JP7430364B2 - レーザー励起プラズマ光源および光生成方法 - Google Patents

Description

この発明は，紫外（ＵＶ），可視および近赤外（ＮＩＲ）のスペクトル帯域の高輝度光を生成するレーザー励起プラズマ光源，および連続光放電（ＣＯＤ）（continuous optical discharge）のプラズマから広帯域放射を生成する方法に関する。

連続光放電（continuous optical discharge）は，事前に作られた比較的高密度のプラズマ中のレーザー放射によって維持される定常ガス放電である。約１５，０００Ｋのプラズマ温度のＣＯＤベースの光源は約０．１μｍから１μｍの広スペクトル範囲における最も輝度の高い連続光源に属する（Raizer，“Optical Discharges”，Sov．Phys．Usp．２３（１１），１９８０年１１月，７８９～８０６頁）。アークランプと比較してレーザー励起プラズマ光源は輝度が高いだけでなく寿命も長く，多くの用途に適するものである。

上述の約１５，０００Ｋの放射プラズマの温度は実質的に固定されている。これは，連続波（ＣＷ）レーザーの出力を(２～１０倍以内。数桁ではない)増加させることによって温度をあげようとすると，プラズマの体積が増加し，プラズマガス界面の体積と表面の増加による放射と熱伝導によって，追加出力が解放されるからである。換言すると，プラズマ温度は，ＣＯＤそれ自体によって，その存在条件により非常に安定化される。これに関して，輝度を増加して上記ＣＯＤを維持するために，ＣＷレーザーの使用と組み合わせられ，上記ＣＯＤを維持するために必要な閾値以上の高繰り返し率のパルスレーザーが使用されることが，たとえば２０１５年１２月２０日発行のロシア特許第２５７１４３３号から知られている。

しかしながら，このアプローチは，高輝度のレーザー励起プラズマ光源が不安定になるという問題がある。

この欠点は，２０１６年６月１４日発行の米国特許第９３６８３３７号から知られる広帯域光源において大幅に克服される。この特許では，光学的に透明なＣＯＤプラズマがＣＷレーザービームの軸に沿って細長い形状を有している。プラズマ放射が長手方向に集められ，これによって高輝度の光源がもたらされる。

しかしながら，プラズマ放射の長手方向の収集では，プラズマ放射の出力ビームにおけるレーザー放射のブロックという問題が発生する。輝度の増加，プラズマによるレーザー放射の吸収係数の増大，およびプラズマを通過したブロックされた発散レーザービームの開口数の大幅な減少という問題を解決するが，このデバイスは光源の輝度安定性の課題を完全には解決しない。

２０１６年５月３１日発行の米国特許第９３５７６２７号から知られる広帯域光源では，プラズマ放射がレーザービームの伝播方向以外の方向に集められる。これに伴い，レーザービームがカメラ軸に沿って垂直に上向きに向けられ，かつプラズマを放射する領域がチャンバの上部のすぐ近くにあるという光源構成の最適化に起因して，ガス充填チャンバ内の対流の乱れを抑制することによって，広帯域プラズマ光源のエネルギーと空間安定性が向上する。

乱流が光源の明るさの不安定性につながる対流ガス流の安定性と制御を高めるという課題も，２０１８年６月２６日発行の米国特許第１０００８３７８号，２０１８年１０月２３日発行の米国特許第１０１０９４７３号，２０１８年２月６日発行の米国特許第９８８７０７６号，２０１９年３月２６日発行の米国特許第１０２４４６１号といった多くの特許において，カメラと光源の全体としての形状を最適化することによって解決されている。

しかしながら，このタイプの光源で達成可能な最大値に近い，５０ｍＷ／（ｍｍ^２・ｓｒ・ｎｍ）を超える高いスペクトル輝度，および０．１％未満の低い相対輝度不安定性（low relative brightness instability）σを備えるプラズマ放射の連続生成を得るための最適条件は決定されていない。

この発明によって解決されるべき技術的課題は，上記ＣＯＤプラズマからの広帯域放射の最適生成のための装置および方法の作成，およびレーザー励起を備える高安定高輝度プラズマ光源の開発に関する。

この発明の本質は，高温（～１５０００Ｋ）ＣＯＤプラズマの高密度化により可能な限り最高の輝度の光源を提供することであり，上記プラズマ密度が，５０－１００バール以上の周囲ガスの高圧によって提供される。際立つ特徴は，このような高圧ｐが(比p ∝ ｎＴにしたがって)ガス原子の最小密度ｎにおいて提供されるが，可能な限り高いガス温度Ｔ（６００～９００Ｋまたはそれ以上の範囲)を使用することである。次に，ガス密度およびこの密度に関連する屈折を最小限に抑えることによって，ガス充填チャンバ内の対流ガス流の乱流に関連する光源輝度の不安定性が非常に効率的に抑制される。したがって，この発明は，輝度の超低不安定性を有するプラズマ光源の超高輝度化の達成を提供する。

この発明の技術的な結果は，放射プラズマの高安定性および高輝度を達成するために最適なＣＯＤ維持条件を提供することにあり，超高輝度および安定性を備える広帯域光源をこれに基づいて作成することにある。

上記目的は，少なくとも一部が光学的に透明であるガス充填チャンバ，プラズマ点火手段，連続波（ＣＷ：continuous wave）レーザーの集束ビーム（focused beam）によって上記チャンバ内に維持される（sustained in the chamber）プラズマを放射する領域，および上記チャンバを出るプラズマ放射の少なくとも一つの出力ビームを含む，上記提案されるレーザー励起プラズマ光源によって達成可能である。

上記光源は，上記チャンバ内のガス粒子の密度（density of gas particles）が９０・１０^１９ｃｍ^－３未満であり，かつ上記チャンバの内面の温度が６００Ｋ以上である事実によってプラズマ放射の出力ビームの最適連続生成が達成されるという特徴を持つ。

この発明の好ましい実施態様では，上記最適連続生成が，５０ｍＷ／（ｍｍ^２／ｎｍ・ｓｒ）を超える高スペクトル輝度の光源，および０．１％未満の輝度の低相対標準偏差σ（low relative standard deviation of the brightness σ less than 0.1%）によって特徴付けられる。

この発明の好ましい実施態様では，約５０バール以上の上記チャンバ内のガス圧の提供下において，上記ガス粒子の密度が可能な限り低く，かつ作動時の上記チャンバの内面の温度ができるだけ高いものである。

この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバの内面の温度が９００Ｋ以下であり，ガス粒子の密度が４５・１０^１９ｃｍ^－３以上であり，これは１６．５バール以上の室温におけるガス圧力に対応する。

この発明の一実施態様では，上記チャンバの内面の温度が９００Ｋ以下である。

この発明の一実施態様では，上記ガスは，キセノン，クリプトン，アルゴン，ネオン，またはそれらの混合物を含む不活性ガスのグループに属するものである。

この発明の一実施態様では，上記ガスはキセノンであり，上記ＣＷレーザーの波長が８０８ｎｍである。

この発明の一実施態様では，上記プラズマの出力ビームの出口に配置されるチャンバの少なくとも一部が球状であり，プラズマを放射する領域が上記チャンバの上記球状部分の中心に位置する。

この発明の一実施態様では，上記チャンバの球状部分の内面の半径が５ｍｍ未満，好ましくは３ｍｍ以下である。

この発明の好ましい実施態様では，上記ＣＷレーザーの集束ビームが，上記チャンバ内に下から上向きに方向づけられ，上記集束ビームの軸が垂直にまたはほぼ垂直に方向づけられる。

この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバの一部または細部（a detail）が，プラズマを放射する領域の上に上記領域から３ｍｍ以下の距離に配置される。

この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバがヒータを備えている。

この発明の一実施態様では，上記チャンバの透明部分が，サファイア，ロイコサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３），溶融石英（fused quartz），結晶石英（ＳｉＯ_２），結晶フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）のグループに属する材料から作られている。

この発明の一実施態様では，上記プラズマ点火手段が，Ｑスイッチングモードのパルスレーザービームおよびフリーランニングモード（free-running mode）のパルスレーザービームを生成する固体レーザーシステムを備え，上記２つのパルスレーザービームがチャンバ内に集束される。

この発明の一実施態様では，上記ＣＷレーザーのビームおよび上記チャンバから外に出るプラズマ放射の出力ビームのそれぞれが，プラズマを放射する領域の外において互いに交差しない。

この発明の一実施態様では，上記光源が３つ以上のプラズマ放射の出力ビーム（three or more output beams of plasma radiation）を有している。

別の観点において，この発明は，ガス充填チャンバ内でプラズマ点火し，ＣＷレーザーの集束ビームによって維持されるプラズマを放射して上記チャンバの光学的に透明な部分を通じてプラズマを放射する領域から外に出る少なくとも一つのプラズマ放射の出力ビーム（at least one output beam of plasma radiation）を生成することを含む光生成方法に関する。

上記方法は，上記チャンバが９０・１０^１９ｃｍ^－３未満の粒子密度（particles density）のガスによって満たされており，上記プラズマが６００Ｋ以上の上記チャンバの内面の温度においてＣＷレーザーの集束ビームによって維持されることを特徴とする。

この発明の実施態様では，５０ｍＷ／（ｍｍ^２／ｎｍ・ｓｒ）を超える高スペクトル輝度の光源を提供するために，作動中の上記チャンバ内のガス圧が約５０バール以上である。

この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバの内面の温度が，可能な限り低いガス粒子の密度の下で可能な限り高く，０．１％未満の輝度の低相対標準偏差σを提供するものである。

この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバが４５・１０^１９ｃｍ^－３以上のガス粒子の密度の粒子密度を持つガスによって満たされており，上記チャンバの内面の温度が９００Ｋ以下の温度に維持されている。

この発明の好ましい実施態様では，上記ＣＷレーザーの集束ビームが下から上に垂直に上記チャンバ内に方向づけられている。

この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバ内の対流の乱れ（turbulence of convective flows in the chamber）が，上記チャンバの上壁または一部をプラズマ放射領域の上に上記領域から３ｍｍ以下の可能な限り最小の距離に配置することによって，抑制される。

好ましい実施態様では，上記チャンバがキセノンで満たされており，放射プラズマが８０８ｎｍの波長のＣＷレーザーの集束ビームによって維持される。

好ましい実施態様では，上記プラズマ点火が，フリーランニングモードおよびＱスイッチモードの固体レーザーシステムによって生成される２つのパルスレーザービームを上記チャンバ中に集束させることによって行われる。

この発明の利点および特徴は，添付する図面を参照して例として与えられる，例示的な実施形態の非限定的記述からより明らかになろう。

この発明の本質は図面によって説明される。

図面において，装置の同一部材には同一の符号を付す。

図面は，この技術的解決策を実装するためのオプションの全範囲を網羅するものではなく，さらに制限するものでもなく，その実装の特定ケースの例示的な例にとどまるものである。

この発明の一実施態様による光源の概略的表現である。 ガス密度に対する輝度の相対標準偏差の依存性を示す。 時間に対するプラズマ光源の輝度の依存性を示す。 ＣＷレーザー波長λｃｗ＝９７６ｎｍおよびλｃｗ＝８０８ｎｍについてのキセノンガス圧の関数としての光源のスペクトル輝度を示す。 この発明の実施形態による光源の概略的表現である。 この発明の実施形態による光源の概略的表現である。 レーザーおよび放電によってプラズマが点火されたときのプラズマ放射の複数のビームを伴う光源の概略図である。 レーザーおよび放電によってプラズマが点火されたときのプラズマ放射の複数のビームを伴う光源の概略図である。 図９Ａおよび図９Ｂは光源のスペクトル特性である。

この明細書は，この発明がどのように実行されるかを例示するもので，発明の範囲を示すものではない。

図１に示す発明の実施形態例を参照して，レーザー励起プラズマ光源は，一部が光学的に透明である高圧ガス充填チャンバ１を備えている。図１は，光学的に透明な材料，たとえば石英ガラス（fused quartz）から製造される完全に透明なチャンバを備える例を示している。上記光源はまた，パルスレーザーシステム２を用いることができるプラズマ点火手段を含み，これによって少なくとも１つのパルスレーザービーム３が生成され，これがチャンバ１内すなわち放射プラズマ４を維持する（sustaining）ことを意図した領域内に集束される。

この発明の他の実施態様では，プラズマ点火手段として点火電極（ignition electrodes）を用いることができる。

プラズマ点火後，放射プラズマ４の領域（the region of radiating plasma 4）はＣＷレーザー６の集束ビーム５によって連続モードにおいてチャンバ内に維持される。プラズマ放射７の少なくとも１つの出力ビーム（または有用なビーム）が光コレクタ８に向かい，その後の使用のためにチャンバ１を出る。光コレクタ８は放射ビーム９を形成し，これが，たとえば光ファイバおよび／またはミラーシステムを介して，広帯域プラズマ放射を使用する一または複数の光消費システム（optical consumer system）１０に送られる。

この発明によると，プラズマ放射７の出力ビームの最適な連続生成は，チャンバ１内のガス粒子の密度が９０・１０^１９ｃｍ^－３未満であって，かつチャンバの内面の温度が６００Ｋ以上，好ましくは６００から９００Ｋの範囲（またはオプションとしてより高い温度がチャンバの寿命およびその透明度に悪影響を及ぼさない場合はそれより高い温度）であることによって実現される。

この発明によって達成される効果は，所定容積のチャンバ内の所定量のガスについて，上記ガス圧がチャンバの内面の温度とともに増加するという事実に起因する。放射プラズマの温度は実質的に固定であり（約１５０００Ｋであり，この温度を上げる試みは，プラズマ体積の増加のみを伴うので困難である），プラズマの圧力はチャンバ内の圧力に等しいので，放射プラズマの密度はチャンバ内の圧力の増加，すなわちチャンバ壁の温度の上昇とともに増加する。上記放射プラズマの密度の増加は放射プラズマの体積光度の増加（an increase in the volumetric luminosity）をもたらし，その結果として，放射プラズマが実質的に透明である広い光学範囲における光源の輝度の増加をもたらす。

同様の輝度の増加は，上記チャンバの所与の温度のもと，ガス圧を増加させることによって得ることができる。しかしながら，この場合，ガス粒子密度およびこの密度に関連する屈折が増加し，放射プラズマ領域およびその周辺の両方で乱流が発生すると，光源の輝度が著しく不安定（変動的）になる。

すなわち，この発明によると，好ましくは，ガスの密度を増加させるのではなく，ガスの温度を上昇させることによってガスの圧力が増加され，これによって光源の輝度の高い安定性を伴う放射線の高輝度化が保証される。

チャンバおよびガスの温度の上昇によって，以下の理由によってチャンバ内の対流の乱れも減少することに留意すべきである。第１に，チャンバを加熱すると，チャンバ内の温度勾配（temperature gradients）とガス密度勾配（gas density gradients）が減少し，これがプラズマの高温領域と周囲の低温ガスとの間の対流の抑制をもたらすことである。第２に，気体の流れの性質はレイノルズ数Ｒｅによって決定され，レイノルズ数が臨界値よりも小さくなると乱流が抑制されることである。上記レイノルズ数は，ガス密度ρ，ガス流速（gas flow rate）ν，および粘度（dynamic viscosity）ηに依存する。

上記粘度は温度上昇によって増加する。

ここでη_０は室温Ｔ_０（Ｔ_０≒３００Ｋ）におけるガスの粘度である。これによれば，レイノルズ数は，以下のようにガスの濃度，その速度および温度に依存する。

式（３）によると，チャンバとガスの絶対温度Ｔを上げることによってガス流の乱れを抑えることができる。乱流を抑制して光源の安定性を高めるための他の可能性としては，ガスの質量密度ρおよびその速度νを制限することが含まれる。後者は，特には，チャンバの寸法の減少により実現され，これは，プラズマを放射する領域で加熱されてアルキメデス力の作用下で浮上するガスの加速が，上記チャンバの寸法によって制限されるためである。

上記（３）によると，ガス密度が低いほど，対流ガス流の乱れが少なくなる。さらに，ガスの質量密度ρが低いほど，その屈折率（its refractive index）が低くなり，かつ対流ガス流内の光の屈折に関連する収差（aberrations）が低くなる。したがって，ガスの密度が低いほど，光源の輝度やその他の出力パラメータの不安定性が少なくなる。これが図２に示されており，図２はガスの質量密度ρおよび数密度ｎの両方に対する光源輝度σの相対標準偏差（ＲＳＤ：Relative Standard Deviation）の依存性を実験的に示している。

ガスの上記数密度ｎおよび質量密度ρは，Ｍをモル質量，Ｎ_Ａをアボガドロ定数としたときにｎ＝（Ｎ_Ａ／Ｍ）ρの数式によって表されるように，互いに関連する。

相対標準偏差は，（データセットの標準偏差）／（データセットの平均）・１００％を意味する。輝度データセットは１０^－３秒の時間間隔で測定中にサンプリングした。これは輝度信号を処理するのに十分であり，プラズマ光源の輝度の時間依存性を示す図３の拡大図に示すように，ガス流の対流に関連する振動周波数は１０～１５Ｈｚを超えない。

図２に示す依存性を得るために，プラズマの点火を開始するための電極を備える４つの同一の密封された石英チャンバを使用し，上記チャンバには，室温で１１，１７，２３および２９バールに等しい，さまざまな圧力のキセノンを充填した。図２に示す依存関係は，ガス密度が１／３に減少したことで，約５０倍，輝度の相対不安定性σが劇的に低下したことを示している。図２は，ガス密度に対するσの依存性を定性的に示したものと考えられ，輝度の不安定性がさらに数倍，３倍以上減少する可能性があることを意味する。これは，特に，無電極プラズマ点火のプラズマ光源における使用，および負帰還を伴うＣＷレーザー制御システムによって達成される。

図３において，輝度の時間依存性は，室温下で２２バールの圧力に相当する６０・１０^１９ｃｍ^－３のキセノンガス密度で満たされたチャンバを備えたプラズマ光源に対してのものである。プラズマ放射線のビームの出口に配置された石英チャンバの球状部分は４ｍｍ程の小さい内面の直径を有する。この場合のプラズマ光源輝度の相対標準偏差σは０．０４～０．０５％の範囲である。

一般には，ガス圧が高いほど，したがって放射プラズマの領域の圧力が高いほど，光源の輝度は高くなる。

明るさの相対標準偏差を十分に小さいσ≦０．１％にするために，チャンバ内のガス粒子の密度が，室温下で約３３.５バールのガス圧に対応する９０・１０^１９ｃｍ^－３を上限としてこれ以下に実験的に決定されて選択される。同時に，達成可能な最大値に近い光源のスペクトル輝度を得るために，６００から９００Ｋまたはそれ以上の範囲の温度下において５０ｍＷ／（ｍｍ^２・ｓｒ・ｎｍ）以上のガス圧であること，したがって放射プラズマの密度が動作時に約５０バール以上の最適なガス圧を提供するのに十分高くなければならない。この目的のために，チャンバ内のガス粒子の密度は，室温下で１６.５バール以上のガス圧に相当する，実験的に決定される４５・１０^１９ｃｍ^－３を下限としてこれ以上に選択される。

したがって，高いスペクトル輝度および輝度の低い相対標準偏差を提供するために，ガス粒子の密度はできるだけ低くする必要があり，他方において動作中のチャンバの内面の温度は，約５０バール以上のチャンバ内のガス圧提供下においてできるだけ高くする必要がある。

この発明の一実施態様において，動作中の上記チャンバの内面の温度は６００Ｋであり，かつガス粒子の密度は室温下で２４．５バール，作動時で５０バールのガス圧に相当する６５・１０^１９ｃｍ^－３である。

この発明の好ましい実施態様では，チャンバは，８６０Ｋという高い内面温度で動作でき，ガス粒子の密度は，室温下で１６．５バール，動作時で５０バールのガス圧に相当する４５・１０^１９ｃｍ^－３という低い値を選択することができる。

図４を参照して，図４は室温下におけるチャンバ内のキセノンガスの圧力に対する光源のスペクトル輝度の依存性を示している。４５０Ｋのチャンバ温度の下，動作定常モードで６００－５００ｎｍのスペクトル範囲で測定は実行した。指定されたスペクトル範囲では，スペクトル輝度は約４００ｎｍ付近の波長で観察される最大値よりも約２５％低くなる。測定は，波長λcw＝９７６ｎｍおよびλcw＝８０８ｎｍで６５Ｗの放射出力を持つ２つＣＷダイオードレーザーについて行った。

調査結果は，両方の波長のレーザー放射について，室温下で少なくとも２５バールのチャンバ内のガス圧において高いスペクトル輝度が達成されることを示している。放射強度の高い安定性σ≦０．１％は，室温下で３６バールまでのチャンバ内のガス圧において維持される。

測定結果は，チャンバ温度が６００Ｋ以上に上昇しても，光源の出力パラメータの高い安定性を維持しながら，明るさを増加させる確実な傾向を示すものであった。

この発明によると，上記ガスとして不活性キセノンの使用が好ましく，これにより安全な操作と光源の長寿命が保証される。さらに，他の不活性ガスの放射プラズマと比較して，Ｘｅプラズマが，ＵＶ，可視，およびＩＲ領域を含む広いスペクトル範囲において最高の光と特徴付けられる。

高効率ＣＷダイオードレーザーの好ましい波長の選択は次の要因による。レーザー波長９７６ｎｍ付近ではＸｅの強い吸収線が存在し，温度が上昇するにつれて低状態（the lower state）が生成される。８０８ｎｍ付近では，このような線は吸収線から離れているので，所定のレーザー出力においては，９７６ｎｍの場合よりも高いプラズマ密度および温度において連続的な光放電を維持するのに十分な吸収が達成される。

したがって，この発明の好ましい実施態様では，上記チャンバに充填するガスはキセノンであり，上記ＣＷレーザーの波長は８０８ｎｍである。

この発明の他の実施形態は，放射プラズマの強度，輝度，スペクトルおよび空間位置を含む光源の出力パラメータの安定性をさらに高め，他方において光源の可能な限り高い輝度を確保することを目的とする。

好ましい実施態様では，ＣＷレーザーの集束ビームが下から上に向けてチャンバ内に方向づけられ，上記ビームの軸は重力11（図５）に垂直平行（vertically parallel）に，またはほぼ垂直に向けられます。光源の安定性がさらに向上するのは，通常，プラズマ４を放射する領域が，ＣＷレーザーの集束ビーム５に向かって焦点から集束レーザービームの断面に向けてわずかにシフトする（slightly shifted from the focus towards focused beam 5 of the CW laser to that cross section of the focused laser beam）という事実によるもので，そこでのＣＷレーザーの集束ビーム５の強度は放射プラズマ４の領域を維持するのに十分である。ＣＷレーザーの集束ビーム５が下から上に向けられると，最も熱くかつ最も低い質量密度のプラズマを含む放射プラズマ４の領域はアルキメデス力の作用下で浮く傾向がある。上昇すると，放射プラズマ４の領域は焦点により近い場所に到達し，そこではＣＷレーザーの集束ビーム５の断面がより小さくなり，レーザー放射の強度がより高くなる。これにより，一方ではプラズマ放射の輝度が増加し，他方では放射プラズマの領域に作用する力が均衡し，光源の高い安定性が保証される。

このようなポジティブな効果を実現するために，好ましくは，チャンバ１は軸対称とされ，ＣＷレーザーの集束ビーム５の軸がチャンバの対称軸と位置合わせされる。

光源の出力特性の安定性は，放射プラズマ４の領域において加熱されるガスによるアルキメデス力の作用の下で取得されるパルスの大きさ（magnitude of the pulse）にも影響される。ガスによって獲得されるモーメント（運動量）および対流の乱流は，プラズマ４を放射する領域がチャンバの上壁またはプラズマ４を放射する領域の上に位置するチャンバの部分に近づくほど小さくなる。したがって，図５に示す実施形態における光源の出力特性の安定性を高めるために，チャンバの一部または細部１２が，プラズマ４を放射する領域の上に，そこから可能な限り最小の，３ｍｍ未満の距離で配置され，これはチャンバの寿命およびその透明性に悪影響を与えることはない。

また，チャンバの部分１２を，プラズマ放射領域を通過したＣＷレーザービームおよびプラズマ放射の一部の両方を反射してプラズマ４に集束するように配置することができる。これにより放射損失が減少し，光源の効率が向上する。図５に示すこの発明の実施形態では，プラズマに近いチャンバの部分１２は放射プラズマ４の領域に中心を有する凹球面鏡１３である表面を含む。

好ましい実施態様では，図１および図５に示すように，少なくともプラズマ放射７の出力ビームの出口とされるチャンバ１の部分は球状またはほぼ球状であり，放射プラズマ４の領域はチャンバ１の球状部分の対称中心に位置する。これによりチャンバの透明な壁がプラズマ放射の光線の経路に入るために生じる色収差と球面収差が最小限に抑えられる。

対流の乱れに関連する収差の抑制は，特にチャンバサイズを縮小することによって達成される。したがってこの発明の一実施態様では，チャンバの球状部分の内面の半径は５ｍｍ未満，好ましくは３ｍｍ以下である。

図６はこの発明の一実施態様を示すもので，チャンバがヒータを備えている。ヒータは，加熱コイル14と，加熱コイル36と通電母線（バスバー）17との間に温度差を与えることを目的とする温度ブリッジ16を介して上記加熱コイルに接続された電流源15から構成することができる。さらに通電母線17には，たとえば空冷式ラジエータの形態の熱交換器（図示略）を設けることができる。チャンバは球状部分および加熱コイル14が配置された円筒状部分から構成することができる。チャンバにはチャンバの温度を測定する熱電対を装備することもできる。さらに加熱コイル14は断熱ジャケット（図示略）内に収容してもよい。

上記ヒータは，チャンバを動作温度に事前加熱するように設計されており，これによりプラズマの点火が容易になり，６００～９００Ｋの範囲のチャンバの事前設定される最適な高温の定常状態動作モードに光源はすばやく移行する。

この発明の一実施態様では，上記光コレクタ（集光器）が，放物面鏡（parabolic mirror）８，および好ましくは広帯域プラズマ放射を使用する光学システムに光ファイバによって運ばれるプラズマ放射ビーム９を形成することを意図した偏向鏡（deflecting mirror）１８を含む。

この発明の好ましい実施態様では，高輝度プラズマ光源は，プラズマ放射７の出力ビームにおける所与の出力（パワー）を自動的に維持する機能を有する制御ユニット１９を備えている（図６）。このために，上記光源はパワーメータ２０を備え，パワーメータ２０には結合器（カプラ）（図示略）によってプラズマ放射線９のビームからの光束の小部分が供給される。好ましくは，上記制御ユニットにはヒータ１５，パワーメータ２０，およびＣＷレーザー６の電力供給ユニットが接続される。プラズマ放射９のビームの指定出力の維持が，パワーメータ２０とＣＷレーザー６の電源ユニットとの間のフィードバック回路にしたがって制御ユニット１９によって実行される。さらに制御ユニット１９は，上記チャンバをその最適な高温で熱的に安定させるように機能させることができる。この発明のこの実施形態は，長期連続動作モードにおけるレーザー励起プラズマ光源の出力および輝度の安定性を改善する。

図６に示すように，この発明の好ましい実施態様では，光ファイバ出力を備えるＣＷレーザー６が用いられる。光ファイバ２１の出力において，拡大レーザービームが，たとえば集光レンズの形態のコリメータ２２に向けられる。コリメータ２２の後，ＣＷレーザーの拡大された平行ビーム２３は，偏向ミラー２４によって，たとえば非球面レンズの形態の集束光学素子２５に向けられ，ＣＷレーザービーム５の鋭い集束が提供される。これは，光源の高輝度を確保するために必要である。

この発明の好ましい実施態様では，Ｑスイッチモードにおいて第１のレーザービーム２７を生成する第１のレーザー２６を含み，かつフリーランニングモードにおいて（in a free-running mode）第２のレーザービーム２９を生成する第２のレーザー２８を含む固体レーザーシステム２が，信頼性の高いプラズマ点火のために用いられる。能動素子３０，３１を有するパルスレーザーは，たとえばフラッシュランプ３２の形態の光ポンピング源を備え，好ましくは共通のキャビティミラー３３，３４を有する。第１のレーザー２６はＱスイッチ３５を備えている。２つのパルスレーザービーム２７，２９が，放射プラズマ２を維持することを意図した領域においてチャンバ内に集束される（図６）。第１のレーザービーム２７は光学的破壊（optical breakdown）を意図したものである。第２のレーザービーム２９は，ＣＷレーザーの集束ビーム５によってプラズマを放射する領域４を定常的に維持するために十分な体積および密度のプラズマを生成することを意図している。

好ましくは，ＣＷレーザーの波長λcwは，第１および第２のパルスレーザービーム２７，２９の波長λ1，λ2と異なる。一例として，ＣＷレーザーの波長はλＣＷ＝８０８ｎｍまたは９７６ｎｍとされ，パルスレーザーはλ1＝λ2＝１０６４ｎｍの出射波長を持つ。これによって，ダイクロイックミラー２４を用いてＣＷレーザービーム２３およびパルスレーザービーム２７，２９をチャンバに入力することができる。パルスレーザービーム２７，２９を搬送するために回転ミラー３６を追加的に使用することができる（図６）。

図１，図５，図６は，プラズマ点火のためのパルスレーザーシステム２を用いる場合，チャンバ１がすべての方位角に（in all azimuths）プラズマ放射を出力することができることを示している。一実施態様では，チャンバからのプラズマ放射の出力ビームの出射は，少なくとも９ｓｒの空間角度，または全立体角の７０％を超える空間角度で実行される。この場合，プラズマ放射の出力ビーム７の開き角（図面の平面に対する平面角）は９０°以上である。

この発明による光源は，この実施態様のものだけが，プラズマ放射７の出力ビームの光コレクタ８への全方位における出力をするという限定はない。放射プラズマ４の領域を通過する水平面における光源の断面を示す図７に示すように，この発明の他の実施態様では，光源は，プラズマ放射７ａ，７ｂ，７ｃの少なくとも３つのホモセントリック出力ビームを有することができる。連続的な光放電を開始し維持する図７のレーザービームは，図面の平面の下に位置している。単一の光源からのプラズマ放射のいくつかの，特に３つのビームの使用は多くの産業用途に必要とされる。この実施形態では，レーザー励起光源チャンバ１は，３つの光コレクタ８ａ，８ｂ，８ｃを備えるハウジング３７内に収容することができる。３つの光コレクタ８ａ，８ｂ，８ｃは，広帯域プラズマ放射を使用して，たとえば光ファイバによって光消費システム１０ａ，１０ｂ，１０ｃに運ばれるプラズマ放射９ａ，９ｂ，９ｃのビームを形成する。これにより，１つの光源を３つ以上の光消費システムに使用できるようになり，システムのコンパクトさと，すべての光チャネルにおける広帯域放射のパラメータの同一性が保証される。

図８は３つの放射出力チャネルを有する光源の別バージョンを示しており，高電圧パルス電源（図示略）に接続されたプラズマ点火手段としての２つの点火電極３８，３９が使用されている。この実施形態において上述の実施形態（図７）のものと同じ装置の部品は図８において同じ参照番号を付し，それらの詳細な説明は省略する。

この発明の好ましい実施態様では，チャンバの透明部分は石英製（quartz）である。他の実施態様では，チャンバの透明部分は，サファイア，ロイコサファイア（leucosapphire），溶融シリカ，結晶シリカ，結晶フッ化マグネシウムのグループに属する光学的に透明な材料で作ることができる。

図１，図５，図６，図７，図８に示す提案のレーザー励起プラズマ光源を使用したＣＯＤプラズマからの光生成方法は，次のとおりである。チャンバ１が，室温下３５．５バールの圧力に相当する９０・１０^１９ｃｍ^－３未満の粒子密度を有するガスによって充填される。ＣＷレーザー６の集束ビーム５がチャンバ１に向けられる。点火電極またはパルスレーザーシステム２のいずれかとすることができるプラズマ点火手段の助けを借りて，プラズマが点火される。初期プラズマの濃度と体積は，ＣＷレーザー６の集束ビーム５による連続的な光放電を確実に維持するのに十分なものとされる。定常状態の定常動作モードでは，プラズマを放射する領域は，６００～９００Ｋの範囲またはオプションでそれ以上のチャンバの内面の温度下で，ＣＷレーザーの集束ビームによって維持される。プラズマ放射の少なくとも一つの出力ビームが，放射プラズマ４の領域から，チャンバ１の光学的に透明な部分を通して，方向付けされる。

チャンバの壁を特定の温度に加熱することによって，放射プラズマの領域を取り囲むガスの圧力が倍増し，２倍から３倍またはそれ以上増加する。プラズマ内の圧力はチャンバ内の圧力と等しいので，チャンバ壁の加熱によって放射プラズマの密度が増加し，これは放射プラズマの体積輝度の増加をもたらし，結果として，広い光学範囲における光源の明るさの増加をもたらす。この場合，乱流で光源の輝度の大幅な不安定性につながるガス密度とそれに比例する屈折を増加させることなく，ガス圧力と光源の輝度の増加が達成される。上述したように式（３）を考慮すると，ガスの温度Ｔを上げ，その密度ρを減少させ，または制限し，ガスの流速νを下げることで対流乱流を抑制することができ，これが提案する光生成方法において実装される。

光源の高いスペクトル輝度を達成するために，動作時のチャンバ内のガス圧は５０ｍＷ／（ｍｍ^２・ｓｒ・ｎｍ）を超え，５０バール近くまたはそれ以上が提供される。

０．１％未満の輝度の低い相対的不安定性σを達成するために，可能な限り低いガス粒子の密度において，チャンバの内面の温度が可能な限り高く設定される。

プラズマ放射領域から上昇するガス流の速度νは，チャンバの上壁または一部をプラズマ放射領域から３ｍｍを超えない可能な限り最小の距離に配置することによって最小化される。一実施態様では，チャンバのサイズは，チャンバの壁がプラズマを放射する領域から３ｍｍを超えない距離に配置されるように選択され，これはチャンバ内の対流の乱流を抑制するのに役立つ。

すなわち，この発明は，このタイプの光源で達成可能な最大値に近い高輝度において，レーザー励起プラズマ光源の高い安定性を提供することを可能にする。

この方法の一実施形態では，チャンバは，チャンバに入るＣＷレーザーの放射出力に起因して，光源を定常動作モードにするプロセスにおいてプラズマの点火後に加熱される。

他の実施態様では，プラズマ点火の前に，図６の要素１４，１５，１６，１７を含む外部ヒータにより，チャンバ１が６００から９００Ｋの範囲の温度まで急速に加熱される。これによりプラズマの点火が容易になり，光源が定常動作モードに達する時間が短縮され，設計が簡素化されて使いやすさが向上する。ＣＷレーザーの放射パワーおよびヒータによって，チャンバ内面が所定の温度に保たれる。

光源の安定性をさらに高めるために，ＣＷレーザーの集束ビームがチャンバ内に垂直に沿って下から上に向けられ，これによりプラズマ放射領域の輝度と空間安定性が向上する。この場合，ＣＷレーザービームは，プラズマ放射の出力ビームが通過するチャンバの部分の対称中心に集束されることが好ましい。これにより広帯域プラズマ放射がチャンバの透明な壁を通過するときにビームの経路を歪め，その放射を輸送するときに光源の輝度を低下させる可能性がある光学収差が減少する。

光源の可能な最大輝度を達成するためにキセノンガスを使用することが好ましく，レーザーは波長８０８ｎｍの連続ダイオードレーザーが好ましい（図４）。

他の不活性ガスの放射プラズマと比較して，連続光放電（ＣＯＤ）のＸｅプラズマは，可視および近赤外領域を含む広いスペクトル範囲における最高の光出力によって特徴付けられる。図９Ａは，不活性ガスとしてＸｅを使用した光源の特性スペクトルを示している。

他の不活性ガス，特に重い不活性ガスＫｒ，Ａｒ，Ｎｅを使用したり，他の不活性ガスをキセノンに２０％以下の割合で添加したりしても，ＣＯＤの光学特性に顕著な影響はない。紫外，可視，近赤外スペクトル領域のＣＯＤ放射は黒体放射に近く，主にプラズマ温度によって決定される。同時に，１００～２００ｎｍの真空紫外（ＶＵＶ）領域では，キセノンにおける放射線の吸収または自己吸収が観察される。したがって，放射スペクトルをＶＵＶ領域に拡張する場合，他の不活性ガス，特にＫｒ，Ａｒまたはそれらの混合物を使用することが好ましい場合がある。図９Ｂは，比較のためにキセノンガスとＫｒ＋Ａｒガス混合物を使用したときの光源のＶＵＶスペクトルを示している。

一般には，この発明によると，不活性ガス，好ましくはキセノン，クリプトン，アルゴン，ネオンまたはそれらの混合物が，チャンバに充填されるガスとして使用される。

この発明の一実施態様では，プラズマが固体パルスレーザーシステム２の２つのパルスレーザービーム２７，２９によって点火され，放射プラズマの領域に集束される（図６）。２つのパルスレーザービーム２７，２９は光誘起ブレークダウンおよび初期プラズマの生成を提供し，その密度は約１０^１８電子／ｃｍ^３の値を有する連続光放電プラズマの閾値密度より高い。この実施形態ではレーザー点火の信頼性と光源の使いやすさが達成される。プラズマ点火を開始するために電極を使用するソースとは対照的に，チャンバの形状を最適化し，チャンバ内の対流ガス流の乱流を減らし，光学収差を最小限に抑え、プラズマ放射収集の空間角度を大きくすることができる。

概略的に，特許請求される発明は，レーザー励起プラズマ放射源の輝度を増加させ，高い安定性を確保することを可能にする。

この発明により作られた高輝度で非常に安定したレーザー励起光源は，分光測光法およびその他の目的のためのプロセスのために，分光化学分析，生物学および医学における生物学的対象のスペクトル微量分析，マイクロキャピラリー液体クロマトグラフィー，光リソグラフィーの検査のために、さまざまな投影システムで使用することができる。

Claims (24)

1. 少なくとも一部が光学的に透明であるガス充填チャンバ，プラズマ点火手段，連続波（ＣＷ）レーザーの集束ビームによって上記チャンバ内に維持されるプラズマを放射する領域，および上記チャンバを出るプラズマ放射の少なくとも一つの出力ビームを含み，
   上記プラズマ放射の出力ビームの最適連続生成が，上記チャンバ内のガス粒子の密度が９０・１０^１９ｃｍ^－３未満であり，かつ上記チャンバの内面の温度が６００Ｋ以上であることによって達成される，
   レーザー励起プラズマ光源。
2. 上記最適連続生成が，５０ｍＷ／（ｍｍ^２／ｎｍ・ｓｒ）を超える高スペクトル輝度の光源，および０．１％未満の輝度の低相対標準偏差σによって特徴付けられる，
   請求項１に記載の光源。
3. 約５０バール以上のチャンバ内のガス圧力の提供の下，ガス粒子の密度が可能な限り低く，かつ作動中の上記チャンバの内面の温度が可能な限り高い，
   請求項１または２に記載の光源。
4. 上記ガス粒子の密度が４５・１０^１９ｃｍ^－３以上であり，１６．５バール以上の室温におけるガス圧力に対応する，
   請求項１から３のいずれかに記載の光源。
5. 上記チャンバの内面の温度が９００Ｋ以下である，
   請求項１から４のいずれかに記載の光源。
6. 上記ガスが，キセノン，クリプトン，アルゴン，ネオン，および／またはそれらの混合物を含む，
   請求項１から５のいずれかに記載の光源。
7. 上記ガスがキセノンであり，上記ＣＷレーザーの波長が８０８ｎｍである，
   請求項１から６のいずれかに記載の光源。
8. 上記プラズマの出力ビームの出口に配置される上記チャンバの少なくとも一部が球状であり，プラズマを放射する領域が上記チャンバの上記球状部分の中心に位置する，
   請求項１から７のいずれかに記載の光源。
9. 上記チャンバの球状部分の内面の半径が５ｍｍ未満，好ましくは３ｍｍ以下である，
   請求項８に記載の光源。
10. 上記ＣＷレーザーの集束ビームが，上記チャンバ内に下から上に方向づけられ，上記集束ビームの軸が垂直にまたはほぼ垂直に方向づけられている，
    請求項１から９のいずれかに記載の光源。
11. 上記チャンバの一部または細部が，プラズマを放射する領域の上にそこから３ｍｍ以下の距離に配置されている，
    請求項１から１０のいずれかに記載の光源。
12. 上記チャンバがヒータを備えている，
    請求項１から１１のいずれかに記載の光源。
13. 上記チャンバの透明部分が，サファイア，ロイコサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３），溶融石英（fused quartz），結晶石英（ＳｉＯ_２），結晶フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）のグループに属する材料から作られている，
    請求項１から１２のいずれかに記載の光源。
14. 上記プラズマ点火手段が，Ｑスイッチングモードのパルスレーザービームおよびフリーランニングモードのパルスレーザービームを生成する個体レーザーシステムを備え，上記２つのパルスレーザービームが上記チャンバ内に集束される，
    請求項１から１３のいずれかに記載の光源。
15. 上記ＣＷレーザーのビームおよび上記チャンバから外に出るプラズマ放射の出力ビームのそれぞれが，上記プラズマを放射する領域の外において互いに交差しない，
    請求項１から１４のいずれかに記載の光源。
16. ３つ以上のプラズマ放射の出力ビームを有している，
    請求項１から１５のいずれかに記載の光源。
17. ガス充填チャンバ内でプラズマ点火し，ＣＷレーザーの集束ビームによって維持されるプラズマを放射して上記チャンバの光学的に透明な部分を通じてプラズマを放射する領域から外に出る少なくとも一つのプラズマ放射の出力ビームを生成する光生成方法であって，
    上記チャンバが９０・１０^１９ｃｍ^－３未満の粒子密度のガスによって満たされており，
    上記プラズマが６００Ｋ以上の上記チャンバの内面の温度においてＣＷレーザーの集束ビームによって維持される，
    方法。
18. ５０ｍＷ／（ｍｍ^２／ｎｍ・ｓｒ）を超える高スペクトル輝度の光源を提供するために，作動中の上記チャンバのガス圧が約５０バール以上である，
    請求項１７に記載の方法。
19. ０．１％未満の輝度の低相対標準偏差σを提供するために，上記チャンバの内面の温度が，可能な限り低いガス粒子の密度の下で，可能な限り高くされる，
    請求項１７または１８に記載の方法。
20. 上記チャンバが４５・１０^１９ｃｍ^－３以上のガス粒子の密度の粒子密度を持つガスによって満たされており，上記チャンバの内面の温度が９００Ｋ以下の温度に維持されている，
    請求項１７から１９のいずれかに記載の方法。
21. 上記ＣＷレーザーの上記集束ビームが下から上に垂直に上記チャンバ内に向けられている，
    請求項１７から２０のいずれかに記載の方法。
22. 上記チャンバ内の対流の乱れが，上記チャンバの上壁または一部を，プラズマを放射する領域の上にそこから３ｍｍ以下の距離に配置することによって抑制される，
    請求項１７から２１のいずれかに記載の方法。
23. 上記チャンバにキセノンが充填されており，上記放射プラズマが８０８ｎｍの波長のＣＷレーザーの集束ビームによって維持される，
    請求項１７から２２のいずれかに記載の方法。
24. 上記プラズマ点火が，フリーランニングモードおよびＱスイッチモードの固体レーザーシステムによって生成される２つのパルスレーザービームを上記チャンバ中に集束させることによって生成される，
    請求項１７から２３のいずれかに記載の方法。
    

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