JP6224445B2

JP6224445B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP6224445B2
Application number: JP2013253266A
Authority: JP
Inventors: 昭典浅井
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: JP2015111516A

Description

本発明は、光源装置に関する。

従来、筐体内のイオン化ガスにレーザ光を照射し、プラズマ状態を維持して紫外線を発生させる光源装置がある。例えば特許文献１に記載の光源では、ガラス製の筐体内に配置した対向電極間に給電することで電極間の放電によるプラズマを発生させ、当該プラズマに集光したレーザ光を継続して照射させることでプラズマ発光であるレーザ支持光を点灯・維持している。

特表２００９−５３２８２９号公報

しかしながら、上述した従来の光源装置では、製造精度等の問題により、対向電極が必ずしも正対していない場合がある。この場合、対向電極が正対している場合に比べて、対向電極間に生じる放電経路がずれてしまう可能性が高いため、放電経路上にレーザ光を集光させて所定のエネルギーを与えることができずにレーザ支持光の点灯が失敗してしまうことがあった。このような問題に対し、レーザの集光位置や対向電極（対向電極を収容した筐体）の配置を調整することでの対応が考えられるが、微妙な調整を要することから、より簡易で確実性の高い点灯の改善が求められていた。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成で、対向電極が正対していない場合であってもレーザ支持光の点灯を確実に実施できる光源装置を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る光源装置は、レーザ光を出射するレーザ部と、内部空間に発光ガスが封入された発光封体と、互いに対向するように内部空間に配置された対向電極と、レーザ光を対向電極間に導光する光学系と、を備え、レーザ光は、対向電極間を結ぶライン上からずれた位置に集光すると共に、ラインを含むようにレーザ支持光を点灯可能なエネルギー密度を有する点灯可能領域を形成することを特徴としている。

この光源装置では、対向電極間を結ぶライン上からずれた位置にレーザ光が集光される。すなわち、この光源装置では、対向電極間を結ぶライン上には、集光位置に比べて大径のデフォーカス状態のレーザ光が照射される。そして、デフォーカス状態のレーザ光によってレーザ支持光を点灯可能なエネルギー密度を有しつつ、集光領域に比べて大きな空間体積を有する点灯可能領域を形成する。これにより、対向電極が正対せずに対向電極間に生じる放電経路に変化があったとしても、レーザ支持光の点灯可能領域を拡大することで、対向電極間のずれの程度を考慮した微妙な調整を行うことなくレーザ支持光の点灯の確実性を向上できる。

また、レーザ光の一部分の集光位置を他部分の集光位置に対してレーザ光の光軸方向に変化させる集光制御部を更に備えたことが好ましい。これにより、レーザ光の光軸方向に沿ってレーザの集光位置が複数形成され、レーザ支持光の点灯可能領域を確実に拡大できる。

また、集光制御部は、レーザ光に対して透過性を有する透明媒体をレーザ光に対して駆動させる透明媒体駆動部を有していることが好ましい。この場合、透明媒体をレーザ光に対して駆動させるだけの簡単な構成で、レーザ光の光軸方向に沿ってレーザの集光位置を複数形成できる。

また、透明媒体駆動部は、透明媒体をレーザ光に対して進退させることが好ましい。この場合、例えば透明媒体をレーザ光に対して進出させるだけの簡単な構成で、レーザ光の光軸方向に沿ってレーザの集光位置を複数形成できる。また、例えばレーザ支持光の点灯後に透明媒体をレーザ光から退避させることでレーザ光の集光位置を単一化でき、高輝度のレーザ支持光を得ることができる。

また、レーザ光の一部分の集光位置を他部分の集光位置に対してレーザ光の光軸方向に交差する方向に変化させる集光制御部を更に備えたことが好ましい。これにより、レーザの集光位置がレーザ光の光軸をまたぐように形成され、レーザ支持光の点灯可能領域をレーザ光の光軸方向に交差する方向に延在できる。したがって、レーザ支持光の点灯の確実性を向上できる。

本発明に係る光源装置によれば、簡単な構成で、対向電極が正対していない場合であってもレーザ支持光の点灯を確実に実施できる。

本発明の第１実施形態に係る光源装置の概略を示す図である。対向電極の放電領域の様子を示す図であり、（ａ）は対向電極が正対している場合及びレーザ光の集光の様子、（ｂ）は対向電極が正対していない場合、（ｃ）は本実施形態の場合及びレーザ光の集光の様子を示す。本発明の第２実施形態に係る光源装置の概略を示す図である。図３に示した光源装置における対向電極の放電領域へのレーザ光の集光の様子を示す図である。レーザ支持光が点灯した後の光源装置の状態を示す図である。対向電極の放電領域へのレーザ光の集光の様子の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光源装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］

図１は、本発明の第１実施形態に係る発光封体を適用して構成される光源装置の概略を示す図である。同図に示すように、光源装置１は、レーザ光Ｌを発生させるレーザ部２と、レーザ部２からのレーザ光Ｌを導光する光学系３と、互いに対向する対向電極１３，１３を収容する発光封体１１（光源７）とを含んで構成されている。この光源装置１では、対向電極１３，１３の間に放電を発生させ、その放電経路ｐが発生する確率の高い領域である放電領域Ｐ（図２参照）にレーザ光を照射することで、光源７である発光封体１１内にプラズマ発光である高輝度のレーザ支持光を発生させることができる。レーザ支持光は、例えば半導体検査用の光源や分光計測用の光として使用される。

レーザ部２は、例えばレーザダイオードである。レーザ部２は、連続レーザ及びパルスレーザのいずれであってもよいが、本実施形態では連続レーザが用いられている。レーザ部２からは、発光ガスＧの吸収スペクトルに合わせ、例えば波長９８０ｎｍのレーザ光Ｌが連続波で出射する。レーザ光Ｌの出力は、デフォーカス状態のレーザ光Ｌがレーザ支持光を点灯可能なエネルギー（例えば３０Ｗ）を有するように、各種光学条件を踏まえて十分な強度が選択されている。レーザ部２から出射したレーザ光Ｌは、光ファイバ４によって光学系３に導光される。光学系３は、レーザ部２からのレーザ光Ｌを発光封体１１に向けて集光する光学系である。光学系３は、例えば２つのレンズ５，６によって構成されている。光ファイバ４のヘッド４ａから出射したレーザ光Ｌは、レンズ５によって平行光化した後、レンズ６によって光軸ＬＡをもって発光封体１１に向けて集光する。

発光封体１１は、より具体的には、内部空間Ｓに発光ガスＧが高圧に封入されたバルブ１２と、内部空間Ｓ内で互いに対向する対向電極１３，１３とを含んで構成されている。バルブ１２は、例えばガラスによって中空の球状に形成されている。バルブ１２の内部空間Ｓには、発光ガスＧとして例えばキセノンガスが高圧で封入されている。対向電極１３，１３は、例えばタングステン等の高融点金属によって棒状に形成されており、その先端側で互いに対向している。対向電極１３の基端側は、バルブ１２の壁部を貫通してバルブ１２の外部に引き出され、図示しない電源部に接続された給電部材１４にそれぞれ接続されることで、電極間放電のための電力が対向電極１３，１３に供給されている。なお、対向電極１３，１３が直接バルブ１２の壁部を貫通するのではなく、対向電極１３，１３と電気的に接続された導電部材がバルブ１２の壁部を貫通してバルブ１２の外部に引き出され、給電部材１４にそれぞれ接続されていてもよい。

以上のような光源装置１では、給電部材１４を介して対向電極１３，１３の間に高電圧を付加することにより、対向電極１３，１３に放電領域が形成され、放電によって内部空間Ｓ内の発光ガスＧがイオン化及びプラズマ化される。この放電領域にレーザ光Ｌが照射されることで、高輝度のレーザ支持光が点灯し、レーザ支持光へのレーザ光Ｌの照射を継続させることで、対向電極１３，１３への電力供給が停止されても、レーザ光Ｌによるエネルギー供給を受けてレーザ支持光が維持される。なお、予めレーザ光Ｌを放電領域に集光させておき、その後、対向電極１３，１３間で放電領域を形成してもよい。さらに、レーザ支持光の点灯後は、対向電極１３，１３への給電を停止してもよく、給電を継続してもよい。

図２は、対向電極の放電領域へのレーザ光の集光の様子を示す図である。

図２（ａ）に示すように、対向電極１３，１３が理想的に正対しており、対向電極１３，１３のそれぞれの中心軸が理想の電極配置軸である理想軸Ｒと同軸になるように配置される場合を考える。つまり、図２（ａ）においては、対向電極１３，１３間を結ぶラインＸは、理想軸Ｒ上に同軸に位置し、対向電極１３，１３は、互いに対向する尖頭部を有し、互いの尖頭部の先端がラインＸ及び理想軸Ｒ上に配置されている。そして、対向電極１３，１３間の放電経路ｐは、対向電極１３，１３間を結ぶラインＸ上に形成される可能性が最も高いが、全体として対向電極１３，１３の先端を含む先端周囲の所定領域間で発生する可能性があるため、放電領域Ｐは、理想軸Ｒと同軸のラインＸを含んだ略円筒状の空間として規定される。

一方、理想軸Ｒ上に設定されたレーザ光Ｌの集光位置Ｆの周囲には、レーザ支持光を点灯可能なエネルギー密度を有する点灯可能領域Ｑが形成される。このように、ラインＸが理想軸Ｒ上に同軸に位置する場合、放電領域Ｐは、理想軸Ｒを含む空間となり、かつ放電経路ｐが理想軸Ｒ上に形成される可能性が最も高くなるので、理想軸Ｒ上に形成された点灯可能領域Ｑを放電経路ｐが通過する可能性が非常に高くなる。したがって、レーザ支持光を高確率に点灯することができる。

一方、図２（ｂ）に示すように、対向電極１３，１３に位置ずれが生じ、対向電極１３，１３が正対していない場合、つまり、対向電極１３，１３の中心軸が同軸に配置されていない場合を考える。なお、図２（ｂ）の例では、説明の容易化のため、対向電極１３，１３の一方（対向電極１３ａ）が理想軸Ｒに同軸に配置され、対向電極１３，１３の他方（対向電極１３ｂ）のみが理想軸Ｒに対して傾斜して配置された状態としている。ただし、対向電極１３，１３の配置はこれに限られるものではない。

この場合、対向電極１３ｂの尖頭部の先端は、理想軸Ｒ上には配置されないため、対向電極１３ａ，１３ｂの尖頭部の先端を結ぶラインＸは、図２（ａ）の場合とは異なり、理想軸Ｒと交差する。そして、対向電極１３ａ，１３ｂ間の放電経路ｐは、ラインＸ上に形成される可能性が最も高いが、全体として対向電極１３，１３の先端を含む先端周囲の所定領域間で発生する可能性があるため、放電領域Ｐは、理想軸Ｒと交差するラインＸを含んだ略円筒状の空間として規定される。

このように、図２（ｂ）の例では、放電経路ｐ及び放電領域Ｐは、図２（ａ）と比較して変化している。かかる場合にレーザ支持光の点灯をより確実に行うためには、点灯可能領域Ｑが放電領域Ｐと重なるように、より好ましくはラインＸを含むように、図２（ａ）の状態から集光位置Ｆ又は対向電極１３，１３（発光封体１１）を理想軸Ｒ上から移動させる必要がある。しかしながら、実質的な調整量はわずかであることから、微妙な調整作業を要すると共に、対向電極１３ｂのずれ方向によって調整の方向も変化するため、調整作業がさらに煩雑になってしまう可能性もある。

これに対し、本実施形態に係る光源装置１では、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）の対向電極１３ａ，１３ｂに対して、レーザ光Ｌの集光位置Ｆを対向電極１３，１３間を結ぶラインＸよりもレーザ光Ｌの進行方向における前方側（図２（ｃ）における下方側）に位置させた上で、光軸ＬＡ方向に延在する点灯可能領域Ｑを形成している。この点灯可能領域Ｑは、集光位置Ｆに比べて大径なデフォーカス状態においても、そのエネルギー密度がレーザ支持光を点灯可能な大きさを有するレーザ光Ｌによって形成されており、図２（ａ）及び図２（ｂ）において、集光領域（レーザ光Ｌの集光位置Ｆ及びその近傍）のみに形成された点灯可能領域Ｑに比べて大きな空間体積を有している。

具体的には、図２（ｃ）の場合では、レーザ部２からのレーザ光Ｌが大出力化されており、集光領域においてのみレーザ支持光を点灯可能なエネルギー密度を有する図２（ａ）及び図２（ｂ）の場合に比べて、デフォーカス状態であってもレーザ支持光を点灯可能なエネルギー密度を有するため、形成された点灯可能領域Ｑがレーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向に拡大される。さらに詳細には、この点灯可能領域Ｑは、ラインＸを含む放電領域Ｐを光軸ＬＡ方向に二分するように延在している。このため、放電経路ｐは、確実に点灯可能領域Ｑを通過することとなる。また、点灯可能領域Ｑは、レーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向に延在すると共に、光軸ＬＡに交差する方向（レーザ光Ｌの断面の面内方向）にも拡大されていることから、対向電極１３ｂのずれ方向に影響されることなく、レーザ支持光を高確率に点灯することができる。

なお、放電領域Ｐを光軸ＬＡ方向に二分するように点灯可能領域Ｑを延在させる場合にレーザ支持光の点灯を最も確実にさせることになるが、少なくとも放電経路ｐが形成される可能性が最も高いラインＸを横切る程度に点灯可能領域Ｑを延在させることで、レーザ支持光の点灯確率を十分に向上させることができる。

このように、点灯可能領域Ｑがレーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向に延在することで、放電経路ｐが点灯可能領域Ｑを高確率で通過することとなる。したがって、対向電極１３，１３が正対せず、レーザ光Ｌの集光位置Ｆが対向電極１３，１３間を結ぶラインＸ上に位置しない場合においても、レーザ支持光を確実に点灯することができる。したがって、対向電極１３，１３間のずれの程度を考慮した微妙な調整、例えばレーザ光Ｌの正確なアライメントや発光封体１１の位置調整等を行わなくとも、レーザ支持光の点灯の確実性を向上できる。

なお、対向電極１３，１３間の放電と、対向電極１３，１３間へのレーザ光Ｌの照射とは、いずれを先に行ってもよい。また、レーザ支持光の点灯後は、対向電極１３，１３の間の放電を停止する（対向電極１３，１３への給電を停止する）と共に、レーザ光Ｌの集光位置Ｆ近傍のエネルギー密度がレーザ支持光を維持可能なエネルギー密度となるレベルまでレーザ光Ｌの出力を低下させることが好ましい。これにより、対向電極１３，１３の消耗を抑制しつつ、高輝度のレーザ支持光が効率良く得られる。

なお、図２（ｃ）の例においては、レーザ光Ｌの集光位置Ｆは、対向電極１３，１３間を結ぶラインＸよりもレーザ光Ｌの進行方向における前方側（図２（ｃ）における下方側）に位置しているが、点灯可能領域ＱがラインＸを含むように延在すれば、集光位置Ｆは、ラインＸよりもレーザ光Ｌの進行方向における後方側（図２（ｃ）における上方側）に位置していてもよく、また、理想軸Ｒ上に位置していてもよい。また、対向電極１３，１３は、尖頭部を有する形状に限らず、その対向面が平坦面からなるものであってもよい。この場合には、平坦面の中心同士を結んでラインＸとすればよい。
［第２実施形態］

図３は、本発明の第２実施形態に係る光源装置の概略を示す図である。同図に示すように、第２実施形態に係る光源装置２１は、レーザ光Ｌの一部分の集光位置を他部分の集光位置に対してレーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向に変化させる集光制御部２２を備えている点で第１実施形態と異なっている。より具体的には、集光制御部２２は、レーザ光Ｌに対して透過性を有する透明媒体２３と、透明媒体２３を駆動し、レーザ光Ｌに対して進退させるアクチュエータ（透明媒体駆動部）２４とによって構成されている。

透明媒体２３は、例えば合成石英ガラスによって形成され、連続レーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向の厚さ（レーザ光Ｌが透過する長さ）が略均一な厚さ１ｍｍ〜２ｍｍ程度の板状をなしている。透明媒体２３の基端側は、アクチュエータ２４に固定されており、透明媒体２３は、アクチュエータ２４の駆動によってレーザ光Ｌの光軸ＬＡに略直交する方向に駆動するようになっている。アクチュエータ２４は、レーザ光Ｌによってレーザ支持光の点灯を行う際、図３に示すように、光学系３、より詳細には、レンズ６と発光封体１１との間のレーザ光路上において、レーザ光Ｌの略半分のみが透明媒体２３を通るように、つまり、光軸ＬＡと垂直な方向におけるレーザ光Ｌの断面において、当該断面の略半分の領域を覆うように、透明媒体２３の先端側をレーザ光Ｌに対して進出させる。

透明媒体２３の進出により、レーザ光Ｌは、透明媒体２３を通過しない成分と通過する成分とを有することとなり、それぞれの成分において焦点位置が変化する。つまり、レーザ光Ｌは、光軸ＬＡ上に２つの集光位置Ｆａ，Ｆｂを有することとなり、透明媒体２３を通る成分の集光位置Ｆａは、透明媒体２３を通らない成分の集光位置Ｆｂに比べて、レーザ光Ｌの進行方向の前方側（図３における下方側）に位置するようになる。この状態では、図４に示すように、２つの集光位置Ｆａ，Ｆｂを含むように、デフォーカス状態で形成された点灯可能領域Ｑをレーザ光Ｌの光軸方向に延在させることができる。

このように、透明媒体２３によって２つの集光位置Ｆａ，Ｆｂを形成することで、点灯可能領域Ｑをレーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向に延在することができるため、放電経路ｐが点灯可能領域Ｑを高確率に通過することとなる。これにより、対向電極１３，１３が正対せず、レーザ光Ｌの集光位置Ｆが対向電極１３，１３間を結ぶラインＸ上にない場合においても、レーザ支持光をより確実に点灯することができる。したがって、対向電極１３，１３間のずれの程度を考慮した微妙な調整、例えばレーザ光Ｌの正確なアライメントや発光封体１１の位置調整等を行わなくとも、レーザ支持光の点灯の確実性を向上できる。

レーザ支持光の点灯後は、図５に示すように、アクチュエータ２４の駆動によって透明媒体２３をレーザ光Ｌから退避させる。これにより、レーザ光Ｌの集光位置Ｆを単一化でき、より高輝度のレーザ支持光を得ることができる。さらに、透明媒体２３でのレーザエネルギーの吸収が無くなるので、より効率良くレーザ支持光を得ることができる。なお、透明媒体２３をレーザ光Ｌに進出させた状態で複数の集光位置を形成し、透明媒体２３をレーザ光Ｌから退避させた状態で集光位置を単一化させてもよい。また、透明媒体２３の進退に限られず、連続レーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向の厚さ（レーザ光Ｌが透過する長さ）の連続的又は断続的な変化や異種材料の組み合わせ等により透過条件の異なる領域を有する透明媒体を用い、当該透明媒体に対するレーザ光Ｌの入射位置を変えて集光位置を変化させてもよい。さらに、透明媒体の駆動ではなく、空間光変調素子といった光変調素子を用いて集光位置を制御してもよい。

また、上記実施形態では、集光制御部２２は、レーザ光Ｌの一部分の集光位置Ｆを他部分の集光位置Ｆに対してレーザ光Ｌの光軸方向に変化させ、点灯可能領域Ｑをレーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向に延在させているが、これに限られず、レーザ光Ｌの一部分の集光位置Ｆを他部分の集光位置Ｆに対してレーザ光Ｌの光軸方向に交差する方向に変化させて、点灯可能領域Ｑをレーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向と交差する方向に延在させてもよい。この場合、例えば集光制御部２２として空間光変調素子といった光変調素子を用い、図６に示すように、光軸ＬＡを挟んで対向すると共に理想軸Ｒをも挟んで対向する２つの集光位置Ｆａ，Ｆｂを形成する。これにより、レーザ光Ｌの光軸ＬＡ方向と交差する方向に、レーザ光Ｌの光軸ＬＡをまたぐように延在する点灯可能領域Ｑが形成され、レーザ支持光の点灯の確実性を向上できる。

１，２１…光源装置、２…レーザ部、３…光学系、１１…発光封体、１３…対向電極、２２…集光制御部、２３…透明媒体、２４…アクチュエータ（透明媒体駆動部）、Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ…集光位置、Ｇ…発光ガス、Ｌ…レーザ光、Ｐ…放電領域、Ｑ…点灯可能領域、Ｘ…ライン、Ｓ…内部空間。

Claims

レーザ光を出射するレーザ部と、
内部空間に発光ガスが封入された発光封体と、
互いに対向するように前記内部空間に配置された対向電極と、
前記レーザ光を前記対向電極間に導光する光学系と、を備え、
前記レーザ光は、前記対向電極間を結ぶライン上からずれた位置に集光すると共に、前記ラインを含むようにレーザ支持光を点灯可能なエネルギー密度を有する点灯可能領域を形成することを特徴とする光源装置。
前記レーザ光の一部分の集光位置を他部分の集光位置に対して前記レーザ光の光軸方向に変化させる集光制御部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
前記集光制御部は、前記レーザ光に対して透過性を有する透明媒体を前記レーザ光に対して駆動させる透明媒体駆動部を有していることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
前記透明媒体駆動部は、前記透明媒体を前記レーザ光に対して進退させることを特徴とする請求項３記載の光源装置。
前記レーザ光の一部分の集光位置を他部分の集光位置に対して前記レーザ光の光軸方向に交差する方向に変化させる集光制御部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の光源装置。