JPH0862041A - スペクトル測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種の計測を始め、露光用光源としても狭帯
域なスペクトルが要求される光源のスペクトルを評価す
る際、スペクトルの波長、線幅と同時に狭帯域化された
光成分と非狭帯域光成分のエネルギー比を、簡易にしか
も精度良く求める方法および装置を提供する。 【構成】 ファブリペロ−エタロン１と、エタロンを透
過した光を、イメージセンサ５上に結像させるような光
学系３，４と、発散角を有するレーザ光がエタロンを透
過した際に干渉によって生じるフリンジ信号を測定する
センサと、予め計算で求められるフリンジ信号、あるい
はそのピークの光強度と一定な背景光強度の比と、測定
で得られるフリンジ信号、あるいはそのピークの光強度
と一定な背景光強度の比とを比較することにより、エタ
ロンの自由スペクトル範囲より線幅の狭いレーザ光成分
と、それより線幅の広いレーザ光成分のエネルギー比を
計算する演算装置７とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の計測を始め、露
光用光源としても狭帯域なスペクトルが要求される光源
のスペクトルを評価する際、スペクトルの波長、線幅と
同時に、狭帯域化された光成分と非狭帯域光成分とのエ
ネルギー比を、簡易にしかも精度良く求める装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、狭帯域スペクトルを有する微弱な
レーザビームを、スレーブレーザに注入することによ
り、スレーブレーザの発振スペクトル幅を自由発振状態
より著しく狭くする注入同期技術が盛んに用いられてい
る。その際、スレーブレーザから出射されるレーザのス
ペクトルのうち、注入光によって狭帯域化された成分
と、自由発振の影響の残る非狭帯域成分とのエネルギー
比をロッキング効率と呼び、この注入同期方式のレーザ
の性能を評価する非常に重要な一つの指標となってい
る。

【０００３】このロッキング効率を評価する方法として
は、従来よりグレーティングを用いた分光装置が一般的
に用いられている。それは次のような手順によるもので
ある。

【０００４】あらかじめスレーブレーザに注入同期をか
けない自由発振状態で動作させ、その非狭帯域のスペク
トル強度を図１２のように測定し、同時に別のエネルギ
ー検出器で全光エネルギーを計測しておく。次に狭帯域
の注入光を同期させた状態で、同じくグレーティングを
用いた装置により図１３のようにスペクトル強度と全光
エネルギーを求める。そして図１２と図１３の非狭帯域
光のスペクトル強度の比から、図１３の非狭帯域光成分
のエネルギーを求め、注入同期時の全光エネルギーから
差し引くことにより狭帯域光成分のエネルギーを求め、
全光エネルギーとの比をとることにより、ロッキング効
率を求めていた。

【０００５】しかしながら従来のグレーティングを用い
た測定装置では、一般に波長分解能がせいぜい数ｐｍし
かないため、それより狭いスペクトルの正確な形状およ
び線幅を同時に計測することはできない。そこで狭帯域
スペクトルの線幅を計測する場合には、従来よりバイヤ
ーらにより図１４に示すようなファブリペロ−エタロン
を用いた測定装置が提案され用いられている（Ｒ．Ｌ．
Ｂｙｅｒ，Ｊ．Ｐａｕｌ ａｎｄ Ｍ．Ｄ．Ｄｕｎｃａ
ｎ，：Ｌａｓｅｒ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙIII ，Ｓ
ｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒ
ｇ，１９７７）。図１４において、１０１はＦＳＲ＝
０．１ｃｍ^-1のファブリペロ−エタロン、１０２はＦＳ
Ｒ＝１０ｃｍ^-1のファブリペロ−エタロン、１０３はＦ
ＳＲ＝１．０ｃｍ^-1のファブリペロ−エタロン、１０５
〜１０６は凸レンズ、１０７はフォトダイオードアレ
イ、１０８はハーフミラー、１０９はシャッター、１１
０は平面ミラー、１１１は入射光である。

【０００６】このような構造の測定装置による計測で
は、０．１ｐｍ以下の高分解能で波長、線幅の測定が可
能である。しかしながら一方、このエタロンによる測定
装置はこれまで、その自由スペクトル領域より狭い狭帯
域光成分のみのスペクトル測定を目的に用いられ、自由
スペクトル領域より広い線幅の非狭帯域化スペクトルに
関する考察はこれまでなされていなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方式では、ロッキング効率と波長、線幅を求める際に、
グレーティングとエタロンという２つの測定装置により
別々に求める必要があり、測定の効率が悪かった。また
従来のグレーティングを用いる方法では、ロッキング効
率を求めるために測定される非狭帯域光の信号強度を校
正するため、全く同じ測定系でエネルギーの分かった非
狭帯域光のみの信号をあらかじめ入力して校正する必要
があり手間がかかり、測定精度も低下する恐れがあっ
た。またグレーティングを用いた方法では、波長分解能
に低くまた狭帯域成分と非狭帯域成分の光を同時に観測
できないので、狭帯域光に複数の成分があっても、それ
らを分離してエネルギー比を求めることができない欠点
がある。

【０００８】本発明の目的は、ファブリペロ−エタロン
を用いた測定により、一度の測定で狭帯域光成分の波
長、線幅およびロッキング効率を同時にしかも簡便に求
めることができるスペクトル測定方法および装置を提供
することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、狭帯域光に複数の成
分があっても、それらを分離してエネルギー比を求める
ことができ、測定精度を向上させることができるスペク
トル測定方法および装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、ファブリペロ
−エタロン、および前記エタロンを透過したレーザ光を
イメージセンサ上に結像させる光学系より構成されるス
ペクトル測定装置において、発散角を有するレーザ光が
前記エタロンを透過した際に干渉によって生じるフリン
ジ信号を測定するセンサと、予め計算で求められるフリ
ンジ信号、あるいはそのピークの光強度と一定な背景光
強度の比と、測定で得られるフリンジ信号、あるいはそ
のピークの光強度と一定な背景光強度の比とを比較する
ことにより、前記エタロンの自由スペクトル範囲より線
幅の狭いレーザ光成分と、それより線幅の広いレーザ光
成分とのエネルギー比を計算する演算装置と、を備えた
ことを特徴とする。

【００１１】また本発明は、ファブリペロ−エタロン、
および前記エタロンを透過したレーザ光をイメージセン
サ上に結像させる光学系より構成されるスペクトル測定
装置において、発散角を有するレーザ光が前記エタロン
を透過した際に干渉によって生じるフリンジ信号を測定
するセンサと、入射レーザ光がエタロンの自由スペクト
ル範囲より狭い線幅の、複数のレーザ光成分を持つ場
合、予め計算で求められるフリンジ信号、あるいはその
ピークの光強度と一定の背景光強度の比と、測定で得ら
れるフリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と一定
な背景光強度の比とを比較することにより、それぞれの
狭い線幅のレーザ光成分と前記エタロンの自由スペクト
ル範囲より広い光成分とのエネルギー比、あるいは狭い
線幅のレーザ光成分同士のエネルギー比を計算する演算
装置と、を備えたことを特徴とする。

【００１２】本発明のスペクトル測定方法は、発散角を
有するレーザ光がファブリペロ−エタロンを透過するス
テップと、前記エタロンを透過した際に干渉によって生
じるフリンジ信号を測定するステップと、予め計算で求
められるフリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と
一定な背景光強度の比と、測定で得られるフリンジ信
号、あるいはそのピークの光強度と一定な背景光強度の
比とを比較することにより、前記エタロンの自由スペク
トル範囲より線幅の狭いレーザ光成分と、それより線幅
の広いレーザ光成分とのエネルギー比を計算するステッ
プと、を含むことを特徴とする。

【００１３】また本発明のスペクトル測定方法は、発散
角を有するレーザ光がファブリペロ−エタロンを透過す
るステップと、前記エタロンを透過した際に干渉によっ
て生じるフリンジ信号を測定するステップと、入射レー
ザ光がエタロンの自由スペクトル範囲より狭い線幅の、
複数のレーザ光成分を持つ場合、予め計算で求められる
フリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と一定の背
景光強度の比と、測定で得られるフリンジ信号、あるい
はそのピークの光強度と一定な背景光強度の比とを比較
することにより、それぞれの狭い線幅のレーザ光成分と
前記エタロンの自由スペクトル範囲より広い光成分との
エネルギー比、あるいは狭い線幅のレーザ光成分同士の
エネルギー比を計算するステップと、を含むことを特徴
とする。

【００１４】

【作用】本発明によるファブリペロ−エタロンを用いた
ロッキング効率の測定方法および装置の原理と計算方法
を以下に説明する。

【００１５】各面の反射率Ｒ、内部の媒質の屈折率ｎ、
面間隔ｄのファブリペロ−エタロン（以下、エタロンと
略す）に角度θで入射する光（波長λ）を考えると、そ
の光の透過率Ｔは良く知られている次式によって表され
る。

【００１６】

【数１】

【００１７】θ′はエタロン媒質内での光の入射角、ｎ
₀ は空気の屈折率である。これより透過率が最大になる
のは、δ＝２ｍπ（ｍは整数）の時であり、（２）式よ
り ２ｎｄｃｏｓθ′＝ｍλ （４） なる関係が満足されるときである。この（４）式の左辺
は隣接する二光束の光路差を表しており、右辺の整数ｍ
は干渉次数と呼ばれる。

【００１８】図８に示すように、ファブリペロ−エタロ
ン２１に、その自由スペクトル領域より狭い狭帯域光成
分２４が入射した場合、エタロン内では光の干渉の結
果、（４）式の関係を満足する特定の干渉次数すなわち
放射角を持つ成分のみ位相が合い、図に示すように強め
合ってエタロンを透過する。特定の放射角を有する透過
した光は焦点距離ｆの凸レンズ２２によって凸レンズの
焦点位置に設置されたイメージセンサ２３上の特定の位
置に結像され、同心円上のフリンジパターンを形成す
る。そこで図９のようにセンサからはその半径方向のフ
リンジ信号が検出される。

【００１９】これに対し、エタロン２１にその自由スペ
クトル領域より十分広い非狭帯域光成分が入射した場合
には、エタロン内であらゆる放射角成分が干渉し、透過
し得るので、センサ上には明確なフリンジパターンは形
成されず、図１０に示すようにセンサ上で観測される光
強度パターンは、ほぼ一定の強度となる。

【００２０】次に、非狭帯域光と狭帯域光が、同時にエ
タロンに入射した場合、透過後の信号は図１１に示すよ
うに両者の信号の足し合わせになり、非狭帯域光成分に
よる一定強度信号の上に狭帯域光成分のフリンジが足し
合わされた形になる。

【００２１】従って非狭帯域光および狭帯域光のスペク
トル形状が予め分かれば、両者の任意のエネルギー比に
対して、エタロン透過後のフリンジ信号を（１）式より
演算装置を用いて計算で求めることができる。そこで実
際に測定されるフリンジ信号と計算されるフリンジ信号
とをフィッテイングするか、さらに簡便には、計算結果
からフリンジのピーク強度と一定な背景強度との比を求
めておき、測定結果と比較して求めることができる。

【００２２】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示した図であ
る。この測定装置は、暗箱６内に設けられた、ファブリ
ペロ−エタロン１、およびこのエタロンを透過した光を
イメージセンサ上に結像させる光学系と、暗箱６外に設
けられた、イメージセンサ５および演算装置７とから構
成されている。この例では、注入同期ＡｒＦエキシマレ
ーザを測定の対象とし、中心波長は１９３．４ｎｍであ
るものとする。

【００２３】装置の構成を光の入射側から沿って説明す
ると、入射した光１０は焦点距離３０ｍｍの両凹レンズ
２で放射角を有するように広げられる。この例では両凹
レンズを用いたが、入射する光に放射角を持たせること
ができれば凹レンズでも凸レンズでも、また拡散板でも
よい。

【００２４】放射角を持たされた光は次にファブリペロ
−エタロン１に入射する。エタロンは１９３．４４ｎｍ
の波長に対して自由スペクトル領域６ｐｍの面間隔を有
するエアスペース型で、有効径は５ｍｍφ、各面のコー
ティングの反射率は、１９３．４ｎｍに対して９０％で
ある。勿論、他の光の波長について測定を行う場合に
は、必要な自由スペクトル領域の面間隔を有し、かつそ
の波長に対してコーティングされたエタロンを用意すれ
ばよい。またエタロンの形式は、ソリッドエタロンでも
かまわない。

【００２５】エタロンを透過した光は５０ｍｍφ，焦点
距離１ｍの凹面ミラー３で反射され、イメージセンサ５
上に結像される。凹面ミラー３には１９３．４ｎｍに対
して９５％以上の高反射コーティングがなされている。
この例では凹面ミラーを用いたが、同じ焦点距離を有す
る凸レンズでもかまわない。さらに測定分解能を変化さ
せたい場合には、異なる焦点距離のミラーを用いればよ
い。

【００２６】さらにこの実施例では、装置を小型化する
ためにイメージセンサ５に結像する前に一回３０ｍｍφ
の平面ミラー４で折り返している。凹面ミラー３から平
面ミラー４で折り返されてイメージセンサ５に至る光路
長は１ｍである。この光路長は使用する凹面ミラーの焦
点距離に一致させるように変化させる必要がある。

【００２７】イメージセンサ５は各検出素子の間隔２５
μｍ、素子の受光幅２．５ｍｍ、素子数１０２４で、全
長は２５．６ｍｍのものを使用した。測定精度の関係で
異なる素子間隔、受光幅、素子数のものを用いてもかま
わない。

【００２８】この実施例では、イメージセンサ５の測定
方向を図１の紙面に垂直な方向にした。これは紙面に平
行な方向に対しては凹面ミラー３の光軸に対して光路が
角度を有するために、イメージセンサ５上で収差を生じ
るためで、収差の少ない紙面に垂直なフリンジ信号を検
出するためである。

【００２９】イメージセンサ５により検出されたフリン
ジ信号は、演算装置７内に取り込まれて保存され、波長
や線幅のデータに加工される。また演算装置内では、予
め計算されたフリンジ信号と測定データとを比較するこ
ともできる。

【００３０】今回測定の対象としたＡｒＦエキシマレー
ザは、特に狭帯域化のための共振器構成をとらない自由
発振状態では、約５００ｐｍの線幅を有する。このレー
ザに別のレーザシステムから出射された中心波長１９
３．４ｎｍ、線幅１ｐｍの狭帯域光を注入し、両レーザ
の発振タイミングを調整することにより、このＡｒＦエ
キシマレーザの発振スペクトルを、注入された狭帯域光
とほとんど同じ狭い線幅にすることができる。これは注
入同期と呼ばれており、一般に知られたスペクトル制御
技術である。

【００３１】図２は、狭帯域光と非狭帯域光とのエネル
ギー比がそれぞれ１０：９０、５０：５０、９０：１０
の場合のフリンジ信号波形を演算装置により理論計算し
た結果である。これらはロッキング効率としてそれぞれ
１０、５０、９０％に等しい。測定装置の構成としては
図１の構成を仮定し、狭帯域光のスペクトルの線幅を１
ｐｍ、非狭帯域光のスペクトルの線幅を５００ｐｍ、中
心波長を共に１９３．４ｎｍとした。またスペクトルの
形状は、共にガウス型とした。これらの波長、線幅、或
いはスペクトル形状は、実際に測定しようとするレーザ
の波長、線幅、スペクトル形状に合わせて変えて計算し
てやればよい。

【００３２】図２に示すようにロッキング効率が上がる
ほどフリンジのピーク強度が上がり、一定な背景光強度
成分が減少していく様子が分かる。

【００３３】さらに図３は演算装置７により１０〜９０
％までのロッキング効率について、フリンジのピーク強
度と一定な背景光強度との比を計算した結果である。こ
の図では狭帯域光の線幅として１ｐｍ、０．８ｐｍ、
０．６ｐｍの３つの場合も併せて計算している。非狭帯
域光の線幅は５００ｐｍで一定である。

【００３４】図４は、実際に注入同期ＡｒＦレーザの発
振光を図１に示した測定装置によって測定した際の、イ
メージセンサ５上で検出されたフリンジ信号である。こ
のように得られた信号は、複数のフリンジ信号に一定の
光信号が足し合わされた形になっている。そこで演算装
置７により、このフリンジ信号からチャンネルによらな
い一定な背景光強度を差し引き、さらにフリンジの半値
全幅をフリンジ中心からのチャンネル番号を波長に変換
したところ、図５に示すように１ｐｍという狭帯域光成
分のスペクトル線幅を得ることができた。

【００３５】さらに図４からスペクトルのピーク強度と
一定な背景光強度の比を求めると、１０という値が得ら
れた。そこで図４の狭帯域光成分の線幅１ｐｍの線上
で、強度比１０のところのロッキング効率を求めると、
６２％という値が得られた。このようにしてエタロンに
よる測定系によって、１ｐｍ程度の狭帯域光のスペクト
ル線幅と同時に、ロッキング効率を同時に求めることが
できた。

【００３６】この測定例では、フリンジのピークの強度
と一定な背景光強度との比からロッキング効率を求めた
が、狭帯域光と非狭帯域光の理論計算から得られるフリ
ンジ信号と直接フィッテイングして求めてもよい。

【００３７】さらにこの実施例では、注入同期されたＡ
ｒＦレーザのロッキング効率を求めたが、特に注入同期
レーザのスペクトル測定に限られることなく、他のあら
ゆるレーザのスペクトル測定、評価に適用することがで
きる。

【００３８】図６は第２の実施例として、狭帯域光のス
ペクトルピークが複数個ある場合のフリンジ信号の測定
例を示したものである。図７は一定な背景光強度成分を
差し引いて中心からのチャンネル数から波長に変換した
結果である。これより各狭帯域光の半値全幅の線幅は、
ピークＡは１ｐｍ、ピークＢは０．８ｐｍであった。そ
こで第１の実施例と同様に、各ピークの光強度と非狭帯
域光の一定な背景光強度との比をそれぞれ取ると、ピー
クＡでは７、ピークＢでは３という値が得られる。この
値を図３の計算結果と比較すると、ピークＡの成分のロ
ッキング効率は５２％、ピークＢの成分のロッキング効
率は２２％と得られる。ただしこれらのロッキング効率
の値は、それぞれのピークが単独で存在する場合である
ので、実際の全光エネルギーに対する各ピークのエネル
ギー比は、非狭帯域光強度が両者で共通であることから
計算で求められ、ピークＡのエネルギー比４５％、ピー
クＢのエネルギー比１２％を得ることができる。

【００３９】従来のグレーティングを用いた方法では、
この二つのピークを分離できず、一つのピークとしか検
出できず、それぞれのエネルギー比を求めることができ
ないが、この測定装置および測定方法によって、各狭帯
域スペクトルの線幅はもちろん、その個々のエネルギー
比も簡便に求めることができるようになった。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ファブリ
ペロ−エタロンを用いた測定により、一度の測定で狭帯
域光成分の波長、線幅およびロッキング効率を同時にし
かも簡便に求めることができ、測定時間の大幅な短縮を
図ることができるようになった。また狭帯域光に複数の
成分があっても、それらを分離してエネルギー比を求め
ることができ、測定精度を向上させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスペクトル測定装置を示す図であ
る。

【図２】本発明によるロッキング効率測定法により計算
されたフリンジ信号波形を示す図である。

【図３】図２より、フリンジ信号ピーク強度を信号の一
定成分の強度で割った値のロッキング効率に対する関係
を計算し、これを示す図である。

【図４】実験によって得られたフリンジ信号を示す図で
ある。

【図５】図４より求められたスペクトル線幅の測定結果
を示す図である。

【図６】実験によって得られたフリンジ信号を示す図で
ある。

【図７】図６より得られたスペクトル線幅の測定結果を
示す図である。

【図８】本発明によるスペクトル測定装置の原理を説明
するための図である。

【図９】本発明によるスペクトル測定方法の原理を説明
するための図である。

【図１０】本発明によるスペクトル測定方法の原理を説
明するための図である。

【図１１】本発明によるスペクトル測定方法の原理を説
明するための図である。

【図１２】従来の測定方法を説明するための図である。

【図１３】従来の測定方法を説明するための図である。

【図１４】従来のエタロンによる測定装置の構造を示し
た図である。

【符号の説明】

１ ファブリペロ−エタロン ２ 両凹レンズ ３ 凹面ミラー ４ 平面ミラー ５ イメージセンサ ６ 暗箱 ７ 演算装置 １０ レーザ光 ２１ ファブリペロ−エタロン ２２ 凸レンズ ２３ イメージセンサ ２４ 入射光 １０１〜１０３ ファブリペロ−エタロン １０４〜１０６ 凸レンズ １０７ フォトダイオードアレイ １０８ ハーフミラー １０９ シャッター １１０ 平面ミラー １１１ 入射光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ファブリペロ−エタロン、および前記エタ
   ロンを透過したレーザ光をイメージセンサ上に結像させ
   る光学系より構成されるスペクトル測定装置において、 発散角を有するレーザ光が前記エタロンを透過した際に
   干渉によって生じるフリンジ信号を測定するセンサと、 予め計算で求められるフリンジ信号、あるいはそのピー
   クの光強度と一定な背景光強度の比と、測定で得られる
   フリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と一定な背
   景光強度の比とを比較することにより、前記エタロンの
   自由スペクトル範囲より線幅の狭いレーザ光成分と、そ
   れより線幅の広いレーザ光成分とのエネルギー比を計算
   する演算装置と、を備えたことを特徴とするスペクトル
   測定装置。
2. 【請求項２】ファブリペロ−エタロン、および前記エタ
   ロンを透過したレーザ光をイメージセンサ上に結像させ
   る光学系より構成されるスペクトル測定装置において、 発散角を有するレーザ光が前記エタロンを透過した際に
   干渉によって生じるフリンジ信号を測定するセンサと、 入射レーザ光がエタロンの自由スペクトル範囲より狭い
   線幅の、複数のレーザ光成分を持つ場合、予め計算で求
   められるフリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と
   一定の背景光強度の比と、測定で得られるフリンジ信
   号、あるいはそのピークの光強度と一定な背景光強度の
   比とを比較することにより、それぞれの狭い線幅のレー
   ザ光成分と前記エタロンの自由スペクトル範囲より広い
   光成分とのエネルギー比、あるいは狭い線幅のレーザ光
   成分同士のエネルギー比を計算する演算装置と、を備え
   たことを特徴とするスペクトル測定装置。
3. 【請求項３】発散角を有するレーザ光がファブリペロ−
   エタロンを透過するステップと、 前記エタロンを透過した際に干渉によって生じるフリン
   ジ信号を測定するステップと、 予め計算で求められるフリンジ信号、あるいはそのピー
   クの光強度と一定な背景光強度の比と、測定で得られる
   フリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と一定な背
   景光強度の比とを比較することにより、前記エタロンの
   自由スペクトル範囲より線幅の狭いレーザ光成分と、そ
   れより線幅の広いレーザ光成分とのエネルギー比を計算
   するステップと、を含むことを特徴とするスペクトル測
   定方法。
4. 【請求項４】発散角を有するレーザ光がファブリペロ−
   エタロンを透過するステップと、 前記エタロンを透過した際に干渉によって生じるフリン
   ジ信号を測定するステップと、 入射レーザ光がエタロンの自由スペクトル範囲より狭い
   線幅の、複数のレーザ光成分を持つ場合、予め計算で求
   められるフリンジ信号、あるいはそのピークの光強度と
   一定の背景光強度の比と、測定で得られるフリンジ信
   号、あるいはそのピークの光強度と一定な背景光強度の
   比とを比較することにより、それぞれの狭い線幅のレー
   ザ光成分と前記エタロンの自由スペクトル範囲より広い
   光成分とのエネルギー比、あるいは狭い線幅のレーザ光
   成分同士のエネルギー比を計算するステップと、を含む
   ことを特徴とするスペクトル測定方法。