JPH0499389A - 狭帯域エキシマレーザ - Google Patents

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］ 本発明は狭帯域エキシマレーザに関するものである。

［従来の技術］ 第７図は、例えば文献（Ｃａｎ、、１．Ｐｈｙｓ、６３
　（１９８４）ｐ２＋４）に示された、従来の狭帯域エ
キシマレーザの構成を示す構成図である。図において、
　（１）はレーザ媒質を励起し、光を発生させろ放電部
、（２）は全反射鏡、　（３）は部分反射鏡、　（４）
（５）は狭帯域化素子であるエタロン、　（６）はアパ
ーチャ、　（１０）はエタロンからの反射光である。

次に各部の働きについて説明する。

放電部（１）にエネルギーが投入されると強い光か発生
する。この放電部（１）をはさんで、全反射鏡（２）と
部分反射鏡（３）とからなる光共振器を構成すると、放
電部（１）より出た光は共振器中を何度も往復するよう
になる。その際、光は放電部（１）ここより増幅され、
より強い光となる。

光の一部は部分反射鏡（３）より光共振器外に取り出さ
れる。

ところで、レーザの内、半導体レーザや色素レーザ、あ
るいはエキシマレーザのスペクトルを調へてみると数ｎ
　ｒｎの広がりを持っている。このようなレーザては光
共振器中に波長選択素子を入れることによりスペクトル
を狭くすることができる。

波長選択素子としてエタロンを用いる場合ζよエタロン
の反射面と光共振器の間で複合共振器が構成され、スペ
クトルが広がるのを防ぐため、エタロン（４）（５）は
光共振器の光軸に対して傾けて設定する。また、アパー
チャ（６）はレーザビームの断面積と発散角を制限し、
エタロンの狭帯域性能を高める働きをしている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の狭帯域エキシマレーザは以上のように構成されて
いたので、エタロンの傾きを必要以上に大きくすると、
米国特許３３５８２４３号にあるようにレーザビームの
発散角が制限され干渉性（コヒーレンシー）が増す。そ
の場合、このレーザを加工に使う場合には光の干渉によ
るスペックルの影響が無視てきなくなるという問題があ
った。

一方、傾きを小さくすると同米国特許３３５８２４：３
号にもあるように、共振器の反射鏡とエタロンとの間で
第２０共撮器が構成され、スペクトルが広がるという問
題があり、これをさけるには光の回折ここより広がる角
度、λ／πａ（入は波長、ａはビーム径）よりエタロン
の設定角度を大きくする必要が指摘されている。ところ
が、エキシマレーザでは回折により決まる角度（ＩＱμ
ｒａｄ程度）より大きくてもこの第２の共振器の影響が
無視てきなかった。

上記角度の基準を示すものとして、例えは特開昭６２−
２７６８８８号公報にも、この事情が記されており、ビ
ームの大きざを　Ｓ　（ｃｍ２）とすると、エタロンの
傾きθ（θは光共振器の光軸とエタロンの反射面の法線
がなす角度）は θ＞　ｊａｎ−’　Ｓ　／　２　し てあることを規定している。ところが、この例はディメ
ンションがあいまいであるはかりでなく、実際に数値を
代入してみると、Ｓ＝０．７ｃｍ２、Ｌ＝１３０ｃｍと
すると θ＞　３ｘｌＯ−３ となるが、これてはまだ第２の共振器の影響が無視でき
ず、上記式が適切でないことがわかった。

本発明は上記のような問題点を解決するためになされた
ものであり、共振器の反射鏡とエタロンとの間で第２の
共振器が構成されてスペクトルが広がるのを防ぐととも
に、コヒーレンシーが低く、加工に適した狭帯域エキシ
マレーザを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係わる狭帯域エキシマレーザは、光共振器の光
軸とエタロンの反射面の法線がなす角度θを少なくとも １θ　ｌ　＞　ｊａｎ”’（、ｙ／Ｌ）（ｘ　（ｃｍ）
は法線に対して光軸が傾いている方向のビーム径、Ｌ（
ｃｍ）はエタロンと部分反射鏡との間の距離）とし、か
つ、 １θ１〈△λ／（△θ・入） （λは波長、△λは必要な波長幅、△θは必要なビーム
の発散角）としたものである。

また、本発明の別の発明に係わる狭帯域エキシマレーザ
は、エタロンを挟んて２つの】／４波長板を設け、上記
１／４波長板及び上記エタロンより放電部側に直線偏光
板を設けたものである。

［作用コ 本発明ζこおけるエタロンは、その傾き角θを、エタロ
ンからの反射光が共振器を１往復するあいだに放電部か
ら逃げるように設定するとともに、コヒーレンシーを低
下するために必要とする発散角と、必要とする波長幅よ
りその上限を設定して、第２の共振器が構成されるのを
防ぐとともに、コヒーレンシーを低くおさえている。

また、本発明の別の発明においては、１７４波長板と直
線偏光板を使って、第２の共振器が構成されるのを防ぐ
とともに、コヒーレンシーを低くおさえている。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例について説明する。

第１図は本発明の一実施例による狭帯域エキシマレーザ
の構成を示す図である。図において、（１）は放電部、
　（２）は全反射鏡、　（３）は部分反射鏡、　（４）
（５）はエタロン、　（６）はアパーチャ、　（１０）
はエタロンからの反射光、　（１１）は放電方向、　（
１２）はガス流方向である。

次に各部の働きについて説明する。

放電部（１）には希ガスやハロゲン等の高圧のガスが封
入されており、ここに放電によるエネルギーが投入され
ると強い光が発生する。この放電部（１）をはさんで、
全反射鏡（２）と部分反射鏡（３）からなる光共振器を
構成すると、放電部より出た光は共振器中を何度も往復
するようになる。

その際、光は放電部（１）により増幅され、より強い光
となる。光の一部は部分反射鏡（３）より光共振器外に
取り出される。

ところで、エキシマレーザのスペクトルを調へてみろと
、数ｎｍの広がりを持っている。エキシマレーザでは光
共振器中に波長選択素子を入れることにより、スペクト
ルを３ｐｍまで狭くすることができる。波長選択素子と
してエタロン（４）（５）を用いる場合はエタロンの反
射面と光共振器の間で複合共振器が構成され、スペクト
ルがひろがるのを防ぐため、エタロンは光共振器の光軸
に対して傾けて設定する。複合共振器の効果を調べるた
め、光共振器中にエタロンを挿入した場合のエタロンと
部分反射鏡による発振出力の関係を第２図に示す。ガス
流方向（１２）には３ｍｒａｄ、放電方向（１１）には
６ｍｒａｄずれても出力が観測された。従って、エタロ
ンを挿入したエキシマレーザの場合、複合共振器になる
のを防ぐためには、エタロンをガス流方向ならば４ｍｒ
ａｄ以上、放電方向であれば７　ｍ　ｒ　ａ　ｄ以上ず
らせはよいことがわかる。これは、エキシマレーザの出
力が１ないし２往復の切に決まっていることを示してい
る。即ち、エキシマレーザは増輻率の非常に大きなレー
ザであるために、弱い光が放電部を１回通ると光の強度
が数１００倍になる。そのため、エタロンからの反射光
の一部が放電部に戻るとその光は増幅され、全反射鏡と
部分反射鏡間の往復により得られるビームと変わらない
強度となることによる。

エキシマレーザは一般に矩形のビームである。実験に用
いたレーザのビームサイズは０．６ｘ１．２ｃｍ２てあ
った。また、エタロンと部分反射鏡との間の距離は１３
０　ｃｍであった。エタロンからの反射光が部分反射鏡
に達するまでに放電が生じている場所をできるだけ横切
らない条件として、ガス流方向では、 ｊａｎ−’０．６／１３０＝４．６ｘｌＯ”　　（ｒａ
ｄ）放電方向では、 ｔａｒｒ’１．２／１３０＝９．２ｘｌＯ−３（ｒａｄ
）を定義することができる。この式により決まる角度よ
り大きくすれば複合共振器になるのを防ぐことができる
のは第２図に示した結果より明かであ一般的には、エタ
ロンの反射面に対して光軸を投影し、この投影された線
がビームと交わる点をＡ、　　Ｂとして、距ＲＡＢをＸ
と定義すれば、即ち、法線に対して光軸が傾いている方
向のビーム径をＸとして θ＞　ｊａｎ−’　ｘ　／　Ｌ とすれは、複合共振器になるのを防ぐことがてきる。

なお、特に光軸をビームの短辺方向に傾けると、Ｘとし
てはビームの短辺の長さに等しくなり（実験ではガス流
方向（１２））、より小さい角度で複合共振器になるこ
とを防ぐことができる。θを小さくすると、後で述べる
ように、波長安定度をよくすることができる。なお、こ
の場合には矩形ビームとしたが、楕円ビームの場合には
Ｘとして短軸の長さを用いればよい。

なお、第３図にあるように、エキシマレーザ中にはエタ
ロンに限らず、放電部（１）の窓（７ａ）（７ｂ）や共
振器を構成する反射鏡の裏面などが複合共振器を構成す
る可能性を持つ。これらもここで得られた角度以上ずら
せておけはよい。

さらに、第４図はギヤツブ長ｄ＝４４０ミクロン、反射
率Ｒ＝８０％のエタロンを用いた場合の透過特性の差を
調べたもので、エタロンの設定角度θが大きくなると、
設定角度からのずれに対する透過率低下の割合が大きく
なる。そのため、放電部から出た光のうち、光軸からず
れた角度を持つ成分はエタロンにより反射され発振でき
ず、結果として発散角の狭い、コヒーレンシーのよいレ
ーザビームが発生する。そこで、エタロンの設定角度は
可能な限り小さく設定する必要がある。

第５図は第４図の内容を再度示した図で、よく知られた
エタロンの透過波長を現す式をもとに描いたものである
。即ち、 λ＝　２　ｎ　ｄ　／ｃｏｓθ ｎ：屈折率（封入圧力により変わる） ｄ：ギャップ長　θ：設定角度 第５図において、２重線で示した範囲の中がエタロンの
透過率の高い範囲を示している。図より明らかなように
、設定角度θを小さくすると許容できる角度範囲が大き
くなる。また、波長幅△入と角度幅Δθの間には設定角
度θが小さいとすると、上の式から次の関係が成り立つ
。

Δλ：入・θ・Δθ エキシマレーザを露光に用いるさいに必要な波長幅Δλ
は３ｐｍ以下である必要があること、コヒーレンシーを
低下するためには角度幅△θが１　ｍｒａｄ以上はしい
ことから、設定角度θは１２ｍｒａｄ以下である必要が
ある。

ところで、第５図の特性はエタロンのギャップ長や封入
圧力により決っている。特定の波長で発振させたい場合
、エタロンの設定角度は一意的に決ってしまい、小さい
角度に設定できない場合かある。そこで、屈折率やギャ
ップ長を変えて特性を変化させ、小さい設定角度でも希
望する発振波長が得られるようにすることが望ましい。

実施例ではエアギャップタイプのエタロンを圧力容器に
封入し、封入圧力を変えることによって屈折率を変化さ
せた。

さらに、エタロンの設定角度を小ざくした場合、エタロ
ンからの反射光が加工台まで達することがある。反射光
の強度は弱いので多くの場合加工ζこ影響することはな
いが、これをふせぐには、第１図にあるように、反射光
を遮断するためにアパーチャ（６）を置けばよい。エタ
ロンの設定角度をθ、エタロンからの距離をＬｗ、ビー
ムサイズをｘ　（ｃ＋ｎ）とすると Ｌ　ｗ　＞　Ｘ　／　２・θ を満足する位置にＸの幅を持つアパーチャを置けば反射
光を遮断することができる。

次に、この発明の別の発明による狭帯域エキシマレーザ
の一実施例を第６図に示す。前の実施例では複合共振器
が形成されるのを防ぐために、エタロンの角度を制限し
たが、光の偏光を利用することもできる。第６図におい
て、　（８）は偏光子、（９ａ）（９ｂ）はλ／４板で
ある。

第６図において、左に進む光は偏光子（８）によって特
定方向の直線偏光成分のみになる。次にλ／４板（９ａ
）（９ｂ）を通過すると、直線偏光の成分が回転する。

入／４板には、２回通過すると通過後の偏光は入射光の
偏光成分に直交するようになり、４回通過すると入射光
の偏光成分と同しになるという性質がある。そこで、第
６図のように配置すると、エタロン（４）からの反射光
は入／４板を２回、全反射鏡（２）からの反射光は４回
通過することになる。従って、再び偏光子（８）に戻っ
てきた光のうち、エタロンから反射してきた光は偏光子
により反射され、全反射鏡からの光は偏光子を通過して
放電部に達することができる。このように、偏光を利用
した場合は、偏光子によりエタロンの反射光を区別する
ことができるので、エタロンの設定角度を小さくしても
、複合共振器は形成されず、より安定なレーザが構成で
きる。

［発明の効果コ 以上のように、本発明によれば光共振器の光軸とエタロ
ンの反射面の法線がなす角度θを少なくとも １θ　ｌ　＞　ｊａｎ−１（ｘ／Ｌ） （ｘ　（ｃｍ）は法線に対して光軸が傾いている方向の
ビーム径、Ｌ（ｃｍ）はエタロンと部分反射鏡との間の
距離）とし、かつ、 １θ１〈Δλ／（Δθ・λ） （λは波長、Δλは必要な波長幅、Δθは必要なビーム
の発散角）としたので、共振器の反射鏡とエタロンとの
間で第２の共振器が構成されてスペクトルが広がるのを
防ぐとともに、コヒーレンシーが低く、加工に適した狭
帯域エキシマレーザを得ることが出来る。

また、本発明の別の発明によれば、エタロンを挟んで２
つの１／４波長板を設け、上記１／４波長板及び上記エ
タロンより放電部側に直線偏光板を設けたので、上記発
明と同様、第２の共振器が構成されてスペクトルが広が
るのを防ぐとともに、コヒーレンシーが低く、加工に適
した狭帯域エキシマレーザを得ることが出来る効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による狭帯域エキシマレーザ
を示す構成図、第２図はエタロンのふれ角によるレーザ
出力変化を示す特性図、第４図及び第５図は各々エタロ
ンの透過特性を示す特性図、第３図及び第６図は各々本
発明の他の実施例による狭帯域エキシマレーザを示す構
成図、並びに第７図は従来の狭帯域エキシマレーザを示
す構成図である。 図において、　（１）は放電部、　（２〉は全反射鏡、
　（３）は部分反射鏡、　（４）（５）はエタロン、１
０）は反射光、　（８）は偏光子、　（９ａ）（９ｂ）
は入／４板である。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ媒質を励起し、光を発生させる放電部と、
   部分反射鏡と全反射鏡とからなる光共振器と、波長選択
   素子としてのエタロンとを備えた狭帯域エキシマレーザ
   において、上記光共振器の光軸と上記エタロンの反射面
   の法線がなす角度θを少なくとも ｜θ｜＞ｔａｎ＾−＾１（ｘ／Ｌ） （ｘ（ｃｍ）は法線に対して光軸が傾いている方向のビ
   ーム径、Ｌ（ｃｍ）はエタロンと部分反射鏡との間の距
   離）とし、かつ、 ｜θ｜＜Δλ／（Δθ・λ） （λは波長、Δλは必要な波長幅、Δθは必要なビーム
   の発散角）としたことを特徴とする狭帯域エキシマレー
   ザ。
2. （２）レーザ媒質を励起し、光を発生させる放電部と、
   部分反射鏡と全反射鏡とからなる光共振器と、波長選択
   素子としてのエタロンとを備えた狭帯域エキシマレーザ
   において、上記エタロンを挟んで２つの１／４波長板を
   設け、上記１／４波長板及び上記エタロンより放電部側
   に直線偏光板を設けたことを特徴とする狭帯域エキシマ
   レーザ。