JP5619779B2 - 高温プラズマを持続させるための光ポンピング - Google Patents

Description

本出願は、２００９年２月１３日に出願された同時係属中の米国特許仮出願整理番号第６１／１５２，５７８号に基づくすべての権利及び優先権を主張するものである。本発明は、プラズマ光源の分野に関する。より詳細には、本発明は、プラズマ光源の輝度を増加させることに関する。

より一層高いトランジスタ密度を有する集積回路に対する要望は、これらの集積回路をもたらす構造体のサイズを縮小することに対する産業上の必要性を駆り立てる傾向がある。こうした集積回路がその上に製作されるパターン形成された基板及びパターン形成されていない基板の検査は、産業によって要求される感度及びスループットを提供するために、紫外領域及び可視領域における先例のない明るい広帯域光源を要求する。したがって、より短波長のより明るい光を生じる光源への探究が続いている。

レーザによって持続されるプラズマを用いる光源は、こうした用途に用いられる深紫外放射線を生じることができる。これらの光源は、レーザをガス体積の中に合焦することによって作動し、レーザエネルギーは、ガスを、光を発するプラズマに励起するのに十分なものである。レーザを体積の中に合焦することは、プラズマのポンピングと呼ばれ、レーザは、しばしばポンプレーザと呼ばれる。ポンプレーザは、連続した、強度変調された、又はパルス化されたものとすることができる。こうしたレーザによって持続される光源は、放電によって持続される光源から得られる温度を優に超える温度を呈する。これらのより高い温度は、より短波長のより明るい光源と同等である。

レーザのような光源でプラズマを持続させることは比較的簡単であるが、標準のレーザによって持続される技術を用いてプラズマをより高温に（より明るく）するのは実現が難しいことが判明した。例えば、レーザの出力を単に増加させることは、プラズマをより大きく成長させる傾向があるが、プラズマの中心温度を少しでも感知できるほど増加させる傾向はない。

したがって、より一層高い温度を呈する光源に対する必要性が存在する。

上記の及び他の必要性は、第１の波長が第１のガス種によって実質的に吸収され、第１のガス種が第１のサイズと第１の温度とを有するプラズマの第１の領域に励起する、電磁放射線の第１の波長を体積内のガスに合焦することによりプラズマを持続させる方法によって満たされる。プラズマの第１の領域の中に電磁放射線の第２の波長が合焦され、第２の波長は、第１の波長とは異なり、且つ第２のガス種によって実質的に吸収され、第２のガス種は、第１のサイズよりも小さい第２のサイズと第１の温度よりも高い第２の温度とを有するプラズマの第１の領域内のプラズマの第２の領域に励起する。

この様式では、比較的より低温のプラズマの第１の領域は、その中に配置される比較的より高温のプラズマの第２の領域の形成を可能にする。

種々の実施形態において、第１のガス種は、比較的より低い温度のガス種であり、第２のガス種は、比較的より高い温度のガス種である。幾つかの実施形態において、第１のガス種は、比較的より低い温度で豊富な電離状態にあるガスであり、第２のガス種は、比較的より高い温度で電離状態にあるガスである。幾つかの実施形態において、第１のガス種は、比較的より低い温度で豊富な励起状態にあるガスであり、第２のガス種は、比較的より高い温度で励起状態にあるガスである。幾つかの実施形態において、第１のガス種は、比較的より低い温度でのプラズマ中の自由電子ガスであり、第２のガス種は、比較的より高い温度でのガスである。幾つかの実施形態において、第１のガス種は第１のガスであり、第２のガス種は、第１のガスとは異なり且つ第１のガスと混合される第２のガスである。

幾つかの実施形態において、第１の波長が第１の光源によって提供され、第２の波長が第１の光源から分離された第２の光源によって提供される。幾つかの実施形態において、第１の波長は第１のレーザによって提供され、第２の波長は第１のレーザから分離された第２のレーザによって提供される。幾つかの実施形態において、第１の波長と第２の波長との両方が単一の光源によって提供される。

幾つかの実施形態において、電磁放射線の第３の波長をプラズマの第２の領域に合焦する付加的なステップが存在し、第３の波長は、第１の波長及び第２の波長の両方とは異なり、且つ第３のガス種によって実質的に吸収され、第３のガス種は、第２のサイズよりも小さい第３のサイズと第２の温度よりも高い第３の温度とを有するプラズマの第２の領域内のプラズマの第３の領域に励起する。

幾つかの実施形態において、第１波長及び第２波長の一方又は両方が、連続、変調、及びパルス化のうちの１つの方式に適用される。

幾つかの実施形態において、第１のレーザは、第２のレーザの吸収を容易にするためにプラズマ点火時間の間にだけ適用される。幾つかの実施形態において、プラズマは、第２のレーザのみによって持続される。幾つかの実施形態において、プラズマは、５３２ナノメートルのレーザである第２のレーザによって持続され、ガス体積は、約１気圧〜３００気圧のキセノンである。

幾つかの実施形態において、第１のレーザと第２のレーザは、第３のレーザの吸収を容易にするためにプラズマ点火時間の間にだけ適用される。幾つかの実施形態において、プラズマは、第３のレーザのみによって持続される。

幾つかの実施形態において、第２の波長は、可視スペクトル又は紫外スペクトルのうちの１つのスペクトル内にある。幾つかの実施形態において、第１の波長は、約３６０ナノメートルから約５６０ナノメートルまでの範囲内であり、ガス体積は、約１気圧〜約３００気圧のキセノンである。幾つかの実施形態において、第１の波長は、およそ１ミクロンのレーザで生じる。幾つかの実施形態において、第１の波長は、１０ミクロンの炭酸ガスレーザで生じる。幾つかの実施形態において、第２の波長は、周波数２倍化レーザで生じる。幾つかの実施形態において、第１の波長と第２の波長との両方が、単一の周波数２倍化レーザによって提供される。

本発明の別の態様によれば、プラズマを生成するための装置であって、ガスを封入するための体積と、第１の波長での電磁放射線の第１のビームを生じるための第１の電磁放射線源と、第１のビームを体積内のガスに合焦するための第１の光学系であって、第１の波長が第１のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズと第１の温度とを有するプラズマの第１の領域にエネルギーを伝達する、第１の光学系と、第１の波長とは異なる第２の波長での電磁放射線の第２のビームを生じるための第２の電磁放射線源と、第２のビームをプラズマの第１の領域に合焦するための第２の光学系であって、第２の波長が第２のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズよりも小さい第２のサイズと第１の温度よりも高い第２の温度とを有するプラズマの第１の領域内のプラズマの第２の領域にエネルギーを伝達する、第２の光学系と、を有する装置が説明される。

本発明のさらに別の態様によれば、プラズマを生成するための装置であって、ガスを封入するための体積と、電磁放射線の第１の波長と第１の波長とは異なる電磁放射線の第２の波長とを生成するための電磁放射線源と、第１の波長を体積内のガスに合焦するための光学系であって、第１の波長が第１のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズと第１の温度とを有するプラズマの第１の領域にエネルギーを伝達する光学系と、第２の波長をプラズマの第１の領域にさらに合焦するための光学系であって、第２の波長が第２のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズよりも小さい第２のサイズと第１の温度よりも高い第２の温度とを有するプラズマの第２の領域に励起エネルギーを伝達する光学系と、を有する装置が説明される。

本発明のさらなる利点は、詳細をよりはっきりと示すために縮尺にされていない図面と併せて考察されるときに、詳細な説明を参照することによって明らかとなり、幾つかの図面を通して同様の参照番号は同様の要素を示す。

本発明の実施形態に係る光源の機能ブロック図である。 異なるプラズマ温度についての及び約７気圧の一定圧力におけるアルゴンの計算された吸収スペクトルのグラフを示す図である。 異なるプラズマ温度についての及び約７気圧の一定圧力におけるキセノンの計算された吸収スペクトルのグラフを示す図である。

詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、２つ又はそれ以上のポンピング波長を使用し、各波長は、他の転移点を回避しながら、プラズマを形成するのに用いられる１つ又は複数のガス種のエネルギースペクトルにおける特定の転移点を対象とする。例えば、１つの波長は、比較的より大きい比較的より低温のプラズマの第１の領域をもたらすように選択され、別の波長は、第１の領域内に収容された比較的より小さい比較的より高温のプラズマの第２の領域をもたらすように選択される。

この方法は、中央に向かうにつれてより高温であり且つ外縁に向かうにつれてより低温であるプラズマ領域の入れ子になったシェルのような、プラズマの連続的により低温のより周辺に位置する領域内に入れ子になったプラズマの連続的により高温のより中央に位置する領域を形成できるようにするために、付加的な波長で拡張することができる。種々の実施形態において、その中にプラズマがもたらされる体積は、１つのガス又はガスの混合物で形成される。幾つかの実施形態において、プラズマをポンプするためにレーザが用いられ、一方、他の実施形態において、プラズマをポンプするために他の光源が用いられる。便宜上、「レーザ」という言葉は、しばしば本明細書で用いられるが、これらの及び他の実施形態において他のポンピング光源が考慮されることが理解される。

作動の概要
ここで図１を参照すると、本発明の実施形態に係る光源１００の機能ブロック図が図示されている。第１の光１０２が、第１のミラー１０６で少なくとも部分的に反射されて楕円１０８の中に入る第１のビーム１０４を生じる。第１のビーム１０４は、第１の波長においてピークを有する。幾つかの実施形態において、第１のビーム１０４は、実質的に第１の波長においてのみエネルギーを呈する。楕円１０８は、第１のビーム１０４を楕円１０８の焦点に合焦する。楕円１０８内に収容されるのは、１つ又は複数のガスの体積であり、第１のビーム１０４は、体積内のガスからプラズマの比較的より低温の第１の領域を形成する。

第２の光１１２が、第２のミラー１１６で少なくとも部分的に反射されて楕円１０８の中に入る第２のビーム１１４を生じる。第２のビーム１１４は、第２の波長においてピークを有する。第２の波長は第１の波長とは異なる。幾つかの実施形態において、第２のビーム１１４は、実質的に第２の波長においてのみエネルギーを呈する。楕円１０８は、第２のビーム１１４を楕円１０８の焦点に合焦する。第２のビーム１１４は、体積内のガスからプラズマの比較的より高温の第２の領域を形成する。

本明細書で用いられる場合の「相対的により高温の」及び「相対的により低温の」という用語は、幾つかの外部標準又は絶対基準のことを指すのではなく、プラズマ領域のうちの１つは他を参照してより高温であり、他のプラズマ領域は、１つを参照してより低温であるという点で、互いを内部的に参照してのものであることが認識される。したがって、本明細書で用いられる場合の用語は、そのように指定されたプラズマ領域が異なる装置によって生じたプラズマよりも少しでも高温である又は少しでも低温であることを示すものではない。

プラズマの第１の領域と第２の領域とによって形成された混合光１２２が、ホモジナイザ１２４の中に合焦される。混合光１２２は、第１のプラズマからの相対的により低温の（より薄暗い）光と、第２のプラズマからの相対的により高温の（より明るい）光との２つの異なる色温度の光からなる。

前述のように、プラズマの第２の領域が、形成され、発生させられ、典型的にはすべてプラズマの第１の領域の境界内に位置付けられる。体積の中に向けられるのが第２のビーム１１４のみである場合、プラズマの第２の領域は、形成することができないか又は比較的より高温の温度に達することができないかのいずれかである。これは、幾つかの条件が存在するかもしれないという可能性のためにそうなる。例えば、第２のビーム１１４の出力は、プラズマを点火し且つ持続させるのには低過ぎる場合がある（言い換えれば、所与の波長でのプラズマをそのままで持続させるのに十分なだけ強力な、第２のビーム１１４のための第２の光源１１２が存在しない場合がある）。さらに、第２のビーム１１４の波長は、比較的より低温のガス体積の中にプラズマを点火し又は持続させるのに十分なだけ吸収されないことがある。

しかしながら、プラズマの第１の領域が形成された状態では、第２のビーム１１４の波長及び出力は、第１の領域の比較的より低温のガス種を通して比較的伝達可能でありながら、第１の領域内のプラズマの第２の領域を持続させるのに十分なだけ低い出力に、及び、第１及び第２領域の内部の高温のガス種によって優先的に吸収される波長に選択することができる。この様式では、第２のビーム１１４の波長は、それ自身でプラズマを持続させるのに十分なだけ強力な光源１１２を有するかどうかに関係なく、より高温のプラズマの第２の領域を形成するように選択することができ、光源１１２が存在しなくてもよい場合さえある。したがって、プラズマの第２の領域は、存在するために該プラズマの第２の領域が閉じ込められるプラズマの第１の領域の形成に依存する。

種々の実施形態において、光源１０２及び１１２はレーザを使用し、一方、他の実施形態において、レーザ以外の光源が用いられる。幾つかの実施形態において、単一の光源が用いられるが、該光源は、１つよりも多いピーク波長を呈し、各波長は、前述のような様式でプラズマの異なる領域を生じる。幾つかの実施形態において、強力な可視レーザ又は紫外レーザが、光源として用いられる。例えば、緑色、青色、又は紫外１レーザ（直接ダイオードレーザ又は周波数変換レーザ）、例えば、数百ワットを超過する出力レベルでの周波数２倍化Ｎｄ：ＹＡＧ又はＮｄ：ＹＬＦレーザを、両方の波長を提供するために用いることができる。

幾つかの実施形態において、体積の中にプラズマの２つよりも多い領域を形成するために２つよりも多い光源が用いられる、又は、プラズマの２つよりも多い領域を形成するために２つよりも多いピーク波長を有する光源が用いられる。

幾つかの実施形態において、第１のレーザは、第２のレーザの吸収を容易にするためにプラズマ点火時間の間にだけ適用される。幾つかの実施形態において、プラズマは、第２のレーザのみによって持続される。幾つかの実施形態において、プラズマは、約３６０ナノメートルから約５６０ナノメートルまでの範囲内である第２のレーザによって持続され、ガス体積は、約１気圧〜約３００気圧のキセノンである。

幾つかの実施形態において、第１のレーザと第２のレーザは、第３のレーザの吸収を容易にするためにプラズマ点火時間の間にだけ適用される。幾つかの実施形態において、プラズマは、第３のレーザのみによって持続される。

作動の理論
この項は、プラズマの反応力学に関する理論に基づいて推定される。しかしながら、本発明の実施形態は、こうした理論によって制限されるものではなく、本発明は、こうした理論が不正確なもの又は不完全なものである場合に多少なりとも割り引かれるものではないことが認識される。

所与の光ビームによって形成されるプラズマの特徴は、光ビームの所与の波長における光ビームのエネルギーのガスによる吸収によって大部分が判定される。吸収機構は、（ａ）自由電子（制動放射）吸収、（ｂ）束縛電子対自由電子吸収、（ｃ）束縛電子レベル遷移、及び（ｄ）種々雑多な他の機構を含む。

レーザによって持続されるプラズマの圧力及び温度の考慮される範囲において、束縛電子レベル遷移は、ほとんどの紫外波長、可視波長、及び近赤外波長に対して中心的な役割を果たすように見える。図２及び図３は、一定圧力（約７気圧）における異なるプラズマ温度についてのアルゴンの（図２）及びキセノンの（図３）吸収スペクトルの計算されたグラフを示す。プロットされた温度は、１０，０００ケルビン（２００で示される）、１５，０００ケルビン（２０１で示される）、２０，０００ケルビン（２０２で示される）、及び２５，０００ケルビン（２０３で示される）である。

制動放射吸収は、約３，０００ナノメートルよりも長い波長に対して中心的であるように見える。典型的には、束縛電子レベル遷移は、構造化されたスペクトルを有する。線は、異なる機構（衝突、ドップラーなど）によってブロードにされる。制動放射吸収は、スペクトル特徴のないなだらかなスペクトルを有する。自由遷移への境界は、電離の始まりに対応しているエネルギーで鋭く上昇する、構造化されたスペクトルを有する。グラフの境界領域は、第１のレーザ（２１０〜２１５で示される）及び第２のレーザ（２２０〜２２２で示される）の波長の可能な選択肢の例を表す。第１のレーザは、比較的より低温の（１０，０００ケルビン〜１５，０００ケルビン）プラズマ領域の中に直ちに吸収される。比較的より低温のプラズマ領域は、比較的より高温の（２０，０００ケルビン〜２５，０００ケルビン）プラズマ領域によって優先的に吸収される第２のレーザに対して実質的に透明である。

波長を調整することによって、もしあるならば、ガス又はプラズマ中のどんな種が光ビームのエネルギーを吸収するかを選択することができる。各波長に対して、ガス又はプラズマは、吸収性のものとなるために或る温度を要求する。この温度は、一般に、最も低い遷移レベルでの束縛電子レベル遷移によって定められる。温度がより低いレベルで分布するのに十分なだけ高ければ、ガスは、この遷移において吸収を開始する。

作動時には、対象ガス体積の内部に第１のポンプビームが合焦される。プラズマは、第１のビームの出力密度がプラズマの温度損失を補うのに十分なだけ高いときに持続される。第１のビームの強度を増加させることにより、より大きいプラズマが生成されるが、必ずしもより高温のプラズマではない。このようにしてもたらされるプラズマは、より高温のプラズマの第２の領域をもたらす第２のポンプビーム波長に対して比較的透明である。したがって、ほとんど少しの損失もなしに、持続されたプラズマの第１の領域の内部に合焦される、第２のビーム波長を選択することが可能である。したがって、プラズマの第１の領域の内部に、プラズマの第２のより小さい且つより高温の領域を形成することができる。

より高温のプラズマをより低温のガスの中で持続させることとは対照的に、プラズマのより高温の領域がプラズマのより低温の領域の内部に位置付けられるときのプラズマのより高温の領域の減少されたエネルギー損失を説明する傾向がある、幾つかの機構が存在する。例えば、一例において、プラズマのより高温の領域の周辺は、約１電子ボルトの温度を有する場合があり、一方、最高ガス温度は、体積の壁との接触のために約１／１０電子ボルトを超えることができない。したがって、プラズマの周囲のより低温の領域は、プラズマのより高温の領域を体積境界から断熱することによって、プラズマのより高温の領域の熱伝導率の損失を減少させる。別の例として、楕円の中のプラズマのより高温の領域は、プラズマのより低温の領域によって放射された光の実質的な部分を吸収する場合がある。これは、第１のビームによるプラズマのより高温の領域の幾らかの間接的なポンピングを可能にする。これらの機構のすべては、プラズマのより高温の且つより小さい領域をもたらすために、あまり強力でない、より実際的な光ビームを使用できるようにする傾向がある。

第２のレーザが第１のレーザからの補助なしにプラズマの第２の領域を持続させるのに十分なだけの出力を有する場合、第２のレーザを単独で用いることができる。図２及び図３によれば、比較的高温のプラズマを持続させるために、強力な可視レーザ又は紫外レーザが有益である。特に関心が持たれるのは、数百ワットを超過する出力レベルでの市販の周波数２倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザのような、緑色、青色、又は紫外１（直接ダイオード又は周波数変換された）レーザである。

代替的な実施形態
一実施形態において、プラズマの第２の領域は、パルスレーザで持続される。第２のレーザのパルスが比較的短く、プラズマの第２の領域が感知できるほど成長する時間がないので、このプラズマの第２の領域は小さいままである。この実施形態では、各パルスサイクルの開始時にプラズマの第２の領域を発生させるためにプラズマの第１の領域が必要である。

プラズマをポンピングするために、同じ又は異なる波長で作動する２つ又はそれ以上の光源を用いることができる。１つの光源の使用は、主としてプラズマの最も外側の領域を持続させるためであり、一方、他の光源は、プラズマのより高温の入れ子になった領域を生成させるために用いられる。

プラズマの両方の領域をポンプするために工業用ダイオードレーザのような１つの広帯域光源を用いることができる。この場合は、波長域は、吸収線よりも広いものであるべきである。

プラズマの両方の領域をポンプするために単一の導波管又はファイバと結合された多数の波長を用いることができる。具体的には、第１のより高調波の周波数変換されたレーザをポンプとして用いることができる。

比較的より高温のプラズマ領域を持続させるために可視又は紫外スペクトル範囲で作動する１つの光源を用いることができる。選択肢は、この波長領域で作動するか又はこの波長領域に周波数変換されるかのいずれかである、ダイオード、ファイバ、薄型ディスク、イオン、若しくは他の固体レーザ又は自由空間レーザを含む。

１つの波長によってもたらされたプラズマは、プラズマのより高温の領域をポンプすることができる波長に対して透明であってもよい。したがって、ほとんど損失なしに持続されたプラズマの内部に合焦されるように第２の波長を選択することが可能である。プラズマの第２のより小さい且つより高温の領域は、第１の領域の内部で持続される。プラズマのより低温の領域の内部で持続されるプラズマのより高温の領域のエネルギー損失が減少し、したがって、光源によって比較的より小さい出力でポンプされるときであっても、プラズマ温度をより高くすることができる。

プラズマにおける同じイオン状態での異なる遷移又は異なるイオン状態での遷移のような、同じ種をポンプするために異なる波長を用いることができる。

約１気圧〜約３００気圧のキセノン中の超高温プラズマを持続させるために、５３２ナノメートルでの出力を提供する連続周波数２倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（例えば、Ｔｒｕｍｐｆ，Ｉｎｃ．のキャビティ内２倍化薄型ディスクレーザを用いることができる。約１気圧〜３００気圧のキセノン中の超高温プラズマを持続させるために、約５００ナノメートルから約５６０ナノメートルまでの波長範囲内の出力を提供する連続周波数２倍化ファイバレーザ（例えば、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．）を用いることができる。

ガス混合物、例えばキセノンと水銀をポンピングすることなどによって異なる種をポンプするために異なる波長を用いることができる。プラズマの外側領域は、キセノン遷移をポンピングすることによって持続され、プラズマのより高温の領域は、水銀又は水銀イオンをポンピングすることによってもたらされる。制動放射吸収を通じてプラズマを持続させるために、炭酸ガスレーザのようなより長波長の光源を用いることができ、一方、原子種又はイオン種における線遷移をポンプするために、より短波長の光源を用いることができる。

プラズマのより高温の内部領域を生成するためにパルス光源が用いられるとき、プラズマの外部領域を持続させるために連続出力光源を用いることができる。二次パルス波長は、イオン又はより高温の原子のいずれかをポンプする。二次光源の高い出力は、パルス化されたファイバレーザ、ダイオードレーザ、又は他の（Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｔｉ：サファイアなど）レーザの使用により提供することができる。より高い出力に加えて、パルス光源は、プラズマの拡散時間がポンピングパルス持続時間よりも長いときに、より小さいプラズマを生成することができる。より低温の連続出力プラズマの存在は、平均熱平衡を維持すること、及び、各パルスの開始時に二次波長ポンピングを始めるのに十分なだけ高温の原子及びイオンを有することを可能にする。

実施例
提案されたシステムは、ＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ又はＴｒｕｍｐｆによって製造されたもののようなキャビティ内周波数２倍化連続出力レーザを実装することができる。プラズマのより低い温度の領域を持続させるためにこれらのレーザの１ミクロンの基本波長が用いられ、第１の領域の内部のより高温のプラズマ領域をポンプするために１／２ミクロンの第２の高調波が用いられる。

別の例は、第２の光源での別個のアルゴンイオンポンピングによるアルゴンプラズマである。アルゴン体積は、近赤外線レーザで効果的にポンプすることができる。アルゴン体積の中のプラズマは、９７８ナノメートルでの８００ワットのＬａｓｅｒＬｉｎｅダイオードレーザで持続される。生成されるプラズマの第１の領域は、近赤外光及び可視光に対してほとんど透明である。これは、５１４ナノメートルのアルゴンイオンレーザ（１０ワットに至るまでの連続出力を利用可能）でアルゴンイオンのみをポンピングすることによって、比較的より小さいより高温のプラズマの第２の領域を生成することを可能にする。アルゴンレーザは、比較的より高温のプラズマの第２の領域をもたらす非常に小さいスポット（１ミクロン未満のような）内に合焦することができる。

アルゴンレーザの第２の光源の代替は、二波長近赤外線レーザである。この例において、アルゴンプラズマは、９７５ナノメートル又は９７８ナノメートルのレーザでポンプされる。これは、約８００ワットを超えないレーザを用いて、低い温度の第１のプラズマを生成する。しかしながら、８００ワットは、他の波長におけるアルゴンプラズマを持続させるのに十分ではないことが見出された。第１のプラズマが持続されると、付加的なレーザで付加的なレベルをポンプすることができる。ダイオードレーザに対しては、選択肢は、１０６８ナノメートルのファイバレーザ、又は、９５７ナノメートル若しくは９７５ナノメートルで作動するレーザを含む。一実施形態は、高出力の（１キロワットよりも高い）ＬａｓｅｒＬｉｎｅ Ｉｎｃ．レーザのような二波長レーザを用いる。この場合、両方のポンピング波長は、同じレーザ及び光学系を用いる。

波長の選択
一実施形態において、第２のビームが第１のプラズマの中央部によって効率よく吸収され、一方、第１のプラズマの外側部が第２の波長に対して比較的透明であるように、第２の波長をガス体積の中のレベル遷移と合致させるための設計目標が存在する。これは、同時により低温の種の強い吸収特徴を回避しながら、波長を（多数の）イオン吸収線又はガス（単数又は複数）の高励起中性種の吸収線に同調させることによって行うことができる。

同様に、（多数の）イオン種又は高励起中性種の吸収線幅に合致するか又はより狭い波長帯域幅を選択することができる。こうした選択肢の一例は、水銀ガスの９６４ナノメートルの第２の光である。水銀の第１のイオンは、励起遷移に対する９６４ナノメートルの光を吸収し、一方、水銀原子における９６４ナノメートルの光の吸収はない。

プラズマは、波長が高励起アルゴン原子の９７８ナノメートル遷移と同調されるまで、８００ワットの赤外線レーザでの１０気圧のアルゴンバルブにおいて持続可能ではなかった。プラズマのより低温の部分は、プラズマの外側領域の中にこの光を吸収するのに十分なだけの励起した状態の分布を有さなかった。

プラズマ作動（収集可能な紫外出力及び温度）は、キセノンのレーザ波長に強く依存することが示され、好ましい作動方式は、９８２ナノメートルにおける吸収線を回避するときに可能であった。この線は、キセノンガスのより低い励起状態から始まって、プラズマの外側領域の中に吸収しており、結果としてより低い性能（より大きい、あまり効率よくポンプされない）をもたらす。

図２及び図３に示すように、遷移波長を遷移が始まるエネルギーレベルの関数として表すことによって、どの周波数を用いるかについての詳細な情報を得た上での決断を下すことができる。

この発明の実施形態の上記の説明は、例証し且つ説明する目的で与えられている。網羅的なものとなること又は本発明を開示された正確な形態に限定することは意図されない。上記の教示に照らして明らかな修正又は変形が可能である。実施形態は、本発明の原理の例証とその実際の適用を提供し、これにより当該技術分野の当業者が、発明を、種々の実施形態において及び考慮される特定の使用に適するものとしての種々の修正を伴って使用できるようにすることを目指して、選択され且つ説明される。すべてのこうした修正及び変形は、それらが公正に、法的に、且つ公平に権利を与えられる広さに従って解釈されるとき、付属の請求項によって定められる場合の本発明の範囲内にある。

Claims (19)

1. プラズマを持続させる方法であって、
   電磁放射線の第１の波長を体積内のガスに合焦するステップであって、前記第１の波長が第１のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズと第１の温度とを有するプラズマの第１の領域にエネルギーを伝達するステップと、
   電磁放射線の第２の波長をプラズマの第１の領域に合焦するステップであって、前記第２の波長が前記第１の波長とは異なり且つ第２のガス種によって実質的に吸収され且つ前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズと前記第１の温度よりも高い第２の温度とを有する前記プラズマの第１の領域内のプラズマの第２の領域にエネルギーを伝達するステップと、
   を含む方法。
2. 前記第１のガス種が、相対的により低い温度のガス種を含み、前記第２のガス種が、相対的により高い温度のガス種を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のガス種が第１のガスを含み、前記第２のガス種が、前記第１のガスとは異なり且つ前記第１のガスと混合される第２のガスを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の波長が第１の光源によって提供され、前記第２の波長が前記第１の光源から分離された第２の光源によって提供される、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の波長が第１のレーザによって提供され、前記第２の波長が前記第１のレーザから分離された第２のレーザによって提供される、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の波長と前記第２の波長との両方が単一の光源によって提供される、請求項１に記載の方法。
7. 前記電磁放射線の第３の波長をプラズマの第２の領域に合焦するステップをさらに含み、前記第３の波長が、前記第１の波長及び前記第２の波長の両方とは異なり、且つ第３のガス種によって実質的に吸収され、且つ前記第２のサイズよりも小さい第３のサイズと前記第２の温度よりも高い第３の温度とを有する前記プラズマの第２の領域内のプラズマの第３の領域にエネルギーを伝達する、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１の波長が、連続、変調、及びパルス化のうちの１つの方式に適用され、前記第２の波長が、連続、変調、及びパルス化のうちの１つの方式に適用される、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の波長が、可視スペクトル及び紫外スペクトルのうちの１つのスペクトル内にある、請求項１に記載の方法。
10. 前記第１の波長が、１ミクロンレーザと１０ミクロンレーザとのうちの少なくとも１つで生じる、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の波長が約５３２ナノメートルであり、前記ガス体積が約１気圧から約３００気圧までの圧力のキセノンを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記第１の波長が、レーザの基本出力によって生じ、前記第２の波長が、レーザからの前記第１の波長の周波数２倍化部分によって生じる、請求項１に記載の方法。
13. 前記第２の波長が、可視スペクトル及び紫外スペクトルのうちの１つから選択され、前記第２の波長が、前記第１の温度よりも低くない温度でのみ前記第２の種によって実質的に吸収され、前記第１の波長を前記体積の中に合焦する前記ステップが、前記第１の温度が得られると休止される、請求項１に記載の方法。
14. 前記第２の波長が、可視スペクトル及び紫外スペクトルのうちの１つから選択され且つ連続的に適用され、前記第１の波長が、前記高温プラズマの最初の点火のためにのみ適用される、請求項１に記載の方法。
15. 前記高温プラズマを持続させるために前記第２の波長のみが連続的に適用され、前記第２の波長が、可視スペクトル及び紫外スペクトルのうちの１つから選択される、請求項１に記載の方法。
16. プラズマを生成するための装置であって、
    ガスを封入するための体積と、
    第１の波長での電磁放射線の第１のビームを生じるための第１の電磁放射線源と、
    前記第１のビームを前記体積内のガスに合焦するための第１の光学系であって、前記第１の波長が第１のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズと第１の温度とを有するプラズマの第１の領域にエネルギーを伝達する、第１の光学系と、
    前記第１の波長とは異なる第２の波長での電磁放射線の第２のビームを生じるための第２の電磁放射線源と、
    前記第２のビームを前記プラズマの第１の領域に合焦するための第２の光学系であって、前記第２の波長が第２のガス種によって実質的に吸収され且つ前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズと前記第１の温度よりも高い第２の温度とを有する前記プラズマの第１の領域内のプラズマの第２の領域にエネルギーを伝達する、第２の光学系と、
    を備える装置。
17. 前記第１のガス種が、相対的により低い温度のガス種を含み、前記第２のガス種が、相対的により高い温度のガス種を含む、請求項１６に記載の装置。
18. 前記第１のガス種が第１のガスを含み、前記第２のガス種が、前記第１のガスとは異なり且つ前記第１のガスと混合される第２のガスを含む、請求項１６に記載の装置。
19. プラズマを生成するための装置であって、
    ガスを封入するための体積と、
    電磁放射線の第１の波長と前記電磁放射線の第１の波長とは異なる第２の波長とを生成するための電磁放射線源と、
    前記第１の波長を前記体積内の前記ガスに合焦するための光学系であって、前記第１の波長が第１のガス種によって実質的に吸収され且つ第１のサイズと第１の温度とを有するプラズマの第１の領域にエネルギーを伝達する光学系と、
    第２の波長を前記プラズマの第１の領域にさらに合焦するための光学系であって、前記第２の波長が第２のガス種によって実質的に吸収され且つ前記第１のサイズよりも小さい第２のサイズと前記第１の温度よりも高い第２の温度とを有する前記プラズマの第１の領域内のプラズマの第２の領域にエネルギーを伝達する光学系と、
    を備える装置。
    

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