JPH08204259A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で確実に発振レーザ光の波長調整
を行なうことができ、信頼性の高い低コストのレーザ装
置を提供する。 【構成】 所定幅の波長帯域でレーザ発振し得るレーザ
媒体（放電励起チャンバ３７）を備えたレーザ装置であ
る。レーザ出力光の波長と一致する波長の光である特定
光を除いた他の残余光を放電励起チャンバ３７で選択的
に共振させる第１共振器系３２と、前記チャンバ３７を
共用し第１共振器系３２で共振されない特定光を共振さ
せる第２共振器系３３とを備えた。第１共振器系３２に
特定光を吸収する光吸収セル３８を設置した。共振波長
帯域の異なる第１共振器系３２を前記チャンバ３７を共
用して複数設置し、または同一の第１共振器系３２に共
振波長帯域の異なる光吸収セル３８を複数個直列に配設
し、これらの組み合わせで残余光を共振させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光センシング装置や光
計測装置等の光源として利用される発振波長が固定され
たレーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、狭帯域波長固定型のレーザ装置
としては図６に示すようなものが知られている。なおこ
こでは、アルゴンフッ素（ＡｒＦ）エキシマレーザが使
用されている。

【０００３】このレーザ装置は、単一の共振器を備えて
構成されている。即ち、レーザ媒体としての混合ガスを
充填した放電励起チャンバ３を挟んで相対向する共振器
ミラー１及び出力ミラー２でレーザ共振器が構成されて
いる。放電励起チャンバ３はこれを励起する放電回路４
に接続されている。このレーザ共振器により共振するレ
ーザ光を狭帯域化された特定波長のものにするために、
共振器ミラー１と放電励起チャンバ３との間に波長狭帯
域化用光学素子５が設けられている。なお、この波長狭
帯域化用光学素子５としては、ファブリペロエタロンや
回折格子等が用いられる。この波長狭帯域化用光学素子
５によって波長が狭帯域化されたレーザ光は、波長の絶
対値を維持したままで共振するとは限らず、一般的には
温度変化等により微妙に変動するため、それにつれてレ
ーザ発振波長も変動してしまう。そこで、フィードバッ
ク制御により発振波長の絶対値を固定する必要がある。

【０００４】このフィードバック制御は通常、出力ミラ
ー２から出力されるレーザ光の一部を取り出し、基準光
と比較してこれらの間に生じるずれを調整することで行
なわれる。具体的には、基準線スペクトル光源７からの
基準光と、前記出力ミラー２から出力されるレーザ光の
一部とが互いに比較されて制御されている。これらの光
はモニター用エタロン８を介してＣＣＤセンサ９に入射
し、該センサ９の素子上で干渉縞を作る。そして、この
ＣＣＤセンサ９で各光のずれによる干渉縞の相対位置が
常時観測され、このときの受光信号が信号処理回路１１
に出力される。この信号処理回路１１で受光信号が処理
され、エタロン駆動回路１２を介してエタロン駆動系１
３が制御される。そして、このエタロン駆動系１３で波
長狭帯域化用光学素子５が駆動されて、ＣＣＤセンサ９
で観測する干渉縞の相対位置差を一定に保つように、共
振するレーザ光の波長が調整される。

【０００５】基準線スペクトル光源７は、低圧ランプ１
５と、この低圧ランプ１５の出力側に配設された集光レ
ンズ１６及びダイクロイックミラー１７とから構成され
ている。また、共振するレーザ光の一部を取り出す手段
としては、共振器の出力ミラー２の出力側（図中の右
側）に設置された第１ビームスプリッタ１８と、この第
１ビームスプリッタ１８で取り出したレーザ光を基準線
スペクトル光源７から延びる光軸に一致させた状態で反
射させる第２ビームスプリッタ１９とから構成されてい
る。なお、２０はビームストッパである。また、２１は
レーザ共振器まわりを覆う装置筐体で、例えば酸素濃度
を測定する場合には内部に窒素ガスが充填され、共振レ
ーザ光が大気中の測定対象物質による影響を受けないよ
うにしている。２２はレーザ光取出し窓である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記構
成のレーザ装置では、波長のずれを検出してから制御が
なされるので、出射するレーザ光の波長には多少のゆら
ぎが生じてしまう。これを解消するためには制御の応答
性をよくして出射レーザ光の波長の固定精度を向上させ
る必要があるが、このためにエタロン等の高価な波長狭
帯域化用光学素子５を用いなければならず、さらにこの
波長狭帯域化用光学素子５を駆動制御するために複雑な
フィードバックシステムを採用しなければならず、レー
ザ装置がコスト高となっていた。

【０００７】また、複雑なフィードバックシステムを採
用しているために、各部品の多少の動作不良等によって
もレーザ光の波長がずれてしまい、装置に対する信頼性
が低いという問題点があった。

【０００８】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、簡単な構成で確実に発振レーザ光の
波長狭帯域化と波長固定を同時に行なうことができ、信
頼性の高い低コストのレーザ装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に第１の発明に係るレーザ装置は、所定の幅を有する波
長帯域でレーザ発振し得るレーザ媒体を備えたレーザ装
置において、必要とする波長の光である特定光を除いた
他の残余光を前記レーザ媒体で選択的に共振させる第１
共振器系と、前記レーザ媒体を共用しこの第１共振器系
で共振されずに残る特定光を共振させる第２共振器系と
を備えたことを特徴とする。

【００１０】第２の発明に係るレーザ装置は、前記第１
共振器系に前記特定光の共振を抑止する特定光共振抑止
手段を設置し、この特定光共振抑止手段で特定光の共振
を抑止しながら残余光を選択的に共振させることを特徴
とする。

【００１１】第３の発明に係るレーザ装置は、前記特定
光共振抑止手段として、特定光を吸収して共振を抑止す
る光吸収体を前記第１共振器系に設置し、この光吸収体
で特定光を吸収しながら残余光を選択的に共振させるこ
とを特徴とする。

【００１２】第４の発明に係るレーザ装置は、共振波長
帯域の異なる前記第１共振器系を前記レーザ媒体を共用
した状態で複数設置し、これらの組み合わせにより特定
光の共振を抑止して残余光を共振させることを特徴とす
る。

【００１３】第５の発明に係るレーザ装置は、同一の前
記第１共振器系に、共振を抑止し得る波長帯域の異なる
特定光共振抑止手段を複数個直列に配設し、これらの組
み合わせにより特定光の共振を抑止して残余光を共振さ
せることを特徴とする。

【００１４】

【作用】前記第１の発明では、第１共振器系で残余光の
部分のみを共振させ、特定光の部分の共振を抑える。第
２共振器系では残余光も特定光も共に共振可能である
が、共用しているレーザ媒体中の残余光に対応する励起
状態は第１共振器系と強く結合しているため、第２共振
器系とは結合が弱い。一方、特定光に対応する励起状態
は第２共振器系のみと強く結合するので、結果的に第２
共振器系で共振するのは特定光がほとんどである。これ
を外部に取り出して測定等の各種の用途に用いる。

【００１５】ここで、「残余光に対応する励起状態が第
１共振器系と強く結合している」とは、残余光の波長に
対応する第１共振器系のＱ値が大きいということを意味
する。例えば、残余光の波長に対して第１共振器系にお
ける損失が小さい場合、結合は強いという。逆にＱ値が
小さいときは、結合は弱く損失が大きい場合等に相当す
る。

【００１６】第２の発明では、第１共振器系には、当初
レーザ媒体によって前記レーザ媒体の発振波長帯域内の
各種の波長の光が生じるが、この第１共振器系に設置さ
れた特定光共振抑止手段が特定光の共振を抑止してしま
う。このため、第１共振器系では特定光を除く残余光が
共振する。これにより、第２共振器系では残りの特定光
がより共振され易くなる。

【００１７】第３の発明では、第１共振器系に設置され
た光吸収体で特定光を吸収して特定光の共振を抑止し、
この第１共振器系で残余光を共振させる。これにより、
第２共振器系では残りの特定光が共振され易くなる。

【００１８】第４の発明では、共振波長帯域の異なる複
数の第１共振器系で残余光の部分のみをそれぞれ共振さ
せ、特定光の部分の共振を抑える。第２共振器系では、
残余光も特定光も共に共振可能であるが、共用している
レーザ媒体中の残余光に対応する励起状態は第１共振器
系と強く結合しているため、第２共振器系とは結合が弱
い。一方、特定光に対応する励起状態は第２共振器系の
みと強く結合するので、結果的に第２共振器系で共振す
るのは特定光がほとんどである。

【００１９】第５の発明では、第１共振器系で、特定光
の部分の共振が複数の特定光共振抑止手段により選択的
に抑止される。このため、第１共振器系では残余光のみ
が共振する。そして、特定光に対応する励起状態は第２
共振器系のみと強く結合するので、結果的に第２共振器
系で共振するのは特定光がほとんどである。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照しな
がら詳細に説明する。

【００２１】［第１実施例］ ［構成］本実施例のレーザ装置３１はアルゴンフッ素
（ＡｒＦ）エキシマレーザ装置であって、図１に示すよ
うに構成されている。このレーザ装置３１は、取り出し
て測定等に使用したい波長のレーザ光、即ち必要とする
波長のレーザ光である特定光を除いた他の残余光をレー
ザ媒体で選択的に発振させる第１共振器系３２と、この
第１共振器系３２で発振されない特定光を前記同一のレ
ーザ媒体で発振させる第２共振器系３３とを備えて構成
されている。

【００２２】第１共振器系３２は、相対向して設置され
た２つ共振器ミラー３５，３６と、各共振器ミラー３
５，３６の間に設置されたレーザ媒体としての混合ガス
の充填された放電励起チャンバ３７と、前記特定光を吸
収して特定光の共振を抑止する光吸収体としての光吸収
セル３８とから構成されている。ＡｒＦエキシマレーザ
の放電励起チャンバ３７はこれを励起する放電回路３９
に接続されている。

【００２３】光吸収セル３８は、内部に特定光を吸収す
る物質である光吸収体が充填されている。この光吸収セ
ル３８には、各共振器ミラー３５，３６間の光軸４０上
にそれぞれレーザ窓３８Ａ，３８Ｂが設けられ、共振器
ミラー３５，３６で共振する光はこの各レーザ窓３８
Ａ，３８Ｂを透過し、光吸収セル３８内を通過するとき
に特定波長が吸収される。この光吸収セル３８の内部に
充填される光吸収体としては、前記レーザ媒体について
レーザ発振し得る波長帯域の特定波長の光を吸収する性
質を有する固体、液体、気体等が用いられる。具体的に
は、例えば酸素の濃度測定装置として用いる場合には、
酸素を光吸収セル３８内に充填する。即ち、測定対象と
なる物質と同一の物質を光吸収セル３８内に充填する。

【００２４】第２共振器系３３は、全反射共振器ミラー
３５と放電励起チャンバ３７を第１共振器系３２と共用
している。放電励起チャンバ３７と光吸収セル３８の間
には偏光ビームスプリッタ４１が設けられている。この
偏光ビームスプリッタ４１では第１共振器系と第２共振
器系の２つの共振器系で共振できるレーザの偏光方向を
分離する。即ち、この偏光ビームスプリッタ４１は、縦
方向（紙面に垂直な方向）の直線偏光をほとんど反射
し、横方向（紙面に平行な方向）の直線偏光はほとんど
透過させる性質を有する。この偏光ビームスプリッタ４
１から縦方向の直線偏光が反射される側（下側）に出力
ミラー４２が設けられ、この出力ミラー４２と共振器ミ
ラー３５とで第２共振器系を構成している。これによ
り、横方向の直線偏光は偏光ビームスプリッタ４１を透
過して第１共振器系３２を構成する共振器ミラー３５，
３６で共振するが、光吸収セルのためにこの第１共振器
系３２で共振できなかった波長の特定光が縦方向の直線
偏光として共振器ミラー３５と出力ミラー４２とからな
る第２共振器系で共振できるようになっている。なお、
４３は出力ミラー４２から出力するレーザ出力光を外部
に取り出すレーザ光取出し窓である。４４は前記従来例
と同様の装置筐体である。

【００２５】［作用］ここでは、光吸収セル３８内に酸
素を充填したものを例に説明する。このため、ここでい
う特定光とはレーザ媒体の発振帯域のうち酸素ガスに吸
収される波長部分のレーザ光を指し、残余光とは前記発
振波長帯域内の特定光以外のレーザ光を指す。

【００２６】前記構成のレーザ装置３１では、第１共振
器系３２で残余光が共振する。即ち、放電回路３９によ
って放電励起チャンバ３７内のレーザ媒体が励起される
と、図２に示すように、波長帯域幅１ｎｍでレーザが発
振しようとする。しかし、この第１共振器系３２には酸
素ガスが充填された光吸収セル３８が挿入されているた
め、酸素の光吸収スペクトルに対応した波長は共振でき
ず、図３に示すように、特定光の波長の部分が除かれた
残余光のみが共振する。即ち、特定光は発振することが
できず、残余光のみが発振するようになる。一方、第２
共振器系３３内には前述のような光吸収セルは挿入され
ないので、図２に示すようになスペクトルを持ったレー
ザが立ち上がろうとするが、残余光に対応する励起状態
は第１共振器系３２により強く結合しているため、第２
共振器系３３に結合する割合は小さい。一方、特定光に
対応する励起状態は第１共振器系３２には結合できず、
第２共振器系３３のみに結合する。このため、結果とし
て図４に示すようなスペクトルでレーザ発振し、レーザ
光取出し窓４３から外部にレーザ出力光として出力す
る。

【００２７】このレーザ出力光は、光吸収セル３８内で
酸素ガスにより吸収される波長のレーザ光である。この
レーザ出力光を用いて、特定ガス中の酸素ガス濃度の測
定等を行なう。即ち、ガス中の超微量の酸素分子濃度を
リアルタイムで計測するレーザ式酸素濃度計等に用い
る。

【００２８】このレーザ光を他の物質の濃度測定に用い
るときは、測定対象物質と同一の物質を光吸収セル３８
内に充填し、測定対象物質が吸収する波長のレーザ光を
出力する。なお、光吸収セル３８内に充填する物質の吸
収スペクトルと、共振するレーザ光の発振波長帯域とが
重なるものでなければならないことはいうまでもない。

【００２９】［効果］前述のように、例えば測定対象物
質が吸収する波長のレーザ光等の特定波長のレーザ光を
容易にかつ確実に取り出すことができるようになる。

【００３０】しかも、構成が簡単で、取り出すレーザ光
の波長も安定しており、低コストで、装置に対する信頼
性も大幅に向上する。

【００３１】このレーザ装置によって取り出されたレー
ザ出力光により、酸素等の物質の濃度をｐｐｂ以下の超
高感度濃度測定が可能となり、例えば半導体製造工程で
用いる材料ガス中の酸素濃度を実時間で定量的にモニタ
リングできるようになる。これにより、材料ガスの品質
管理を容易にかつ確実に、しかも低コストで行なうこと
ができる。

【００３２】［第２実施例］ ［構成］前記第１実施例では、共振器ミラー３５、放電
励起チャンバ３７及びこの部分での光軸４０を第１共振
器系３２と第２共振器系３３とで共用したが、本実施例
では、図５に示すように、ＡｒＦエキシマレーザの放電
励起チャンバ４５のみを共用し、光軸４６，４７は別々
にしている。なお、図５は本実施例に係るレーザ装置の
原理的構成のみを記載している。

【００３３】第２共振器系５１はその光軸４６が放電励
起チャンバ４５の中央を通るように設定され、第１共振
器系５２は第２共振器系５１の両側に光軸４７をＸ字状
に反射させてレーザ光が放電励起チャンバ４５を２方向
から通るように設定されている。

【００３４】具体的には第２共振器系５１は、放電励起
チャンバ４５と、この放電励起チャンバ４５を挟んで両
側に設置された共振器ミラー５４と出力ミラー５５とか
ら構成されている。第１共振器系５２は、放電励起チャ
ンバ４５と、この放電励起チャンバ４５を挟んで４ヵ所
の位置に配設されて光を第２共振器系５１の両側にＸ字
状に反射させる４つの共振器ミラー５６，５７，５８，
５９と、第２及び第３共振器ミラー５７，５８の間に配
設された光吸収セル６０とから構成されている。この光
吸収セル６０の光軸４７上の両側にはそれぞれレーザ窓
６０Ａ，６０Ｂが設けられている。

【００３５】［作用］図示しない放電回路によって放電
励起チャンバ４５が励起され、第１共振器系５２及び第
２共振器系５１でそれぞれ共振する。そして、前記第１
実施例と同様に、光吸収セル６０を有する第１共振器系
５２で残余光が、第２共振器系５１で特定光がそれぞれ
共振される。

【００３６】［効果］以上により、前記第１実施例と同
様の作用、効果を奏することができる。

【００３７】さらに、本実施例では、光軸４６，４７を
共用しないため、偏光ビームスプリッタ４１を用いる必
要がなく、特定光と残余光とを第２共振器系５１と５２
とで別々にかつ確実に共振させることができるようにな
る。

【００３８】［変形例］ （１） 前記第２実施例では、第１共振器系５２を１つ
だけ設け、この第１共振器系５２の光軸４７を４つの共
振器ミラー５６，５７，５８，５９によりＸ字状に曲げ
て構成したが、第１共振器系を放電励起チャンバ４５を
共用した状態で２つ以上設けてもよい。この場合も前記
第２実施例同様の作用、効果を奏することができる。

【００３９】（２） また、複数設置した第１発振系の
各光吸収セルでの吸収波長帯域（共振波長帯域）をそれ
ぞれ異ならせ、これらの波長の組み合わせにより特定光
を除くようにしてもよい。この場合、単一の光吸収セル
ではできない波長の組み合わせのレーザ光は容易にかつ
安定的に発生させることが可能となり、各種の用途に用
いることができるようになる。

【００４０】（３） 同一の第１共振器系に、それぞれ
異なる物質を充填した光吸収セルを複数個配設し、これ
らの光吸収セルの組み合わせてによって取り出したい波
長の光を設定するようにしてもよい。この場合も、単一
の光吸収セルではできない波長の組み合わせのレーザ光
は容易にかつ安定的に発生させることが可能となり、各
種の用途に用いることができるようになる。

【００４１】（４） 第１発振器系に装着する光吸収セ
ルをカートリッジとして構成し、測定等に必要とする物
質を充填した複数の光吸収セルを適宜入れ替えるように
してもよい。これにより、単一のレーザ装置で本装置が
有するレーザ媒体の発振波長帯域内の各種の狭帯域波長
のレーザ光を容易にかつ安定的に発生させることができ
るようになる。

【００４２】（５） レーザ装置によって高出力レーザ
光を発生させる場合は、光吸収セルでの光吸収により温
度が上昇するので、光吸収セルの温度を一定に保つため
に温度制御を行なうようにしてもよい。

【００４３】（６） レーザ装置で共振させるレーザ光
と光吸収セルに充填する物質との組み合わせとしては、
前記実施例のようなＡｒＦエキシマレーザと酸素ガスの
組み合わせや、波長が１．５５μｍで発振する半導体レ
ーザとアセチレンガスとの組み合わせ等、互いに発振波
長帯域と吸収波長帯域が重なる部分を有する組み合わせ
で構成する。また、波長２．７μｍ帯で発振するエルビ
ウム（Ｅｒ）をフッ化物ガラスにドープしたガラスレー
ザと水蒸気の組み合わせも有効である。

【００４４】

【発明の効果】上記のように、本発明のレーザ装置によ
れば、次のような効果を奏することができる。

【００４５】（１） 残余光を第１共振器系で選択的に
共振させ、この第１共振器系で共振されない特定光を第
２共振器系で共振させるようにしたので、特定光を容易
にかつ確実に取り出すことができるようになる。

【００４６】（２） 第１共振器系に特定光を吸収する
光吸収体を設置し、この光吸収体で特定光を吸収し、残
余光を選択的に共振させる構成としたので、構成が簡単
で、コストの低減を図ることができると共に、取り出す
レーザ光の波長が安定しており、装置に対する信頼性が
大幅に向上する。

【００４７】（３） 共振波長帯域の異なる第１共振器
系をレーザ媒体を共用した状態で複数設置し、または同
一の第１共振器系に吸収波長帯域の異なる光吸収体を複
数個直列に配設し、これらの組み合わせにより特定光を
除いて残余光を共振させるようにしたので、各種の波長
のレーザ光を容易にかつ安定的に発生させることができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ装置の全体構成を示す概略
構成図である。

【図２】レーザ共振器中に光吸収物質（酸素ガス）が無
い場合のＡｒＦエキシマレーザの発振スペクトルを示す
グラフである。

【図３】レーザ共振器中に光吸収物質（酸素ガス）が有
る場合のＡｒＦエキシマレーザの発振スペクトルを示す
グラフである。

【図４】本発明のレーザ装置から出力されるＡｒＦエキ
シマレーザの発振スペクトルを示すグラフである。

【図５】本発明の変形例を示す概略構成図である。

【図６】従来のレーザ装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

３１…レーザ装置、３２…第１共振器系、３３…第２共
振器系、３５，３６…共振器ミラー、３７…放電励起チ
ャンバ、３８…光吸収セル、３９…放電回路、４０…光
軸、４１…偏光ビームスプリッタ、４２…出力ミラー、
４３…レーザ光取出し窓、４４…装置筐体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｓ 3/23 Ｈ０１Ｓ 3/23 Ｚ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の幅を有する波長帯域でレーザ発振
   し得るレーザ媒体を備えたレーザ装置において、 レーザ出力光の波長と一致する波長の光である特定光を
   除いた他の残余光を前記レーザ媒体で選択的に共振させ
   る第１共振器系と、前記レーザ媒体を共用しこの第１共
   振器系で共振されずに残る特定光を共振させる第２共振
   器系とを備えたことを特徴とするレーザ装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のレーザ装置において、 前記第１共振器系に前記特定光の共振を抑止する特定光
   共振抑止手段を設置し、この特定光共振抑止手段で特定
   光の共振を抑止しながら残余光を選択的に共振させるこ
   とを特徴とするレーザ装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載のレーザ装置において、 前記特定光共振抑止手段として、特定光を吸収してその
   共振を抑止する光吸収体を前記第１共振器系に設置し、
   この光吸収体で特定光を吸収しながら残余光を選択的に
   共振させることを特徴とするレーザ装置。
4. 【請求項４】 請求項１，２または３に記載のレーザ装
   置において、 共振波長帯域の異なる前記第１共振器系を前記レーザ媒
   体を共用した状態で複数設置し、これらの組み合わせに
   より特定光の共振を抑止して残余光を共振させることを
   特徴とするレーザ装置。
5. 【請求項５】 請求項１，２，３または４に記載のレー
   ザ装置において、 同一の前記第１共振器系に、抑止し得る波長帯域の異な
   る特定光共振抑止手段を複数個直列に配設し、これらの
   組み合わせにより特定光の共振を抑止して残余光を共振
   させることを特徴とするレーザ装置。