KR910006307B1

KR910006307B1 - 레이저 파장의 안정화 방법 및 파장 안정화 장치

Info

Publication number: KR910006307B1
Application number: KR1019880011294A
Authority: KR
Inventors: 하지메 나까따니; 요시부미 미노와; 하루히꼬 나가이; 히또시 와까따; 겐유우 하루따
Original assignee: 미쓰비시덴기 가부시기가이샤; 시기 모리야
Priority date: 1987-09-26
Filing date: 1988-09-01
Publication date: 1991-08-19
Also published as: CA1282820C; GB8823340D0; US4914662A; GB2210496B; KR890005938A; DE3832636A1; GB2210496A

Abstract

내용 없음.

Description

레이저 파장의 안정화 방법 및 파장 안정화 장치

제1도는 본 발명의 1실시예에 의한 파장 안정화 레이저를 도시한 개략적인 구성도.

제2도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 구성도.

제3도는 제2도에 있어서 촬상 소자상에서의 프린지의 광강도 분포를 도시한 분포도.

제4도는 본 발명의 1실시예에 의한 레이저 파장의 안정화 방법을 개략적으로 도시한 플로우챠트.

제5도는 종래의 파장 안정화 레이저를 도시한 개략적인 구성도.

제6도는 종래의 파장 안정화 레이저에 사용된 광 검출기에 나타나는 출력변화를 도시한 곡선도.

본 발명은 레이저 장치에 관한 것으로써, 특히 레이저의 발진 파장의 안정화 방법 및 파장 안정화 장치에 관한 것이다.

제5도는 예를 들면, ＂IEEE Journal Quantum Electronics QE-14('78)17＂에 개시된 종래의 파장 안정화 레이저를 도시한 개략적인 구성도이다.

도면에서, (31)은 내부에 파장을 변화시키기 위한 기구를 갖춘 레이저 발진기, (32)는 파브리 페로 에탈론(Fabry-perot etalon), (33)은 광 검출기, (34)는 파장을 변화시키기 위한 서보기구이다.

다음에 동작에 대하여 설명한다. 레이저 발진기(31)에서 나오는 레이저 빔의 파장은 광 공진기의 상태에 의해 변화한다. 이 예에서는 광 공진기 간격을 변경하는 것에 의해 선택할 수 있다. 그러나 그 선택 파장은 공진기의 열변형이나 진동 때문에 고정밀도로 안정화하는 것이 곤란하다. 따라서 발진기(31)에서 얻어진 레이저 빔을 높은 분해 능력을 갖는 분광기인 파브리 페로 에탈론(이하 FP라 한다)(32)에 의해 분광하고, FP를 투과하는 빔의 강도를 광 검출기(33)으로 측정하는 것에 의해서 파장의 안정화를 시도한 것이 이 도면에서 도시한 예이다. FP는 높은 평면도를 갖는 2개의 미러를 갭 d를 두고 서로 마주보게 한 것으로, 미러면에서 θ의 각도로써 투과하는 광의 중심 파장은,

로 나타내는 특정의 파장으로 된다. n은 갭사이의 굴절율, m은 정수이다. 분해 능력이 높은 FP를 사용하면 레이저의 발진 파장 분포중 λ_m의 강도를 알 수 있게 된다. 일반적으로 레이저 빔은 임의의 발산각을 갖기 때문에 그중(1)식을 충족시키는 빔성분만이 FP를 투과하여 빔의 광축을 중심으로 해서 동일축 형상의 프린지(링형 간섭무늬)를 형성한다. 그래서 FP 다음에 광 검출기(33)을 두면 λ가 변화했을 때 프린지의 위치가 변하여 광 검출기의 위를 통과한다.

제6도는 프린지가 통과했을 때의 광 검출기에 나타나는 빔의 강도 변화를 도시한 것이다. 도면중(A)는 공진 간격의 변화를 표시하는 것으로 그것과 함께 빔의 파장 λ는 단조롭게 변화한다. 동시에 FP에 의해 생긴 프린지가 이동하여 광 검출기에 들어가는 빔 강도가 변하기 때문에 도면중(B)로 도시하는 곡선이 그려진다. 이때 곡선(B)는 발진 파장의 스텍트럼 분포를 표시하게 된다. 강도 최대부근의 패인 곳은 램딥이라 불리어지고 있다. 도면중 구간(C)에서 공진간격을 미소하게 증가시켜가면, FP를 투과하는 빔 강도는 처음에는 감소하고 램딥의 중심주파수 λ₀에서부터 증가한다. 따라서 서보기구(34)에서 공진가격을 변화시키고, 이때 FP를 투과하는 빔 강도가 변화하는 방향을 동시에 측정하여 변화방향이 변하는 곳에 파장이 접속하도록 서보를 작용시키는 ＂위상검파를 사용한 안정화법＂을 사용하면 용이하게 발진파장 λ₀을 FP의 중심파장 λ_m에 고정할 수 있다.

종래의 레이저 장치 및 레이저 파장의 안정화는 이상과 같이 구성되어 있으므로 온도 변화나 기압 변화에 대하여 FP의 특성이 변하기 때문에 파장이 일정하여도 파장 모니터 수단의 출력이 변동한다는 문제점이 있었다.

또, 변화의 방향을 확인하기 위해 파장을 주사하기 위한 시간과 그 시간내에서는 안정된 출력이 필요하므로, 중심 파장은 제어방법의 관계상 램딥에서 결정되어 다른 파장에 동조하는 것은 불가능하다. 또 레이저(1)에 정지기간 등이 있어 파장에 제6도의 영역(C)밖으로 어긋났을 때에는 이미 파장을 되돌릴 수 없다는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서 이루어진 것으로, 파장의 안정화와 동조가 출력의 변동이 있고 발진 정지기간도 있는 레이저에서도 실행될 수 있도록 한 것이다.

또, 본 발명은 분위기의 온도 변화나 기압 변화에 대하여 파장 모니터 수단이 영향을 받는 일 없는 안정된 레이저 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 레이저 파장의 안정화 방법은 레이저 빔의 일부를 분광하여 분광된 레이저 빔의 공간적인 광 강도 분포를 측정함과 동시에, 특정 파장의 광을 분광하고 그 공간적인 광 강도 분포를 측정하며, 이 특정 파장의 광 강도 분포에 따라 레이저 빔의 광 강도 분포를 해석하여 레이저 발진기의 파장을 제어하도록 한 것이다.

본 발명의 또 하나의 파장 안정화 레이저는 광 공진기내의 레이저 발진 파장을 선택하는 소자를 가지며, 파장이 가변하는 레이저 발진기, 이 레이저 발진기에서 인출된 레이저 빔의 일부를 분광하는 파장 모니터 기구, 특정 파장의 광을 상기 파장 모니터 기구에 입사시키는 광원, 상기 파장 모니터 기구를 투과한 상기 레이저 빔 및 상기 광원에서의 광의 공간적인 광 강도 분포를 측정하는 촬상 소자, 상기 광 강도 분포를 해석하여 상기 레이저 발진기의 발진 파장을 제어하는 영상 처리수단 및 상기 영상 처리수단의 출력신호에 의해 상기 소자를 구동하여 상기 파장을 변화시키는 서보 기구를 구비한 것이다.

또, 본 발명에 관한 레이저 장치는 파장 모니터 수단을 구성하는 FP를 밀봉용기에 수용하여 밀봉용기내의 온도를 일정하게 유지하는 온도 조절수단을 부가한 것이다.

본 발명에 있어서 레이저 파장의 안정화 방법 및 파장 안장화 레이저는 직접 투과 광 강도 분포를 보고 있기 때문에 파장 주사를 할 필요없이 파장의 어긋남을 순간적으로 검출할 수 있다. 또 광 강도 분포가 예정된 상태로 되기까지 서보기구를 작용시키는 것에 의해 임의의 파장으로 고정할 수도 있다. 또 광 강도 분포의 상태에서 파장을 결정하기 때문에 레이저의 출력변동의 영향도 받지 않게 된다. 또 교정용 광원을 갖고 있기 때문에 파장의 절대값이 얻어진다.

또 본 발명에서 FP를 밀봉하는 구조는 FP의 갭 간격에서 가스 밀도를 일정하게 유지하므로, 갭사이의 굴절율도 일정하게 된다. 또 온도 조절수단은 FP의 온도를 일정하게 유지하므로 FP 및 주위의 온도에 의한 열 왜곡 없이 갭 길이가 일정하게 유지된다. 따라서 FP는 안정된 성능을 발휘한다.

다음에 본 발명의 1실시예를 도면에 따라 설명한다. 제1도에 있어서, (1)은 종래예와 같이 공진기 길이를 변경하거나, 프리즘, 그레이팅, FP 등의 분광 소자를 사용하는 것에 의해 발진 파장을 변화시킬 수 있는 레이저 발진기, (2)는 레이저 빔, (3)은 파장 모니터 기구로써 이 실시예에서는 FP를 이용하여 분광을 행한다. (4)는 촬상 소자, (5)는 서보기구이며, (9)는 교정용 광원이다. (10)은 FP에 의해 얻어지는 동심 원형의 간섭무늬를 해석하여 레이저 발진기의 발진 파장을 제어하는 영상 처리수단이다.

다음에 동작에 대하여 설명한다. 레이저 발진기(1)에서 나온 레이저 빔의 파장은 발진기중에 있는 각종 소자에 의해 선택되고 있다. 예를 들면, 엑사이머 레이저에서 본래의 발진 파장폭은 수 Å이지만, 공진기내에 프리즘, 그레이팅, FP등의 분광소자를 삽입하는 것에 의해 파장폭이 좁게 된다. 그리고 그들의 분광소자를 조정하는 것에 의해 그 파장을 원래 있던 발진 파장폭내의 임의의 파장으로 설정할 수 있다.

그렇게 해서 얻어진 레이저 빔의 일부를 파장 모니터 기구(3)으로 유도한다. 파장 모니터 기구(3)은 파장을 결정하기 위해 FP를 사용하고 있다.

상기 실시예에서는 광이 FP를 투과했을 때에 나타나는 원형의 프린지를 이용한다. 프린지의 직경은 θ와 관계가 있으며, θ를 구하는 것에 의해 앞서 제시한(1)식에서 파장 λ_m을 결정한다.

파장 모니터 기구(3)은 레이저 빔을 약하게 하거나 확산시키는 인터그레이터, FP, 렌즈로 되어 있다. 인터그레이터에 의해 생긴 발산성분 중 앞서의 식을 충족시키는 θ를 갖는 광만이 FP를 투과하여 렌즈에 도달한다. 렌즈의 초점거리를 f로 하면 θ의 성분을 갖는 광은 초점위치에 있어서 렌즈의 축에서 fθ떨어진 곳에 집광된다. 따라서 촬상 소자(4)에 의해 집광되어 강도가 강하게 된 위치를 관측하면 θ가 구해지고, λ가 계산되는 것이다.

그런데 파장 λ가 구해진다고는 하지만 FP의 갭간격 d나 굴절율 등은 자주 변동하여 파장의 절대값을 얻을 수 없다. 그래서 파장 교정용 광원(9)를 사용해서 파장 교정을 행한다. 이 광원은 파장이 안정된 선 스팩트럼을 갖는 것이 아니라도 좋지만 교정을 용이하게 하기 위해서 레이저 발진기(1)의 발진 파장에 가까운 것이 좋다. 예를 들면, KrF 레이저에서는 Fe의 248.327nm나 Hg의 248.3nm 등을 사용할 수 있다. 그외의 레이저에 대해서도 각종 광원을 선택할 수 있다. 교정용 광원(9)에서 나온 광은 레이저 빔(2)와 마찬가지로 파장 모니터 기구에서 분광된다. 이때 촬상 소자에 나타난 광 강도 분포에 따라 레이저 빔의 파장을 해석하면 레이저 빔 파장의 절대값을 얻을 수 있다.

또 광 강도 분포의 어긋남을 관측하면서 서보기구(5)에 의해 레이저의 발진 파장을 바로 잡아가면 장시간에 걸쳐서 파장의 흔들림이 없는 레이저가 얻어진다.

본 발명의 다른 실시예인 제2도에 있어서, (1)은 레이저 발진기, (6)은 전 반사경, (7)은 레이저 발진기 (1)을 거쳐서 전 반사경(6)과 대향해서 배치된 부분 반사경, (8)은 파장 동조용 FP로써 레이저 발진기(1)과 부분 반사경(7) 사이에 배치되어 있다. (13)은 FP(8)을 수용한 밀폐용기로써 가스가 충전되어 있다. (20)은 벨로우즈의 용적 신축수단으로써 밀폐용기(13)과 접속되어 있다. (23)은 용적 신축수단(20)의 구동기구, (2)는 레이저 발진기(1), 전 반사경(6), 부분 반사경(7) 및 FP(8)에 의해 발진된 레이저 빔, (12)는 레이저 빔(2)의 일부를 인출하기 위한 빔 인출 미러, (3)은 빔 인출 미러(12)에서 인출된 레이저 빔을 분광하는 파장 모니터 기구이다. 파장 모니터 기구(3)은 레이저 빔(2)만을 투과시키는 간섭 필터(14), 광 강도 조절용 필터(15), 레이저 빔(2)를 확산시키는 인터그레이터(16), 갭을 갖는 구조의 모니터용 FP(17), FP(17)을 밀봉한 밀봉용기(18), 렌즈(19)로 구성되어 있다. (4)는 FP(17)에 의해 생긴 프린지를 관측하기 위한 촬상 소자로써, 예를 들면 1차원의 영상 센서이다. (21)은 (14)~(19), (4)를 수용하여 외부의 광을 차폐한 광 차폐상자로, 간섭필터(14)가 빔 인출미러(12)에서의 레이저 빔을 입사할 수 있도록 배치되어 있다. (22)는 FP(17)의 온도를 일정하게 유지하는 온도 조절수단, (10)은 프린지를 해석하는 영상 처리수단으로써 구동기구(23)으로 출력된다.

다음에 동작에 대하여 설명한다. 단, 제1도와 동일 동작의 설명은 생략한다.

제2도에 있어서는 온도 조절수단(22)가 구비되어 있으므로, 밀봉용기(18)내에는 온도 조절수단(22)에 의해 항상 소정의 온도로 유지되어 있으므로 FP(17)은 온도 및 기압의 변화에 의한 영향을 받지 않는다.

또한, 제2도의 촬상 소자(4)상의 광의 강도 분포는 제3도와 같다. 세로축은 출력, 가로축은 프린지의 중심에서의 거리 X를 표시한다. 각 피크는 FP의 차수 m의 차이에 대응하고 있다. 그리고, 각 피크의 간격은 자유 스펙트럼 영역이라 하며, 이 범위에서 파장을 일률적으로 결정할 수 있다. 그리고, 자유 스펙트럼 영역은 FP의 설계에 의해 결정할 수 있으므로, 파장 이동이 예상되는 값보다 넓게 설계한다.

또 각 피크는 레이저 빔의 파장 분포에 대응한 광 강도 분포를 갖기 때문에 이것을 처리하여 θ를 구하기 위해서 영상 처리수단(10)이 필요하게 된다. 또 여기에서는 현재의 파장 λ를 계산하여 그 결과에 따라서 구동기구(23)에 의해 용적 신축수단(20)을 작동시켜 밀폐용기(13)내의 압력을 조정하는 것에 의해 발진기의 파장 조정을 행한다.

제4도는 본 발명의 1실시예에 의한 레이저 파장의 안정화 방법을 개략적으로 도시한 플로우챠트이다.

먼저, 스텝(11)에서 광원(9)에서의 광을 파장 모니터 기구(3)으로 입사하고, FP에 의해 이 광을 분광해서(스텝(12)), 촬상 소자에 의해 1차원의 광 강도 분포를 측정한다(스텝(13)). 다음에 스텝(14)에서 이 광 강도 분포를 평활화하며 스텝(15)에서 최대 강도를 표시하는 위치 Xo'를 구한다. 이것은 광원의 광의 파장 λo'에 대응한다. 따라서, Xo에서 특정거리 △만큼 어긋난 점이 바라는 파장 λo에 대응하는 Xo이다. 따라서 스텝(16)에서 Xo=Xo'-△로 되는 Xo를 구한다. 또 스텝(17)에서 레이저 발진기(1)에서 방사되는 레이저 빔(2)를 파장 모니터 기구로 입사하여, 스텝(18)에서 FP에 의해 레이저 빔(2)를 분광하여 스텝(19)에서 1차원의 광 강도 분포를 측정한다. 스텝(20)에서 이 측정 데이터를 평활화하여 잡음을 제거한다. 스텝(21)에서 최대 강도를 표시하는 위치 X를 구하고, 다음에 스텝(16)에서 얻어진 값 Xo(지정 파장에 대응하는 지정된 위치 좌표)과 비교하여(스텝(22)) 다를 때에는 X＞Xo이나 또는 X＜Xo에 의해 서보기구(5)를 소정의 방향으로 이동시켜 레이저 발진기의 파장을 변화시키며(스텝(23)), 재차 스텝(18)로 되돌아가서 X=Xo이 될 때까지 이 동작을 반복한다. 또 영상 처리수단(10)은 상기 스텝(14)에서 스텝(16) 및 스텝(20)에서 스텝(23)의 동작을 행한다. 이상과 같이 본 발명의 1실시예에 의한 레이저 파장의 안정화 방법은 종래의 방법과는 달리 공간적인 광 강도 분포에서 파장을 산출하므로 발진기의 출력이 변화해서 전체의 강도가 변화하여도 관계없다. 또 촬상 소자로써 감도가 좋은 것을 사용하면 단시간의 노출로 파장의 결정이 가능하다. 또 어떠한 이유로 파장이 어긋나더라도 반드시 프린지는 나타나기 때문에 파장을 원래대로 되돌릴 수 있다. 파장 분해 능력은 렌즈의 초점거리를 길게 하던가, 촬상 소자의 분해 능력을 양호하게 하는 것으로 높일 수 있다.

또, 상기 실시예에서는 파장 모니터 기구로써 FP를 사용했지만, 같은 종류의 간섭계인 피저(Fizeau)의 간섭계나 그레이팅 또는 프리즘 등의 분광 소자이면 좋으며, 분광된 회절광 또는 분산광의 공간적인 광 강도 분포를 측정하는 것에 의해 상기 실시예와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

또, 상기 실시예에서는 광원에서의 광과 레이저 발진기(1)에서의 레이저 빔을 별도로 분광하고 해석했지만, 2개의 광을 중첩시켜서 분광하고 해석하도록 하여도 좋다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 레이저 발진기에서 방사되는 레이저 빔의 일부를 파장 모니터 기구를 사용해서 분광하고, 그 공간적인 광 강도 분포를 특정 파장의 광의 공간적인 광 강도 분포에 따라 해석하여 발진 파장의 제어를 행하도록 했으므로, 출력이나 파장의 변동이 큰 레이저에 있어서도 파장을 안정하게 할 수 있음과 동시에, 파장 모니터 기구에 변동이 생긴 경우에도 파장을 안정화할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명에 의하면 광 공진기내에 레이저 발진 파장을 선택하는 소자를 가지며, 파장이 가변하는 레이저 발진기, 이 레이저 발진기에 인출된 레이저 빔의 일부를 분광하는 파장 모니터 기구, 특정 파장의 광을 상기 파장 모니터 기구에 입사시키는 광원, 상기 파장 모니터 기구를 투과한 상기 레이저 빔 및 상기 광원에서의 광의 공간적인 광 강도 분포를 측정하는 촬상 소자, 상기 광 강도 분포를 해석하여 상기 레이저 발진기의 발진 파장을 제어하는 영상 처리수단 및 상기 영상 처리수단의 출력신호에 의해 상기 소자를 구동하여 상기 파장을 변화시키는 서보기구에 의해 파장 안정화 레이저를 구성하였으므로, 출력이나 파장의 변동이 큰 레이저에 대해서도, 또 파장 모니터 기구에 변동이 있어도 파장의 안정화를 용이하게 할 수 있는 것이 얻어진다는 효과가 있다.

또 본 발명에 의하면 모니터용 FP를 가스로 밀봉한 구조로 하여 FP의 온도를 일정하게 유지하는 온도조절수단을 부가하였으므로, 분위기의 온도 변화, 기압 변화의 영향을 받지 않는 안정된 파장 안정화 레이저 장치가 얻어지는 효과가 있다.

Claims

발진 파장이 가변하는 레이저 발진기(1)에서 방사된 레이저 빔(2)의 일부를 인출하는 스텝, 상기 레이저 빔(2)의 일부를 파장 모니터 기구(3)을 사용해서 분광하는 스텝, 분광된 레이저 빔(2)의 공간적인 광 강도 분포를 측정하는 스텝, 특정 파장의 광을 분광하여 그 공간적인 광 강도 분포를 측정하는 스텝, 상기 특정 파장의 광 강도 분포에 따라 상기 레이저 빔(2)의 광 강도 분포를 해석하는 스텝 및 해석된 결과에서 상기 레이저 발진기(1)의 파장을 제어하는 스텝을 시행하는 레이저 파장의 안정화 방법.
제1항에 있어서, 특정 파장의 광의 공간적인 광 강도 분포가 최대로 되는 위치를 기준 값으로 구하여 이 기준값에서 소정거리 떨어진 곳에 레이저 빔(2)의 광 강도 분포가 최대로 되는 점이 오도록 레이저 발진기(1)의 발진 파장을 제어하는 레이저 파장의 안정화 방법.
광 공진기내에 레이저 발진 파장을 선택하는 소자를 가지며, 파장이 가변하는 레이저 발진기(1), 상기 레이저 발진기(1)에서 인출된 레이저 빔(2)의 일부를 분광하는 파장 모니터 기구(3), 특정 파장의 광을 상기 파장 모니터 기구(3)에 입사시키는 광원(9), 상기 파장 모니터 기구(3)을 투과한 상기 레이저 빔(2) 및 상기 광원(9)에서의 광의 공간적인 광 강도 분포를 측정하는 촬상 소자(4), 상기 광 강도 분포를 해석하여 상기 레이저 발진기(1)의 발진 파장을 제어하는 영상 처리수단(10) 및 상기 영상 처리수단(10)의 출력신호에 의해 상기 소자를 구동하여 상기 파장을 변화시키는 서보기구(5)를 구비한 파장 안정화 레이저.
특허청구의 범위 제3항에 있어서, 영상 처리수단(10)은 레이저 빔(2) 및 광원(9)에서 광의 공간적인 광 감도 분포가 최대로 되는 위치를 구하여 발진 파장의 제어를 행하는 파장 안정화 레이저.
특허청구의 범위 제3항 또는 제4항에 있어서, 파장 모니터 기구(3)은 파브리 페로 에탈론을 사용하여 레이저 빔(2) 및 광원(9)에서 광이 투과되었을 때 나타나는 간섭 패턴의 공간적인 광 강도 분포를 촬상 소자(4)에 의해 측정하는 파장 안정화 레이저.
특허청구의 범위 제5항에 있어서, 파브리 페로 에탈론(17)을 밀봉용기(18)에 수용하고, 상기 밀봉용기(18)내의 온도를 소정값으로 유지하는 온도 조절수단(22)를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 파장 안정화 레이저.
특허청구의 범위 제3항 또는 제4항에 있어서, 파장 모니터 기구(3)은 피저의 간섭계를 사용하여 레이저 빔(2) 및 광원(9)에세 광이 투과되었을 때 나타나는 간섭 패턴의 공간적인 광 강도 분포를 촬상 소자(4)에 의해 측정하는 파장 안정화 레이저.
특허청구의 범위 제3항 또는 제4항에 있어서, 파장 모니터 기구(3)은 그레이팅을 사용하여 레이저 빔(2) 및 광원(9)에서 광이 입사되었을 때 나타나는 회절광을 공간적인 광 강도 분포를 촬상 소자(4)에 의해 측정하는 파장 안정화 레이저.
특허청구의 범위 제3항 또는 제4항에 있어서, 파장 모니터 기구(3)은 프리즘을 사용하여 레이저 빔(2) 및 광원(9)에서 광이 투과되었을 때 나타나는 분산광의 공간적인 광 강도 분포를 측정하도록 한 파장 안정화 레이저.