JP4915383B2 - スラブレーザ - Google Patents

Description

本発明は、電子部品業界等において用いられる微細加工を実施するのに適した短い高出力パルスを発生することのできるＲＦ励起等のスラブレーザに関する。

導波管レーザは、循環する光が伝搬進路の或る部分にわたって誘導され、自由空間伝搬の法則に従わない、という点において従来のレーザと異なる。スラブという語は、二つの平らな表面の間に画成された矩形の放電領域を有するレーザを意味するのに使用される。本発明に関してスラブレーザという語は、二つの狭い次元の中を誘導され、しかも、より広い次元の自由空間内に伝搬することができるレーザという意味で使用される。

スラブ炭酸ガスレーザの初期の研究において、レーザガスが直流放電によって励振される流動ガスシステムを指向した（例えば、「ＣＷ横放電、横ガス流ＣＯ₂ ：Ｎ₂ ：Ｈｅの平形導波管レーザにおける光学利得測定」マクマレン他 応用物理ジャーナル 第４５巻、Ｎｏ．１１ １９７４年１１月５０８４ページ記載）封じ切り炭酸ガスレーザにＤＣ励起を適用することはうまくいかなかった。封じ切り炭酸ガスレーザにおいて、ラークマン（Ｌａａｋｍａｎｎ）によって報告された１９７９年９月２５日付、米国特許第４，１６９，２５１号に記載された方法である。該特許において開示されるレーザは高周波ＲＦ励振によって横向きに励振される。放電領域は、一対の隔置された長い電極の間に画成される。ラークマン特許は、電極の間隔に基づく、正しいＲＦ励振周波数の選択方法をしるしている。ラークマン特許に開示されたレーザの電極は、一対の長い絶縁部材によって隔置される。正方形および矩形の放電領域の両方を画成するために、電極及び絶縁部材の組み合わせを用いることができる。該特許に図解される実施例において、絶縁部材の間隔は十分狭いので、光は両方の次元内に誘導される。

電極の或る与えられた長さ当たりに発生させる事の出来る出力を増加させる努力において、ラークマン特許の教示は、炭酸ガススラブレーザの開発に応用され、光は狭い間隔の電極間に誘導され、より広い次元に自由に伝搬することが可能とされた。このタイプのレーザに関する最も初期の報告の一つは、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ １９８４年６月において報告されたＧａｂａｉ，Ｈｅｒｔｚｂｅｒｇ ａｎｄ Ｙａｔｓｉｖの「無線周波数励起ストリップラインＣＯ及びＣＯ₂ レーザ」に見られる。このレーザにおいて、一対の隔置水冷Ｘバンド導波管電極が２５〜５０ＭＨｚの範囲の周波数のＲＦ放射によって励起された。電極の間隔は４．５ｍｍ程度であり、これは光を誘導するのに適していた。電極のより広い次元は２．５ｃｍであり、これは光を自由に伝搬させた。平面鏡と安定共振器を用いてキャビティ実験が実施された。

１９８８年１月１２日付、米国特許第４，７１９，６３９号に記載されたＴｕｌｉｐのＣＯ₂ 導波管レーザである。ガバイ論文において記述された装置と同様にチューリップ特許に記載された装置の放電領域も矩形であり、光は電極の間に誘導し、より広い次元の自由空間に伝搬させるような形態をとる。

１９９４年３月２９日に公開されたコヒーレントから出願された「パルス波ＣＯ₂ レーザ」特願平３−２９３５５４号（特開平６−９００４８号公報）において、医療用の高エネルギー短パルスを発生させるための炭酸ガススラブレーザとして具体的な構成を記述している。この公開特許公報においてスラブレーザ用鏡組立体、冷却システム及び電極支持組立体に関する構成が記述されている。
米国特許第４，１６９，２５１号明細書 米国特許第４，７１９，６３９号明細書 特開平６−０９００４８号公報 特開平６−２４４４８１号公報 実願平２−１０９７３８号（実開平４−６７３６６号）のマイクロフィルム 特開平１１−３４０５４７号公報 特開昭５６−１５０９０号公報 実願昭６３−１２４０２９号（実開平２−４５６６１号）のマイクロフィルム 特開平５−３２７０６６号公報 「ＣＷ横放電、横ガス流ＣＯ2 ：Ｎ2 ：Ｈｅの平形導波管レーザにおける光学利得測定」マクマレン他 応用物理ジャーナル 第４５巻、Ｎｏ．１１ １９７４年１１月５０８４ページ記載 「無線周波数励起ストリップラインＣＯ及びＣＯ2 レーザ」Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃｓ １９８４年６月、Ｇａｂａｉ，Ｈｅｒｔｚｂｅｒｇ ａｎｄ Ｙａｔｓｉｖ

スラブレーザは、放電領域を構成するスラブ電極の反射面を介して、励起されたレーザを拡散冷却によって除去する事により、小さな放電体積から高出力を取り出すため、投入電力の変化によってスラブ電極の温度が変化し、レーザ装置を構成する光共振器等の他の構成物との温度変化による最適アライメント等が変化し、そのため異なる熱膨張係数によって余分な応力が発生し、レーザ発振の安定性を阻害するという問題点がある。

本発明において、従来の気体スラブ導波管レーザにおけるレーザ光に及び特性に与える不安定要因となる構成、構造上の問題を解決するための構成を示唆する。

電極の熱収縮を許す電極支持構造を有する炭酸ガススラブレーザを与えることが本発明の一目的である。

電極の熱収縮を許すとともに電極を保持内蔵する真空容器の熱収縮の光共振器に与える影響を緩和するとともに輸送及び振動に対する影響を緩和するチャンバ構造を与えることが本発明の一つの目的である。

レーザガスのバッファータンクを兼ねた真空容器内のガスがスラブ電極内のレーザガスとスムーズに入れ替わるような機構を与えることが本発明の一つの目的である。

密閉された真空容器の外からの調整を可能にする改良された調整式鏡保持機構を有するスラブレーザを与えることが本発明の一つの目的である。

スラブ電極を冷却するための冷却パイプの形状によってスラブ電極に印加されるＲＦ電界分布の変動因子を無くす冷却方法を与えることが本発明のもう一つの目的である。

スラブ電極に投入されるＲＦ電力値の変化に対して変化するスラブ電極の温度を能動的または受動的に制御することにより、レーザ発振条件の変化に対するレーザ特性の影響を無くすスラブ電極冷却装置を与えることが本発明の一つの目的である。

スラブレーザ装置から出力されたレーザ光の変動を検出し、加工品質を向上させるための外部整形光学装置を与えることが本発明の一つの目的である。

レーザ装置において、光共振器を形成するミラーにダイクロイックミラーを使用した場合において、ミラーの熱影響を除去する構成を与えることが本発明の一つの目的である。

スラブ電極の長手方向に印加されるＲＦ電界分布をスラブ電極の長手方向の長さに対して、放電が安定する最適な電界分布を明示することが本発明の一つの目的である。

本発明のスラブレーザは、電極と、この電極を冷却する冷却水を流通する冷却装置を備えたスラブレーザであって、前記冷却装置に冷却水を供給する冷却水給路と、前記冷却水給路の冷却水の温度を測定する第一の温度検出素子と、前記冷却水給路に設置され冷却水の流量を制御するための流量制御弁と、前記冷却装置から冷却水を排出する冷却水排路と、前記冷却水排路の冷却水の温度を測定する第二の温度検出素子と、前記第一と第二の温度検出素子の信号を演算処理し、その結果によって流量制御弁に対し前記冷却水の流量を、冷却水の給水温度と排水温度がＲＦの供給電力が変化しても一定となる様に制御する演算回路を備えたものである。

本発明のスラブレーザによれば、スラブレーザへ供給する電力を変化させた場合に生じる電極の熱収縮量の変化を冷却媒体の流量を可変する事によって抑制し、電力注入量に関係なくスラブ電極温度を一定に保つ事により、長手方向の電極端点と共振器鏡の間隔を一定に保ち、これにより供給電力の変化に関係なく安定したレーザ特性を実現する。また、レーザ始動時等において、冷却流量を変化させる事により始動から素早く安定した条件のレーザ特性を得られる。

本発明のスラブレーザによれば、スラブレーザへ供給する電力を変化させた場合に生じる電極の熱収縮量の変化を冷却媒体の流量を可変する事によって抑制し、電力注入量に関係なくスラブ電極温度を一定に保つ事により、長手方向の電極端点と共振器鏡の間隔を一定に保ち、これにより供給電力の変化に関係なく安定したレーザ特性を実現する。また、レーザ始動時等において、冷却流量を変化させる事により始動から素早く安定した条件のレーザ特性を得られる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、スラブレーザの縦断正面図である。図において、１、２は各々が平面の光反射面を有し該光反射面の表面に直角な平面内にのみ光を誘導する様に配設される一つの細長い、隔置された電極を構成するＲＦ電力を供給される高圧電極１と接地電極２、３は真空容器を形成するための出力鏡フランジ１１と真空シールされベローズ１０に溶接真空接続されたスラブ電極保持ベースＡ、４は、真空容器を形成する全反射鏡フランジ１２と真空シールされベローズ１０に溶接真空接続されたスラブ電極保持ベースＢ、５はセンタチャンバ、１４はベローズ１０と真空溶接接続されたセンタフランジ、６、７は光共振器を構成する調整式鏡保持機構であり出力鏡用の調整式鏡保持機構Ａと全反射鏡用の調整式鏡保持機構Ｂである。８は、スラブ電極（２）を全反射鏡フランジ１２と固定するための電極固定ブロック、９は出力鏡フランジ１１と全反射鏡フランジ１２の間隔を保持するためのカーボンファイバ製の棒或いはインバー等の熱膨張係数の小さい材質で形成された共振器基準ロッドである。１３はレーザ発振器を固定するための基準面となるベース板で、センタチャンバ５及び全反射鏡フランジ１２と固定されている。１５は、出力鏡フランジ１１と直交する方向に対してのみ滑動可能なスライダＡ、１６はスラブ電極の熱収縮を許容するスライダＢである。

スラブレーザの様な拡散冷却を用いたレーザ発振器においてレーザを安定に発振させるためには、レーザを構成主要構成部各々の熱影響を除去または分離する事が重要である。共振器基準ロッド９の熱収縮による真空容器への影響は、真空容器を形成するベローズ１０によって吸収分離され、真空容器内のスラブ電極への影響を除去する働きをする。スラブ電極（１、２）の熱収縮による影響は、スライダ１６、１７により許容され、かつべローズ１０により光共振器間隔に影響を与えないように構成されている。ベース板１３の収縮による影響は、スライダ１５によって真空容器に影響を与えないように軸方向への動きに滑動を許すことによって除去する。本発明においては、スラブレーザを構成する光共振器間隔、真空容器、スラブ電極（１及び２）、レーザ発振器のベース板１３の熱影響によるレーザ発振軸方向に対する伸縮を吸収分離する構造とすることによって、レーザの発振条件、雰囲気温度等に影響されない安定なスラブレーザを提供する。また、真空容器に、一般的に使用されるベローズ１０を使用することにより、安価にスラブレーザを構成する事が出来る。

（実施の形態２）
上記構成において、図２は、図１におけるセンタチャンバ５部分の縦断正面図であり、１８は、高圧電極１に対して真空シールを維持しながら、ＲＦ電力を供給するためのＲＦ導入端子であり、２２は、接地電極２とセンタチャンバ５を接続するためのアースベルト、１９は、高圧電極１と接地電極２の間隔を保持するための絶縁体で形成された電極支持壁である。ＲＦ導入端子１８及びアースベルト１９を組み立てられたスラブ電極（１、２）の熱収縮許容方向に対して、応力を緩和する様に接続する事により、より信頼性の高いスラブレーザを提供できる。

（実施の形態３）
図３は、図１のスラブレーザにおける３のスラブ電極保持ベースＡの横断断面図である。従来の技術において、電極の放電領域の長手方向の縁に接する様に、電極の間に一対の長い絶縁ブロックを取り付けることによって、電極の隔離を行うか、或いは、絶縁体を電極の側壁に張り付ける様に取り付けることによって行っているため、電極間の放電領域８０に接する或いはその近傍のＲＦ電界強度の鋭い部位が生じ、また、絶縁体を側壁に取り付けた場合は、電極間隔を保持精度が低下しやすく、振動等によって電極間隔が変化したり、絶縁体が破損するという問題がある。本発明は、スラブ電極１、２の放電領域８０と電極支持壁１９の間に非放電領域８１を設けると共に、スラブ電極１、２の短方向のエッジ部に曲面Ｒを設ける事により、放電領域８０内において電界強度が鋭い電界強度を有せず、穏やかな縁を提示する。この形態は、レーザの秀れたモード性能に寄与すると予測される。また、放電領域８０と電極支持壁１９の間を隔離する事により、電極支持壁１９を電極長手方向全体に設ける必要がなり、支持機能を満足する範囲内で離散的に支持壁１９を置く事により、高温の解離したレーザガスが分散配置された電極支持壁１９の間から自由に流れ出る事を可能にすると同時に、より冷たいガスが電極支持壁１９の間から流入する事により、放電を補充する事を可能にする。また、本発明の形態においては、スラブ電極の高圧電極１と接地電極２の間隔は、電極支持壁１９の寸法によって一義的に決定されるため製作上安定なスラブレーザを実現できる。

（実施の形態４）
図４は、スラブ電極の高庄電極１と接地電極２の間を保持するための電極支持壁の図１の別の実施の形態を示した図である。２３は、スラブ電極の高圧電極１と接地電極２の間を保持するために用いられる別の形態の電極支持壁である。電極支持壁２３の放電領域８０の面に凸曲面２３ａを設ける事により、パルス状のＲＦ電力を供給する事によって、レーザの発振形態をパルス動作させた場合、放電領域８０で発生した励起ガスは、放電の開始初期において膨張し、電極支持壁２３に衝突し一部は放電領域外に、一部は放電領域８０に帰還する。凸面型電極支持壁２３にする事によって、放電領域８０から放電の膨張によって放出された励起ガスが放電領域８０に帰還する事を防止することにより、帰還ガスが放電領域内のレーザ利得分布を乱し、レーザの発振モードに乱れを与える事を防止する事により、秀でたレーザモードを実現する。また、図４（ｂ）に示すように電極支持壁の形状を円柱型電極支持壁２４にしても同様の効果が得られる事は明白である。

（実施の形態５）
図３は、本発明のスラブレーザにおける３のスラブ電極保持ベースＡ部の横断断面図であり、スラブ電極保持方法を表す図である。図において、組み立てられたスラブ電極８２は、スラブ電極保持ベースＡ３の内壁に固定されたスライダＢ１６によって真空容器内の所定の位置に保持され、スラブ電極保持ベースＡ３の内壁に固定されたスライダＣ１７によってスラブ電極８２の高圧電極１の上面に対して、力を付加される。スライダＢ１６のスラブ電極８２と接する部分は、スラブ電極８２の長手方向に対して、スラブ電極８２の伸縮に対して許容する様に例えば円柱状の形態を有する。スライダＣ１７は、スラブ電極８２と接する部分においてスラブ電極８２に対して、断面方向の力を加えると共にスラブ電極８２の伸縮に対して、許容するように先端部８４が例えば球状もしくは円柱状の形態を有し、スライダＣ１７の真空容器８６（スラブ電極保持ベースＡ３）の内壁に接する部分は、高圧電極１と接地部である真空容器８６の内壁を電気的に分離するために絶縁層８５によって固定接続される。上記形態のスラブ電極保持機構を用いる事により、スラブ電極８２の短断面方向への歪みを抑制すると共に、振動等の機械的衝撃に対し電極位置の変位を抑制する事ができるため安定したスラブレーザを実現することが出来る。

また、組み立てられた一対の電極の断面形状が、略八角形となるようにすることにより、各スライダ１６、１９の当たり面が異なった面に対して作用するため、上記効果が有効に作用する。

（実施の形態６）
図５は、図１におけるセンタチャンバ部分の断面図であり、１は高圧電極、２は接地電極、５はセンタチャンバ、１８は、スラブ電極８２へ電力を供給するためのハーメチックシール、１９は電極支持壁、２２はアースベルト、２５は高圧電極水路、２６は接地電極水路、８０はスラブ電極の放電領域、８１は非放電領域、２７はガス循環突起である。チャンバ５の内壁に設けられたガス循環突起２７は、放電領域８０において高温となったガスがチャンバ５内の冷えたガス領域に対して、スラブ電極の短方向から放射されるガスをチャンバ内の電極外周方向に誘導し、チャンバ５の内壁に接する事で冷却され、再び、ガス循環突起２７の異なる面に衝突し、放電領域８０に誘導される。８７は、ガスの流れを模式的に記したものである。放電によって暖められたガスをチャンバ５内の熱拡散によって冷却、循環するだけでなく、ガス循環突起２７により拡散または循環することにより、チャンバ５の管壁と接する様に誘導する事により、ガスを効率よく冷却する事ができガスの長寿命化をもたらすという有効な効果が得られる。

実施の形態においては、ガス循環突起２７の形状として一例についてのみ記したが、放電領域８０から放射されるガスをチャンバ５内の同心軸上に反射させる効果を有する形状においても同様の効果が得られる事は明白である。また同様に、センタチャンバ５の内壁にガス循環突起２７を設けた場合について説明したが、チャンバ５の内壁の他箇所に設けても同様の効果が得られる事は明白である。

（実施の形態７）
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明による調整式鏡保持機構６、７の断面図である。図６（ａ）は図１の部分断面図、図６（ｂ）はその別の実施の形態である。図において、２８は光共振器を保持するための鏡保持ブロックである共振器鏡ホルダＡ、２９は、共振器鏡の角度を変化させるために設けられた伸縮自在のべローズ、３０は、共振器鏡の角度を任意に変化させるための共振器鏡調整ねじ、３１は、共振器鏡ホルダＡ２８と固定接続された鏡フランジである出力窓ホルダベース、４０は、共振器ホルダＡ２８の移動（回転中心）基準となる支持ピン、４１は、共振器ホルダＡ２８の拘束強度を調整するための支持ピン４０の挿入高さを調整する支持ピン溝、４２は、真空シールを保持すると共にレーザ光を取り出すための出力窓である。共振器鏡調整ねじ３０の押し込み量を変化させる事によって、出力窓ホルダベース３１とフランジ１１または１２との角度θを変化させる事によって、支持ピン４０を支点として共振器鏡ホルダＡ２８の角度が変化する事によってアライメント調整を可能とする。この調整式鏡保持機構６、７は、支持ピン４０を設けたことにより、支点、力点、作用点が独立し、力点の変化と作用点の変化を−定とする事ができるため、共振器鏡調整ねじ３０の変化に対応して鏡の角度を変化させることが出来るため、空間的な制約を加える事なく、再現性及び微調整が容易に出来るという利点が得られる。

（実施の形態８）
図６（ｃ）は、本発明による図６（ａ）の別の実施の形態における調整式鏡保持機構の断面図である。図において、３２は、光共振器を保持するための鏡保持ブロックである共振器鏡ホルダＢ、３３は、鏡の変位角度の基準面となる調整共振器鏡フランジＡ、３４は、フランジＡ３３の貫通穴３ａに設けられて貫通穴３ａを貫通する共振器鏡ホルダＢ３２の角度の変位を許すと共に真空容器のシールを保持するためのダイアフラム状の調整板ばねである。共振器鏡調整ねじ３０の押し込み量を変化させる事によって、鏡フランジである出力窓ホルダベース３１と共振器鏡フランジＡ３３との角度θを変化させる事によって、調整板ばね３４の変位を介して、共振器鏡ホルダＢ３２の角度が変化し、これによってアライメント調整を可能とする。この調整式鏡保持機は、フランジ３３の内部に変移を設けたことにより、空間的自由度が向上するという効果が得られる。

（実施の形態９）
図７は、本発明によるレーザの縦断正面図である。図において、８２は、放電領域を形成すると共に導波路として働く組み立てられたスラブ電極、３５は、共振器鏡調整ねじ３０の当たり面であり、かつ共振器鏡調整ねじ３０の押し込み量に対応して変位し、共振器鏡の角度を変化させるための共振器鏡フランジＢ、３６は、ベース板１３に固定されて共振器鏡の角度の基準面となる共振器鏡固定台、３７は、真空容器８６の内部にスラブ電極８２を固定保持するためのスラブ電極保持ベース、３９は、光共振器を形成するため共振器鏡を保持するための鏡保持台である共振器鏡ホルダＣである。スラブ電極８２は、スラブ電極保持ベース３７によってのみ保持され、スラブ電極８２の両端は自由端であり、スラブ電極８２が伸縮変化しても光共振器等には不要な応力を与えない。スラブレーザの共振器長は、ベース板１３に固定された一対の共振器鏡固定台３６の間隔によって決まり、共振器鏡調整ねじ３０の押し込み量を変化させる事により、容器の筒部の一部または全部を構成する伸縮自在の筒体例えば円筒状のベローズ１０が収縮し、共振器鏡の角度が変化することによって、最適な共振器のアライメントを実現する。なお、図１と共通する部分に同一符号を付している。

このように、真空容器の一部が調整式鏡保持機構を構成する一部品を兼ねるため、安定で安価なレーザを提供するという効果と共に、構成部品点数を減らす事が可能なため長期信頼性を高めるという有効な効果が得られる。

（実施の形態１０）
図８は、本発明によるスラブレーザの、図１における冷却ブロックＡの構成図である。図において、１はスラブ電極の高圧電極、２はスラブ電極の接地電極、１２は全反射鏡フランジ、２１は冷却水路Ａ、２５は高圧電極水路、２６は接地電極水路、２８は共振器鏡ホルダＡ、２０は高圧電極水路２５と冷却水路Ａを接続し、高圧電極１と冷却水路Ａの位置関係を定めるための冷却ブロックＡである。３８は、高圧電極１と全反射鏡フランジ１２とを電気的に分離すると共に真空シールを保持する絶縁体材料で形成された絶縁パイプである。冷却ブロックＡ２０および絶縁パイプ３８は冷却媒体保持ブロックを構成する。

その他は、図１等の構成と共通している。

このような構成によって、組み立てられた電極の放電領域８０にＲＦ電力によって印加される電界分布は、電極に接続された或いは近傍の構成物の形状、配置によって影響を受けるため、冷却ブロックを設ける事により冷却パイプの形状及び配置を規定する事が可能となり、スラブレーザを製造する場合における製品ばらつきを緩和する、或いは、調整項目を低減するという有効な効果を実現する。

冷却水路またはパイプは電極内に埋め込まれてもよいし、電極に張りつけられてもよい。

また、冷却媒体保持ブロックを誘電体材料により形成してもよい。

（実施の形態１１）
図９（ａ）は、スラブレーザを構成する、図１におけるレーザ用冷却系の概念図である。図において、４はスラブ電極保持ベースＢ、１２は全反射鏡フランジ、４８はスラブ電極８２を冷却するための冷却水を排出する冷却水排路Ｂ、４９はスラブ電極８２を冷却するための冷却水を供給する冷却水給路Ｂ、５０は冷却水の温度を測定するための温度センサである温度検出素子Ａ、５２は冷却水の流量を制御するための制御弁Ｂ、５１は温度検出素子Ａ５０の信号を受け取り、制御弁Ｂ５２を通過する冷却水の温度を制御し、冷却水の給水温度と排水温度がＲＦの供給電力を変化しても一定となる様に制御するための第１の演算回路である。

このような構成によって、スラブレーザへ供給する電力を変化させた場合に生じる電極８２の熱収縮量の変化を、冷却媒体の流量を可変する事によって抑制し、電力注入量に関係なくスラブ電極温度を一定に保つ事により、長手方向の電極端点と共振器鏡の間隔を一定に保つことによって、供給電力の変化に関係なく安定したレーザ特性を実現するという有効な効果が得られる。また、レーザ始動時等において、冷却流量を変化させる事により始動から素早く安定した条件のレーザ特性が得られるという有効な効果を提供する。

パラメータとして、レーザの発振条件を第１の演算回路に送る事により、本発明の効果は、さらに向上する事は明白である。

なお、温度検出素子は１またはそれ以上有してもよい。

また、温度検出素子に代えて、冷却媒体の流量を検出する流量センサを用い、ＲＦの供給電力の変化に応じて流量を変化させ、冷却水の給水温度と排水温度が一定となるように制御することができる。

（実施の形態１２）
図９（ｂ）は、図８（ａ）の別の実施の形態におけるスラブレーザを構成する受動流量制御弁付き冷却ブロックの構成図である。図において、４３は冷却ブロックＢ、４４は冷却水排路Ａ、４５は冷却水給路Ａ、４６はスラブ電極８２に供給する冷却水の一部を４４の冷却水排路Ａに循環させるためのバイパス水路、４７は流入する冷却水温度と排出される冷却水温度の温度差によって開閉する制御弁Ａである。４７の制御弁Ａは、冷却水の流入温度と排出温度に差がない状態においては、バイパス水路を開く様に働き、温度差が大きい時閉じる様に働く。制御弁Ａは例えばバイメタル、形状記憶材料等により形成される。

このような構成によって、４３の冷却ブロックＢ内のバイパスを自動的に開閉する事により、スラブ電極８２の温度を一定範囲内に維持することにより、スラブ電極８２のＲＦ投入電力の変化によって生じるスラブ電極８２の温度変化を抑制する事によって、スラブ電極８２の熱収縮が抑制され、導波路部への共振器鏡との結合状態の変化をおさえられる。これにより、レーザの発振条件の変化に対するレーザのモード、出力等の時間的に過度的な変化を抑制し、微細加工等のレーザ加工の利用範囲を拡げると共に加工精度の向上に貢献するという有効な効果が得られる。

（実施の形態１３）
図１１は、レーザ装置の自動アライメント調整を行うための構成図である。図において、６１はレーザ光を集光するための集光レンズＬ１、６２はレーザ装置のアライメントを調整するための信号を伝送するための信号線Ａ、６４はナイフエッジ等によってレーザ光の高次モードを除去するための空間フィルタ１、６５は例えば電動式マイクロメータ、ピエゾ素子等の直動機構などによる自動アライメント機構を有するレーザ発振器、６６は空間フィルタ１の温度を測定するための温度検出センサ、６７は温度測定点、６３は温度検出センサからの信号を受け取って、レーザ発振器６５の自動アライメント機構を動作させるための第２の演算回路である。６４の空間フィルタ１の二カ所以上の温度を検出し、レーザ光が空間フィルタ６４のセンタ（設定した光軸）を透過しているかを温度検出センサ６６の出力から第２の演算回路６３によって判断し、レーザ発振器６５に内蔵されたアライメント機構の調整式鏡保持機構を動作させることによって、レーザの内部状態の変化に対してレーザ光の出射位置が変化しないように調整する。

この様な構成によって、レーザ発振器６５のアライメント変化或いは、レーザ媒質の利得変化を検出し、最適なアライメント状態を維持する事によって、安定したレーザ発振を実現するという有効な効果が得られる。

（実施の形態１４）
図１０は、矩形状の空間分布を有するレーザ光等の光を、円形状に整形するために用いられる整形光学系の構成図である。図において、８９は矩形状のレーザ光を出力するスラブレーザ発振器、５５は不安定側共振器側方向のみを集光するためのシリンドリカルレンズＵＮ１、５６は不安定側共振器側の高次モードを除去するためのナイフエッジＫＥ、５７は不安定側共振器側方向のみを集光するためのシリンドリカルレンズＵＮ２、５８は安定型共振器側方向のみを集光するためのシリンドリカルレンズＷＧ１、５９は整形されたレーザ光を加工対象物５３に集光照射するための集光レンズＬ１である。

この実施の形態のレーザ装置は、上記構成の外部整形光学系を組み合わせたレーザ装置において、レーザ発振器の出射方向及びビームプロファイルが変化すると整形光学系透過後のレーザ光の空間的分布が変化し、加工対象物の加工精度が低下するため、本発明においては、上記構成の外部整形光学系とアライメント調整機構を有するレーザ装置５４及び図１１の発明を組み合わせる事によって、レーザ発振器等の光源から放射されたビームの出射方向変化をナイフエッジ等の空間フィルタに取り付けた温度センサによって、温度或いは温度分布を検出し、光源から放射されたビームの出射方向を調整式鏡保持機構を自動調整する事により一定に保つ事によって、整形光学装置の効果を最大限に利用し、これによって安定した光加工を実現するという有効な効果が得られる。

すなわち、このレーザ装置は、矩形状のレーザ光を整形するための外部光学装置を有するレーザ発振器において、出力光の高次のモードを除去するための空間フィルタを形成する光学ユニット内のナイフエッジ６４およびアパチャ等の温度を測定するための一つ以上の温度センサ６６、この温度センサ６６からの出力信号を処理するための演算回路６３、およびこの演算回路６３からの出力によって動作する電動マイクロメータ或いはピエゾ素子等の直動機構による調整式鏡保持機構を有するものである。

（実施の形態１５）
図１３は、外部整形光学装置における自動修正整形光学系の構成図である。図において、レーザ装置５４から出射したレーザ光は、５５のシリンドリカルレンズＵＮ１によって絞られナイフエッジＫＥ５６によって高次モードを除去され、５７のシリンドリカルレンズＵＮ２によって平行光に変換され、５８のシリンドリカルレンズＷＧ１によって異なる方向のビームを絞り発散角を合わされ、集光レンズＬ１によって加工対象物５３に照射される。６６は、５６のナイフエッジＫＥに取り付けられた温度検出センサからの信号線で、演算回路は、温度検出センサ６６からの信号からレーザ光がナイフエッジの所定の場所に照射されているかを判断し、異なる場合は信号線Ｂ７１を等して可動式レンズホルダを動かす事により、レンズ５５の位置或いはレンズ５５の集光角度を変化し、これによってレーザ発振器から照射された出射方向の変位を補正することによって、整形光学系透過後の加工位置におけるレーザ照射箇所の変化を押さえることにより、安定したレーザ加工を実現するという有効な効果が得られる。

なお、光学フィルタとしてナイフエッジのほかアパチャ等がある。

（実施の形態１６）
図１２は、レーザ出力監視方式の概念図である。図において、レーザ光の高次モード等を除去するために用いられるアパチャ等の光学フィルタにおいて、６８はレーザ受光面がレーザ光を反射すると共にテーパ状の形態を有する空間フィルタ、６９はＨｇＣｄＴｅ等の光検出器Ａである。レーザ装置５４から出射したレーザ光は、空間フィルタによって高次のモードが除去（反射）され、反射されたレーザ光は、光検出器Ａによって受光される。さらに光検出器の出力信号とレーザ装置の出力条件とを比較するための比較演算回路を有する。

このような構成によって、レーザ光の変動或いは、発振不良をレーザ光の一部を検出のために切り取る事なく、変動或いは発振不良を検出することができるという有効な効果が得られる。

（実施の形態１７）
図１４は、ダイクロイックミラー保持方式の縦断面図である。図において、９０は、上記図１等の光共振器においてレーザ光の発振波長を選択するために用いられるダイクロイックミラーであり、選択した波長のみを反射し、その他の波長は透過する働きをする。７３は、ダイクロイックミラーを透過したレーザ光を吸収体７４に照射するための金属ミラー等の高反射率の反射板のミラーである。７２は、ダイクロイックミラー９０及び反射板７３を保持するためのダイクロイックミラーホルダである。

このような構成によって、ダイクロイックミラーを透過したレーザ光が、レーザ発振器構成部材に損傷或いは一部の異常加熱を誘起する事を防止するとともに、ダイクロイックミラーを透過したレーザ光がダイクロイックミラーに帰還する事を防止する事によって、安定したレーザ発振を実現するという有効な効果が得られる。

なお、反射板７３の代わりにレーザ光を吸収する吸収体を設置しても同様の効果が得られる。

（実施の形態１８）
図１５は、ガスイオン化装置を構成するランプ部の断面図である。また図１等の一部の別の実施の形態である。図において、７６は、ガス放電を発生し易くするためにレーザガスを予めイオン化する解離を促進するように用いる、光子を放出するランプ、７７は、ランプから放出された光子を反射するために、内壁がＡｕ等の光反射材料でコーティングされ、かつ内面が放電領域８０に光子が集光される様に凹面形状をしたランプハウジング、７８は、ランプから放射された光を通過させるランプ光透過路、７９は、真空容器を形成するセンタチャンバ５のシールを保持しながら、ランプから放出された光子を透過する石英ガラス等の透過窓である。レーザガスをガス放電する手段は、例えば放電電極間にレーザガスを満たす図１等の構成である。なお図１と共通する部分に同一符号を付している。

このような構成によって、ランプ７６から放射される光子を有効に利用することが可能となり、レーザガスを所望のイオン化状態にするために必要な光子数を効率良くレーザガスに照射する事が出来るという有効な効果が得られる。

このような構成をスラブレーザに用いる事によって、放電の点弧性が改善されると共に、レーザ出力発振指令から光出現までの遅れ時間のばらつきが改善され、特にパルス動作時におけるレーザ特性の改善におおきな効果が得られる。

以上のように本発明によれば、スラブレーザの構成部品間の熱的影響を分離すると共に、スラブ電極へ投入されるＲＦ電力の変化に対して、スラブ電極の温度変化を抑制することにより、また、ＲＦスラブ電極内の放電領域内のレーザガスを効率よく循環させると共に放電領域に与える不要な電界強度を抑制する事により、安定したスラブレーザを提供する事ができるという有効な効果が得られる。

また、本発明の外部整形光学装置を付加することによって、スラブレーザ装置から出力されたレーザ光の照射位置の変化を補正し安定した加工を実現するという有効な効果が得られる。

本発明にかかるスラブレーザは、スラブレーザを製造する場合における製品ばらつきを緩和する或いは、調整項目を低減することができるという効果を有し、電子部品業界等において用いられる微細加工分野等で有用である。

第１の実施の形態におけるスラブレーザの縦断正面図である。 第２の実施の形態におけるセンタチャンバ部分の縦断正面図である。 第３の実施の形態および第５の実施の形態におけるスラブ電極保持ベースＡ部断面図である。 第４の実施の形態におけるスラブ電極断面図である。 第６の実施の形態におけるセンタチャンバ部分の断面図である。 （ａ）、（ｂ）は第７の実施の形態における調整式鏡保持機構の部分縦断断面図、（ｃ）は第８の実施の形態における調整式鏡保持機構の部分縦断断面図である。 第９の実施の形態における真空容器兼用型調整式鏡保痔機構の縦断面図である。 第１０の実施の形態における冷却ブロックＡの構成図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）はその縦断面図である。 （ａ）は第１１の実施の形態におけるレーザ用冷却系の概念図、（ｂ）は第１２の実施の形態における受動流量制御弁付き冷却プロック構成図である。 第１４の実施の形態の整形光学系の構成図である。 第１３の実施の形態における自動アライメント調整機構の概念図である。 第１６の実施の形態におけるレーザ出力監視方式の概念図である。 第１５の実施の形態における自動修正整形光学系の構成図である。 第１７の実施の形態におけるダイクロイックミラー保持方式の縦断面図である。 第１８の実施の形態のガスイオン化装置のランプ部の断面図である。

符号の説明

１ 高圧電極
２ 接地電極
３ スラブ電極保持ベースＡ
４ スラブ電極保持ベースＢ
５ センタチャンバ
６ 調整式鏡保持機構Ａ
７ 調整式鏡保持機構Ｂ
８ 電極固定ブロック
９ 共振器基準ロッド
１０ ベローズ
１１ 出力鏡フランジ
１２ 全反射鏡フランジ
１３ ベース板
１４ センタフランジ
１５ スライダＡ
１６ スライダＢ
１７ スライダＴＣ
１８ ＲＦ導入端子
１９ 電極支持壁
２０ 冷却ブロックＡ
２１ 冷却水路Ａ
２２ アースベルト
２３ 凸面型電極支持壁
２４ 円柱型電極支持壁
２５ 高圧電極水路
２６ 接地電極水路
２７ ガス循環突起
２８ 共振器鏡ホルダＡ
２９ ベローズ
３０ 共振器鏡調整ねじ
３１ 出力窓ホルダベース
３２ 共振器鏡ホルダＢ
３３ 共振器鏡フランジＡ
３４ 調整板バネ
３５ 共振器鏡フランジＢ
３６ 共振器鏡囲定台
３７ スラブ電極保持ベース
３８ 冷却水路
３９ 共振器鏡ホルダＣ
４０ 支持ピン
４１ 支持ピン溝
４２ 出力窓
４３ 冷却ブロックＢ
４４ 冷却水排路Ａ
４５ 冷却水給路Ａ
４６ バイパス水路
４７ 制御弁Ａ
４８ 冷却水排路Ｂ
４９ 冷却水給路Ｂ
５０ 温度検出素子Ａ
５１ 演算回路１
５２ 制御弁Ｂ
５３ 加工対象物
５４ レーザ装置
５５ シリシドリカルレンズＵＮ１
５６ ナイフエッジＫＥ
５７ シリンドリカルレンズＵＮ２
５８ シリンドリカルレンズＷＧ１
５９ 集光レンズＬ１
６０ 電動アライメント調整式鏡保持機構
６１ 集光レンズＬ２
６２ 信号線Ａ
６３ 演算回路２
６４ 空間フィルタ１
６５ レーザ発振器
６６ 温度検出センサ
６７ 温度測定点
６８ 空間フィルタ２
６９ 光検出器Ａ
７０ 可動式レンズホルダ
７１ 信号線Ｂ
７２ ダイクロィックミラーホルダ
７３ 反射板
７４ 吸収体
７５ ミラーホルダフランジ
７６ ランプ
７７ ランプハウジング
７８ ランプ光透過路
７９ 透過窓
８０ 放電領域
８１ 非放電領域

Claims (1)

1. 電極と、この電極を冷却する冷却水を流通する冷却装置を備えたスラブレーザであって、
   前記冷却装置に冷却水を供給する冷却水給路と、
   前記冷却水給路の冷却水の温度を測定する第一の温度検出素子と、
   前記冷却水給路に設置され冷却水の流量を制御するための流量制御弁と、
   前記冷却装置から冷却水を排出する冷却水排路と、
   前記冷却水排路の冷却水の温度を測定する第二の温度検出素子と、
   前記第一と第二の温度検出素子の信号を演算処理し、その結果によって流量制御弁に対し前記冷却水の流量を、冷却水の給水温度と排水温度がＲＦの供給電力が変化しても一定となる様に制御する演算回路と
   を備えたスラブレーザ。

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