KR102581593B1 - 가스 레이저 증폭기, 가스 레이저 장치, euv 광 발생 장치 및 euv 노광 장치 - Google Patents

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준이치 니시마에
유즈루 다도코로
마사시 나루세
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

가스 레이저 증폭기(10A)는 하우징(11)과, 방전 전극쌍(20A, 20B)과, 광 공진기(40)를 구비한다. 하우징(11)은 외부로부터 제 1 레이저광이 입사되는 입사 윈도우(12), 및 증폭된 제 1 레이저광이 출사되는 출사 윈도우(13)를 갖는다. 방전 전극쌍(20A, 20B)은 하우징(11)의 내부에 대향하여 배치되는 방전 전극(21A, 22A, 21B, 22B) 사이에 공급되는 레이저 가스를 여기시킨다. 광 공진기(40)는, 하우징(11)의 외부로부터 제 1 레이저광이 입사 윈도우(12)로부터 하우징(11)의 내부에 입사되지 않는 비입사 상태일 때에는, 여기된 레이저 가스의 이득에 의해 제 2 레이저광을 발진시키고, 제 1 레이저광이 입사 윈도우(12)로부터 하우징(11)의 내부에 입사되는 입사 상태일 때에는, 제 2 레이저광의 발진을 정지시킨다.

Description

가스 레이저 증폭기, 가스 레이저 장치, EUV 광 발생 장치 및 EUV 노광 장치
본 발명은 레이저 매질로서 가스를 이용하는 것에 의해 레이저광을 발생 또는 증폭하는 가스 레이저 증폭기, 가스 레이저 장치, EUV(Extreme UltraViolet) 광 발생 장치 및 EUV 노광 장치에 관한 것이다.
EUV 광 생성 장치는 레이저광을 생성하는 가스 레이저 증폭기와, 가스 레이저 증폭기로부터 출사된 레이저광을 타겟에 조사하여 EUV 광을 생성시키는 EUV 광 생성부를 구비한다. 가스 레이저 증폭기는, 가스 레이저 증폭 매체인 CO2 가스를 포함하는 레이저 가스가 수용되는 챔버와, 챔버의 제 1 면에 마련되는 제 1 윈도우와, 제 1 면과 대향하는 제 2 면에 마련되는 제 2 윈도우를 갖는다. 또한, 가스 레이저 증폭기는, 제 1 오목면경 및 제 2 오목면경 사이의 공간에 전압을 인가하기 위해 대향 배치된 한쌍의 평판형상 전극을 갖는다. 이와 같은 가스 레이저 증폭기에서, 평판형상 전극 사이에 고주파 전압이 인가되면, 방전 영역이 형성되고, 레이저 가스가 여기된다. 이 상태에서, 제 1 윈도우로부터 시드 레이저광이 챔버 내에 입사되고, 방전 영역을 통과하면 증폭되어, 증폭광이 된다. 증폭광은 제 2 오목면경과 제 1 오목면경 사이에서 반사를 반복한다. 그리고, 미리 정해진 횟수의 반사 후, 증폭광은 제 1 오목면경으로부터 제 2 윈도우를 거쳐서 챔버로부터 출력된다.
이와 같은 가스 레이저 증폭기에서는, 방전 영역에서 생성되는 자연 방출광이 제 1 윈도우와 제 2 윈도우 사이에서 반사하는 것에 의해, 자려 발진이 생긴다. 그래서, 특허문헌 1에는, 가스 레이저 증폭기 내에 설계된 광축 상에 개구부가 형성된 아퍼처(aperture)를 갖는 가스 레이저 증폭기가 개시되어 있다. 이에 의해, 가스 레이저 증폭기 내에서 생기는 자려 발진광은, 아퍼처에 의해 차단되어, 자려 발진광이 제 1 윈도우 및 제 2 윈도우로부터 출사되는 것이 억제된다.
국제 공개 제 WO 2014/045889 호
그렇지만, 상기 종래의 가스 레이저 증폭기에서는, 시드 레이저광과 상이한 광축에서 발생하는 자려 발진광의 제 1 윈도우 및 제 2 윈도우로부터의 출사를 억제할 수 있지만, 시드 레이저광과 대략 동일한 광축에서 발생하는 자려 발진광의 출사를 억제할 수 없다. 특허문헌 1에 기재된 가스 레이저 증폭기에 있어서의 아퍼처는 제 1 윈도우 및 제 2 윈도우에 마련되어 있다. 제 1 윈도우 및 제 2 윈도우에 마련된 아퍼처에서 왕복 광로가 형성되어 발진하는 자려 발진광의 광축은, 가스 레이저 증폭기 내에서의 시드 레이저광의 광축과 대략 동일하게 된다. 아퍼처에 있어서의 레이저광의 반사율이 낮게 설정되어 있었다고 하여도, 가스 레이저 증폭기의 이득이 큰 상태에서는, 근소한 산란광이어도 제 1 윈도우 및 제 2 윈도우에 마련된 아퍼처 사이에서 자려 발진이 발생할 가능성이 있다. 상기한 EUV 광 생성 장치의 가스 레이저 증폭기에 있어서, 시드 레이저광과 대략 동일한 광축에서 자려 발진광이 발생하면, 의도치 않은 타이밍에 EUV 광 생성부 내의 타겟에 자려 발진광이 조사되어, EUV 광 생성 장치에 문제점을 일으키는 원인이 된다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기에 감안하여 이루어진 것으로서, 시드 레이저광과 동일한 광축에서의 자려 발진광의 발생을 억제할 수 있는 가스 레이저 증폭기를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 가스 레이저 증폭기는 하우징과, 방전 전극쌍과, 광 공진기를 구비한다. 하우징은 외부로부터 제 1 레이저광이 입사되는 입사 윈도우, 및 증폭된 제 1 레이저광이 출사되는 출사 윈도우를 갖는다. 방전 전극쌍은, 하우징의 내부에 대향하여 배치되는 방전 전극 사이에 공급되는 레이저 가스를 여기시킨다. 광 공진기는 하우징의 외부로부터 제 1 레이저광이 입사 윈도우로부터 하우징의 내부에 입사되지 않는 비입사 상태일 때에는, 여기된 레이저 가스의 이득에 의해 제 2 레이저광을 발진시키고, 제 1 레이저광이 입사 윈도우로부터 하우징의 내부에 입사되는 입사 상태일 때에는, 제 2 레이저광의 발진을 정지시킨다.
본 발명에 따른 가스 레이저 증폭기는, 시드 레이저광과 동일한 광축에서의 자려 발진광의 발생을 억제할 수 있다는 효과를 발휘한다.
도 1은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 2는 도 1의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
도 3은 일반적인 가스 레이저 증폭기에 입사되는 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 일반적인 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 일반적인 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 광 공진기 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 13은 도 12의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
도 14는 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 광 공진기 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 16은 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 17은 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 18은 실시형태 3에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 19는 도 18의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
도 20은 실시형태 4에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 21은 도 20의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
도 22는 실시형태 5에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 23은 도 22의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
도 24는 실시형태 6에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다.
도 25는 도 24의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
도 26은 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 분해 사시도이다.
도 27은 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 28은 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 광 공진기 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 29는 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 30은 실시형태 7에 의한 1단째의 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 31은 실시형태 7에 의한 2단째의 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 32는 실시형태 8에 의한 가스 레이저 증폭기의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 33은 실시형태 9에 의한 EUV 노광 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 나타내는 블록도이다.
이하에, 본 발명의 실시형태에 따른 가스 레이저 증폭기, 가스 레이저 장치, EUV 광 발생 장치 및 EUV 노광 장치를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또한, 이들 실시형태에 의해, 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시형태 1
도 1은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 1에서, 가스 레이저 증폭기(10A) 내에서의 시드 레이저광의 광축(OA1)의 방향을 Z방향으로 하고, Z방향에 수직으로 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 레이저 가스가 흐르는 방향을 X방향으로 한다. 또한, Z방향 및 X방향에 수직인 방향을 Y방향으로 한다. 또한, X방향, Y방향 및 Z방향이 취하는 쪽은, 이후의 도면에서도 마찬가지이다. 도 2는 도 1의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다.
가스 레이저 장치(1)는, 증폭시키는 레이저광인 시드 레이저광을 출사하는 레이저광원(2)과, 시드 레이저광을 증폭하고, 증폭된 시드 레이저광을 증폭광으로서 출사하는 가스 레이저 증폭기(10A)를 구비한다.
레이저광원(2)은 직선 편광의 제 1 레이저광인 시드 레이저광을 출력한다. 시드 레이저광은, 반복 주파수가 수십 ㎑ 내지 수백 ㎑까지의 펄스 레이저광, 또는 연속파 레이저광이다. 도 1의 예에서는, 시드 레이저광은 편광방향(PD1)이 X방향인 P편광이다.
가스 레이저 증폭기(10A)는 레이저 매질인 레이저 가스를 봉입하는 하우징(11)을 구비한다. 가스 레이저 증폭기(10A)는 하우징(11)의 측면(11A)에 마련되며, 레이저광원(2)으로부터의 시드 레이저광이 입사되는 윈도우(12)와, 측면(11A)은 반대측의 면인 측면(11B)에 마련되며, 하우징(11) 내에서 증폭된 증폭광을 외부에 출사하는 윈도우(13)를 구비한다. 윈도우(12)와 윈도우(13)는 Z방향에 평행한 동일 직선 상에 마련된다. 즉, 하우징(11) 내에서, 윈도우(12)와 윈도우(13)를 연결하는 광축(OA1)은 Z방향에 평행한 직선이 된다. 윈도우(12)는 입사 윈도우에 상당하며, 윈도우(13)는 출사 윈도우에 상당한다.
가스 레이저 증폭기(10A)는 편광 미러(14, 15)와, 부분 반사경(16)과, 전반사경(17)과, 댐퍼(18)를 구비한다. 편광 미러(14, 15)는, 윈도우(12, 13) 사이에 끼워진 하우징(11) 내의 광축(OA1) 상에 배치되어 있다. 편광 미러(14, 15)는 시드 레이저광과, 시드 레이저광과 동일한 편광방향(PD1)을 갖는 증폭광을 투과하고, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교하는 편광방향(PD2)의 레이저광을 반사한다. 즉, 편광 미러(14, 15)는 P편광을 투과하지만, S편광을 X방향으로 반사한다. 이에 의해, 광축(OA1) 상을 전파하는 S편광은, 편광 미러(14, 15)에 의해 X방향으로 반사된다.
부분 반사경(16)은 편광 미러(14)에 의해 반사된 레이저광의 일부를 투과시키고, 그 이외의 것을 반사한다. 전반사경(17)은 편광 미러(15)에 의해 반사된 레이저광을 반사한다. 부분 반사경(16)과 전반사경(17)에 의해 광 공진기(40)가 구성된다. 이 광 공진기(40)에서 발생한 레이저광, 즉, 시드 레이저광이 증폭된 증폭광이 아닌 레이저광은, 부분 반사경(16)과 전반사경(17) 사이에서 왕복되고, 증폭된다. 부분 반사경(16)과 전반사경(17)을 연결하는 광축(OA2)은 광 공진기(40)의 광축이 된다.
댐퍼(18)는 광축(OA2) 상의 부분 반사경(16)의 후단에 배치되며, 부분 반사경(16)을 투과한 레이저광을 흡수한다. 또한, 광 공진기(40)에서 발진한 레이저광의 편광방향(PD2)은 편광 미러(14, 15)에서 반사되는 방향으로 편광되며, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교한다. 그 때문에, 광 공진기(40)에서 발진한 레이저광은 편광 미러(14, 15)에서 반사되며, 윈도우(12, 13)로부터 출사되는 일이 없으며, 또한, 부분 반사경(16)을 투과한 레이저광의 일부는, 댐퍼(18)에서 흡수되게 된다.
가스 레이저 증폭기(10A)는 하우징(11) 내에 마련되며, 레이저 가스를 여기하는 2개의 방전 전극쌍(20A, 20B)을 구비한다. 방전 전극쌍(20A)은 방전 전극(21A, 22A)을 가지며, 방전 전극쌍(20B)은 방전 전극(21B, 22B)을 갖는다. 방전 전극(21A, 22A)은 Y방향으로 간격을 두고, 전극면이 서로 평행이 되도록 배치되며, 방전 전극쌍(20A)을 구성한다. 방전 전극(21B, 22B)은 Y방향으로 간격을 두고, 전극면이 서로 평행이 되도록 배치되며, 방전 전극쌍(20B)을 구성한다. 도 1 및 도 2의 예에서는, 방전 전극(21A, 22A)은 Z방향에 있어서, 하우징(11)의 중심과 윈도우(12) 사이의 영역에 배치되며, 방전 전극(21B, 22B)은 Z방향에 있어서, 하우징(11)의 중심과 윈도우(13) 사이의 영역에 배치된다. 가스 레이저 증폭기(10A)는, 방전 전극(21A, 22A) 및 방전 전극(21B, 22B)에 접속되는 도시하지 않은 고주파 전원을 더 구비한다.
또한, 가스 레이저 증폭기(10A)는 가스 흐름 발생부(25A, 25B)를 구비한다. 가스 흐름 발생부(25A, 25B)는, 레이저 가스를 공급하는 도시하지 않은 레이저 가스 공급부와, 하우징(11) 내에 공급된 레이저 가스를 X방향으로 흘리는 동시에, 하우징(11) 내에 레이저 가스를 순환시키는 도시하지 않은 송풍기와, 광축(OA1, OA2)을 통과한 레이저 가스를 냉각하는 도시하지 않은 열교환기를 갖는다. 가스 흐름 발생부(25A, 25B)는 Z방향이 상이한 위치에, X방향에서의 방향이 대향하는 레이저 가스를 흘린다. 즉, 도 1의 예에서는 가스 흐름 발생부(25A)는, 방전 전극(22A)의 하부에 배치되며, 가스 흐름 발생부(25B)는 방전 전극(22B)의 하부에 배치된다. 구체적으로는, 가스 흐름 발생부(25A)에서는, 방전 전극(21A, 22A) 사이에서, X축의 정방향을 향하여 레이저 가스가 흐르게 되도록, 레이저 가스 공급부에 의해 방향(D1)을 따라서 레이저 가스가 공급된다. 또한, 가스 흐름 발생부(25B)에서는, 방전 전극(21B, 22B) 사이에서, X축의 부방향을 향하여 레이저 가스가 흐르게 되도록, 레이저 가스 공급부에 의해 방향(D2)을 따라서 레이저 가스가 공급된다. 레이저 가스로서, CO2 가스를 이용할 수 있다. CO2 가스를 레이저 가스로서 이용한 가스 레이저 증폭기(10A)는 EUV 노광 장치의 광원으로서 사용할 수 있다.
방전 전극(21A, 22A) 사이에는, 방향(D1)으로 레이저 가스가 유입되고, 방전 전극(21A, 22A)에 고주파 전압을 인가하면, 방전 전극(21A, 22A) 사이에 방전 공간(23A)이 형성된다. 방향(D1)에 있어서, 광축(OA1)보다 상류에 방전 공간(23A)이 형성되도록, 방전 전극(21A, 22A)은 배치된다.
방전 전극(21B, 22B) 사이에는, 방향(D2)으로 레이저 가스가 유입되고, 방전 전극(21B, 22B)에 고주파 전압을 인가하면, 방전 전극(21B, 22B) 사이에 방전 공간(23B)이 형성된다. 방향(D2)에 있어서 광축(OA1)보다 상류에 방전 공간(23B)이 형성되도록, 방전 전극(21B, 22B)은 배치된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10A)는 하우징(11) 내의 윈도우(12)와 방전 공간(23A) 사이, 및 윈도우(13)와 방전 공간(23B) 사이의 광축(OA1) 상에 각각 아퍼처(31)를 구비한다. 아퍼처(31)는 광축(OA1)과 상이한 광축에서 발생하는 자려 발진광의 가스 레이저 증폭기(10A)의 외부로의 출사를 억제하는 부재이다. 아퍼처(31)에 있어서의 레이저광의 반사율이 낮아지도록, 아퍼처(31)의 구성 재료가 선택되는 것이 바람직하다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10A)는 레이저 가스가 흐르는 방향인 X방향과, 전극 갭방향인 Y방향과, 광축(OA1)의 방향인 Z방향이 직교한 3축 직교형의 가스 레이저 증폭기이다.
다음에, 가스 레이저 증폭기(10A)의 동작에 대해 설명한다. 가스 흐름 발생부(25A, 25B)에 의해, 도 1 및 도 2에 나타나는 방향(D1, D2)으로 레이저 가스가 흐르게 된다. 이에 의해, 레이저 가스는 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 유입된다. 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 도시하지 않은 고주파 전원으로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 방전 공간(23A, 23B)이 형성된다. 방전 공간(23A, 23B)에 유입된 레이저 가스는 여기된다. 여기된 레이저 가스는, 각각의 방전 전극쌍(20A, 20B)의 하류측에 위치하는 광축(OA1, OA2)에 유입된다. 광축(OA1, OA2)을 통과한 레이저 가스는, 도시하지 않은 열교환기에 의해 냉각되고, 도시하지 않은 송풍기에 의해 방전 공간(23A, 23B)에 흐르게 되고, 하우징(11) 내에서 순환된다.
가스 레이저 증폭기(10A)의 외부에 마련되는 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 광축(OA1)을 따라서 윈도우(12)로부터 하우징(11) 내에 입사된다. 여기에서는, 시드 레이저광은 P편광이므로, 편광 미러(14)를 투과하고, 편광 미러(15)를 향하여 전파한다. 또한, 시드 레이저광은 방전 공간(23A)의 하류 및 방전 공간(23B)의 하류의 여기된 레이저 가스 중을 통과하므로, 시드 레이저광은 증폭되어, 증폭광이 된다. 그리고, P편광인 증폭광은 편광 미러(15)를 투과하고, 윈도우(13)로부터 하우징(11)의 외부로 출사된다.
한편, 가스 레이저 증폭기(10A)의 광축(OA1)과는 상이한 광축 상에서 발생하며, 증폭된 레이저광은 아퍼처(31)에 차단되어, 윈도우(12, 13)로부터 출사되는 일은 없다.
또한, 하우징(11) 내에서는, 부분 반사경(16) 및 전반사경(17)에 의해 광 공진기(40)가 구성되어 있다. 이 광 공진기(40)의 광축(OA2)은 부분 반사경(16), 편광 미러(14), 편광 미러(15) 및 전반사경(17)을 지난다. 편광 미러(14)와 편광 미러(15)의 사이에서는, 광축(OA1)과 동축이 되며, 광 공진기(40)에서 발진한 레이저광은, 여기된 레이저 가스 내를 통과하게 된다. 이 광 공진기(40)에서 발진한 레이저광의 편광방향(PD2)은, 편광 미러(14, 15)에서 반사되는 방향으로 편광되며, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교한다. 이 레이저광은 부분 반사경(16)과 전반사경(17) 사이에서 반사되어, 증폭되지만, 편광 미러(14, 15)에서 반사되어 버리기 때문에, 하우징(11)의 외부에 출사되는 일은 없다. 또한, 부분 반사경(16)에 도달한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16)을 투과하고, 댐퍼(18)에 흡수된다. 이에 의해서도, 광 공진기(40)에서 발진한 레이저광은, 하우징(11)의 외부에 출사되는 일은 없다. 또한, 시드 레이저광과 동일한 방향을 향하는 편광 성분은, 편광 미러(14, 15)에서 반사되지 않기 때문에, 광 공진기(40)에서 공진하지 못하고, 레이저 발진하지 않는다.
여기에서, 실시형태 1에 의하지 않은 가스 레이저 증폭기에서 자려 발진이 발생하는 상황의 일 예를 설명한다. 도 3은 일반적인 가스 레이저 증폭기에 입사되는 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 4는 일반적인 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 5는 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 6은 일반적인 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 이들 도면에 있어서, 횡축은 시간을 나타내고 있다. 또한, 도 3의 종축은 입사 레이저광 출력을 나타내며, 도 4의 종축은 레이저광 증폭 출력을 나타내며, 도 5의 종축은 자려 발진 출력을 나타내며, 도 6의 종축은 가스 레이저 증폭기의 이득(ga)을 나타내고 있다.
또한, 도 6에 있어서, g0는 소신호 이득이며, gs는 자려 발진의 발진 문턱값 이득이며, gp는 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득이다. 소신호 이득(g0)은 입력이 한없이 0에 가까울 때의 단위 길이당의 증폭률이다.
구간(ΔT0, ΔT2)에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기에 입사되고, 증폭되어 있을 때이다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기의 이득은 레이저광의 증폭에 이용되며, 증폭광은 가스 레이저 증폭기의 외부에 출사된다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기 내의 이득(ga)은 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)과 동일해지고, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고 있기 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 자려 발진은 발생하지 않는다.
한편, 구간(ΔT1)은 시드 레이저광이 어떠한 문제점으로 가스 레이저 증폭기에 입사되지 않은 구간이라 한다. 이 경우에는, 시드 레이저광이 증폭되지 않기 때문에, 도 6에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기 내의 이득(ga)이 상승하고, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 상회하여, 도 5에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생한다.
실시형태 1에서는, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10A)에 입사되지 않는 구간(ΔT1)에서, 자려 발진의 발생이 억제되도록, 가스 레이저 증폭기(10A)가 구성된다. 도 7은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 8은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 광 공진기 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 9는 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 10은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 11은 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 이들 도면에서, 횡축은 시간을 나타내고 있다.
또한, 도 7의 레이저광 증폭 출력은, 시드 레이저광이 광축(OA1)을 따라서 가스 레이저 증폭기(10A)에 입사되고, 윈도우(13)로부터 출사되는 레이저광의 증폭 출력을 나타내고 있다. 여기에서는, 반복 주파수가 수십 ㎑ 내지 수백 ㎑의 펄스 레이저의 평균 출력 파형을 나타내고 있다. 또한, 반복 주파수가 수십 ㎑ 내지 수백 ㎑의 펄스 레이저의 순간 출력 파형은 도 11에 나타나게 된다.
도 8의 광 공진기 출력은, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에 흡수되는 레이저광의 출력이다. 도 9의 자려 발진 출력은, 가스 레이저 증폭기(10A)의 외부의 부재 또는 내부의 아퍼처(31) 등의 부재로부터의 반사 또는 회절광에 의해 발생하는 자려 발진의 출력이다. 도 10에 있어서, g0는 소신호 이득이며, gs는 자려 발진의 발진 문턱값 이득이며, gr은 광 공진기(40)의 발진 문턱값 이득이며, gp는 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득이다.
구간(ΔT10, ΔT12)은 가스 레이저 증폭기(10A)에 시드 레이저광이 입사되고, 증폭되어 있을 때이며, 입사 상태에 대응한다. 이 경우에는, 상기한 바와 같이, 입사된 시드 레이저광에 의해 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 이득이 소비되어, 도 10에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 이득(ga)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)과 동일해진다. 실시형태 1에서는, 광 공진기(40)의 발진 문턱값 이득(gr)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 광 공진기(40)측에서는, 발진 문턱값 이득(gr) 이상의 이득이 형성되지 않으며, 도 8에 나타내는 바와 같이 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 광 공진기(40)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 도 10에 나타내는 바와 같이, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)보다 큰 값으로 되어 있기 때문에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다.
한편, 구간(ΔT11)은 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10A)에 입사되지 않은 구간이며, 비입사 상태에 대응한다. 이 구간(ΔT11)에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 이득(ga)은 소신호 이득(g0)이 되고, 광 공진기(40)의 발진 문턱값 이득(gr)을 상회한다. 이 때문에, 도 8에 나타내는 바와 같이, 즉시, 광 공진기(40)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 광 공진기(40)의 발진 문턱값 이득(gr)이 작기 때문에, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(40)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 9에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 이득(ga)은 광 공진기(40)에 의해 소비되어, 광 공진기(40)의 발진 문턱값 이득(gr)과 동일해진다. 이 때문에, 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 이득(ga)은 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기(10A)는 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(40)에서 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16)을 투과하고, 댐퍼(18)에서 흡수된다.
여기에서, 시드 레이저광이 입사되어 있는 입사 상태에 있어서의 광축(OA1) 상에서 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 단위 길이당의 이득인 잔류 이득을 gp로 한다. 또한, 가스 레이저 증폭기(10A)에 입사했을 때의 시드 레이저광의 출력을 Pin으로 하고, 가스 레이저 증폭기(10A)로부터 출사했을 때의 증폭된 시드 레이저광인 증폭광의 출력을 Pout로 한다. 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp로 시드 레이저광이 증폭되는 이득은, 다음 식 (1)로 나타난다.
또한, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16)의 반사율을 R1로 하고, 광 공진기(40)가 발진하고 있을 때의 단위 길이당의 이득인 발진 문턱값 이득을 gr로 한다. 이 때, 광축(OA2) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lr로, 광 공진기(40)에서 발생하는 레이저광이 증폭되는 이득은 다음 식 (2)로 나타난다.
시드 레이저광이 입사했을 때에, 광 공진기(40)의 발진이 자동적으로 멈추기 위해서는, 다음 식 (3)의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
gpLp<grLr　…(3)
(1) 식, (2) 식, 및 (3) 식으로부터, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16)이 갖는 반사율 R1은 다음 식 (4)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
예를 들면, 100W의 시드 레이저광이 입력되고, 증폭광의 출력이 25㎾에 도달하도록 상정된 가스 레이저 증폭기(10A)의 증폭률은 250배이다. 이 때의 부분 반사경(16)의 반사율 R1의 조건은 다음 식 (5)가 된다.
R1<16×10-6　…(5)
한편, 입사시의 시드 레이저광의 빔 강도를 Iin으로 하고, 증폭시의 증폭광의 빔 강도를 Iout로 하고, 포화 강도를 Is로 하고, 소신호 이득을 g0로 한다. 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp에서의 소신호 이득은, 다음 식 (6)으로 나타난다.
예를 들면, 포화 강도 Is가 200W/㎠이며, 증폭 후의 시드 레이저광의 빔 직경 φ가 30㎜이며, 상기의 100W의 시드 레이저광을 입력하고, 증폭 후에 25㎾의 증폭광을 출력하는 조건에서는, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp에서의 소신호 이득은 다음 식 (7)로 나타난다.
g0Lp≒23　…(7)
자려 발진은 가스 레이저 증폭기(10A)의 외부의 부재 혹은 내부의 아퍼처(31) 등의 부재로부터의 반사 또는 회절광에 의해 발생한다. 그 때문에, 자려 발진시의 광의 피드백률은 매우 작고, 자려 발진의 발진 문턱값은 대략 소신호 이득(g0)이 되는 경우가 많다. 따라서, 자려 발진광이 발생하기 전에, 광 공진기(40)에서 발진하기 위해서는, 다음 식 (8)의 조건이 만족하지 않으면 안된다.
g0Lp>grLr　…(8)
(2) 식, 및 (7) 식으로부터, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16)이 갖는 반사율 R1은 다음 식 (9)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
R1>7×10-21　…(9)
(5) 식 및 (9) 식으로부터, 부분 반사경(16)의 반사율 R1을 7×10-21보다 크고, 16×10-6보다 작은 값으로 설정하는 것에 의해, 상기한 바와 같이 가스 레이저 증폭기(10A) 내에서의 자려 발진의 발생을 억제할 수 있다.
이와 같이, 가스 레이저 증폭기(10A) 내에 광 공진기(40)를 설치하고, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16)의 반사율 R1을 적절히 설정하는 것에 의해, 광 공진기(40)에서 발생하는 레이저광의 발진 문턱값 이득이, 외부로부터 입사된 시드 레이저광의 증폭시의 이득보다 커지도록 하고, 또한 자려 발진의 문턱값 이득보다 작아지도록 설정할 수 있다. 즉, 광 공진기(40)의 공진기 전손실은, 광 공진기(40)의 입사 상태의 이득과, 광 공진기(40)의 비입사 상태의 이득의 사이의 값을 갖도록 설정된다. 이에 의해, 자려 발진을 억제할 수 있다.
또한, 도 1에서는 시드 레이저광의 편광방향(PD1)은 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 있어서의 가스 흐름방향과 동일한 X방향으로 하고 있지만, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)을 방전 갭 길이방향인 Y방향으로 하고, 광 공진기(40)에서 발생하는 레이저광의 편광방향(PD2)을, 이것과 직교하는 X방향으로 하여도 좋다. 즉, 편광 미러(14, 15)를 P편광을 반사하고, S편광을 투과하는 편광 미러로 하여도 좋다.
또한, 도 1에서는, 광 공진기(40)를 하우징(11)의 내부에 설치했지만, 편광 미러(14), 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18)를 하우징(11)의 외측에 설치하여도 좋고, 편광 미러(15) 및 전반사경(17)을 하우징(11)의 외측에 설치하여도 좋다. 또한, 도 1에서는, 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18)가 시드 레이저광의 입사측에 배치되며, 전반사경(17)이 시드 레이저광의 출사측에 배치되어 있지만, 이들 배치 위치가 반대로 되어도 좋다. 즉, 시드 레이저광의 입사측에 전반사경(17)이 배치되며, 시드 레이저광의 출사측에 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18)가 배치되어도 좋다.
또한, 도 1에서는 광 공진기(40)를 왕복하는 광은, 편광 미러(14, 15)에서 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 있어서의 가스 흐름방향, 즉 X방향으로 반사되어 있지만, 이것을 전극 갭 길이방향, 즉 Y방향으로 반사되도록 하여도 좋다. 또한, 도 1에서는, 가스 레이저 증폭기(10A)의 시드 레이저광의 광축(OA1)은 1번만 방전 공간(23A, 23B)을 빠져나가는 1패스 구성이지만, 후술하는 실시형태와 같이 하우징(11) 내부에 반환 구조를 갖게 하여 방전 공간(23A, 23B)을 복수 회 빠져나가는 구성이어도 좋다.
또한, 윈도우(13)로부터 출사된 증폭광을 증폭하기 위해서, 추가로 이 후단에 1개 이상의 가스 레이저 증폭기를 설치하여도 좋다. 설치되는 가스 레이저 증폭기는, 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기(10A)여도 좋으며, 실시형태 1에 의하지 않는 가스 레이저 증폭기여도 좋다.
실시형태 1에서는, 가스 레이저 증폭기(10A)는 외부의 레이저광원(2)으로부터 입사되고, 하우징(11)의 내부에서 증폭되는 시드 레이저광의 광축(OA1)과 일부가 공통화되는 광축(OA2)을 갖는 제 2 레이저광을 공진하는 광 공진기(40)를 구비한다. 광축(OA1) 상에 제 1 방향으로 편광되는 광을 투과하고, 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향으로 편광되는 광을 반사하는 편광 미러(14, 15)가 마련된다. 광 공진기(40)는 편광 미러(14)에서 반사되는 방향으로 배치되는 부분 반사경(16)과, 편광 미러(15)에서 반사되는 방향으로 배치되는 전반사경(17)에 의해 구성된다. 광축(OA2)의 부분 반사경(16)의 후단에는, 레이저광을 흡수하는 댐퍼(18)가 배치된다. 그리고, 광 공진기(40)에서 발생하는 레이저광의 발진 문턱값 이득이, 외부로부터 입사된 시드 레이저광의 증폭시의 이득보다 커지는 동시에, 자려 발진의 문턱값 이득보다 작아지도록, 부분 반사경(16)의 반사율 R1이 설정된다. 이에 의해, 가스 레이저 증폭기(10A) 내에 시드 레이저광이 입사되지 않을 때에, 자려 발진광이 발생하기 전에, 광 공진기(40)에서 레이저 발진되므로, 자려 발진이 억제된다. 또한, 시드 레이저광의 광축(OA1)과 동일한 광축 상에서 레이저광이 발생한 경우에, 편광 성분이 제 1 방향의 광은, 편광 미러(14, 15)에서 반사되지 않으므로, 광 공진기(40)에서 증폭되지 않는다. 또한, 편광 성분이 제 2 방향인 광은, 광 공진기(40)에서 증폭되고, 그 일부가 부분 반사경(16)을 투과하고 댐퍼(18)에서 흡수되지만, 가스 레이저 증폭기(10A)의 외부에 출사되는 일은 없다. 그 결과, 시간적으로 광 공진기(40)의 손실을 변화시키는 장치를 이용하는 일이 없이, 가스 레이저 증폭기(10A) 내에서, 시드 레이저광과 동일한 광축에서 발생하는 자려 발진광의 출사를 억제할 수 있다는 효과를 갖는다.
실시형태 2
도 12는 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 13은 도 12의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다. 또한, 이하에서는, 실시형태 1과 상이한 부분을 설명하고, 실시형태 1과 동일한 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
실시형태 1에서는, 시드 레이저광의 광축(OA1)과, 광 공진기(40)에서 발진되는 레이저광의 광축(OA2)이 일부 중첩되도록 구성되어 있었다. 실시형태 2에서는, 시드 레이저광의 광축(OA1)과, 광 공진기(41)에서 발진되는 레이저광의 광축(OA2)이 중첩되지 않도록 배치된다.
즉, 윈도우(12)와 윈도우(13)를 통과하는 광축(OA1) 상에는, 아퍼처(31) 이외의 광학 부품이 배치되어 있지 않다. 또한, 아퍼처(31)는 광축(OA1) 상의 방전 공간(23A)에 대응하는 위치와 윈도우(12) 사이, 및 광축(OA1) 상의 방전 공간(23B)과 윈도우(13) 사이에 마련된다.
가스 레이저 증폭기(10B)는 하우징(11) 내에 광 공진기(41)를 구비한다. 광 공진기(41)는 부분 반사경(16)과, 전반사경(17)과, 댐퍼(18)를 갖는다. 광 공진기(41)에서 발진하는 레이저광의 광축(OA2)은 광축(OA1)과는 상이한 위치에, 광축(OA1)과 평행이 되도록 배치된다. 도 12 및 도 13의 예에서는, XZ 평면에 있어서, 광축(OA2)은 광축(OA1)에 대해 X축 부방향으로 간격을 두고 평행하게 배치된다. 댐퍼(18)는 부분 반사경(16)을 투과한 레이저광을 흡수할 수 있는 위치에 배치된다. 광 공진기(41)에서 발진한 레이저광은 부분 반사경(16)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에서 흡수된다. 그 결과, 광 공진기(41)에서 발진한 레이저광은 모두 댐퍼(18)에서 흡수되고, 가스 레이저 증폭기(10B)로부터 외부에는 출사되지 않도록 되어 있다.
또한, 가스 레이저 증폭기(10B)는, 광축(OA2) 상에 아퍼처(32)를 구비한다. 아퍼처(32)는 방전 공간(23A)과 부분 반사경(16) 사이와, 광축(OA2) 상의 방전 공간(23B)에 대응하는 위치와 전반사경(17) 사이에 배치된다.
또한, 실시형태 2에서는, 방전 공간(23A)이 광축(OA2)을 포함하도록 방전 전극(21A, 22A)이 배치되고, 방전 공간(23B)이 광축(OA1)을 포함하도록 방전 전극(21B, 22B)이 배치된다.
여기에서, 가스 레이저 증폭기(10B)의 동작에 대해 설명한다. 가스 흐름 발생부(25A, 25B)에 의해, 도 12 및 도 13에 나타나는 방향(D1, D2)으로 레이저 가스가 흐르게 된다. 이에 의해, 레이저 가스는 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 유입된다. 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 도시하지 않은 고주파 전원으로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 방전 공간(23A, 23B)이 형성된다. 방전 공간(23A, 23B)에 유입된 레이저 가스는 여기된다. 여기된 레이저 가스는, 각각의 방전 전극쌍(20A, 20B)의 하류측에 위치하는 광축(OA1, OA2)에 유입된다. 광축(OA1, OA2)을 통과한 레이저 가스는, 도시하지 않은 열교환기에 의해 냉각되어, 도시하지 않은 송풍기에 의해 방전 공간(23A, 23B)에 흐르게 되고, 하우징(11) 내에서 순환하게 된다. 또한, 시드 레이저광은, 반복 주파수가 수십 ㎑ 내지 수백 ㎑의 펄스 레이저광이어도 좋으며, 연속파 레이저광이어도 좋다.
가스 레이저 증폭기(10B)의 외부에 마련되는 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 광축(OA1)을 따라서 윈도우(12)로부터 하우징(11) 내에 입사된다. 시드 레이저광은, 방전 공간(23A)의 하류 및 방전 공간(23B)을 지날 때에, 여기된 레이저 가스 중을 통과하므로, 증폭되어, 증폭광이 된다. 그리고, 증폭광은 윈도우(13)로부터 하우징(11)의 외부에 출사된다.
여기에서, 광 공진기(41)의 부분 반사경(16)의 반사율 R1은, 광 공진기(41)의 발진 문턱값 이득(gr)이 이하에 나타내는 조건을 만족하도록 설정된다.
도 14는 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 15는 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 광 공진기 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 16은 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 17은 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 이들 도면에서, 횡축은 시간을 나타내고 있다.
도 17에 있어서, gr'은 광 공진기(41)가 발진하고 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득이며, gp'는 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA2) 상의 이득이다. 또한, 도 7, 도 8, 도 9 및 도 10에서 설명한 것과 동일한 것에 대해서는, 그 설명을 생략한다.
가스 레이저 증폭기(10B)에 시드 레이저광이 입사되고 증폭되어 있는 구간(ΔT10, ΔT12)에서는, 광 공진기(41)의 발진 문턱값 이득(gr)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA2) 상의 이득(gp')보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 시드 레이저광이 증폭되고, 윈도우(13)로부터 출사되어 있을 때, 광 공진기(41)측에서는, 발진 문턱값 이득(gr) 이상의 이득이 형성되지 않으므로, 도 15에 나타내는 바와 같이, 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 광 공진기(41)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득(gp)보다 큰 값으로 되어 있기 때문에, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자려 발진도 발생하지 않는다.
한편, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10B)에 입사되지 않는 구간(ΔT11)에서는, 도 14에 나타나는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 17에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10B) 내의 이득(ga)은 광 공진기(41)의 발진 문턱값 이득(gr)을 상회한다. 이 때문에, 도 15에 나타내는 바와 같이, 바로, 광 공진기(41)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 광 공진기(41)의 발진 문턱값 이득(gr)이 작기 때문에, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(41)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10B) 내의 광축(OA1) 상의 이득(ga)은 광 공진기(41)에 의해 소비되어, 광 공진기(41)가 발진하고 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득(gr')과 동일해진다. 이 때문에, 가스 레이저 증폭기(10B) 내의 이득(ga)은, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 2에 의한 가스 레이저 증폭기(10B)는 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(41)에서 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16)을 투과하고, 댐퍼(18)에서 흡수된다.
이와 같이, 실시형태 2에서는, 가스 레이저 증폭기(10B) 내에 광 공진기(41)를 설치하고, 그 발진 문턱값 이득을 외부로부터 입사된 시드 레이저광의 증폭시의 이득보다 커지도록 설정하고, 자려 발진의 문턱값 이득보다 작아지도록 설정했다. 이에 의해, 시드 레이저광이 입사되지 않을 때에는, 즉시 광 공진기(41)에서 레이저광이 발진되기 때문에, 자려 발진을 억제할 수 있다.
또한, 도 12에서는 가스 레이저 증폭기(10B)의 시드 레이저광의 광축(OA1)ㅇ은, 1번만 방전 공간(23A, 23B)을 빠져나가는 1패스 구성이지만, 후술하는 실시형태와 같이 하우징(11) 내부에 반환 구조를 갖게 하여 방전 공간(23A, 23B)을 복수회 빠져나가는 구성이어도 좋다.
또한, 도 12에서는, 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18)가 시드 레이저광의 입사측에 배치되며, 전반사경(17)이 시드 레이저광의 출사측에 배치되어 있지만, 이들 배치 위치가 반대로 되어도 좋다. 즉, 시드 레이저광의 입사측에 전반사경(17)이 배치되고, 시드 레이저광의 출사측에 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18)가 배치되어도 좋다.
실시형태 3
도 18은 실시형태 3에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 19는 도 18의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다. 또한, 이하에서는, 실시형태 1, 2와 상이한 부분을 설명하고, 실시형태 1, 2와 동일한 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
실시형태 1, 2에서는, 윈도우(12)와 윈도우(13)는 Z방향으로 연장되는 1개의 직선 상에 배치되어 있었다. 그러나, 실시형태 3에서는, 윈도우(12)와 윈도우(13)는 Z방향으로 연장되는 1개의 직선 상에는 없으며, XY면 내 및 XZ면 내에서 상이한 위치에 배치된다. 즉, 시드 레이저광의 광축(OA1)이 하우징(11) 내에서 반환되어 있다.
가스 레이저 증폭기(10C)는 반사 미러(51, 52, 53, 54)를 구비한다. 반사 미러(51, 53)는 하우징(11)의 윈도우(13)가 마련되는 측면(11B)에 마련되며, 반사 미러(52, 54)는 하우징(11)의 윈도우(12)가 마련되는 측면(11A)에 마련된다. 반사 미러(51, 52, 53, 54)는, 윈도우(12)로부터 입사된 시드 레이저광이, 윈도우(13)로 인도되도록, 하우징(11) 내의 측면(11A, 11B)에 배치된다. 이에 의해, 윈도우(12)로부터 반사 미러(51, 52, 53, 54)를 거쳐서 윈도우(13)로 도달하는 광축(OA1)이 형성된다.
가스 레이저 증폭기(10C)는 부분 반사경(16, 19)과, 댐퍼(18)를 구비한다. 부분 반사경(16, 19)에 의해 광 공진기(42)가 구성된다. 광 공진기(42)에서 발진하는 레이저광의 광축(OA2)이 시드 레이저광의 광축(OA1)을 횡단하도록, 부분 반사경(16, 19)은 하우징(11) 내에 배치된다. 도 18 및 도 19의 예에서는, 부분 반사경(16)은 윈도우(12)가 마련되는 측면(11A)과 시드 레이저광의 입사측에 배치되는 방전 전극쌍(20A) 사이의 영역에 있어서, 방전 전극(21A, 22A) 사이에 유입하는 가스 흐름의 상류측에 마련된다. 또한, 부분 반사경(19)은 윈도우(13)가 마련되는 측면(11B)과 시드 레이저광의 출사측에 배치되는 방전 전극쌍(20B) 사이의 영역에 있어서, 방전 전극(21B, 22B) 사이에 유입하는 가스 흐름의 상류측에 배치되어 있다. 그래서, 광 공진기(42)의 광축(OA2)의 부분 반사경(16, 19)에 가까운 양단은 광축(OA1)에 대해서 가스 흐름의 상류측을 지난다. 또한, 광축(OA1)을 횡단하고 있는 광축(OA2)의 중앙 부분은 여기된 레이저 가스를 광축(OA1)과 대략 공유하고 있다.
댐퍼(18)는 부분 반사경(16, 19)을 투과한 레이저광을 흡수하도록 배치된다. 광 공진기(42)에서 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16, 19)으로부터 출사되고, 댐퍼(18)에서 전체 흡수된다. 또한, 도 18 및 도 19에서는, 광 공진기(42)의 부분 반사경(16, 19) 및 댐퍼(18)는, 하우징(11)의 외부에 배치되어 있지만, 하우징(11) 내에 배치되어도 좋다.
가스 레이저 증폭기(10C)는 광축(OA1, OA2) 상에 아퍼처(31, 32, 33)를 구비한다. 아퍼처(31)는 광축(OA1) 상의 방전 공간(23A)에 대응하는 위치와 윈도우(12) 사이, 및 광축(OA1) 상의 방전 공간(23B)에 대응하는 위치와 윈도우(13) 사이에 배치된다. 아퍼처(33)는 광축(OA1) 상의 반사 미러(51)와 방전 공간(23B) 사이, 광축(OA1) 상의 방전 공간(23A)에 대응하는 위치와 반사 미러(52) 사이, 광축(OA1) 상의 방전 공간(23B)에 대응하는 위치와 반사 미러(53) 사이, 및 광축(OA1) 상의 방전 공간(23A)과 반사 미러(54) 사이에 배치된다. 아퍼처(32)는 광축(OA2) 상의 방전 공간(23A)과 부분 반사경(16) 사이, 및 방전 공간(23B)과 부분 반사경(19) 사이에 배치된다.
또한, 실시형태 3에서는, 광축(OA1) 중, 윈도우(12)에서 반사 미러(51)를 연결하는 광축의 일부가 방전 공간(23B)에 포함되도록, 방전 전극(21B, 22B)이 배치된다. 또한, 광축(OA1) 중, 반사 미러(54)와 윈도우(13)를 연결하는 광축의 일부가 방전 공간(23A)에 포함되도록, 방전 전극(21A, 22A)이 배치된다.
여기에서, 가스 레이저 증폭기(10C)의 동작에 대해 설명한다. 가스 흐름 발생부(25A, 25B)에 의해, 도 18 및 도 19에 나타내는 방향(D1, D2)으로 레이저 가스가 흐르게 된다. 이에 의해, 레이저 가스는 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 유입된다. 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 도시하지 않은 고주파 전원으로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 방전 공간(23A, 23B)이 형성된다. 방전 공간(23A, 23B)에 유입된 레이저 가스는 여기된다. 여기된 레이저 가스는, 각각의 방전 전극쌍(20A, 20B)의 하류측에 위치하는 광축(OA1)에 유입된다. 또한, 광축(OA2)은 그 대부분에 있어서, 방전 공간(23A, 23B)을 통과하도록 배치되어 있다. 광축(OA1, OA2)을 통과한 레이저 가스는, 도시하지 않은 열교환기에 의해 냉각되며, 도시하지 않은 송풍기에 의해 방전 공간(23A, 23B)에 흐르게 되고, 하우징(11) 내에서 순환하게 된다. 또한, 시드 레이저광은, 반복 주파수가 수십 ㎑ 내지 수백 ㎑의 펄스 레이저광이어도 좋으며, 연속파 레이저광이어도 좋다.
가스 레이저 증폭기(10C)의 외부에 마련되는 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 윈도우(12)로부터 하우징(11) 내에 입사되고, 광축(OA1)을 따라서 전파한다. 그리고, 시드 레이저광은 여기된 레이저 가스 내를 통과하고, 반사 미러(51)에서 반사되고, 재차 여기된 레이저 가스 내를 통과하고, 반사 미러(52)에서 반사된다. 그 후, 마찬가지로 반사 미러(53, 54)에 반사된다. 시드 레이저광은, 반사 미러(51, 52, 53, 54)에서 반사될 때마다 여기된 레이저 가스 내를 통과하는 것에 의해 증폭된다. 최종적으로 증폭된 시드 레이저광인 증폭광은, 윈도우(13)를 통과하여 하우징(11)의 외부에 출사된다. 이와 같이, 도 18 및 도 19에서는, 시드 레이저광은, 여기된 레이저 가스 내를 4회 반환하면서 증폭된다. 또한, 여기에서는, 예로서 4회 반환하는 경우를 나타냈지만, 반환 횟수는 2회 이상이어도 좋다.
여기에서, 광 공진기(42)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2는, 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)이 이하에 나타내는 조건을 만족하도록 설정된다. 또한, 실시형태 3에 있어서의 가스 레이저 증폭기(10C)의 동작을 도시하는 도면은, 실시형태 2의 도 14 내지 도 17에서 나타내는 도면과 마찬가지이므로, 도 14 내지 도 17을 인용하여 설명한다.
가스 레이저 증폭기(10C)에 시드 레이저광이 입사되어 증폭되어 있는 구간(ΔT10, ΔT12)에서는, 부분 반사경(16, 19)에서 형성되는 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)은, 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA2) 상의 이득(gp')보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 도 15에 나타내는 바와 같이, 시드 레이저광이 증폭되고, 윈도우(13)로부터 출사되어 있을 때에, 광 공진기(42)측에서는, 발진 문턱값 이득(gr) 이상의 이득이 형성되지 않으므로, 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 광 공진기(42)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득(gp)보다 큰 값으로 되어 있기 때문에, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자려 발진도 발생하지 않는다.
한편, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10C)에 입사되지 않는 구간(ΔT11)에서는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 17에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10C) 내의 이득(ga)은 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)을 상회한다. 이 때문에, 도 15에 나타나는 바와 같이, 바로, 광 공진기(42)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)이 작기 때문에, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(42)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10C) 내의 광축(OA1) 상의 이득(ga)은 광 공진기(42)에 의해 소비되어, 광 공진기(42)가 발진하고 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득(gr')과 동일해진다. 이 때문에, 가스 레이저 증폭기(10C) 내의 이득(ga)은 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 3에 의한 가스 레이저 증폭기(10C)는 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(42)에서 발진한 레이저광의 일부는 부분 반사경(16, 19)을 투과하고, 댐퍼(18)에서 흡수된다.
실시형태 3에서는, 윈도우(12)로부터 윈도우(13)로 도달하는 하우징(11) 내의 경로에 반사 미러(51, 52, 53, 54)를 배치하고, 여기된 레이저 가스의 광축(OA1)의 길이가 실시형태 1, 2의 경우에 비하여 길어지도록 했다. 이에 의해, 시드 레이저광은 실시형태 1, 2의 경우에 비하여, 출력이 큰 증폭광을 출사할 수 있다는 효과를, 실시형태 1, 2의 효과에 부가하여 얻을 수 있다.
실시형태 4
도 20은 실시형태 4에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 21은 도 20의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다. 또한, 이하에서는, 실시형태 1, 2, 3과 상이한 부분을 설명하고, 실시형태 1, 2, 3과 동일한 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
실시형태 4의 가스 레이저 증폭기(10D)는, 시드 레이저광을 증폭하는 광축(OA1)을 구성하는 광학 부품은, 실시형태 3과 마찬가지이만, 광 공진기(43)의 구성이, 실시형태 3과 상이하다. 실시형태 4에서는, 광 공진기(43)에서 발진하는 레이저광의 광축(OA2)이 시드 레이저광의 광축(OA1)의 일부와 중첩되도록 하고 있다.
가스 레이저 증폭기(10D)는 편광 미러(14, 15)와, 부분 반사경(16, 19)과, 댐퍼(18)를 구비한다. 편광 미러(14, 15)는, 하우징(11)의 외부의 광축(OA1) 상에 마련된다. 편광 미러(14)는 윈도우(12)의 외측의 광축(OA1) 상에 배치되며, 편광 미러(15)는 윈도우(13)의 외측의 광축(OA1) 상에 배치된다. 편광 미러(14, 15)는 시드 레이저광과, 시드 레이저광과 동일한 편광방향(PD1)을 갖는 증폭광을 투과하고, 편광방향(PD1)과 직교하는 편광방향(PD2)을 갖는 레이저광을 반사한다. 즉, 편광 미러(14, 15)는 P편광을 투과하지만, S편광을 X방향으로 반사한다. 편광 미러(14, 15)는, S편광을 X방향으로 반사하도록 배치된다.
부분 반사경(16)은, 편광 미러(14)에서 X방향으로 반사된 레이저광의 일부를 투과하는 동시에, 투과하지 않은 나머지 레이저광을 편광 미러(14)에 반사한다. 부분 반사경(19)은 편광 미러(15)에서 X방향으로 반사된 레이저광의 일부를 투과하는 동시에, 투과하지 않은 나머지 레이저광을 편광 미러(15)에 반사한다.
댐퍼(18)는 부분 반사경(16, 19)을 투과한 레이저광을 흡수하도록 배치된다. 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광은, 부분 반사경(16, 19)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에서 모두 흡수된다.
부분 반사경(16)과 부분 반사경(19)은 광 공진기(43)를 구성한다. 광 공진기(43)에서 발진하는 레이저광의 광축(OA2)은 편광 미러(14)와 편광 미러(15) 사이에서는, 광축(OA1)과 중첩된다. 이 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광은, 부분 반사경(16, 19) 사이에 왕복되고, 증폭된다. 또한, 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광의 편광방향(PD2)은, 편광 미러(14, 15)에서 반사되는 방향으로 편광되고, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교한다. 그 때문에, 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광은 편광 미러(14, 15)에서 반사되어 버려, 가스 레이저 증폭기(10D)로부터 출사되는 일이 없으며, 또한, 부분 반사경(16, 19)을 투과한 레이저광의 일부는, 댐퍼(18)에서 흡수되게 된다.
가스 레이저 증폭기(10D)는 광축(OA2) 상에 아퍼처(32)를 구비한다. 아퍼처(32)는 광축(OA2) 상의 편광 미러(14)와 부분 반사경(16) 사이, 및 편광 미러(15)와 부분 반사경(19) 사이에 배치된다.
여기에서, 가스 레이저 증폭기(10D)의 동작에 대해 설명한다. 가스 흐름 발생부(25A, 25B)에 의해, 도 20 및 도 21에 나타나는 방향(D1, D2)으로 레이저 가스가 흐르게 된다. 이에 의해, 레이저 가스는 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 유입된다. 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 도시하지 않은 고주파 전원으로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 방전 공간(23A, 23B)이 형성된다. 방전 공간(23A, 23B)에 유입된 레이저 가스는 여기된다. 여기된 레이저 가스는, 각각의 방전 전극쌍(20A, 20B)의 하류측에 위치하는 광축(OA1, OA2)에 유입된다. 광축(OA1, OA2)을 통과한 레이저 가스는, 도시하지 않은 열교환기에 의해 냉각되고, 도시하지 않은 송풍기에 의해 방전 공간(23A, 23B)에 흐르게 되며, 하우징(11) 내에서 순환하게 된다. 또한, 시드 레이저광은, 반복 주파수가 수십 ㎑ 내지 수백 ㎑의 펄스 레이저광이어도 좋으며, 연속파 레이저광이어도 좋다.
가스 레이저 증폭기(10D)의 외부에 마련되는 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 광축(OA1)을 따라서 전파한다. 여기에서는, 시드 레이저광은 P편광이므로, 편광 미러(14)를 투과하고, 윈도우(12)로부터 하우징(11) 내에 입사된다. 그리고, 시드 레이저광은 여기된 레이저 가스 내를 통과하고, 반사 미러(51)에서 반사되며, 재차 여기된 레이저 가스 내를 통과하고, 반사 미러(52)에서 반사된다. 그 후, 마찬가지로 반사 미러(53, 54)에 반사된다. 시드 레이저광은, 반사 미러(51, 52, 53, 54)에서 반사될 때마다 여기된 레이저 가스 내를 지나는 것에 의해, 시드 레이저광은 증폭된다. 최종적으로 증폭된 시드 레이저광인 증폭광은 윈도우(13)를 통과한다. 하우징(11)의 외부에 출사된 증폭광은, P편광이므로, 편광 미러(15)를 투과한다.
이와 같이, 도 20 및 도 21에서는, 시드 레이저광은 여기된 레이저 가스 내를 5회 반환하면서 증폭된다. 또한, 여기에서는, 예로서 4회 반환하는 경우를 나타냈지만, 반환 횟수는 2회 이상이어도 좋다.
한편, 가스 레이저 증폭기(10D)의 광축(OA1)과는 상이한 광축 상에서 발생하고, 증폭된 레이저광은 아퍼처(31, 33)에 차단되어, 윈도우(12, 13)로부터 출사되는 일은 없다.
또한, 하우징(11) 내에서, 가스 레이저 증폭기(10D)의 광축(OA1)과 동일한 광축 상을 전파하는 레이저광이 발생하는 경우도 있다. 상기한 바와 같이, 하우징(11) 외부에서는, 부분 반사경(16, 19)에 의해 광 공진기(43)가 구성되어 있다. 이 광 공진기(43)의 광축(OA2)은 부분 반사경(16), 편광 미러(14), 편광 미러(15) 및 부분 반사경(19)을 지난다. 편광 미러(14, 15) 사이에서는, 광축(OA1)과 동축이 되고, 여기된 레이저 가스 내를 통과하게 된다. 이 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광의 편광방향(PD2)은, 편광 미러(14, 15)에서 반사방향으로 편광되며, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교한다. 그 때문에, 이 레이저광은 부분 반사경(16, 19) 사이에서 반사되고, 증폭되지만, 편광 미러(14, 15)에서 반사되어 버리기 때문에, 하우징(11)의 외부에서 광축(OA1)과 분리된다. 그리고, 부분 반사경(16, 19)에 도달한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16, 19)을 투과하고, 댐퍼(18)에 흡수된다. 이에 의해, 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광이, 외부에 출사되는 일은 없다. 또한, 시드 레이저광과 동일한 방향을 향하는 편광 성분은, 편광 미러(14, 15)에서 반사되지 않기 때문에, 광 공진기(43)에서 공진하지 못하고, 레이저 발진하지 않는다.
여기에서, 실시형태 4에 의한 가스 레이저 증폭기(10D)에서, 상기와 같은 동작이 실행되기 위한 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2의 조건에 대해 설명한다. 또한, 실시형태 4에 있어서의 가스 레이저 증폭기(10D)의 동작을 도시하는 도면은, 실시형태 1의 도 7 내지 도 10에서 나타낸 도면과 마찬가지이므로, 도 7 내지 도 10을 인용하여 설명한다. 단, 실시형태 4에서는, 도 8의 광 공진기 출력은, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에 흡수되는 레이저 출력의 총 합이 된다.
가스 레이저 증폭기(10D)에 시드 레이저광이 입사되고 증폭되어 있는 구간(ΔT10, ΔT12)에서는, 입사된 시드 레이저광에 의해 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 이득이 소비된다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 이득(ga)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)과 동일해진다. 실시형태 4에서는, 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 광 공진기(43)측에서는, 발진 문턱값 이득(gr) 이상의 이득이 형성되지 않고, 도 8에 나타내는 바와 같이, 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 광 공진기(43)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)보다 높은 값으로 되어 있기 때문에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다.
한편, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10D)에 입사되지 않는 구간(ΔT11)에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 이득(ga)은, 소신호 이득(g0)이 되고, 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)을 상회한다. 이 때문에, 도 8에 나타내는 바와 같이, 바로, 광 공진기(43)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)이 작기 때문에, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(43)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 9에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 이득(ga)은, 광 공진기(43)에 의해 소비되어, 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)과 동일해진다. 이 때문에, 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 이득(ga)은, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 4에 의한 가스 레이저 증폭기(10D)는, 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 8에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광의 일부는 부분 반사경(16, 19)을 투과하고, 댐퍼(18)에서 흡수된다.
여기에서, 가스 레이저 증폭기(10D)의 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp로 시드 레이저광이 증폭되는 이득은, 상기한 바와 같이 (1) 식으로 나타난다.
또한, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율을 각각 R1, R2로 한다. 이 때, 광축(OA2) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lr로, 광 공진기(43)가 발진하고 있을 때의 이득은 다음 식 (10)으로 나타난다.
시드 레이저광이 입사했을 때에, 광 공진기(43)의 발진이 자동적으로 멈추기 위해서는, (3) 식의 조건이 만족되지 않으면 안된다. (1) 식, (10) 식 및 (3) 식으로부터, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)이 갖는 반사율 R1, R2는, 다음 식 (11)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
예를 들면, 100W의 시드 레이저광이 입력되고, 증폭광의 출력이 25㎾에 도달하도록 상정된 가스 레이저 증폭기(10D)의 증폭률은 250배이다. 이 때의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2의 조건은, 다음 식 (12)이 된다.
R1R2<16×10-6　…(12)
한편, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp에서의 소신호 이득은 (6) 식으로 나타난다.
예를 들면, 포화 강도 Is가 200W/㎠이며, 증폭 후의 시드 레이저광의 빔 직경 φ가 30㎜이며, 상기의 100W의 레이저광을 입력하고, 증폭 후에 25㎾를 출력하는 조건에서는, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp에서의 소신호 이득은 (7) 식으로 나타난다.
자려 발진은, 가스 레이저 증폭기(10D)의 외부의 부재 혹은 내부의 아퍼처(31, 32, 33) 등의 부재로부터의 반사 또는 회절광에 의해 발생한다. 그 때문에, 자려 발진시의 광의 피드백률은 매우 작고, 자려 발진의 발진 문턱값은 대략 소신호 이득이 되는 경우가 많다. 따라서, 자려 발진광이 발생하기 전에, 광 공진기(43)에서 발진하기 위해서는, (8) 식의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
(8) 식에, (10) 식 및 (7) 식을 대입하는 것에 의해, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)이 갖는 반사율 R1, R2의 조건이, 다음 식 (13)과 같이 구해진다.
R1R2>7×10-21　…(13)
(12) 식 및 (13) 식으로부터, 부분 반사경(16)의 반사율 R1과 부분 반사경(19)의 반사율 R2의 곱을 7×10-21보다 크고, 16×10-6보다 작은 값으로 설정하는 것에 의해, 상기한 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10D) 내에서의 자려 발진의 발생을 억제할 수 있다.
이와 같이, 실시형태 4에서는, 가스 레이저 증폭기(10D) 내에 광 공진기(43)가 설치되고, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2가 적절히 설정된다. 이에 의해, 광 공진기(43)에서 발생하는 레이저광의 발진 문턱값 이득이, 외부로부터 입사된 시드 레이저광의 증폭시의 이득보다 크고, 또한, 자려 발진의 문턱값 이득보다 작아진다. 그 결과, 시간적으로 광 공진기(43)의 손실을 변화시키는 장치를 이용하는 일이 없이, 자려 발진을 억제할 수 있다.
또한, 도 20에서는 시드 레이저광의 편광방향(PD1)은 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 있어서의 가스 흐름방향과 동일한 X방향으로 하고 있지만, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)을 방전 갭 길이방향인 Y방향으로 하고, 광 공진기(43)에서 발생하는 레이저광의 편광방향(PD2)을, 이것과 직교하는 X방향으로 하여도 좋다. 즉, 편광 미러(14, 15)가, P편광을 반사하고, S편광을 투과하는 것으로 하여도 좋다.
또한, 도 20에서는, 광 공진기(43)를 하우징(11)의 외부에 설치했지만, 편광 미러(14), 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18)를 하우징(11)의 내측에 설치하여도 좋으며, 편광 미러(15), 부분 반사경(19) 및 댐퍼(18)를 하우징(11) 내측에 설치하여도 좋다.
또한, 도 20에서는 광 공진기(43)를 왕복하는 광은, 편광 미러(14, 15)에서 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 있어서의 가스 흐름방향, 즉 X방향으로 반사되어 있지만, 이것을 전극 갭 길이방향, 즉 Y방향으로 반사되도록 하여도 좋다. 또한, 도 20에서는, 가스 레이저 증폭기(10D)의 시드 레이저광의 광축(OA1)은 4회 방전 공간을 빠져나가는 4패스 구성이지만, 실시형태 1과 같이 반사 미러(51, 52, 53, 54)가 없이 방전 공간(23A, 23B)을 1번만 통과하는 1패스 구성이어도 좋으며, 방전 공간(23A, 23B)을 4회 이외의 복수 회 빠져나가는 구성이어도 좋다.
실시형태 4에 의해서도, 실시형태 3과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 5
도 22는 실시형태 5에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 23은 도 22의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다. 또한, 이하에서는, 실시형태 1, 2, 3, 4와 상이한 부분을 설명하고, 실시형태 1, 2, 3, 4와 동일한 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
가스 레이저 증폭기(10E)는, 실시형태 4의 가스 레이저 증폭기(10D)의 구성에, 빔 스플리터(56)와 댐퍼(57a, 57b)를 더 구비한다. 빔 스플리터(56)는 부분 반사경(16)과 편광 미러(14) 사이에 배치된다. 댐퍼(57a)는 하우징(11)측으로부터 빔 스플리터(56)에 입사되고, 반사된 레이저광을 흡수한다. 댐퍼(57b)는 부분 반사경(16)측으로부터 빔 스플리터(56)에 입사되고, 반사된 레이저광을 흡수한다. 또한, 가스 레이저 증폭기(10E)에 있어서의 다른 구성은 실시형태 4와 동일하다.
또한, 실시형태 5에 의한 가스 레이저 증폭기(10E)의 동작은, 실시형태 4에서 설명한 것과 마찬가지이다. 단, 광 공진기(43)에서 증폭된 레이저광이 윈도우(12)로부터 부분 반사경(16)으로 전파할 때에, 빔 스플리터(56)에 의해, 일부의 레이저광이 반사되고, 댐퍼(57a)에서 흡수된다. 또한, 부분 반사경(16)에서는, 일부의 레이저광이 투과되고 댐퍼(18)에서 흡수되지만, 나머지 레이저광은 반사되고, 광축(OA2)을 따라서 부분 반사경(19)으로 전파한다. 이 때, 반사된 레이저광의 일부는, 빔 스플리터(56)에서 반사되고, 댐퍼(57b)에 흡수된다.
여기에서, 실시형태 5에 의한 가스 레이저 증폭기(10E)에서, 상기와 같은 동작이 실행되기 위한 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2과, 빔 스플리터(56)의 투과율 T의 조건에 대해 설명한다. 또한, 실시형태 5에 있어서의 가스 레이저 증폭기(10E)의 동작을 도시하는 도면은, 실시형태 1의 도 7 내지 도 10에서 나타낸 도면과 마찬가지이므로, 도 7 내지 도 10을 인용하여 설명한다. 단, 실시형태 5에서는, 도 8의 광 공진기 출력은, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에 흡수되는 레이저 출력, 및 빔 스플리터(56)에서 분리되고, 댐퍼(57a, 57b)에 흡수되는 레이저 출력의 총 합이다.
가스 레이저 증폭기(10E)에 시드 레이저광이 입사되고 증폭되어 있는 구간(ΔT10, ΔT12)에서는, 입사된 시드 레이저광에 의해 가스 레이저 증폭기(10E) 내의 이득이 소비된다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10E) 내의 이득(ga)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)과 동일해진다. 실시형태 5에서는, 부분 반사경(16, 19)에서 형성되는 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)은, 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 광 공진기(43)측에서는, 발진 문턱값 이득(gr) 이상의 이득이 형성되지 않아, 도 8에 나타내는 바와 같이 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 광 공진기(43)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp)보다 높은 값으로 되어 있기 때문에, 도 9에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다.
한편, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10E)에 입사되지 않는 구간(ΔT11)에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10E) 내의 이득(ga)은, 소신호 이득(g0)이 되고, 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)을 상회한다. 이 때문에, 도 8에 나타내는 바와 같이, 바로, 광 공진기(43)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)이 작기 때문에, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(43)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 9에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10E) 내의 이득(ga)은 광 공진기(43)에 의해 소비되어, 광 공진기(43)의 발진 문턱값 이득(gr)과 동일해진다. 이 때문에, 가스 레이저 증폭기(10E) 내의 이득(ga)은 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 5에 의한 가스 레이저 증폭기(10E)는, 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 8에 나타내는 바와 같이 광 공진기(43)에서 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16, 19)을 투과하거나, 또는 빔 스플리터(56)에서 반사되고, 댐퍼(18, 57a, 57b)에서 흡수된다.
여기에서, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp로 시드 레이저광이 증폭되는 이득은, 상기한 바와 같이 (1) 식으로 나타난다.
또한, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율을 각각 R1, R2로 하고, 빔 스플리터(56)의 투과율을 T로 한다. 이 때, 광축(OA2) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lr로, 광 공진기(43)가 발진하고 있을 때의 이득은 다음 식 (14)로 나타난다.
시드 레이저광이 입사했을 때에, 광 공진기(43)의 발진이 자동적으로 멈추기 위해서는, (3) 식의 조건이 만족하지 않으면 안된다. (1) 식, (14) 식 및 (3) 식으로부터, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)이 갖는 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T는 다음 식 (15)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
예를 들면, 100W의 시드 레이저광이 입력되고, 증폭광의 출력이 25㎾에 도달하도록 상정된 가스 레이저 증폭기(10E)의 증폭률은 250배이다. 이 때의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T의 조건은, 다음 식 (16)이 된다.
R1R2T2<16×10-6　…(16)
한편, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp에서의 소신호 이득은 (6) 식으로 나타난다.
예를 들면, 포화 강도 Is가 200W/㎠이며, 증폭 후의 시드 레이저광의 빔 직경 φ가 30㎜이며, 상기의 100W의 레이저광을 입력하고, 증폭 후에 25㎾를 출력하는 조건에서는, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp에서의 소신호 이득은 (7) 식으로 나타난다.
자려 발진은 가스 레이저 증폭기(10E)의 외부의 부재 혹은 내부의 아퍼처(31, 32, 33) 등의 부재로부터의 반사 또는 회절광에 의해 발생한다. 그 때문에, 자려 발진시의 광의 피드백률은 매우 작고, 자려 발진의 발진 문턱값은 대략 소신호 이득이 되는 경우가 많다. 따라서, 자려 발진광이 발생하기 전에, 광 공진기(43)에서 발진하기 위해서는, (8) 식의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
(8) 식에 (14) 식 및 (7) 식을 대입하는 것에 의해, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)이 갖는 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T의 조건이, 다음 식 (17)과 같이 구해진다.
R1R2T2>7×10-21　…(17)
(16) 식 및 (17) 식으로부터, 부분 반사경(16)의 반사율 R1, 부분 반사경(19)의 반사율 R2, 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T의 2승의 곱을, 7×10-21보다 크고, 16×10-6보다 작은 값으로 설정하는 것에 의해, 상기한 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10E) 내에서의 자려 발진의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 빔 스플리터(56)를 이용하는 것에 의해, 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T의 선택의 자유도가, 실시형태 4의 경우에 비교하여 증가하게 된다.
이와 같이, 실시형태 5에서는, 가스 레이저 증폭기(10E) 내에 광 공진기(43)가 설치되고, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T가 적절히 설정된다. 이에 의해, 광 공진기(43)에서 발생하는 레이저광의 발진 문턱값 이득이, 외부로부터 입사된 시드 레이저광의 증폭시의 이득보다 크고, 또한 자려 발진의 문턱값 이득보다 작아진다. 이에 의해, 시간적으로 광 공진기(43)의 손실을 변화시키는 장치를 이용하는 일이 없이, 자려 발진을 억제할 수 있다.
또한, 도 22에서는 시드 레이저광의 편광방향(PD1)은 방전 전극(21A, 22A)간 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 있어서의 가스 흐름방향과 동일한 X방향으로 하고 있지만, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)을 방전 갭 길이방향인 Y방향으로 하고, 광 공진기(43)에서 발생하는 레이저광의 편광방향(PD2)을, 이와 직교하는 X방향으로 하여도 좋다. 즉, 편광 미러(14, 15)가, P편광을 반사하고, S편광을 투과하도록 하여도 좋다.
또한, 도 22에서는, 광 공진기(43)를 하우징(11)의 외부에 설치했지만, 편광 미러(14), 빔 스플리터(56), 부분 반사경(16) 및 댐퍼(18, 57a, 57b)를 하우징(11)의 내측에 설치하여도 좋으며, 편광 미러(15), 부분 반사경(19) 및 댐퍼(18)를 하우징(11) 내측에 설치하여도 좋다.
또한, 도 22에서는, 광 공진기(43)를 왕복하는 광은, 편광 미러(14, 15)에서 방전 전극(21A, 22A) 사이 및 방전 전극(21B, 22B) 사이에 있어서의 가스 흐름방향, 즉 X방향으로 반사되어 있지만, 이것을 전극 갭 길이방향, 즉 Y방향으로 반사하도록 하여도 좋다. 또한, 도 22에서는, 시드 레이저광의 광축(OA1)은 4회 방전 공간을 빠져나가는 4패스 구성이지만, 실시형태 1과 같이 반사 미러(51, 52, 53, 54)가 없이 방전 공간(23A, 23B)을 1번만 통과하는 1패스 구성이어도 좋으며, 방전 공간(23A, 23B)을 4회 이외의 복수회 빠져나가는 구성이어도 좋다. 또한, 도 22에서는, 빔 스플리터(56)가 1개 마련되는 구성이 도시되어 있지만, 편광 미러(14)와 부분 반사경(16) 사이의 광축(OA2) 상, 또는 편광 미러(15)와 부분 반사경(19) 사이의 광축(OA2) 상에, 복수의 빔 스플리터(56)가 마련되어도 좋다.
실시형태 5에 의해서도, 실시형태 3과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 6
도 24는 실시형태 6에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 투시 사시도이다. 도 25는 도 24의 가스 레이저 증폭기의 내부를 Y방향으로부터 본 도면이다. 또한, 이하에서는, 실시형태 1, 2, 3, 4, 5와 상이한 부분을 설명하고, 실시형태 1, 2, 3, 4, 5와 동일한 부분에 대해서는, 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
가스 레이저 증폭기(10F)는, 실시형태 3의 가스 레이저 증폭기(10C)의 구성에 빔 스플리터(56)와, 댐퍼(57a, 57b)를 더 구비한다. 빔 스플리터(56)는 부분 반사경(16)과 아퍼처(32) 사이에 배치된다. 댐퍼(57a)는 하우징(11)측으로부터 빔 스플리터(56)에 입사되고, 반사된 레이저광을 흡수한다. 댐퍼(57b)는 부분 반사경(16)측으로부터 빔 스플리터(56)에 입사되고, 반사된 레이저광을 흡수한다. 또한, 가스 레이저 증폭기(10F)에 있어서의 다른 구성은 실시형태 3과 동일하다.
또한, 실시형태 6에 의한 가스 레이저 증폭기(10F)의 동작은, 실시형태 3에서 설명한 것과 마찬가지이다. 단, 광 공진기(42)에서 증폭된 레이저광이 부분 반사경(19)으로부터 부분 반사경(16)으로 전파할 때에, 빔 스플리터(56)에 의해, 일부의 레이저광이 반사되고, 댐퍼(57a)에서 흡수된다. 또한, 부분 반사경(16)에서는, 일부의 레이저광이 투과되고 댐퍼(18)에서 흡수되지만, 나머지 레이저광은 반사되고, 광축(OA2)을 따라서 부분 반사경(19)으로 전파한다. 이 때, 반사된 레이저광의 일부는, 빔 스플리터(56)에서 반사되고, 댐퍼(57b)에 흡수된다.
여기에서, 광 공진기(42)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T는, 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)이 이하에 나타내는 조건을 만족하도록 설정된다. 또한, 실시형태 6에 있어서의 가스 레이저 증폭기(10F)의 동작을 도시하는 도면은, 실시형태 2의 도 14 내지 도 17에서 나타낸 도면과 마찬가지이므로, 도 14 내지 도 17을 인용하여 설명한다. 단, 실시형태 6의 경우에는, 도 15의 광 공진기 출력은, 광 공진기(42)의 부분 반사경(16, 19)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에 흡수되는 레이저 출력 및 빔 스플리터(56)에서 반사되며, 댐퍼(57a, 57b)에 흡수되는 레이저 출력의 총 합이 된다.
구간(ΔT10, ΔT12)은 가스 레이저 증폭기(10F)에 시드 레이저광이 입사되고 증폭되어 있을 때이다. 이 경우에는 상기한 바와 같이, 입사된 시드 레이저광에 의해 가스 레이저 증폭기(10F) 내의 이득이 소비된다. 또한, 이 때의 광 공진기(42)의 광축(OA2) 상의 증폭시의 이득은 gp'가 된다.
실시형태 6에서는, 부분 반사경(16, 19)에서 형성되는 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)은, 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA2) 상의 이득(gp')보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 도 15에 나타내는 바와 같이, 시드 레이저광이 증폭되고, 윈도우(13)로부터 출사되어 있을 때, 광 공진기(42)측에서는, 발진 문턱값 이득(gr) 이상의 이득이 형성되지 않으므로, 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 광 공진기(42)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 레이저광이 증폭되어 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득(gp)보다 큰 값으로 되어 있기 때문에, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자려 발진도 발생하지 않는다.
한편, 구간(ΔT11)은 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10F)에 입사되지 않았던 구간이다. 이 구간(ΔT11)에서는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 17에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10F) 내의 이득(ga)은, 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)을 상회한다. 이 때문에, 도 15에 나타내는 바와 같이, 바로, 광 공진기(42)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 광 공진기(42)의 발진 문턱값 이득(gr)이 작기 때문에, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(42)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 16에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10F) 내의 광축(OA1) 상의 이득(ga)은 광 공진기(42)에 의해 소비되어, 광 공진기(42)가 발진하고 있을 때의 광축(OA1) 상의 이득(gr')과 동일해진다. 이 때문에, 가스 레이저 증폭기(10F) 내의 이득(ga)은, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 6에 의한 가스 레이저 증폭기(10F)는 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 15에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(42)에서 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16, 19)을 투과하여 댐퍼(18)에서 흡수된다. 또한, 광 공진기(42)에서 발진한 레이저광의 일부는, 빔 스플리터(56)에서 반사되고, 댐퍼(57a, 57b)에서 흡수된다.
또한, 실시형태 5와 마찬가지로, 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2 및 빔 스플리터(56)의 투과율 T의 선택의 자유도는, 실시형태 3보다 증가한다.
실시형태 6에 의해서도, 실시형태 3과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 7
도 26은 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기를 구비하는 가스 레이저 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 분해 사시도이다. 가스 레이저 장치(1)는, 레이저광원(2)과, 실시형태 4에 의한 가스 레이저 증폭기(10D)와, 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기(10A)를 구비한다. 여기에서는, 레이저광원(2)으로부터의 시드 레이저광이, 실시형태 4의 가스 레이저 증폭기(10D)의 윈도우(12)에 입사되고, 가스 레이저 증폭기(10D)로부터 출사되는 증폭광이 실시형태 1에 의한 가스 레이저 증폭기(10A)의 윈도우(12)에 입사되도록 연결되어 있다. 즉, 가스 레이저 장치(1)에서는, 레이저광원(2)으로부터의 시드 레이저광을 하우징(11) 내에서 반사시키는 반사 미러(51, 52, 53, 54)를 갖는 반환 구성의 가스 레이저 증폭기(10D)가 전단(前段)에 설치되며, 내부에 시드 레이저광을 반사시키는 반사 미러가 없는 싱글 패스 구성의 가스 레이저 증폭기(10A)가 후단에 설치되는 구성으로 되어 있다. 레이저광원(2)과 가스 레이저 증폭기(10D) 사이, 및 가스 레이저 증폭기(10D)와 가스 레이저 증폭기(10A) 사이는, 일 예에서는, 광 파이버에 의해 접속된다.
이와 같은 가스 레이저 장치(1)에서는, 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 광축(OA1)을 따라서 가스 레이저 증폭기(10D)의 윈도우(12)를 통과하여 하우징(11) 내에 입사되고, 여기된 레이저 가스 내를 통과하는 것에 의해 증폭된다. 가스 레이저 증폭기(10D)에서는, 하우징(11) 내에서 광축(OA1)이 복수회 반환되어 있기 때문에, 시드 레이저광은 복수회 증폭되게 된다. 증폭된 시드 레이저광은, 가스 레이저 증폭기(10D)의 윈도우(13)를 통과하여 하우징(11) 외부에 출사되고, 후단에 배치된 가스 레이저 증폭기(10A)의 윈도우(12)에 입사된다. 윈도우(12)로부터 가스 레이저 증폭기(10A)의 하우징(11) 내에 입사된 증폭광은, 여기된 레이저 가스 내를 통과하는 것에 의해 더욱 증폭되고, 윈도우(13)를 통과하여 외부에 출사된다.
여기에서, 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기(10D)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2와, 가스 레이저 증폭기(10A)의 부분 반사경(16) 및 전반사경(17)의 반사율 R3, R4의 조건에 대해 설명한다.
도 27은 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기에서 증폭된 레이저광의 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 28은 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 광 공진기 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 29는 실시형태 7에 의한 가스 레이저 증폭기에 있어서의 자려 발진 출력의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 30은 실시형태 7에 의한 1단째의 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이며, 도 31은 실시형태 7에 의한 2단째의 가스 레이저 증폭기 내의 이득의 시간에 대한 변화의 일 예를 나타내는 도면이다. 이들 도면에서, 횡축은 시간을 나타내고 있다.
또한, 도 27의 레이저광 증폭 출력은, 광축(OA1)을 따라서 연결된 2개의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)를 통과하고 증폭된 시드 레이저광의 출력을 나타내고 있다. 도 28의 광 공진기 출력은, 광축(OA1)을 따라서 연결된 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 광 공진기(43, 40)의 부분 반사경(16, 19)으로부터 출력되고, 댐퍼(18)에 흡수되는 레이저 출력이며, 곡선(C1)은 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 광 공진기(43)의 레이저광의 출력을 나타내며, 곡선(C2)은 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 광 공진기(40)의 레이저 출력을 나타낸다. 도 30은 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)의 이득(ga1)을 나타내며, 도 31은 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)의 이득(ga2)을 나타낸다. 또한, 도 30 및 도 31에 있어서, gr1, gr2는 각각 1단째, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 광 공진기(43, 40)의 발진 문턱값 이득이며, gp1, gp2는, 각각 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 1단째, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내에서의 이득이다.
구간(ΔT10, ΔT12)에서는, 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 시드 레이저광이 입사되고, 증폭되어 있을 때이다. 이 경우에는 상기한 바와 같이, 입사된 시드 레이저광에 의해 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 이득이 소비되어, 도 30 및 도 31에 나타내는 바와 같이, 1단째 및 2단째의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 이득(ga1, ga2)은, 각각 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp1, gp2)과 동일해진다. 실시형태 7에서는, 1단째 및 2단째의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 있어서의 광 공진기(43, 40)의 발진 문턱값 이득(gr1, gr2)은, 각각 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp1, gp2)보다 큰 값으로 설정되어 있다. 이 때문에, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)의 광 공진기(43, 40)측에서는, 각각 발진 문턱값 이득(gr1, gr2) 이상의 이득이 형성되지 않고, 도 28에 나타내는 바와 같이, 레이저광은 발진할 수 없다. 즉, 각각의 광 공진기(43, 40)로부터는 레이저광은 출사되지 않는다. 마찬가지로, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)도 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 이득(gp1, gp2)보다 큰 값으로 되어 있기 때문에, 도 29에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다.
한편, 구간(ΔT11)은 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 입사되지 않았던 구간이다. 이 구간(ΔT11)에서는, 도 27에 나타내는 바와 같이, 레이저광 증폭 출력이 0이 되었을 때에, 도 30 및 도 31에 나타내는 바와 같이, 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 이득(ga1, ga2)은 소신호 이득(g0)이 되고, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 있어서의 광 공진기(43, 40)의 발진 문턱값 이득(gr1, gr2)을 상회한다. 이 때문에, 도 28의 곡선(C1, C2)에 나타내는 바와 같이, 바로, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 있어서의 광 공진기(43, 30)에서 레이저광이 발진한다. 이 때, 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)보다 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 있어서의 광 공진기(43, 40)의 발진 문턱값 이득(gr1, gr2)이 작기 때문에, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에서는, 자려 발진이 발생하기 전에 광 공진기(43, 40)에서 레이저광이 발진한다. 즉, 도 29에 나타내는 바와 같이, 자려 발진이 발생하지 않는다. 그리고, 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 이득(ga1, ga2)은, 광 공진기(43, 40)에 의해 소비되어, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)에 있어서의 광 공진기(43, 40)의 발진 문턱값 이득(gr1, gr2)과 동일해진다. 이 때문에, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 이득(ga1, ga2)은 자려 발진의 발진 문턱값 이득(gs)을 하회하고, 자려 발진은 발생하지 않는다. 즉, 실시형태 7에 의한 가스 레이저 장치(1)는, 자려 발진을 억제할 수 있다. 또한, 도 28에 나타내는 바와 같이, 광 공진기(43, 40)에서 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(16, 19)을 투과하고, 댐퍼(18)에서 흡수된다.
여기에서, 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 시드 레이저광의 입사시에 있어서의 광축(OA1) 상의 시드 레이저광이 증폭되어 있을 때의 단위 길이당의 이득인 잔류 이득을 gp1로 한다. 또한, 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)에 입사 했을 때의 시드 레이저광의 출력을 P1in으로 하고, 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)로부터 출사했을 때의 증폭된 시드 레이저광인 증폭광의 출력을 P1out로 한다. 광축(OA1) 중 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D) 내의 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp1로 시드 레이저광이 증폭되는 이득은, 다음 식 (18)로 나타난다.
또한, 1단째의 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)의 반사율을 각각 R1, R2로 하고, 광 공진기(43)가 발진하고 있을 때의 단위 길이당의 이득인 발진 문턱값 이득을 gr1로 한다. 이 때, 광축(OA2) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lr1로, 광 공진기(43)에서 발생하는 레이저광이 증폭되는 이득은 다음 식 (19)로 나타난다.
1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)에 있어서, 시드 레이저광이 입사했을 때에, 광 공진기(43)의 발진이 자동적으로 멈추기 위해서는, 다음 식 (20)의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
gp1Lp1<gr1Lr1　…(20)
(18) 식, (19) 식 및 (20) 식으로부터, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)이 갖는 반사율 R1, R2는, 다음 식 (21)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
예를 들면, 100W 이하의 시드 레이저광이 입력되고, 증폭광의 출력이 10㎾에 도달하도록 상정된 가스 레이저 증폭기(10D)의 증폭률은 100배 이상이 된다. 이 때의 부분 반사경(16, 19)의 반사율 R1, R2의 조건은, 다음 식 (22)가 된다.
R1R2<100×10-6　…(22)
한편, 입사시의 시드 레이저광의 빔 강도를 I1in으로 하고, 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)에서 증폭 후의 증폭광의 빔 강도를 I1out로 하고, 포화 강도를 Is로 하고, 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)의 소신호 이득을 g01로 한다. 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp1에서의 소신호 이득은 다음 식 (23)으로 나타난다.
예를 들면, 포화 강도 Is가 200W/㎠이며, 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)에서 증폭 후의 시드 레이저광의 빔 직경 φ가 15㎜이며, 상기의 100W의 레이저광을 입력하고, 증폭 후에 10㎾의 증폭광을 출력하는 조건에서는, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp1에서의 소신호 이득은, 다음 식 (24)로 나타난다.
g01Lp1≒33　…(24)
자려 발진은 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D)의 외부의 부재 혹은 내부의 아퍼처(31, 32, 33) 등의 부재로부터의 반사 또는 회절광에 의해 발생한다. 그 때문에, 자려 발진시의 광의 피드백률은 매우 작고, 자려 발진의 발진 문턱값은 대략 소신호 이득이 되는 경우가 많다. 따라서, 자려 발진광이 발생하기 전에, 광 공진기(43)에서 발진하기 위해서는, 다음 식 (25)의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
g01Lp1>gr1Lr1　…(25)
(19) 식 및 (24) 식으로부터, 광 공진기(43)의 부분 반사경(16, 19)이 갖는 반사율 R1, R2는 다음 식 (26)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
R1R2>48×10-30　…(26)
(22) 식 및 (26) 식으로부터, 부분 반사경(16)의 반사율 R1과 부분 반사경(19)의 반사율 R2의 곱을, 48×10-30보다 크고, 100×10-6보다 작은 값으로 설정하는 것에 의해, 상기한 바와 같이 1단째의 가스 레이저 증폭기(10D) 내에서의 자려 발진의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 증폭광의 입사시에 있어서의 광축(OA1) 상의 레이저광이 증폭되어 있을 때의 단위 길이당의 이득인 잔류 이득을 gp2로 한다. 또한, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)에 입사했을 때의 증폭광의 출력을 P2in으로 하고, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)로부터 출사했을 때의 증폭광의 출력을 P2out로 한다. 광축(OA1) 중 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A) 내의 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp2로 시드 레이저광이 증폭되는 이득은, 다음 식 (27)로 나타난다.
또한, 2단째의 광 공진기(40)의 부분 반사경(16) 및 전반사경(17)의 반사율을 각각 R3, R4로 하고, 광 공진기(40)가 발진하고 있을 때의 단위 길이당의 이득인 발진 문턱값 이득을 gr2로 한다. 이 때, 광축(OA2) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lr2로, 광 공진기(40)에서 발생하는 레이저광이 증폭되는 이득은 다음 식 (28)로 나타난다.
2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)에 있어서, 증폭광이 입사했을 때에, 광 공진기(40)의 발진이 자동적으로 멈추기 위해서는, 다음 식 (29)의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
gp2Lp2<gr2Lr2　…(29)
(27) 식, (28) 식 및 (29) 식으로부터, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16)이 갖는 반사율 R3 및 전반사경(17)이 갖는 반사율 R4는, 다음 식 (30)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
예를 들면, 10㎾ 이하의 레이저광이 입력되며, 증폭광의 출력이 25㎾ 이상으로 도달하도록 상정된 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)의 증폭률은 2.5배 이상이 된다. 이 때의 부분 반사경(16)의 반사율 R3 및 전반사경(17)의 반사율 R4의 조건은 다음 식 (31)이 된다.
R3R4<160×10-3　…(31)
한편, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)에 입사시의 증폭광의 빔 강도를 I2in으로 하고, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)에서 증폭 후의 증폭광의 빔 강도를 I2out로 하고, 포화 강도를 Is로 하고, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)의 소신호 이득을 g02로 한다. 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp2에서의 소신호 이득은 다음 식 (32)로 나타난다.
예를 들면, 포화 강도 Is가 200W/㎠이며, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)에서 증폭 후의 시드 레이저광의 빔 직경 φ가 30㎜이며, 상기의 10㎾의 레이저광을 입력하고, 증폭 후에 25㎾의 증폭광을 출력하는 조건에서는, 광축(OA1) 중 여기된 레이저 가스가 유입되는 범위의 광로 길이 Lp2에서의 소신호 이득은, 다음 식 (33)으로 나타난다.
g02Lp2≒11.5　…(33)
자려 발진은, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A)의 외부의 부재 혹은 내부의 아퍼처(31) 등의 부재로부터의 반사 또는 회절광에 의해 발생한다. 그 때문에, 자려 발진시의 광의 피드백률은 매우 작고, 자려 발진의 발진 문턱값은 대략 소신호 이득이 되는 경우가 많다. 따라서, 자려 발진광이 발생하기 전에, 광 공진기(40)에서 발진하기 위해서는, 다음 식 (34)의 조건이 만족되지 않으면 안된다.
g02Lp2>gr2Lr2　…(34)
(28) 식 및 (33) 식으로부터, 광 공진기(40)의 부분 반사경(16) 및 전반사경(17)이 갖는 반사율 R3, R4는, 다음 식 (35)의 조건을 만족하지 않으면 안된다.
R3R4>1×10-10　…(35)
(31) 식 및 (35) 식으로부터, 부분 반사경(16)의 반사율 R3과 전반사경(17)의 반사율 R4의 곱을, 1×10-10보다 크고, 160×10-3보다 작은 값으로 설정하는 것에 의해, 상기한 바와 같이, 2단째의 가스 레이저 증폭기(10A) 내에서의 자려 발진의 발생을 억제할 수 있다.
이와 같이, 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)를 2개 이상 연결하고, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A) 내의 광 공진기(43, 40)의 부분 반사경(16, 19) 또는 부분 반사경(16) 및 전반사경(17)의 반사율 R1, R2, R3, R4를 적절히 설정하는 것에 의해, 광 공진기(43, 40)에서 발생하는 레이저광의 발진 문턱값 이득이, 외부로부터 입사된 시드 레이저광의 증폭시의 이득보다 커지도록 하고, 또한, 자려 발진의 문턱값 이득보다 작아지도록 설정할 수 있다. 이에 의해, 시간적으로 광 공진기(43, 40)의 손실을 변화시키는 장치를 이용하는 일이 없이, 자려 발진을 억제할 수 있다.
또한, 도 26의 가스 레이저 장치(1)는 실시형태 1, 4에 나타낸 가스 레이저 증폭기(10A, 10D)를 연결한 구성을 갖는 것을 나타냈지만, 실시형태가 이것으로 한정되는 것은 아니다. 일 예에서는, 연결하는 가스 레이저 증폭기는, 실시형태 1 내지 실시형태 6까지 나타냈지만 어느 것을 이용하여도 좋다. 또한, 가스 레이저 장치(1)에서 연결되는 가스 레이저 증폭기의 수는 임의의 수로 할 수 있다
또한, 도 26의 가스 레이저 장치(1)는, 각각의 가스 레이저 증폭기(10D, 10A)의 하우징(11)에 대해서 1개의 광 공진기(43, 40)를 마련하는 구성을 갖는 것을 나타냈지만, 실시형태가 이것으로 한정되는 것은 아니다. 일 예에서는, 가스 레이저 장치(1)는, 복수의 하우징(11)에 걸쳐서 1개의 광 공진기를 마련하는 구성을 갖는 것이어도 좋다.
실시형태 7에 의해서도, 실시형태 1 내지 실시형태 6과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
실시형태 8
도 32는 실시형태 8에 의한 가스 레이저 증폭기의 구성의 일 예를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 또한, 도 32에서는, 하우징(11)의 도시를 생략하고 있다. 또한, 도 32에서는, 도시하지 않은 하우징(11) 내에 있어서, 높이방향을 Y방향으로 한다. 또한, Y방향에 수직인 방향이며, 시드 레이저광의 입사방향을 Z방향으로 하고, Z방향에 수직인 방향을 X방향으로 한다.
가스 레이저 증폭기(10G)는 도시하지 않은 하우징(11)과, 하우징(11)의 하나의 측면에 마련되는 윈도우(12, 13)를 구비한다. 윈도우(12)에는, 레이저광원(2)으로부터의 시드 레이저광이 입사된다. 윈도우(13)로부터는, 하우징(11) 내에서 증폭된 증폭광이 출사된다.
가스 레이저 증폭기(10G)는, 윈도우(12)로부터 입사된 레이저광을 XZ면 내에서 정사각형 형상으로 인도하는 제 1 광로(OP1)를 구성하는 광학 부품과, 제 1 광로(OP1)로부터의 레이저광을 윈도우(13)까지 XZ면 내에서 정사각형 형상으로 인도하는 제 2 광로(OP2)를 구성하는 광학 부품을 갖는다.
제 1 광로(OP1)를 구성하는 광학 부품은, Z방향으로 연장되는 2개의 방전관(68)과, 편광 미러(60)와, X방향으로 연장되는 2개의 방전관(69)과, 반사 미러(61)와, Z방향으로 연장되는 2개의 방전관(70)과, 반사 미러(62)와, X방향으로 연장되는 2개의 방전관(71)과, 반사 미러(63)를 포함한다. 편광 미러(60)는 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 동일한 편광방향의 레이저광을 반사하고, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교하는 편광방향(PD2)의 레이저광을 투과한다. 반사 미러(61, 62)는 Z방향으로부터 입사되는 레이저광을 X방향으로 반사시키고, 반대로 X방향으로부터 입사되는 레이저광을 Z방향으로 반사시킨다. 반사 미러(63)는, X방향으로부터 입사되는 레이저광을 Y방향으로 반사시키고, 반대로 Y방향으로부터의 레이저광을 X방향으로 반사시킨다.
제 2 광로(OP2)를 구성하는 광학 부품은 반사 미러(64)와, X방향으로 연장되는 2개의 방전관(72)과, 반사 미러(65)와, Z방향으로 연장되는 2개의 방전관(73)과, 반사 미러(66)와, X방향으로 연장되는 2개의 방전관(74)과, 편광 미러(67)와, Z방향으로 연장되는 2개의 방전관(75)을 포함한다. 반사 미러(65, 66)는 Z방향으로부터 입사되는 레이저광을 X방향으로 반사시키고, 반대로 X방향으로부터 입사되는 레이저광을 Z방향으로 반사시킨다. 반사 미러(64)는, X방향으로부터 입사되는 레이저광을 Y방향으로 반사시키고, 반대로 Y방향으로부터의 레이저광을 X방향으로 반사시킨다. 편광 미러(67)는 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 동일한 편광방향의 레이저광을 반사하고, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과 직교하는 편광방향(PD2)의 레이저광을 투과한다.
방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75) 내에는, 레이저 가스가 흐르게 된다. 레이저 가스는 방향(D3)을 따라서 흐른다. 정사각형 형상의 광로의 한 변에 배치되는 2개의 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75)은, 한 변의 중앙부에서 간격을 두고 배치된다. 이 중앙부로부터 각 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75)에 레이저 가스가 공급되고, 방향(D3)으로 레이저 가스가 흐르게 된다. 가스 레이저 증폭기(10G)는 도시하지 않지만, 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75)의 주위에 배치되는 전극과, 전극에 고주파 전압을 공급하는 고주파 전원과, 레이저 가스를 흘리는 송풍기를 더 구비한다. 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75) 내에 레이저 가스를 공급한 상태에서, 전극에 고주파 전원으로부터 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75) 내에서 레이저 가스가 여기된다.
가스 레이저 증폭기(10G) 내를 전파하는 시드 레이저광의 광축(OA1)은 제 1 광로(OP1) 및 제 2 광로(OP2)에 의해 구성된다.
또한, 가스 레이저 증폭기(10G)는, 부분 반사경(81, 82)과, 댐퍼(83, 84)를 구비한다. 부분 반사경(81, 82)은 레이저광의 일부를 반사시키고, 나머지 레이저광을 투과시킨다. 부분 반사경(81)은, 반사 미러(66)로부터의 레이저광이 편광 미러(67)에서 투과하는 위치에 배치된다. 댐퍼(83)는 부분 반사경(81)을 투과한 레이저광을 흡수한다. 부분 반사경(82)은 반사 미러(61)로부터의 레이저광이 편광 미러(60)에서 투과하는 위치에 배치된다. 댐퍼(84)는 부분 반사경(82)을 투과한 레이저광을 흡수한다.
부분 반사경(81, 82)에 의해, 광 공진기가 구성된다. 광 공진기에서 발진하는 레이저광의 광축(OA2)은 부분 반사경(81), 편광 미러(67), 반사 미러(66, 65, 64, 63, 62, 61), 편광 미러(60), 및 부분 반사경(82)을 지난다.
여기에서, 가스 레이저 증폭기(10G)의 동작에 대해 설명한다. 우선, 시드 레이저광이 윈도우(12)로부터 입사될 때의 동작을 설명한다. 가스 레이저 증폭기(10G)의 외측에 마련되는 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 광축(OA1)을 따라서 윈도우(12)로부터 하우징(11) 내에 입사된다. 또한, 시드 레이저광은, 편광방향(PD1)에 편광되는 직선 편광으로 되어 있으며, 편광 미러(60, 67)에서 반사되는 방향으로 되어 있다. 그리고, 시드 레이저광은, 여기된 레이저 가스가 흐르는 방전관(68) 내를 증폭되면서 전파한다. 증폭된 시드 레이저광인 증폭광은, 편광 미러(60)로 반사되고, 다음 방전관(69)에 입사된다. 그 후, 증폭광은 반사 미러(61), 방전관(70), 반사 미러(62), 방전관(71), 반사 미러(63), 반사 미러(64), 방전관(72), 반사 미러(65), 방전관(73), 반사 미러(66), 방전관(74)의 순서로 전파하면서 증폭된다. 그리고, 증폭광은 편광 미러(67)에서 반사되고, 방전관(75)에서 더욱 증폭된 후, 윈도우(13)를 지나 출사된다. 즉, 도 32에는, 레이저 가스가 흐르는 방향(D3)과 레이저광이 전파하는 방향이 동일한 고속 축류형의 레이저 증폭기가 나타나 있다.
도 32에서는, 레이저 가스는 정사각형 형상의 광로를 구성하는 한 변의 중앙부로부터 편광 미러(60, 67) 또는 반사 미러(61, 62, 63, 64, 65, 66)가 배치되는 단부를 향하여, 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75) 내를 흐른다. 그러나, 레이저 가스는, 정사각형 형상의 광로를 구성하는 한 변의 편광 미러(60, 67) 또는 반사 미러(61, 62, 63, 64, 65, 66)가 배치되는 단부로부터 중앙부를 향하여, 방전관(68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75) 내를 흐르도록 하여도 좋다. 레이저 가스의 흐름은, 도시하지 않은 송풍기에 의해 형성된다.
다음에, 시드 레이저광이 윈도우(12)로부터 입사되지 않을 때의 동작을 설명한다. 시드 레이저광이 입사되지 않을 때에는, 방전으로 여기된 레이저 가스로부터 광이 발생하고, 방전관 내를 광축(OA2)을 따라서 전파한다. 이 때, 편광방향이 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과는 직교하는 편광방향(PD2)이 되는 성분은 편광 미러(60, 67)를 투과하기 위해, 부분 반사경(81, 82)에서 반사된다. 즉, 부분 반사경(81)과 부분 반사경(82)의 사이에서, 광 공진기가 형성된다. 부분 반사경(81, 82)에서 반사된 레이저광은, 여기된 레이저 가스 내를 왕복하고, 전파하게 되고, 레이저 발진한다. 또한, 부분 반사경(81, 82) 사이에 발진한 레이저광의 일부는, 부분 반사경(81, 82)을 투과하여, 댐퍼(83, 84)에 의해 흡수된다. 또한, 부분 반사경(81, 82) 사이에서 발진한 레이저광은, 상기한 바와 같이, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)과는 직교하는 편광방향(PD2)을 가지며, 편광 미러(60, 67)에서 반사되지 않기 때문에, 윈도우(12, 13)를 통과하여, 가스 레이저 증폭기(10G)의 외부에 나오는 일은 없다.
또한, 도 32에서는, 시드 레이저광의 편광방향(PD1)은 Y방향으로 되어 있지만, X방향이어도 좋다. 이 경우에는, 광 공진기에서 발진하는 레이저광의 편광방향(PD2)은 시드 레이저광과는 90° 상이한 Y방향이 된다.
실시형태 8에 의한 가스 레이저 증폭기(10G)에서는, 항상 시드 레이저광 또는 광 공진기에 의한 레이저광 중 어느 한쪽이 존재하며, 가스 레이저 증폭기(10G) 내의 이득을 소비하고 있게 된다. 이것으로부터, 가스 레이저 증폭기(10G) 내에서 의도하지 않는 자려 발진이 발생하지 않고, 가스 레이저 증폭기(10G) 내로부터 시드 레이저광으로 증폭된 증폭광 이외의 광이 출사되는 것이 없다는 효과를 갖는다.
실시형태 9
도 33은 실시형태 9에 의한 EUV 노광 장치의 구성의 일 예를 모식적으로 나타내는 블록도이다. EUV 노광 장치(100)는 레이저광원(2)과, 레이저 증폭부(110)와, EUV 광 발생부(120)와, 노광 처리부(140)를 구비한다.
레이저광원(2)은 시드 레이저광을 발생하는 레이저 발진기에 의해 구성된다. 레이저 증폭부(110)는 1대 이상의 가스 레이저 증폭기를 갖는다. 또한, 레이저 증폭부(110)에 포함되는 가스 레이저 증폭기 중, 1대 이상은 실시형태 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8에서 설명한 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G)로 구성된다. 도 33의 예에서는, 레이저 증폭부(110)는, 4대의 가스 레이저 증폭기(111, 112, 113, 114)가 광축(OA1)을 따라서 직렬로 접속된 구성을 갖는다. 또한, 도 33에서는, 4대의 가스 레이저 증폭기(111, 112, 113, 114)를 직렬로 연결한 레이저 증폭부(110)가 예시되었지만, 레이저 증폭부(110)에 있어서의 가스 레이저 증폭기(111, 112, 113, 114)의 수는, 1대 이상이면 좋으며, 4대로 한정되는 것은 아니다.
EUV 광 발생부(120)는 레이저 증폭부(110)로부터의 펄스 레이저광을, 적하(滴下)되는 주석(Sn)의 액적으로 조사하는 것에 의해, EUV 광을 발생시킨다. 발생한 EUV 광은 전송 광로(130)를 지나, 노광 처리부(140)에 입사된다.
노광 처리부(140)는 예를 들면, 반도체 기판 등의 기판 상에 도포된 레지스터에 미리 정해진 패턴이 마련된 포토 마스크를 거쳐서 EUV 광을 조사하여, 레지스터를 노광한다. 노광 처리부(140)는 기판을 보지하는 도시하지 않은 기판 스테이지와, 포토 마스크를 보지하는 도시하지 않은 포토 마스크 스테이지를 갖는다. 또한, 노광 처리부(140)는 포토 마스크로의 EUV 광의 조사 범위를 조정하는 도시하지 않은 조명 광학계와, 포토 마스크에서 반사된 EUV 광을 기판에 축소 투영하는 도시하지 않은 투영 광학계를 갖는다.
또한, 레이저광원(2) 및 레이저 증폭부(110)에서 가스 레이저 장치(1)가 구성된다. 즉, 가스 레이저 장치(1)는 실시형태 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8에서 설명한 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G)를 1대 이상 포함한다. 또한, 레이저광원(2), 레이저 증폭부(110) 및 EUV 광 발생부(120)에서 EUV 광 발생 장치(121)가 구성된다. 즉, EUV 광 발생 장치(121)는 실시형태 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8에서 설명한 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G)를 1대 이상 포함한다.
EUV 노광 장치(100)의 동작에 대해 설명한다. 레이저광원(2)으로부터 출사된 시드 레이저광은, 광축(OA1)을 따라서 레이저 증폭부(110)에 입사된다. 레이저 증폭부(110)에서는, 시드 레이저광은 가스 레이저 증폭기(111)에 입사되고, 내부에서 증폭되고, 증폭광이 가스 레이저 증폭기(111)로부터 출사된다. 그 후, 출사된 증폭광은 가스 레이저 증폭기(112, 113, 114)에서 마찬가지로 증폭되고, 출사된다. 레이저 증폭부(110)에 의해 증폭된 증폭광은, EUV 광 발생부(120)에 입사된다. EUV 광 발생부(120)에서는, 미리 정해진 주기로 적하되는 액적형상의 주석의 타겟에 레이저광이 집광되고, 조사된다. 주석의 타겟으로 레이저광이 조사되면, 주석으로부터 EUV 광이 발생한다. 발생한 EUV 광은 전송 광로(130)를 지나 노광 처리부(140)에 인도된다. 노광 처리부(140)에서는, 포토 마스크에서 반사된 EUV 광이 기판 상에 도포된 레지스터에 조사되어, 레지스터가 노광된다.
실시형태 9에 의한 EUV 노광 장치(100)는 실시형태 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 중 어느 하나에 기재된 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G)를 구비하기 때문에, 시드 레이저광이 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G)에 입사되고 있지 않을 때에는, 자려 발진광은 발생하지 않는다. 또한, 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G) 내의 광 공진기에서 레이저 발진하는 레이저광도, 가스 레이저 증폭기(10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G)의 외부에 출사되는 일은 없다. 이 때문에, 자려 발진광 또는 광 공진기에서 발진한 레이저광이, EUV 광 발생부(120) 내의 타겟 혹은 시드 레이저광의 레이저광원(2)에 조사되는 일이 없다. 그 결과, EUV 노광 장치(100) 및 EUV 광 발생 장치(121)가 의도치 않은 레이저광의 조사에 의해 문제점을 일으킬 가능성을 억제할 수 있다는 효과를 갖는다.
이상의 실시형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일 예를 나타내는 것이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다.
1: 가스 레이저 장치
2: 레이저광원
10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F, 10G, 111, 112, 113, 114: 가스 레이저 증폭기
11: 하우징
11A, 11B: 측면
12, 13: 윈도우
14, 15, 60, 67: 편광 미러
16, 19, 81, 82: 부분 반사경
17: 전반사경
18, 57a, 57b, 83, 84: 댐퍼
20A, 20B: 방전 전극쌍
21A, 22A, 21B, 22B: 방전 전극
23A, 23B: 방전 공간
25A, 25B: 가스 흐름 발생부
31, 32, 33: 아퍼처
40, 41, 42, 43: 광 공진기
51, 52, 53, 54, 61, 62, 63, 64, 65, 66: 반사 미러
56: 빔 스플리터
68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75: 방전관
100: EUV 노광 장치
110: 레이저 증폭부
120: EUV 광 발생부
121: EUV 광 발생 장치
130: 전송 광로
140: 노광 처리부
OA1, OA2: 광축

Claims (20)

  1. 외부로부터 제 1 레이저광이 입사되는 입사 윈도우, 및 증폭된 상기 제 1 레이저광이 출사되는 출사 윈도우를 갖는 하우징과,
    상기 하우징의 내부에 대향하여 배치되는 방전 전극 사이에 공급되는 레이저 가스를 여기시키는 방전 전극쌍과,
    상기 하우징의 외부로부터 상기 제 1 레이저광이 상기 입사 윈도우로부터 상기 하우징의 내부에 입사되지 않는 비입사 상태일 때에는, 여기된 상기 레이저 가스의 이득에 의해 제 2 레이저광을 발진시키고, 상기 제 1 레이저광이 상기 입사 윈도우로부터 상기 하우징의 내부에 입사되는 입사 상태일 때에는, 상기 제 2 레이저광의 발진을 정지시키는 광 공진기를 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 공진기의 공진기 전손실은, 상기 광 공진기의 상기 입사 상태의 이득과, 상기 광 공진기의 상기 비입사 상태의 이득 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저광은 제 1 방향으로 편광되는 직선 편광이며,
    상기 제 2 레이저광은 상기 제 1 방향에 직교하는 제 2 방향으로 편광되는 직선 편광인 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 공진기는,
    상기 제 2 레이저광의 일부를 반사하고, 나머지 부분을 투과하는 부분 반사경과,
    상기 제 2 레이저광을 반사하는 전반사경과,
    상기 부분 반사경에서 투과된 상기 제 2 레이저광을 흡수하는 제 1 댐퍼를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부분 반사경의 반사율은 7×10-21보다 크고, 16×10-6보다 작은 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광 공진기는,
    상기 제 2 레이저광의 일부를 반사하고, 나머지 부분을 투과하는 제 1 부분 반사경과,
    상기 제 2 레이저광의 일부를 반사하고, 나머지 부분을 투과하는 제 2 부분 반사경과,
    상기 제 1 부분 반사경에서 투과된 상기 제 2 레이저광의 상기 나머지 부분을 흡수하는 제 1 댐퍼와,
    상기 제 2 부분 반사경에서 투과된 상기 제 2 레이저광의 상기 나머지 부분을 흡수하는 제 2 댐퍼를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 부분 반사경의 반사율과 상기 제 2 부분 반사경의 반사율의 곱은 7×10-21보다 크고, 16×10-6보다 작은 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 공진기는,
    상기 광 공진기의 광로 상에 배치되는 빔 스플리터와,
    상기 빔 스플리터에서 분리되는 상기 제 2 레이저광을 흡수하는 제 3 댐퍼를 더 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 부분 반사경의 반사율, 상기 제 2 부분 반사경의 반사율, 및 상기 빔 스플리터의 투과율의 2승의 곱은 7×10-21보다 크고, 16×10-6보다 작은 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징 내에 상기 제 1 레이저광을 반사하는 반사 미러를 더 구비하고,
    상기 제 1 레이저광의 광축은, 상기 반사 미러에 의해 상기 입사 윈도우와 상기 출사 윈도우 사이의 상기 하우징 내에서 반환되는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 레이저광의 광축은, 상기 입사 윈도우와 상기 출사 윈도우를 지나는 상기 제 1 레이저광의 광축의 일부와 중첩되는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방전 전극 사이를 포함하는 영역에 상기 제 1 레이저광의 광축의 방향으로 상기 레이저 가스를 흘리는 가스 흐름 발생부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 레이저광의 광축은, 상기 입사 윈도우와 상기 출사 윈도우를 지나는 상기 제 1 레이저광의 광축과는 독립되어 있는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 공진기는, 상기 제 2 레이저광의 광축이 상기 제 1 레이저광의 광축과 일부가 교차하도록 배치되는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방전 전극 사이를 포함하는 영역에 상기 레이저 가스를 흘리는 가스 흐름 발생부를 더 구비하고,
    상기 가스 흐름 발생부는, 상기 제 1 레이저광이 입사되는 제 1 방향에 수직으로, 또한 상기 방전 전극쌍의 갭의 방향인 제 2 방향에 수직인 제 3 방향으로, 상기 제 1 방향이 상이한 위치에 2개의 상기 레이저 가스를 흘리고,
    상기 2개의 레이저 가스의 방향은 서로 대향하는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저광이 입사되는 제 1 방향에 수직이며, 또한, 상기 방전 전극쌍의 갭의 방향인 제 2 방향에 수직인 제 3 방향으로, 상기 제 1 방향의 상이한 위치에 2개의 상기 레이저 가스를 흘리는, 가스 흐름 발생부를 더 구비하고,
    상기 2개의 레이저 가스의 방향은 서로 대향하며,
    상기 제 2 레이저광의 광축의 일부는, 상기 레이저 가스가 흐르는 방향에 있어서 상기 제 1 레이저광의 광축의 상류측을 지나는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저광은 펄스 레이저광인 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 증폭기.
  18. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 가스 레이저 증폭기를 1대 이상 포함하는 레이저 증폭부와,
    상기 가스 레이저 증폭기의 하우징의 외부에 설치되며, 상기 제 1 레이저광을 출사하는 레이저광원을 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 레이저 장치.
  19. 제 18 항에 기재된 가스 레이저 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는
    EUV 광 발생 장치.
  20. 제 18 항에 기재된 가스 레이저 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는
    EUV 노광 장치.
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