JP6037594B2 - Ｅｕｖ光源のための駆動レーザ - Google Patents

Description

本出願は、２００６年６月１４日出願の米国特許出願出願番号第１１／４５２、５５８号に対する優先権を請求するものである。本出願は、２００６年２月２１日出願の「プレパルスによるレーザ生成プラズマＥＵＶ光源」という名称の現在特許出願中の米国特許出願出願番号第１１／３５８、９８８号、２００５年８月９日にＷｅｂｂ他に付与された「長期遅延及び高ＴＩＳパルス伸長器」という名称の米国特許第６、９２８、０９３号、２００６年３月３１日出願の「共焦点パルス伸長器」という名称の米国特許出願第１１／３９４、５１２号（代理人整理番号第２００４−０１４４−０１号）、２００５年５月２６日出願の「線ビームとして整形されたレーザと基板上に堆積された膜の間の相互作用を実施するシステム及び方法」という名称の米国特許出願第１１／１３８、００１号（代理人整理番号第２００４−０１２８−０１号）、及び２００２年５月７日出願の「ビーム送出を備えたレーザリソグラフィ光源」という名称の米国特許出願第１０／１４１、２１６号で現在の米国特許第６、６９３、９３９号に関するものであり、これらの各々の開示内容は、本明細書において引用により組み込まれている。

本発明は、極紫外線（ＥＵＶ）光、例えば、約５０ｎｍ及びそれ未満の波長の光を発生させるために、ターゲット材料の照射を含むがこれに限定されない用途に使用することができるレーザ光を発生させるためのシステム及び方法に関する。

極紫外線（ＥＵＶ）光、例えば、約５０ｎｍ又はそれ未満の波長（軟Ｘ線ということもある）を有し、１３．５ｎｍ又は約１３．５ｎｍの波長の光を含む電磁放射線は、基板、例えば、シリコンウェーハ内に極めて小さな特徴部を生成するためにフォトリソグラフィ処理に使用することができる。

ＥＵＶ光を生成する方法は、以下に限定されるものではないが、輝線がＥＵＶ範囲にある元素、例えば、キセノン、リチウム、又はスズを有する材料をプラズマ状態に変換することを含む。多くの場合にレーザ生成プラズマ（ＬＰＰ）と呼ばれる１つのこのような方法では、所要のプラズマは、所要の線放出元素を有する材料の小滴、流れ、又はクラスターのようなターゲット材料をレーザビームで照射することにより生成することができる。

ＬＰＰ及び他の高電力レーザ用途では、特定のレーザ出力要件を満たすレーザ源が必要であることが多い。これらの要件としては、電力（又は、パルスレーザの場合、パルスエネルギ及び繰返し数）、パルス幅、ビーム品質、及び波長を含むことができる。一般的に、初期レーザコスト、レーザ運転コスト、信頼性及び変換効率（例えば、ＥＵＶ電力出力と電気入力の比）を最適化することも望ましい。例えば、以下に限定されるものではないが、特定のＬＰＰ構成、例えば、スズターゲットを使用するは、波長１０．６μｍ、パルス幅２０〜１５０ｎｓ、及びパルスエネルギ約１００ｍＪの光を使用して効率的に作動させることができる。

米国特許出願出願番号第１１／４５２、５５８号 米国特許出願出願番号第１１／３５８、９８８号 米国特許第６、９２８、０９３号 米国特許出願第１１／３９４、５１２号 米国特許出願第１１／１３８、００１号 米国特許出願第１０／１４１、２１６号 米国特許第６、６９３、９３９号

Ｌ．Ｍ．Ｆｒａｎｔｚ、Ｊ．Ｓ．Ｎｏｄｖｉｋ、「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」、３４、２３４６（１９６３年）

以上を踏まえて、本出願人は、上述の特性を有するレーザ光を効率的に生成するためのシステム及び方法を、他の指定のレーザ出力特性を生成するレーザ源の設計に拡張可能である本明細書に与える教示と共に開示する。

実施形態の第１の態様では、レーザ光源は、出力ビームを生成するレーザ発振器と、出力ビームを増幅して第１の増幅ビームを生成する第１の増幅器と、第１の増幅ビームを増幅して第２の増幅ビームを生成する第２の増幅器とを含むことができる。この態様では、第１の増幅器は、飽和エネルギ（Ｅ_S、1）及び小信号利得（ｇ_o、1）により特徴付けられる利得媒体を有することができ、第２の増幅器は、（ｇ_o、₁）＞（ｇ_o、₂）及び（Ｅ_s、₂）＞（Ｅ_s、₁）である飽和エネルギ（Ｅ_s、₂）及び小信号利得（ｇ_o、₂）により特徴付けられる利得媒体を有することができる。レーザ光源は、第２の増幅ビームを増幅して第３の増幅ビームを生成する第３の増幅器を更に含むことができ、第３の増幅器は、ｇ（_o、₁）＞（ｇ_o、₂）＞（ｇ_o、₃）及び（Ｅ_s、₃）＞（Ｅ_s、₂）＞（Ｅ_s、₁）である飽和エネルギ（Ｅ_s、₃）及び小信号利得（ｇ_o、₃）により特徴付けられる利得媒体を有する。

一実施形態では、第１の増幅器利得媒体は、第１のガス組成を有するガスを含むことができ、特定的な実施形態では、第２の増幅器利得媒体は、第１のガス組成と異なるガス組成を有するガスを含むことができる。一実施形態では、第１の増幅器利得媒体は、ガス圧Ｐ₁のガスとすることができ、第２の増幅器利得媒体は、ガス圧Ｐ₂のガスとすることができ、Ｐ₁≠Ｐ₂である。上述の実施形態のいずれに対しても、ガスは、ＣＯ₂を含むことができる。

レーザ光源の別の態様では、レーザ発振器は、例えば、モード固定レーザ発振器、ｑ−スイッチレーザ発振器、又は他の空洞減衰レーザ発振器とすることができる。特定的な実施形態では、レーザ光源は、時間的パルス伸長器を更に含むことができる。１つの設定においては、時間的パルス伸長器は、発振器からレーザパルスを受け取って、そこから増幅器による増幅のために伸張パルスを生成するように位置決めされる。

実施形態の別の態様では、ＥＵＶ光源は、ＥＵＶ線放出元素を含有する小滴を生成する小滴発生器と、小滴を照射してＥＵＶ放射を生成するためのレーザ光源とを含むことができる。ＥＵＶ光源に関しては、レーザ光源は、レーザパルスを生成するレーザ発振器と、レーザパルスを伸長する時間的パルス伸長器と、レーザパルスを増幅する増幅器とを含むことができる。特定的な実施形態では、増幅器は、パルスを増幅して第１の増幅ビームを生成する第１の増幅器とすることができ、第１の増幅器は、飽和エネルギ（Ｅ_s、₁）及び小信号利得（ｇ_o、₁）により特徴付けられる利得媒体を有し、ＥＵＶ光源は、第１の増幅ビームを増幅して第２の増幅ビームを生成する第２の増幅器を更に含むことができ、第２の増幅器は、（ｇ_o、₁）＞（ｇ_o、₂）及び（Ｅ_s、₂）＞（Ｅ_s、₁）である飽和エネルギ（Ｅ_s、₂）及び小信号利得（ｇ_o、2）により特徴付けられる利得媒体を有する。例えば、ＥＵＶ線放出元素は、スズとすることができる。特定的な実施例では、レーザ発振器は、１０〜３０ｎｓの範囲のパルス幅を有するレーザパルスを生成することができ、時間的パルス伸長器は、５０〜１５０ｎｓの範囲のパルス幅を有するレーザパルスを生成することができる。

実施形態の態様はまた、シードレーザビームを生成する段及び／又は段階と、飽和エネルギ（Ｅ_s、₁）及び小信号利得（ｇ_o、₁）により特徴付けられる第１の利得媒体を使用してシードビームを増幅し、第１の増幅ビームを生成する段及び／又は段階と、（ｇ_o、₁）＞（ｇ_o、₂）及び（Ｅ_s、₂）＞（Ｅ_s、₁）である飽和エネルギ（Ｅ_s、₂）及び小信号利得（ｇ_o、₂）により特徴付けられる利得媒体を有する第２の利得媒体を使用して第１の増幅ビームを増幅し、第２の増幅ビームを生成する段及び／又は段階とを含むレーザ光を発生させる方法を含むことができる。

本発明の実施形態の更に別の態様は、ＥＵＶ線放出元素、例えば、スズを含有する材料と、少なくとも１つのレーザパルスの供給源、例えば、ＣＯ₂レーザと、少なくとも３つのピークを有するようにパルスの形状を修正するパルス伸長器とを有するＥＵＶ光源を含み、伸長器が、ピークの相対マグニチュードを定めるビームスプリッタ及びピークの時間的分離を確立する遅延経路を有し、修正パルス形状が、材料を照射し、パルス伸長器がない場合に発生するＥＵＶ強度よりも大きいＥＵＶ強度を生成するように選択されるとして特徴付けることができる。一実施形態では、修正ビームの第１のピークは、修正ビームの別のピークよりも低い強度を有し、特定的な実施形態では、第１のピークの１つ又はそれよりも多くのパラメータは、プレパルスで材料を照射し、第２のピークによるその後の照射に向けて線放出元素を空間的に拡張させるように選択される。一構成においては、パルス伸長器は、非変位式パルス伸長器とすることができ、特定の構成においては、パルス伸長器は、伸長器を出る異なる経路上に各パルスピークを置くことができ、材料は、小滴の形態とすることができる。

本発明の態様によるレーザ生成プラズマＥＵＶ光源の全体的な広義の概念の概略図である。 発振器ユニット及び増幅ユニットを含むレーザ源の一実施形態を示す図である。 発振器ユニット、時間的パルス伸長器、及び増幅ユニットを含むレーザ源の別の実施形態を示す図である。 パルス伸長器を使用して取得することができる第１のパルス形状を示す図である。 パルス伸長器を使用して取得することができる別のパルス形状を示す図である。 パルス伸長器を使用して取得することができる更に別のパルス形状を示す図である。 伸長器を出る各連続パルスピークが僅かに異なる経路に沿って誘導されるような光学アラインメントを有するパルス伸長器を示す図である。 図２又は図３の実施形態のいずれかにおける使用に適する直列に配置された２つの増幅器を有する増幅ユニットの例を示す図である。 比較的高い小信号利得及び比較的低い飽和エネルギを有する８メートル利得媒体に対する計算Ｅ_out対Ｅ_in曲線と、比較的低い小信号利得及び比較的高い飽和エネルギを有する８メートルの利得媒体に対する計算Ｅ_out対Ｅ_in曲線と、第１の増幅器が比較的高い小信号利得及び比較的低い飽和エネルギを有し、第２の増幅器が比較的低い小信号利得及び比較的高い飽和エネルギの利得媒体を有する、総利得媒体長Ｌ₁＋Ｌ₂＝８ｍの一連の２つの増幅器に対する計算Ｅ_out対Ｅ_in曲線とを示す図である。 図２又は図３の実施形態のいずれかにおける使用に適する直列に配置された３つの増幅器を有する増幅ユニットの例を示す図である。

最初に図１を参照すると、本発明の一態様による例示的なＥＵＶ光源、例えば、レーザ生成プラズマＥＵＶ光源２０の概略図が示されている。図１に示し、かつ以下でより詳細に説明するように、ＬＰＰ光源２０は、光パルスを生成して、チャンバ２６内に光パルスを送出する供給源２２を含むことができる。以下で詳細するように、光パルスは、供給源２２からから１つ又はそれよりも多くのビーム経路に沿って、かつチャンバ２６内に進んで１つ又はそれよりも多くのターゲット容積を照明することができる。

図１に更に示すように、光源２０は、例えば、ターゲット容積２８までチャンバ２６の内部に原材料の小滴を送出する原材料送出システム２４を含むことができ、チャンバ２６で、原材料ターゲットは、プラズマを生成してＥＵＶ放射を生成するために１つ又はそれよりも多くの光パルス、例えば、プレパルス、次に、主要パルスにより照射されることになる。原材料としては、スズ、リチウム、キセノン、又はその組合せを含む材料を含むことができるが、これに限定されるものではない。ＥＵＶ放射元素、例えば、スズ、リチウム、キセノンなどは、液体小滴、及び／又は液体小滴内に含有された固体粒子、又はＥＵＶ放射元素をターゲット容積に供給するあらゆる他の形態とすることができる。

引き続き図１を用いて、光源２０は、供給源２２により生成された光パルスがターゲット容積２８を通過し、かつターゲット容積２８に到達することを可能にする開口を有する、例えば、長軸に対して直角に切断された楕円の形態の収集器３０、例えば、反射体、例えば、モリブデン及びシリコンの交互層を有する多層ミラーを含むことができる。収集器３０は、例えば、ターゲット容積２８内又はその近くに第１の焦点、及びＥＵＶ光を光源２０から出力して、例えば、集積回路リソグラフィツール（図示せず）に入力することができるいわゆる中間点４０（中間焦点４０とも呼ばれる）に第２の焦点を有する楕円ミラーとすることができる。

光源２０は、ＥＵＶ光源制御システム６０を含むことができ、ＥＵＶ光源制御システム６０は、供給源２２内の１つ又はそれよりも多くのランプ及び／又はレーザ源を起動させることによりチャンバ２６に送出のための光パルスを生成する発射制御システム６５を含むことができる。光源２０はまた、小滴位置検知システムを含むことができ、小滴位置検知システムは、例えば、ターゲット容積２８に対して１つ又はそれよりも多くの小滴の位置を示す出力を供給する１つ又はそれよりも多くの小滴撮像装置７０を含み、かつこの出力を小滴位置検出フィードバックシステム６２に供給することができ、これは、例えば、小滴単位で又は平均して、小滴誤差を計算することができる例えば小滴位置及び軌道を計算することができる。小滴誤差は、次に、光源コントローラ６０への入力として供給することができ、光源コントローラ６０は、例えば、位置、方向、及びタイミング補正信号を供給源２２に供給して供給源タイミング回路を制御し、及び／又は例えばチャンバ２６に送出されている光パルスの位置及び／又は焦点屈折力を変えるようにビーム位置及び整形システムを制御することができる。

図１に示すように、光源２０は、例えば、望ましいターゲット容積２８に到着する小滴内の誤差を補正するように小滴送出機構９２からの原材料の放出点を修正するために、システムコントローラ６０からの信号（一部の実施例では、上述の小滴誤差又はそこから導出した何らかの量を含むことができる）に応答して作動可能な小滴送出制御システム９０を含むことができる。

図２は、発振器ユニット２００及び増幅ユニット２０２を含む供給源２２の一実施形態を示している。例えば、発振器ユニット２００は、パルスガス放電ＣＯ₂、エキシマ又は分子フッ素レーザ発振器を含むことができ、増幅ユニット２０２は、発振器又は単一／二重通過増幅器として構成された１つ又はそれよりも多くのガス放電ＣＯ₂、エキシマ又は分子フッ素レーザユニットを含むことができる。増幅ユニット２０２内のレーザユニットは、並列又は直列に配置することができる。

図３は、発振器ユニット２００’、時間的パルス伸長器３００、及び増幅ユニット２０２’を含む供給源２２’の別の実施形態を示している。時間的パルス伸長器に関するより多くの詳細は、２００５年８月９日にＷｅｂｂ他に付与された「長期遅延及び高ＴＩＳパルス伸長器」という名称の米国特許第６、９２８、０９３号、２００６年３月３１日出願の「共焦点パルス伸長器」という名称の米国特許出願第１１／３９４、５１２号（代理人整理番号第２００４−０１４４−０１号）、２００５年５月２６日出願の「線ビームとして整形されたレーザと基板上に堆積された膜の間での相互作用を実施するシステム及び方法」という名称の米国特許出願第１１／１３８、００１号（代理人整理番号第２００４−０１２８−０１号）、及び２００２年５月７日出願の「ビーム送出を備えたレーザリソグラフィ光源」という名称の米国特許出願第１０／１４１、２１６号で現在の米国特許第６、６９３、９３９号に見ることができ、これらの各々の開示内容は、本明細書において引用により組み込まれている。一般的に、これらの光学パルス伸長器は、遅延経路３０４に沿って一部のビームを通過させるビームスプリッタ３０２を含み、適切なビームスプリッタ反射率及び遅延ビーム路長を選択することにより、伸長器を出るパルス形状を制御することができる。具体的には、パルス伸長器３００は、単一ピーク（すなわち、強度と時間のプロットにおいて）を通常有する入力パルスを受光し、複数の時間的に離間したピークを有するパルスを出力する。図示のように、伸長器３００は、実質的に無損失性とすることができる。パルスピークが共通のビーム経路で全て出力される場合に対しては、パルス伸長器は、本明細書では非変位パルス伸長器と呼ぶ。図３に示す配置に対しては、伸長器３００の構成要素は、パルス伸長器が非変位であるように整列させることができる。

伸長器に関しては、ビームスプリッタの反射率は、出力ピークの相対マグニチュードに影響を与えることになり、遅延経路の長さは、ピーク間の時間的分離を確立することができる。従って、出力パルス形状は、ビームスプリッタ反射率の適切な選択及び遅延経路の長さにより設計することができる。

更に、一部の場合には、出力パルス形状は、ＥＵＶ出力及び／又は変換効率（すなわち、出力ＥＵＶ電力とＥＵＶ光源入力電力の比）を増大し、及び／又は原材料の消費量、例えば、スズ消費量を低減し、及び／又は様々なプラズマチャンバ光学要素、例えば、ミラー、ウィンドなど）の作動効率を潜在的に損なうか又は低減する可能性があるプラズマチャンバ内での好ましくない副産物（例えば、デブリ）の形成を低減するように最適化することができる。

一部の用途に最適とすることができる１つの特定のパルス形状は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、プレパルスピーク、及びそれに続くより強い主パルスピークを含む。より詳細には、図３Ａは、パルス伸長器を出るパルス３１０の形状を示しており、ビームスプリッタの反射率は、第２のピーク３１２の強度が第１のピーク３１４よりも増大するように選択され、遅延経路長は、最初の２つのピークが時間ｔ₁によって分離されるように選択されたものである。ピーク３１２に対応する尾部は、そのピークに対応する尾部と重複し、従って、２つのピークは同じパルスの一部であることは認められるものとする。例示する目的で、図３Ｂは、パルス伸長器を出るパルス’の形状を示しており、ビームスプリッタの反射率は、図３Ａに対応するビームスプリッタとほぼ同じであり、従って、第２のピーク３１２’は、強度が第１のピーク３１４’よりも大きいが、第１のピーク３１４’よりも長い遅延経路長を使用しており、この時点で、２つのピークは、時間ｔ₂により分離され、ｔ₂＞ｔ₁である。それに反して、図３Ｃは、同じく例示する目的で、パルス伸長器を出るパルス３１０’’に対する形状を示しており、ビームスプリッタの反射率は、図３Ａに対応するビームスプリッタを下回り、従って、第２のピーク３１２’’は、強度が第１のピーク３１４’’よりも小さい。尚、パルス３１０’’の遅延経路長は、結果としてピークの分離時間ｔ₃になるパルス３１０の遅延経路長とほぼ同じであり、ｔ₃＝ｔ₁である。従って、図３Ａは、ビームスプリッタ反射率及び遅延ビーム路長を変えることにより、広い範囲のパルス形状を生成することができることを示している。

ＥＵＶ電力及び／又は変換効率を増大させ、及び／又は消費／デブリを低減するプレパルスの使用の詳細は、代理人整理番号第２００５−００８５−０１号である２００６年２月２１日出願の「プレパルスによるレーザ生成プラズマＥＵＶ光源」という名称の現在特許出願中の米国特許出願出願番号第１１／３５８、９８８号に見ることができ、この特許の開示内容は、本明細書において引用により組み込まれている。一部の場合には、プレパルスピークを使用して原材料、例えば、スズ滴を蒸発させて空間的に拡張し、その後の主パルスを使用して、拡張原材料からＥＵＶ放射を生成することができる。

プレパルスピークのマグニチュードによっては、原材料は、一部の実施例では、弱いプラズマを形成することができる。本明細書で使用する時、用語「弱いプラズマ」及びその派生語は、イオンを含むが約１％未満が電離された材料を意味する。予め選択した時間が、プレパルスピークでの照射後に経過した後、照射された材料を主パルスピークプラズマに露光させてＥＵＶ放射を作り出すことができる。例えば、ＣＯレーザ源及びスズ滴に対しては、１〜１０ｍＪプレパルス及び５０〜４００ｍＪの主パルスが適切とすることができる。

上述のように、図３に示す伸長器３００の構成要素は、パルス伸長器が非変位であるように整列させることができる。代替的に、図３Ｄに示すように、各連続パルスピークが僅かに異なる経路に沿って誘導されるようにパルス伸長器３００’を製造するために、光学構成要素（すなわち、遅延路３０４’を定めるビームスプリッタ３０２’又はミラー）の１つ又はそれよりも多くのアラインメントの僅かな変更を行うことができる。特に、伸長器３００に対しては、第１のパルスピークは、経路３２０に沿って放出することができ、第２のパルスピークは、経路３２２に沿って放出することができ、第３のパルスピークは、経路３２４に沿って放出することができ、第４のパルスピークは、経路３２６に沿って放出することができる等々である。この構成では、パルスの連続は、方向３３０における移動で示すように、移動中の材料３２８、例えば、小滴又はプレパルス容積に「追随」することができる。

図３に示す構造に対しては、発振器ユニット２００’は、レーザ発振器、例えば、モード固定レーザ発振器、ｑ−スイッチレーザ発振器、又は他の空洞減衰レーザ発振器を含むことができる。レーザ発振器は、その後にパルス伸長器を使用して増大させる所望よりも短い例えば１０〜３０ｎｓの範囲のパルス幅を供給することができる。一部のＬＰＰ構成に対しては、短パルス幅は、ＥＵＶ光源の変換効率（すなわち、ＥＵＶ出力と原材料／レーザ入力の比）を制限する場合がある。例えば、一部のＣＯ₂放射線のためのパルス増幅器に対しては、長パルスの増幅は、ＣＯ₂モジュールの同じ振動帯域の回転線間のエネルギ交換のために短（１０ｎｓ範囲）パルスの場合よりも効率的である。長パルスの使用は、プレパルスの複雑さを回避することができる。例えば、スズ滴を使用する一部のＬＰＰ構成に対しては、適切なパルス幅は、約２０〜１８０ｎｓ、恐らくは５０〜１５０ｎｓの範囲とすることができる。伸長器３００の使用には、プレパルスがパルス伸長器３００を通過又は迂回する状態でプレパルスが使用される構成への用途もあると考えられる。

図３に示す設定に対しては、時間的パルス伸長器３００は、発振器ユニット２００からレーザパルスを受光して、増幅ユニット２０２によるその後の増幅に向けて伸長パルスを生成するように位置決めされる。この構成は、増幅ユニット２０２の前にピークのパルス強度を下げ、高強度による増幅ユニット光学要素の損傷を低減する。他の配置も可能であり、例えば、パルス伸長器は、増幅ユニット２０２’内のレーザユニットの１つ、一部、又は全ての後に位置決めすることができる。

図４は、図２又は図３の実施形態における使用に適する直列に配置された２つの増幅器４００、４０２を有する増幅ユニット２０２ａ、２０２ａ’の例を示している。増幅ユニット２０２ａ、２０２ａに対しては、増幅器４００は、利得媒体長（Ｌ₁）、飽和エネルギ（Ｅ_s、₁）、及び小信号利得（ｇ_o、₁）により特徴付けられる利得媒体を有することができ、増幅器４０２は、利得媒体長（Ｌ₂）、飽和エネルギ（Ｅ_s、₂）、及び小信号利得（ｇ_o、₂）により特徴付けられる利得媒体を有することができる。

本明細書で使用する時、用語「飽和エネルギ」及びその派生語は、利得媒体の利得のその初期値の１／ｅ（≒３７％）までの低減をもたらす入力信号パルスのパルスエネルギを意味する。

本明細書で使用する時、用語「小信号利得」及びその派生語は、利得媒体のいかなる認められるほどの利得飽和も引き起こさないほど弱い入力信号に対して得られる利得を意味する。

上記で意味するように、（ｇ_o、₁）＞（ｇ_o、₂）及び（Ｅ_s、₂）＞（Ｅ_s、₁）で増幅器４００、４０２の利得媒体を構成することができる。以下で更に詳述するように、この構成により、結果として、Ｌ₁＋Ｌ₂の利得媒体長を有する単一増幅器よりも大きな増幅にすることができる。この影響は、図５により例示されており、図５は、比較的高い小信号利得（ｇ_o＝０．９ｍ^-1）及び比較的低い飽和エネルギ（Ｅ_s＝５ｍＪ）を有するＬ＝８ｍの利得媒体のＥ_in対Ｅ_outの曲線５００、比較的低い小信号利得（ｇ_o＝０．５ｍ^-1）及び比較的高い飽和エネルギ（Ｅ_s＝２５ｍＪ）を有するＬ＝８ｍの利得媒体のＥ_in対Ｅ_outの曲線５０２、第１の増幅器が比較的高い小信号利得（ｇ_o＝０．９ｍ^-1）及び比較的低い飽和エネルギ（Ｅ_s＝５ｍＪ）を有し、第２の増幅器が比較的低い小信号利得（ｇ_o＝０．５ｍ^-1）及び比較的高い飽和エネルギ（Ｅｓ＝２５ｍＪ）を有する総利得媒体長Ｌ₁＋Ｌ₂＝８ｍの一連の２つの増幅器に対するＥ_out対Ｅ_inの曲線５０４を示している。図示の利得パラメータは、ＣＯ₂レーザの典型的な値である。２つの増幅器による構成（曲線５０４）により、結果として、単一増幅器による構成（曲線５００、５０２）のいずれかよりも高いＥ_outになる重要な領域（すなわち、Ｅ_in＞０．２５ｍＪ）になることを見ることができる。特に、Ｅ_in＝１ｍＪでは、２つの増幅器による構成は、一定のパラメータを有する単一の増幅器に対するものをほぼ全長にわたってほぼ５０％超える出力エネルギを有する。従って、同じ利得媒体長、すなわち、Ｌ＝８ｍの場合、２つの増幅器による構成（曲線５０４）により、結果として単一増幅器による構成（曲線５００、５０２）のいずれかよりも高いＥ_outになる。

数学的には、ＰＡ（Ｅ_out）の出力エネルギと入力エネルギ（Ｅ_in）の比率は、利得媒体の２つのパラメータ、すなわち、小信号利得（ｇ_o）ｘ媒体長（ｌ）、及び飽和エネルギ（Ｅ_s）レベルによって定められる。Ｆｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｃ公式によると、以下の通りであり、例えば、Ｌ．Ｍ．Ｆｒａｎｔｚ、Ｊ．Ｓ．Ｎｏｄｖｉｋ、「Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．」、３４、２３４６（１９６３年）を参照されたい。

ＣＯ２レーザ増幅器のようなＲＦ、ＤＣ、又はパルス励起ガス放電媒体に対しては、これらのパラメータは、独立したものではない。例えば、ＲＦ励起利得媒体においては、低いＲＦポンピング電力及び低圧を使用して高いｇ_oを取得することができ、一方、同じ媒体に対してＥ_sを増大させるためには、対応するｇ_oの低減によって高いＲＦ電力及び高いガス圧を使用することができる。Ｆｒａｎｔｚ−Ｎｏｄｖｉｋ公式の対象外であり、同じくｇｏ及びＥ_sに影響を与える別のパラメータは、レーザ媒体のガス混合物（例えば、ＣＯ₂：Ｎ₂の比率：Ｈｅ）である。従って、ＲＦ電力、ガス圧、ガス組成、及びガスポンピング速度を含むいくつかの利得媒体因子は、小信号利得（ｇ_o）ｘ媒体長（ｌ）、及び飽和エネルギ（Ｅ_s）を選択的に定めるように制御することができる。パルス幅及び形状、強度分布、例えば、ガウス分布のような入力ビーム特性は、小信号利得（ｇ_o）及び飽和エネルギ（Ｅ_s）を取得するのに必要なパラメータ、例えば、圧力、組成、及び励起電圧の選択にも影響を及ぼす場合がある。

飽和エネルギに対する小さな入力エネルギ（すなわち、Ｅ_in／Ｅ_s＜＜１、及びＥ_in／Ｅ_s＜＜ｅｘｐ（ｇ₀ ^*ｌ））に対しては、公式（１）は、以下によって近似することができる。

これは、小さな入力信号のレーザ出力エネルギが飽和エネルギに依存するのではなく、指数的に（ｇ₀ｌ）の積に依存することを意味する。出力エネルギは、入力エネルギと線形に比例する。Ｅ_in〜Ｅ_s時の高い入力エネルギに対しては、Ｅ_sに対する依存性はより有意になる。この場合に対しては、公式（１）内の両括弧内の「１」を無視して以下の式を得ることができる。

一般的に長い利得媒体に有効であるＥ_in／Ｅ_s＜ｇ₀ｌの時に、公式（３）の第２項を無視して以下の式を得ることができる。

この式は、出力エネルギが、入力エネルギに依存しない飽和値に達することを示している。より高いＥ_inに対しては、出力エネルギは、何らかのオフセットがあり、かつＥ_inの場合よりも小さい傾斜で入力エネルギと共に線形に変化する。

図６に示すように、上記で展開した原理は、３つ又はそれよりも多くの増幅器に拡張することができる。より具体的には、図６は、図２又は図３の実施形態のいずれかでの使用に適する直列に配置された３つの増幅器６００、６０２、６０４を有する増幅ユニット２０２ｂ、２０２ｂ’の例を示している。図示の増幅ユニット２０２ｂ、２０２ｂ’に対しては、増幅器６００は、利得媒体長（Ｌ₁）、飽和エネルギ（Ｅ_s、₁）、及び小信号利得（ｇ_o、₁）により特徴付けられる利得媒体を有することができ、増幅器６０２は、利得媒体長（Ｌ₂）、飽和エネルギ（Ｅ_s、₂）、及び小信号利得（ｇ_o、₂）により特徴付けられる利得媒体を有することができ、増幅器６０４は、（ｇ_o、₁）＞（ｇ_o、₂）＞（ｇ_o、₃）及び（Ｅ_s、₃）＞（Ｅ_s、₂）＞（Ｅ_s、₁）である利得媒体長（Ｌ₃）、飽和エネルギ（Ｅ_s、₃）、及び小信号利得（ｇ_o、₃）により特徴付けられる利得媒体を有することができる。上述のように、この構成により、結果としてＬ₁＋Ｌ₂＋Ｌ₃の利得媒体長を有する単一増幅器よりも大きな増幅をもたらすことができる。

所定の入力エネルギでの全体的な出力電力（又は、出力パルスエネルギ）の最適化のために、同等長の単一増幅器の代わりに複数の独特に構成した増幅器を使用することができる。１つの特定的な実施例では、第１の増幅器は、利用可能な最大ｇ₀パラメータ（低圧及び電力レベルで機能する）を有するように構成することができ、一方、最終出力増幅器は、利用可能な最大Ｅ_sｇ₀ｌ積を有するように構成することができる。中間部分は、徐々に増加するＥ_sパラメータ（入力から出力まで）及び減少するｇ₀パラメータを有することができる。増幅器間のＥ_sパラメータ及びｇ₀パラメータのこのような最適化により、固定のｇ_o及びＥｓを有する同等の利得媒体長の単一増幅器よりも大幅に高い出力エネルギ（電力）を有するレーザがもたらされる。

上記で開示した本発明の実施形態の態様は、好ましい実施形態であることのみを意図しており、いかなる点においても本発明の開示内容を限定するものではなく、特に、特定の好ましい実施形態だけに限定するものではないものとすることが当業者によって理解されるであろう。開示した発明の実施形態の開示した態様には、当業者によって理解及び認められるような多くの変更及び修正を行うことができる。特許請求の範囲は、その範囲及び意味において、本発明の実施形態の開示した態様だけではなく、当業者には明らかになると思われる均等物及び他の修正及び変更も包含するものとする。「３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２」を満足するために必要とされる詳細において本特許出願において説明しかつ例示した実施形態の特定の態様は、上述の実施形態の態様のあらゆる上述の目的、及び上述の実施形態の態様により又はその目的のあらゆる他の理由で又はその目的にために解決すべき問題を完全に達成することができるが、本発明の上述の実施形態のここで説明した態様は、本発明によって広く考察された内容を単に例示しかつ代表することは、当業者によって理解されるものとする。実施形態のここで説明しかつ主張する態様の範囲は、本明細書の教示内容に基づいて当業者に現在明らかであると考えられるか又は明らかになると考えられる他の実施形態を漏れなく包含するものである。本発明の範囲は、単独にかつ完全に特許請求の範囲によってのみ限定され、いかなるものも特許請求の範囲の詳細説明を超えるものではない。単数形でのこのような請求項における要素への言及は、解釈において、明示的に説明していない限り、このような要素が「１つ及び１つのみ」であることを意味するように意図しておらず、かつ意味しないものとし、「１つ又はそれよりも多い」を意味する意図とし、かつ意味するものとする。当業者に公知か又は後で公知になる実施形態の上述の態様の要素のいずれかに対する全ての構造的及び機能的均等物は、引用により本明細書に明示的に組み込まれると共に、特許請求の範囲によって包含されるように意図されている。本明細書及び／又は本出願の請求項に使用され、かつ本明細書及び／又は本出願の請求項に明示的に意味を与えられたあらゆる用語は、このような用語に関するあらゆる辞書上の意味又は他の一般的に使用される意味によらず、その意味を有するものとする。実施形態のいずれかの態様として本明細書で説明した装置又は方法は、それが特許請求の範囲によって包含されるように本出願において開示する実施形態の態様によって解決するように求められる各及び全て問題に対処することを意図しておらず、また必要でもない。本発明の開示内容におけるいかなる要素、構成要素、又は方法段階も、その要素、構成要素、又は方法段階が特許請求の範囲において明示的に詳細に説明されているか否かに関係なく、一般大衆に捧げられることを意図したものではない。特許請求の範囲におけるいかなる請求項の要素も、その要素が「〜のための手段」という語句を使用して明示的に列挙されるか又は方法の請求項の場合にはその要素が「作用」ではなく「段階」として列挙されていない限り、「３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２」第６項の規定に基づいて解釈されないものとする。

２０２ｂ、２０２ｂ’ 増幅ユニット
６００、６０２、６０４ 増幅器

Claims (4)

1. 出力ビームを生成するレーザ発振器と、
   レーザ発振器から出力ビームを受け取るよう接続されたパルス伸長器であって、前記出力ビームのレーザパルスから伸長されたパルスを生成するパルス伸長器と、
   前記パルス伸長器からのパルスが入力され、利得媒体長（Ｌ₁）、飽和エネルギ（Ｅ_s，１）及び小信号利得（ｇ₀，１）によって特徴付けられる利得媒体を有し、前記伸長されたパルスを増幅して第１の増幅ビームを生成する第１の増幅器と、
   （ｇ₀，１）＞（ｇ₀，２）及び（Ｅ_s，２）＞（Ｅ_s，１）である、利得媒体長（Ｌ₂）、飽和エネルギ（Ｅ_s，２）及び小信号利得（ｇ₀，２）によって特徴付けられる利得媒体を有し、前記第１の増幅ビームを増幅して第２の増幅ビームを生成する第２の増幅器と、を備え、
   前記第１の増幅器の利得媒体は、第１のガス組成を有するガスを含み、前記第２の増幅器の利得媒体は、前記第１のガス組成とは異なるガス組成を有するガスを含み、さらに、前記第１の増幅器の利得媒体は、ガス圧Ｐ₁のガスであり、前記第２の増幅器の利得媒体は、Ｐ₁≠Ｐ₂であるガス圧Ｐ₂のガスであり、
   利得媒体長（Ｌ₁＋Ｌ₂）、飽和エネルギ（Ｅ_s，１）、及び小信号利得（ｇ₀，１）によって、或いは利得媒体長（Ｌ₁＋Ｌ₂）、飽和エネルギ（Ｅ_s，２）、及び小信号利得（ｇ₀，２）によって特徴付けられる利得媒体を有する単一の増幅器への入力エネルギが前記第１の増幅器への入力エネルギと同じであるときに、前記第１の増幅器への入力エネルギは、前記第２の増幅器からの出力エネルギが、前記単一の増幅器の出力エネルギより大きくなるように調整されており、
   前記パルス伸長器は、移動する原材料がそれぞれのパルスピークに異なる位置で照射されるように、それぞれのパルスピークを、前記パルス伸長器を出る異なる経路に置く、レーザ光源。
2. 前記ガスは、ＣＯ₂を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
3. （ｇ₀，１）＞（ｇ₀，２）＞（ｇ₀，３）及び（Ｅ_s，３）＞（Ｅ_s，２）＞（Ｅ_s，１）である飽和エネルギ（Ｅ_s，３）及び小信号利得（ｇ₀，３）によって特徴付けられる利得媒体を有し、前記第２の増幅ビームを増幅して第３の増幅ビームを生成する第３の増幅器を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。
4. 前記レーザ発振器は、空洞減衰レーザ発振器であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ光源。

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