JP2020080420A - レーザパルス繰返し周波数逓倍器 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザの出力で動作するＵＶレーザの繰返し周波数を改善する。【解決手段】繰返し周波数（パルス）逓倍器１２０は、１つまたは複数のビームスプリッタとプリズムを含み、これらが、各パルスのエネルギーの一部を遅延させる、光路長の異なる１つまたは複数のリングキャビティを形成する。一連の入力レーザパルスはリングキャビティ内を循環し、各パルスのエネルギーの一部は、より短いキャビティ光路を通過した後にシステムから出て、エネルギーの別の部分はより長いキャビティ光路および／または両キャビティ光路の組合せを通過した後にシステムから出る。リングキャビティの光路長を適正に選択することによって、レーザパルスの一連の出力の繰返し周波数を入力繰返し周波数の倍数とすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、時間領域内でレーザパルスの光学ピークパワーを減衰させること、および任意選択により、空間領域内のビームパワー分布を均一化することに関する。このピークパワー減衰および均一化システムは、曲面ミラー、ビームスプリッタ、波長板、およびプリズムを使って、フラットトップ空間パワー分布プロファイルを持つ最適化されたパルス繰返し周波数逓倍器を生成してもよい。本発明は、半導体検査および計測システムにおいて特に有用である。

本願は、参照によって本願に援用される、２０１４年６月２０日に出願された、“Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｐｒｉｓｍｓ”と題する米国仮特許出願第６２／０１５，０１６号の優先権を主張する。

本願はまた、参照によって本願に援用される、２０１４年８月１８日に出願された、“Ｌａｓｅｒ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ａｎｄ Ｆｌａｔ−Ｔｏｐ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ”と題する米国仮特許出願第６２／０３８，４７１号の優先権も主張する。

本願は、Ｃｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．により２０１２年６月１日に出願された、“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ”と題する米国特許出願第１３／４８７，０７５号、Ｃｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．により２０１２年１２月１１日に出願された、“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ”と題する米国特許出願第１３／７１１，５９３号、Ｃｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ．により２０１４年８月８日に出願された、“Ｓｐｌｉｔ Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅａｍｓ ａｎｄ Ｍｕｌｔｉ−Ｓｐｏｔ Ｆｌａｔ−Ｔｏｐ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ”と題する米国特許出願第１４／４５５，１６１号に関する。これらの出願のすべてを、参照によって本願に援用する。

検査及び計測のための照明のニーズは一般に、連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）（ＣＷ）光源により最もよく満たされる。ＣＷ光源はそのパワーレベルが一定であり、それによって画像またはデータを継続的に取得できる。しかしながら、関心対象とされる多くの波長、特に紫外（ＵＶ）波長では、十分な放射輝度（単位立方角当たり単位面積当たりパワー）のＣＷ光源は、入手不能か、高価であるか、または信頼できない。パルスレーザが、関心対象とされる波長で十分な時間平均放射強度を持つ唯一の入手可能、または費用対効果の高い光源であるとすれば、高い繰返し周波数と広いパルス幅を持つレーザを使用することが最善である。パルス繰返し周波数が高いほど、時間平均パワーレベルが同じ場合のパルス当たりの瞬間ピークパワーが低くなる。レーザパルスのピークパワーが低くなると、光学系および測定対象の試料またはウェハが受ける損傷が小さくなり、これは、ほとんどの損傷メカニズムが非線形であり、平均パワーよりピークパワーにより強く依存するからである。

検査および計測の用途において、繰返し周波数を高くする別の利点は、データ取得または画素当たりに収集されるパルスがより多くなり、その結果、パルス間のばらつきがよりよく平均化され、信号対ノイズ比が改善されることである。さらに、高速で移動する試料の場合、パルス繰返し周波数が高くなると、各パルス間での移動距離が小さくなるため、時間に対する試料位置のサンプリングが改善される。

レーザサブシステムの繰返し周波数は、レーザ媒質、ポンプシステム、および／またはその駆動電子部品を改良することによって高めることができる。残念ながら、既に所定の繰返し周波数で動作しているＵＶレーザを変更するには、多大な時間と資金を投じてその構成要素の１つまたは複数を改良する必要があり得、繰返し周波数の改良は少しずつしかできないかもしれない。さらに、ＵＶレーザの基本レーザの繰返し周波数を増加させると、基本波のピークパワーが減衰する。これにより、周波数変換（必然的に非線形プロセスである）の効率が下がり、高い平均ＵＶパワーレベルを生成するのが難しくなる。

多くの検査用途では、ガウシアンプロファイルではなく、フラットな、すなわち均一な照明プロファイルが望ましい。試料に空間的に均一な照明を当てることにより、照明された領域全体にわたって信号対ノイズ比がより均一となり、不均一な照明と比較して、ダイナミックレンジが上昇する。インコヒーレント光源は、レーザのガウシアンプロファイルより均一な照明を生成しやすいかもしれないが、このような光源は、レーザが提供できるものよりバンド幅がはるかに広く（色収差のため、光学設計が複雑化する）、パワー密度がより低い（信号対ノイズ比が低下する）。ガウシアンレーザビームから略フラットなプロファイルを実現するための１つの既知の方法は、ガウス分布のテール部を切り取り、ビームの中央部分（ピーク付近）だけを使用することである。この方法は適用が簡単であるが、かなり平坦なプロファイルが必要であると、レーザパワーの大部分が切り取られて無駄になる。例えば、照明の最大強度のばらつきを約１０％とする必要がある場合、パワーの約６５％が無駄になり、２０％のばらつきにした場合は、パワーの約５０％を無駄にせざるを得ない。

米国特許出願公開第２０１０／０１６３７５７号

そこで、レーザの出力で動作するＵＶレーザの繰返し周波数を改善するための、実用的で安価な技術に対するニーズが生じている。さらに、繰返し周波数を増大させるための光学サブシステムがコンパクトであり、大きなスペースをとらずに、それをシステムに容易に組み込むことができるようにすれば有利であろう。さらにまた、繰返し周波数逓倍器にまったく、またはほとんど追加の構成要素を加えずに、それゆえ空間を節約し、光学パワー損失を最小化する、略平坦な出力プロファイルを生成できる繰返し周波数逓倍器が求められている。

試料を検査または測定するシステムが説明される。このシステムは、光源と、光検出を行うように構成された装置と、光源からの光を試料へと案内し、試料からの光出力、反射または透過をセンサへと案内するように構成された光学系と、を含む。特に、照明器は、紫外（ＵＶ）波長（すなわち、約４００ｎｍより短い波長）を発するパルスレーザと、パルスレーザからのパルスの繰返し周波数を逓倍する繰返し周波数逓倍器と、を含む。繰返し周波数逓倍器は、単位時間当たりのレーザパルス数を増大させ、各レーザパルスのピークパワーを減衰させる。ピークパワーの減衰は、システム光学系または検査もしくは測定対象の試料に対する損傷を軽減または排除し、それによって、ある損傷閾値について、より高い平均レーザパワーレベルの使用が可能となり、それゆえ、信号対ノイズ比および／または検査または測定速度が改善される。ＵＶ高調波の生成後に繰返し周波数を逓倍することによって、レーザパルスのピークパワーが高調波変換連鎖内で減衰しないため、ＵＶ高調波変換効率が保持される。

本明細書に記載されている繰返し周波数逓倍器を内蔵する検査および測定システムは、深ＵＶ（ＤＵＶ）波長、すなわち約３００ｎｍ未満の波長、および真空ＵＶ（ＶＵＶ）波長、すなわち約１９０ｎｍ未満の波長について特に有用であり、それは、これらの波長でピークパワーレベルが高いと、様々な材料に急激に損傷を与えかねないからである。

試料はステージにより支持されていてもよく、これは検査または測定中に試料を光学系に関して移動させる。

例示的検査または測定システムは、１つまたは複数の光路を含んでいてもよく、これは、異なる入射角および／または異なる方位角から、および／または異なる波長および／または偏光状態で試料を照明する。例示的検査または照明システムは、１つまたは複数の集光路を含んでいてもよく、これは試料により異なる方向に反射され、または散乱した光を集束し、および／または異なる波長および／または異なる偏光状態に対して感受性を有する。

繰返し周波数逓倍器を内蔵する検査および測定システムはさらに、時間平均された空間的に均一なビームプロファイル（すなわち、フラットトッププロファイル）を生成するように構成されていてもよい。の本明細書に記載されている逓倍器とフラットトッププロファイル生成器を内蔵する検査または測定システムは、小さい空間内の少ない光学構成要素を使って、レーザ繰返し周波数を３倍またはそれ以上に逓倍し、より均一な時間平均ビームプロファイルを提供する。本明細書に記載されている検査および計測システムは、より高い平均レーザパワーを使用することができ、それによってより高いスループット、より高い信号品質、およびより効率的なレーザエネルギーの使用を可能にする。

パルスレーザの繰返し周波数を逓倍する方法とシステムが記載されている。これらの方法とシステムは、入力レーザパルスを時間的に分離された複数のパルスに分割し、レーザ繰返し周波数を２、３、または４倍等に整数倍する。入力パルスは２つに分割され、パルスの一部がそのまま進み、パルスの一部がリングキャビティに入る。パルスは、リングキャビティの少なくとも一部を通った後に再び分割され、パルスの一部がリングキャビティから出て、一部は引き続きリングキャビティに残る。繰返し周波数逓倍器はさらに、１つの次元内で略平坦であり、それに垂直な次元においては実質的にガウス型である時間平均出力プロファイルを生成するように構成されてもよい。繰返し周波数逓倍器は、平面ミラー、曲面ミラー、偏光ビームスプリッタ、波長板、ビーム補償器、および／またはレンズを含んでいてもよい。

１つの例示的な実施形態において、入力レーザパルスは波長板と偏光ビームスプリッタによって２つに分割される。入力レーザパルスの一方の部分は短いリングキャビティループを回るように案内され、もう一方の部分は長いリングキャビティループを回るように案内される。パルスは、入力／出力結合器（これは偏光ビームスプリッタを含んでいてもよい）に戻る途中で、別の波長板に遭遇し、これがパルスエネルギーのうち、キャビティから出る部分を決定する。パルスエネルギーの残りの部分は、再びキャビティを通る。

１つの例示的な実施形態において、短いおよび長いキャビティループの長さはそれぞれ、パルスレーザのパルス間の空間分離距離の１／３と２／３に設定され、それによって出力パルスはパルス間周期の１／３、２／３、または１／３の整数倍だけ時間的に遅延する。これらの遅延パルスは、当初の入力レーザパルスのそれの３倍の繰返し周波数を有するパルストレインを形成する。２つの波長板の向きとリターダンスは、出力パルスがパルス間で実質的に等しいパルスエネルギーを有するように選択されてもよい。

同様に繰返し周波数を３倍にできる他の例示的な実施形態において、２つのミラーがリングキャビティを形成し、２つのビームスプリッタがそれらの間に設置される。パルスがビームスプリッタを通過するたびに、これは２つのパルスに分割し、パルスのうち一方はまっすぐに進み、他方は屈折する。これら２つのビームスプリッタによって、一部のパルスはより長いキャビティループを移動し、他のパルスはより短い方を移動する。１つの例示的な実施形態において、より短いループの経路の長さは、当初の入力パルス間距離の約１／３と等しく、長い方のループ経路の長さはパルス間距離の約２／３である。この実施形態において、出力パルスは、当初の入力パルスのそれの３倍の繰返し周波数を有するパルストレインを形成する。ミラー曲率、ミラー距離、およびビームスプリッタ反射率を適切に選択することにより、出力パルスはパルス間で実質的に等しいパルスエネルギーを有することができる。

１つの実施形態において、平板を含む２つのビーム補償器がキャビティ内に設置され、て、ビームスプリッタによるビーム経路のシフトを実質的に補償し、それによってビームはミラーから、キャビティの軸に関して実質的に対称なパターンで反射される。他の実施形態において、一方（または両方）のビームスプリッタの代わりにプリズム（複数の場合もある）が使用され、これが一方（または両方）のビームスプリッタのビーム経路のシフトを実質的に補償する。また別の実施形態において、プリズムまたはビーム補償器は使用されず、ビームスプリッタは、各々が他方により生じたビームシフトを補償するように位置付けられる。

また別の例示的な実施形態において、平面ミラーとプリズムがキャビティ内の光路の中に挿入されて、同じペアの曲面レンズ間に第二のキャビティループが形成され、そのループの長さは第一のキャビティループのそれの約半分である。第一のキャビティループの長さが当初の入力パルス間距離の約半分に設定された場合、第一のキャビティループはパルス繰返し周波数を２倍にすることができる。第一のキャビティループから出たパルスは第二のキャビティループに入り、これは第一のキャビティループのそれの約半分の長さを有し、それゆえ、パルス繰返し周波数を再び２倍にし、その結果出力パルスの繰返し周波数は入力レーザのそれの４倍となる。

いくつかの実施形態は、二等辺三角形プリズムまたはダブプリズムなどのプリズムを使って、キャビティ内でビームが移動する周回数を２倍にする。２つのキャビティルートは、２つの平行な出力ビームを生成する。これら２つのビーム間の偏差は、これらが重複して、時間平均された、空間的に略フラットトップのビームプロファイルを形成するように選択できる。

１つの実施形態において、２×パルス逓倍器方式がフラットトッププロファイル生成のための基礎として使用される。他の実施形態において、３×パルス逓倍器がフラットトッププロファイル生成の基礎として使用される。また別の実施形態において、上述の４×パルス逓倍器方式がフラットトッププロファイル生成のための基礎として使用される。この実施形態は、相互に所定のパワー比を有する４つの平行なビームを生成できる。ビーム間の距離とそれらの間のパワー比を選択することにより、より広い、より平坦な時間平均ビームプロファイルを実現できる。略フラットトップのプロファイルを生成するこれらの繰返し周波数逓倍器は、ビーム補償器および／またはプリズムを含んでいてもよい。

１つの実施形態において、リングキャビティは直角ミラーペアを含む。他の実施形態において、リングキャビティは全反射を利用して高い屈折率を実現するプリズムを含む。適当なプリズム設計により、プリズムを使用するリングキャビティは、高い反射率のコーティングを使用せずに低損失を実現できる。高反射率コーティングは、特に短波長で高強度のレーザパルスによって損傷を受けやすく、そのため、本明細書に記載されている方法とシステムの多くは、ＤＵＶおよびＶＵＶレーザの繰返し周波数を逓倍するために使用される場合は特に、他のリングキャビティと比較して、動作寿命がより長く、および／または保守費用がより安価となりうる。

１つの実施形態において、リングキャビティ内の１つまたは複数のプリズムは、プリズムに入射し、射出するレーザビームの入射角がブリュースタ角に近く、レーザビームはプリズムの入射および射出面に関して実質的にＰ偏光とされ、それによって反射による損失が、反射防止（ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）（ＡＲ）コーティングを使用せずに小さく保たれる。ＡＲコーティングは、特に短波長で高強度のレーザパルスにより損傷を受けやすい可能性があるため、この実施形態は、特にＤＵＶおよびＶＵＶレーザの繰返し周波数を逓倍するために使用された時に、ＡＲコーティングを使用するリングキャビティと比較して、動作寿命がより長く、および／またはより安価な保守費用がより安価となり得る。

１つの実施形態において、プリズムのブリュースタカットは、同じリングキャビティ面内でビーム偏向が行われるような向きとされ、他の実施形態において、プリズムブリュースタカットは、リングキャビティ面に垂直なビーム偏向が行われるような向きとされる。

１つの実施形態において、ビームは適切な設計の１つのプリズム内で２回全反射される。このようなプリズムは、リングキャビティ内で２つの折曲ミラーの代わりに使用でき、それによって、構成要素の総数が減り、リングキャビティのアラインメントプロセスが簡単となる。

１つの実施形態において、直角プリズムがリングキャビティ内で使用される。これはビームを２回反射し、それがビームを反対方向に送り、それと同時に、また、それを空間内で変位させる。直角プリズムのこのような固有の特徴によって、直角プリズムを特定の角度だけ回転させるだけで、有効なキャビティ長さを逓倍する際の柔軟性が得られる。例えば、２つのリングキャビティは、同様の物理的長さで、ただし一方の光路長が他方の光路長の整数倍（例えば２倍）となるように構成されてもよく、２つのリングキャビティをカスケード接続することにより、パルス繰返し周波数をより大きな係数で逓倍してもよく、すると、単独のリングキャビティで好都合に達成できる。

好ましい実施形態において、各入力レーザパルスのエネルギーのうち、リングキャビティに案内される部分は、入射角と表面に関する偏光を、所望の反射および透過率を実現するために選択することによって制御される。これには、表面にコーティングが一切不要となるという利点があり、したがって、レーザ繰返し周波数逓倍器が数百ｍＷまたはそれ以上の深ＵＶまたは真空ＵＶレーザに使用される時に特に問題となり得る、レーザパルスのピークパワー密度によって生じるコーティングへの損傷の可能性が回避される。このようなレーザは、半導体検査および計測システムの中で、寸法が約１００ｎｍまたはそれ以下の特徴物の検査または測定を行う際に所望の感度と信号対ノイズ比を実現するために、ますます必要とされている。

好ましい実施形態において、１つまたは複数のレンズがリングキャビティの中で使用されて、各レーザパルスを再結像し、それによってこれはキャビティを略同じ形状と大きさを保持する。１つの実施形態は、コーティングを持たないブリュースタ角レンズを使って、各レーザパルスを再合焦させ、それによってコーティングへの損傷のリスクを回避する。

好ましい実施形態において、上述の特徴の２つまたはそれ以上が１つのレーザ繰返し周波数逓倍器の中にまとめられる。例えば、１つの好ましい実施形態においてレーザ繰返し周波数逓倍器は、コーティングを持たない３つのプリズムを含むリングキャビティを含み、キャビティ内のレーザビームは、これらのプリズムの表面に関して実質的にｐ偏向される。プリズムのうち２つは全反射を利用して、レーザビームをリングキャビティ内で効率的に循環させる。第三のプリズムは、レーザビームがその表面に関して略ｓ偏向され、入力パルスが、各入力パルスがリングキャビティ内に案内されるように選択された角度で入射するように向き付けられた表面を有する。

レーザパルス逓倍器を内蔵するウェハ検査システム、パターン付ウェハ検査システム、フォトマスク検査システム、および計測システムが記載されている。本明細書に記載されているレーザパルス逓倍器のサイズが小さいことにより、これらは検査および計測システムに組み込みやすい。レーザパルス逓倍器内でコーティングを持たない光学系を使用することにより、これらの検査および計測システムを、ハイパワーの深ＵＶレーザで動作させることが可能となり、コーティングの損傷による性能の劣化または保守の問題を伴わない。

パルスレーザと、フラットトッププロファイル生成器としても構成してよいレーザパルス繰返し周波数逓倍器を内蔵する例示的な検査または測定システム図である。 フラットトッププロファイル生成器としても構成してよい繰返し周波数逓倍器を内蔵する暗視野検査システムを示す図である。 フラットトッププロファイル生成器としても構成してよい繰返し周波数逓倍器を内蔵する暗視野検査システムを示す図である。 同じくフラットトッププロファイル生成器としても構成してよい繰返し周波数逓倍器を内蔵することから利益を得られる、垂直および斜角照明ビームの両方を使用して試料上の粒子または欠陥を検出するように構成された検査システムを示す図である。 フラットトッププロファイル生成器としても構成してよい繰返し周波数逓倍器を有利に内蔵できる明視野および暗視野検査モードを有する検査システムとして構成された例示的な反射屈折イメージングシステムを示す図である。 入力パルスのそれの３倍のパルス繰返し周波数を有する出力パルストレインを生成する例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 同じく入力パルスのそれの３倍のパルス繰返し周波数を有する出力パルストレインを生成する他の例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 図６に示されるものと同様であるが、ビーム補償器を使用しない例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 図６に示されるものと同様であるが、ビーム補償器を使用しない例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 入力パルスのそれの４倍のパルス繰返し周波数を有する出力パルストレインを生成する例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 ビーム補償板の代わりに二等辺三角形プリズムを使用する例示的な２×パルス繰返し周波数逓倍器を示す図である。 ビームのシフトとビームの空間シーケンスの逆転を含む二等辺三角形プリズムの特徴を示す図である。 ビームのシフトとビームの空間シーケンスの逆転を含む二等辺三角形プリズムの特徴を示す図である。 図９に示される入力ビームのシフトによってフラットトップ出力ビームプロファイルを生成する例示的な実施形態を示す図である。 プリズムをキャビティ軸に向かってシフトさせることによってフラットトッププロファイルを生成する他の例示的な実施形態を示す図である。 ２つの部分的に重複するガウシアンビームにより形成されるフラットトッププロファイルを示す図である。 少なくとも１つの補償板がプリズムに置き換えられている、図６に示される３×パルス繰返し周波数逓倍器方式に基づく例示的なフラットトッププロファイル生成器を示す図である。 図７Ａに示される３×パルス繰返し周波数逓倍器方式に基づく例示的なフラットトッププロファイル生成器を示す図である。 図７Ｂに示される３×パルス繰返し周波数逓倍器方式に基づく他の例示的なフラットトッププロファイル生成器を示す図である。 図８に示される４×パルス繰返し周波数逓倍器方式に基づく他の例示的なフラットトッププロファイル生成器を示す図である。 図１５Ａに示される設計により生成される例示的なフラットトッププロファイルを示す図である。 他の実施形態による２×パルス繰返し周波数逓倍器に基づく生成器を示す正面図である。 他の実施形態による２×パルス繰返し周波数逓倍器に基づく生成器を示す側面図である。 他の実施形態による２×／４×パルス繰返し周波数逓倍器に基づく生成器を示す正面図である。 他の実施形態による２×／４×パルス繰返し周波数逓倍器に基づく生成器を示す上面図である。 ２つの直角プリズムと１つのビームスプリッタを有する、ある例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 図Ａと同様であるが、プリズムの１つが９０°回転されて、同じプリズム間の距離についてレーザパルスの遅延時間が２倍となる、他の例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 １つの実施形態により、直角ミラーのペアまたはプリズムのうちの１つを回転させることによって、どのようにリングキャビティの長さを物理的なキャビティの長さの異なる整数倍へと変化させることができるかを示す簡略図である。 １つの実施形態により、直角ミラーのペアまたはプリズムのうちの１つを回転させることによって、どのようにリングキャビティの長さを物理的なキャビティの長さの異なる整数倍へと変化させることができるかを示す簡略図である。 １つの実施形態により、直角ミラーのペアまたはプリズムのうちの１つを回転させることによって、どのようにリングキャビティの長さを物理的なキャビティの長さの異なる整数倍へと変化させることができるかを示す簡略図である。 同様の外寸を有する２つのキャビティを使って入力パルストレインの周波数の４倍の繰返し周波数を有するパルストレインを生成する、１つの可能な実施形態を示す図である。 各パルスのレーザビーム品質をそれがリングキャビティ内を移動する際に保持するためにパルス繰返し周波数逓倍器内で使用される例示的なレンズ構成を示す図である。 プリズムの一方が他方に関して回転されている、リングキャビティ内のレーザビーム品質を保持する、図２１と同様のレンズ構成を示す図である。 各パルスのレーザビーム品質をそれがリングキャビティ内を移動する際に保持するためにパルス繰返し周波数逓倍器内で使用される他の例示的なレンズ構成を示す図である。 レーザが各レンズにブリュースタ角と略等しい角度で入射する、円筒レンズを使ってレーザビーム品質を保持するためにパルス繰返し周波数逓倍器内で使用される他の例示的なレンズ構成を示す図である。 ビームスプリッタの機能をプリズムの１つに組み込む特殊なプリズム設計の２つの例示的なパルス繰返し周波数逓倍器を示す図である。キャビティ内で光を再循環させるためにブリュースタ角プリズムを使用できる。 ビームスプリッタの機能をプリズムの１つに組み込む特殊なプリズム設計の２つの例示的なパルス繰返し周波数逓倍器を示す図である。図２５Ｂの繰返し周波数逓倍器はすべてコーティングを持たない光学系を使用して、高強度の深ＵＶレーザパルスによるコーティング損傷の可能性を回避する。 図２５のそれらと同様であるが、プリズムの１つが９０°回転されてパルス遅延時間が２倍とされている、例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 図２５のそれらと同様であるが、プリズムの１つが９０°回転されてパルス遅延時間が２倍とされている、例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 コーティングも別のビームスプリッタも持たない、３つのプリズムを使用する例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。すべてコーティングを持たない光学系を使用する他の実施形態に関して、この繰返し周波数逓倍器は、レーザパルスによるコーティング損傷の可能性を回避するため、深ＵＶでの使用に特に適している。 コーティングも別のビームスプリッタも持たない、３つのプリズムを使用する例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。すべてコーティングを持たない光学系を使用する他の実施形態に関して、この繰返し周波数逓倍器は、レーザパルスによるコーティング損傷の可能性を回避するため、深ＵＶでの使用に特に適している。 図２７Ａの第一のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第一のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第一のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第一のプリズムの設計の詳細を示す図である。 外反射と内反射の両方についての、入射角に対するフレネル反射を示すグラフである。図２７Ａの第一のプリズムの１つの実施形態において使用される入射角が示されている。 外反射と内反射の両方についての、入射角に対するフレネル反射を示すグラフである。図２７Ａの第一のプリズムの１つの実施形態において使用される入射角が示されている。 図２７Ａの第二のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第二のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第二のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第三のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第三のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第三のプリズムの設計の詳細を示す図である。 図２７Ａの第三のプリズムの設計の詳細を示す図である。 ２つのプリズムと１つのビームスプリッタ、または１つのプリズム、１つのミラー、および１つのビームスプリッタを使用する、他の例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 ２つのプリズムと１つのビームスプリッタ、または１つのプリズム、１つのミラー、および１つのビームスプリッタを使用する、他の例示的な繰返し周波数逓倍器を示す図である。 リングキャビティの一方のプリズムが９０°回転されて、その有効キャビティ長が２倍である、図３２Ａに示されるものと同様の２つのリングキャビティを含む例示的な４×繰返し周波数逓倍器を示す図である。

本明細書には、半導体検査および測定システムのための改良された照明システムが記載されている。以下の説明は、当業者が本発明を、特定の用途とその要求事項に関連して提供されているように製造し、使用できるようにするために提示されている。当業者にとっては、記載されている実施形態に対するさまざまな改良が明らかであり、本明細書で定義される一般的原理は、他の実施形態にも適用できる。したがって、本発明は図示され、説明されている特定の実施形態に限定されるものではなく、本明細書で開示されている原理と新規の特徴と矛盾しない、最も広い範囲が付与されるものとする。

図１は、ウェハ、レティクル、またはフォトマスク等の試料１０８を検査または測定するように構成された、ある例示的な検査システム１００を示している。試料１０８は、試料１０８の異なる領域を光学系の下に移動させやすくするために、ステージ１１２に載せられる。ステージ１１２は、Ｘ−ＹステージまたはＲ−θステージを含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、ステージ１１２は、検査中に焦点を保持するように、試料１０８の高さを調整できる。他の実施形態において、対物レンズ１０５を調整して、焦点を保持できる。

光源１０２は、１つまたは複数のパルスレーザと、本明細書に記載されているような繰返し周波数逓倍器を含む。光源１０２は、ＤＵＶおよび／またはＶＵＶ放射を発してもよい。対物レンズ１０５を含む光学系１０３は、その放射を試料１０８へと案内し、その上に合焦させる。光学系１０３はまた、ミラー、レンズ、および／またはビームスプリッタ（単純化するために詳しくは図示されていない）も含んでいてよい。試料１０８から反射され、または散乱した光は、光学系１０３によって集光され、検出器アセンブリ１０４の中にある検出器１０６へと案内され、そこに合焦される。

検出器１０６は、２次元アレイセンサまたは１次元ラインセンサを含んでいてもよい。１つの実施形態において、検出器１０６の出力はコンピューティングシステム１１４に供給され、これが出力を分析する。コンピューティングシステム１１４は、プログラム命令１１８によって構成され、これはキャリア媒体１１６に保存できる。

光源１０２は、パルスレーザ１１９と繰返し周波数逓倍器１２０を含む。１つの実施形態において、光源１０２は、アークランプ、レーザポンププラズマ光源、またはＣＷレーザ等の連続的光源をさらに含んでいてもよい。

検査システム１００の１つの実施形態は、試料１０８上の１本の線を照明し、１つまたは複数の暗視野および／または明視野集光路の中で散乱および／または反射光を集光する。この実施形態において、検出器１０６はラインセンサまたは電子打ち込みラインセンサを含んでいてもよい。この実施形態において、光源１０２内の繰返し周波数逓倍器１２０は、実質的に均一なライン照明を生成する。

検査システム１００の他の実施形態は、試料１０８上の複数のスポットを照明し、散乱および／または反射光を１つまたは複数の暗視野および／または明視野集光路で集光する。この実施形態において、検出器１０６は２次元アレイセンサまたは電子打ち込み２次元アレイセンサを含んでいてもよい。

検査システム１００の各種の実施形態のさらに詳しい事項は、２０１２年７月９日に出願された、“Ｗａｆｅｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ”と題する米国特許出願第１３／５５４，９５４号、２０１１年６月７日に発行された、“Ｓｐｌｉｔ Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｓｍａｌｌ Ｃａｔａｄｉｏｐｔｉｃ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ”と題する米国特許第７，９５７，０６６号、２００８年３月１８日に発行された、“Ｂｅａｍ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ”と題する米国特許第７，３４５，８２５号、１９９９年１２月７日に発行された、“Ｕｌｔｒａ−Ｂｒｏａｄｂａｎｄ ＵＶ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｗｉｔｈ Ｗｉｄｅ Ｒａｎｇｅ Ｚｏｏｍ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ”と題する米国特許第５，９９９，３１０号、および２００９年４月２８日に発行された、“Ｓｕｒｆａｃｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ｌｉｎｅ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｔｗｏ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ”と題する米国特許第７，５２５，６４９号に記載されている。これらの特許すべてを参照によって本願に援用する。

図２Ａおよび２Ｂは、本発明の他の例示的な実施形態による、本明細書に記載されている繰返し周波数逓倍器および／または繰返し周波数逓倍方法を内蔵する暗視野検査システム２００の態様を示す。図２Ａにおいて、光源２０１はレーザシステム２２０を含み、これは光を生成し、それがミラーまたはレンズ２０３により検査対象のウェハまたはフォトマスク（試料）２１１の表面上のライン２０５に合焦される。集光光学系２１０は、レンズおよび／またはミラー２１２および２１３を使ってライン２０５から散乱した光をセンサ２１５へと案内する。集光光学系２１０の光軸２１４は、ライン２０５の照明平面内にない。幾つかの実施形態において、光軸２１４はライン２０５に略垂直である。センサ２１５は、例えばリニアアレイセンサ等のアレイセンサを含む。レーザシステム２２０は、本明細書に記載されている繰返し周波数逓倍器および／または繰返し周波数逓倍方法の１つまたは複数を取り入れている。レーザシステム２２０は、本発明のある実施形態によるフラットトッププロファイルを効率的に生成し、それによってライン２０５に沿った時間平均光強度が実質的に均一となりうるように構成されてもよい。

図２Ｂは、複数の暗視野集光システム２３１、２３２、および２３３の１つの実施形態を示しており、各集光システムは図２Ａの集光光学系２１０と実質的に同様である。集光システム２３１、２３２、および２３３は、図２Ａの照明光学系２０１と実質的に同様の照明光学系と共に使用されてもよい。試料２１１はステージ２２１上に支持され、これは検査対象領域を光学系の下へと移動させる。ステージ２２１は、Ｘ−ＹステージまたはＲ−θステージを含んでいてもよく、これは好ましくは、検査中に実質的に継続的に移動して、試料の大きな領域を最小限のデッドタイムで検査できるようにする。

図２Ａおよび２Ｂに示されている実施形態による検査システムのさらに詳しい事項は、２０９年４月２８日に発行された、“Ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｌｉｎｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ”と題する米国特許第７，５２５，６４９号および２００３年８月１９日に発行された、“Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ａｎｏｍａｌｉｅｓ ａｎｄ／ｏｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ａ ｓｕｒｆａｃｅ”と題する米国特許第６，６０８，６７６号に記載されている。これらの特許の両方を参照によって本願に援用する。

図３は、垂直および斜角照明ビームの両方を使って試料上の粒子または欠陥を検出するように構成された検査システム３００を示す。この構成において、レーザシステム３３０はレーザビーム３０１を提供する。レーザシステム３３０は、パルスレーザと、本明細書に記載されている繰返し周波数逓倍器を含む。レンズ３０２はビーム３０１を、空間フィルタ３０３を通るように集光する。レンズ３０４はビームをコリメートし、それを偏光ビームスプリッタ３０５へと送る。ビームスプリッタ３０５は第一の偏光成分を垂直照明路へと通過させ、第二の偏光成分を斜角照明路に通過させ、第一および第二の成分は直交する。斜角照明路３０６の中で、第一の偏光成分は光学系３０７によって合焦され、ミラー３０８により試料３０９へと反射される。試料３０９（ウェハまたはフォトマスク等）により散乱した放射は、放物面ミラー３１０によって集光され、センサ３１１に合焦される。

斜角照明路３１２において、第二の偏光成分はビームスプリッタ３０５によって、このようなビームを１／２波長板３１４に通すミラー３１３へと反射され、光学系３１５により試料３０９に合焦される。斜角照明路３１２の中の斜角照明ビームから発し、試料３０９により散乱した放射は、放物面ミラー３１０により集束されて、センサ３１１に合焦される。センサ３１１と被照明領域（試料３０９上の垂直および斜角照明路による）は、好ましくは放物面ミラー３１０の焦点にある。

放物面ミラー３１０は、試料３０９からの散乱放射をコリメートして、平行ビーム３１６とする。平行ビーム３１６はすると、対物レンズ３１７により、アナライザ３１８を通ってセンサ３１１に合焦される。放物面以外の形状の曲面ミラー表面も使用できる点に留意されたい。器具３２０は、ビームと試料３０９とを相対的に移動させて、試料３０９の表面全体にわたり、スポットがスキャンされるようにすることができる。

２００１年３月１３日に発行された，“Ｓａｍｐｌｅ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ”と題する米国特許第６，２０１，６０１号およびＲｏｍａｎｏｖｓｋｙ ｅｔ ａｌ．により２０１２年７月９日に出願され、“ＷＡＦＥＲ ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ”と題する米国特許出願第１３／５５４，９５４号に、検査システム３００がより詳しく説明されており、これらの両方を参照によって本願に援用する。

図４は、明視野および暗視野モードを有する検査システムとして構成された、ある例示的な反射屈折イメージングシステム４００を示している。システム４００は、２つの光源、レーザ４０１と広帯域光照明モジュール４２０を内蔵する。レーザ４０１は、本明細書に記載されているように、パルスレーザと繰返し周波数逓倍器を含む。好ましい実施形態において、レーザ４０１は、本明細書に記載されているように、ＤＵＶまたはＶＵＶレーザ、パルス繰返し周波数逓倍器、および／またはフラットトッププロファイル生成器を含む。

暗視野モードでは、順応光学系４０２は、検査対象表面上のレーザ照明ビームサイズとプロファイルを制御する。機械的筐体４０４は、アパーチャおよび窓４０３と、試料４０８の表面への直角入射での光軸に沿ってレーザを方向転換するためのプリズムを含む。プリズム４０５はまた、試料４０８の表面特徴物からの鏡面反射を対物レンズ４０６の外に案内する。対物系４０６は、試料４０８により散乱した光を集光し、これをセンサ４０９に合焦させる。対物系４０６のレンズは、反射屈折対物レンズ５１２、合焦レンズ群４１３、およびチューブレンズ部４１４の一般的形態で提供でき、これは、任意選択でズーム機能を含んでいてもよい。

明視野モードでは、広帯域照明モジュール４２０は、広帯域光をビームスプリッタ４１０に案内し、これがその光を合焦レンズ群４１３と反射屈折対物レンズ４１２へと反射させる。反射屈折対物レンズ４１２は、試料４０８を広帯域光で照明する。試料から反射され、または散乱した光は、対物レンズ４０６によって集光されて、センサ４０９上で合焦される。広帯域照明モジュール４２０は、例えば、レーザポンププラズマ光源またはアークランプを含む。広帯域照明モジュール４２０はまた、オートフォーカスシステムを含んでいてもよく、これは、試料４８の反射屈折対物レンズ４１２に関する高さを制御するための信号を供給する。

参照によって本願に援用される、２００８年３月１８日に発行された、“Ｂｅａｍ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｄａｒｋ−Ｆｉｅｌｄ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｃａｔａｄｉｏｐｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ”と題する米国特許第７，２４５，８２５号に、システム４００がより詳しく説明されている。

図５は、入力レーザパルス（入力）を受け取り、入力レーザパルスのそれの３倍の繰返し周波数を有するパルストレイン（出力）を生成するように構成された、ある例示的なパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ａを示している。上で引用した‘０７５号米国特許出願に記載されている方式と同様に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）Ａ０１は、リングキャビティの入力および出力結合器の役割を果たす。入力レーザは、ＰＢＳ Ａ０１に関してｐ偏向される。ＰＢＳ Ａ０１は、入力レーザパルスを受け取り、ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射するように設計され、向き付けられている。さらに別の２つのＰＢＳ（Ａ０２およびＡ０３）と３つの折曲ミラー（Ａ０４、Ａ０５、Ａ０６）がデュアルキャビティを形成する。デュアルキャビティはまた、２つの２分の１波長板も含み、一方はＡ０１とＡ０２の間に設置され、他方はＡ０３とＡ０６の間に設置される。レーザパルスはＰＢＳ Ａ０１を通じてデュアルキャビティに入ると、これはＰＢＳ Ａ０２によって２つのパルスに分割される。パルスの一方の部分はＰＢＳ Ａ０２からＰＢＳ Ａ０３に反射され、ＰＢＳ Ａ０３からミラーＡ０６へと案内され、その後、ミラーＡ０６から反射されてＰＢＳ Ａ０２に戻る（ループＡとして示される）。パルスのもう一方の部分はＰＢＳ Ａ０２からミラーＡ０４へと透過し、ミラーＡ０４からミラーＡ０５に反射され、ミラーＡ０５から反射されてＡ０３を通ってミラーＡ０６へと反射され、その後、ミラーＡ０６から反射されてＰＢＳ Ａ０１に戻る（ループＢとして示されている）。繰返し周波数逓倍器１２０Ａはまた、ＰＢＳ Ａ０１からＰＢＳ Ａ０２に透過する入力レーザパルス部分の偏光状態を変えるための第一の波長板Ａ０と７、ＰＢＳ Ａ０３からミラーＡ０６へと透過する入力レーザパルスの偏光状態を変えるための第二の波長板Ａ０８も含む。ループＡとループＢとの間のレーザパルスエネルギー分布は、２分の１波長板Ａ０７の主軸の、入力レーザパルスの偏光に関する角度によって制御できる。２分の１波長板Ａ０８の主軸の角度を選択することにより、デュアルキャビティの中でリサイクルされるパルスエネルギーとＰＢＳ Ａ０１を通じてデュアルキャビティから出るエネルギーとの比を制御できる。

１つの好ましい実施形態において、ループＡの光路長は、入力レーザパルスのパルス間距離の約３分の１に設定され、ループＢの光路長はループＡの約２倍に設定される。その結果、出力パルスは、入力レーザパルス間の時間間隔の約３分の１と３分の２となり、入力パルスと略一致し、それゆえ、レーザの繰返し周波数は３倍となる。この実施形態において、好ましくは、各出力パルスのエネルギーが略等しくなるように、波長板Ａ０７とＡ０８の主軸の角度、それぞれαとβは、それぞれ約α＝２９°とβ＝１６°、またはそれぞれ約α＝１６°とβ＝２９°の何れかに設定される。用途によって各パルスのエネルギーのわずかな差（例えば、数パーセント）が容認される場合、これらの数値から１ないし２度の差のある角度も容認可能であるかもしれない。レンズ（図示せず）は、デュアルキャビティの中に組み込まれてもよく、および／またはミラーＡ０４、Ａ０５、およびＡ０６のうちの１つまたは複数は、各パルスのガウスビームウエストと大きさを、それが同じ位置に戻る時に同じ状態に再結像されるように湾曲されていてもよい。

このデュアルキャビティでは、３倍以外の繰返し周波数も可能である。例えば、ループＡは入力パルスの距離の約４分の１と等しい光路長を有するように設定されてもよく、ループＢは、ループＡの長さの約２倍に設定されてもよい。その結果、入力レーザパルスの繰返し周波数は４倍となるであろう。しかしながら、このような方式は、等しい出力パルスエネルギーを生成できず、そのため、等しい出力パルスエネルギーが必要とされない場合のみ有用である。

図６は、繰返し周波数を３倍にできる、他のパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｂを示している。上で引用した‘５９３号米国特許出願の中に記載されているヘリオットセル方式と同様に、このパルス繰返し周波数トリプラは、１対の曲面ミラー（Ｂ０１とＢ０２）により形成される光学キャビティを含む。曲面ミラーＢ０１およびＢ０２は、好ましくは球面ミラーである。パルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｂは、２つのビームスプリッタ（Ｂ０３、Ｂ０４）と２つのビーム補償器（Ｂ０５、Ｂ６）をさらに含む。２つの曲面ミラーＢ０１およびＢ０２の曲率半径は好ましくは、どちらもそれらの間の距離と実質的に等しいものとすべきである（すなわち、キャビティは共焦点であるべきである）。

レーザ入力パルス（入力）は、ビームスプリッタＢ０３に到達する。各パルスのエネルギーの一部は、ビームスプリッタとＢ０３から反射され、曲面ミラーＢ０１上の点Ｂ０７へと、次に曲面ミラーＢ０２上の点Ｂ０８へと、ビームスプリッタＢ０４を通って曲面ミラーＢ０１上の点Ｂ０９へと、その後、曲面ミラーＢ０２上の点Ｂ１０へと、そして再びビームスプリッタＢ０３に至る。各パルスのエネルギーのもう一方の部分は、ビームスプリッタＢ０３を透過してビームスプリッタＢ０４に至り、ここで、反射されて曲面ミラーＢ０１上の点Ｂ９へ、次に曲面ミラーＢ０２上の点Ｂ１０へ、そして再びビームスプリッタＢ０３に至る。好ましい実施形態において、より短いループ（Ｂ０３−Ｂ０４−Ｂ０９−Ｂ１０−Ｂ０３）の光路長は、より長ループ（Ｂ０３−Ｂ０７−Ｂ０８−Ｂ０４−Ｂ０９−Ｂ１０−Ｂ０３）のそれの約半分である。２つの曲面ミラーＢ０１およびＢ０２間の距離が入力レーザビームの当初のパルス間距離の約６分の１である場合、出力パルストレインは入力パルスの繰返し周波数の３倍を有する。ビーム補償器Ｂ０５およびＢ０６の光学厚さまたは方位は、ビームスプリッタＢ０３およびＢ０４によりそれぞれ生じるキャビティ内でのレーザビーム変位を実質的に補償するように選択される。

上で引用した‘５９３号出願に記載され、同出願の図２Ａおよび２Ｂに示されている２×繰返し周波数逓倍器の出力と同様に、パルス繰返し周波数トリプラ１２０Ｂの出力は一連のパルストレインからなり、各パルストレインは、１回または複数回、キャビティの一方または両方を逆転させた一連のパルスを含む。パルス繰返し周波数トリプラ１２０Ｂは、２×繰返し周波数逓倍器の場合の入力パルス当たり出力パルスが２つであるのと比較して、入力パルス当たりの出力パルストレインは３つである。パルス繰返し周波数トリプラの好ましい実施形態において、各出力パルストレインの中の総エネルギーは、ビームスプリッタＢ０３およびＢ０４を
とほぼ等しく、すなわち約０．２８と約０．７２に設定することによって、相互に略等しくされる。Ｂ０３の反射率を約０．２８にすることができ、Ｂ０４の反射率を約０．７２にすることができるか、またはＢ０４の反射率を約０．２８にすることができ、Ｂ０３の反射率を約０．７２にすることができる点に留意されたい。どちらの構成も、実質的に等しい出力パルスエネルギーを生成する。パルス間の数パーセント程度のエネルギーばらつきは多くの検査用途において容認可能であるかもしれないため、ビームスプリッタの反射率は、０．２８および０．７２から数パーセント異なる数値を有するように選択されてもよい。当業者であればわかるように、ビームスプリッタの反射率は、ビームスプリッタの材料、表面上にコーティングされた層の厚さと材料、およびビームスプリッタへの入射角を選択することによって制御できる。

図７Ａは、他の実施形態による繰返し周波数逓倍器１２０Ｂ−１を示しており、これは図６に示されるものと同様の方法で曲面ミラー（Ｂ０１およびＢ０２）とビームスプリッタを利用しているが、２つのビーム補償器（Ｂ０５およびＢ０６、図６参照）が除かれている点が異なる。図７Ａは、ビームスプリッタＢ３−１およびＢ４の位置を適正に調整することによって、ビームスプリッタの１つにより引き起こされるビーム変位をもう一方のビームスプリッタにより補償でき、またその逆も可能であることを示している。好ましくは、２つのビームスプリッタＢ４およびＢ０３−１は、実質的に等しい光学厚さを要する。図７Ｂは、他の実施形態による繰返し周波数逓倍器１２０Ｂ−２を示しており、ビームスプリッタＢ０３−２は、その被覆面が図７ａのビームスプリッタＢ０３−１に関して反対方向に反転された状態で設置されている。何れの実施形態においても、閉ループが存在でき、ビーム補償器は不要である。

図８は、繰返し周波数を４倍にできる他の繰返し周波数逓倍器１２０Ｄを示している。繰返し周波数逓倍器１２０Ｄは、図６に関して上述したものと同様の２つの曲面ミラーＢ０１およびＢ０２と、ビームスプリッタＤ０１およびＤ０６と、２つの折曲ミラーＤ０５よびＤ０７により構成される光学キャビティを含む。入力レーザの繰返し周波数はまず、上で引用した‘５９３号米国特許出願に記載されているものと同様の方法で、１つのビームスプリッタＤ０１（好ましくは反射率が約２／３）と２つのビーム補償器またはプリズムＤ０２を使って２倍にされる（第一のキャビティループ）。その後、出力ビームＤ０３は、直角プリズムＤ０４とミラーＤ０４によってキャビティに戻される。すると、ビームは、点線で示される経路に沿って他のビームスプリッタＤ０６（好ましくは反射率約１／３）に到達し、Ｄ０６から、球面ミラーＢ０１、球面ミラーＢ０２、その後他の平面ミラーＤ０７、および再びビームスプリッタＤ０６に至る第二のキャビティループ（破線）が始まる。この第二のキャビティパスループの長さは、第一のループのそれの約半分であり、それゆえ、これは繰返し周波数を２回にわたって２倍にし、出力パルストレインは当初の入力パルス繰返し周波数の４倍となる。

この方式の特殊な特徴は、この第二のキャビティループは、さらに繰返し周波数を２倍にするが、第一のキャビティループと同じ曲面ミラーセット（Ｂ０１およびＢ０２）を利用する。それに加えて、平面ミラーＤ０５およびＤ０７は、両面に高反射率（ＨＦ）コーティングを有する１つの光学素子にまとめることができる。これらの特徴によって、相互にカスケード接続された２つの個別の２×パルス逓倍器を含む装置と比較して、設置面積がより小さくなる。ミラーＤ０７およびＤ０５を合体させることは、好都合ではあるものの、必要ではなく、ビームＤ０３は、図とは異なる経路に沿って案内されてビームスプリッタＤ０６に到達してもよい点に留意されたい。別のレイアウトも可能であり、本実施形態の範囲内に含まれる。

図９は、既に開示したような繰返し周波数を２倍にする別の繰返し周波数逓倍器１２０Ｅを示している。繰返し周波数逓倍器１２０Ｅは、図６に関して上で説明したものと同様の方法で、曲面ミラーＢ０１およびＢ０２とビームスプリッタＢ０３により形成される光学キャビティを含む。ここでは、前の実施形態の補償器Ｂ０５の代わりに、二等辺三角形プリズムＥ０１が使用されている。

図１０Ａおよび１０Ｂは、二等辺三角形プリズムＥ０１の有益な特徴を示しており、すなわち、（１）それはビームをシフトさせ、シフト量はプリズムを横方向に移動させることによって調整され、（２）複数のビームが平行してプリズムに入射したとき、出力ビームの空間シーケンスは逆転される。この二等辺三角形プリズムはまた、二等辺三角錐またはダブプリズムとしても実装可能である。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、例示的実施形態による２つの同様のフラットトップビーム生成器１０２Ｅ−１および１０２Ｅ−２を示しており、これらはそれぞれ、繰返し周波数逓倍器１２０Ｅ−１および１２０Ｅ−２を使って、レーザ１１９Ｅ−１および１１９Ｅ−２から受け取った入力パルス（入力）を２つの横方向に変位された（別のラウンドトリップ光学系）出力ビーム経路に分割し、それによって入力レーザパルスのパルス繰返し周波数を倍加した（２倍）パルス繰返し周波数を有する、時間平均フラットトップビームプロファイルを有する出力レーザパルス（出力）を生成する。繰返し周波数逓倍器１２０Ｅ−１および１２０Ｅ−２は、２つの球面／キャビティ（曲面）ミラーＢ０１およびＢ０２、ビームスプリッタＢ０３、および二等辺三角形プリズムＥ０１を含み、これらは図９に関して上で説明した実施形態と同様に配置される。図１１Ａは、図９の垂直光路を点線で示している。図１１Ａに示される実施形態において、キャビティ内のビームは、入力ビームの小さい変位により（例えば、レーザ１１９Ｅ−１を図１１Ａの下の太い矢印により示される方向に変位させることによって）ルートＥ０２にシフトされる。レーザパルスが経路Ｅ０２でキャビティを１回周回した後、プリズムＥ０１はレーザパルスを、名目経路の反対側にある経路Ｅ０３に変位させる。ルートＥ０３のパルスは、それが再びプリズムＥ０１に戻ると、ルートＥ０２に再び切り換えられる。したがって、レーザパルスはルートＥ０２とＥ０３との間で交互に切り換えられる。

レーザパルスがビームスプリッタＢ０３に到達するたびに、パルスのエネルギーの一部が反射され、システムから出る。ルートＥ０２を通るパルスは出口ルートＥ０４でパルスを生成し、ルートＥ０３上のパルスは出口ルートＥ０５でパルスを生成する。この装置では、１つのガウスビームが空間的に２つに分かれる。Ｅ０４とＥ０５との距離を制御することによって、これら２つのレーザビームの重複度合いを制御できる。好ましい実施形態において、出力ビームプロファイルは、図１２に示されるように、略フラットトップの時間平均強度を有する。略フラットトップの出力ビームプロファイルは、１つのガウスビームをもう一方に関して、ビームウエストの半径（すなわち、ビーム振幅がそのピーク値の１／ｅ^２と等しい半径または、等価的に、ビームピーク密度がそのピーク値の１／ｅである半径）の約０．５倍だけ移動させることによって作ることができる。このフラットトッププロファイルは、均一化された空間パワー分布が必要な多くの用途において非常に望ましい。経路Ｅ０４およびＥ０５上のレーザパルスが、個々のパルスの持続時間よりはるかに長い時間だけ分離した（例えば、入力レーザパルス間の時間間隔の約半分だけ時間的に離れた）時にキャビティから出るため、一方のパルスが他方により干渉されることはなく、その結果、望ましい、比較的フラットトップのプロファイルが得られる。２つの変位したガウスパルス間の干渉は、パルス間に十分に長い時間遅延がない場合に起こる可能性があり、プロファイルがフラットトップでなくなる原因となりうる。

図１１Ｂは、フラットトップビームプロファイルを有するレーザパルス（出力）を生成するための他の例示的実施形態により構成された繰返し周波数逓倍器１２０Ｅ−２でのフラットトップビーム生成器１０２Ｅ−２を示している。レーザ１１９Ｅ−２の位置をシフトさせることによって入力ビームをオフセットする代わりに、プリズムＥ０１は、キャビティ軸に向かってシフトされ（図の下の太い矢印により示される）、それゆえ、パルスが名目経路Ｅ０６（実線）から新しいルートＥ０７（破線）に逸れる。各パルスは次に、キャビティを周回した後にプリズムＥ０１を通るたびにルートＥ０６およびＥ０７間で行ったり来たりする。図１１Ａの実施形態と同様に、パルスが２つの異なるルートでビームスプリッタＢ０３を通過するときに２つの出力ビームが生成され、時間平均フラットトップビームプロファイルは、ビーム分離を適正に調整することによって形成できる。

図１１Ａと図１１Ｂに示されているフラットトップ方式を容易にする上述の繰返し周波数逓倍器１２０Ｅ−１および１２０Ｅ−２は、繰返し周波数を２倍にする方式（例えば、図９に関して上で説明した構成）に基づいている。したがって、それには、一方の光学キャビティがレーザパルスエネルギー分布を時間領域内で広げるだけでなく、空間領域内のエネルギー分布も均一化する。

図１３は、他の実施形態による他のフラットトップビーム生成器１０２Ｆを示しており、これは繰返し周波数逓倍器１２０Ｆを使ってレーザ１１９Ｆにより生成された入力レーザパルスを受け取り、上で説明され、図６に示されているもの同様の３×パルス繰返し周波数逓倍システムを使って、時間平均フラットトップのビームプロファイルを有する出力レーザパルスＦ０３およびＦ４を生成する。この実施形態において、ビームスプリッタＢ０４は、その名目位置より（図６と比較して）下方に移動され、二等辺三角形またはダブプリズムＦ０６がビーム補償器Ｂ０６の代わりに使用され、上述の方法でビームを横方向に移動させ、２つのビーム経路を生成する。レーザパルスは、パルスがビームスプリッタＢ０３およびＢ０４間（キャビティ軸に垂直）の経路を通過するたびに、およびそれがプリズムＦ０６を通過するたびに、外側ルートＦ０１（実線）と内側ルートＦ０３（破線）との間で切り替わる。レーザパルスがビームスプリッタＢ０４に遭遇すると、パルスのエネルギーの一部がシステムから出る。好ましい実施形態において、ビームスプリッタの反射率は、Ｆ０３の平均出力パワーがＦ０４の平均出力パワーと略等しくなるように選択される。１つの好ましい実施形態において、ビームスプリッタの損失が最小限である場合、ビームスプリッタ反射率は、
となるように選択され、式中、Ｒ_Ｂ０３とＲ_Ｂ０４はそれぞれビームスプリッタＢ０３およびＢ０４の反射率である。好ましくは、ビームスプリッタとビーム補償器の両方の厚さはすべて同じであり、それによって光学キャビティ内で２つの閉ループを実現するための光学系のアラインメントが容易となる。

あるいは、図１４Ａおよび１４Ｂは、他の実施形態による例示的なフラットトップビーム生成器１０２Ｇ−１および１０２Ｇ−２を示しており、これは、図１３と同様の構成であるが、ビーム補償器またはプリズムを一切使用せず、これはそれぞれレーザ１１９Ｇ−１および１１９Ｇ−２により生成される入力レーザパルスを受け取り、フラットトップビームプロファイルを有する出力レーザパルス（出力）を生成する構成を有する。ビームスプリッタの位置を適正に配置することにより（例えば、図１４Ａに示されるようにビームスプリッタＢ０４−１を右に移動させるか、図１４Ｂに示されるようにビームスプリッタＢ０４−２を左に移動させることによる）、３×逓倍器に基づく方式において、補償器またはプリズムを使用せずにフラットトップビームプロファイルを生成することが可能となる。それに加えて、ビームスプリッタのコーティングは、異なる方向に向けることも（図１４Ａ）、または同じ方向に向けることも（図１４Ｂ）できる。また、図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態は、図７Ａおよび７Ｂに示される構成の、ビームスプリッタの一方が位置においてずれている派生型であり、それによってビームが２つに分割され、したがって、適切なオフセットにより、時間平均フラットトップ出力プロファイルを生成できることが分かるであろう。

図１５Ａは、図８に示されるものと同様の方式を有する（ここでは、「名目」と呼ぶ）４×繰返し周波数逓倍器１２０Ｈを利用する、他の例示的なフラットトップビーム生成器１０２Ｈを示している。この実施形態は、３×繰返し周波数逓倍器より幅広く、扁平の出力プロファイルを生成できる。図１１Ｂに示されるメカニズムを利用することによって、プリズムＤ０４を下方にシフトさせると、第一段階の出力ビームＤ０３が２つ（Ｄ０３およびＨ０１）に分割される。さらに、プリズムＤ０４を左側に移動させると、スプリットビームＤ０３およびＨ０１は名目経路（破線）の片側にシフトする。これら２つのビームは、ビームスプリッタＤ０６、ミラーＢ０１、ミラーＢ０２、およびミラーＤ０７により形成される第二のキャビティに入った後に、名目の反対側に逓倍される。したがって、ビームスプリッタＤ０６を通ってシステムから出る４つのビーム（Ｈ０２、Ｈ０３、Ｈ０４、Ｈ０５）がある。図中の点線は名目ビーム経路であり、これは直角プリズムがシフトされていない場合のみ存在し、これらはここでは参考である点に留意されたい。ビームは実際には、この状況ではこの名目経路を通らない。

フラットトップビームの組合せを生成するために、３つのパラメータを適切な関係に配置する必要がある。プリズムＤ０２のシフト距離を適正に調整することにより、Ｄ０３とＨ０１の間の距離（ａ）、したがってＨ０２とＨ０３との間の空間、ならびにＨ０４とＨ０５との間の空間も同様に調整できる。プリズムＤ０４の変位を調整することによって、Ｈ０３とＨ０４との間の空間（ｂ）を調整できる。最後に、ビームスプリッタＤ０１の反射率を、ビームＤ０３およびＨ０１が異なるパワーを所望の比で有するように選択することができる。

図１５Ｂは、図１５Ａのこの装置から生成されるある例示的な出力ビームプロファイルを示している。この例示的な実施形態において、入力にガウスビーム半径ｗ（１／ｅ^２分解能）の場合、フラットトップ出力プロファイルは、ａ〜０．９ｗ、ｂ〜０．８６Ｗ、ビームスプリッタＤ０１の反射率Ｒ_Ｄ０１〜０．６５、ビームスプリッタＤ０６の反射率Ｒ_Ｄ０６〜０．３３で生成される。この例は、幅約２．３ｗの実質的にフラットトップの時間平均出力プロファイルを生成する。どれだけフラットなプロファイルが必要かに応じて、その他の組合せも有効であるかもしれない。

上で引用され、参照によって本願に援用される‘０７５号および‘５９３号出願において、レーザパルス繰返し周波数逓倍器の代替的な実施形態が記載されている。これらの出願は、適切な長さのリングキャビティを使用することにより、ビームスプリッタを使って各入力パルスのエネルギーの約２／３をキャビティ内に誘導し、各パルスのエネルギーの約１／３を出力に誘導することによって、パルスレーザの繰返し周波数をどのように２倍にできるかを説明している。キャビティ光路長が入力レーザパルス間の時間間隔の約半分に対応した状態で、出力パルストレインは、当初のレーザパルスの２倍の繰返し周波数で繰り返す、実質的に同様のエネルギーのエンベロープを形成する。‘５９３号出願はまた、ビームスプリッタの透過率と反射率を調整して、ビームスプリッタとリングキャビティ内の損失を補償するために実質的に等しい出力パルスエネルギーを保持する方法を説明している。‘０７５号および‘５９３号出願に記載されている原理の何れを本明細書に記載されているパルス繰返し周波数逓倍器のさまざまな実施形態に適切に応用してもよい。

以上、本発明の１つまたは複数の実施形態の詳細な説明を、本発明の原理を例示する添付の図論に沿って提供した。本発明は、このような実施形態に関連して説明されているが、本発明は何れの実施形態にも限定されない。

例えば、１つの実施形態において、光学構成要素はレーザ波長に関する適切なコーティングで被覆できる。波長板等、何れの透過性素子の各表面にも、レーザエネルギーのうち、各表面で反射される量を最小限にする反射防止コーティングを設けることができる。ミラーは、レーザ波長での反射を最大にし、散乱を最小限にするように設計されたコーティングで被覆できる。

他の例では、１つの実施形態において、ヘリオットセル様のキャビティは、上述の例とは異なる形状または異なる数のミラーを有していてもよい。

上で例示した実施形態は１つの平面内に描かれているが、代替的な実施形態では、依然として同じミラーセットを使って、キャビティループの一方、例えば図８または図１５Ａの第二のキャビティループを、他のキャビティループ、例えば第一のキャビティループの平面に略垂直な、または回転させた関係にある平面に設置できる。例えば、図１６Ａおよび１６Ｂは、２×パルス繰返し周波数逓倍器の構成を示す正面図および側面図であり、入力パルスと出力パルスが、ビームスプリッタＤ０１、ビーム補償器またはプリズムＤ０２、および曲面ミラーＢ１およびＢ０２により形成されるキャビティループの平面に垂直な平面の中に誘導される。図１６Ｃおよび１６Ｄは、４×構成を示す正面図および側面図であり、１つまたは複数のミラーまたはプリズムをキャビティの外で使用して、プリズムＤ０４からの光を第二のループの平面内にあるミラーＤ０６へと誘導または屈折させることができる。図１６Ｄにおいて、入力および出力ビーム、２×キャビティループの平面、ビームスプリッタＤ１およびビーム補償器またはプリズムＤ０２が、参考のために破線で上から見た状態で示されている点に留意されたい。一方のキャビティループの光学構成要素は、これらが他方のキャビティループと交差しないように位置付けられている。異なるキャビティループを異なる平面内に設置する利点は、キャビティループの各々が曲面ミラー、例えばミラーＢ０１およびＢ０２等から、これらのミラーの中心から実質的に同じ距離で反射することができ（図１６Ｃに示されるように、破線は入力および出力光路と２×ループの平面を上から見た状態で示している）、それによってキャビティループを同時に合焦させ、それによってレーザビームがキャビティループを複数回通る際の収差が最小限となることである。プリズムＤ０２およびＤ０４を、図１５Ａに示されるものと同様の方法で適切な方向に向き付け、変位させることによって、図１６Ｃおよび１６Ｄに示される４×レーザパルスの繰返し周波数逓倍器は、図１５Ａに示されているものと同様の、時間平均された実質的にフラットトップのプロファイルを有する出力を生成できる。

図１７は、前述の方法でレーザ（図示せず）により生成される入力レーザパルスの周波数の２倍である繰返し周波数を有するパルストレインを生成するように構成された、ある例示的なレーザパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｉを示している。上で引用された‘５９３号米国特許出願に記載されている概念と同様に、ビームスプリッタ（Ｉ０１）は、連続する２つの入力レーザパルス間の時間間隔の半分と略等しい光路長のリングキャビティ内に設置される。リングキャビティは、２つの直角反射ペア光学素子、例えばプリズム（Ｉ０２およびＩ０３）を含み、これらはレーザパルスを全反射（ＴＩＲ）で反射する。直角反射ペア光学素子Ｉ０２およびＩ０３は、レーザ繰返し周波数逓倍器１２０Ｉのリングキャビティで使用された時に、ミラーに対していくつかの利点を有する。ミラーの１つの欠点は、レーザパルスがリングキャビティ内を循環する際の損失を最小限にするためには、ミラーに高い反射率コーティングが必要となることである。高反射率コーティングは、特に数百Ｗまたはそれ以上のパワーを持つ深ＵＶレーザの場合に、レーザパルスのピークパワーにより損傷を受ける可能性がある。高反射率コーティングの代わりにＴＩＲを使用することによって、このようなコーティングが高いレーザパワーで長期間動作しても損傷を受けるリスクが回避される。ミラーではなくプリズムを使用する第二の利点は、２つのミラーに基づく直角反射ペア素子を形成するために必要な４つのミラーの代わりに、２つのプリズムでよく、それによって光学構成要素の数が少なくなる点である。プリズムを使用する第三の利点は、１つのプリズムの２つのＴＩＲ面間の直角が固定され、高精度で製造できることである。プリズムの厳しい角度誤差と光学構成要素数の減少により、図１７のリングキャビティのアラインメントが容易になる。

‘５９３号出願に記載されているように、レーザパルス繰返し周波数ダブラの中で、各出力パルスが実質的に全エネルギーを有することが望ましい場合、ビームスプリッタＩ０１は、各入力レーザパルスのエネルギーの実質的に２／３の（第二の）部分をリングキャビティ内で反射し、各入力レーザパルスの実質的に１／３の（第一の）部分を透過させて、１／３の部分が１回目に繰返し周波数逓倍器１２０Ｉから出て、２／３の部分が、反射素子Ｉ０２とＩ０３との下で反射された後に２回目に繰返し周波数逓倍器１２０Ｉから出るように設計するべきである。これは、例えば、ビームスプリッタＩ０１の上に適切なコーティングを使用することによって実現できる。実質的に等しい出力パルスエネルギーが必要ではない場合、ビームスプリッタＩ０１は、各レーザパルスの２／３以外の部分を反射するように設計されてもよい。例えば、検査システムで使用されるとき、各出力パルスを実質的にピークパワーと等しくして、検査対象の物品の損傷閾値に近い動作を実行できることが望ましいかもしれない。出力パルスのピークパワーを実質的に等しくすることは、各レーザパルスの約６２％をリングキャビティの中に反射するビームスプリッタを使用することにより実現できる。

‘５９３号出願に説明されているように、リングキャビティの光路長は、入力レーザパルス間の時間間隔の半分と等しい距離よりわずかに長い、またはわずかに短く設定して、出力パルスを広くし、各出力パルスのピークパワーを減衰させ、下流の光学系または、レーザ繰返し周波数逓倍器を内蔵するシステムにより検査または測定される物品に損傷を与える可能性を低減させてもよい。

例えば、入力レーザパルスの繰返し周波数が１２０ＭＨｚである場合、リングキャビティの光路長が約１．２４９ｍであると、繰返し周波数は２倍となり、出力パルスは時間において略等しく離間される。このリングキャビティ光路長を実現するために、プリズム間の物理的な距離を約０．６２５ｍとする必要がある。当業者であればわかるように、レーザパルスは各プリズムＩ０１およびＩ０２の内部の短い距離を移動し、プリズム材料の屈折率が１より大きいため、プリズム内の光路長はプリズム内でレーザパルスが移動する物理的距離より少し長い。所望のリングキャビティ光路長を実現するために、プリズム間の物理的距離に適切な小幅な調整を加えることにより、これを補償できる。出力パルスを入力パルスより広くし、各パルスのピークパワーを減衰させることが望ましい場合、リングキャビティの光路長は、１．２５ｍのリングキャビティ光路長等、１．２４９ｍより少し長いか、少し短く設定でき、それによってリングキャビティを２周したパルスは次の入力パルスより６ｐｓ（ピコ秒）遅れて到達する。

好ましい実施形態において、繰返し周波数逓倍器１２０Ｉのリングキャビティは好ましくは、光学板Ｉ０４を含み、レーザパルスがビームスプリッタＩ０１を通過することによって生じるレーザビーム位置のオフセットを実質的に補償する。光学板Ｉ０４は、好ましくは、ビームスプリッタＩ０１の光学厚さと実質的に等しい光学厚さを有するべきである。光学板Ｉ０４は、好ましくは、反射防止コーティングで被覆して、その表面からのレーザ光の反射を最小限にするべきである。光学板Ｉ０４がリングキャビティの同じアームに設置されている場合（図のとおり）、好ましくは光学板Ｉ０４を入力レーザビーム（パルス）に対して、ビームスプリッタＩ０１のレーザビームに対する角度の実質的な鏡像である角度で向き付け、ビームスプリッタＩ０１により生じるビーム変位を実質的に補償するべきである。光学板Ｉ０４がリングキャビティのもう一方のアーム（図示せず）に接地された場合、これは好ましくは、ビームスプリッタＩ０１に実質的に平行に向き付けるべきである。

図１８は、図１７のそれと同様であるが、その直角プリズムの一方（Ｊ０２）がもう一方の直角プリズム（Ｊ０３）に関して９０°回転されている、他のレーザパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｊを示している。図１７の構成と比較して、図１８のレーザパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｊは、２つのプリズム間の物理的距離を実質的に半分にして、同じリングキャビティ光路長を実現でき、それによって、よりコンパクトなレーザパルス繰返し周波数逓倍器が得られる。ビームスプリッタＪ０１と光学板Ｊ０４は、図１７のビームスプリッタＩ０１と光学板Ｉ０４と同じ機能を果たす。光学板Ｊ０４は、板の向きを適切に選択して、リングキャビティの４本のアームの何れの１つに設置することもできる。

図１９Ａ、１９Ｂ、および１９Ｃは例示的実施形態を示しており、リングキャビティ光路長は、直角プリズム（または透過的に直角ミラーペア）の一方を図のように他のプリズム／ミラーペアに関して適当な角度で回転させることによって、プリズムの物理的分離距離の２倍（図１９Ａ）、４倍（図１９Ｂ）、６倍（図１８Ｃ）、または他の偶数の整数倍と実質的に等しくされている。各パルスがその当初の出発地点（例えば、図１９Ａ〜１９Ｃに示されていないビームスプリッタ）に戻る前にたどらなければならないリングキャビティを回るループの数は、ｍ＝１８０°／θであり、θは２つのプリズム（またはミラーペア）間の相対的角度である。図１９Ａを参照すると、θ＝０、または等価的に１８０°であると、ｍ＝１となり、ビームは１つの平面内に留まり、ループキャビティの周囲のループを１周のみした後、その当初の位置に戻る。図１９Ｂを参照すると、θ＝９０°のとき、ｍ＝２となり、各レーザパルスはリングキャビティの周囲に２つのループを作って、その当初の位置に戻る。図１９Ｃを参照すると、θ＝６０°のとき、ｍ＝３となり、ビームはリングキャビティを３周してから当初の出発地点に戻る。偏光状態はビームがその当初の位置に戻る時に、常に保持される。

この設計の重要な利点は、単純にプリズムのうちの１つを回転させることによって、リングキャビティ光路長を変化させながら、実質的に同じキャビティフットプリントが保持される点である。

図２０は、ある例示的実施形態による他の繰返し周波数逓倍器１２０Ｋを示しており、異なる光路長の２つのリングキャビティがカスケード接続されて、パルスレーザの繰返し周波数が４倍となる。２つのリングキャビティは、一方のリングキャビティが他方の光路長の２倍であるにも関わらず、実質的に同様の外寸を有する。第一のリングキャビティは、ビームスプリッタＫ０１、プリズムＫ０３およびＫ０２、および光学板Ｋ０４を含む。第一のキャビティは、リングキャビティを回る２つのループを使用して所望の光路長さを実現することにより、繰返し周波数を２倍にする。第二のリングキャビティは、ビームスプリッタＫ１１、プリズムＫ１２およびＫ１３、および光学板Ｋ１４を含む。第二のリングキャビティは、リングキャビティ内の１つのループを使って２回目に繰返し周波数を２倍にする。連続するパルス間の空間距離は、繰返し周波数が２倍になると半分となるため、第二のリングキャビティは好ましくは、第一のリングキャビティの光路長の実質的に半分とするべきである。

２つのリングキャビティは、同じ光学構成要素から製造できる。２つのキャビティは実施的に同様の外寸を有するため、取り付けるためのハードウェアと機械的設計の多くを同じにすることができる。一方のリングキャビティがもう一方のリングキャビティの物理的長さの約２倍である設計より、スペースを効率的に使用できる。

図２１は、プリズムＬ０２およびＬ０３により形成されるリングキャビティに挿入された例示的なレンズ構成による繰返し周波数逓倍器１２０Ｌのリングキャビティ部分を示しており、これによってレーザビームは、リングキャビティを１周した後にその当初の位置に戻るときに、実質的にその当初のビーム状態（ウエスト位置と大きさ）に実質的に再合焦される。レンズＬ０５およびＬ０６は好ましくは、等しい焦点距離を有するべきであり、焦点距離は、ビームウエストがキャビティの中心に形成されるように選択され、レンズは好ましくは、ビームウエストの付近でレーザパワー密度が高くなることを回避するために、できるだけウエストから遠くに位置付けられる。レーザパルス繰返し周波数逓倍器のその他の構成要素（ビームスプリッタと光学板等）は、明瞭にするためにこの図では省かれている。

図２２は、繰返し周波数逓倍器１２０Ｍの他のリングキャビティ部分を示しており、２ループキャビティ内に挿入された同じレンズ構成（すなわち、プリズムＬ０２およびＬ０３とレンズＬ０５およびＬ０６、図２１参照）は、レーザビームを、それがその当初の位置に戻るときにその当初のビーム状態（ウエスト位置と大きさ）に再結像する。同様に、このレンズ構成は、リングキャビティ内のループがいくつであっても、正しくレーザビームを再結像する。

図２３は、繰返し周波数逓倍器１２０Ｎの他のリングキャビティ部分を示しており、２つのプリズムＮ０２およびＮ０３と２つのレンズＮ０５およびＮ０６を使った他の例示的レンズ構成を利用し、これらはレーザビームが、それがその当初の位置に戻るときにその当初のビーム状態（ウエスト位置と大きさ）に再結像されるように配置されている。この実施形態において、レンズＮ０５およびＮ０６は、好ましくは、キャビティの長さと略等しい焦点距離を有し、ビームウエストがキャビティの中心近くに形成されるようにプリズムの近くに、かつ、プリズムまたはレンズ表面の何れとも近すぎないように位置付けられるべきである。

図２４は、繰返し周波数逓倍器１２０Ｏの他のリングキャビティ部分を示しており、図２３と同様の他の例示的レンズ構成を利用しているが、各球面レンズの代わりに１対の円筒レンズが使用されている（すなわち、球面レンズＮ０５が円筒レンズＯ０５１およびＯ０５２に置き換えられ、球面レンズＮ０５が円筒レンズＯ０６１およびＯ０６２に置き換えられている）点が異なる。各円筒レンズは好ましくは、レーザビームの伝播方向と偏光に関してブリュースタ角に近くなるように向き付けられる。レンズをｐ偏光についてブリュースタ角度に、またはそれに近い角度で向き付ける利点は、各レンズ表面の反射率が、コーティングを一切使わずに非常に小さくされ、それゆえ、コーティングのコストが削減され、レーザによるコーティングの損傷が回避される点である。各ペアのうちの一方の円筒レンズの曲率は、同じペアのもう一方の円筒レンズの曲率と垂直に向き付けられ（すなわち、曲率はサジタルおよびタンジェンシャル）、これらは協働して、図２３に示される球面レンズの１つと実質的に同様の方法でビームを再結像する。

図２５Ａは、変形型の直角プリズムペア（Ｐ０１およびＰ０２）を有するレーザパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｐの他の例示的実施形態を示している。プリズムＰ０１は、図１７のプリズムＩ０２と同じ機能を果たすが、プリズムＰ０１は、入射角がレーザビームのｐ偏光に関してブリュースタ角に近くなるようにカットされ、位置付けられる点が異なる。したがって、プリズム上にＡＲコーティングは一切不要であり、高いレーザパワーの下でのコーティング損傷の可能性が回避される。プリズムＰ０２は、プリズムＰ０１と同じ形状を有し、また、レーザビームのｐ偏光に関してブリュースタ角に近い角度に向き付けられている。プリズムＰ０２は、点Ｐの周囲のみに（表面全体ではない）追加のコーティングを有し、これはキャビティの中と外の光を結合するビームスプリッタとして機能する。これにより別のビームスプリッタ構成要素が不要となり、それゆえ、光学構成要素の数が減り、リングキャビティのアラインメントが容易となる。前述のように、１つの好ましい実施形態において、コーティングは各入射レーザパルスのエネルギーの約２／３を反射して、各出力レーザパルスの中の実質的に等しいエネルギーを生成するように設計される。

図２５Ｂは、図２５Ａのそれと同様の、他の例示的実施形態のレーザパルス繰返し周波数逓倍器１２０Ｑを示しており、これは同じプリズムＰ０１を利用するが、図２５ＡのプリズムＰ０２の代わりに、変形型の形状を有するプリズムＱ０２が使用されている。この形状により、入力および出力ビームが相互に平行となり、これは、レーザパルス繰返し周波数逓倍器をシステムに組み込みやすくなることから、一般に望ましい。プリズムＱ０２は、プリズムのＴＩＲ面間の直角を保持し、リングキャビティ内のレーザビームについてブリュースタ角に近い入射角を用いる。プリズムＰ０２について前述したように、プリズムがビームスプリッタ機能を果たすために、位置Ｐの周囲にコーティングが必要である。

図２６Ａおよび２６Ｂは、他の実施形態による繰返し周波数逓倍器１２０Ｒを示しており、２つの直角プリズムＲ０１およびＲ０２の一方を回転させることによって、ブリュースタ角によるカットの有無に関係なく、ある物理的リングキャビティ長さについて有効ビーム経路長を２倍（または３倍、その他）にすることができる。これらの図において、ブリュースタ角カットを有するプリズムＲ０２は、このブリュースタ角入射面に垂直な軸に関して回転させて、ビーム偏光状態と入射角（すなわち、ブリュースタ状態）が回転後も同じに保たれるようにしなければならない。

図２７Ａおよび２７Ｂは、他の逓倍器設計による繰返し周波数逓倍器１２０Ｓを示す、それぞれ上面図と側面図であり、３つのプリズムＳ０１、Ｓ０２、およびＳ０３を有し、その各々が異なる形状であり、何れの面にもコーティングが不要である。プリズムＳ０１は、リングキャビティ内の反射器と、キャビティに入り、そこから出るビームを所望の反射率、例えば反射率約Ｒ＝１／３で結合するビームスプリッタの２つの機能を果たす。図２７Ｂに示されている側面図の中で、プリズムＳ０２はプリズムＳ０１の背後に隠れている点に留意されたい。各種のプリズムの平面間の各種の角度がこの図に示されている。

プリズムＳ０１の形状が図２８、２８Ａ、２８Ｂ、および２８Ｃに示されている。これは、図２９Ａ及び２９Ｂに示されるフレネル反射特性を利用している。溶融シリカ（または同様の屈折率を有するあらゆる材料）の表面に当たるＳ偏光に関して、入射角が約７３°であるとき、反射率は必然的に約３３．３％となる。入力レーザビームｂ１と出力レーザビームｂ２は、表面Ｓ１に関してＳ偏光となる。しかしながら、屈折ビームが表面Ｓ２またはＳ３を通過するとき、これはＰ偏光となる。これらの表面（Ｓ２およびＳ３）への入射角がブリュースタ角に近いと、レーザビームは、コーティングを使用せずに最小限のパワー損失で通過でき、したがって、レーザがコーティングに損傷を与える可能性がなくなる。

繰返し周波数逓倍器１２０Ｓ（図２７Ａ参照）のプリズムＳ０２が図３０、３０Ａ、および３０Ｂに示されている。このプリズムは表面Ｓ４およびＳ５においてブリュースタ角で反射し、表面Ｓ６では全反射を利用する。

繰返し周波数逓倍器１２０Ｓ（図２７Ａ参照）のプリズムＳ０３が、図３１、３１Ａ、３１Ｂ、および３１Ｃに示されている。これは、ブリュースタ角でカットされた２つの表面を有する直角プリズムの役割を果たす。これらのブリュースタ角カットは、リングキャビティ面に垂直なビーム偏向のために向き付けられており、これはリングキャビティ平面と平行な偏向のための図２５ＡのプリズムＰ０１と異なる。

図３２Ａは、リングキャビティ平面に平行な偏光を利用する他の例示的なレーザパルス繰返し周波数逓倍器の構成による繰返し周波数逓倍器１２０Ｔを示している。この構成は、長方形のレイアウトを形成し、９０°のビーム結合（入射／射出）を行い、これは機器に組み込むのにより好都合でありうる。この構成は３つの素子を含む。ビームスプリッタＴ０１は、１つの表面に入射角４５°で選択された反射率、例えば反射率Ｒ＝１／３のコーティングと、反対の面に反射防止（ＡＲ）コーティングを有する。図３２Ｂに示されているように、１つの好ましい実施形態において、プリズムＴ０２はペリンブロッカプリズムであり、これはリングキャビティ内のビームに関してブリュースタ角にある入射および射出面により合計９０°でビームを偏向させるミラーとして機能する。プリズムＴ０２は、プリズム内部の全反射を利用する。このようにして、コーティングを一切使用しなくても、ｐ偏光について、エネルギー損失がほとんどない。代替的な実施形態において、高反射率コーティングを持つミラーがプリズムＴ０２の代わりに使用される。素子Ｔ０３は、直角プリズムとして記号的に描かれている。好ましい実施形態において、プリズムＴ０３はリングキャビティの平面に平行とされた偏光に関して図２５Ａに示される設計Ｐ０１のようなブリュースタカット表面を持つ形状を使用する。

上述のものと同様の方法で、直角プリズムＴ０３は入射面に対して略垂直方向の周囲で９０°回転させることにより、キャビティ内のビーム経路に長さを２倍にすることができる。

図３３は、例示的実施形態による繰返し周波数逓倍器１２０Ｕを示しており、この中では、図３２Ａの実施形態のそれらと同様の２つのリングキャビティがカスケード接続されて、繰返し周波数が４倍になる。第一のリングキャビティＵ０１は、９０°だけ回転された１つのプリズムを有し、それによってこのキャビティの光路長は、両方のキャビティが同様の物理的寸法を有していても、第二のキャビティＵ０２のそれの約２倍となる。これら２つのキャビティが協働して、繰返し周波数を４倍にする逓倍器を形成する。

上で引用し、参照によって本願に援用される‘０７５号および‘５９３号出願において、レーザパルス繰返し周波数逓倍器の代替的な実施形態が記載されている。これらの出願は、適当な長さのリングキャビティを使い、ビームスプリッタを使って各入力パルスにエネルギーの約２／３をキャビティの中に誘導し、各パルスのエネルギーの約１／３を出力へと誘導することによって、パルスレーザの繰返し周波数がどのように２倍にされるかを説明している。キャビティの光路長が入力レーザパルス間の時間間隔の約半分に対応する場合、出力パルストレインは、当初のレーザパルスのそれの２倍である繰返し周波数で繰り返す、実質的に同様のエネルギーのエンベロープを形成する。‘５９３号出願はまた、ビームスプリッタの透過率と反射率を調整して、実質的に等しい出力パルスエネルギーを保持することにより、ビームスプリッタとリングキャビティの中の損失を補償する方法を説明している。‘０７５号および‘５９３号出願において記載されている原理の何れも、本明細書に記載されているパルス繰返し周波数逓倍器の様々な実施形態に適当に応用できる。

はるかに高い繰返し周波数に到達するために、各ユニットが異なるキャビティ長さを有する、上記のレーザ繰返し周波数逓倍器の何れかの複数のユニットをカスケード接続することができる。出力繰返し周波数は、入力繰返し周波数の２×、４×、．．．または２^ｎ×と等しくすることができ、ｎはレーザパルス繰返し周波数逓倍器のキャビティの数であり、各キャビティの光路長は当初のパルス間の距離の１／２、１／４、．．．１／２^ｎである。

上記の例示的な実施形態は、パルスレーザの繰返し周波数を逓倍することを目的として、異なる長さの光学キャビティを平面ミラー、曲面ミラー、プリズム、およびレンズの各種の組合せからどのように形成できるかを示している。繰返し周波数逓倍器または時間平均された実質的にフラットトップのプロファイルの出力を生成する繰返し周波数逓倍器は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組合せから構成されてもよい。例えば、平面ミラーの代わりにプリズムを使用してもよく（または多くの場合、その逆でもよく）、または曲面ミラーの代わりに平面ミラーと１つまたは複数のレンズの組合せを使用してもよい（またはその逆でもよい）。どの構成要素を使用するかは、レーザ波長、光学構成要素の位置におけるレーザパワー密度、構成要素のための適当な光学コーティングの使用可能性、物理的空間と重量を含む多くの実践上の検討事項に応じて選択される。前述のように、プリズムと、ブリュースタ角表面を有する構成要素は一般に、パワー密度が十分に高く、光学コーティングに損傷を当たる可能性がある場合に好ましい。

本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定され、本発明は多数の代替物、改良、等価物を包含する。上の説明の中で、本発明を十分に理解できるように多くの具体的な詳細が記載されている。これらの詳細は、例として提供されており、本発明はこれらの具体的な詳細の一部または全部を用いずに、特許請求の範囲にしたがって実行することもできる。明瞭にするために付記すれば、本発明に関係する技術分野において知られている技工物や派生物については、本発明を不必要に曖昧にしないように、詳しく説明されていない。

Claims (10)

1. 入力レーザパルスを受け取り、前記入力レーザパルスのパルス繰返し周波数の少なくとも２倍である出力パルス繰返し周波数を有する出力パルスを生成するためのレーザパルス繰返し周波数逓倍器であって、
   第一および第二の曲面ミラーと、第一および第二のビームスプリッタと、光学キャビティを形成する少なくとも２つの折曲ミラーと、前記光学キャビティの外部に位置する直角プリズムと、を含むヘリオットセルを備え、
   前記ヘリオットセルは、前記入力パルスの各々が部分的に、前記光学キャビティ内部の第一のキャビティループに沿って送られ、次に、前記直角プリズムに到達し、さらに前記光学キャビティ内部の第二のキャビティループに沿って運ばれて、前記生成された出力パルスの１つとして前記光学キャビティから出射するように構成され、
   前記２つの曲面ミラーの曲率半径が、前記入力レーザパルス間の空間分離距離の４分の１の奇数整数倍と略等しく、
   前記２つの曲面ミラーは共通の曲率半径を有し、前記曲率半径と実質的に等しい距離だけ離間されている、
   ことを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
2. 請求項１に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記ヘリオットセルは、前記出力パルス繰返し周波数が、当初の入力パルスの繰返し周波数の４倍であるように構成されることを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
3. 請求項１に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記ヘリオットセルは、前記入力レーザパルスの各々の少なくとも一部が、前記第一のキャビティループ上では前記第一および第二の曲面ミラーの第一部分によって反射されるように、前記第一のビームスプリッタによって方向づけられ、前記第二のキャビティループ上では前記第一および第二の曲面ミラーの第二部分によって反射されるように、前記第二のビームスプリッタによって方向づけられるように構成され、
   前記ヘリオットセルが、前記第一のキャビティループに配置されたプリズムをさらに備え、
   前記プリズム、前記少なくとも２つの折曲ミラー、および前記直角プリズムのうちの１つが、前記第一のキャビティループから出たレーザパルスを前記第二のキャビティループ内に逸らすように構成される、
   ことを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
4. 請求項３に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記ヘリオットセルは、前記第一のキャビティループが、前記第二のキャビティループとは異なる平面内にあるように構成されることを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
5. 請求項４に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記第一のビームスプリッタが前記入力レーザパルスを受け取り、前記入力レーザパルスの各々のエネルギーの約３分の２を前記第一のキャビティループ内に反射することを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
6. 請求項１に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記第二のビームスプリッタが、約３分の１の反射率を有することを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
7. 請求項１に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記ヘリオットセルは、
   前記入力レーザパルスの各々が前記第一のビームスプリッタに方向づけられ、
   前記第一のビームスプリッタが、前記各々の入力レーザパルスの少なくとも第一の部分を、該第一の部分が前記第一のキャビティループ上では第一の平面において前記第一および第二の曲面ミラーによって反射され、その後、前記直角プリズムに向けられるように方向づけるように構成され、
   前記直角プリズムが、前記第一の部分を前記第二のビームスプリッタに向けなおすように構成され、
   前記第二のビームスプリッタが、前記第一の部分の各々の少なくとも第二の部分を、該第二の部分が前記第二のキャビティループ上では前記第一の平面とは異なる第二の平面において前記第一および第二曲面ミラーによって反射されるように構成される、
   ように構成されることを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
8. 請求項１に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
   前記ヘリオットセルが、前記第一のビームスプリッタとともに第一の平面に配置されたビーム補償器およびプリズムのいずれかをさらに備え、
   前記第二のビームスプリッタと前記少なくとも２つの折曲ミラーとが第二の平面に配置されている、
   ことを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
9. 入力レーザパルスを受け取り、前記入力レーザパルスのパルス繰返し周波数の少なくとも２倍の出力パルス繰返し周波数を有する出力パルスを生成するための繰返し周波数逓倍器において、前記繰返し周波数逓倍器は、
   少なくとも１つのビームスプリッタと、リングキャビティを形成する２つの光反射素子とを含み、
   前記少なくとも１つのビームスプリッタは、各入力レーザパルスの第一のエネルギー部分を、該第一の部分が第一の時間に前記繰返し周波数逓倍器を出るように方向付けるように構成され、かつ、前記入力レーザパルスの前記エネルギーの第二の部分を、該第二の部分が前記２つの光反射素子の間で反射されて第二の時間に前記繰返し周波数逓倍器を出るように、前記リングキャビティへと方向付けるように構成され、
   前記２つの光反射素子が、第一曲面ミラーと第二曲面ミラーとを含み、
   前記少なくとも１つのビームスプリッタが、
   前記第一及び第二のエネルギー部分を前記リングキャビティに方向付けるように構成された第一のビームスプリッタと、
   前記入力レーザパルスの各々の前記第二のエネルギー部分を、該第二の部分が、前記第一及び第二の反射素子の間を少なくとも一度横切った後、前記繰返し周波数逓倍器から出るように方向付けるように構成された第二ビームスプリッタと、
   を備え、
   前記繰返し周波数逓倍器が、さらに、
   前記リングキャビティに配置されたプリズムと、
   前記リングキャビティに配置された少なくとも２つの折曲ミラーと、
   前記リングキャビティの外部に位置する直角プリズムと、
   を備え、
   前記第一ビームスプリッタと前記プリズムとが、前記入力パルスの各々の第一の部分が前記リングキャビティ内部の第一のキャビティループに沿って送られるように構成され、
   前記第二ビームスプリッタと前記少なくとも２つの折曲ミラーとが、前記入力パルスの各々の第二の部分が前記リングキャビティ内部の第二のキャビティループに沿って送られるように構成され、
   前記直角プリズムが、前記第一のキャビティループを離れる前記第一の部分を前記第二のキャビティループに方向付けるように構成される、
   ことを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。
10. 請求項９に記載のレーザパルス繰返し周波数逓倍器において、
    前記第一のビームスプリッタは、前記入力レーザパルスの各々の前記第一の部分を、該第一の部分が、前記第一のキャビティループ上では第一の平面において前記第一および第二の曲面ミラーによって反射されるように方向づけるように構成され、
    前記直角プリズムが、前記第一のキャビティループを離れる前記第一の部分を前記第二のビームスプリッタに方向付けるように構成され、
    前記第一のビームスプリッタが、前記第二の部分を、該第二の部分が、前記第二のキャビティループ上では、前記第一の平面とは異なる第二の平面において前記第一および第二の曲面ミラーによって反射されるように方向づけるように構成される、
    ことを特徴とするレーザパルス繰返し周波数逓倍器。