JP4312395B2

JP4312395B2 - 軸励起式ガスレーザ装置及び注入同期式ガスレーザ装置

Info

Publication number: JP4312395B2
Application number: JP2001020986A
Authority: JP
Inventors: 泰明岩田; 孝信石原; 究武久; 敏博西坂; 達美後藤; 計溝口
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2021-01-30
Also published as: JP2002232042A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸励起式ガスレーザ装置、及び軸励起式ガスレーザ装置から出射したレーザ光をシード光として増幅する注入同期式ガスレーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、放電管の長手方向に主放電を起こして、レーザ媒質であるレーザガスを励起するフッ素レーザ装置が知られており、例えば「甲南大学紀要理学編第４７巻第１号縦型放電励起フッ素原子レーザー」に示されている。図８は、上記紀要に開示されたフッ素レーザ装置１０１の構成断面図を表しており、以下図８に基づいて従来技術を説明する。
図８においてフッ素レーザ装置１０１は、フッ素を含んだレーザガスを封入し、内部で主放電を起こしてレーザ光１１１を発振する中空円筒状のセラミック製放電管１１２を備えている。
【０００３】
放電管１１２の中央部にはリング状のアノード１０４が、両端部にはリング状のカソード１０５，１０５がそれぞれ付設されている。カソード１０５，１０５の外側には、リアミラー１０８及びフロントミラー１０６が設置されている。アノード１０４及びカソード１０５，１０５は、パルス状に高電圧を印加する高圧電源１１３の接地側ＧＮＤ及び高圧側ＨＶに、図示しない主放電回路を介してそれぞれ接続されている。
放電管１１２の外周部には、銅箔製の予備電離電極１１０が巻かれている。この予備電離電極１１０に、高圧電源１１３から高電圧パルスを印加することによって予備放電１１５を起こし、放電管１１２内のレーザガスを予備電離する。そして、アノード１０４−カソード１０５間に高電圧を印加することにより、図示しない主放電を行なって、フロントミラー１０６よりレーザ光１１１を出射させる。
【０００４】
このように、放電管１１２の長手方向に、主に放電管１１２の内壁を伝わって主放電を起こすことにより、放電電極１０４，１０５間の絶縁破壊電圧が低い時点から放電が起きる。さらには、放電電極１０４，１０５の間隔を従来の横励起方式よりも大きくできるので、レーザガスの圧力が低くとも安定に主放電を起こすことが可能である。
これにより、レーザガスの圧力による波長広がりが小さくなり、スペクトル幅の狭いレーザ光を得ることが可能となる。また、レーザ光１１１の断面積に比してリアミラー１０８−フロントミラー１０６間の距離である共振器長が長いため、平行度が高いレーザ光１１１を得ることが可能である。即ち、このようなレーザ光１１１を加工に用いると、良好な加工が可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち、従来技術の構成によれば、図８に示すように、予備放電１１５は、予備電離電極１１０の両端部とアノード１０４及びカソード１０５，１０５との間でのみ起きる。そのため、放電管１１２の長手方向中央部では予備放電１１５が行なわれず、その近傍のレーザガスが予備電離されない。
予備電離が均一に行なわれないレーザガスに対して主放電を行なうと、主放電が不安定となり、主放電注入できる電力が変動する。その結果、レーザ光１１１の出力が変動したり、高い出力が得られなかったりするという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、放電管の長手方向全域にわたって均一な予備電離を行なうことが可能な軸励起式ガスレーザ装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために、本発明は、レーザガスを封入する放電管と、放電管を挟んで長手方向に対向して配置された放電電極とを備えた軸励起式ガスレーザ装置において、予備電離用電源の高電圧側に接続された高圧側予備電離電極と、接地側に接続された接地側予備電離電極とを、放電管の外周部に、長手方向に交互に隣接させ、かつ電気的に互いに絶縁して配置したことを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、放電管の長手方向に隣接して配置した予備電離電極間において、予備放電が行なわれる。従って、例えばこのような予備電離電極を長手方向に複数個並べるようにすれば、放電管内部の長手方向全域にわたって予備電離電極間で予備放電が起き、放電管内のレーザ媒質がくまなく予備電離される。その結果、放電空間内の電子密度が均一に上昇するため、主放電が放電管内部の長手方向全域にわたって安定に起き、レーザ光の出力が高くなって、しかも出力安定性が良くなる。
【００１１】
また、従来技術の項で既述したように、軸励起式ガスレーザ装置から出射するレーザ光は、レーザガスの圧力による波長広がりが小さいため、基本的にスペクトル幅が狭い。これをシード光として増幅することにより、注入同期式ガスレーザ装置から、スペクトル幅の狭い増幅レーザ光を得ることが可能である。即ち、このような増幅レーザ光をレーザ加工の光源として用いることにより、高精度で微細な加工が可能となる。
また、軸励起式ガスレーザ装置から出射するレーザ光は平行度が高く、横モードの次数が低い。このようなレーザ光は、加工に適した形状に整形が容易であり、加工機用の光源として優れている。
特に、これらの軸励起式ガスレーザ装置は、フッ素レーザ装置において特に有効である。フッ素レーザ装置は、リソグラフィ等の加工に用いる場合に、繰り返し周波数の増加が求められており、軸励起式にすることにより、繰り返し周波数の増加が容易となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
まず、第１実施形態を説明する。図１は、第１実施形態に係るフッ素レーザ装置１の構成を示す断面図である。
【００１３】
図１において、フッ素レーザ装置１は、内部で放電を起こしてレーザ媒質であるレーザガスを励起し、レーザ光１１を発振する放電管１２，１２を備えている。放電管１２，１２の外周部には、環状のフィン２５が、所定間隔で一体に形成されている。尚、以下の説明では、放電管１２の長手方向（図１中左右方向）を、単に長手方向と言う。
放電管１２，１２の内部には、レーザガスとして、ヘリウム（Ｈｅ）、又はネオン（Ｎｅ）、又はこれらの混合ガスと、フッ素（Ｆ2）とが封入されている。放電管１２，１２の材質は、例えばアルミナセラミックス等の、フッ素に対する耐腐食性と絶縁性とをともに備えた材質が好適である。また、サファイアは、ヘリウムに対する気密性が、アルミナセラミックス等よりもさらに優れている。
【００１４】
２本の放電管１２，１２の中間には、リング状のカソード５が配置され、カソード５と放電管１２，１２との間は、Ｏリング２２，２２によって封止されている。また、放電管１２，１２のカソード５と反対側端部には、リング状のアノード４，４が、Ｏリング２２，２２を介してそれぞれ固定されている。
アノード４，４の長手方向両外側には、図示しない支持部材を介して、レーザ光１１を全反射するリアミラー８と、レーザ光１１の一部を部分反射して他を出射するフロントミラー６とがそれぞれ固定されている。カソード５，５とミラー６，８との間は、それぞれＯリング２２，２２によって封止されている。
【００１５】
放電管１２，１２のアノード４，４近傍端部には、それぞれ小孔２３，２３が設けられ、ガス循環配管２４，２４がそれぞれ接続されている。
ガス循環配管２４には、レーザガスを駆動するポンプ１９と、レーザガス中に混入した塵などの不純物を除去するフィルタ２６と、放電によってレーザガス内に発生した熱を除去する熱交換器３と、レーザガスを溜めておくガスチャンバ２７とが接続されている。ガスチャンバ２７には、レーザガスボンベ２８が接続されており、必要に応じてレーザガスを供給できるようになっている。
フッ素レーザ装置１を運転する際には、ポンプ１９を駆動してレーザガスを例えば矢印５８の向きに流し、放電管１２内のレーザガスを常に新鮮なものと入れ替える。
【００１６】
アノード４及びカソード５は、例えばニッケル合金等の金属からなっている。アノード４及びカソード５は、パルス状に高電圧を印加する高圧電源１３の接地側ＧＮＤ及び高圧側ＨＶに、放電回路３０を介してそれぞれ接続されている。
放電管１２の外周部には、フィン２５間に、例えば銅等の金属からなるリング状の予備電離電極１０Ａ，１０Ｂが、メタライズによって固定されている。予備電離電極１０Ａ，１０Ｂは、放電回路３０を介して高圧電源１３の高圧側ＨＶに接続された高圧側予備電離電極１０Ａと、高圧電源１３の接地側ＧＮＤに接続された接地側予備電離電極１０Ｂとが、交互に配設されている。
【００１７】
ギャップスイッチ１６が閉作動すると、放電回路３０の作用によって、高圧電源１３から予備電離電極１０Ａ，１０Ｂ間に、パルス状の高電圧が印加される。これにより、隣接する高圧側予備電離電極１０Ａと接地側予備電離電極１０Ｂとの間に、放電管１２の内壁に沿って、グロー状の予備放電１５が生じる。その結果、放電管１２の長手方向全域にわたって放電空間１４のレーザガスが電離され、放電空間１４内にある一定量以上の遊離電子が供給される。これを、予備電離と言う。
そして、予備放電１５の直後に、高圧電源１３から放電電極４，５間にパルス状の高電圧が印加される。これにより、アノード４とカソード５との間で、放電管１２の内壁に沿って図示しない主放電が行なわれ、放電空間１４のレーザガスが励起されてレーザ光１１が発振する。
【００１８】
以上説明したように第１実施形態によれば、放電管１２の外周部にフィン２５を設け、フィン２５とフィン２５との間に、高圧側予備電離電極１０Ａと接地側予備電離電極１０Ｂとを交互に配置している。これらの間に高電圧を印加することにより、隣接する高圧側予備電離電極１０Ａと接地側予備電離電極１０Ｂとの間に、それぞれ予備放電１５が起きる。これにより、長手方向全域にわたって予備放電１５が起きるため、レーザガスが長手方向全域にわたって予備電離される。従って、主放電が安定に行なわれ、レーザ光１１の出力が高出力で安定する。また、放電管１２の内壁全体に沿ってレーザ光１１の光軸を中心として対称に予備電離が行なわれるので、光軸を中心として対称な断面形状及び強度分布のレーザ光１１を得ることができる。
またこのとき、放電管１２の外周部には、高圧側予備電離電極１０Ａと接地側予備電離電極１０Ｂとの間を遮るフィン２５が設けられている。そのため、高圧側予備電離電極１０Ａと接地側予備電離電極１０Ｂとの間が絶縁され、放電管１２の外側で放電が起きるのが防止される。従って、予備放電１５が常に放電管１２の内壁に沿って行なわれ、レーザガスを効率良く予備電離することができる。
【００１９】
尚、第１実施形態において、予備電離電極１０Ａ，１０Ｂを放電回路３０を介して高圧電源１３に接続し、高圧電源１３が予備電離用電源を兼ねるように説明したが、これに限られるものではない。例えば、図２に示すように予備電離用電源２１を別途設け、予備電離用電源２１と高圧電源１３との間で同期信号線４３を伝送する同期信号によって同期を取って、予備放電と主放電を適切なタイミングで起こすようにしてもよい。
また、図１に示したような放電回路３０の場合には、放電管１２の長手方向略中央部で起きる予備放電のタイミングと、放電管１２の端部で起きる予備放電のタイミングとがずれることがある。これを防止するために、コンデンサＣ３と高圧側予備電離電極１０Ａとの間にさまざまな容量のコイルを介挿し、予備放電のタイミングを合わせるようにしてもよい。
さらには、図１では放電管１２を直列に２本並べるように説明したが、これに限られるものではない。即ち、図２に示したように放電管１２を１本とし、アノード４とカソード５との近傍端部にそれぞれ小孔２３を設け、ガス循環配管２４，２４を接続するようにしてもよく、或いは３本以上並べてもよい。
さらには、放電管１２を直列に並べるのではなく、図３に示すように並列に複数本並べてもよい。この場合、第１の放電管１２Ａの後部には、リアミラー８が、第３の放電管１２Ｃの前部にはフロントミラー６が、それぞれ固定されている。また、第１の放電管１２Ａの前部、第２の放電管１２Ｂの前後部、及び第３の放電管１２Ｃの後部には、レーザ光１１を透過するウィンドウ７が固定されている。
レーザ光１１は、ミラー４４によってＳ字型に反射され、フロントミラー６から出射する。尚、図３においては、説明を簡略化するため、高圧電源１３、放電回路３０、及びガス循環配管２４は省略している。
【００２０】
次に、第２実施形態について説明する。
図４に、第２実施形態に係るフッ素レーザ装置の構成図、図５にその断面図を示す。尚、図１で示したガス循環配管２４、及びこれに接続されたポンプ１９等の機器は省略する。また、本実施形態では放電管１２を１本として説明するが、図１に示したフッ素レーザ装置１のように、２本の放電管１２，１２を直列に配してもよい。
【００２１】
図４、図５において、フッ素レーザ装置１は、中空円筒形の放電管１２を備えている。放電管１２の両端部にはフランジ３７，３７が一体に設けられ、フランジ３７，３７の外側には、リング状のカソード５及びアノード４がそれぞれ固定されている。カソード５及びアノード４の外側には、それぞれリアミラー８及びフロントミラー６が固定されている。
放電管１２の外周部には、例えば銅箔等の金属が螺旋状にメタライズされ、コイル状予備電離電極３８を形成している。コイル状予備電離電極３８の両端部は、インピーダンス整合回路３９を介して、高周波電源４０に接続されている。尚、インピーダンス整合回路３９としては、例えばＴ型やπ型等の回路を用いるとよい。
高周波電源４０と、カソード５−アノード４間に高電圧を印加して主放電を起こす高圧電源１３とは、同期回路４１を介して接続されている。
【００２２】
フッ素レーザ装置１を運転する際には、高周波電源４０から、コイル状予備電離電極３８の両端部に高周波電流を印加する。これにより、コイル状予備電離電極３８の内部の放電空間１４に、長手方向の磁界４２が発生する。電流が高周波で極性を変えるため、磁界４２の向きは、矢印４２Ａ，４２Ｂで示したように、図４中左右に交互に高速で入れ替わる。
この磁界４２Ａ，４２Ｂの動くエネルギーによって、放電空間１４内のレーザガスが電離され、放電空間１４内に遊離電子が供給されて予備電離が行なわれる。
【００２３】
予備電離が行なわれた直後に、高圧電源１３は、放電電極４，５間にパルス状の高電圧を印加する。これにより、アノード４とカソード５との間で放電管１２の内壁を介して図示しない主放電が行なわれ、放電空間１４のレーザガスが励起されてレーザ光１１が発振する。
予備電離と主放電とのタイミングは、同期回路４１によって同期が取られ、予備電離が終了した後の所定時間経過後に、主放電が行なわれる。これにより、放電電極４，５間に注入されたエネルギーが、効率良く主放電に用いられる。
【００２４】
以上説明したように第２実施形態によれば、予備電離電極３８を放電管１２の外周部に螺旋状に形成し、このコイル状予備電離電極３８に高周波電流を印加している。これにより、コイル状予備電離電極３８の内部で交互の方向に磁界４２Ａ，４２Ｂが発生し、予備電離が行なわれる。その結果、レーザガスが、コイル状予備電離電極３８の内部の放電空間１４全体にわたって予備電離される。
従って、主放電が放電空間１４全体にわたって均一に起きるので、放電空間１４全域のレーザガスが励起される。即ち、放電空間１４に大きなエネルギーの主放電を投入することが可能となるので、レーザ光１１の出力が高くなり、かつ安定する。
また、第２実施形態では、予備電離が放電管１２の内壁に沿った予備放電１０ではなく、磁界４２Ａ，４２Ｂによって起こされるので、レーザガスが放電空間１４の直径方向全域にわたって予備電離される。従って、レーザ光１１の強度分布が中央部で弱くなったり中抜けを起こしたりすることがない。
【００２５】
第２実施形態に係るフッ素レーザ装置１の、他の実施例を図６に示す。
図６において、放電管１２の外周部には、例えば銅箔等の金属が螺旋状にメタライズされ、コイル状予備電離電極３８を形成している。コイル状予備電離電極３８の一端部には、ギャップスイッチ１６を介して高圧電源１３の高圧側ＨＶが接続されている。また、コイル状予備電離電極３８の他端部は、高圧電源１３の接地側ＧＮＤに接続されている。
ギャップスイッチ１６が閉じられると、コイル状予備電離電極３８にパルス状の高圧電流が流れる。パルス状の高圧電流は高周波であるため、これによってコイル状予備電離電極３８の内部の放電空間１４に、長手方向の磁界４２が発生する。このとき、コイル状予備電離電極３８とコンデンサＣｐとがＬＣ回路を構成するため、磁界４２の向きは、矢印４２Ａ，４２Ｂで示したように、図４中左右に交互に高速で入れ替わる。
この磁界４２Ａ，４２Ｂの動くエネルギーによって、放電空間１４内のレーザガスが電離され、放電空間１４内に遊離電子が供給されて予備電離が行なわれる。
これによれば、別途高周波電源を用意する必要がなく、簡単な構成で予備電離を好適に行なうことが可能である。
【００２６】
次に、第３実施形態を説明する。
図７において、第３実施形態に係る注入同期式フッ素レーザ装置３４は、第１第２実施形態に係るフッ素レーザ装置１と、フッ素レーザ装置１から出射したレーザ光１１をシード光として増幅する増幅器３３とを備えている。
増幅器３３は、レーザガスを封入するレーザチャンバ２と、レーザチャンバ２の両端部に光軸に対してブリュースター角をなして設けられたウィンドウ７，９と、ウィンドウ９の長手方向後方（図７中左方）外側に設けられて略中央に導入孔２９を有する有孔凹面鏡３２と、前方外側に設けられた凸面鏡３１とを有している。
【００２７】
レーザチャンバ２の内部には所定位置に主電極３５，３６が設置され、図示しない高圧電源により高電圧を印加可能となっている。レーザチャンバ２内には図示しないファンが配設されており、チャンバ２内のレーザガスを循環させて主電極３５，３６間に導いている。
図７において、フッ素レーザ装置１から発振したレーザ光１１は、有孔凹面鏡３２の導入孔２９からウィンドウ９を透過してレーザチャンバ２に入射し、凸面鏡３１と有孔凹面鏡３２との間で反射され、数回往復する。このとき、レーザチャンバ２内では、レーザ光１１の発振にタイミングを合わせて高圧電源から主電極３５，３６間に高電圧が印加され、増幅放電が起きる。この増幅放電により、レーザ光１１は、増幅器３３内を往復する間に波長及びスペクトル幅を保ったままパルス出力を増幅される。そして、凸面鏡３１の周囲から、断面がドーナツ状の増幅レーザ光２０として取り出される。
【００２８】
以上説明したように第３実施形態によれば、軸励起方式のフッ素レーザ装置１をシードレーザ装置として利用し、フッ素レーザ装置１から発振したレーザ光１１をシード光として、増幅器３３で増幅している。従来技術の項で説明したように、軸励起方式のフッ素レーザ装置１からはスペクトル幅が狭いレーザ光１１が出射される。このレーザ光１１をシード光として増幅しているので、スペクトル幅が狭い増幅レーザ光２０を得ることが可能である。
また、軸励起方式のフッ素レーザ装置１から出射する平行度が高いレーザ光１１をシード光として増幅しているので、増幅器３３から出射する増幅レーザ光２０も平行度が高くなる。このように、平行度が高いレーザ光１１をエタロンやグレーティング等によって狭帯域化すると、よりスペクトル幅の狭いレーザ光１１を得ることができる。従って、これをシード光として増幅することにより、よりスペクトル幅が狭い増幅レーザ光２０を得ることが可能である。また、平行度の高い増幅レーザ光１１は、集光が容易であり、加工に適している。
【００２９】
また、第１又は第２実施形態に係るフッ素レーザ装置１は、放電空間１４を均一に予備電離されており、主放電が安定に起きるので、出力が高出力で、かつ安定になっている。従って、このようなレーザ光１１を増幅することにより、高出力で安定な増幅レーザ光２０を得ることができる。
【００３０】
また、断面形状及び強度分布が、光軸に対して対称なレーザ光１１を増幅しているため、増幅レーザ光２０の断面形状及び強度分布も同様となる。従って、このような構成の注入同期式フッ素レーザ装置３４を、例えば露光機等のレーザ加工機の光源として用いた場合に、増幅レーザ光２０の方向性の不均一に基づく加工の不具合が少ない。さらに、増幅レーザ光２０が対称であることから、加工に適したように整形することが容易であり、その際にレーザ光１１の一部が捨てられることも少なく、効率が良い。
【００３１】
尚、図７においては、フッ素レーザ装置１と増幅器３３とを直列に並べるように記載したが、フッ素レーザ装置１と増幅器３３とを並列に並べ、反射ミラーによってレーザ光１１を反射させて増幅器３３に入射させるようにしてもよい。
このようにすることにより、注入同期式フッ素レーザ装置３４が、コンパクトな構成となる。
また、上記第１〜第３実施形態の説明においては、フッ素を含むレーザガスをレーザ媒質としたフッ素レーザ装置を用いて説明したが、これに限られるものではない。例えば、ＫｒＦエキシマレーザ装置やＡｒＦエキシマレーザ装置等のエキシマレーザ装置に対しても応用可能である。さらに、その他のガスレーザ装置に対しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るフッ素レーザ装置の構成を示す断面図。
【図２】フッ素レーザ装置の他の構成例を示す説明図。
【図３】フッ素レーザ装置の他の構成例を示す説明図。
【図４】第２実施形態に係るフッ素レーザ装置の構成図。
【図５】図４の断面図。
【図６】第２実施形態に係るフッ素レーザ装置の他の実施例を示す構成図。
【図７】第３実施形態に係る注入同期式フッ素レーザ装置の構成図。
【図８】従来技術に係るフッ素レーザ装置の構成図。
【符号の説明】
１：フッ素レーザ装置、２：レーザチャンバ、３：熱交換器、４：アノード、５：カソード、６：フロントミラー、７：ウィンドウ、８：リアミラー、９：ウィンドウ、１０：予備電離電極、１１：レーザ光、１２：放電管、１３：高圧電源、１４：放電空間、１５：予備放電、１６：ギャップスイッチ、１９：ポンプ、２０：増幅レーザ光、２１：予備電離電源、２２：Ｏリング、２３：小孔、２４：ガス循環配管、２５：フィン、２６：フィルタ、２７：ガスチャンバ、２８：レーザガスボンベ、２９：導入孔、３０：放電回路、３１：凸面鏡、３２：有孔凹面鏡、３３：増幅器、３４：注入同期式フッ素レーザ装置、３５：主電極、３６：主電極、３７：フランジ、３８：コイル状予備電離電極、３９：インピーダンス整合回路、４０：高周波電源、４１：同期回路、４２：磁界、４３：同期信号線、４４：ミラー。

Claims

レーザガスを封入する放電管と、放電管を挟んで長手方向に対向して配置された放電電極とを備えた軸励起式ガスレーザ装置において、
予備電離用電源の高電圧側に接続された高圧側予備電離電極と、接地側に接続された接地側予備電離電極とを、放電管の外周部に、長手方向に交互に隣接させ、かつ電気的に互いに絶縁して配置したことを特徴とする軸励起式ガスレーザ装置。
請求項１記載の軸励起式ガスレーザ装置において、フッ素を含むレーザガスをレーザ媒質とすることを特徴とする軸励起式ガスレーザ装置。
シード光を発振するシードレーザ装置と、シード光を増幅して増幅レーザ光を出射する増幅器とを備えた注入同期式ガスレーザ装置において、
前記シードレーザ装置が、請求項１記載の軸励起式ガスレーザ装置であることを特徴とする注入同期式ガスレーザ装置。
請求項３記載の注入同期式ガスレーザ装置において、シードレーザ装置及び増幅器が、フッ素を含むレーザガスをレーザ媒質とすることを特徴とする注入同期式ガスレーザ装置。