JPWO2016151827A1 - レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
1.概要
2.比較例に係るレーザ装置
2.1 MOPAレーザ源の構成
2.2 MOPAレーザ源の動作
2.3 課題
3.ビーム調節光学系を含むレーザ装置
3.1 構成
3.2 動作
3.3 作用
3.4 その他
3.5 ビーム調節光学系の第1の例
3.6 ビーム調節光学系の第2の例
3.7 ビーム調節光学系の第3の例
3.8 ビーム調節光学系の第4の例
3.9 ビーム調節光学系の第5の例
4.両テレセントリックなビーム調節光学系を含むレーザ装置
4.1 構成
4.2 動作
4.3 作用
4.4 その他
4.5 第2の実施形態の変形例
5.複数の増幅器を含むレーザ装置
5.1 構成
5.2 動作及び作用
5.3 第3の実施形態の変形例
レーザアニール装置は、ガラス基板上のアモルファスシリコン膜にパルス状のレーザ光を所定のエネルギー密度で照射することによって、レーザアニールを行ってもよい。近年のようにますます大きな液晶ディスプレイが製造されるようになると、所定のエネルギー密度での照射面積を広げるために、レーザ光の1つのパルスあたりのエネルギーを増加させることが求められ得る。1つのパルスあたりのエネルギーを増加させるために、発振器(MO)と増幅器(PA)とを有する2チャンバシステムを用いる場合がある。このような2チャンバシステムを用いたレーザ装置をMOPAレーザ源ともいう。
本開示の1つの観点において、発振器と増幅器との間の光路に配置された第1のビーム調節光学系が、両テレセントリックな光学系であってもよい。
第1のビーム調節光学系は、増幅器に入射するレーザ光のビーム幅が当該増幅器の一対の放電電極のギャップ間隔と略同じとなるように、レーザ光を調節してもよい。
2.1 MOPAレーザ源の構成
図1Aは、比較例に係るレーザ装置の構成を概略的に示す。このレーザ装置は、発振器MOと、増幅器PAと、複数の高反射ミラー18及び19とを備えたMOPAレーザ源であってもよい。図1Aは、レーザ光の進行方向と垂直で、且つ、発振器MO及び増幅器PAにおける一対の放電電極間の放電方向と垂直な方向から見た図である。図1Bは、図1Aに示される増幅器PAを一対の放電電極間の放電方向と平行な方向から見た図である。レーザ光の進行方向をZ方向としてもよい。発振器MO及び増幅器PAにおける一対の放電電極間の放電方向をV方向としてもよい。Z方向及びV方向の両方に垂直な方向をH方向としてもよい。高反射ミラー18又は19によってレーザ光が反射されて進行方向が変化するのに伴って、Z方向及びV方向が変化してもよい。
図2Aは、図1AのIIA線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。図2Bは、図1AのIIB線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。図2Cは、図1AのIIC線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。
発振器MOと増幅器PAの間の距離が離れている場合、増幅器PAのウインドウ20aに入射するレーザ光のビームサイズは、増幅器PAの放電空間に対して大きくなり得る。このため、レーザ光の一部は増幅器PAの放電空間に入りきらずに、増幅されなくなり得る。その結果、MOPAレーザ源によるレーザ光の生成効率が低下し得る。
そこで、以下に本開示の実施形態を説明する。
3.1 構成
図3A及び図3Bは、本開示の第1の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す。第1の実施形態に係るレーザ装置は、高反射ミラー18及び19の間のレーザ光の光路に、ビーム調節光学系40を備えていてもよい。
図4Aは、図3AのIVA線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。図4Bは、図3AのIVB線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。図4Cは、図3AのIVC線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。
これにより、ビーム調節光学系40がなかった場合に比べて、第2の一対の放電電極21a及び21bにレーザ光の一部が当たって無駄になるのを抑制し得る。そして、増幅器PAから出力されるパルス状のレーザ光のパルスエネルギーは増加し得る。
図4Bに示されるように±H方向にレーザ光がはみ出た場合は、±H方向の両端部分が無駄となるが、レーザ光の±H方向の両端部分は光強度が比較的弱い部分であるので、レーザ光のエネルギーの無駄はあまり大きくないと言い得る。
なお、この実施形態では、ビーム調節光学系40が高反射ミラー18及び19の間の光路に配置された例を示したが、本開示はこれに限定されない。ビーム調節光学系40の少なくとも一部が、出力結合ミラー15と高反射ミラー18との間の光路、又は、高反射ミラー19とウインドウ20aとの間の光路に配置されてもよい。
図5Aは、図3Aに示される第1の実施形態におけるビーム調節光学系40の第1の例としてのビーム調節光学系40aをV方向から見た図である。図5Bは、ビーム調節光学系40aをH方向から見た図である。
シリンドリカル凸レンズ41の後側焦点軸F1よりも、シリンドリカル凹レンズ42の前側焦点軸F2の方が、わずかにレーザ光の下流側となるように調節することにより、シリンドリカル凹レンズ42を通過したレーザ光が平行に近いビームとなり得る。
シリンドリカル凹レンズ42を通過したレーザ光は、V方向のビーム幅が第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔と略同じサイズとなって、増幅器PAに入射し得る。
B≒G
B/A≒FL2/FL1
ここで、Gは第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔でもよい。シリンドリカル凸レンズ41に入射するレーザ光のV方向のビーム幅Aと第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔Gとから、レンズの焦点距離の比を決定することにより、レーザ光を所望のビーム幅に調整することができる。
例えば、シリンドリカル凸レンズ41の後側焦点軸F1とシリンドリカル凹レンズ42の前側焦点軸F2とを、V方向と略平行に配置してもよい。その場合は、レーザ光のH方向のビーム幅が増幅器PAにおける放電幅と略一致するように、レンズ間隔が調節されてもよい。
図6Aは、図3Aに示される第1の実施形態におけるビーム調節光学系40の第2の例としてのビーム調節光学系40bをV方向から見た図である。図6Bは、ビーム調節光学系40bをH方向から見た図である。
レンズ保持及び位置調整のための構成については、図5A及び図5Bを参照しながら説明した第1の例と同様でよい。
球面凸レンズ45の後側焦点F1よりも、球面凹レンズ46の前側焦点F2の方が、わずかにレーザ光の下流側となるように調節することにより、球面凹レンズ46を通過したレーザ光が平行に近いビームとなり得る。
球面凹レンズ46を通過したレーザ光は、V方向のビーム幅が第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔と略同じサイズとなり、又は、H方向のビーム幅が増幅器PAにおける放電幅と略同じサイズとなって、増幅器PAに入射し得る。
図7Aは、図3Aに示される第1の実施形態におけるビーム調節光学系40の第3の例としてのビーム調節光学系40cをV方向から見た図である。図7Bは、ビーム調節光学系40cをH方向から見た図である。
シリンドリカル凹レンズ44は、当該シリンドリカル凹レンズ44よりもレーザ光の下流側に焦点距離FL4離れた位置に、前側焦点軸F4を有していてもよい。
図8Aは、図3Aに示される第1の実施形態におけるビーム調節光学系40の第4の例としてのビーム調節光学系40dをV方向から見た図である。図8Bは、ビーム調節光学系40dをH方向から見た図である。
両面シリンドリカル凸レンズ47、シリンドリカル凹レンズ42及びシリンドリカル凹レンズ44の保持及び位置調整のための構成については、図7A及び図7Bを参照しながら説明した構成と実質的に同様でよい。
図9Aは、図3Aに示される第1の実施形態におけるビーム調節光学系40の第5の例としてのビーム調節光学系40eをV方向から見た図である。図9Bは、ビーム調節光学系40eをH方向から見た図である。
シリンドリカル凸レンズ48は、当該シリンドリカル凸レンズ48よりもレーザ光の上流側に焦点距離FL2離れた位置に、前側焦点軸F2を有していてもよい。シリンドリカル凸レンズ48の前側焦点軸F2とは、シリンドリカル凸レンズ48に対して図の右側から平行光線が入射して左側に通過したときに、線上に集光する位置を示す軸に相当し得る。
レンズ保持及び位置調整のための構成については、図5A及び図5Bを参照しながら説明した第1の例と同様でよい。
シリンドリカル凸レンズ41の後側焦点軸F1よりも、シリンドリカル凸レンズ48の前側焦点軸F2の方が、わずかにレーザ光の下流側となるように調節することにより、シリンドリカル凸レンズ48を通過したレーザ光が平行に近いビームとなり得る。
シリンドリカル凸レンズ48を通過したレーザ光は、V方向のビーム幅が第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔と略同じサイズとなって、増幅器PAに入射し得る。
B≒G
B/A≒FL2/FL1
ここで、Gは第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔でもよい。シリンドリカル凸レンズ41に入射するレーザ光のV方向のビーム幅Aと第2の一対の放電電極21a及び21bのギャップ間隔Gとから、レンズの焦点距離の比を決定することにより、レーザ光を所望のビーム幅に調整することができる。
例えば、シリンドリカル凸レンズ41の後側焦点軸F1とシリンドリカル凸レンズ48の前側焦点軸F2とを、V方向と略平行に配置してもよい。
4.1 構成
図10A及び図10Bは、本開示の第2の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す。第2の実施形態に係るレーザ装置は、高反射ミラー18及び19の間のレーザ光の光路に、両テレセントリックな光学系であるビーム調節光学系60aを備えていてもよい。
FL1a+FL1b=FL1
同様に、球面凸レンズ62から高反射ミラー19までの距離FL1a'と、高反射ミラー19から球面凸レンズ62の後側焦点までの距離FL1b'との合計もFL1でよい。このとき、出力結合ミラー15の部分反射面の像が、球面凸レンズ62の後側焦点面の位置に、略等倍の転写倍率で結像してもよい。すなわち、図10Aに示される物体面Oが、図10Aに示される像面Iに、転写倍率1:1で転写されてもよい。
図11Aは、図10AのXIA線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。図11Bは、図10AのXIB線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。図11Cは、図10AのXIC線におけるビーム断面のビームプロファイルを示す。
これにより、増幅器PAの放電空間にレーザ光が入りきらずにレーザ光の一部が無駄になるのを抑制し得る。そして、増幅器PAから出力されるパルス状のレーザ光のパルスエネルギーは増加し得る。
なお、この実施形態では、ビーム調節光学系60aが高反射ミラー18及び19の間の光路に配置された例を示したが、本開示はこれに限定されない。ビーム調節光学系60aは、出力結合ミラー15とウインドウ20aとの間の光路の任意の位置に配置されてもよい。
図12A及び図12Bは、本開示の第2の実施形態に係るレーザ装置の変形例の構成を概略的に示す。このレーザ装置においては、2つの軸外放物面ミラー68及び69を用いて、両テレセントリックな光学系であるビーム調節光学系60bを構成してもよい。
5.1 構成
図13は、本開示の第3の実施形態に係るレーザ装置の構成を概略的に示す。第3の実施形態に係るレーザ装置は、発振器MOの他に、第1の増幅器PA1及び第2の増幅器PA2を備えていてもよい。
FL1a+FL1b=FL1
同様に、凸レンズ62の前側焦点から高反射ミラー19までの距離FL1b'と、高反射ミラー19から凸レンズ62までの距離FL1a'との合計もFL1でよい。
FL2a+FL2b=FL2
同様に、凸レンズ64の前側焦点から高反射ミラー29までの距離FL2b'と、高反射ミラー29から凸レンズ64までの距離FL2a'との合計もFL2でよい。
図14Aは、図13に示されるレーザ装置を簡略化して示す光学配置図である。
凸レンズ61の前側焦点は、発振器MOの放電空間のほぼ中心に位置していてもよい。凸レンズ62の後側焦点は、第1の増幅器PA1の放電空間のほぼ中心に位置していてもよい。これにより、発振器MOの放電空間のほぼ中心に位置する物体面Oが、第1の増幅器PA1の放電空間のほぼ中心に位置する第1の像面I1に転写されてもよい。
図14Bは、本開示の第3の実施形態に係るレーザ装置の第1の変形例の構成を概略的に示す光学配置図である。このレーザ装置においては、凸レンズ61及び凸レンズ62で構成される両テレセントリックなビーム調節光学系が、発振器MOの放電空間の出力結合ミラー寄りの端部位置を第1の物体面O1とし、第1の増幅器PA1の放電空間の入口寄りの位置を第1の像面I1としてもよい。また、凸レンズ63及び凸レンズ64で構成される両テレセントリックなビーム調節光学系が、第1の増幅器PA1の放電空間の出口寄りの端部位置を第2の物体面O2とし、第2の増幅器PA2の放電空間の入口寄りの位置を第2の像面I2としてもよい。
Claims (14)
- 第1のレーザチャンバと、前記第1のレーザチャンバの中に配置された第1の一対の放電電極と、光共振器と、を含み、レーザ光を出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記レーザ光の光路に配置された第2のレーザチャンバと、前記第2のレーザチャンバの中に第1のギャップ間隔で配置された第2の一対の放電電極と、を含み、前記レーザ光を増幅して出力する第1の増幅器と、
前記発振器と前記第1の増幅器との間の光路に配置され、前記第1の増幅器に入射する前記レーザ光の前記第2の一対の放電電極の放電方向に沿ったビーム幅が前記第2の一対の放電電極の前記第1のギャップ間隔と略同じとなるように、前記発振器から出力された前記レーザ光を調節する第1のビーム調節光学系と、
を備えるレーザ装置。 - 前記第1のビーム調節光学系は、正のパワーの第1の光学素子と、前記第1の光学素子よりも前記レーザ光の下流側に配置された正又は負のパワーの第2の光学素子と、を含む、請求項1記載のレーザ装置。
- 前記第1の光学素子は、第1の焦点距離FL1を有し、
前記第2の光学素子は、前記第1の焦点距離FL1以下の第2の焦点距離FL2を有し、
前記第1の光学素子に入射する前記レーザ光の前記第2の一対の放電電極の放電方向に沿った第1のビーム幅Aと、前記第2の光学素子から出射する前記レーザ光の前記第2の一対の放電電極の放電方向に沿った第2のビーム幅Bとの比B/AがB/A≒FL2/FL1の式で与えられ、且つ、前記第2のビーム幅Bが、前記第2の一対の放電電極の前記第1のギャップ間隔と略同じである、
請求項2記載のレーザ装置。 - 第1のレーザチャンバと、前記第1のレーザチャンバの中に配置された第1の一対の放電電極と、光共振器と、を含み、レーザ光を出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記レーザ光の光路に配置された第2のレーザチャンバと、前記第2のレーザチャンバの中に配置された第2の一対の放電電極と、を含み、前記レーザ光を増幅して出力する第1の増幅器と、
前記発振器と前記第1の増幅器との間の光路に配置され、前記発振器から出力された前記レーザ光を調節する第1のビーム調節光学系であって、正のパワーの第1の光学素子と、前記第1の光学素子よりも前記レーザ光の下流側に配置された正又は負のパワーの第2の光学素子と、を含む前記第1のビーム調節光学系と、
を備えるレーザ装置。 - 前記第1の光学素子は、第1の焦点距離FL1を有し、
前記第2の光学素子は、前記第1の焦点距離FL1以下の第2の焦点距離FL2を有し、
前記第1の光学素子の後側焦点の位置に対して前記第2の光学素子の前側焦点の位置がわずかに前記レーザ光の下流側となるように配置された、
請求項4記載のレーザ装置。 - 第1のレーザチャンバと、前記第1のレーザチャンバの中に配置された第1の一対の放電電極と、光共振器と、を含み、レーザ光を出力する発振器と、
前記発振器から出力された前記レーザ光の光路に配置された第2のレーザチャンバと、前記第2のレーザチャンバの中に配置された第2の一対の放電電極と、を含み、前記レーザ光を増幅して出力する第1の増幅器と、
前記発振器と前記第1の増幅器との間の光路に配置された両テレセントリックな光学系である第1のビーム調節光学系と、
を備えるレーザ装置。 - 前記第1のビーム調節光学系の倍率が略等倍である、請求項6記載のレーザ装置。
- 前記第1のビーム調節光学系の物点が前記光共振器内に位置し、
前記第1のビーム調節光学系の像点が前記第2の一対の放電電極の間に位置する、
請求項6記載のレーザ装置。 - 前記第1のビーム調節光学系の物点が前記光共振器の略中心に位置し、
前記第1のビーム調節光学系の像点が前記第2の一対の放電電極の間の略中心に位置する、
請求項6記載のレーザ装置。 - 前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光の光路に配置された第3のレーザチャンバと、前記第3のレーザチャンバの中に第2のギャップ間隔で配置された第3の一対の放電電極と、を含み、前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光を増幅して出力する第2の増幅器と、
前記第1の増幅器と前記第2の増幅器との間の光路に配置され、前記第2の増幅器に入射する前記レーザ光の前記第3の一対の放電電極の放電方向に沿ったビーム幅が前記第3の一対の放電電極の前記第2のギャップ間隔と略同じとなるように、前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光を調節する第2のビーム調節光学系と、
をさらに備える請求項1記載のレーザ装置。 - 前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光の光路に配置された第3のレーザチャンバと、前記第3のレーザチャンバの中に配置された第3の一対の放電電極と、を含み、前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光を増幅して出力する第2の増幅器と、
前記第1の増幅器と前記第2の増幅器との間の光路に配置され、前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光を調節する第2のビーム調節光学系であって、正のパワーの第3の光学素子と、前記第3の光学素子よりも前記レーザ光の下流側に配置された正又は負のパワーの第4の光学素子と、を含む前記第2のビーム調節光学系と、
をさらに備える請求項4記載のレーザ装置。 - 前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光の光路に配置された第3のレーザチャンバと、前記第3のレーザチャンバの中に配置された第3の一対の放電電極と、を含み、前記第1の増幅器から出力された前記レーザ光を増幅して出力する第2の増幅器と、
前記第1の増幅器と前記第2の増幅器との間の光路に配置された両テレセントリックな光学系である第2のビーム調節光学系と、
をさらに備える請求項6記載のレーザ装置。 - 前記第1のビーム調節光学系の物点が前記光共振器の略中心に位置し、
前記第1のビーム調節光学系の像点及び前記第2のビーム調節光学系の物点が前記第2の一対の放電電極の間の略中心に位置し、
前記第2のビーム調節光学系の像点が前記第3の一対の放電電極の間の略中心に位置する、
請求項12記載のレーザ装置。 - 前記第1の一対の放電電極は、前記第1のレーザチャンバの中に前記第1のギャップ間隔で配置されている、
請求項1記載のレーザ装置。
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