KR101380434B1 - 광원 장치 - Google Patents

Abstract

점등 개시 후의 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지하여 발광을 안정적으로 유지시킬 수 있으며, 또 발광관의 가열에 의한 점등 수명의 저하를 억제한 광원 장치를 실현하는 것이다.
내부에 발광 가스가 봉입된 발광관(1)에, 펄스 레이저 발진부(21)로부터 펄스 형상의 레이저빔과, 연속파 레이저 발진부(25)로부터 연속파의 레이저빔을 입사시켜, 발광관(1) 내에서 양 빔이 겹치도록 집광시킨다. 점등 개시시에, 펄스 형상의 빔에 의해, 고온 플라즈마 상태를 형성시키고, 이 고온 플라즈마 상태가 형성된 위치에, 펄스 형상의 빔보다 강도가 작은 연속파의 빔을 겹치게 함으로써, 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있다. 또 연속파의 빔은, 강도가 작기 때문에, 발광관이 가열되지 않아 긴 수명으로 할 수 있다. 상기 발광관(1) 내에서 빔을 집광시키는 광학 수단으로서는, 예를 들면 회절 광학 소자(31)나, 볼록 렌즈나 포물면경 등을 이용할 수 있다.

Description

광원 장치{LIGHT SOURCE APPARATUS}

본 발명은, 레이저 장치로부터 방사되는 레이저빔에 의해 점등되는, 노광 장치 등에 적용하는데 적합한 광원 장치에 관한 것이다.

레이저 장치로부터의 레이저빔을 발광 가스를 봉입한 발광관에 조사하여, 가스를 여기시켜 발광시키도록 한 광원 장치가 알려져 있다.(특허 문헌 1 참조)

특허 문헌 1에 개시되는 것은, 연속 혹은 펄스 형상의 레이저광을 발진하는 레이저 발진기로부터의 빔을, 렌즈 등의 집광용 광학계 부품에서 집광시켜 발광 가스(발광 원소)를 봉입한 발광관에 조사하여, 발광관 내의 발광 가스를 여기시켜 발광시키는 것이다.

특허 문헌 1의 2페이지째의 우측 상란 위로부터 16~18행째에는 상기 레이저 발진기는 봉입 가스의 방전 여기에 충분한 강도의 연속 또는 펄스 형상의 레이저광을 발진한다고 기재되어 있다.

일본 공개특허 소61－193358호 공보

발광관에 봉입한 발광 가스를 여기시키는 레이저빔으로서는, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 연속 혹은 펄스 형상의 레이저빔을 생각할 수 있지만, 어느 레이저빔을 이용해도, 이하와 같은 문제가 있는 것을 알 수 있었다.

(가) 펄스 형상의 레이저광의 경우, 「봉입 가스의 방전 여기에 충분한 강도의 펄스 형상의 레이저광을 발진하므로」 점등은 개시되지만, 도 18(a)에 나타내는 바와 같이, 봉입 가스에 단속적으로 레이저광이 입사되므로, 고온 플라즈마 상태는 레이저광이 단절될 때, 함께 단절되어 버리는 경우가 있어, 상시, 고온 플라즈마 상태를 유지하는 것이 곤란했다. 즉, 방전 유지가 불안정하다는 문제가 있었다.

(나) 연속의 레이저광의 경우, 봉입 가스의 방전 개시에 충분한 강도의 연속의 레이저광을 발진하면, 점등은 개시되지만, 도 18(b)에 나타내는 바와 같이 고온 플라즈마 상태를 유지할 때도 점등 개시시와 동일한 에너지를 입력하면, 관구(管球)가 가열되어 버려, 이 열에 의해 관구에 비틀림이 생겨 파손되는 일이 있었다. 즉 점등 수명이 짧다는 문제가 있었다.

또, 방전 개시에 필요한 레이저광의 파워는 수십에서 수백 kW가 되지만, 이러한 대출력의 레이저광을 연속하여 출력하는 레이저 장치는 대형으로 코스트도 비싸고, 실용적이지 않다.

본 발명은, 상기한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 발광 원소를 봉입한 발광관에 레이저빔을 조사하여 발광시키는 광원 장치에 있어서, 큰 파워의 레이저빔을 조사하는 일 없이, 점등 개시 후의 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지하여, 발광을 안정적으로 유지시킬 수 있으며, 또 발광관의 가열에 의한 점등 수명의 저하를 억제할 수 있는 광원 장치를 제공하는 것이다.

펄스 형상의 레이저빔은 피크 파워가 크기 때문에, 비교적 작은 레이저 장치의 출력으로, 발광관에 봉입된 가스를 여기하는 것이 가능하다. 한편, 연속파 레이저빔은, 펄스 형상의 레이저빔과 같이 단절되는 일이 없기 때문에, 고온 플라즈마 점등 상태에 있는 발광관에 연속파 레이저빔을 조사함으로써 발광을 유지하는 것이 가능하다.

이상으로부터, 본 발명자는 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔 양쪽을 이용하여 발광 원소를 봉입한 발광관을 점등시키는 것을 시도했다. 그 결과, 발광 원소를 봉입한 발광관에 펄스 레이저빔을 조사하여 점등을 개시시키고, 그와 동시에 연속파 레이저빔을 조사하여 점등을 유지시킴으로써, 비교적 작은 파워의 레이저 장치를 이용하여, 확실히 발광관의 점등을 개시시키고, 점등 개시 후, 안정적으로 점등을 유지하는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.

여기서, 발광을 유지시키려면, 펄스 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역과, 연속파 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역이 발광관 내에서 겹쳐 있는 것이 필요하다.

그래서, 펄스 레이저빔의 광로와 연속파 레이저빔의 광로가 발광관 내의 전체 영역에 있어서 겹치도록 레이저 장치를 배치하면, 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔으로 형성되는 고에너지 상태의 영역을 발광관 내에서 용이하고 또한 확실히 겹치게 할 수 있다.

또, 연속파 레이저빔을 여기광으로서 이용하여, 펄스 레이저빔을 발생시킴으로써, 비교적 간단한 구성으로, 연속파 레이저빔에 광로가 겹치는 펄스 형상 레이저빔을 발생시킬 수 있다.

이상에 기초하여, 본 발명에 있어서는, 상기 과제를 다음과 같이 해결한다.

(1) 광원 장치를, 발광 원소를 봉입한 발광관과, 그 발광관을 향하여 펄스 레이저빔을 방사하는 펄스 레이저 발진부와, 그 발광관을 향하여 연속파 레이저빔을 방사하는 연속파 레이저 발진부로 구성한다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 펄스 레이저 발진부로부터의 빔의 광로와, 상기 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 광로가, 적어도 발광관 내의 전체 영역에 있어서 겹치도록 구성한다.

(3) 상기 (1)(2)에 있어서, 펄스 레이저 발진부가, 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 일부를 여기광으로서 이용하여, 그 펄스 레이저 발진부 내의 레이저 결정을 여기시켜, 펄스 레이저빔을 방사한다.

(4) 상기 (1)(2)(3)에 있어서, 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔의 광로의 도중에 집광 수단을 설치하여 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔을 발광관 내에서 집광시킴과 함께, 펄스 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역과, 연속파 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역이 겹치도록 상기 레이저빔의 적어도 한쪽의 광로의 도중에 광학 수단을 설치한다.

본 발명에 있어서는, 이하의 효과를 얻을 수 있다.

(1) 광원 장치를, 발광 원소를 봉입한 발광관과, 그 발광관을 향하여 펄스 레이저빔을 방사하는 펄스 레이저 발진부와, 그 발광관을 향하여 연속파 레이저빔을 방사하는 연속파 레이저 발진부로 구성했으므로, 펄스 형상 레이저빔으로 고온 플라즈마 상태를 만들어, 연속빔으로 고온 플라즈마 상태를 유지할 수 있고, 고온 플라즈마 상태의 단절을 억제할 수 있어, 방전 상태를 안정시킬 수 있다.

또, 연속파 레이저빔의 휘도는, 고온 플라즈마 상태를 유지하는데 필요한 강도이면 되고, 비교적 작은 파워의 레이저 발진부를 이용할 수 있으므로, 발광관이 가열되지 않아 긴 수명으로 할 수 있다.

또, 펄스 형상의 레이저빔은 피크 파워가 크기 때문에, 평균 출력이 비교적 작은 레이저 장치로 고온 플라즈마 상태를 만드는 것이 가능하고, 또, 연속파 레이저 발진부도 비교적 작은 출력의 발진부를 이용할 수 있으므로, 장치가 대형화하는 일이 없다.

(2) 펄스 레이저 발진부로부터의 빔의 광로와, 상기 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 광로가, 적어도 발광관 내의 전체 영역에 있어서 겹치도록 구성함으로써, 발광관 내부에서, 펄스 형상 레이저빔과 연속파 레이저빔의 고에너지 상태의 영역을 확실히 겹치게 할 수 있다. 이 때문에, 고온 플라즈마 상태의 생성과, 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실히 행할 수 있어, 고온 플라즈마 상태의 단절을 억제하여, 안정적으로 방전시킬 수 있다.

(3) 펄스 레이저 발진부를, 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 일부를 여기광으로서 이용하여, 그 펄스 레이저 발진부 내의 레이저 결정을 여기시켜, 펄스 레이저빔을 방사하도록 구성함으로써, 장치 구성을 간단화할 수 있다.

또, 펄스 형상 레이저빔과 연속파 레이저빔의 광로를 확실히 겹치게 할 수 있어, 고온 플라즈마 상태의 생성과 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실히 행할 수 있다.

(4) 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔의 광로의 도중에 집광 수단을 설치하여 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔을 발광관 내에서 집광시킴과 함께, 상기 레이저빔의 적어도 한쪽의 광로의 도중에 광학 수단을 설치함으로써, 펄스 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역과, 연속파 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역이 확실히 겹치도록 할 수 있다.

또, 상기와 같이 광학 수단을 설치함으로써, 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔의 파장이 달라도, 그 차이에 의한 색수차를 보정할 수 있어, 펄스 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역과, 연속파 레이저빔에 의해 형성되는 에너지 상태의 영역이 확실히 겹치도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 광원 장치를 노광 장치에 적용한 경우의 구성예를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 관련된 광원 장치의 제1 실시예를 나타낸 도이다.
도 3은 발광관 내부에 있어서의 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 모식도이다.
도 4는 발광관 내부에 있어서의 연속파 빔과 펄스 형상 빔의 상태를 설명한 도이다.
도 5는 본 발명에 관련된 광원 장치의 제2 실시예를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명에 관련된 광원 장치의 제3 실시예를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명에 관련된 광원 장치의 제4 실시예를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명에 관련된 광원 장치의 제5 실시예를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명에 관련된 광원 장치의 제6 실시예를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에 관련된 광원 장치의 제7 실시예를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명에 관련된 광원 장치의 제8 실시예를 나타낸 도이다.
도 12는 본 발명에 관련된 광원 장치의 제9 실시예를 나타낸 도이다.
도 13은 색수차를 설명한 도이다.
도 14는 본 발명에 관련된 광원 장치의 제10 실시예를 나타낸 도이다.
도 15는 색수차를 억제하기 위한 광학 수단의 배치예를 나타낸 도이다.
도 16은 본 발명에 관련된 광원 장치의 제11 실시예를 나타낸 도이다.
도 17은 펄스 형상의 빔에 의해 집광점의 앞측에서 고온 플라즈마 상태가 형성된 경우를 설명한 도이다.
도 18은 펄스 형상 레이저빔, 연속파 레이저빔의 모식도이다.

도 1은 본 발명에 관련된 광원 장치를, 그 용도의 일예인 노광 장치에 적용한 경우의 구성예를 나타내는 도, 도 2는 본 발명에 관련된 광원 장치의 제1 실시예를 나타낸 도이다.

우선, 도 1에 의해 본 발명의 광원 장치를 구비한 노광 장치에 대해서 설명한다.

노광 장치는, 광을 출사하는 광원 장치(10)를 구비한다. 이 광원 장치(10)는, 도 2를 이용하여 상세히 서술하므로, 여기에서는 간단하게 설명한다.

광원 장치(10)는, 레이저 발진부(2)와, 그 레이저 발진부(2)로부터의 광을 집광하는 집광 수단(3)과, 그 집광 수단(3)에서 집광된 광이 입사되는 발광관(1)을 구비한다. 도 1에서는 레이저 발진부(2)가 하나밖에 나타나 있지 않지만, 후술하는 바와 같이 레이저 발진부(2)는, 펄스 형상의 레이저빔을 출력하는 펄스 레이저 발진부와, 연속파의 레이저빔을 출력하는 연속파 레이저 발진부로 구성된다.

레이저 발진부(2)로부터 집광 수단(3)까지의 빔의 광로 상에는 메카니컬 셔터(7)와, 미러(8)가 설치되고, 셔터(7)를 개폐함으로써 빔의 출사·불출사를 제어한다.

발광관(1)은, 회전 타원의 반사면을 가지는 미러(11a)에 대략 둘러싸인다. 미러(11a)에는, 레이저 발진부(2)로부터의 광을 입사하는 한쪽의 관통 구멍(111)과, 발광관(1)을 통과한 광을 출사하는 다른쪽의 관통 구멍(112)을 가진다.

미러(11a)와 발광관(1)은, 램프 하우스(11)에 수납된다.

램프 하우스(11)에는, 광원 장치(10)를 구성하는 집광 수단(3)이 설치된다. 또, 램프 하우스(11)에는, 집광 미러(11a)의 다른쪽의 관통 구멍(112)으로부터 출사된 광을 집광하는 집광 수단(11b)도 설치된다.

램프 하우스(11)의 외부에는, 집광 수단(11b)으로부터의 광이 입사하며, 입사광을 감쇠시켜, 램프 하우스 내로 되돌리지 않도록 하는 빔 댐퍼(12a)가 배치된다.

발광관(1)에는, 레이저 발진부(2)로부터의 빔이 입사되고, 발광관 내부의 발광 가스가 여기되어, 여기광이 발생한다. 이 여기광은, 미러(11a)에서 집광되고, 도 1에 있어서는 종이면 아래쪽을 향하여 출사되어, 다이클로익 미러(13)에 이른다. 다이클로익 미러(13)는 노광에 필요한 파장의 광을 반사하고, 그 이외의 광을 투과시킨다. 다이클로익 미러(13)의 배면에는, 빔 댐퍼(12b)가 배치되어, 다이클로익 미러(13)를 투과한 광은, 여기서 집광되어 종단한다.

다이클로익 미러(13)에서 반사된 광은, 집광 미러(11a)에서의 집광에 의해 초점을 맞추어, 이 초점 위치에 배치된 필터(14)의 조리개부(14a)를 통과한다. 이 때, 광은 조리개부(14a)의 형상으로 성형된다.

조리개부(14a)를 통과한 광은, 퍼지면서 나아가 도중에 배치된 집광 수단(15a)에 의해 집광되어 대략 평행한 광이 된다.

이 광이 인티그레이터 렌즈(16)에 입사되어, 출사측에 배치된 집광 수단(15b)에 의해 집광된다. 인티그레이터 렌즈(16)의 각 셀 렌즈로부터 출사된 광이, 집광 수단(15b)에 의해 집광됨으로써, 짧은 거리에서 중첩되어, 조도의 균일화가 도모된다.

집광 수단(15b)으로부터 출사된 광은, 중첩되면서, 미러(17)에서 반사되어 콜리메이터 렌즈(18)에 입사된다. 콜리메이터 렌즈(18)로부터 출사된 광은, 평행광이 되고, 마스크(19)를 통과하여, 실리콘 웨이퍼 등의 피조사물 W를 조사한다. 이와 같이, 광원 장치로부터의 광은, 피조사물 W를 조사하여 처리한다.

다음에, 도 2를 이용하여, 본 발명의 제1 실시예에 관련된 광원 장치에 대해서 설명한다.

또한, 이하에 설명하는 제1~4 실시예에서는, 연속파 레이저 발진부(25)로부터의 빔의 광로와 펄스 레이저 발진부(21)로부터의 빔의 광로가 달라, 최종적으로 발광관(1) 내부에서 겹쳐져 집광되는 경우를 나타내고 있다.

본 발명의 제1 실시예인 도 2에 나타내는 광원 장치는, 내부에 발광 가스가 봉입된 발광관(1)과, 그 발광관(1)의 내부에서 초점을 맞추는 회절 광학 소자(31)(DOE: Diffractive Optical Element)와, 그 회절 광학 소자(31)에 펄스 형상의 빔을 입사시키는 펄스 레이저 발진부(21)와, 그 회절 광학 소자(31)에 연속파의 빔을 입사시키는 연속파 레이저 발진부(25)를 구비한다. 각 레이저 발진부(21, 25)로부터의 레이저빔의 파장은, 이 실시예에서는 동일하다. 또한, 이하에서는 연속파의 빔을 CW빔라고도 하며, 연속파 레이저 발진부를 CW레이저 발진부라고도 한다. 또, 펄스 형상의 빔을 펄스빔이라고도 한다.

발광관(1)은, 각 레이저 발진부(21, 25)로부터의 빔을 투과하고, 또한, 발광 원소의 여기광을 투과하는 부재(예를 들면 석영 유리)로 구성된다.

발광관(1)의 형상은, 발광 원소를 봉입할 수 있는 형상이면 된다. 단, 발광 원소를 고압(대기압보다 큰 기압)으로 봉입할 때에는, 그 내면 형상이 회전 타원면이나 구면이면, 발광관(1)의 내면에 압력이 대략 균일하게 걸리므로, 내구성이라는 면에서 양호하다.

발광관(1)의 내부에는, 발광 원소가 봉입되지만, 그 용도로 따라, 다양한 발광 원소가 이용된다. 예를 들면, 노광용 광원으로서는, 발광 원소로서 수은이 이용된다. 또, 예를 들면, 영사기용의 광원으로서는, 발광 원소로서 퀴세논 가스가 이용된다.

각 레이저 발진부(21, 25)는, 도시하지 않은 전원 장치로부터 급전된다.

펄스 레이저 발진부(21)로부터는, 펄스 형상의 빔이 출력되고, 연속파 레이저 발진부(25)로부터는, 연속파의 빔이 출력된다. 이 양자는, 회절 광학 소자(31)(DOE)에 대해, 동일 각도(이 도면의 경우는 평행)로 입사되므로, 통과 후에 발광관(1)의 내부에서 겹쳐져 초점을 맞춘다. 이 때, 발광관(1)의 내부에서는, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔이 겹친다.

발광관(1)의 내부에 봉입된 발광 원소는, 고온 플라즈마 상태를 형성하기 위해, 큰 에너지가 필요하다. 펄스 형상의 빔은, 단속적이지만 고에너지를 형성하는 것이 가능하므로, 이 빔에 의해 발광 원소가 고온 플라즈마 상태로 형성된다고 추측된다.

고온 플라즈마 상태를 형성한 후, 이 상태를 유지하는데 필요한 에너지는, 고온 플라즈마 상태를 형성할 때보다도 작아도 되며, 또 연속적으로 공급되는 것이 필요하다.

연속의 빔은, 발광관(1)의 내부에 있어서, 펄스 형상 빔이 입사된 위치에 겹쳐지고, 또한, 펄스 형상의 빔에 대해 작은 에너지임(도 3(a)의 종축이 에너지의 상대값을 나타내고 있다)과 함께 연속적이므로, 고온 플라즈마 상태를 유지할 수 있다.

이와 같이, 펄스 레이저 발진부(21)는 고온 플라즈마 상태를 개시시키는 점화원으로서, 연속파 레이저 발진부(25)는, 고온 플라즈마 상태를 가열하는 가열원으로서 기능한다.

이상과 같이 본 발명의 광원 장치는, 이하의 (1) 및 (2)의 특징을 가진다.

(1) 펄스 형상의 레이저빔과 연속파의 레이저빔을 발광관(1)의 내부에서 겹치게 하고 있다.

(2) 연속파의 레이저빔은, 펄스 형상의 레이저빔보다 작은 강도(에너지)이다.

이것에 의해, 점등 개시시에, 펄스 형상의 빔에 의해, 고온 플라즈마 상태 형성을 가능하게 한다. 또한, 이 고온 플라즈마 상태가 형성된 위치에, 펄스 형상의 빔보다 강도가 작은 연속파의 빔을 겹쳐지게 함으로써, 고온 플라즈마 상태가 단절되는 것을 억제하여, 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

게다가, 연속파의 빔은, 펄스 형상의 빔보다 강도가 작기 때문에, 발광관의 내부에 입력되는 에너지는 크지 않아, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 이것에 의해, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다.

또, 연속파 레이저 발진부는, 고온 플라즈마 상태를 형성할 수 있을 정도로, 큰 에너지를 출력할 필요가 없기 때문에, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

또한, 고온 플라즈마 상태는, 고밀도의 에너지의 영역을 형성함으로써, 형성하기 쉬워진다. 이 때문에, 발광관의 내부에 초점을 가지도록, 집광하는 것이 바람직하다.

연속파의 레이저빔이 펄스 형상의 빔보다 작은 에너지이면 되는 것을 확인하기 위해, 퀴세논을 10기압 봉입한 발광관(석영 유리)을 준비하고, 펄스 형상의 레이저빔(527nm)과 연속파 레이저빔(1070nm)을 광학 수단(볼록 렌즈)으로 집광하여 발광관의 내부에서 겹치게 하여, 발광관의 발광을 조사했다. 그 결과, 예를 들면 이하의 입력 조건에서, 발광관이 연속 발광하는 것이 확인되었다.

·펄스 형상의 레이저빔의 입력 조건예

반복 주파수: 1000Hz

에너지: 5mJoule/쇼트

펄스폭: 80ns

평균 파워: 5W

피크 파워: 62.5kW

·연속파 레이저빔의 입력 조건예

파워: 200W

상기예에서는, 연속파의 레이저빔의 파워는, 펄스 형상의 레이저빔의 파워의 0.03% 정도이다. 이와 같이, 연속파 레이저빔의 파워는, 펄스 레이저 형상의 레이저빔의 파워보다, 현격히 작아도 발광관을 점등시키는 것이 가능하다.

연속파 레이저빔의 파워가 펄스 레이저 형상의 레이저빔의 파워보다 작아도 되는 이유는 이하와 같다고 생각할 수 있다.

발광관 내는, 점등 개시시, 고에너지가 발광관 내에 입력됨으로써 고온 플라즈마 상태가 형성된다. 한번 형성된 고온 플라즈마에는, 외부로부터 에너지가 입력됨으로써, 고온 플라즈마가 여기되어 광을 방사한다.

그런데, 외부로부터 고에너지이며 또한 펄스 형상의 빔이 입력되면, 형성된 고온 플라즈마 상태가 펄스 레이저에 의한 플라즈마가 생성될 때의 충격파에 의해 날라가 버려, 고온 플라즈마 상태에 에너지를 입력하여 여기시킨다고 할 수 없게 되어 버린다.

이와 같이, 점등 개시시에 필요한 에너지란, 고온 플라즈마 상태를 형성하기 위한 에너지이고, 점등 개시 후에 필요한 에너지란, 고온 플라즈마 상태를 여기시키는 에너지이며, 양자의 적어도 필요한 에너지를 비교하면, 고온 플라즈마 상태를 여기시키는 에너지 쪽이 단연 낮아도 상관없다.

이 때문에, 고온 플라즈마 상태를 여기시키는 연속파의 빔의 파워는, 펄스 형상의 빔의 파워에 비해, 0.03%와 같은 매우 낮은 에너지로 충분하다. 또, 필요 이상으로 파워를 입력해 버리면, 발광관의 벽을 가열하여 파손시킨다는 종래의 과제가 발생해 버리기 때문에, 연속파의 빔의 파워는 0.03%와 같은 낮은 에너지일 필요가 있다.

상기 서술한 바와 같이, 펄스 형상의 빔은, 점등 개시시에는 반드시 필요하지만, 점등 유지에는, 연속의 빔의 에너지가 충분한 경우, 장시간 펄스를 계속하면 반대로 모처럼 연속 점등한 고온 플라즈마를 펄스 형상의 빔의 충격파로 단절해 버리는 경우도 있다.

이 때문에, 점등 개시 후에는, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 펄스 형상의 빔의 입력을 없애는 것이 바람직하다고 생각할 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 광원 장치는, 고온 플라즈마 상태를 유지할 수 있어, 점등 수명이 긴 수명이므로, 이 광원 장치를 구비하는, 예를 들면, 도 1에 나타내는 노광 장치에 있어서는, 계속적으로, 또한, 장기간, 피조사물을 조사할 수 있다.

또한, 본 발명에 관련된 광원 장치는, 도 1에서 나타낸 노광 장치의 광원으로서의 용도로 이용할 수 있고, 발광관 내의 발광 원소를 변경하면, 발광관으로부터의 출사광을 다양한 파장의 광으로 변경할 수 있어, 예를 들면 가시광 광원인 영사기(프로젝터)용의 광원으로서도 이용할 수 있다. 이것은, 종래 알려져 있는 발광관의 내부에 한 쌍의 전극을 대향 배치시킨, 이른바 램프로 불리는 광원이, 다양한 용도로 사용되고 있지만, 본 발명에 관련된 광원 장치는, 이 램프의 대체 수단으로서 이용할 수 있어, 램프와 동일한 다양한 용도로 이용할 수 있다.

이하에 상기 제1 실시예에 있어서의 수치예 및 부재예를 나타낸다.

·발광관의 부재: 석영 유리

·발광관의 외경: 30mm

·발광관의 내경: 26mm

·발광관 내에 봉입한 발광 원소: 퀴세논

·퀴세논 가스의 봉입압 또는 봉입량: 10기압,

·펄스 레이저 발진부의 레이저 결정: YAG 결정

·연속파 레이저 발진부의 레이저 결정: YAG 결정

·펄스 레이저 발진부로의 입력 전력의 조건:

·펄스 레이저 발진부로부터의 빔의 파장: 1064nm

·연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 파장: 1064nm

·펄스 레이저 발진부로부터의 빔의 출력: 1~100mJ

펄스의 반복 주파수: 0.01~10kHz

·연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 출력: 20~10kW

또한, 본 발명에서는, 펄스 형상의 빔과 연속의 빔을 발광관의 내부에서 겹치게 하고 있다. 펄스 형상의 빔에 의해 발광관의 내부에 발생하는 고온 플라즈마 상태는, 빔의 에너지 밀도가 발광 원소를 전리하는 임계값 이상이며, 또한, 전리된 발광 원소가 고밀도임으로써 발생한다.

이 때문에, 집광용 광학계 부품에 의해 빔을 집광함으로써, 빔의 에너지 밀도를 높여, 발광 원소를 전리하는 임계값 이상으로 한다.

이 때, 펄스 형상의 빔은, 그 에너지 밀도가 연속의 빔의 에너지 밀도보다도 크기 때문에, 발광 원소를 전리시키는 임계값 이상의 영역(고에너지 상태의 영역)이 연속의 빔에 비해 길고 커져 버린다. 이 때문에, 도 4에 나타내는 바와 같이 연속파의 레이저빔(CW빔)은, 펄스 형상의 빔에 의해 길어진 임계값 이상의 영역 중심 근방에 조사되는 것이 바람직하고, 이것에 의해, 고온 플라즈마 상태의 계속이 양호하게 행해져, 점등성을 양호하게 할 수 있다.

다음에 본 발명의 제2 실시예에 대해서, 도 5를 이용하여 설명한다.

도 5에 나타내는 광원 장치는, 상기 도 2에 나타낸 DOE(31) 대신에 볼록 렌즈를 이용한 것이며, 내부에 발광 가스가 봉입된 발광관(1)과, 그 발광관(1)의 내부에서, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔이 초점을 맞추도록 배치된 볼록 렌즈(32)로 구성된다. 또한, 도 5에 있어서, 「CW or 펄스」, 「펄스 or CW」로서 나타낸 빔은 연속파 레이저빔 또는 펄스 형상 레이저빔 중 어느 하나를 의미하고, 한쪽의 빔이 연속파 레이저빔인 경우, 다른쪽은 펄스 형상 레이저빔이다(이하의 실시예에서도 동일하다).

발광관의 내부에서 초점을 맞출 수 있는 광학 수단이면, 상기와 같이 볼록 렌즈(32)를 이용할 수도 있으며, 이 경우, 각 빔은, 볼록 렌즈(32)에 대해 동일 각도로 입사된다.

본 실시예에 있어서도, 제1 실시예의 광원 장치와 마찬가지로, 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 또, 연속파의 빔은, 펄스 형상의 빔보다 강도가 작기 때문에, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 이것에 의해, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또한, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 대해서, 도 6을 이용하여 설명한다.

도 6에 나타내는 것은, 도 2나 도 5에 나타낸 DOE(31), 볼록 렌즈(32) 대신에, 발광관(1)을 둘러싸고, 또한, 발광관(1)의 내부에서 초점을 맞추는 위치에 포물면경(33)을 배치한 것이다.

이 경우, 펄스 레이저 발진부로부터의 펄스 형상의 빔의 광로(광축)와 연속파 레이저 발진부로부터의 연속파의 빔의 광로(광축)는 서로 평행하게 하여, 포물면경(33)의 반사면에 입사된다. 이 때, 반사면에 반사된 빔은, 발광관의 내부를 향하여 초점을 맞추도록 집광된다.

본 실시예에 있어서도, 상기 실시예의 광원 장치와 마찬가지로, 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지할 수 있고, 또, 연속파의 빔은, 펄스 형상의 빔보다 강도가 작기 때문에, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 이것에 의해, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또한, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

본 발명의 제4 실시예에 대해서, 도 7을 이용하여 설명한다.

도 7에 나타내는 것은, 도 6에 나타낸 포물면경(33) 대신에, 발광관(1)을 둘러싸도록, 타원경(34)을 배치한 것이다.

이 타원경(34)은, 그 제1 초점은, 발광관(1)의 내부에 위치하도록 하고, 제2 초점은 발광관(1)의 외부에 위치하도록 배치된다.

각 레이저 발진부는, 각 빔이 제2 초점을 통과하도록 배치된다. 각 빔의 광로 상에는, 제2 초점에서 집광하는 집광 수단(3)(볼록 렌즈 또는 DOE)이 배치된다.

각 빔은 타원경(34)의 제2 초점에서 집광되어 타원경(34)의 반사면으로 반사된다. 제2 초점에서 집광된 광은 제1 초점에 있어서도 집광되므로, 발광관(1)의 내부에서는 각 빔이 초점을 맞추도록 집광된다.

본 실시예에 있어서도, 상기 실시예의 광원 장치와 마찬가지로, 고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지할 수 있고, 또, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또한, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

상기 서술한 제1~4 실시예에서는, 각 빔이 다른 광로를 따라가, 최종적으로 발광관 내부에서 겹치고 있다. 이와 같이 다른 광로를 따라가 원하는 위치에서 겹치게 하는 것은 기술적으로 어렵다. 예를 들면, 발광관 내의 동일한 위치에 집광하도록, 빔의 광로를 설정하고, 광학 수단을 배치해도, 예를 들면 온도가 상승하는 등 환경이 바뀌면, 굴절률 등이 변화하여, 집광 위치가 어긋날 가능성이 있다.

이하에 설명하는 제5~9 실시예는, 적어도 발광관 내의 전체 영역에 있어서 각 빔의 광로가 겹치도록 구성한 것이다. 이와 같이 구성함으로써, 예를 들면 온도가 상승하여, 굴절률 등이 변화해도, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 집광 위치는 크게 어긋나는 일은 없다.

제5 실시예에 대해서, 도 8을 이용하여 설명한다.

도 8에 나타내는 예는, 다이클로익 미러(4)를 이용하여 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 광로가 겹치도록 하고, 집광 수단(3)(볼록 렌즈 또는 DOE)에서 집광시키도록 구성한 것이며, 그 외의 구성은 도 2에 나타낸 것과 동일하다.

도 8에 있어서는, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 파장이 상이하여, 이 때문에 다이클로익 미러(4)에 입사한 빔의 한쪽이 반사되고, 다른쪽이 투과된다.

이것을 이용하여, 본 실시예에서는 다이클로익 미러(4)로부터 발광관(1)의 사이에서, 각 빔의 광로를 겹치게 하고 있다.

예를 들면, 한쪽의 빔(굵은 선으로 나타내고 있다)은 파장 1064nm인 것으로 하고, 다른쪽의 빔(실선으로 나타내고 있다)은 파장 532nm인 것으로 한다.

다이클로익 미러(4)는 532nm의 광은 반사하지만, 1064nm의 광은 투과하므로, 이것에 의해, 다이클로익 미러(4)에 의해 반사된 532nm의 빔의 광로에, 투과시킨 1064nm의 빔을 겹치게 할 수 있다. 즉, 광로를 동일축 상에 위치시킬 수 있다.

또한, 고온 플라즈마 상태는, 고밀도의 에너지를 형성함으로써 형성하기 쉽다. 이 때문에, 도 8에 나타내는 바와 같이, 발광관(1)의 내부에 초점을 가지도록 집광 수단(3)(볼록 렌즈나 DOE)에서 집광하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 발광관(1)에 이르는 경로에서 각 빔의 광로를 겹치게 함으로써, 발광관의 내부에서도, 양자를 겹치게 할 수 있어, 이것에 의해, 발광관의 내부에서, 각 빔의 고에너지 상태의 영역을 확실히 겹치게 할 수 있다. 이 때문에, 고온 플라즈마 상태의 생성과, 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실하게 행할 수 있어, 안정적으로 방전시킬 수 있다.

또, 상기 실시예의 광원 장치와 마찬가지로, 연속파 레이저빔의 파워는 작아도 되므로, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

제6 실시예에 대해서, 도 9를 이용하여 설명한다.

도 9에서는, 도 8에 나타낸 다이클로익 미러 대신에 편광 미러(5)를 배치한 것이며, 그 외의 구성은 도 8과 동일하다.

편광 미러(5)는, 동일 파장에 있어서의 편광광(P편광과 S편광)에 의해 반사·투과를 행하는 것이며, 이것을 이용하여, 편광 미러(5)로부터 발광관(1)의 사이에서, 각 빔의 광로가 겹치게 할 수 있다.

예를 들면, 한쪽의 빔(굵은 선으로 나타내고 있다)은 파장 1064nm의 P편광광이며, 다른쪽의 빔(실선으로 나타내고 있다)도 파장 1064nm이지만 S편광광인 것으로 하고, 편광 미러(5)가 1064nm인 광에 있어서 P편광을 투과시키고, S편광을 반사시키는 것으로 한다.

이것에 의해, 편광 미러(5)에 의해 반사된 S편광의 빔의 광로에, 투과시킨 P편광의 빔을 겹치게 할 수 있다. 즉, 광로를 동일축 상에 위치시킬 수 있다.

이와 같이, 발광관(1)에 이르는 경로에서 각 빔의 광로를 겹치게 함으로써, 제5 실시예와 마찬가지로, 발광관의 내부에서, 각 빔의 고에너지 상태의 영역을 확실히 겹치게 할 수 있어, 고온 플라즈마 상태의 생성과, 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실히 행할 수 있다.

또, 상기 실시예의 광원 장치와 마찬가지로, 연속파 레이저빔의 파워는 작아도 되기 때문에, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

다음에, 펄스 레이저 발진부의 기동원로서, 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 일부를 이용하도록 한 본 발명의 제7~9 실시예에 대해서 설명한다.

도 10은 본 발명의 제7 실시예를 나타낸 도이다.

도 10은, 펄스 레이저 발진부(22)를 연속파 레이저 발진기(도시하지 않음)로부터의 빔의 광로 상에 배치한 것이며, 그 외의 구성은, 상기 실시예와 동일하다.

본 실시예에 있어서, 펄스 레이저 발진부(22)는, 연속파 레이저 발진부로부터의 연속파 빔(CW빔)의 일부를 여기광으로서 이용하여, 펄스 레이저 발진부(22) 내의 레이저 결정을 여기시킨다.

즉, 도 10에 나타내는 바와 같이, 도시하지 않은 연속파 레이저 발진부로부터 출사하는 CW빔의 경로 중에 펄스 레이저 발진부(22)를 배치한다. 펄스 레이저 발진부(22)는, CW빔을 여기광으로 하여 동작하여 펄스 형상의 빔을 출력한다. 이 펄스 형상의 빔은 상기 CW빔의 광로와 겹쳐져, 집광 수단(3)(볼록 렌즈, DOE 등)을 통하여 발광관(1) 내에서 집광된다.

이와 같이 구성함으로써, 펄스 레이저 발진부(22)로부터의 빔의 광로는, 연속파 레이저의 빔의 광로에 겹쳐지게 되어, 발광관(1)의 내부에서도 겹쳐진다.

본 실시예에서는, 발광관(1)에 이르는 경로에서 각 빔의 광로를 겹치게 하고 있으므로, 상기 실시예와 마찬가지로, 발광관의 내부에서, 각 빔의 고에너지 상태의 영역을 확실히 겹치게 할 수 있어, 고온 플라즈마 상태의 생성과, 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실히 행할 수 있다.

또, 상기 실시예의 광원 장치와 마찬가지로, 연속파 레이저빔의 파워는 작아도 되기 때문에, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

또한, 펄스 레이저 발진부(22)가, 여기광으로 연속파 레이저로부터의 빔을 이용하므로, 제1~6 실시예에 나타낸 펄스 레이저 발진부용의 레이저 발진 부분의 일부를 생략할 수 있어, 장치 전체를 간편한 구조로 하여, 광원 장치 전체를 소형화할 수 있다.

도 11은, 본 발명의 제8 실시예를 나타내는 도이며, 상기 제7 실시예와 마찬가지로, CW 레이저를 여기광으로 하여 펄스 레이저 발진부를 발진시키는 구성예를 나타내고 있다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 도시하지 않은 연속파 레이저 발진부로부터 출사하는 CW빔의 일부를 부분 반사 미러(23a)로 반사시켜 펄스 레이저 발진부(23)에 입사시킨다. 펄스 레이저 발진부(23)는, CW빔을 여기광으로 하여 동작하여 펄스 형상의 빔을 출력한다. 이 펄스 형상의 빔은, 다이클로익 미러(4)에 입사하여 상기 CW빔의 광로와 겹쳐져, 집광 수단(3)(볼록 렌즈, DOE 등)을 통하여 발광관(1) 내에서 집광된다.

여기에서는, 연속파 레이저빔의 파장이 808nm, 펄스 레이저빔의 파장이 1064nm인 것으로 하여, 상기 펄스 레이저 발진부(23)에 있어서의 동작에 대해서 설명한다.

부분 반사 미러(23a)는, 파장 808nm의 빔의 일부를 반사하고, 나머지를 투과한다.

이 부분 반사된 빔은 집광 렌즈(23b)에서 집광되고, 전반사 미러(23c)에 입사된다.

전반사 미러(23c)는, 배면으로부터 입사된 빔을 투과하여, 정면으로부터 입사된 빔을 반사한다. 이 때문에, 집광 렌즈(23b)에서 집광된 빔은 전반사 미러(23c)의 배면측으로부터 입사하여 투과되어, 레이저 결정(23d)에 조사된다. 레이저 결정(23d)에는, 예를 들면 YAG 결정이나 Nd유리가 이용되고, 레이저 결정(23d)에 파장 808nm의 광이 투과됨으로써, 여기된다.

Q스위치(23e)가 닫혀 있는 상태에서는, 레이저 결정(23d)은, 연속적으로 빔이 조사됨으로써 여기되어 가고 에너지를 축적해 간다.

원하는 에너지가 되면, Q스위치(23e)를 열어, 레이저 결정(23d)으로부터의 여기광을 출사 미러(23f)로 반사시켜, 전반사 미러(23c)와 출사 미러(23f) 사이에서 공진을 일으키게 한다. 이것에 의해, 파장 1064nm의 펄스 형상의 레이저빔이 출사 미러(23f)를 투과하여, 미러(23g, 23h)를 통하여 다이클로익 미러(4)에 입사한다.

다이클로익 미러(4)는, 파장 1064nm의 빔을 반사하고, 파장 808nm의 빔을 투과시키므로, 상기 1064nm의 펄스 형상의 빔은, 808nm의 연속파의 빔과 겹쳐진다. 이 빔은 집광 수단(3)에서 집광되며, 발광관(1)의 내부를 향한다. 상기 펄스 형상의 레이저빔의 펄스폭, 주기는 상기 Q스위치(23e)의 개구 시간에 의해 정해진다.

또한, 도 11에 있어서 점선으로 나타나 있는 광학 수단(6)은, 펄스 형상의 빔과 CW빔의 파장이 다름으로써 발생하는 색수차를 억제하기 위한 것이며, 색수차의 억제에 대해서는 후술한다.

본 실시예에 있어서도, 상기 제7 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있어, 고온 플라즈마 상태의 생성과, 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실히 행할 수 있으며, 또, 연속파 레이저빔의 파워는 작아도 되기 때문에, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

또한, 펄스 레이저 발진부(23)가, 여기광으로 연속파 레이저로부터의 빔을 이용하므로, 제1~6 실시예에 나타낸 펄스 레이저 발진부에 있어서의 기동원용의 레이저 발진 부분을 생략할 수 있어, 장치 전체를 간편한 구조로 하여, 광원 장치 전체를 소형화할 수 있다.

도 12는, 본 발명의 제9 실시예를 나타내는 도이며, 상기 제7 실시예와 마찬가지로, CW 레이저를 여기광으로 하여 펄스 레이저 발진부를 발진시키는 구성예를 나타내고 있다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 도시하지 않은 연속파 레이저 발진부로부터 출사하는 CW빔의 일부를, 부분 반사 미러 또한 다이클로익 미러(24d)로 반사시켜 펄스 레이저 발진부(24)에 입사시킨다. 펄스 레이저 발진부(24)는, CW빔을 여기광으로 하여 동작하여 펄스 형상의 빔을 출력한다. 이 펄스 형상의 빔은, 상기 CW빔의 광로와 겹쳐져, 집광 수단(3)(볼록 렌즈, DOE 등)을 통하여 발광관(1) 내에서 집광된다.

여기에서는, 연속파 레이저의 빔의 파장을 808nm로 하고, 펄스 레이저의 빔의 파장을 1064nm로 하여, 펄스 레이저 발진부(24)에 있어서의 동작에 대해서 설명한다.

다이클로익 미러(4)는, 상기 서술한 바와 같이, 어느 파장은 반사하고, 다른 파장은 투과한다. 여기에서는, 파장 1064nm의 빔을 반사하고, 파장 808nm의 빔을 투과한다.

또, 펄스 레이저 발진부(24)의 출력측에 설치된 부분 반사 미러 또한 다이클로익 미러(24d)는, 어느 파장의 일부를 반사하고, 다른 파장은 투과한다. 여기에서는, 1064nm의 빔의 일부를 반사하고, 808nm의 광을 투과하는 것으로 한다.

레이저 결정(24c)은, 예를 들면 YAG 결정이나 Nd유리가 이용되며, 1064nm의 빔이 투과됨으로써 그 일부를 흡수하고 여기하여 발진한다.

Q스위치로서 기능하는 EO스위치(24a)가 닫혀 있는 상태에서는, 레이저 결정(24c)은, 연속적으로 빔이 조사되어 여기되어 가고 에너지를 축적해 간다.

원하는 에너지가 되면, EO스위치(24a)를 열어, 레이저 결정(24c)으로부터의 여기광을 전반사 미러(24b)로 반사시켜, 부분 반사 미러 또한 다이클로익 미러(24d) 사이에서 공진을 일으키게 한다. 이것에 의해, 파장 1064nm의 펄스 형상의 레이저빔이 부분 반사 미러 또한 다이클로익 미러(24d)를 일부 투과하여, 연속파의 빔과 겹쳐진다. 이 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔은, 집광 수단(3)을 통하여, 발광관(1)의 내부를 향한다. 상기 펄스 형상의 레이저빔의 펄스폭, 주기는 상기 EO스위치(24a)의 개구 시간에 의해 정해진다.

또한, 도 12에 있어서 점선으로 나타나 있는 광학 수단(6)은, 펄스 형상의 빔과 CW빔의 파장이 다름으로써 발생하는 색수차를 억제하기 위한 것이며, 색수차의 억제에 대해서는 후술한다.

본 실시예에 있어서도, 상기 제8 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있어, 고온 플라즈마 상태의 생성과, 고온 플라즈마 상태의 유지를 확실히 행할 수 있으며, 또, 연속파 레이저빔의 파워는 작아도 되기 때문에, 발광관이 가열되어 비틀림이 발생하는 것을 억제할 수 있어, 점등 수명을 긴 수명으로 할 수 있다. 또, 연속파 레이저 발진부로서, 현재 상황에서 실용화되고 있는 레이저 장치를 이용하여 실현할 수 있다.

또한, 펄스 레이저 발진부(22)가, 여기광으로 연속파 레이저로부터의 빔을 이용하므로, 제1~6 실시예에 나타낸 펄스 레이저 발진부에 있어서의 기동원용의 레이저 발진 부분을 생략할 수 있어, 장치 전체를 간편한 구조로 할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 발광관(1)의 내부에서 고온 플라즈마 상태를 형성하려면, 고밀도의 에너지를 형성하는 것이 바람직하고, 이 때문에, 집광 수단(3)에 의해 발광관(1)의 내부에 초점을 가지도록, 집광하는 것을 생각할 수 있다.

집광 수단(3)으로서, 볼록 렌즈 등을 이용한 경우, 각 빔의 파장이 동일한 파장일 때에는 동일 위치에서 초점을 맞추지만, 각 빔의 파장이 다른 파장일 때에는, 도 13의 실선과 점선으로 나타낸 바와 같이 다른 위치에서 초점을 맞추는 색수차가 발생한다.

이 색수차가 발생하면, 펄스 형상의 빔으로 만든 고온 플라즈마 상태의 영역에, 연속파의 빔의 초점이 들어가지 않는 경우가 발생하여, 고온 플라즈마 상태를 연속의 빔으로 유지할 수 없는 경우가 있다.

이 색수차를 억제하는 수단에 대해서, 이하, 제10 및 제11 실시예에서 설명한다.

제10 실시예에 대해서, 도 14를 이용하여 설명한다.

도 14는, 상기 도 5에 나타낸 제2 실시예에 있어서, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 파장이 다른 경우에, 색수차를 억제하기 위한 광학 수단(6a, 6b)을 개별적으로 배치한 것이며, 그 외의 구성은 도 5에 나타낸 것과 동일하다.

도 14에 있어서는, 각 빔의 양자가 겹칠 때까지의 광로 상에, 각각 광학 수단(6a, 6b)을 설치한 것이며, 이 광학 수단의 기능이나 그 위치는, 이하의 (1)~(3) 중 어느 하나로 할 수 있다.

(1) 도 15(a)에 나타내는 바와 같이, 펄스 형상의 레이저빔의 광로 도중에 한쪽의 광학 수단(6a)을 설치하고, 그 한쪽의 광학 수단과는 다른 초점 거리를 가진 다른쪽의 광학 수단(6b)을 연속파 레이저 발진부의 광로 도중에 설치하여, 한쪽의 광학 수단(6a)으로부터 각 빔이 겹치는 위치까지의 거리와, 그 다른쪽의 광학 수단(6b)으로부터 각 빔이 겹치는 위치까지의 거리를 동일하게 한다.

(2) 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, 펄스 레이저 발진부의 광로 도중에 한쪽의 광학 수단(6a)을 설치하고, 그 한쪽의 광학 수단(6a)과는 다른 초점 거리를 가진 다른쪽의 광학 수단(6b)을, 연속파 레이저 발진부의 광로 도중에 설치하고, 그 한쪽의 광학 수단(6a)으로부터 각 빔이 겹치는 위치까지의 거리와, 그 다른쪽의 광학 수단(6b)으로부터 각 빔이 겹치는 위치까지의 거리를 상이하게 한다.

(3) 도 15(c)에 나타내는 바와 같이, 펄스 레이저 발진부의 광로 도중에 한쪽의 광학 수단(6a)을 설치하고, 그 한쪽의 광학 수단(6a)과 동일한 초점 거리를 가진 다른쪽의 광학 수단(6b)을, 연속파 레이저 발진부의 광로 도중에 설치하고, 그 한쪽의 광학 수단(6a)으로부터 각 빔이 겹치는 위치까지의 거리와, 그 다른쪽의 광학 수단(6b)으로부터 각 빔이 겹치는 위치까지의 거리를 상이하게 한다.

각 빔의 광로 상에, 각 빔의 색수차를 없애는 광학 수단을 개별적으로 설치하여, 상기 (1)~(3)과 같이 구성함으로써, 각 빔의 파장의 상이에 의한 색수차를 억제할 수 있어, 고온 플라즈마 상태를 양호하게 유지할 수 있다.

(1)의 경우, 광학 수단의 초점 거리 f1와 f2의 차이에 의해 색수차가 억제된다.

(2)의 경우, 광학 수단의 초점 거리 f1와 f2의 차이와, 각 광학 수단과 겹침 위치까지의 거리로, 색수차가 억제된다.

(3)의 경우, 각 광학 수단과 겹침 위치까지의 거리로, 색수차가 억제된다.

또한, 도 15는 모식도이며, 실제로는 광학 수단 6a과 6b를 통과한 각 빔은, 볼록 렌즈(32) 등의 집광 수단에 입사하기까지 광축이 일치한다.

제11 실시예에 대해서, 도 16을 이용하여 설명한다.

도 16은, 상기 도 8에 나타낸 제5 실시예에 있어서, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 파장이 다른 경우에, 색수차를 억제하기 위해서, 각 빔의 색수차를 없애는 광학 수단(6)을 적어도 한쪽의 광로 상에 설치한 것이며, 그 외의 구성은 도 8에 나타낸 것과 동일하다.

도 16에 나타낸 것은 다이클로익 미러(4)를 이용하여 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 광로가 겹치도록 하여, 집광 수단(3)에서 집광시키도록 구성한 것이지만, 펄스 형상의 빔과 연속파의 빔의 파장이 다름으로써 발생하는 색수차를 억제하기 위한 광학 수단(6)을 다이클로익 미러(4)의 입사측에 배치하고 있다.

본 실시예에 있어서도, 광학 수단(6)의 초점 거리나 위치를 적절히 선정함으로써, 색수차를 억제할 수 있다.

또한, 색수차의 문제는, 다른 파장의 각 빔이 공통의 집광 수단인 볼록 렌즈 등에서 집광되는 경우에 발생하기 때문에, 상기 서술한 도 5, 도 8~도 12에 있어서 발생할 가능성이 있다. 이 때문에, 제10 및 11의 실시예에서 설명한 기술은, 도 5, 도 8~도 12에 이용할 수 있다.

도 8~도 10에서는 각 빔의 광로가 겹치기까지 상기 서술한 광학 수단을 설치함으로써, 색수차를 억제할 수 있다. 또, 도 11에서는 이 도면 중의 점선으로 나타낸 위치에 광학 수단 6a, 및/또는 광학 수단 6b을 배치함으로써, 또, 도 12에서는 이 도면 중의 점선으로 나타낸 위치에 광학 수단(6)을 배치함으로써 색수차를 억제할 수 있다.

또한, 여기에서는 색수차를 억제하는 광학 수단으로서 볼록 렌즈를 나타냈지만, 초점 거리를 바꿀수 있는 것이면, 그 외의 광부품을 이용할 수도 있으며, 예를 들면 오목 렌즈나 DOE를 이용할 수도 있다.

상기 색수차는, 펄스 형상의 레이저빔과, 연속파의 레이저빔의 파장이 다른 경우에 발생하지만, 파장의 차가 작은 경우에는, 색수차를 억제하는 수단을 굳이 설치할 필요는 없으며, 이하에 설명하는 바와 같이, 대체로 파장이 2배 이상 다른 경우에, 색수차를 보정하는 수단을 설치하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 초점 거리 f=100mm일 때의 용융 석영에서의 초점 위치의 차는, 파장에 따라 다음과 같이 된다.

연속파의 레이저빔의 파장이 1064nm인 경우, 집광점의 위치는, 114.5mm이며, 펄스 형상의 레이저빔의 파장이 532nm에서의 집광점의 위치는 111.8mm이며, 이 경우, 양자의 초점 위치의 차는 2.7mm이다.

고온 플라즈마의 영역은 매우 작고, 예를 들면 직경 O.5mm의 영역이 되어, 초점 위치가 상기와 같이 2.7mm이나 떨어져 버리면, 고온 플라즈마를 여기시키는 에너지가 공급되지 못하여, 정상 점등을 행할 수 없다.

특히 펄스 레이저에 의한 고온 플라즈마는, 펄스 에너지가 크기 때문에 초점보다도 앞측에 생기기 쉬워, 더 앞으로 위치가 어긋나 버린다. 이 때문에, 상기와 같이 파장이 2배나 다른 경우는, 색수차를 보정하는 집광 수단이 필요하다.

또한, 광학 수단의 재질에 따라 초점 위치의 차는 바뀌고, 또한 고온 플라즈마 상태의 영역도, 입력되는 에너지에 따라 그 범위가 0.5mm 이외가 되는 경우도 있으며, 상기는 일례를 나타낸 것이며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

그런데, 상기 서술한 바와 같이 발광관(1)의 내부에서 고온 플라즈마 상태를 형성하려면, 고밀도의 에너지 상태의 영역을 형성하는 것이 바람직하고, 이 때문에, 집광 수단(3)에 의해 발광관(1)의 내부에 초점을 가지도록, 집광하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 레이저빔의 에너지 밀도가 발광 원소를 전리하는 임계값 이상일 때 고온 플라즈마 상태가 형성되므로, 고온 플라즈마 상태가 형성되는 위치는, 레이저빔의 집광점이 된다고는 할 수 없다. 즉, 레이저빔의 에너지가 클 때에는, 집광점에 도달하기 전에 에너지 밀도가 임계값을 넘어 버리고, 이 경우에는, 집광점의 앞에서 플라즈마 상태가 형성된다.

도 17에 의해, 펄스 형상의 빔의 파워가 연속파의 빔의 파워보다 크고, 펄스 형상의 빔에 의해 집광점의 앞측에서 고온 플라즈마 상태가 형성되는 경우에 대해서 설명한다.

도 17(a)에 나타내는 바와 같이, 집광 수단(3)으로서, 볼록 렌즈 등을 이용한 경우, 각 빔의 파장이 동일한 파장일 때에는 동일 위치에 초점을 맞춘다.

여기서, 펄스 형상의 빔의 파워가 크면, 도 17(a)에 나타내는 바와 같이 집광 수단(3)에 의해 집광되어 가는 도중에, 에너지 밀도가 높아져 고온 플라즈마 상태를 형성하기 시작한다. 그러나, 초점에 가까워짐에 따라, 펄스 형상의 빔의 파워가 고온 플라즈마 형성에 사용되어 가며, 초점에 이르렀을 때에는, 그 파워가 대부분 없어져 버린다. 즉, 펄스 형상의 빔에 의해 고온 플라즈마 상태 A가 형성되는 위치는, 이 도면에 나타내는 바와 같이 집광점의 앞이 된다.

한편, 연속파의 빔은 파워가 작기 때문에, 집광 수단(3)에 의해 집광됨으로써, 초점 위치(이 도면의 B)에서, 고온 플라즈마 상태를 유지하는 에너지 밀도를 형성한다.

그렇게 하면, 도 17(a)에 나타내는 바와 같이, 펄스 형상의 빔이 고온 플라즈마 상태를 형성하는 영역 A(고에너지 상태의 영역)와, 연속파의 빔이 고온 플라즈마 상태를 유지하는 영역 B(고에너지 상태의 영역)가 달라, 고온 플라즈마 상태를 연속파의 빔으로 유지할 수 없는 경우가 있다.

이 양 영역의 위치를 조정하는 위치 조정 수단으로서는, 색수차를 억제하는 수단으로 설명한 광학 수단(6)을 이용할 수 있다.

예를 들면, 상기 도 16에서 나타낸 바와 같이, 광학 수단(6)을 적어도 한쪽의 광로 상에 설치한다. 이와 같이 광학 수단(6)을 배치하면, 발광관(1)에 입사하는 빔은 도 17(b)에 나타내는 바와 같이, 연속파의 빔이 광학 수단(6)에 의해 집광되어, 집광 수단(3)에 입사하고, 또한 집광된다. 이것에 의해, 펄스 형상의 빔이 고온 플라즈마 상태를 형성하는 영역 A＇에, 연속파의 빔의 고온 플라즈마 상태를 유지하는 영역 B＇가 집광되어, 양자가 겹쳐, 고온 플라즈마 상태를 유지할 수 있다.

즉, 도 17(c)에 나타내는 바와 같이, 펄스 형상의 빔의 에너지 밀도(이 도면의 실선)가, 고온 플라즈마 상태를 형성하는 임계값(이 도면의 일점 쇄선)을 넘는 영역과, 연속파 빔의 에너지 밀도(이 도면의 파선)가 고온 플라즈마 상태를 형성하는 임계값(이 도면의 2점 쇄선)을 넘는 영역이 겹쳐, 확실히 고온 플라즈마 상태가 유지된다.

또한, 상기에서는 파장이 동일한 빔을 동일한 집광 수단에서 집광시킨 경우에 대해서 설명했지만, 파장이 다른 경우여도, 색수차의 문제와, 고온 플라즈마 상태를 형성하는 영역과 고온 플라즈마 상태를 유지하는 영역이 상이한 문제와 더불어, 고온 플라즈마 상태를 유지할 수 없는 문제가 발생하는 경우가 있다.

이 때문에, 파장이 다른 빔을 동일한 광학 수단에서 집광시킨 경우에 있어서도, 상기의 해결 수단은 유효하게 기능한다.

1 : 발광관 2 : 레이저 발진부
21, 22, 23, 24 : 펄스 레이저 발진부
25 : 연속파 레이저 발진부
3 : 집광 수단 31 : 회절 광학 소자(DOE)
32 : 볼록 렌즈 33 : 포물면경
34 : 타원경 4 : 다이클로익 미러
5 : 편광 미러
6, 6a, 6b : 광학 수단(색수차 억제용)
7 : 메카니컬 셔터 8 : 미러
10 : 광원 장치 11 : 램프 하우스
11a : 미러(회전 타원의 반사면) 11b : 집광 수단
111, 112 : 관통 구멍 12a, 12b : 빔 댐퍼
13 : 다이클로익 미러 14 : 필터
14a : 조리개부 15a, 15b : 집광 수단
16 : 인티그레이터 렌즈 17 : 미러
18 : 콜리메이터 렌즈 19 : 마스크
W : 피조사물

Claims (4)

1. 발광 원소를 봉입한 발광관과, 상기 발광관을 향하여 펄스 레이저빔을 방사하는 펄스 레이저 발진부와,
   상기 발광관을 향하여 연속파 레이저빔을 방사하는 연속파 레이저 발진부를 구비하고,
   연속파 레이저빔의 강도는 펄스 레이저빔의 강도보다 작은 강도이고,
   연속파 레이저빔과 펄스 레이저빔은 점등이 개시될 때 함께 방사되며, 점등 이후에는 펄스 레이저빔의 방사가 중지되고 연속파 레이저빔만 방사되는 것을 특징으로 하는 광원 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 펄스 레이저 발진부로부터의 빔의 광로와, 상기 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 광로는, 상기 발광관 내의 전체 영역에서 겹쳐 있는 것을 특징으로 하는 광원 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 펄스 레이저 발진부는, 상기 연속파 레이저 발진부로부터의 빔의 일부를 여기광으로서 이용하여, 상기 펄스 레이저 발진부 내의 레이저 결정을 여기시켜, 펄스 레이저빔을 방사하는 것임을 특징으로 하는 광원 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔의 광로의 도중에 집광 수단을 설치하여, 펄스 레이저빔과 연속파 레이저빔을 발광관 내에서 집광시키고,
   펄스 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역과, 연속파 레이저빔에 의해 형성되는 고에너지 상태의 영역이 발광관 내에서 겹치도록, 상기 레이저빔의 적어도 한쪽의 광로의 도중에 광학 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 광원 장치.

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