JPH01287427A

JPH01287427A - レーザー波長検出装置

Info

Publication number: JPH01287427A
Application number: JP11853188A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shimada; 恭博嶋田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-05-16
Filing date: 1988-05-16
Publication date: 1989-11-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、レーザー光の発振線のピーク波長を精度よく
検出するレーザー波長検出装置に関するものである。レ
ーザー波長検出装置は、レーザー光の発振波長のチュー
ニングや較正などに利用することができる。

従来の技術従来、レーザー発振線のピーク波長を決定する手段とし
て、プリズムや回折格子などの波長分散素子を具備した
分光器を用いる方法がある。

たとえば、極度に単色化されたレーザー光のように線幅
の狭いスペクトルのピーク波長を観測するには、まず、
そのスペクトルを分離できるだけの分解能を有する分光
器が必要である。たとえば２４８、４　ｎｍの近傍にピ
ーク波長があり、発振線の半値幅が０．００５ｎｍ　程
度までに単色化されたＫｒＦエキシマ・レーザーの発振
スペクトルを観測するには０．００２ｎｍ　程度の分解
能が必要であり、標準的なツエルニ・ターナ型分光器で
は１ｍ以上の焦点距離を有する大型のものが必要である
。これに加えて、分光器自体の検出波長較正を行うため
の参照標準光源が必要である。２４８．４　ｎｍ近傍に
線スペクトルを有する標準光源として、たとえばＦｅ　
アークランプ（２４８，３２７０ｎｍ　）や低圧Ｈｑラ
ンプ（２４８，３８２９ｎｍ　）が用いられる。これら
の既知の線スペクトルによって分光器の波長較正を行っ
た後、レーザー光の発振スペクトルを観測することにな
る。

ところで、レーザー装置が工業上多様な分野で活用され
るに至った現在では、レーザー装置の発振スペクトルの
検出や較正・調整を様々な装置設置場所で行うことが必
要となってきた。特に、エキシマ・レーザーのように利
得バンド幅の広いレーザーは、広い利得バンド内におい
て発振波長が変動しうるので、レーザー装置を定期・不
定期に較正することが不可欠である。

しかしながら、上述したようにレーザーの発振スペクト
ルが極度に単色化されている場合には、その発振波長の
決定には著しく大型で高価な分光器を用意する必要があ
るが、これらを個々のレーザー装置に具備することは工
業上有用とはいえない。あるいは、レーザー装置の発振
波長の較正の度に大型の分光器を持ち込み、その都度分
光器を標準光源で較正した後、レーザー装置の発振波長
を較正する手段もあるが、分光器の運搬や波長較正の手
順が極めて繁雑な作業となる。

一方、レーザーの発振スペクトルのように、ある単波長
にスペクトルのピーク波長を固定して使用する単色光源
については、発振スペクトルのピーク波長が所望の波長
にあるかどうかだけ知れればよい場合が少くない。した
がってこのような場合には、分光器のように広い波長領
域にわたって波長走査しながらスペクトルを調べる必要
はなく、所望の波長の近傍にスペクトルのピークがある
かどうかだけ知れれば十分である。

たとえばＫｒＦエキシマ・レーザーの発振スペクトルの
ピークを２４８．４　ｎｍに±０．００１ｎｍの精度で
固定したければ、２４８．３９９　ａｍから２４８．４
０１ｎｍまでの光だけを透過し検出する光検出装置があ
ればよい。すなわち、この光検出装置の応答が最大とな
るようにレーザー装置を調整すれば、レーザーの発振波
長のピークを前記光検出装置の感度幅内に入れることが
できる。

上述のように、任意の波長の光のみを選択的に透過させ
る波長選択素子としてファプリー・ペロー・エタロン（
以下、ｖ−ｐエタロンという）がある。Ｆ−Ｐエタロン
は、比較的高い反射率を持った２枚の平行平板で、第２
図すおよび第２図Ｃに示すように特定の波長（または周
波数）間隔をおいて光を鋭く透過する。この透過曲線の
透過ピークから隣シの透過ピークまでの波長間隔を自由
スペクトル領域（以下、ＦＳＲという）という。

Ｆ−Ｐエタロンを透過できる光の波長λは、上述の透過
ピークの波長に一致し、次式の干渉条件を満す。

２ｎｈ　　θ＝ｍλ　　　　　　・・・・・・（１）ｃ
ｏｗ　　　　　　　　　ｍここでｈはＦ−Ｐエタロンの２枚の反射面の間隔、ｎは
２枚の反射板の間隔を満す物質の屈折率、θはＦ−Ｐエ
タロンの法線に対する入射光のなす角、ｍは任意の整数
で干渉次数を表わす。

発明が解決しようとする課題上記のＦ−Ｐエタロンに観測するレーザー光の一部また
は全部を入射させ、その透過光を集光レンズで結像させ
ると、集光レンズの焦点面にフリンジパターンと呼ばれ
る環状の干渉縞が現われる。

入射光線であるレーザー光が完全に平行光束である場合
には、式（１）においてθが一意に固定されるので、原
理的にはフリンジパターンは現われないが、実際のレー
ザー光は、その光束取り出し開口や、光路上の光学開口
によって回折を受け、完全な平行光束ではないからであ
シ、このため、式（１）でｈが既知であっても波長λを
決定できないという欠点があった。さらに、各θ毎のフ
リンジそれぞれには、ｍ　−１次２ｍ次１ｍ＋１次、・
・・・・・に対応して式（１）を満す波長λ　　　λ　
　λ　　・・・・・・なｍ−１、ｍ、　　ｍ＋１どが１ＦＳＲ毎に重って混在しているので、波長を決定
できない。これに加えて、Ｆ−Ｐエタロンの雰囲気の温
度や圧力の変化によって平行平板の間隔の気体密度が変
化し、フリンジパターンがシフトするので、波長の決定
をさらに困難にしていた。

課題を解決するための手段上記の課題を解決するために、本発明のレーザ−波長検
出装置は、１つまたは複数のＦ−Ｐエタロンの透過ピー
クを重ね合せ、レーザー利得バンド幅内にただ１つの透
過ピークのみを有するようにし、透過光を集光する集光
レンズの焦点面近傍に光検出器を設けたものである。さ
らに、前記Ｆ−Ｐエタロンの一部または全部を気密室内
に設置し、気密室内の気体密度を固定または可変とする
手段を設けて構成される。

作　　用この構成により、レーザー利得バンド幅内で、Ｆ−Ｐエ
タロンを透過できる光は１つの次数を持つものだけであ
る。すなわち、式（１）において次数ｍが固定される。

また、ピンホールによって光軸上に集光された光だけを
検出するので、光軸と平行にＦ−Ｐエタロンに入射した
光しか検出されない。すなわち、式（１）においてＦ−
Ｐエタロンの法線と入射光とのなす角θが固定される。

したがって、Ｆ−Ｐエタロンを設置した気密容器を封じ
切シにしておけば、気密容器内の気体密度が固定され、
式（１）において、屈折率ｎが固定される。Ｆ−Ｐエタ
ロンの間隔りは既知であるから以上によって、式（１）
中のパラメータｈ　、　ｍ　、θおよびｎが固定され、
光検出器によって検出される波長は、レーザー利得バン
ド幅内でただ１つだけであシ、その分解能はＦ−Ｐエタ
ロンの透過ピークの鋭さ、すなわちフィネスで決定され
る。この単一の透過ピークを、標準光源と分光器を用い
て較正すれば、検出されるレーザー光の波長を決定でき
る。

さらに、気体密度の変化による屈折率の変化を積極的に
利用し、前記気密室内の気体密度を走査する手段を設け
ることによシ、レーザー光の波長検出を可変とすること
ができる。

実施例以下、本発明の第１の実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

第１図は本発明の第１の実施例におけるレーザー波長検
出装置である。第１図において、１は第１のＦ−Ｐエタ
ロンで、平行平板の間隔が６０μｍであって、ＦＳＲは
０．５ｏｍ程度であり、フィネスは２０としである。し
たがって、半値幅０．０２５ｏｍを持った透過ピークが
０．５ｏｍ毎に存在する。

２は、第２０Ｆ−Ｐエタロンで、平行平板の間隔が８８
０　ｐｍであって、ＦＳＲはα０３５　ｎｍ程度であり
、フィネスは２ｏである。したがって、半値幅０．００
２ｏｍを持った透過ピークが０．０３５　ｎｍ毎に存在
する。３は、前記Ｆ−Ｐエタロンを通過した光を集光す
る集光レンズである。４は、集光レンズ３の焦点面に位
置し、光軸上に小径の穴の空いたピンホールである。６
は、前記Ｆ−Ｐエタロン１および２の透過光を検出する
光検出器である。６は、気密容器で、レーザー光の入射
窓７を具備している。１１は、レーザー波長検出装置に
導入されるＫｒＦエキシマ・レーザーのレーザー光束で
あって、２４８．２　ｎｍから２４８．７　ｎｍまでの
レーザー利得バンド幅のうち、いづれかの波長を中心に
０．００５　ｎｍ　　の半値幅まで発振スペクトルが狭
帯域化されている。

以上のように構成されたレーザー波長検出装置について
、以下、その動作を説明する。まず、第１０Ｆ−Ｐ工ｐ
ｏン１のＦＳＲは０．５ｏｍであるから、０．０２５　
ｎｍの半値幅を持った透過ピークがＫｒＦエキシマ・レ
ーザーのレーザー利得ハ：／）”ＩＩ内に１つだけ存在
する。次に、第２のＦ−Ｐエタロン２のＦＳＲは０．０
３５　ｎｍであるから、０．００２ｏｍの半値幅を持っ
た透過ピークがＫｒＦエキシマ・レーザーの利得バンド
幅内に、およそ１４本存在する。ここで、標準光源と分
光器を用いて前記第１のＦ−Ｐエタロン１の透過ピーク
と、前記第２０Ｆ−Ｐエタロンの透過ピークのうちいづ
れか１つとを重ね合せ、さらに、重なった透過ピークヲ
ＫｒＦエキシマ・レーザーのレーザー利得バンド内の所
望の波長に整合させる。上記一連の透過波長の調整は、
Ｆ−Ｐエタロン１および２の傾斜角を微調整することに
よって行う。以上によって、Ｆ−Ｐエタロン１および２
によって結合された透過特性は、ＫｒＦエキシマ・レー
ザーのレーザー利得バンド幅内の１つの波長を中心とし
て、半値幅０、００２　ｎｍ　　を持つことになる。こ
の様子を第２図に示す。第２図ａはＫｒＦエキシマ・レ
ーザーのレーザー利得バンドを表わし、第２図すは第１
のＦ−Ｐエタロンの透過特性、第２図Ｃは前記第２のＦ
−Ｐエタロンの透過特性、第２図ｄは前記レーザー利得
バンド幅内で結合された前記第１のＦ−Ｐエタロン１と
前記第２のＦ−Ｐエタロン２を重ね合せた透過特性であ
る。

さて、　ＫｒＦエキシマ・レーザーのレーザー光束１１
を、入射窓７からレーザー波長検出装置内に導入する。

前記Ｆ−Ｐエタロン１および２を透過シタレーザー光は
、集光レンズ３およびピンホール４によって、レーザー
波長検出装置の光軸と平行に入射したレーザー光のみが
選択され、ピンホール４の後方にある光検出器６に入射
する。前記Ｆ−Ｐエタロン１と２を結合した透過ピーク
の波長と、前記ＫｒＦエキシマ・レーザーの発振波長の
中心が一致するのは光検出器６の応答が最大となるとき
であるから、前記ＫｒＦエキシマ・レーザーの発振波長
の中心が、前記透過ピークの波長と±０．００１　ｎｍ
　　の精度で一致しているかどうかを知ることができる
。また、前記ＫｒＦエキシマ・レーザーの装置内に波長
選択素子があれば、これを操作して、前記透過ピークの
波長に前記ＫｒＦエキシマ・レーザーの発振波調の中心
を同調させることができる。さらに、本発明のレーザー
波長検出装置は、前記Ｆ−Ｐエタロン１および２を気密
容器６の中に設置しであるので、雰囲気の圧力や温度変
化による屈折率の変化の影響を受けることなく、長期に
わたって再現性のよいレーザー波長の検出が可能である
。

次に、本発明の第２の実施例について、図面を参照しな
がら説明する。

第３図は本発明の第２の実施例におけるレーザー波長検
出装置である。第３図において、１は第１のＦ−Ｐエタ
ロンで、平行平板の間隔が６０μｍであって、フィネス
は２０である。２は第２のＦ−Ｐエタロンで、平行平板
の間隔が８８０μｍであって、フィネスは２０である。

３は前記Ｆ−Ｐエタロンを通過した光を集光する集光レ
ンズである。４は、集光レンズ３の焦点面に位置し、光
軸上に小径の穴の空いたピンホールである。６は、前記
Ｆ−Ｐエタロン１および２の透過光を検出する光検出器
である。６は気密容器で、レーザー光の入射窓７と気体
人口８および気体出口９を具備している。１ｏは、気体
の出入を調節する弁である。１１は、レーザー波長検出
装置に導入されるＫｒＦエキシマ・レーザーのレーザー
光束であって、２４８、２　ｎｍから２４８．７　ｎｍ
までのレーザー利得バンド幅のうち、いづれかの波長を
中心に０．００５ｎｍの半値幅まで発振スペクトルが狭
帯域化されている。

以上のように構成されたレーザー波長検出装置について
、以下、その動作を説明する。第３図中、第１のＦ二Ｐ
エタロン１から入射窓７までは、第１の実施例と同じ構
成であるので、前記ＫｒＦエキシマ・レーザーの利得バ
ンド幅内の１つの波長を中心として、半値幅０．００２
　ｎｍ　　の透過ピークを有するレーザー波長検出装置
となっている。ここで、気密容器６を低圧の窒素ガスで
満し、気体人口８よシ高圧の窒素ガスを徐々に導入して
いくと、気密容器内の屈折率が徐々に上昇し、式（１）
において、干渉条件を満足する波長が徐々に長波長側へ
変位する。このとき、窒素ガスの圧力変化による透過ピ
ーク波長の変位は理論的に予測でき、窒素ガスの圧力が
１０　ｔｏｒｒ変化したときの透過ピーク波長の変位は
０．９６　ｐｍ　　であシ、これは発明者らの実験結果
ともよく一致した。この結果を用いて、前記ＫｒＦエキ
シマ・レーザーのレーザー利得バンド幅全域にわたって
前記Ｆ−Ｐエタロン１と２を結合した透過ピークを走査
することができ、このとき挿引する窒素ガスの圧力変化
は５００　ｔｏｒｒ程度でよいことがわかる。窒素ガス
の圧力と、透過ピーク波長の関係は一次相関であるので
、窒素ガスの圧力を検知しておけば透過ピーク波長を知
ることができる。したがって、前記レーザー利得バンド
幅全域にわたってレーザーの発振波長を検出できる。

なお、第１および第２の実施例においては、Ｆ−Ｐエタ
ロンを２個用いたが、検出レーザー光の発振波長、発振
スペクトルの半値幅およびレーザー利得バンド幅によっ
ては１個あるいは３個以上使用してもよい。また、Ｆ−
Ｐエタロンの平行平板間隔は検出精度に応じて任意に設
定してよい。

また、第２の実施例では、気密容器６内の挿引ガスとし
て窒素ガスを用いたが、どのようなガスを用いてもよい
ことは言うまでもない。さらに第１の実施例において、
気密容器ｅ内は任意のガスを充てんしてよく、真空であ
ってもよい。

発明の効果以上のように本発明は、レーザー光の発振波長を精度よ
くかつ再現性よく検出することができる。

さらに、検出波長を走査することが可能であるので、広
範囲にわたってレーザー光の発振波長を検出できるので
、レーザー光の発振波長の較正や調整に最適なレーザー
波長検出装置を提供するものである。さらに、本発明の
レーザー波長検出装置は、分光器に比べ格段に小型であ
り、かつ容易に作製できるので、工業的に寄与するとこ
ろ大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例におけるレーザー波長検
出装置の構成図、第２図ａは本発明の第１および第２の
実施例においてレーザー波長検出第２図ｄは、本発明の
第１および第２の実施例で用いた前記第１のＦ−Ｐエタ
ロンと前記第２の実施例におけるレーザー波長検出装置
の構成図である。１・・・・・・第１のＦ−Ｐエタロン、２・・・・・・
第２のＦ−Ｐエタロン、３・・・・・・集光レンズ、４
・・・・・・ピンホール、６・・・・・・光検出器、６
・・・・・・気密容器、７・・・・・・入射窓、８・・
・・・・気体入口、９・・・・・・気体出口、１０・・
・・・−弁、１１・・・・・・ＫｒＦエキシマ・レーザ
ー光束。代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１−
ｍ−￥−１のＦ−Ｐエタロン２−一苓２／１７−ｐエタロソ５−尤砿ツ巻Ｃ−緻著客告７・−八ｈ８１ｒ−−−ｋｈＦＩｖシマ１−デー、１１２２・・−Ｌ
４−亮工良スベフＬル２４−１１ｊ＋’Ｊｔ’Ｌｒ＝ＦｆＸり０シミＭ！−と
°り′＋ｌ（＋（Ｑ＋’ｎン

Claims

【特許請求の範囲】

（１）１つまたは複数のファプリー・ペロー・エタロン
の光軸後方に集光レンズを設け、前記集光レンズの焦点
近傍に光検出器を設けたことを特徴とするレーザー波長
検出装置。
（２）ファプリー・ペロー・エタロンの雰囲気の気体密
度を一定に保つようにしたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載のレーザー波長検出装置。
（３）ファプリー・ペロー・エタロンの雰囲気の気体密
度を調整して検出波長を可変としたことを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載のレーザー波長検出装置。