳＰランプにおいて、ランプの寿命を決定づける要素として、発光部（バルブ）のガラスの透過率の低下に由来する光量減少がある。
この透過率の低下の要因のひとつとして、図６に模式的に示すように、プラズマからの放熱によって電極１２（１３）から電極材料（タングステンなど）が蒸発し、これが発光部（バルブ）１１の内面に付着することによるものが挙げられる。
このため、ＬＳＰランプの長寿命化を実現するには、電極材料の蒸発を減らすことが重要である。
上記のように、ＬＳＰランプの陰極、陽極は点灯中には通電されず、通電による発熱、温度上昇はない。しかし、点灯中の陰極、陽極の直近には高温のプラズマが存在し、電極は強烈な熱輻射を受け続ける。また、高温の発光ガスが対流により移動し、電極表面を擦過する。これらの現象により、電極は少しずつ蒸発し、より温度の低い発光管壁に付着してゆく。

特表２００９−５３２８２９号公報

この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、一対の電極が対向配置され、発光物質が封入された発光部を備え、該発光部内の前記電極の間にレーザ光を集光させることにより、前記発光部内にプラズマを生成するレーザ駆動光源において、プラズマからの熱による電極からの電極材料の蒸発を抑制して、発光部内面に電極材料が付着することを防止できる構造を提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明に係わるレーザ駆動光源は、発光部内の電極には、少なくとも最先端部を除いて絶縁物が密着被覆されていることを特徴とする。
また、前記絶縁物は、セラミックスもしくはガラス材料であることを特徴とする。
また、前記絶縁物は、少なくとも前記電極の前記発光部内に露出する領域には被覆されていることを特徴とする。
また、前記電極の先端がテーパ形状であり、そのテーパ角度が鋭角であることを特徴とする。

本発明によれば、発光部内の電極がその最先端部を除いて絶縁物によって密着被覆されていて、発光空間に露出している表面積が大幅に少なくなることにより、電極が発光部内の高温のプラズマからの輻射熱や発光ガスの対流に曝されても、絶縁物により電極材料が蒸発することが抑制され、発光部内面に付着することがなく、透過率の低下に由来する光量減少を招くことがない。

本発明の実施例の説明図。 本発明の電極構造を有する発光部の部分断面図。 本発明の電極の製造方法の説明図。 本発明の電極の他の製造方法の説明図。 従来技術の説明図。 従来技術の不具合の説明図。

図１（Ａ）〜（Ｄ）に本発明の実施例が示されていて、電極１には、少なくともその最先端部を除いて絶縁物２が密着被覆されている。
（Ａ）は、円柱状電極１の先端部１ａがテーパ形状をなし、その先端テーパ角度は鋭角をなしている。絶縁物２は、テーパ状先端部１ａを除いて、円柱状部１ｂの一部に被覆されている。
（Ｂ）は、電極１のテーパ状先端部１ａの最先端部に微小平坦部１ｃが形成されていて、絶縁部２は、この最先端部である平坦部１ｃを除いて被覆されている。
（Ｃ）は、電極１先端にはテーパ部がなく、平坦状であって、絶縁物２は、先端から幾部後退した領域に被覆されている。
（Ｄ）は、絶縁物２が電極１先端まで被覆され、その最先端部は露出している。
つまり、上記いずれの実施例においても、電極１の最先端部は絶縁物２に被覆されずに露出していて、電極間の放電（絶縁破壊）を阻害しないようにされている。

図２には、上記構造の電極１を発光部３に組み込んだ態様が示されている。
（Ａ）は、電極１が発光部３内に露出する領域で絶縁物２が被覆されている態様である。また、（Ｂ）は絶縁物２が、電極１を封止する封止部４内にまで及んで延在する形態が示されている。
ここで、発光部３内には、発光ガスとしてキセノン（Ｘｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）の少なくとも１種類の希ガスが封入されていて、それぞれ封入物質に応じた波長の紫外線が発生される。
また、発光部３には、石英ガラスが使用され、特に、２００ｎｍ以下の真空紫外光を利用する場合には、合成石英ガラスを使用することができる。そして、この発光部３には、前記希ガス以外に水銀、臭素、臭素を含むハロゲンの少なくとも１種類が封入されていて、これらの物質は、深紫外光（ＤＵＶ光）を吸収する作用を有する。

また、電極１は、発光部３内で対向して配置されていて、その先端同士、および、レーザが集光する点が、略同一直線状に配置されていることが好ましい。そして、その電極間距離は、例えば、４〜２０ｍｍである。
電極１はタングステン等の高融点金属からなり、絶縁物２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの、高温でも蒸気圧が低いセラミックスか、または、ホウケイ酸ガラスや石英ガラスなどのガラスを使用することができる。
これらの具体的な一数値例を図１（Ａ）の実施例に則して記載すると、電極１の直径は、φ０．５〜１．５ｍｍで、先端テーパ角度は鋭角。絶縁物２の被覆厚みは、０．５〜２．５ｍｍである。また、絶縁物２は電極１の最先端部から４ｍｍ程度以降の領域に形成する。

以下、電極の製造方法について、図３，４に基づいて説明する。
絶縁物２としてセラミックスを用いる場合の製造方法が、図４に示されている。先ず、セラミックス粉末を用意し、ふるいにかけて粒度調整をする。これに、成型材としてステアリン酸を混合して加熱し、均一な粉末を得る。
円筒状の金型本体５と、下型６および上型７を用意する。まず、金型本体５の下部に下型６を挿入固定する（Ａ）。次いで、電極１を挿入して、先端部を下型６に当接固定する（Ｂ）。金型本体５と電極１との間の間隙内に、前述したセラミックス粉末を充填する（Ｃ）。次いで、上型７を上方から金型本体５内に挿入して、セラミックス粉末を加圧して圧縮成型する（Ｄ）。これにより、電極１に絶縁物３が被覆された一次成型品が完成する（Ｅ）。
次いで、この一次成型品を焼結して電極構造体が完成する。
なお、図１の他の各実施例は、対応した形状の金型を選択することにより、同様に成型することができる。

絶縁物２として、ガラスを密着被覆する場合が、図４に示されている。なお、ガラス材料としては、タングステンの封着に使用できるガラス、例えば、ＧＥ社製の＃１ガラスなどを使用できる。
電極１の近傍にガラス材料８を用意し、酸水素バーナーＢなどでガラスを加熱軟化させ、電極１に巻き付けるように被覆する（Ａ）。なお、加熱処理終了後に、物理研磨や化学研磨を行い、表面の酸化物を除去する。こうして、電極１の表面にガラスからなる絶縁物２が密着被覆された電極構造が得られる（Ｂ）。

上記のように、この発明のレーザ駆動光源によれば、電極に、少なくともその最先端部を除いて絶縁物が密着被覆されていることにより、発光部内で当該電極が、高温のプラズマに曝されても、絶縁物により電極表面から電極材料が蒸発することが抑制されるので、発光部内面に電極材料が付着して透過率の低下を招くことが防止できる。

１ 電極
１ａ 先端部
１ｂ 円柱状部
１ｃ 最先端平坦部
２ 絶縁物
３ 発光部
５ 金型本体
６ 下型
７ 上型
８ ガラス材料

Claims (4)

1. 一対の電極が対向配置され、発光物質が封入された発光部を備え、該発光部内の前記電極の間にレーザ光を集光させることにより、前記発光部内にプラズマを生成するレーザ駆動光源において、
   前記電極には、少なくとも最先端部を除いて絶縁物が密着被覆されていることを特徴とするレーザ駆動光源。
2. 前記絶縁物は、セラミックスもしくはガラス材料であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動光源。
3. 前記絶縁物は、少なくとも前記電極の前記発光部内に露出する領域には被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ駆動光源。
4. 前記電極の先端がテーパ形状であり、そのテーパ角度が鋭角であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ駆動光源。
   
   
   

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