JP4199339B2 - パルスレーザ用電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電用直流高圧電源に並列接続されたコンデンサに蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路を介してレーザ放電部に転送供給するパルスレーザ用電源装置に関し、特に最終的にレーザ放電部に転送されるパルスエネルギーを時間的に伸長し、さらには安定したパルスエネルギーとして出力することができるパルスレーザ用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーザ用電源装置には、高速、大電流、高繰り返しパルス電源を実現するため、磁気パルス圧縮回路を付加するものがある。この磁気パルス圧縮回路は、鉄心等の強磁性体の磁化の飽和を利用するものである。
【０００３】
例えば、図１３は磁気パルス圧縮回路を用いた従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。図１３において、充電用直流電源１１は、例えば数十ｋＶの直流電源であり、これに並列接続されたコンデンサＣ０を充電する。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状態となり、可飽和リアクトルＳＬ１のインダクタンスが急激に減少して導通状態となる。この導通状態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１１がほぼ流れ切った段階で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰに転送される。そして、このピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤに印加され、放電破壊して電流ＩＬＤ１０が流れて、レーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。。
【０００４】
可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３が飽和する多段磁気圧縮回路の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスは、下流の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスの方が小さいのでパルス圧縮が行われる。すなわち、図１４（ａ）に示すように、可飽和リアクトルＳＬ１がオンしてコンデンサＣ０の端子電圧ＶＣ０が低下し、この電荷の転送に伴ってコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１１が低下し、コンデンサＣ１への電荷転送が完了した時点で可飽和リアクトルＳＬ２がオンする。可飽和リアクトルＳＬ２がオンすると、コンデンサＣ１に転送した電荷がコンデンサＣ２に転送される。同様にして、コンデンサＣ２に電荷が転送完了したときに可飽和リアクトルＳＬ３がオンし、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰに電荷が転送される。
【０００５】
この場合、可飽和リアクトルＳＬ１のオンから可飽和リアクトルＳＬ２のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ２のオンから可飽和リアクトルＳＬ３のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ３のオンからピーキングコンデンサＣＰに電荷転送が完了するまでの間は、順次短くなるように設定されるので、各電荷の転送間の電流は図１４（ｂ）に示すように順次大きな電流値となり、パルス圧縮が実現される。
【０００６】
さらに、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷は、レーザ放電部ＬＤに印加され、レーザ放電部ＬＤ間の端子電圧ＶＬＤ１０が最大値に近い所定値以上に達するとレーザ放電部ＬＤ間は放電破壊され、図１４（ｂ）に示すように電流ＩＬＤ１０が流れる。その後、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとを含む閉回路では、共振状態となって数回放電が繰り返される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ放電部ＬＤ間の放電破壊で該レーザ放電部ＬＤ間を流れた電流ＩＬＤ１０は、再びピーキングコンデンサＣＰに逆極性で蓄積され、この逆極性で蓄積された電荷エネルギーによって再度、当初の電流ＩＬＤ１０とは逆方向に電荷エネルギーがレーザ放電部ＬＤに流れ、不安定な放電が行われる。すなわち、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとからなる転送エネルギー閉回路上で共振が生じ、これが不安定な放電状態を生成させるという、いわばリンギング状態が発生するという問題点があった。
【０００８】
また、レーザ放電部ＬＤ間を流れる電流ＩＬＤ１の先頭値は非常に大きな値であり、この大きな先頭値をもつ放電エネルギーに対応した時間プロファイルでパルスレーザ発振出力も生じるため、図１３に示すパルスレーザ用電源装置を用いたパルスレーザ装置の共振器を構成する光学素子等の寿命を低下させるという問題点があった。
【０００９】
なお、半導体露光装置に連続発振パルスレーザ光を用いる場合、高精度で均一な露光を達成するために、スペクトル線幅の狭帯域化が強く要望される。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、パルスレーザ装置の安定かつ長時間連続パルス発振を可能とし、該パルスレーザ装置に用いられる光学素子等の長寿命化をも促進することができ、狭帯域化パルスレーザ装置に適用する場合には出力パルスレーザ光の狭帯域化を一層促進することができるパルスレーザ用電源装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明では、充電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルスレーザ用電源装置において、前記最終段のコンデンサに並列接続され、該最終段のコンデンサから前記レーザ放電部のアノードへの転送方向を順方向とするダイオードと、前記最終段のコンデンサからのパルスエネルギーを前記レーザ放電部に流す最終エネルギー転送閉回路上に直列接続されたインダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシタンスとからなる回路であって、該パルスエネルギーを時間的に伸長するパルス伸長手段とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
請求項１に係る発明では、前記パルス伸長手段によって最終エネルギー転送閉回路上でのパルスが時間的伸長され、この伸長されたパルスによって放電励起されたパルスレーザ光も時間的に伸長される。
この場合、時間的に伸長されたパルスレーザ光は、パルスエネルギー値全体を維持したまま、そのピーク値が低減されるため、光学素子等に与えるダメージを低減できることから、光学素子等の寿命を延ばし、該光学素子等を交換することなく、長期に渡るレーザ発振と安定したレーザ発振とを達成することができる。一方、パルスレーザ光のピーク値の低減に伴ってパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が増大することから、パルスレーザ用電源装置を用いたパルスレーザ装置の小型軽量化の促進や大量生産を可能にする。
また、パルスレーザ光は時間的に伸長されることから、光共振器間の往復回数が増大したパルスレーザ光が含まれ、パルスレーザ用電源装置がグレーティング等の波長選択素子が含んで狭帯域化されたパルスレーザ光を出力する狭帯域化パルスレーザ装置に適用する場合には、出力されるパルスレーザ光の狭帯域化を一層促進することができる。
また、前記ダイオードによる最終エネルギー転送閉回路上でのリンギングが防止され、さらに、前記ダイオードと前記パルス伸長手段によるパルス伸長とが重畳されてパルスレーザ光の時間的伸長を一層促進するとすることができることになる。
【００２１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記パルス伸長手段は、一端が前記最終段のコンデンサの一端に接続され、他端が前記最終段のコンデンサの前段のコンデンサの一端及び前記アノードに接続され、前記ダイオードは、順方向入力端が前記最終段のコンデンサの他端に接続され、順方向出力端が前記パルス伸長手段の他端に接続されることを特徴とする。
【００２２】
これにより、具体的なダイオード配置がなされ、最終コンデンサに蓄積されたパルスエネルギーはパルス伸長手段を介してパルス伸長され、請求項１に係る発明と同様な作用効果を奏する。
【００２３】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記パルス伸長手段は、一端が前記最終段のコンデンサの一端に接続され、他端が前記最終段のコンデンサの前段のコンデンサの一端及び前記アノードに接続され、前記ダイオードは、順方向入力端が前記最終段のコンデンサの他端に接続され、順方向出力端が前記最終段のコンデンサの一端及び前記パルス伸長手段の一端に接続されることを特徴とする。
【００２４】
これにより、具体的なダイオード配置がなされ、最終段のコンデンサに蓄積されたパルスエネルギーはパルス伸長手段を介してパルス伸長され、請求項１に係る発明と同様な作用効果を奏する。
【００２５】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記パルス伸長手段に並列接続された充電用ダイオードをさらに具備し、前記充電用ダイオードは、順方向入力端が前記パルス伸長手段の他端に接続され、順方向出力端が前記最終段のコンデンサの一端及び前記パルス伸長手段の一端に接続されることを特徴とする。
【００２６】
請求項４に係る発明では、充電用ダイオードを介して最終段の前段の磁気パルス圧縮過程において転送されるパルスエネルギーは、パルス伸長手段を介さずに最終コンデンサに蓄積されるため、最終エネルギー転送閉回路上のみでパルス伸長され、パルス伸長の設定制御が容易となる。しかも、この場合においても、ダイオードによってリンギングが防止され、安定した放電励起がなされる。
【００２７】
請求項５に係る発明では、請求項１に係る発明において、前記パルス伸長手段は、一端が前記レーザ放電部のカソードに接続され、他端が前記ダイオードの順方向入力端に接続されることを特徴とする。
【００２８】
これにより、前段の磁気パルス圧縮回路において磁気圧縮されるパルスに影響を与えずに、最終エネルギー転送閉回路上のみパルス伸長されるとともに、ダイオードによってリンギングが防止されるため、安定した放電励起がなされ、さらには安定したレーザパルス発振がなされ、請求項４に係る発明と同様な作用効果を奏する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図であり、図２は、図１に示すパルスレーザ用電源装置の電荷エネルギー転送動作を示すタイミングチャートである。
【００３３】
図１において、パルスレーザ用電源装置１は、図１３に示すパルスレーザ用電源装置２０と同様に、充電用直流電源１１を有し、スイッチ素子ＳＷと、直列接続された充電用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＬ１と転送用のコンデンサＣ１とがこの充電用直流電源４１に並列接続される。また、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ２およびコンデンサＣ２はコンデンサＣ１に並列接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ３およびピーキングコンデンサＣＰはコンデンサＣ２に並列接続される。また、ピーキングコンデンサＣＰには、レーザ放電部ＬＤと充電用のコイルＬとが並列接続されるとともに、リンギング防止用のダイオードＤ１が並列接続される。ここで、充電用直流電源１１の負極側、スイッチＳＷの順方向側、コンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの一端、レーザ放電部ＬＤのアノード１２側、およびコイルＬの一端は、点Ｐ１で共通接続され、接地される。リンギング防止用のダイオードＤ１の順方向側は、この点Ｐ１に接続され、ピーキングコンデンサＣＰをパイパスするようになっている。この図１に示すパルスレーザ用電源装置１は、図１３に示すパルスレーザ用電源装置２０にリンギング防止用のダイオードＤ１を付加した構成であり、ピーキングコンデンサＣＰから転送される電荷エネルギーをレーザ放電部ＬＤに供給する際、ダイオードＤ１によって電流方向が一方向に制限され、レーザ放電部ＬＤでのリンギングが防止される。
【００３４】
次に、図２を参照して、このリンギング防止用のダイオードＤ１を付加した場合のパルスレーザ用電源装置１の動作について説明する。図２において、充電用直流電源１１によって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ０がゆっくりと充電され、コンデンサＶＣ０の電圧が＋Ｅボルトまで充電される。この場合、コイルＬを介した閉回路が直流的に構成されることになる。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状態となり、可飽和リアクトルＳＬ１のインダクタンスが急激に減少して導通状態となる。この導通状態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１がほぼ流れ切った段階で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰに転送される。ここまでのエネルギー転送動作は、図１４に示すパルスレーザ用電源装置２０と同じ動作である。
【００３５】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ１として印加され、印加電圧ＶＬＤ１が所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊し、電流ＩＬＤ１が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００３６】
図２に示すように、この電流ＩＬＤ１は、その後、ピーキングコンデンサＣＰの逆極性側に蓄積されずに、ダイオードＤ１を介して、このダイオードＤ１とレーザ放電部ＬＤとからなる閉回路を環流し、この閉回路上に内在する抵抗分、例えばダイオードＤ１の順方向抵抗分によって減衰する。従って、電流ＩＬＤ１は、そのパルスのピーク値ＰＰ１の後、ダイオードＤ１を用いない電流ＩＬＤ１０に比較して時間的に徐々に減衰し、極性は維持される。その結果、リンギングが防止されて不安定なパルスレーザ発振が防止され、電流ＩＬＤ１のパルス波形も極性が反転しない分、ダイオードＤ１を付加しない場合に比べて、平坦な波形となり、同極性のパルス波形が時間的に伸長されることにもなる。なお、ダイオードＤ１を付加しても、ダイオードＤ１の順方向抵抗によるエネルギーロスを除けば、転送される全体のエネルギー値は同じである。
【００３７】
ここで、このパルス電流ＩＬＤ１によって放電励起されたパルスレーザ光は、パルス電流ＩＬＤ１とほぼ同様な時間波形をもった強度分布をなし、図示しないパルスレーザ装置の光共振器間を往復することになるが、例えばエキシマレーザの場合、数回程度の往復を行って出力される。すなわち、光共振器内におけるレーザ光の往復回数である、ラウンドトリップ数ｎは最大でも数回程度の値となり、グレーティング等の波長選択素子によって狭帯域化を図る図示しない狭帯域化モジュールがある場合、発光したレーザ光は、時間的に伸長されて発生するため、最大ラウンドトリップ数ｎの値が伸長された時間に対応して大きくなる。この関係は、次式で示される。すなわち、
Δλｆ＝Δλ／ｎ＾（１／２）
である。ここで、Δλｆは共振器内を１往復して出力した光のスペクトル線幅であり、Δλｆはｎ往復した光のスペクトル線幅である。また、「＾」はべき乗を示す。
【００３８】
従って、スペクトル線幅Δλｆは、ラウンドトリップ数の２分の１乗に逆比例して狭くなることになり、ラウンドトリップ数ｎが増大すればするほど、狭帯域化が図れることになる。
【００３９】
この結果、パルスストレッチを行った放電励起を狭帯域化を行うパルスレーザ装置に適用することにより、レーザ光の狭帯域化が一層容易に行われることになる。
【００４０】
しかも、パルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値も低減されて発光するため、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長期間のパルスレーザ発振を実現することになる。また、レーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を可能にすることができる。
【００４１】
次に、図３および図４を参照して、第２の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００４２】
図３において、第２の実施の形態では、第１の実施の形態で付加されたリンギング防止用のダイオードＤ１を取り除き、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとからなる最終エネルギー転送回路上にコイルＬ１１〜Ｌ１５のリアクタンスを直列接続した構成としている。コイルＬ１１は、ピーキングコンデンサＣＰと、可飽和リアクトルＳＬ３とレーザ放電部ＬＤのカソード１３との間の点Ｐ２との間に直列接続される。コイルＬ１２は、点Ｐ２と、レーザ放電部ＬＤのカソード１３とコイルＬとの間の点Ｐ３との間に直列接続される。コイルＬ１３は、点Ｐ３と、レーザ放電部ＬＤのカソード１３との間に直列接続される。コイルＬ１４は、レーザ放電部ＬＤのアノード１２と、該アノード１２とコイルＬとの間の点Ｐ４との間に直列接続される。コイル１５は、点Ｐ４と、ピーキングコンデンサＣＰと接地との間の点Ｐ１との間に直列接続される。コイル１６は、点Ｐ１とピーキングコンデンサＣＰとの間に直列接続される。
【００４３】
これらのコイルＬ１１〜Ｌ１５の直列接続の位置は、最終エネルギー転送回路上のいずれの位置でもよく、少なくとも１つのコイルが配置されればよい。例えば、コイルＬ１５のみを接続して、他のコイルＬ１１〜Ｌ１４，Ｌ１６を取り除いた構成としてもよい。要は、所望のインダクタンスが最終エネルギー転送回路上に設けられればよい。但し、コイルＬ１１，Ｌ１６が設けられた場合には、前段の磁気パルス圧縮回路（可飽和リアクトルＳＬ３〜コンデンサＣ２〜ピーキングコンデンサＣＰ〜可飽和リアクトルＳＬ３）上にも重複するため、前段の磁気パルス圧縮された波形は、コイルＬ１１あるいはコイルＬ１６のインダクタンスによって若干時間的に伸長されたものとなる。
【００４４】
次に、図４に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明する。図４において、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図２に示すタイミングチャートと同じ動作を行う。
【００４５】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ２として印加され、印加電圧ＶＬＤ２が所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊し、電流ＩＬＤ２が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００４６】
図４に示すように、この電流ＩＬＤ２のパルス波形は、最終エネルギー転送回路上に設けられたコイルＬ１１〜Ｌ１６のインダクタンスによって、このインダクタンスに対応して時間的に伸長した波形となり、そのピーク値ＰＰ２は、コイルＬ１１〜Ｌ１６を設けない場合あるいはダイオードＤ１を設けた場合に比して、小さな値をなり、パルス波形が時間的に伸長され、平坦な波形となる。なお、放電後の電荷エネルギーは、ピーキングコンデンサＣＰの逆極性側に再度蓄積され、共振回路としてリンギングが発生するが、そのリンギング周波数自体は小さな値となり、コイルＬ１１〜Ｌ１６を設けない場合に比して、リンギングによるレーザ発振の不安定さは減少される。
【００４７】
このようなコイルＬ１１〜Ｌ１６のインダクタンスによるパルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値は図１のパルスレーザ用電源装置１に比して小さな値となるため、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が一層促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長期間のパルスレーザ発振を実現することになる。
【００４８】
また、このことはレーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を一層可能にすることができるとともに、パルスストレッチによりパルス波形が時間的に伸長するため、最大ラウンドトリップ数ｎが増大したパルスレーザ光を出力するので、狭帯域化を一層促進することができる。
【００４９】
次に、図５および図６を参照して、第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００５０】
図５において、第３の実施の形態では、第１の実施の形態の構成に、さらにリンギング防止用のダイオードＤ１の順方向側出力点Ｐ１０と点Ｐ１との間にインダクタンスとしてのコイルＬ２０を付加した構成となっている。逆に言えば、第２の実施の形態の構成におけるコイルＬ１６のみを設け、さらにリンギング防止用のダイオードＤ１を設け、このダイオードＤ１の順方向出力点をこのコイルＬ１６とピーキングコンデンサＣＰとの間とした構成である。
【００５１】
次に、図６に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明する。図６において、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図２に示すタイミングチャートとほぼ同じ動作である。但し、コイルＬ２０のインダクタンスにより、最終エネルギー転送回路の前段の磁気パルス圧縮回路での電荷エネルギー転送がコイルＬ２０によってパルスストレッチされるため、電流波形Ｉ３は、ピーク値が若干低下し、パルス圧縮時間Ｔ３も若干長い、電流波形Ｉ３’となる。なお、転送される電荷エネルギーは変わらない。
【００５２】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ３として印加され、印加電圧ＶＬＤ３が所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊され、電流ＩＬＤ３が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００５３】
図６に示すように、この電流ＩＬＤ３のパルス波形は、最終エネルギー転送回路上に設けられたコイルＬ２０のインダクタンスによって、このインダクタンスに対応して時間的に伸長した波形となるとともに、リンギング防止用のダイオードＤ１によってさらに連続的にコイルＬ２０のインダクタンスの影響を受けて時間的に伸長した波形となり、そのピーク値ＰＰ３は、そのパルスストレッチに伴って、ピーク値ＰＰ２よりも小さな値となり、平坦なパルス波形となる。しかも、ダイオードＤ１によってリンギングが防止されるため、パルスレーザ発振が安定したものとなる。
【００５４】
このパルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値ＰＰ３は第２の実施の形態におけるピーク値ＰＰ２よりも小さな値となるため、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が一層促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長時間のパルスレーザ発振を実現することになる。
【００５５】
しかも、ダイオードＤ１によって安定したパルスレーザ発振が可能となる。
【００５６】
また、第２の実施の形態と同等以上に、レーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を一層可能にすることができるとともに、パルスストレッチによりパルス波形が時間的に一層伸長するため、最大ラウンドトリップ数ｎが更に増大したパルスレーザ光を出力するので、狭帯域化を一層促進することができる。
【００５７】
次に、図７および図８を参照して、第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００５８】
図７において、第４の実施の形態では、第３の実施の形態におけるコイルＬ２０の構成配置を、ピーキングコンデンサＣＰと点Ｐ１０との間としている。すなわち、図７において、コイルＬ２１は、コンデンサＤ１の順方向出力側の点Ｐ１１とピーキングコンデンサＣＰとの間に配置される。
【００５９】
図８に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明する。図８において、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図６に示すタイミングチャートと同じである。
【００６０】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ４として印加され、印加電圧ＶＬＤ４が所定電圧となった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊され、電流ＩＬＤ４が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００６１】
図８に示すように、この電流ＩＬＤ４のパルス波形は、最終エネルギー転送回路上に設けられたコイルＬ２１のインダクタンスによって、このインダクタンスに対応して時間的に伸長した波形となるとともに、リンギング防止用のダイオードＤ１によってリンギングが防止される。また、そのピーク値ＰＰ４は、そのパルスストレッチに伴って、ピーク値ＰＰ２よりも小さな値となり、電流ＩＬＤ３と同様に平坦なパルス波形となる。
【００６２】
但し、最終エネルギー転送回路を一巡した電流ＩＬＤ４は、その後コイルＬ２１を経由することがないので、コイルＬ２１によるパルスストレッチはされない。そのため、図８に示すように、電流ＩＬＤ４のピーク値ＰＰ４は電流ＩＬＤ３のピーク値ＰＰ３に比較して早い時点に現れることになる。
【００６３】
このようなパルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値ＰＰ４は第２の実施の形態におけるピーク値ＰＰ２により小さな値となり、また、ピーク値ＰＰ３とほぼ同様な値となることから、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が一層促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長時間のパルスレーザ発振を実現することになる。
【００６４】
しかも、第３の実施の形態と同様に、ダイオードＤ１によって安定したパルスレーザ発振が可能となる。
【００６５】
また、第３の実施の形態と同様に、レーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を一層可能にすることができるとともに、パルスストレッチによりパルス波形が時間的に一層伸長するため、最大ラウンドトリップ数ｎが更に増大したパルスレーザ光を出力するので、狭帯域化を一層促進することができる。
【００６６】
次に、図９および図１０を参照して、第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００６７】
図９において、第５の実施の形態では、第３の実施の形態にさらにダイオードＤ２を付加した構成となっている。ダイオードＤ２は、コイルＬ２０の両端に並列接続され、その順方向を磁気パルス圧縮方向、すなわち、点Ｐ１から点Ｐ１０に向いている。従って、最終エネルギー転送回路の前段の磁気パルス圧縮回路から転送される電荷エネルギーは、コイルＬ２０を経由せず、ダイオードＤ２を介してピーキングコンデンサＣＰに蓄積されることになる。
【００６８】
図１０に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明すると、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図２に示すタイミングチャートと同じであり、その後におけるピーキングコンデンサＣＰからレーザ放電部ＬＤへの電荷エネルギーの転送は、第３の実施の形態で示した図６に示すタイミングチャートと同じである。
【００６９】
すなわち、最終エネルギー転送時直前の電流Ｉ３は、ダイオードＤ２を経由するため、パルス波形は時間的に伸長せず、最終エネルギー転送時後における電流ＩＬＤ５は電流ＩＬＤ３と同様にコイルＬ２０によるパルスストレッチが繰り返し行われることになる。この場合、第３の実施の形態と同様にダイオードＤ１によってリンギングが防止される。
【００７０】
従って、第５の実施の形態では、第３の実施の形態と同様なパルス波形を出力することができるので、第３の実施の形態と同様な作用効果を奏するが、その前段における磁気パルス圧縮過程に影響を与えることがないので、磁気パルス圧縮がより効果的に行われることになる。また、最終エネルギー転送時におけるパルスストレッチのみを考えればよいので設計上も容易であり、所望のパルスストレッチを容易に得ることができる。
【００７１】
次に、図１１を参照して第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００７２】
図１１において、第６の実施の形態では、第３の実施の形態におけるコイルＬ２０を取り除いて、ダイオードＤ１の順方向入力側の点Ｐ１２と、レーザ放電部ＬＤのカソード１３とコイルＬとの間の接続点Ｐ１３との間に配置した構成としている。これにより、第６の実施の形態では図９に示す第５の実施の形態の動作と全く同様な動作を行うことになる。
【００７３】
しかも、この場合、図９に示す第５の実施の形態では、ダイオードＤ２を必要としたが、第６の実施の形態では、ダイオードＤ２の構成が必ずしも必要ではない。
【００７４】
これは、インダクタンスたるコイルＬ２２が最終エネルギー転送回路上であっって、前段の磁気パルス圧縮回路とは無関係の位置に配置されるからである。
【００７５】
従って、最終エネルギー転送回路上であって、ピーキングコンデンサＣＰとダイオードＤ１との並列回路上以外の部署に直列にコイルを配置すればよいことになり、そのような構成としても、第６の実施の形態と同様な作用効果を奏する。
【００７６】
次に、図１２を参照して、第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００７７】
図１２に示すパルスレーザ用電源装置は、図３に示す第２の実施の形態におけるコイルＬ１１〜Ｌ１６の内のコイルＬ１５のみを取り付けた場合で、このコイルＬ１５の代わりに、抵抗ＲとコンデンサＣとの並列回路であるパルス伸長回路８を最終エネルギー転送回路上に直列接続した構成としている。
【００７８】
この図１２に示すパルスレーザ用電源装置では、図３に示す第２の実施の形態とほぼ同様な動作を行うが、抵抗Ｒによるエネルギーロスの分だけ、電流ＩＬＤ２の波形が早く減少することになる。
【００７９】
もちろん、このパルス伸長回路８によるパルス伸長は、抵抗ＲとコンデンサＣとの時定数によって決定することができる。
【００８０】
また、パルス伸長回路８は、第２の実施の形態から第６の実施の形態までのコイルに代えて適用できるのは言うまでもなく、その場合、抵抗Ｒによるエネルギーロスが生じ、パルス波形も減少が早くなる。
【００８１】
なお、上述した実施の形態におけるスイッチ素子ＳＷは、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用できる。
【００８２】
また、スイッチ素子ＳＷは、複数のスイッチ素子を直列接続した構成として各スイッチ素子にかかる耐圧を軽減するようにしてもよい。
【００８３】
さらに、上述した実施の形態では、まず充電用コンデンサＣ０に充電するようにしているが、この充電用コンデンサＣ０を取り除き、充電用直流電源１が可飽和リアクトルＳＬ１，ＳＬ２を介してコンデンサＣ１，Ｃ２を直接充電するようにしてもよい。この場合、コイルＬは取り除かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示すパルスレーザ用電源装置１の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示すパルスレーザ用電源装置２の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示すパルスレーザ用電源装置３の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図８】図７に示すパルスレーザ用電源装置４の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１０】図９に示すパルスレーザ用電源装置５の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１３】従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示す従来のパルスレーザ用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１〜７…パルスレーザ用電源装置 ８…パルス伸長回路
１１…充電用直流電源 ＳＷ…スイッチ素子 Ｇ１…ゲート
ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル
Ｌ，Ｌ１１〜Ｌ１６，Ｌ２０〜Ｌ２２…コイル
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード Ｃ０…充電用コンデンサ
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ Ｒ…抵抗
ＣＰ…ピーキングコンデンサ ＬＤ…レーザ放電部
１２…アノード １３…カソード
【発明の属する技術分野】
本発明は、充電用直流高圧電源に並列接続されたコンデンサに蓄積されたエネルギーを磁気パルス圧縮回路を介してレーザ放電部に転送供給するパルスレーザ用電源装置に関し、特に最終的にレーザ放電部に転送されるパルスエネルギーを時間的に伸長し、さらには安定したパルスエネルギーとして出力することができるパルスレーザ用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、パルスレーザ用電源装置には、高速、大電流、高繰り返しパルス電源を実現するため、磁気パルス圧縮回路を付加するものがある。この磁気パルス圧縮回路は、鉄心等の強磁性体の磁化の飽和を利用するものである。
【０００３】
例えば、図１３は磁気パルス圧縮回路を用いた従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。図１３において、充電用直流電源１１は、例えば数十ｋＶの直流電源であり、これに並列接続されたコンデンサＣ０を充電する。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状態となり、可飽和リアクトルＳＬ１のインダクタンスが急激に減少して導通状態となる。この導通状態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１１がほぼ流れ切った段階で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰに転送される。そして、このピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤに印加され、放電破壊して電流ＩＬＤ１０が流れて、レーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。。
【０００４】
可飽和リアクトルＳＬ１〜ＳＬ３が飽和する多段磁気圧縮回路の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスは、下流の磁気スイッチの飽和時のインダクタンスの方が小さいのでパルス圧縮が行われる。すなわち、図１４（ａ）に示すように、可飽和リアクトルＳＬ１がオンしてコンデンサＣ０の端子電圧ＶＣ０が低下し、この電荷の転送に伴ってコンデンサＣ１の端子電圧ＶＣ１１が低下し、コンデンサＣ１への電荷転送が完了した時点で可飽和リアクトルＳＬ２がオンする。可飽和リアクトルＳＬ２がオンすると、コンデンサＣ１に転送した電荷がコンデンサＣ２に転送される。同様にして、コンデンサＣ２に電荷が転送完了したときに可飽和リアクトルＳＬ３がオンし、コンデンサＣ２からピーキングコンデンサＣＰに電荷が転送される。
【０００５】
この場合、可飽和リアクトルＳＬ１のオンから可飽和リアクトルＳＬ２のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ２のオンから可飽和リアクトルＳＬ３のオンまでの間、可飽和リアクトルＳＬ３のオンからピーキングコンデンサＣＰに電荷転送が完了するまでの間は、順次短くなるように設定されるので、各電荷の転送間の電流は図１４（ｂ）に示すように順次大きな電流値となり、パルス圧縮が実現される。
【０００６】
さらに、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷は、レーザ放電部ＬＤに印加され、レーザ放電部ＬＤ間の端子電圧ＶＬＤ１０が最大値に近い所定値以上に達するとレーザ放電部ＬＤ間は放電破壊され、図１４（ｂ）に示すように電流ＩＬＤ１０が流れる。その後、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとを含む閉回路では、共振状態となって数回放電が繰り返される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ放電部ＬＤ間の放電破壊で該レーザ放電部ＬＤ間を流れた電流ＩＬＤ１０は、再びピーキングコンデンサＣＰに逆極性で蓄積され、この逆極性で蓄積された電荷エネルギーによって再度、当初の電流ＩＬＤ１０とは逆方向に電荷エネルギーがレーザ放電部ＬＤに流れ、不安定な放電が行われる。すなわち、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとからなる転送エネルギー閉回路上で共振が生じ、これが不安定な放電状態を生成させるという、いわばリンギング状態が発生するという問題点があった。
【０００８】
また、レーザ放電部ＬＤ間を流れる電流ＩＬＤ１の先頭値は非常に大きな値であり、この大きな先頭値をもつ放電エネルギーに対応した時間プロファイルでパルスレーザ発振出力も生じるため、図１３に示すパルスレーザ用電源装置を用いたパルスレーザ装置の共振器を構成する光学素子等の寿命を低下させるという問題点があった。
【０００９】
なお、半導体露光装置に連続発振パルスレーザ光を用いる場合、高精度で均一な露光を達成するために、スペクトル線幅の狭帯域化が強く要望される。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、パルスレーザ装置の安定かつ長時間連続パルス発振を可能とし、該パルスレーザ装置に用いられる光学素子等の長寿命化をも促進することができ、狭帯域化パルスレーザ装置に適用する場合には出力パルスレーザ光の狭帯域化を一層促進することができるパルスレーザ用電源装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段および効果】
請求項１に係る発明では、充電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルスレーザ用電源装置において、前記最終段のコンデンサに並列接続され、該最終段のコンデンサから前記レーザ放電部のアノードへの転送方向を順方向とするダイオードと、前記最終段のコンデンサからのパルスエネルギーを前記レーザ放電部に流す最終エネルギー転送閉回路上に直列接続されたインダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシタンスとからなる回路であって、該パルスエネルギーを時間的に伸長するパルス伸長手段とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
請求項１に係る発明では、前記パルス伸長手段によって最終エネルギー転送閉回路上でのパルスが時間的伸長され、この伸長されたパルスによって放電励起されたパルスレーザ光も時間的に伸長される。
この場合、時間的に伸長されたパルスレーザ光は、パルスエネルギー値全体を維持したまま、そのピーク値が低減されるため、光学素子等に与えるダメージを低減できることから、光学素子等の寿命を延ばし、該光学素子等を交換することなく、長期に渡るレーザ発振と安定したレーザ発振とを達成することができる。一方、パルスレーザ光のピーク値の低減に伴ってパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が増大することから、パルスレーザ用電源装置を用いたパルスレーザ装置の小型軽量化の促進や大量生産を可能にする。
また、パルスレーザ光は時間的に伸長されることから、光共振器間の往復回数が増大したパルスレーザ光が含まれ、パルスレーザ用電源装置がグレーティング等の波長選択素子が含んで狭帯域化されたパルスレーザ光を出力する狭帯域化パルスレーザ装置に適用する場合には、出力されるパルスレーザ光の狭帯域化を一層促進することができる。
また、前記ダイオードによる最終エネルギー転送閉回路上でのリンギングが防止され、さらに、前記ダイオードと前記パルス伸長手段によるパルス伸長とが重畳されてパルスレーザ光の時間的伸長を一層促進するとすることができることになる。
【００２１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記パルス伸長手段は、一端が前記最終段のコンデンサの一端に接続され、他端が前記最終段のコンデンサの前段のコンデンサの一端及び前記アノードに接続され、前記ダイオードは、順方向入力端が前記最終段のコンデンサの他端に接続され、順方向出力端が前記パルス伸長手段の他端に接続されることを特徴とする。
【００２２】
これにより、具体的なダイオード配置がなされ、最終コンデンサに蓄積されたパルスエネルギーはパルス伸長手段を介してパルス伸長され、請求項１に係る発明と同様な作用効果を奏する。
【００２３】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記パルス伸長手段は、一端が前記最終段のコンデンサの一端に接続され、他端が前記最終段のコンデンサの前段のコンデンサの一端及び前記アノードに接続され、前記ダイオードは、順方向入力端が前記最終段のコンデンサの他端に接続され、順方向出力端が前記最終段のコンデンサの一端及び前記パルス伸長手段の一端に接続されることを特徴とする。
【００２４】
これにより、具体的なダイオード配置がなされ、最終段のコンデンサに蓄積されたパルスエネルギーはパルス伸長手段を介してパルス伸長され、請求項１に係る発明と同様な作用効果を奏する。
【００２５】
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記パルス伸長手段に並列接続された充電用ダイオードをさらに具備し、前記充電用ダイオードは、順方向入力端が前記パルス伸長手段の他端に接続され、順方向出力端が前記最終段のコンデンサの一端及び前記パルス伸長手段の一端に接続されることを特徴とする。
【００２６】
請求項４に係る発明では、充電用ダイオードを介して最終段の前段の磁気パルス圧縮過程において転送されるパルスエネルギーは、パルス伸長手段を介さずに最終コンデンサに蓄積されるため、最終エネルギー転送閉回路上のみでパルス伸長され、パルス伸長の設定制御が容易となる。しかも、この場合においても、ダイオードによってリンギングが防止され、安定した放電励起がなされる。
【００２７】
請求項５に係る発明では、請求項１に係る発明において、前記パルス伸長手段は、一端が前記レーザ放電部のカソードに接続され、他端が前記ダイオードの順方向入力端に接続されることを特徴とする。
【００２８】
これにより、前段の磁気パルス圧縮回路において磁気圧縮されるパルスに影響を与えずに、最終エネルギー転送閉回路上のみパルス伸長されるとともに、ダイオードによってリンギングが防止されるため、安定した放電励起がなされ、さらには安定したレーザパルス発振がなされ、請求項４に係る発明と同様な作用効果を奏する。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第１の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図であり、図２は、図１に示すパルスレーザ用電源装置の電荷エネルギー転送動作を示すタイミングチャートである。
【００３３】
図１において、パルスレーザ用電源装置１は、図１３に示すパルスレーザ用電源装置２０と同様に、充電用直流電源１１を有し、スイッチ素子ＳＷと、直列接続された充電用コンデンサＣ０と可飽和リアクトルＳＬ１と転送用のコンデンサＣ１とがこの充電用直流電源４１に並列接続される。また、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ２およびコンデンサＣ２はコンデンサＣ１に並列接続される。さらに、直列接続された可飽和リアクトルＳＬ３およびピーキングコンデンサＣＰはコンデンサＣ２に並列接続される。また、ピーキングコンデンサＣＰには、レーザ放電部ＬＤと充電用のコイルＬとが並列接続されるとともに、リンギング防止用のダイオードＤ１が並列接続される。ここで、充電用直流電源１１の負極側、スイッチＳＷの順方向側、コンデンサＣ１，Ｃ２およびピーキングコンデンサＣＰの一端、レーザ放電部ＬＤのアノード１２側、およびコイルＬの一端は、点Ｐ１で共通接続され、接地される。リンギング防止用のダイオードＤ１の順方向側は、この点Ｐ１に接続され、ピーキングコンデンサＣＰをパイパスするようになっている。この図１に示すパルスレーザ用電源装置１は、図１３に示すパルスレーザ用電源装置２０にリンギング防止用のダイオードＤ１を付加した構成であり、ピーキングコンデンサＣＰから転送される電荷エネルギーをレーザ放電部ＬＤに供給する際、ダイオードＤ１によって電流方向が一方向に制限され、レーザ放電部ＬＤでのリンギングが防止される。
【００３４】
次に、図２を参照して、このリンギング防止用のダイオードＤ１を付加した場合のパルスレーザ用電源装置１の動作について説明する。図２において、充電用直流電源１１によって印加される直流高電圧によってコンデンサＣ０がゆっくりと充電され、コンデンサＶＣ０の電圧が＋Ｅボルトまで充電される。この場合、コイルＬを介した閉回路が直流的に構成されることになる。スイッチ素子ＳＷのゲートＧ１にパルスを印加してスイッチ素子ＳＷをオンにすると、可飽和リアクトルＳＬ１の両端にコンデンサＣ０による放電電圧がかかり、可飽和リアクトルＳＬ１に設定された電圧時間積に到達すると可飽和リアクトルＳＬ１は飽和状態となり、可飽和リアクトルＳＬ１のインダクタンスが急激に減少して導通状態となる。この導通状態によってコンデンサＣ０に蓄積されていた電荷はスイッチ素子ＳＷを介し、電流Ｉ１として流れ、コンデンサＣ１に転送される。この電流Ｉ１がほぼ流れ切った段階で次段の可飽和リアクトルＳＬ２がオンとなり、コンデンサＣ１に転送された電荷はコンデンサＣ２に転送される。このコンデンサＣ２への電荷転送の完了時点で可飽和リアクトルＳＬ３が飽和してオンになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は最終段のピーキングコンデンサＣＰに転送される。ここまでのエネルギー転送動作は、図１４に示すパルスレーザ用電源装置２０と同じ動作である。
【００３５】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ１として印加され、印加電圧ＶＬＤ１が所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊し、電流ＩＬＤ１が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００３６】
図２に示すように、この電流ＩＬＤ１は、その後、ピーキングコンデンサＣＰの逆極性側に蓄積されずに、ダイオードＤ１を介して、このダイオードＤ１とレーザ放電部ＬＤとからなる閉回路を環流し、この閉回路上に内在する抵抗分、例えばダイオードＤ１の順方向抵抗分によって減衰する。従って、電流ＩＬＤ１は、そのパルスのピーク値ＰＰ１の後、ダイオードＤ１を用いない電流ＩＬＤ１０に比較して時間的に徐々に減衰し、極性は維持される。その結果、リンギングが防止されて不安定なパルスレーザ発振が防止され、電流ＩＬＤ１のパルス波形も極性が反転しない分、ダイオードＤ１を付加しない場合に比べて、平坦な波形となり、同極性のパルス波形が時間的に伸長されることにもなる。なお、ダイオードＤ１を付加しても、ダイオードＤ１の順方向抵抗によるエネルギーロスを除けば、転送される全体のエネルギー値は同じである。
【００３７】
ここで、このパルス電流ＩＬＤ１によって放電励起されたパルスレーザ光は、パルス電流ＩＬＤ１とほぼ同様な時間波形をもった強度分布をなし、図示しないパルスレーザ装置の光共振器間を往復することになるが、例えばエキシマレーザの場合、数回程度の往復を行って出力される。すなわち、光共振器内におけるレーザ光の往復回数である、ラウンドトリップ数ｎは最大でも数回程度の値となり、グレーティング等の波長選択素子によって狭帯域化を図る図示しない狭帯域化モジュールがある場合、発光したレーザ光は、時間的に伸長されて発生するため、最大ラウンドトリップ数ｎの値が伸長された時間に対応して大きくなる。この関係は、次式で示される。すなわち、
Δλｆ＝Δλ／ｎ＾（１／２）
である。ここで、Δλｆは共振器内を１往復して出力した光のスペクトル線幅であり、Δλｆはｎ往復した光のスペクトル線幅である。また、「＾」はべき乗を示す。
【００３８】
従って、スペクトル線幅Δλｆは、ラウンドトリップ数の２分の１乗に逆比例して狭くなることになり、ラウンドトリップ数ｎが増大すればするほど、狭帯域化が図れることになる。
【００３９】
この結果、パルスストレッチを行った放電励起を狭帯域化を行うパルスレーザ装置に適用することにより、レーザ光の狭帯域化が一層容易に行われることになる。
【００４０】
しかも、パルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値も低減されて発光するため、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長期間のパルスレーザ発振を実現することになる。また、レーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を可能にすることができる。
【００４１】
次に、図３および図４を参照して、第２の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００４２】
図３において、第２の実施の形態では、第１の実施の形態で付加されたリンギング防止用のダイオードＤ１を取り除き、ピーキングコンデンサＣＰとレーザ放電部ＬＤとからなる最終エネルギー転送回路上にコイルＬ１１〜Ｌ１５のリアクタンスを直列接続した構成としている。コイルＬ１１は、ピーキングコンデンサＣＰと、可飽和リアクトルＳＬ３とレーザ放電部ＬＤのカソード１３との間の点Ｐ２との間に直列接続される。コイルＬ１２は、点Ｐ２と、レーザ放電部ＬＤのカソード１３とコイルＬとの間の点Ｐ３との間に直列接続される。コイルＬ１３は、点Ｐ３と、レーザ放電部ＬＤのカソード１３との間に直列接続される。コイルＬ１４は、レーザ放電部ＬＤのアノード１２と、該アノード１２とコイルＬとの間の点Ｐ４との間に直列接続される。コイル１５は、点Ｐ４と、ピーキングコンデンサＣＰと接地との間の点Ｐ１との間に直列接続される。コイル１６は、点Ｐ１とピーキングコンデンサＣＰとの間に直列接続される。
【００４３】
これらのコイルＬ１１〜Ｌ１５の直列接続の位置は、最終エネルギー転送回路上のいずれの位置でもよく、少なくとも１つのコイルが配置されればよい。例えば、コイルＬ１５のみを接続して、他のコイルＬ１１〜Ｌ１４，Ｌ１６を取り除いた構成としてもよい。要は、所望のインダクタンスが最終エネルギー転送回路上に設けられればよい。但し、コイルＬ１１，Ｌ１６が設けられた場合には、前段の磁気パルス圧縮回路（可飽和リアクトルＳＬ３〜コンデンサＣ２〜ピーキングコンデンサＣＰ〜可飽和リアクトルＳＬ３）上にも重複するため、前段の磁気パルス圧縮された波形は、コイルＬ１１あるいはコイルＬ１６のインダクタンスによって若干時間的に伸長されたものとなる。
【００４４】
次に、図４に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明する。図４において、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図２に示すタイミングチャートと同じ動作を行う。
【００４５】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ２として印加され、印加電圧ＶＬＤ２が所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊し、電流ＩＬＤ２が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００４６】
図４に示すように、この電流ＩＬＤ２のパルス波形は、最終エネルギー転送回路上に設けられたコイルＬ１１〜Ｌ１６のインダクタンスによって、このインダクタンスに対応して時間的に伸長した波形となり、そのピーク値ＰＰ２は、コイルＬ１１〜Ｌ１６を設けない場合あるいはダイオードＤ１を設けた場合に比して、小さな値をなり、パルス波形が時間的に伸長され、平坦な波形となる。なお、放電後の電荷エネルギーは、ピーキングコンデンサＣＰの逆極性側に再度蓄積され、共振回路としてリンギングが発生するが、そのリンギング周波数自体は小さな値となり、コイルＬ１１〜Ｌ１６を設けない場合に比して、リンギングによるレーザ発振の不安定さは減少される。
【００４７】
このようなコイルＬ１１〜Ｌ１６のインダクタンスによるパルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値は図１のパルスレーザ用電源装置１に比して小さな値となるため、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が一層促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長期間のパルスレーザ発振を実現することになる。
【００４８】
また、このことはレーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を一層可能にすることができるとともに、パルスストレッチによりパルス波形が時間的に伸長するため、最大ラウンドトリップ数ｎが増大したパルスレーザ光を出力するので、狭帯域化を一層促進することができる。
【００４９】
次に、図５および図６を参照して、第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００５０】
図５において、第３の実施の形態では、第１の実施の形態の構成に、さらにリンギング防止用のダイオードＤ１の順方向側出力点Ｐ１０と点Ｐ１との間にインダクタンスとしてのコイルＬ２０を付加した構成となっている。逆に言えば、第２の実施の形態の構成におけるコイルＬ１６のみを設け、さらにリンギング防止用のダイオードＤ１を設け、このダイオードＤ１の順方向出力点をこのコイルＬ１６とピーキングコンデンサＣＰとの間とした構成である。
【００５１】
次に、図６に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明する。図６において、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図２に示すタイミングチャートとほぼ同じ動作である。但し、コイルＬ２０のインダクタンスにより、最終エネルギー転送回路の前段の磁気パルス圧縮回路での電荷エネルギー転送がコイルＬ２０によってパルスストレッチされるため、電流波形Ｉ３は、ピーク値が若干低下し、パルス圧縮時間Ｔ３も若干長い、電流波形Ｉ３’となる。なお、転送される電荷エネルギーは変わらない。
【００５２】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ３として印加され、印加電圧ＶＬＤ３が所定電圧になった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊され、電流ＩＬＤ３が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００５３】
図６に示すように、この電流ＩＬＤ３のパルス波形は、最終エネルギー転送回路上に設けられたコイルＬ２０のインダクタンスによって、このインダクタンスに対応して時間的に伸長した波形となるとともに、リンギング防止用のダイオードＤ１によってさらに連続的にコイルＬ２０のインダクタンスの影響を受けて時間的に伸長した波形となり、そのピーク値ＰＰ３は、そのパルスストレッチに伴って、ピーク値ＰＰ２よりも小さな値となり、平坦なパルス波形となる。しかも、ダイオードＤ１によってリンギングが防止されるため、パルスレーザ発振が安定したものとなる。
【００５４】
このパルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値ＰＰ３は第２の実施の形態におけるピーク値ＰＰ２よりも小さな値となるため、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が一層促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長時間のパルスレーザ発振を実現することになる。
【００５５】
しかも、ダイオードＤ１によって安定したパルスレーザ発振が可能となる。
【００５６】
また、第２の実施の形態と同等以上に、レーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を一層可能にすることができるとともに、パルスストレッチによりパルス波形が時間的に一層伸長するため、最大ラウンドトリップ数ｎが更に増大したパルスレーザ光を出力するので、狭帯域化を一層促進することができる。
【００５７】
次に、図７および図８を参照して、第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００５８】
図７において、第４の実施の形態では、第３の実施の形態におけるコイルＬ２０の構成配置を、ピーキングコンデンサＣＰと点Ｐ１０との間としている。すなわち、図７において、コイルＬ２１は、コンデンサＤ１の順方向出力側の点Ｐ１１とピーキングコンデンサＣＰとの間に配置される。
【００５９】
図８に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明する。図８において、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図６に示すタイミングチャートと同じである。
【００６０】
その後、ピーキングコンデンサＣＰに転送された電荷はレーザ放電部ＬＤへの印加電圧ＶＬＤ４として印加され、印加電圧ＶＬＤ４が所定電圧となった時点でレーザ放電部ＬＤは放電破壊され、電流ＩＬＤ４が急激に流れ、図示しないパルスレーザ装置のチャンバ内のレーザ媒質を放電励起して、パルスレーザ発振が行われる。
【００６１】
図８に示すように、この電流ＩＬＤ４のパルス波形は、最終エネルギー転送回路上に設けられたコイルＬ２１のインダクタンスによって、このインダクタンスに対応して時間的に伸長した波形となるとともに、リンギング防止用のダイオードＤ１によってリンギングが防止される。また、そのピーク値ＰＰ４は、そのパルスストレッチに伴って、ピーク値ＰＰ２よりも小さな値となり、電流ＩＬＤ３と同様に平坦なパルス波形となる。
【００６２】
但し、最終エネルギー転送回路を一巡した電流ＩＬＤ４は、その後コイルＬ２１を経由することがないので、コイルＬ２１によるパルスストレッチはされない。そのため、図８に示すように、電流ＩＬＤ４のピーク値ＰＰ４は電流ＩＬＤ３のピーク値ＰＰ３に比較して早い時点に現れることになる。
【００６３】
このようなパルスストレッチによって、パルスレーザ光のピーク値ＰＰ４は第２の実施の形態におけるピーク値ＰＰ２により小さな値となり、また、ピーク値ＰＰ３とほぼ同様な値となることから、共振器内およびモニタ系に用いられる光学素子等へのダメージが小さくなり、光学素子等の長寿命化が一層促進され、レーザ部品を交換することなく、安定したパルスレーザ発振および長時間のパルスレーザ発振を実現することになる。
【００６４】
しかも、第３の実施の形態と同様に、ダイオードＤ１によって安定したパルスレーザ発振が可能となる。
【００６５】
また、第３の実施の形態と同様に、レーザ光の狭帯域化を行うパルスレーザ装置に用いる光学素子等の選択幅が拡がり、小型軽量化や大量生産等を一層可能にすることができるとともに、パルスストレッチによりパルス波形が時間的に一層伸長するため、最大ラウンドトリップ数ｎが更に増大したパルスレーザ光を出力するので、狭帯域化を一層促進することができる。
【００６６】
次に、図９および図１０を参照して、第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００６７】
図９において、第５の実施の形態では、第３の実施の形態にさらにダイオードＤ２を付加した構成となっている。ダイオードＤ２は、コイルＬ２０の両端に並列接続され、その順方向を磁気パルス圧縮方向、すなわち、点Ｐ１から点Ｐ１０に向いている。従って、最終エネルギー転送回路の前段の磁気パルス圧縮回路から転送される電荷エネルギーは、コイルＬ２０を経由せず、ダイオードＤ２を介してピーキングコンデンサＣＰに蓄積されることになる。
【００６８】
図１０に示すタイミングチャートを参照して、最終エネルギー転送時におけるパルス波形について説明すると、ピーキングコンデンサＣＰに電荷エネルギーが転送されるまでは、図２に示すタイミングチャートと同じであり、その後におけるピーキングコンデンサＣＰからレーザ放電部ＬＤへの電荷エネルギーの転送は、第３の実施の形態で示した図６に示すタイミングチャートと同じである。
【００６９】
すなわち、最終エネルギー転送時直前の電流Ｉ３は、ダイオードＤ２を経由するため、パルス波形は時間的に伸長せず、最終エネルギー転送時後における電流ＩＬＤ５は電流ＩＬＤ３と同様にコイルＬ２０によるパルスストレッチが繰り返し行われることになる。この場合、第３の実施の形態と同様にダイオードＤ１によってリンギングが防止される。
【００７０】
従って、第５の実施の形態では、第３の実施の形態と同様なパルス波形を出力することができるので、第３の実施の形態と同様な作用効果を奏するが、その前段における磁気パルス圧縮過程に影響を与えることがないので、磁気パルス圧縮がより効果的に行われることになる。また、最終エネルギー転送時におけるパルスストレッチのみを考えればよいので設計上も容易であり、所望のパルスストレッチを容易に得ることができる。
【００７１】
次に、図１１を参照して第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００７２】
図１１において、第６の実施の形態では、第３の実施の形態におけるコイルＬ２０を取り除いて、ダイオードＤ１の順方向入力側の点Ｐ１２と、レーザ放電部ＬＤのカソード１３とコイルＬとの間の接続点Ｐ１３との間に配置した構成としている。これにより、第６の実施の形態では図９に示す第５の実施の形態の動作と全く同様な動作を行うことになる。
【００７３】
しかも、この場合、図９に示す第５の実施の形態では、ダイオードＤ２を必要としたが、第６の実施の形態では、ダイオードＤ２の構成が必ずしも必要ではない。
【００７４】
これは、インダクタンスたるコイルＬ２２が最終エネルギー転送回路上であっって、前段の磁気パルス圧縮回路とは無関係の位置に配置されるからである。
【００７５】
従って、最終エネルギー転送回路上であって、ピーキングコンデンサＣＰとダイオードＤ１との並列回路上以外の部署に直列にコイルを配置すればよいことになり、そのような構成としても、第６の実施の形態と同様な作用効果を奏する。
【００７６】
次に、図１２を参照して、第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置について説明する。
【００７７】
図１２に示すパルスレーザ用電源装置は、図３に示す第２の実施の形態におけるコイルＬ１１〜Ｌ１６の内のコイルＬ１５のみを取り付けた場合で、このコイルＬ１５の代わりに、抵抗ＲとコンデンサＣとの並列回路であるパルス伸長回路８を最終エネルギー転送回路上に直列接続した構成としている。
【００７８】
この図１２に示すパルスレーザ用電源装置では、図３に示す第２の実施の形態とほぼ同様な動作を行うが、抵抗Ｒによるエネルギーロスの分だけ、電流ＩＬＤ２の波形が早く減少することになる。
【００７９】
もちろん、このパルス伸長回路８によるパルス伸長は、抵抗ＲとコンデンサＣとの時定数によって決定することができる。
【００８０】
また、パルス伸長回路８は、第２の実施の形態から第６の実施の形態までのコイルに代えて適用できるのは言うまでもなく、その場合、抵抗Ｒによるエネルギーロスが生じ、パルス波形も減少が早くなる。
【００８１】
なお、上述した実施の形態におけるスイッチ素子ＳＷは、高速動作が可能で大電力用のスイッチ素子であればよく、例えばサイリスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体電力デバイスが適用できる。
【００８２】
また、スイッチ素子ＳＷは、複数のスイッチ素子を直列接続した構成として各スイッチ素子にかかる耐圧を軽減するようにしてもよい。
【００８３】
さらに、上述した実施の形態では、まず充電用コンデンサＣ０に充電するようにしているが、この充電用コンデンサＣ０を取り除き、充電用直流電源１が可飽和リアクトルＳＬ１，ＳＬ２を介してコンデンサＣ１，Ｃ２を直接充電するようにしてもよい。この場合、コイルＬは取り除かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示すパルスレーザ用電源装置１の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図４】図３に示すパルスレーザ用電源装置２の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】本発明の第３の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図６】図５に示すパルスレーザ用電源装置３の動作を示すタイミングチャートである。
【図７】本発明の第４の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図８】図７に示すパルスレーザ用電源装置４の動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の第５の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１０】図９に示すパルスレーザ用電源装置５の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】本発明の第６の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第７の実施の形態であるパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１３】従来のパルスレーザ用電源装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示す従来のパルスレーザ用電源装置の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１〜７…パルスレーザ用電源装置 ８…パルス伸長回路
１１…充電用直流電源 ＳＷ…スイッチ素子 Ｇ１…ゲート
ＳＬ１〜ＳＬ３…可飽和リアクトル
Ｌ，Ｌ１１〜Ｌ１６，Ｌ２０〜Ｌ２２…コイル
Ｄ１，Ｄ２…ダイオード Ｃ０…充電用コンデンサ
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ Ｒ…抵抗
ＣＰ…ピーキングコンデンサ ＬＤ…レーザ放電部
１２…アノード １３…カソード
Claims (5)
- 充電用直流電源からの電荷エネルギーを充電用コンデンサに蓄積し、この充電用コンデンサに蓄積された電荷エネルギーをスイッチ素子のオンを契機として、可飽和リアクトルおよびコンデンサからなる磁気パルス圧縮回路を介して順次磁気パルス圧縮しつつ転送し、最終段のコンデンサに並列接続されたレーザ放電部に供給するパルスレーザ用電源装置において、
前記最終段のコンデンサに並列接続され、該最終段のコンデンサから前記レーザ放電部のアノードへの転送方向を順方向とするダイオードと、
前記最終段のコンデンサからのパルスエネルギーを前記レーザ放電部に流す最終エネルギー転送閉回路上に直列接続されたインダクタンス、または並列接続された抵抗とキャパシタンスとからなる回路であって、該パルスエネルギーを時間的に伸長するパルス伸長手段と
を具備したことを特徴とするパルスレーザ用電源装置。 - 前記パルス伸長手段は、一端が前記最終段のコンデンサの一端に接続され、他端が前記最終段のコンデンサの前段のコンデンサの一端及び前記アノードに接続され、
前記ダイオードは、順方向入力端が前記最終段のコンデンサの他端に接続され、順方向出力端が前記パルス伸長手段の他端に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ用電源装置。 - 前記パルス伸長手段は、一端が前記最終段のコンデンサの一端に接続され、他端が前記最終段のコンデンサの前段のコンデンサの一端及び前記アノードに接続され、
前記ダイオードは、順方向入力端が前記最終段のコンデンサの他端に接続され、順方向出力端が前記最終段のコンデンサの一端及び前記パルス伸長手段の一端に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ用電源装置。 - 前記パルス伸長手段に並列接続された充電用ダイオードをさらに具備し、
前記充電用ダイオードは、順方向入力端が前記パルス伸長手段の他端に接続され、順方向出力端が前記最終段のコンデンサの一端及び前記パルス伸長手段の一端に接続される
ことを特徴とする請求項３に記載のパルスレーザ用電源装置。 - 前記パルス伸長手段は、
一端が前記レーザ放電部のカソードに接続され、他端が前記最終段のコンデンサ及び前記ダイオードの順方向入力端に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ用電源装置。
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