KR20100114455A - 레이저 구동 광원 - Google Patents

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KR20100114455A
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Abstract

본 발명은, 관구 내에 봉입한 방전 매체에 레이저 광선을 집광하고, 레이저 광선에 의해 방전 매체를 여기하여 플라즈마를 생성하는 레이저 구동 광원에 있어서, 관구 내에 생성된 플라즈마에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을 차폐하는 것을 목적으로 한다.
방전 매체를 봉입한 관구를 구비하고, 상기 관구 내에 집광시킨 레이저 광선에 의해 상기 관구 내에 플라즈마를 생성하는 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구 내에는, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 차폐하는 광선 차폐 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 구동 광원{LASER DRIVE LIGHT SOURCE}
본 발명은 레이저 구동 광원에 관한 것이다. 특히, 반도체, 액정 기판 및 컬러 필터의 노광 공정에 사용되는 노광 장치, 디지털 시네마용의 화상 투영 장치, 그리고 광분석 장치의 광원으로서 사용되는 레이저 구동 광원에 관한 것이다.
최근, 상기한 노광 공정에 사용되는 노광 장치, 디지털 시네마용의 화상 투영 장치, 및 광분석 장치 등에 사용되는 광원에는, 원하는 파장역의 발광 강도가 충분한 것 외에, 수명이 긴 것이 필요하다.
이런 종류의 분야에서 사용되는 광원은, 수은 또는 희가스(퀴세논 가스)를 봉입한 유리 관구(管球) 내에서 전극 간에 아크 방전을 발생시키는 타입의 것이었지만, 전극이 아크 방전에 노출되기 때문에, 매우 고온이 되어 서서히 증발하는 것을 피할 수 없었다.
이 전극으로부터 증발한 금속은, 관구 내벽면에 부착되어 자외역의 파장 투과성을 변화시키므로, 점등 시간이 경과함에 따라, 광원의 발광 강도와 스펙트럼을 서서히 변화시킨다는 문제가 있었다.
이러한 문제에 대해서, 종래부터 여러 가지 대책이 검토되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1의 Fig. 7에 나타내는 레이저 구동 광원은, 석영 밸브 내에 봉입된 가스에 외부로부터 레이저 광선을 집광하여, 석영 밸브 내에 봉입된 가스를 레이저 광선으로 여기시킴으로써 플라즈마를 발생시킴으로써, 봉입 가스의 성분 조성에 따른 스펙트럼 분포가 안정된 발광 강도 및 발광 중심 위치의 광원을 얻고 있다.
특허 문헌 1의 레이저 구동 광원은, 레이저광을 석영 밸브 내에 봉입된 방전 가스에 조사하고 방전 가스를 여기하여 고온 플라즈마를 생성함과 함께, 당해 고온 플라즈마에 대해 레이저광을 조사하고 있다.
그러나, 고온 플라즈마에 조사된 레이저광 모두가 고온 플라즈마에 흡수되는 것은 아니며, 고온 플라즈마를 투과한 레이저광이 석영 밸브로부터 발한 광과 함께 출사하는 일이 빈번하게 있었다. 이 고온 플라즈마를 투과한 레이저광의 강도는, 석영 밸브로부터 발하는 광에 대해 무시할 수 없을 정도로 높은 것이 확인되었다. 그 때문에, 레이저 구동 광원의 주변기기 등이, 고온 플라즈마를 투과한 레이저 광선에 노출됨으로써 파괴된다는 문제를 일으킬 우려가 있었다. 그런데, 상기 레이저 구동 광원에 있어서는, 고온 플라즈마를 투과한 레이저광에 대한 대책이 검토되지 않았었다.
도 13은, 특허 문헌 2에 개시되는, 종래의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 구성도이다.
도 13에 나타내는 레이저 구동 광원(130)은, 펄스 형상의 레이저 광선을 발진하는 레이저 발진기(131)와, 레이저광을 적절한 형상으로 하여 전달하는 광학계 부재(132, 133)와, 전달된 레이저광을 관구 내의 초점에 집광시키는 집광용 광학계 부재(134)와, 퀴세논 가스 등의 희가스, 아르곤 가스 및 수은 증기 등을 봉입한 관구(135)와, 관구(135)를 투과한 레이저광을 다시 한번 관구 내에 입사시키기 위한 반사 광학계 부재(136)를 구비한다.
이 레이저 구동 광원(130)은, 레이저 발진기(131)로부터의 레이저 광선이, 광학계 부재(132, 133)에 의해 적절한 형상이 되어 소요 광로를 전달되고, 집광용 광학계 부재(134)에 의해 집광되어 관구(135) 내의 초점 위치에 모인다. 관구(135)의 초점에서는, 레이저광의 강한 전기장(높은 에너지 밀도)에 의해 봉입 가스가 플라즈마화되고, 그 플라즈마로부터 자외선을 포함하는 스펙트럼의 방사가 이루어진다. 플라즈마 생성에 기여하지 않았던 레이저광은, 반사 광학계 부재(136)에 입사하고, 거기에서 반사되어 다시 관구(135) 내의 초점에 집광된다.
상기 레이저 구동 광원(130)은, 관구 내에 전극이 존재하지 않기 때문에, 그 증발이나 스퍼터의 영향으로 발광 강도나 스펙트럼이 변화되는 일이 없어, 긴 수명인 것을 얻을 수 있다. 그 외에, 상기 레이저 구동 광원(130)은, 발광 중심 위치가, 외부로부터의 레이저광의 초점 위치에서 정해지기 때문에 항상 안정적으로 유지할 수 있음과 함께, 관구의 교환에 의해 변화되는 일이 없다. 상기 레이저 구동 광원(130)은, 그러한 면에 관해서는 유익하다고 말할 수 있다.
그러나, 도 13에 나타내는 레이저 구동 광원(130)의 시동 시에 있어서는, 관구(135) 내에 봉입된 수은은 대부분 증발하지 않았기 때문에, 관구(135) 내의 수은 증기압은 매우 낮다.
게다가, 종래의 레이저 구동 광원(130)은, 관구(135) 내로부터 전극을 배제했으므로, 관구(135) 내의 수은을 충분히 증발시키지 못하여, 관구(135) 내의 수은 증기압을 상승시킬 수 없다.
이러한 사정에 의해, 종래의 레이저 구동 광원(130)은, 관구(135)의 외부로 방출되는 수은의 발광의 강도가 매우 낮고, 또한, 관구(135) 내의 초점에 집광한 레이저 광선의 대부분은, 수은 증기에 흡수되지 않고 관구(135)의 외부로 방출된다는 문제를 일으킨다.
그러나, 도 13에 나타내는 레이저 구동 광원(130)에 있어서는, 관구(135) 내에 있어서의 수은 증기압이 낮아, 이것에 기인하여 상기한 문제가 발생하는 것에 관하여, 하등 검토되지 않았었다. 그리고, 상기 문제는, 수은을 발광용 금속으로서 관구(135)에 봉입한 경우에 한정되지 않고, 수은 이외의 다른 발광용 금속을 관구(135)에 봉입한 경우도 당연히 발생한다고 생각된다.
(특허문헌1)US2007/0228300A1 (특허문헌2)일본공개특허소61－193358호공보
이상으로부터, 본 발명은, 관구 내에 봉입한 방전 매체에 레이저 광선을 집광하고, 레이저 광선에 의해 방전 매체를 여기하여 플라즈마를 생성하는 레이저 구동 광원에 있어서, 관구 내에 생성된 플라즈마에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을 차폐하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 관구 내에 봉입한 발광용 금속에 레이저 광선을 집광하고, 레이저 광선에 의해 발광용 금속을 여기하여 플라즈마를 생성하는 레이저 구동 광원에 있어서, 관구 내의 발광용 금속의 증기압을 높은 상태로 유지하여, 관구 내에 안정된 플라즈마를 형성하는 것을 목적으로 한다.
청구항 1의 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 방전 매체를 봉입한 관구를 구비하고, 상기 관구 내에 집광시킨 레이저 광선에 의해 상기 관구 내에 플라즈마를 생성하는 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구 내에는, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 차폐하는 광선 차폐 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 2의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 방전 매체가 금속이며, 상기 광선 차폐 부재가, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 흡수하여 발열하는 것을 특징으로 한다.
청구항 3의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재에는, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 반사 유도하여 흡수하는 빔 댐퍼가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 4의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재에 복사율을 높이기 위한 표면 가공이 실시되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 5의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재에는, 피치가 1㎛∼1mm의 범위 내인 요철부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 6의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재의, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선이 조사되는 표면에, 텅스텐 파우더를 소결한 것을 특징으로 한다.
청구항 7의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재가, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 및 레늄 중 어느 한 종 이상의 금속에 의해 구성되는 것을 특징으로 한다.
청구항 8의 발명은, 청구항 2에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구 내에 봉입된 방전 매체가 수은을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 9의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구 내에 봉입된 방전 매체가, 수은 및 희가스 중 어느 한 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
청구항 10의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재가, 상기 관구 내로 신장하도록 배치된 지지 부재에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 11의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구 내에, 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 12의 발명은, 청구항 11에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재가, 상기 전극에 고정된 지지 부재에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구항 13의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재가, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 반사하는 반사면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
청구항 14의 발명은, 청구항 13에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 광선 차폐 부재(8)의 반사면이 산란 반사면인 것을 특징으로 한다.
청구항 15의 발명은, 청구항 13에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구의 바깥쪽에, 상기 광선 차폐 부재의 반사면에 의해 반사된 레이저 광선을 흡수하는, 광선 흡수 부재를 설치한 것을 특징으로 한다.
청구항 16의 발명은, 청구항 1에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 관구 내에 생성되는 플라즈마에 대해 초점 위치가 일치하도록 배치되어, 상기 플라즈마가 출사하는 광선을 반사하는 오목면 반사경을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 17의 발명은, 청구항 16에 기재된 레이저 구동 광원에 있어서, 상기 오목면 반사경에는, 상기 관구 내에 집광하는 레이저 광선의 광축 상에 개구가 설치되고, 상기 오목면 반사경의 개구에, 상기 관구 내에 레이저 광선을 집광하기 위한 광학 부재가 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 구동 광원은, 관구 내에 플라즈마를 생성·유지하기 위해서, 관구 내에 봉입된 방전 매체에 대해 레이저 광선을 조사하는 것이며, 관구 내에 레이저 광선 차폐 부재가 설치되어 있기 때문에, 관구 내에 생성된 플라즈마에 흡수되는 일 없이 그것을 투과한 레이저 광선을 확실히 차폐할 수 있으므로, 레이저 구동 광원의 주변기기 등이 관구 내의 플라즈마를 투과한 레이저 광선에 노출됨으로써 파괴된다는 문제를 일으킬 우려가 없다.
또한, 본 발명의 레이저 구동 광원은, 관구의 초점에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 흡수하여 발열하는 광선 차폐 부재가 관구 내에 설치되어 있기 때문에, 관구 내에 봉입된 방전 매체가 금속인 경우에, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
레이저 광선을 흡수하여 발열한 광선 차폐 부재는, 프랭크의 법칙에 따라 관구를 향하여 적외∼원적외의 파장역의 광을 방사하여 관구를 복사 가열하고, 관구를 고온화하여 관구 내에 봉입된 금속의 증기압을 상승시킨다. 이 상태의 관구 내에 있어서는, 관구 내에 집광된 레이저 광선에 의해 금속이 확실히 여기하여, 관구 내의 초점 위치에 안정된 플라즈마가 생성된다. 따라서, 본 발명의 레이저 구동 광원에 의하면, 관구 내에 생성된 플라즈마로부터 방출되는 광의 출력을, 높은 레벨로 안정시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 레이저 구동 광원의 관구를 확대하여 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 도이다.
도 8은 도 7에 나타내는 레이저 구동 광원의 관구를 확대하여 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 도이다.
도 12는 도 11에 나타내는 레이저 구동 광원의 관구를 확대하여 나타낸 도이다.
도 13은 종래의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 도이다.
<제1 실시예의 레이저 구동 광원>
도 1은, 본 발명의 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 단면도이다. 본 실시예의 레이저 구동 광원은, 관구 내에 전극을 가지지 않는, 무전극 타입의 광원이다. 또, 본 실시예의 레이저 구동 광원은, 플라즈마에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을 흡수함으로써 차폐하는 광선 차폐 부재를 구비한다.
레이저 구동 광원(100)은, 관구(3)의 주위를 덮도록 배치된, 광출사 개구(12)를 가지는 공기(碗) 형상의 오목면 반사경(1)과, 레이저 광선(L1)을 관구(3) 내의 초점 F에 집광시키기 위한 광학계 부재(2)와, 오목면 반사경(1)의 초점 F에 일치하도록 배치된, 방전 매체가 봉입된 관구(3)와, 관구(3)를 향하여 연속 또는 펄스 형상의 레이저 광선을 출사하는 레이저원(4)을 구비하고 있다. 오목면 반사경(1)의 초점 F에는, 레이저원(4)으로부터 출사한 레이저 광선(L1)이 광학계 부재(2)에 의해 집광되고, 관구(3) 내에 봉입된 방전 매체가 레이저 광선(L1)에 의해 여기되어 플라즈마(P)가 생성된다.
관구(3)는, 회전 타원 형상의 밀폐 공간(35)을 가지고 있으며, 밀폐 공간(S) 내에, 예를 들면 수은이 발방전 매체로서 봉입되어 있다. 관구(3) 내에 봉입된 수은의 봉입량은 2∼70mg/cc이다. 또한, 수은 외에 카드뮴, 아연, 주석 등의 금속을 방전 매체로서 봉입할 수도 있다.
관구(3)는, 오목면 반사경(1)에 대해, 시일링부(32)가 오목면 반사경(1)의 광출사 개구(12)측에 위치하도록 배치되어 있으므로, 레이저 광선(L1)이 시일링부(32)에 의해 차단되는 일이 없다.
오목면 반사경(1)은, 예를 들면 회전 방물면 형상의 반사면(11)과, 플라즈마(P)가 발한 광을 오목면 반사경(1)의 외부로 방출하는 광출사 개구(12)와, 레이저 광선(L1)을 오목면 반사경(1)의 내부에 도입하기 위한 후방 개구(13)를 구비하여 이루어지며, 그 초점 F에 생성된 플라즈마(P)가 발한 광을 전방 방향(지면(紙面)의 오른쪽)으로 반사하고, 평행광을 광출사 개구(12)로부터 출사한다.
반사면(11)은, 관구(3)가 발한 광 LX를 반사하는 유전체 다층막에 의해 구성되어 있다. 반사면(11)은, 예를 들면, 고굴절률 재료로 이루어지는 층과 저굴절률 재료로 이루어지는 층을 교호로 적층하여 이루어지는 유전체 다층막에 의해 구성되어 있다. 예를 들면, 반사면(11)은, HfO2 (산화 하프늄) 및 SiO2(산화 실리콘)를 교호로 적층하여 이루어지는 유전체 다층막, 또는, Ta2O5(산화 탄탈) 및 SiO2(산화 실리콘)을 교호로 적층하여 이루어지는 유전체 다층막 등에 의해 구성되어 있다.
또한, 반사면(11)은, 회전 방물면 형상에 한정되지 않고, 회전 타원 형상을 가지는 것이어도 된다.
오목면 반사경(1)의 후방 개구(13)는, 레이저 광선(L1)의 광축 LA 상에 일치하도록 형성되며, 광학계 부재(2)가 배치되어 있다. 후방 개구(13)를 레이저 광원(L1)의 광축 LA 상에 배치함으로써, 반사면(11)의 유효 반사 면적을 감소시키는 일이 없다. 또한, 특허 문헌 1의 제2 도에 나타내는 바와 같이, 레이저 광선을 오목면 반사경 내에 도입하기 위한 개구를 오목면 반사경의 측면에 형성하면, 유효 반사 면적을 감소시키게 된다.
광학계 부재(2)는, 레이저 광선(L1)을 관구(3) 내의 초점 위치에 집광시키는 렌즈이다. 레이저원(4)은, 펄스 구동, CW구동, 혹은 그들을 병용하는 구동 방식의 레이저를 사용할 수 있으며, 방전 매체의 여기에 충분한 강도의 레이저 광선(L1)을 발진한다. 레이저 광선(L1)은, 가시∼적외의 파장역, 예를 들면 1.06㎛에 피크를 가진다.
도 2는, 도 1의 레이저 구동 광원의 관구(3)를 확대하여 나타낸 도이다. 관구(3)는, 도 2(A)에 나타내는 바와 같이, 회전 타원 형상의 밀폐 공간(35)을 내부에 가지는 대략 구 형상으로 형성된 발광부(31)와, 발광부(31)의 단부에 연속해서 형성되어, 예를 들면 몰리브덴으로 이루어지는 금속박(33)에 의해 기밀하게 시일링된 기둥 형상의 시일링부(32)를 구비함과 함께, 발광부(31)의 내부에 밀폐 공간(35)을 가지고 있다. 또한, 도 2에 나타내는 예에서는, 발광부(31)의 일단측에만 시일링부(32)를 가진다.
시일링부(32)에는, 광선 차폐 부재(S1)를 지지하기 위한 지주(34)가 매설되어 있다. 이 지주(34)는, 그 근본부가 금속박(33)에 접속되고, 그 선단부가 밀폐 공간(35) 내로 신장됨과 함께 광선 차폐 부재(S1)를 밀폐 공간(35)에 있어서 지지하고 있다.
관구(3) 내에 배치된 광선 차폐 부재(S1)는, 관구(3) 내의 초점 F에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 흡수하는 판 형상 부재이다.
광선 차폐 부재(S1)는, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 효과적으로 흡수하기 때문에, 레이저 광선의 초점 F보다도 레이저 광선 L2의 진행 방향에 위치하는 시일링부(32)측에 있어서, 레이저 광선 L1의 광축 LA에 대해 직교하도록 배치되어 있다.
또한, 광선 차폐 부재(S1)의 광축 LA에 직교하는 방향의 폭은, 레이저 광선(L1)의 입사각 및 관구(3)의 초점 F와, 광선 차폐 부재(S1) 사이의 거리에 따라 적절히 설정된다.
광선 차폐 부재(S1)는, 레이저원(4)이 발하는 가시∼적외의 파장역의 레이저 광선을 흡수할 수 있음과 함께, 고온 시에 용융하는 일이 없도록 내열성이 뛰어난 물질에 의해 구성된다. 광선 차폐 부재(S1)를 구성하는 물질은, 예를 들면, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 및 레늄 중 어느 한 종 이상을 포함하는 금속이다.
다음에, 도 1에 나타내는 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)의 동작에 대해서, 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2(A)는 레이저 구동 광원의 시동 초기 상태를, 도 2(B)는 레이저 구동 광원의 정상시 상태를 각각 나타낸다.
(시동시)
우선, 레이저 구동 광원의 시동 시의 동작에 대해서 도 2(A)에 기초하여 설명한다. 이하에서는, 관구(3) 내의 초점 F에 레이저 광선(L1)을 집광 개시하고 나서, 관구(3) 내에 봉입한 방전 매체로서의 발광용 금속이 완전히 증발할 때까지의 기간을 시동시라고 부른다.
레이저원(4)으로부터 발진되는 연속 또는 펄스 형상의 레이저 광선(L1)은, 광학계 부재(2)에 의해 관구(3) 내의 초점 F에 집광된다. 레이저 구동 광원의 시동 시에 있어서는, 관구(3) 내의 발광용 금속의 증기압은 매우 낮기 때문에, 초점 F에 집광한 레이저 광선(L1)의 모든 에너지가 플라즈마를 생성하기 위해서 소비되지 않아, 관구(3) 내의 초점 F에는 매우 작은 플라즈마(P)가 형성된다.
즉, 관구(3) 내의 초점 F에 집광한 레이저 광선(L1)은, 그 대부분은 초점 F를 통과하지만, 광선 차폐 부재(S1)에 흡수되어, 관구(3)의 외부로 방출되는 것이 방지된다.
광선 차폐 부재(S1)는, 레이저 광선(L2)을 흡수하여 발열하고, 도 2(A)에 나타내는 바와 같이, 관구(3)의 발광부(31)를 향하여 적외∼원적외의 파장역의 열선(T1)을 복사하여, 발광부(31)를 복사 가열하고, 관구(3) 내에 봉입한 발광용 금속의 증기압을 상승시킨다. 이에 수반하여, 관구(3) 내의 초점 F에 형성된 플라즈마(P)는, 점차 커져 발광 강도가 서서히 증가한다.
(정상시)
다음에, 레이저 구동 광원의 정상시의 동작에 대해서 도 2(B)에 기초하여 설명한다. 이하에서는, 관구(3) 내의 발광용 금속의 증기압이 소정의 레벨로 안정되고, 초점 F에 형성된 플라즈마(P)의 크기가 일정해졌을 때를 정상시라고 부른다.
정상시에 있어서는, 관구(3) 내의 초점 F에 집광한 레이저 광선(L1)에 의해 발광용 금속이 확실히 여기되어, 초점 F에 형성되는 플라즈마(P)가 일정한 크기로 수속되고, 플라즈마(P)로부터 소정의 레벨로 안정된 강도의 광이 방출된다. 관구 내에 발광용 금속으로서 수은이 봉입되어 있는 경우는, 예를 들면 파장 365nm의 i선이 발광부(31)의 바깥쪽으로 방출된다.
정상시에 있어서는, 레이저 광선(L1)을 플라즈마(P)에 계속 조사한다. 이것은, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)를 소멸시키지 않기 위해서이다. 플라즈마(P)에 조사된 레이저 광선(L1) 중 일부는, 플라즈마(P)에 흡수되는 일 없이 초점 F를 통과한다.(도 2(B)의 L2를 참조). 예를 들면, 1KW의 YAG 레이저를 관구 내에 조사한 경우는, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)의 출력은 약 150W이다.
플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)은 광선 차폐 부재(S1)에 흡수된다. 광선 차폐 부재(S1)는 레이저 광선(L2)을 흡수하여 발열하고, 도 2(B)에 나타내는 바와 같이, 관구(3)의 발광부(31)를 향하여 적외∼원적외의 파장역의 열선(T1)을 복사하여, 관구(3)의 발광부(31)를 복사 가열한다.
이에 수반하여, 정상시의 관구(3)에 있어서는, 발광부(31)가 항상 고온 상태가 되어, 발광용 금속이 완전하게 증발하여 증기압이 높은 상태로 안정되므로, 발광용 금속에 의해 레이저 광선(L1)이 확실히 흡수된다. 따라서, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)가 소멸되는 일이 없어, 플라즈마(P)로부터 소정의 레벨로 안정된 강도의 광이 방출된다.
이와 같이, 본 발명의 레이저 구동 광원(100)은, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 흡수하는 광선 차폐 부재(S1)가 설치되어 있기 때문에, 다음의 효과가 얻어진다.
제1로, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이 광선 차폐 부재(S1)에 의해 확실히 차폐되기 때문에, 레이저 구동 광원(100)의 주변기기 등이, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)에 노출됨으로써 파괴된다는 문제를 일으킬 우려가 없다.
제2로, 광선 차폐 부재(S1)가, 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선(L2)을 흡수하여 발열하고, 관구(3) 내에 봉입된 방전 매체로서의 발광용 금속의 증기압을 신속하게 상승시킴과 함께 고레벨로 안정시킴으로써, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)가 소멸되는 일 없이 유지되기 때문에, 플라즈마(P)로부터 안정된 출력의 광을 방출할 수 있다.
도 3은, 제1 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 나타낸 단면도이다. 이 도에서는, 레이저원 및 광학계 부재에 대해서는, 도 1에 나타내는 레이저 구동 광원과 공통되므로 도시를 생략하고, 관구 만을 도시하고 있다. 도 3의 레이저 구동 광원(101)은, 광선 차폐 부재(S2)의 형상이 도 1, 2에 나타내는 광선 차폐 부재(S1)와 상이한 것을 제외하고, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)과 동일한 구성을 구비하므로, 도 1, 2와 공통되는 구성에 대해서는 도 1, 2와 동일 부호를 붙임으로써 설명을 생략한다.
도 3(A)에 나타내는 바와 같이, 광선 차폐 부재(S2)는, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)의 조사측의 표면(S21)에 있어서, 그 내측을 향하여 V자형으로 점차 좁아지는 복수의 빔 댐퍼(S22)가 형성되어 있다. 빔 댐퍼(S22)는, 도 3(B)에 나타내는 바와 같이, 반사면(S23, S24)에 카본 블랙을 도포하거나, 혹은 반사면(S23, S24)에 미립자의 텅스텐 파우더를 소결시킴으로써, 빔 댐퍼(S22)에 입사한 레이저 광선(L2)을 효과적으로 흡수, 감쇠할 수 있도록 하고 있다.
또한, 빔 댐퍼(S22)가 이루는 각도 θ는, 레이저 광선(L2)이 흡수되지 않고 빔 댐퍼(S22)의 외부로 나오는 일이 없을 정도의 각도로 설정되어 있다.
광선 차폐 부재(S2)는, 상기와 같이, 복수의 빔 댐퍼(S22)가 레이저 광선(L2)의 조사측의 표면(S21)에 형성되어 있어, 관구(3) 내의 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이 효율적으로 흡수되기 때문에, 발열하기 쉬운 구조로 되어 있다.
광선 차폐 부재(S2)의 빔 댐퍼(S22)의 기능에 대해서 설명한다. 도 3(B)에 나타낸 바와 같이, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이 빔 댐퍼(S22)의 한쪽의 반사면(S23)에 조사되면, 당해 빔 댐퍼의 한쪽의 반사면(S23)에서 흡수할 수 없었던 레이저 광선(L2)은, 빔 댐퍼(S22)의 다른쪽의 반사면(S24)을 향하여 반사된다.
상기한 바와 같이, 빔 댐퍼(S22)를 이루는 홈의 각도 θ는, 입사한 레이저 광선(L2)이 빔 댐퍼(S22)의 외부로 나오는 일이 없는 각도로 설정되어 있다. 따라서, 빔 댐퍼(S22) 내에 입사한 레이저 광선(L2)은, 빔 댐퍼(S22)의 내측을 향하여 다수회에 걸쳐 반사 유도되어, 최종적으로는 빔 댐퍼(S22)에 의해 완전하게 흡수된다.
도 3에 나타내는 레이저 구동 광원(101)은, 상기와 같이, 광선 차폐 부재(S2)의, 레이저 광선(L2)이 조사되는 측의 표면(S21)에 복수의 빔 댐퍼(S22)가 형성되어 있다.
빔 댐퍼(S22)는, 관구(3)의 초점 F에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 효율적으로 흡수하므로, 광선 차폐 부재(S2)가 용이하게 발열한다. 광선 차폐 부재(S2)는, 관구(3)의 발광부(31)를 향하여 적외∼원적외의 파장역의 열선(T1)을 복사하여, 관구(3)의 발광부(31)를 복사 가열한다.
따라서, 레이저 구동 광원(101)은, 관구(3) 내의 발광용 금속의 증기압이 보다 신속하게 상승함과 함께 고레벨로 안정되기 쉬워져, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)가 소멸되는 일 없이 유지되기 때문에, 플라즈마(P)로부터 안정된 출력의 광을 방출할 수 있다.
또한 광선 차폐 부재(S2)는, 도 3에 나타내는 바와 같은 V자형의 빔 댐퍼(S22)에 의해 고온 플라즈마(P)를 투과한 레이저광을 흡수하는 것에 한정되지 않는다.
광선 차폐 부재(S2)는, 예를 들면 고융점 금속으로 이루어지는 기판의 표면에 대해 흑색 알루마이트 처리를 하거나 혹은 카본 블랙을 도포한 것이어도 되고, 또, 유기 색소 혹은 유기 안료를 함유하는 세라믹스 기판이어도 되며, 또한, 광선 차폐 부재(S2)의 표면에 미립자의 텅스텐 파우더를 소결 등에 의해 부착시킨 것이어도 된다.
이와 같이 함으로써, 광선 차폐 부재(S2)의 실효적 표면적이 증가하여, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 흡수하여 발열하기 쉬워져, 관구(3)의 발광부(31)를 효과적으로 복사 가열할 수 있다.
도 4는, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)의 변형예를 나타낸 단면도이다. 이 도에서는, 레이저원 및 광학계 부재에 대해서는, 도 1에 나타내는 레이저 구동 광원과 공통되므로 도시를 생략하고, 관구 만을 도시하고 있다.
도 4의 레이저 구동 광원(102)은, 광선 차폐 부재(S3)의 형상이 도 1, 2에 나타내는 광선 차폐 부재(S1)와 상이한 것을 제외하고, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)과 동일한 구성을 구비하므로, 도 1, 2와 공통되는 구성에 대해서는 도 1, 2와 동일 부호를 붙임으로써 설명을 생략한다.
도 4(A)에 나타내는 바와 같이, 광선 차폐 부재(S3)는, 광선 차폐 부재(S3)의 표면에 미세한 요철부(S31)가 형성되어 있다. 미세한 요철부(S31)는, 광선 차폐 부재(S3)의 표면적을 늘려, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 효율적으로 흡수함과 함께, 광선 차폐 부재(S3)로부터의 열방사를 촉진한다.
요철부(S31)의 피치는 예를 들면 1㎛∼1mm의 범위이다. 요철부(S31)의 피치는, 도 4(B)에 나타내는 바와 같이, 요철부(S31)에 있어서 인접하는 볼록부 S32 및 볼록부 S33의 각각의 꼭지점을 통과하고, 또한, 레이저 광선의 광축 LA에 평행하게 신장하는 한 쌍의 가상선 K1 및 K2 사이의 거리를 의미한다.
도 5는, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)의 변형예를 나타낸 도이다. 이 도에서는, 레이저원 및 광학계 부재는, 도 1에 나타내는 레이저 구동 광원과 공통되므로 생략하고 있다.
도 5의 레이저 구동 광원(103)은, 광선 차폐 부재(S4)의 형상이 도 1에 나타내는 광선 차폐 부재(S1)와 상이한 것을 제외하고, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)과 동일한 구성을 구비하므로, 도 1, 2와 공통되는 구성에 대해서는 도 1, 2와 동일 부호를 붙임으로써 설명을 생략한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 광선 차폐 부재(S4)는, 그 전체 표면에 걸쳐 미세한 요철부(S41)가 형성됨과 함께, 레이저 광선(L2)을 받는 측의 면에 원기둥 형상의 오목부(S42)가 형성되어 있다.
미세한 요철부(S41)는, 광선 차폐 부재(S4)의 표면적을 늘려, 관구(3)의 초점 F에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 효율적으로 흡수함과 함께, 광선 차폐 부재(S4)로부터의 열방사를 촉진한다.
원기둥 형상의 오목부(S42)는, 광선 차폐 부재(S4)의 표면적을 늘리고, 또한 광선 차폐 부재(S4)를 경량화한다. 요철부(S41)의 피치는, 상기한 광선 차폐 부재(S4)의 요철부(S41)와 동일하게 1㎛∼1mm이다.
도 6은, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)의 변형예를 나타낸 단면도이다. 이 도에서는, 레이저원 및 광학계 부재는, 도 1에 나타내는 레이저 구동 광원과 공통되므로 생략하고 있다.
도 6의 레이저 구동 광원(104)은, 광선 차폐 부재(S5)의 형상이 도 1에 나타내는 광선 차폐 부재(S1)와 상이한 것을 제외하고, 제1 실시예의 레이저 구동 광원(100)과 동일한 구성을 구비하므로, 도 1, 2와 공통되는 구성에 대해서는 도 1, 2와 동일 부호를 붙임으로써 설명을 생략한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 레이저 구동 광원(104)이 구비하는 광선 차폐 부재(S5)는, 레이저 광선(L1)의 광축 LA 상에 위치하는 중심(S52)으로부터 직경 방향 바깥쪽을 향하여 방사 형상으로 신장하는 다수의 선형상부(S51)를 가짐으로써 수세미 형상으로 형성되어 있다. 다수의 선상 부재(S51)는, 광선 차폐 부재(S5)의 표면적을 늘려, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 효율적으로 흡수함과 함께, 광선 차폐 부재(S5)로부터의 열방사를 촉진한다.
도 3 내지 도 6에 나타내는 레이저 구동 광원 101 내지 104는, 상기와 같이, 광선 차폐 부재 S2 내지 S5가 각각의 표면적을 늘리기 위한 표면 구조를 가지고 있어, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 효율적으로 흡수하고 용이하게 발열하여, 관구(3)의 발광부(31)를 효율적으로 복사 가열한다.
따라서, 레이저 구동 광원 101 내지 104에 의하면, 관구(3) 내의 발광용 금속의 증기압이 신속하게 상승함과 함께 상승 후에 높은 레벨로 안정되고, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)가 소멸되는 일 없이 유지되어, 플라즈마(P)로부터 안정된 출력의 광을 방출할 수 있다.
<제2 실시예의 레이저 구동 광원>
도 7은, 본 발명의 제2 실시예의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 단면도이다. 본 실시예의 레이저 구동 광원은, 관구 내에 전극을 가지는, 유전극 타입의 광원이다. 또, 본 실시예의 레이저 구동 광원은, 플라즈마에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을 흡수함으로써 차폐하는 광선 차폐 부재를 구비한다.
또한, 도 7의 레이저 구동 광원(200)은, 도 1에 나타내는 레이저 구동 광원(100)과 공통되는 구성에 대해서는, 도 1과 동일 부호를 붙임으로써, 설명을 생략한다.
이 도에 나타내는 레이저 구동 광원(200)은, 광출사 개구(12)를 가지고, 전체적으로 공기 형상으로 형성된 오목면 반사경(1)과, 레이저원(4)이 발한 레이저 광선(L1)을 집광하는 광학계 부재(2)와, 오목면 반사경(1)의 광축 LA에 대해, 관축 X가 직교하는 자세로 오목면 반사경(1)의 초점 F에 배치된 관구(7)와, 관구(7)를 향하여 레이저 광선(L1)을 조사하는 레이저원(4)을 구비하고 있다.
이 도에 나타내는 레이저 구동 광원(200)은, 레이저원(4), 광학계 부재(2) 및 관구(7)가 레이저 광선(L1)의 광축 LA 상에 있어서, 이 순서대로 오목면 반사경(1)의 광축 LA 상에 일직선으로 나란히 배치되어 있다.
도 8(A)은, 도 7에 나타내는 레이저 구동 광원(200)의 관구(7)를 확대하여 나타낸 단면도이다. 관구(7)는, 예를 들면 석영 유리에 의해 구성되는 대략 구 형상의 발광부(71)와, 그 양단의 각각에 연속해서 관축 X방향으로 신장하는 로드 형상의 시일링부 72 및 73과, 발광부(71)의 내부에 형성된 회전 타원 형상의 밀폐 공간(77)과, 시일링부 72 및 73에 각각 매설된 봉 형상의 전극 74 및 75와, 밀폐 공간(77) 내에 배치되어, 레이저원(4)이 발하여 고온 플라즈마(P)를 투과한 레이저광을 흡수하여 차폐하는 광선 차폐 부재(S2)와, 광선 차폐 부재(S2)를 전극(74)에 고정하기 위한 지지 부재(76)를 구비하고 있다.
관구(7)의 밀폐 공간(77)에는, 방전 매체로서, 희가스, 수은(증기)의 적어도 한 종 이상이 봉입되어 있다. 즉, 방전 매체의 조합은, 희가스 단독, 수은 단독, 그리고 희가스 및 수은의 쌍방인 3가지이다.
예를 들면, 방전 매체로서 수은을 봉입한 경우는, 관구(12)로부터 수은의 발광인 파장 365nm의 자외광을 발한다. 수은의 봉입량은, 예를 들면 2∼70mg/cc이다. 희가스는, 퀴세논 가스에 더하여, 아르곤 가스 혹은 할로겐 가스의 한 종 이상을 봉입해도 된다. 또한, 방전 매체로서, 상기 이외에, 카드뮴, 아연, 주석 등을 봉입할 수도 있다.
전극(74, 75)은, 각각 예를 들면 로드 형상의 텅스텐에 의해 구성되어, 로드 시일됨으로써 시일링부(72, 73)에 기밀하게 매설되어 있다.
전극(74, 75)은, 각각의 일단부(741, 751)가 밀폐 공간(77) 내로 신장함과 함께, 밀폐 공간(77)에 있어서 소정의 거리를 두고 서로 마주보게 배치되어 있다.
또, 전극 74 및 75는, 각각의 타단부(742, 752)가 시일링부(72, 73)의 바깥쪽으로 신장하고, 도시하지 않은 급전 장치에 전기적으로 접속되어 있다. 이들 전극(74, 75)의 극간 중심 위치는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 오목면 반사경(1)의 초점 F에 일치한다.
전극(74, 75)의 극간 중심 위치에는, 상기한 전극(74, 75) 간에 고전압이 인가됨으로써 고온의 플라즈마(P)가 생성된다.
제2 실시예의 레이저 구동 광원(200)의 관구(7)는, 상기한 전극(74, 75)을 구비하고 있으므로, 관구(7)의 시동 시에 있어서 전극 74 및 75 사이를 용이하게 절연 파괴할 수 있기 때문에, 플라즈마(P)를 전극 74 및 75 사이의 극간 중심 위치에 용이하게 생성할 수 있다.
도 8(B)은, 도 8(A)의 A부를 확대한 부분 확대도이다.
광선 차폐 부재(S2)는, 도 8(B)에 나타내는 바와 같이, 전체적으로 갈고리 형상으로 형성된 지지 부재(76)에 의해, 전극(74, 75)에 대해 평행 방향으로 신장하도록 하여 전극(74)에 고정되고, 발광부(71)의 밀폐 공간(77) 내에 배치되어 있다.
도 8(B)에 나타내는 바와 같이, 지지 부재(76)는, 전극(74)에 대해 직교하는 방향으로 신장하는 관축 직교부(761)와, 관축 직교부(761)에 대해 직각으로 굽혀져 전극(74)과 평행하게 신장하는 관축 평행부(762)로 전체적으로 갈고리 형상으로 구성되어, 관축 직교부(761)가 전극(74)에 고정됨과 함께, 관축 평행부(762)가 광선 차폐 부재(S2)에 고정되어 있다.
이들 광선 차폐 부재(S2) 및 지지 부재(76)는, 각각 예를 들면 텅스텐, 탄탈 및 몰리브덴 등의 고융점 금속에 의해 구성되어 있다.
제2 실시예의 레이저 구동 광원(200)에 있어서는, 전극(74), 광선 차폐 부재(S2) 및 지지 부재(76)가 각각 금속으로 구성되어 있기 때문에, 지지 부재(76)가 전극(74) 및 광선 차폐 부재(S2)의 각각에 대해, 예를 들면 스폿 용접에 의해 일체적으로 고정되어 있다. 물론, 지지 부재(76)는, 전극(74) 및 광선 차폐 부재(S2)의 각각에 대해, 나사, 밴드 등의 다른 기계적 고정 방법에 의해 고정되어 있어도 된다.
광선 차폐 부재(S2)는, 관구(7) 내에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)(도 8(B))을 흡수하기 위해서, 당해 레이저 광선(L2)의 광로 상에 있어서, 플라즈마(P)의 근방에 배치된다. 또, 광선 차폐 부재(S2)는, 광선 차폐 부재(S2)가 고정되어 있지 않은 전극(75)과의 사이에서 원하지 않는 방전이 발생하지 않는 위치에 배치된다.
광선 차폐 부재(S2)는, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)의 조사측의 표면(S21)에 있어서, 그 내측을 향하여 V자형으로 점차 좁아지는 복수의 빔 댐퍼가 형성되어 있다. 빔 댐퍼는, 도 3과 동일한 구성을 가지고 있으며, 이것에 대해서는 상기 서술한 대로의 구성을 가지므로, 설명은 생략한다.
제2 실시예의 레이저 구동 광원(200)의 동작에 대해서, 이하에 도 7을 이용하여 설명한다.
관구(7)의 한 쌍의 전극 74 및 75에 고전압이 인가됨으로써, 전극 74 및 75의 극간이 절연 파괴되어, 전극 74 및 75의 극간 중심 위치에 예비 방전이 형성된다.
이 상태에서, 레이저원(4)은, 광학계 부재(2)를 향하여 레이저 광선(L1)을 출사한다. 레이저 광선(L1)은, 광학계 부재(2)에 의해 관구(7)의 전극 74 및 75의 극간 중심 위치에 집광되어, 전극 74 및 75의 극간 중심 위치에 생성된 예비 방전에 조사된다. 전극 74 및 75의 극간 중심 위치에는, 예비 방전에 대해 레이저 광선(L1)이 조사됨으로써, 고휘도의 플라즈마(P)가 생성된다.
플라즈마(P)로부터 발한 광 LX는, 오목면 반사경(1)의 반사면(11)에 의해 광축 LA와 평행 방향으로 반사되어, 광출사 개구(12)로부터 오목면 반사경(1)의 외부로 방출된다.
한편, 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선(L2)은, 도 8(B)에 나타내는 바와 같이, 관구(7)의 밀폐 공간(77) 내에 배치된 광선 차폐 부재(S2)에 입사하고, 상기 서술한 바와 같이, V자형의 빔 댐퍼(S22)(도 3 참조)의 내부에서 다수회에 걸쳐 반사 유도되어, 최종적으로 흡수, 감쇠된다.
이상과 같이, 본 발명의 제2 실시예의 레이저 구동 광원(200)은, 도 8(A)에 나타낸 바와 같이, 레이저원(4)으로부터 발한 레이저 광선(L1)이 플라즈마(P)를 투과했다고 해도, 그 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이, 그 광로 상에 배치된 광선 차폐 부재(S2)에 의해 흡수되기 때문에, 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX와 함께 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이 동시에 방출되는 일이 없다. 따라서, 본 실시예의 레이저 구동 광원(200)에 의하면, 그 주변기기 등이 관구(7) 내의 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)에 노출됨으로써 파괴된다는 문제를 일으키는 일이 없다.
게다가, 본 실시예의 레이저 구동 광원(200)에 의하면, 광선 차폐 부재(S2)가, 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을 흡수하여 발열함으로써 관구(7)를 가열하므로, 관구(3) 내에 봉입된 발광용 금속의 증기압이 보다 신속하게 상승함과 함께 고레벨로 안정되기 쉬워져, 관구(3) 내에 생성된 플라즈마(P)가 소멸되는 일 없이 유지되기 때문에, 플라즈마(P)로부터 안정된 출력의 광을 방출할 수 있다.
도 9 및 도 10은, 제2 실시예의 레이저 구동 광원의 변형예를 각각 나타낸 단면도이다. 도 9 및 도 10에 나타내는 레이저 구동 광원 201 및 202는, 관구(7)에 대한 레이저 광선의 입사 경로만이, 도 7에 나타내는 레이저 구동 광원(200)과 상이하다. 따라서, 도 9 및 도 10에서는, 도 7에 나타내는 레이저 구동 광원(200)과 공통되는 구성에 대해서는, 도 7과 동일 부호를 붙임으로써 설명을 생략한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 레이저 구동 광원(201)은, 광출사 개구(12)를 가지는 전체적으로 공기 형상의 오목면 반사경(1)과, 관구(7)를 향하여 레이저 광선(L1)을 집광하는 광학계 부재(2)와, 오목면 반사경(1)의 초점 F에 배치된 관구(7)와, 관구(7)를 향하여 레이저 광선(L1)을 조사하는 레이저원(4)을 구비하고 있다.
오목면 반사경(1)은, 회전 방물면 형상을 가지는 반사면(11)과, 플라즈마(P)로부터 발한 광을 출사하는 광출사 개구(12)와, 광학계 부재(2)를 배치하기 위한 측방 개구(14)를 구비하고 있다.
관구(7)는, 관축 X가 오목면 반사경(1)의 광축 LA에 대해 평행이 되는 자세로 오목면 반사경(1)의 초점 F에 배치되어 있다.
광선 차폐 부재(S2)는, 도 3에 나타내는 V자형의 빔 댐퍼(S22)가 형성되어 있으며, 광선 차폐 부재(32)의 관축 X가 오목면 반사경(1)의 광축 LA에 대해 평행이 되는 자세로, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선의 광로 상에 있어서 플라즈마(P)의 근방에 배치되어 있다.
도 9에 나타내는 레이저 구동 광원(201)은, 레이저원(4)으로부터 발한 레이저 광선(L1)이, 오목면 반사경(1)의 측방 개구(14)에 배치된 광학계 부재(2)에 의해 집광되어, 관구(7)에 조사된다. 관구(7)의 밀폐 공간(77)에는, 관구(7) 내에 봉입된 방전 매체가 여기됨으로써, 오목면 반사경(1)의 초점 F에 고온의 플라즈마(P)가 생성된다. 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX는, 오목면 반사경(1)의 광축 LA와 평행 방향으로 반사되어, 광출사 개구(12)로부터 오목면 반사경(1)의 외부로 방출된다.
한편, 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선은, 관구(7)의 밀폐 공간(77) 내에 배치된 광선 차폐 부재(S2)에 입사하고, 상기 서술한 바와 같이 도 3에 나타내는 V자 형상의 빔 댐퍼(S22)의 내부에서 다수회에 걸쳐 반사 유도되어, 최종적으로 광선 차폐 부재(S2)에 의해 흡수, 감쇠된다.
도 10에 나타내는 레이저 구동 광원(202)은, 광출사 개구(12)를 가지는 전체적으로 공기 형상의 오목면 반사경(1)과, 오목면 반사경(1)의 광축 LA에 대해 관축 X가 직교하는 자세로, 오목면 반사경(1)의 초점 F에 배치된 관구(7)와, 관구(7)를 향하여 레이저 광선(L1)을 조사하는 레이저원(4)과, 레이저원(4)으로부터 출사한 레이저 광선(L1)을 관구(7) 방향으로 반사함과 함께, 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX를 투과하는 반사 부재(5)를 구비하고 있다.
오목면 반사경(1)은, 회전 방물면 형상의 반사면(11)과, 고온 플라즈마(P)로부터 발한 광을 출사하는 광출사 개구(12)를 구비하고 있다.
반사 부재(5)는, 고온의 플라즈마(P)로부터 발하는 광 LX의 광로 상에, 오목면 반사경(1)의 광축 LA에 대해 경사진 상태로 배치되어 있다. 반사 부재(5)의 표면에는, 플라즈마(P)로부터 발하는 광 LX를 투과함과 함께, 레이저 광선 L1을 관구(7)의 방향으로 반사하는 유전체 다층막으로 이루어지는 반사면이 형성되어 있다. 이 반사 부재(5)에 설치된 유전체 다층막으로 이루어지는 반사면에 대해서는, 오목면 반사경(1)의 반사면(11)과 동일하며, 이것에 대해서는 상기 서술한 대로이므로, 설명은 생략한다.
도 10에 나타내는 레이저 구동 광원(202)은, 레이저원(4)으로부터 발한 레이저 광선(L1)이, 반사 부재(5)와 오목면 반사경(1)의 반사면(11)에 순차 반사되어 관구(7)에 조사되고, 밀폐 공간(77)에 있어서 오목면 반사경(1)의 초점 F에 고온의 플라즈마(P)가 생성된다. 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX는, 오목면 반사경(1)의 광축 LA와 평행 방향으로 반사되어, 광출사 개구(12)로부터 오목면 반사경(1)의 외부로 방출된다.
한편, 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선은, 관구(7) 내의 밀폐 공간(77) 내에 배치된 광선 차폐 부재(S2)에 입사하고, 상기 서술한 바와 같이 도 3에 나타내는 V자 형상의 빔 댐퍼(S22)의 내부에서 다수회에 걸쳐 반사 유도되어, 최종적으로 광선 차폐 부재(S2)에 의해 흡수, 감쇠된다.
<제3 실시예의 레이저 구동 광원>
도 11은, 제3 실시예의 레이저 구동 광원의 기본 구성을 나타낸 단면도이다. 본 실시예의 레이저 구동 광원은, 관구 내에 전극을 가지는 유전극 타입의 광원이다.
또, 본 실시예의 레이저 구동 광원은, 플라즈마에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을 반사함으로써 차폐하는 광선 차폐 부재를, 관구 내에 구비하는 것이, 제1 및 제2 실시예의 레이저 구동 광원과 상이하다.(제1 및 제2 실시예의 레이저 구동 광원은, 플라즈마에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선을, 관구 내에 배치한 광선 차폐 부재로 흡수함으로써 차폐하는 것이다. )
또한, 도 11에 나타내는 레이저 구동 광원(300)은, 도 7, 8에 나타내는 레이저 구동 광원(200)과 공통되는 구성에 대해서는, 도 7, 8과 동일 부호를 붙임으로써, 설명을 생략한다.
레이저 구동 광원(300)은, 광출사 개구(12)를 가지는 전체적으로 공기 형상의 오목면 반사경(1)과, 오목면 반사경(1)의 광축 LA에 대해 관축 X가 직교하는 자세로 오목면 반사경(1)의 초점 F에 배치된 관구(8)와, 레이저원(4)이 발한 레이저 광선(L1)을 관구(8)에 집광하는 광학계 부재(2)와, 관구(8)를 향하여 레이저 광선(L1)을 조사하는 레이저원(4)과, 오목면 반사경(1)의 외부에 배치된 광선 흡수 부재(AB1)를 구비하고 있다.
오목면 반사경(1)은, 회전 방물면 형상의 반사면(11)과, 고온의 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX를 출사하는 광출사 개구(12)와, 광학계 부재(2)를 배치하기 위한 후방 개구(13)를 구비하고 있다. 본 실시예의 레이저 구동 광원(300)은, 레이저원(4), 광학계 부재(2) 및 관구(8)가 레이저 광선(L1)의 광로 상에 있어서, 이 순서대로 오목면 반사경(1)의 광축 LA 상에 일직선으로 나란히 배치되어 있다.
도 12(A)는, 도 11에 나타내는 레이저 구동 광원(300)이 구비하는 관구(8)의 구성의 개략을 광선 흡수 부재(AB1)와 함께 나타낸 단면도이다. 도 12(B)는, 도 12(A)에 나타내는 A부를 확대한 도이다.
도 12(A)에 나타내는 관구(8)는, 예를 들면 석영 유리에 의해 구성되는 대략 구 형상의 발광부(81) 및 그 양단의 각각 연속해서 관축 X방향으로 신장하는 로드 형상의 시일링부 82 및 83과, 발광부(81)의 내부에 형성된 밀폐 공간(87)과, 발광부(81)의 시일링부 82 및 83에 각각 매설된 봉 형상의 전극 84 및 85와, 밀폐 공간(87) 내에 배치되어, 고온의 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)을 반사하여 차폐하는 광선 차폐 부재(R1)(도 12(B) 참조)와, 광선 차폐 부재(R1)를 전극(84)에 고정하기 위한 지지 부재(86)를 구비하고 있다.
관구(8)는, 상기한 84 및 전극 85 간에 고전압이 인가됨으로써, 전극 84 및 85의 극간 중심 위치에 고온의 플라즈마(P)를 생성한다. 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 오목면 반사경(1)의 광축 LA와 평행하게 광출사 개구(12)로부터 오목면 반사경(1)의 외부로 방출된다.
광선 차폐 부재(R1)는, 도 12(B)에 나타내는 바와 같이, 전체적으로 갈고리 형상으로 형성된 지지 부재(86)에 의해, 관축 X에 대해 경사지도록 전극(84)에 고정되어 있다.
광선 차폐 부재(R1)는, 텅스텐, 탄탈, 몰리브덴 등의 고융점 금속으로 이루어지는 기판 상에, 유전체 다층막으로 구성된 반사면(R11)을 구비하여 구성된다. 반사면(R11)은, 레이저원(4)으로부터 출사한 레이저 광선(L1)을 대부분 흡수하는 일 없이, 오목면 반사경(1)의 바깥쪽으로 반사하도록, 유전체 다층막의 재질 및 막수가 적절히 설계되어 있다.
또한, 광선 차폐 부재(R1)의 반사면(R11)은, 상기한 바와 같은 유전체 다층막에 한정되지 않고, 예를 들면 상기 고융점 금속으로 이루어지는 기판의 표면을 연마함으로써 경면 가공한 것이어도 된다.
이러한 광선 차폐 부재(R1)는, 고온의 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)의 광로 상에 있어서 플라즈마(P)의 근방에 배치되어 있다. 또, 광선 차폐 부재(R1)는, 그것이 고정되어 있지 않은 전극(85)과의 사이에서 원하지 않는 방전이 발생하지 않는 위치에 배치된다.
오목면 반사경(1)의 광출사 개구(12)의 개구단 가장자리의 근방에는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 광선 차폐 부재(R1)에서 반사한 레이저 광선(L2)을 흡수, 감쇠시키는 광선 흡수 부재(AB1)가 설치되어 있다. 광선 흡수 부재(AB1)의 레이저광의 입사면에는, 도 3에 나타내는 V자형의 홈 형상의 빔 댐퍼(S22)가 형성되어 있다.
도 12(A)에 나타내는 바와 같이, 광선 차폐 부재(R1)의 반사면(R11)과 관구(8)의 관축 X가 이루는 각 θ는, 반사면(R11)에 입사한 레이저 광선(L1)이 광선 흡수 부재(AB1)의 방향으로 반사되도록 적절히 설정되어 있다.
이상의 본 발명의 제3 실시예의 레이저 구동 광원(300)에서는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 고온의 플라즈마(P)가 전극 84 및 85의 극간 중심 위치에 생성되고, 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX가 오목면 반사경(1)에 의해 광축 LA와 평행 방향으로 반사되어, 광출사 개구(12)로부터 오목면 반사경(1)의 외부로 방출된다.
한편, 고온의 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선(L2)은, 도 12(A)에 나타내는 바와 같이, 관구(8) 내의 밀폐 공간(87) 내에 배치된 광선 차폐 부재(R1)의 반사면(R11)에 입사함과 함께, 반사면(R11)에 의해 오목면 반사경(1)의 바깥쪽에 설치된 광선 흡수 부재(AB1)를 향하여 반사되고, 상기 서술한 바와 같이, 도 3에 나타내는 V자형의 홈 형상의 빔 댐퍼(S22)에서 다수회에 걸쳐 반사 유도됨으로써, 광선 흡수 부재(AB1)에 설치된 빔 댐퍼(S22)에 흡수된다.
이와 같이, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)은, 광선 차폐 부재(R1)에 의해 오목면 반사경(1)의 바깥쪽으로 반사되고, 최종적으로는 광선 흡수 부재(AB1)에 의해 흡수, 감쇠된다.
이상의 본 발명의 제3 실시예의 레이저 구동 광원(300)에 의하면, 관구(8) 내에 생성된 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이, 도 11에 나타내는 바와 같이, 광선 차폐 부재(R1)에 의해 오목면 반사경(1)의 바깥쪽으로 반사되어, 광선 흡수 부재(AB1)에 의해 흡수된다. 그 때문에, 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)이, 플라즈마(P)로부터 발한 광 LX와 동시에 오목면 반사경(1)의 바깥쪽으로 방출되는 일이 없다.
따라서, 본 실시예의 레이저 구동 광원(300)에 의하면, 그 주변기기 등이, 관구(8) 내의 플라즈마(P)를 투과한 레이저 광선(L2)에 노출됨으로써 파괴된다는 문제를 일으키는 일이 없다.
또한, 광선 차폐 부재(R1)는, 오목면 반사경(1)의 바깥쪽에 배치된 광선 흡수 부재(AB1)와 병용되는 것이 필수는 아니다.
예를 들면, 광선 차폐 부재(R1)는, 구리, 알루미늄 및 은 중 어느 하나로 이루어지는 기판의 표면을 배껍질 형상으로 가공함으로써 요철 형상으로 형성된 산란 반사면을 가지도록 해도 되고, 또, 내열성 및 가공성이 뛰어난 수지로 이루어지는 기판의 표면을 배껍질 형상으로 가공함으로써 요철 형상으로 형성함과 함께, 당해 기판의 표면에 구리, 알루미늄 및 중 어느 하나로 이루어지는 금속을 도포하여 산란 반사면을 형성해도 된다.
이와 같이 하면, 플라즈마(P)에 흡수되지 않고 그것을 투과한 레이저 광선(L2)이, 광선 차폐 부재(R1)의 산란 반사면에 입사한 후에, 산란 반사면의 주위를 향하여 확산 반사함으로써 차폐되기 때문에, 상기 광선 흡수 부재(AB1)를 생략할 수 있다.
100∼300 : 제1∼제3 실시예의 레이저 구동 광원
1 : 오목면 반사경 2 : 광학계 부재
3 : 관구 31 : 발광부
32 : 시일링부 33 : 금속박
34 : 지주 35 : 밀폐 공간
S1∼S5 : 광선 차폐 부재 S22 : 빔 댐퍼
S31 : 요철부 S41 : 요철부
S42 : 오목부 S51 : 선형상부
4 : 레이저원 7 : 관구
71 : 발광부 72, 73 : 시일링부
74, 75 : 전극 76 : 지지 부재
77 : 밀폐 공간 8 : 관구
81 : 발광부 82, 83 : 시일링부
84, 85 전극 86 : 지지 부재
87 : 밀폐 공간 R1 : 광선 차폐 부재
AB1 : 광선 흡수 부재

Claims (17)

  1. 방전 매체를 봉입한 관구(管球)를 구비하고, 상기 관구 내에 집광시킨 레이저 광선에 의해 상기 관구 내에 플라즈마를 생성하는 레이저 구동 광원에 있어서,
    상기 관구 내에는, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 차폐하는 광선 차폐 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 매체가 금속이며,
    상기 광선 차폐 부재가, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 흡수하여 발열하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재에는, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 반사 유도하여 흡수하는 빔 댐퍼가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재는, 그 복사율을 높이기 위한 표면 가공이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재에는, 피치가 1㎛∼1mm의 범위 내인 요철부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재의, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선이 조사되는 표면에, 텅스텐 파우더를 소결한 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재가, 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 및 레늄 중 어느 한 종 이상의 금속에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 관구 내에 봉입된 방전 매체가 수은을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 관구 내에 봉입된 방전 매체가, 수은 및 희가스 중 어느 한 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재가, 상기 관구 내로 신장하도록 배치된 지지 부재에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 관구 내에, 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재가, 상기 전극에 고정된 지지 부재에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재가, 상기 관구 내에 생성된 플라즈마를 투과한 레이저 광선을 반사하는 반사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 광선 차폐 부재의 반사면이 산란 반사면인 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 관구의 바깥쪽에, 상기 광선 차폐 부재의 반사면에 의해 반사된 레이저 광선을 흡수하는, 광선 흡수 부재를 설치한 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 관구 내에 생성하는 플라즈마에 대해 초점 위치가 일치하도록 배치되어, 상기 플라즈마가 출사하는 광선을 반사하는 오목면 반사경을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 오목면 반사경에는, 상기 관구 내에 집광하는 레이저 광선의 광축 상에 개구가 설치되고, 상기 오목면 반사경의 개구에, 상기 관구 내에 레이저 광선을 집광하기 위한 광학 부재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저 구동 광원.
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