TWI462144B

TWI462144B - Light source device

Info

Publication number: TWI462144B
Application number: TW099121713A
Authority: TW
Inventors: Toshio Yokota
Original assignee: Ushio Electric Inc; Energetiq Technology Inc
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2014-11-21
Also published as: KR101380434B1; TW201130014A; JP2011035039A; CN101989048B; US20110026547A1; US8369374B2; EP2280408B1; EP2280408A2; KR20110013226A; EP2280408A3; CN101989048A; JP5557487B2

Description

光源裝置

本發明係關於藉由由雷射裝置所被放射的雷射光束而予以亮燈之適用於曝光裝置等的光源裝置。

將來自雷射裝置的雷射光束照射在封入有發光氣體的發光管，使氣體激發而發光的光源裝置已為人所知(參照專利文獻1)。

專利文獻1所揭示的係使來自將連續或脈衝狀雷射光進行振盪的雷射振盪器的光束，以透鏡等聚光用光學系零件聚光而照射在封入有發光氣體(發光元素)的發光管，使發光管內的發光氣體激發而發光者。

在專利文獻1第2頁右上欄由上數來第16～18行中，記載有上述雷射振盪器係將封入氣體的放電激發充分強度的連續或脈衝狀雷射光進行振盪。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開昭61-193358號公報

以使封入在發光管的發光氣體激發的雷射光束而言，如專利文獻1之記載，考慮一種連續或脈衝狀的雷射光束，但是可知即使使用任何雷射光束，均會有以下所示之問題。

(甲)若為脈衝狀雷射光，由於「將封入氣體的放電激發充分強度的脈衝狀雷射光進行振盪」，雖然亮燈會開始，但是如第18圖(a)所示，由於雷射光斷續地入射至封入氣體，因此高溫電漿狀態在使雷射光被切斷時，會有共同被切斷的情形，不易常時維持高溫電漿狀態。亦即，會有放電維持不安定的問題。

(乙)若為連續雷射光，若將在封入氣體的放電開始充分強度的連續雷射光進行振盪，雖然亮燈會開始，但是如第18圖(b)所示，若在維持高溫電漿狀態時亦輸入與亮燈開始時相同的能量，管球會被加熱，會有因該熱而在管球發生變形而破損者。亦即會有亮燈壽命短的問題。

此外，放電開始所需雷射光的功率係由數十至數百kW，但是將如上所示之大輸出雷射光連續輸出的雷射裝置為大型且成本亦高，並不實用。

本發明係為了解決上述問題而硏創者，本發明之目的在提供一種光源裝置，係對封入有發光元素的發光管照射雷射光束而使其發光的光源裝置，無須照射大功率的雷射光束，即可安定維持亮燈開始後的高溫電漿狀態，而安定維持發光，而且可抑制因發光管加熱所造成之亮燈壽命降低。

脈衝狀雷射光束由於峰值功率大，因此可以較小的雷射裝置的輸出來激發被封入在發光管的氣體。另一方面，連續波雷射光束並不會有如脈衝狀雷射光束般被切斷的情形，因此藉由對處於高溫電漿亮燈狀態的發光管照射連續波雷射光束，可維持發光。

基於以上情形，本發明人係嘗試使用脈衝雷射光束與連續波雷射光束之雙方，使封入有發光元素的發光管亮燈。結果確認出，對封入有發光元素的發光管照射脈衝雷射光束而使其亮燈，與此同時照射連續波雷射光束而使其維持亮燈，藉此使用較小功率的雷射裝置，而使發光管的亮燈確實開始，且在亮燈開始後，可安定維持亮燈。

在此，為了維持發光，必須使藉由脈衝雷射光束所形成的高能量狀態的區域、與藉由連續波雷射光束所形成的高能量狀態的區域在發光管內重疊。

因此，若以脈衝雷射光束的光路與連續波雷射光束的光路在發光管內的全區域重疊的方式來配置雷射裝置，可使由脈衝雷射光束與連續波雷射光束等所形成的高能量狀態的區域在發光管內容易且確實地疊合。

此外，利用連續波雷射光束作為激發光，而使脈衝雷射光束發生，藉此可以較為簡單的構成，來使光路與連續波雷射光束相重疊的脈衝狀雷射光束發生。

根據以上，在本發明中，係如下所示解決前述課題。

(1)由：封入有發光元素的發光管；朝向該發光管放射脈衝雷射光束的脈衝雷射振盪部；及朝向該發光管放射連續波雷射光束的連續波雷射振盪部來構成光源裝置。

(2)在上述(1)中，構成為：來自前述脈衝雷射振盪部的光束的光路、及來自前述連續波雷射振盪部的光束的光路係至少在發光管內的全區域相重疊。

(3)在上述(1)(2)中，脈衝雷射振盪部係利用來自連續波雷射振盪部的光束的一部分作為激發光，使該脈衝雷射振盪部內的雷射結晶激發，而放射脈衝雷射光束。

(4)在上述(1)(2)(3)中，在脈衝雷射光束與連續波雷射光束的光路的途中設置聚光手段，使脈衝雷射光束與連續波雷射光束在發光管內聚光，並且以藉由脈衝雷射光束所形成的高能量狀態的區域、及藉由連續波雷射光束所形成的高能量狀態的區域在發光管內重疊的方式，在前述雷射光束的至少一方光路的途中設置光學手段。

在本發明中，可得以下效果。

(1)由：封入有發光元素的發光管；朝向該發光管放射脈衝雷射光束的脈衝雷射振盪部；及朝向該發光管放射連續波雷射光束的連續波雷射振盪部來構成光源裝置，因此可利用脈衝狀雷射光束來形成高溫電漿狀態，而以連續光束維持高溫電漿狀態，可抑制高溫電漿狀態被切斷，可使放電狀態安定。

此外，連續波雷射光束的亮度係以維持高溫電漿狀態所需強度即可，可使用較小功率的雷射振盪部，因此發光管未被加熱而可形成為長壽命。

此外，脈衝狀雷射光束由於峰值功率大，因此以平均輸出較小的雷射裝置即可形成高溫電漿狀態，此外，連續波雷射振盪部亦可使用較小輸出的振盪部，因此不會有裝置大型化的情形。

(2)構成為：來自脈衝雷射振盪部的光束的光路、及來自前述連續波雷射振盪部的光束的光路係至少在發光管內的全區域相重疊，因此可在發光管的內部使脈衝狀雷射光束與連續波雷射光束的高能量狀態的區域確實疊合。因此，可確實進行高溫電漿狀態的生成、及高溫電漿狀態的維持，抑制高溫電漿狀態被切斷，可安定放電。

(3)將脈衝雷射振盪部構成為：利用來自連續波雷射振盪部的光束的一部分作為激發光，使該脈衝雷射振盪部內的雷射結晶激發，而放射脈衝雷射光束，因此可使裝置構成簡單化。

此外，可使脈衝狀雷射光束與連續波雷射光束的光路確實疊合，可確實進行高溫電漿狀態的生成與高溫電漿狀態的維持。

(4)在脈衝雷射光束與連續波雷射光束的光路的途中設置聚光手段，使脈衝雷射光束與連續波雷射光束在發光管內聚光，並且在前述雷射光束的至少一方光路的途中設置光學手段，藉此可使藉由脈衝雷射光束所形成的高能量狀態的區域、及藉由連續波雷射光束所形成的高能量狀態的區域確實相重疊。

此外，藉由如上所述設置光學手段，即使脈衝雷射光束與連續波雷射光束的波長不同，亦可補正因該不同所造成的色像差，可使藉由脈衝雷射光束所形成的高能量狀態的區域、及藉由連續波雷射光束所形成的高能量狀態的區域確實相重疊。

第1圖係顯示將本發明之光源裝置應用於屬於其用途之一例的曝光裝置時之構成例圖，第2圖係顯示本發明之光源裝置之第1實施例的圖。

首先，藉由第1圖，說明具備有本發明之光源裝置的曝光裝置。

曝光裝置係具備有出射光的光源裝置10。該光源裝置10係使用第2圖加以詳述，因此在此簡單說明之。

光源裝置10係具備有：雷射振盪部2、將來自該雷射振盪部2的光聚光的聚光手段3、及被入射以該聚光手段3所被聚光的光的發光管1。在第1圖中係僅顯示一個雷射振盪部2，但是如後所述，雷射振盪部2係由輸出脈衝狀雷射光束的脈衝雷射振盪部、及輸出連續波雷射光束的連續波雷射振盪部所構成。

在從雷射振盪部2至聚光手段3的光束的光路上設有機械快門7與反射鏡8，藉由開閉快門7來控制光束的出射/不出射。

發光管1係被具有旋轉橢圓反射面的反射鏡11a大致包圍。在反射鏡11a係具有：入射來自雷射振盪部2之光的一方貫穿孔111、及出射通過發光管1之光的另一方貫穿孔112。

反射鏡11a與發光管1係被收納在燈罩11。

在燈罩11設有構成光源裝置10的聚光手段3。此外，在燈罩11亦設有將由聚光反射鏡11a的另一方貫穿孔112所出射的光進行聚光的聚光手段11b。

在燈罩11的外部係以入射來自聚光手段11b的光，使入射光衰減，而不會返回至燈罩內的方式配置有光束擋板12a。

在發光管1係入射來自雷射振盪部2的光束，激發發光管內部的發光氣體，而發生激發光。該激發光係在反射鏡11a被聚光，在第1圖中係朝向紙面下方出射，而到達分光鏡13。分光鏡13係反射曝光所需波長的光，使除此之外的光透過。在分光鏡13的背面配置有光束擋板12b，透過分光鏡13的光係在此聚光而作終端。

在分光鏡13所反射的光係藉由在聚光反射鏡11a的聚光而連結焦點，通過被配置在該焦點位置的濾光片14的光圈部14a。此時，光係成形為光圈部14a的形狀。

通過光圈部14a的光係一面擴展一面藉由被配置在前進途中的聚光手段15a予以聚光，而成為大致平行的光。

該光被入射至積分器透鏡16，藉由配置於出射側的聚光手段15b予以聚光。由積分器透鏡16的各單元透鏡所出射的光藉由聚光手段15b予以聚光，藉此以短距離重疊而達成照度均一化。

由聚光手段15b所出射的光係一面重疊，一面在反射鏡17予以反射而入射至準直透鏡18。由準直透鏡18所出射的光係形成為平行光，通過遮罩19而照射矽晶圓等被照射物W。如上所示，來自光源裝置的光係照射被照射物W來進行處理。

接著，使用第2圖，針對本發明之第1實施例之光源裝置加以說明。

其中，在以下說明之第1～4實施例中係顯示來自連續波雷射振盪部25的光束的光路與來自脈衝雷射振盪部21的光束的光路不同，最後在發光管1的內部疊合而予以聚光的情形。

屬於本發明第1實施例之第2圖所示之光源裝置係具備有：在內部被封入有發光氣體的發光管1、在該發光管1的內部連結焦點的繞射光學元件31(DOE：Diffractive Optical Element)、使脈衝狀光束入射至該繞射光學元件31的脈衝雷射振盪部21、及使連續波光束入射至該繞射型光學元件31的連續波雷射振盪部25。來自各雷射振盪部21、25的雷射光束的波長在該實施例中為相同。其中，以下將連續波光束亦稱為CW光束，連續波雷射振盪部亦稱為CW雷射振盪部。此外，脈衝狀光束亦稱為脈衝光束。

發光管1係由透過來自各雷射振盪部21、25的光束，而且透過發光元素的激發光的構件(例如石英玻璃)所構成。

發光管1的形狀若為可封入發光元素的形狀即可。但是，在將發光元素以高壓(大於大氣壓的氣壓)封入時，其內面形狀若為旋轉橢圓面或球面，由於在發光管1的內面大致均一施加壓力，因此在耐久性方面較為良好。

在發光管1的內部係被封入有發光元素，但是依其用途使用各種發光元素。例如，以曝光用光源而言，係使用水銀作為發光元素。此外，例如以投影機用的光源而言，係使用氙氣作為發光元素。

各雷射振盪部21、25係由未圖示的電源裝置被供電。

由脈衝雷射振盪部21係被輸出脈衝狀光束，由連續波雷射振盪部25則係被輸出連續波光束。該兩者係對繞射光學元件31(DOE)，以同一角度(該圖為平行)入射，因此在通過後在發光管1的內部相疊合而連結焦點。此時，在發光管1的內部，如第3圖(a)所示，脈衝狀光束與連續波光束相疊合。

被封入至發光管1內部的發光元素，為了形成高溫電漿狀態，必須要有較大能量。脈衝狀光束雖為斷續但可形成高能量，因此推測出藉由該光束而使發光元素形成為高溫電漿狀態。

在形成高溫電漿狀態後，維持該狀態所需能量係小於形成高溫電漿狀態時即可，而且必須被連續性供給。

連續的光束係在發光管1的內部，與入射脈衝狀光束的位置相疊合，而且，相對脈衝狀光束為較小能量(第3圖(a)的縱軸表示能量的相對值)並且呈連續，因此可維持高溫電漿狀態。

如上所示，脈衝雷射振盪部21係作為使高溫電漿狀態開始的點火源而發揮功能，連續波雷射振盪部25係作為將高溫電漿狀態加熱的加熱源而發揮功能。

如以上所示，本發明之光源裝置係具有以下(1)及(2)之特徵。

(1)使脈衝狀雷射光束與連續波雷射光束在發光管1的內部疊合。

(2)連續波雷射光束係小於脈衝狀雷射光束的強度(能量)。

藉此，在亮燈開始時，可藉由脈衝狀光束而形成高溫電漿狀態。此外，在形成有該高溫電漿狀態的位置，疊合強度小於脈衝狀光束的連續波光束，藉此抑制高溫電漿狀態被切斷，可安定維持高溫電漿狀態。

此外，連續波光束由於強度小於脈衝狀光束，因此被輸入至發光管內部的能量並不大，可抑制發光管被加熱而發生變形，藉此可使亮燈壽命長壽命化。

此外，連續波雷射振盪部係愈可形成高溫電漿狀態，愈不需要輸出較大能量，因此可使用在現狀中已被實用化的雷射裝置來實現。

其中，高溫電漿狀態係因形成高密度能量的區域而變得容易形成。因此，以在發光管的內部具有焦點的方式聚光為佳。

由於確認出連續波的雷射光束以小於脈衝狀光束的能量即可，因此備妥將氙封入10氣壓的發光管(石英玻璃)，使脈衝狀雷射光束(527nm)與連續波雷射光束(1070nm)利用光學手段(凸透鏡)聚光而在發光管的內部相疊合，而調查出發光管的發光。結果，確認出例如以下列輸入條件，發光管作連續發光。

‧脈衝狀雷射光束的輸入條件例

反覆頻率：1000Hz

能量：5mJoule/發射

脈衝寬幅：80ns

平均功率：5W

峰值功率：62.5kW

‧連續波雷射光束的輸入條件例

功率：200W

在上述例中，連續波雷射光束的功率係脈衝狀雷射光束的功率的0.03%程度。如上所示，連續波雷射光束的功率即使比脈衝雷射狀雷射光束的功率為非常小，亦可使發光管亮燈。

連續波雷射光束的功率小於脈衝雷射狀雷射光束的功率亦可的理由係如下所示。

發光管內係在亮燈開始時，藉由高能量被輸入至發光管內而形成高溫電漿狀態。在一度形成的高溫電漿係由外部被輸入能量，藉此使高溫電漿被激發而放射光。

但是，由外部被輸入高能量且脈衝狀的光束時，所形成的高溫電漿狀態會被生成因脈衝雷射所造成的電漿時的衝擊波所吹跑，變得無法在高溫電漿狀態輸入能量而使其激發。

如上所示，亮燈開始時所需能量係指用以形成高溫電漿狀態的能量，亮燈開始後所需能量係指使高溫電漿狀態激發的能量，若將兩者的至少所需能量相比較，使高溫電漿狀態激發的能量者確實為低即可。

因此，使高溫電漿狀態激發的連續波光束的功率與脈衝狀光束的功率相比，以0.03%般極低能量即為足夠。此外，若以所需以上輸入功率，會產生將發光管的壁部加熱而使其破損的習知技術的課題，因此連續波光束的功率係必須為如0.03%般的低能量。

如上所述，脈衝狀光束在亮燈開始時必定為所需，但是為了維持亮燈，若連續光束的能量充分，若持續長時間脈衝，亦會有相反地好不容易連續亮燈的高溫電漿因脈衝狀光束的衝擊波而切斷的情形。

因此，亮燈開始後，如第3圖(b)所示，考慮使脈衝狀光束的輸入消失為佳。

如以上所示，本發明之光源裝置係可維持高溫電漿狀態，且亮燈壽命為長壽命，因此具備有該光源裝置之例如第1圖所示之曝光裝置中，係可持續且長期間照射被照射物。

其中，本發明之光源裝置係亦可使用在作為第1圖中所示曝光裝置之光源的用途，若變更發光管內的發光元素，可將來自發光管的出射光變更為各種波長的光，亦可作為例如可見光光源的投影機(projector)用光源來加以使用。此係在以往已為人所知之在發光管的內部使一對電極相對向配置之被稱為所謂的燈(lamp)的光源雖在各種用途下被加以使用，但是本發明之光源裝置係可作為該燈的替代手段來加以使用，可用在與燈相同的各種用途。

以下顯示上述第1實施例中的數值例及構件例。

‧發光管的構件：石英玻璃

‧發光管的外徑：30mm

‧發光管的內徑：26mm

‧封入發光管內的發光元素：氙

‧氙氣的封入壓或封入量：10氣壓

‧脈衝雷射振盪部的雷射結晶：YAG結晶

‧連續波雷射振盪部的雷射結晶：YAG結晶

‧對脈衝雷射振盪部的輸入電力的條件：

‧來自脈衝雷射振盪部之光束的波長：1064nm

‧來自連續波雷射振盪部之光束的波長：1064nm

‧來自脈衝雷射振盪部之光束的輸出：1～100mJ

脈衝的反覆頻率：0.01～10kHz

‧來自連續波雷射振盪部之光束的輸出：20～10kW

其中，在本發明中，係使脈衝狀光束與連續的光束在發光管的內部相疊合。藉由脈衝狀光束而在發光管的內部所發生的高溫電漿狀態係藉由光束的能量密度為將發光元素作電離的臨限值以上，而且所被電離的發光元素為高密度所產生。

因此，藉由聚光用光學系零件來將光束聚光，藉此提高光束的能量密度，形成為將發光元素作電離的臨限值以上。

此時，脈衝狀光束係其能量密度大於連續光束的能量密度，因此使發光元素作電離的臨限值以上的區域(高能量狀態的區域)比連續的光束更長且大。因此，如第4圖所示，連續波的雷射光束(CW光束)係以被照射在藉由脈衝狀光束而變長的臨限值以上的區域的中心附近為宜，藉此，良好進行高溫電漿狀態的持續，而可使亮燈性更為良好。

接著，使用第5圖，說明本發明之第2實施例。

第5圖所示之光源裝置係取代前述第2圖所示之DOE31而使用凸透鏡者，由：在內部被封入有發光氣體的發光管1、及在該發光管1的內部以脈衝狀光束與連續波光束連結焦點的方式作配置的凸透鏡32所構成。其中，在第5圖中，作為「CW或脈衝」、「脈衝或CW」所示光束意指連續波雷射光束或脈衝狀雷射光束之任一者，一方光束為連續波雷射光束時，另一方即為脈衝狀雷射光束(以下實施例亦同)。

若為可在發光管的內部將焦點連結的光學手段，如上所述亦可使用凸透鏡32，此時，各光束係對凸透鏡32以同一角度入射。

在本實施例中，亦與第1實施例的光源裝置同樣地可安定維持高溫電漿狀態，此外，連續波光束由於強度小於脈衝狀光束，因此可抑制發光管被加熱而產生變形的情形，藉此，可使亮燈壽命長壽命化。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀已被實用化的雷射裝置來實現。

使用第6圖，說明本發明之第3實施例。

第6圖所示者係取代第2圖或第5圖所示DOE31、凸透鏡32，而配置包圍發光管1而且在發光管1的內部連結焦點的位置的拋物面鏡33者。

此時，來自脈衝雷射振盪部的脈衝狀光束的光路(光軸)與來自連續波雷射振盪部的連續波光束的光路(光軸)係彼此平行而入射至拋物面鏡33的反射面。此時，反射至反射面的光束係以朝向發光管的內部連結焦點的方式被聚光。

在本實施例中亦與上述實施例的光源裝置同樣地，可安定維持高溫電漿狀態，此外，連續波光束係強度小於脈衝狀光束，因此可抑制發光管被加熱而產生變形的情形，藉此，可使亮燈壽命長壽命化。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀已被實用化的雷射裝置來實現。

使用第7圖，說明本發明之第4實施例。

第7圖所示者係取代第6圖所示拋物面鏡33，而以包圍發光管1的方式配置橢圓鏡34者。

該橢圓鏡34係以其第1焦點位於發光管1的內部，第2焦點位於發光管1的外部的方式作配置。

各雷射振盪部係以各光束通過第2焦點的方式作配置。在各光束的光路上係配置有在第2焦點聚光的聚光手段3(凸透鏡或DOE)。

各光束係在橢圓鏡34的第2焦點被聚光而反射至橢圓鏡34的反射面。在第2焦點所聚光的光係在第1焦點亦被聚光，因此在發光管1的內部係各光束以連結焦點的方式被聚光。

在本實施例中亦與上述實施例的光源裝置同樣地，可安定維持高溫電漿狀態，此外，可使亮燈壽命長壽命。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀中已被實用化的雷射裝置來加以實現。

在上述第1～4實施例中，各光束在不同的光路前進，最後在發光管的內部相重疊。如上所示在不同的光路前進而在所希望位置相疊合在技術上極為困難。例如，以聚光在發光管內之相同位置的方式，設定光束的光路，即使配置光學手段，亦當例如溫度上升等環境改變時，會有折射率等改變而使聚光位置偏移的可能性。

以下說明的第5～9實施例係以在至少發光管內的全區域，各光束的光路相重疊的方式所構成者。藉由構成為如上所示，例如即使溫度上升、折射率等改變，亦不會有脈衝狀光束與連續波光束的聚光位置大幅偏移的情形。

使用第8圖，說明第5實施例。

第8圖所示之例係使用分光鏡4而使脈衝狀光束與連續波光束的光路相重疊，以利用聚光手段3(凸透鏡或DOE)使其聚光的方式所構成者，其他構成係與第2圖所示者相同。

在第8圖中，脈衝狀光束與連續波光束的波長不同，因此入射至分光鏡4的光束的其中一方被反射，另一方被透過。

利用此，在本實施例中係在分光鏡4至發光管1之間，使各光束的光路相疊合。

例如，一方光束(以粗線表示)係波長1064nm，另一方光束(以實線表示)係波長532nm。

分光鏡4雖反射532nm的光，但是會透過1064nm的光，藉此可在被分光鏡4所反射的532nm的光束的光路疊合所透過的1064nm的光束。亦即，可使光路位於同軸上。

其中，高溫電漿狀態係藉由形成高密度能量，而容易形成。因此，如第8圖所示，以在發光管1的內部具有焦點的方式利用聚光手段3(凸透鏡或DOE)進行聚光為佳。

如上所示，藉由在至發光管1的路徑使各光束的光路相疊合，即使在發光管的內部，亦可使兩者疊合，藉此，可在發光管的內部使各光束的高能量狀態的區域確實疊合。因此，可確實進行高溫電漿狀態的生成、及高溫電漿狀態的維持，可安定放電。

此外，與前述實施例的光源裝置同樣地，連續波雷射光束的功率小即可，因此可抑制發光管被加熱而產生變形的情形、可使亮燈壽命長壽命化。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀已被實用化的雷射裝置來實現。

使用第9圖，說明第6實施例。

在第9圖中，取代第8圖所示之分光鏡而配置偏光反射鏡5者，其他構成與第8圖相同。

偏光反射鏡5係藉由同一波長中的偏光光(P偏光與S偏光)進行反射/透過者，利用此，各光束的光路可在偏光反射鏡5至發光管1之間相疊合。

例如，一方光束(以粗線表示)係波長1064nm的P偏光光，另一方光束(以實線表示)亦為波長1064nm，但是為S偏光光，偏光反射鏡5在1064nm的光中使P偏光透過，而使S偏光反射。

藉此，可使所透過的P偏光的光束疊合在藉由偏光反射鏡5所反射的S偏光的光束的光路。亦即，可使光路位於同軸上。

如上所示，藉由在至發光管1的路徑使各光束的光路相疊合，與第5實施例同樣地，可在發光管的內部使各光束的高能量狀態的區域確實疊合，可確實進行高溫電漿狀態的生成、及高溫電漿狀態的維持。

此外，與前述實施例的光源裝置同樣地，連續波雷射光束的功率小即可，因此可抑制發光管被加熱而產生變形的情形，可使亮燈壽命長壽命化。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀已被實用化的雷射裝置來實現。

接著，針對利用來自連續波雷射振盪部的光束的一部分作為脈衝雷射振盪部之火種的本發明之第7～9實施例加以說明。

第10圖係顯示本發明之第7實施例的圖。

第10圖係將脈衝雷射振盪部22配置在來自連續波雷射振盪器(未圖示)的光束的光路上者，其他構成係與前述實施例同樣。

在本實施例中，脈衝雷射振盪部22係利用來自連續波雷射振盪部的連續波光束(CW光束)的一部分作為激發光，使脈衝雷射振盪部22內的雷射結晶激發。

亦即，如第10圖所示，在由未圖示之連續波雷射振盪部所出射的CW光束的路徑中配置脈衝雷射振盪部22。脈衝雷射振盪部22係將CW光束作為激發光來進行動作而輸出脈衝狀光束。該脈衝狀光束係與上述CW光束的光路相疊合，透過聚光手段3(凸透鏡、DOE等)而在發光管1內聚光。

藉由構成為如上所示，來自脈衝雷射振盪部22的光束的光路係與連續波雷射的光束的光路相疊合，在發光管1的內部亦相疊合。在本實施例中，由於在至發光管1的路徑使各光束的光路相疊合，因此與前述實施例同樣地，可在發光管的內部使各光束的高能量狀態的區域確實疊合，可確實進行高溫電漿狀態的生成、及高溫電漿狀態的維持。

此外，脈衝雷射振盪部22在激發光利用來自連續波雷射的光束，因此可省略第1～6實施例所示之脈衝雷射振盪部用的雷射振盪部分的一部分，可使裝置全體形成為簡便的構造，而使光源裝置全體小型化。

第11圖係顯示本發明之第8實施例的圖，與上述第7實施例同樣地，顯示將CW雷射作為激發光而使脈衝雷射振盪部進行振盪的構成例。

如第11圖所示，使由未圖示之連續波雷射振盪部所出射的CW光束的一部分在部分反射反射鏡23a反射而入射至脈衝雷射振盪部23。脈衝雷射振盪部23係將CW光束作為激發光來進行動作而輸出脈衝狀光束。該脈衝狀光束係入射至分光鏡4而與上述CW光束的光路相疊合，透過聚光手段3(凸透鏡、DOE等)而在發光管1內聚光。

在此，連續波雷射光束的波長為808nm、脈衝雷射光束的波長為1064nm，針對上述脈衝雷射振盪部23中的動作加以說明。

部分反射反射鏡23a係將波長808nm的光束的一部分反射而透過剩餘的部分。

該部分反射的光束係在聚光透鏡23b被聚光而入射至全反射反射鏡23c。

全反射反射鏡23c係將由背面所入射的光束透過，將由正面所入射的光束反射。因此，以聚光透鏡23b所聚光的光束係由全反射反射鏡23c的背面側入射而透過，且照射在雷射結晶23d。在雷射結晶23d係使用例如YAG結晶或Nd玻璃，在雷射結晶23d被透過波長808nm的光，藉此而被激發。

在Q開關23e呈關閉的狀態下，雷射結晶23d係藉由被連續照射光束而被激發，而蓄積能量。

若形成為所希望能量，即打開Q開關23e，使來自雷射結晶23d的激發光在出射反射鏡23f反射，使得在全反射反射鏡23c與出射反射鏡23f之間發生共振。藉此，波長1064nm的脈衝狀雷射光束會透過出射反射鏡23f，且經由反射鏡23g、23h而入射至分光鏡4。

分光鏡4係將波長1064nm的光束反射，使波長808nm的光束透過，因此上述1064nm的脈衝狀光束係與808nm的連續波光束相疊合。該光束係被聚光手段3所聚光，而朝向發光管1的內部。上述脈衝狀雷射光束的脈衝寬幅、周期係依上述Q開關23e的開口時間而決定。

其中，在第11圖中以虛線表示的光學手段6係用以抑制因脈衝狀光束與CW光束的波長不同所產生的色像差者，關於色像差的抑制容後詳述。

在本實施例中亦可得與前述第7實施例同樣的效果，可確實進行高溫電漿狀態的生成、及高溫電漿狀態的維持，此外，連續波雷射光束的功率小即可，因此可抑制發光管被加熱而產生變形的情形，可使亮燈壽命長壽命化。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀已被實用化的雷射裝置來實現。

此外，脈衝雷射振盪部23係在激發光利用來自連續波雷射的光束，因此可省略第1～6實施例所示脈衝雷射振盪部中之火種用的雷射振盪部分，可使裝置全體形成為簡便的構造，可使光源裝置全體小型化。

第12圖係顯示本發明之第9實施例的圖，與上述第7實施例同樣地，顯示將CW雷射作為激發光而使脈衝雷射振盪部作振盪的構成例。

如第12圖所示，使由未圖示之連續波雷射振盪部所出射的CW光束的一部分以部分反射反射鏡及分光鏡24d反射而入射至脈衝雷射振盪部24。脈衝雷射振盪部24係將CW光束作為激發光來進行動作而輸出脈衝狀光束。該脈衝狀光束係與上述CW光束的光路相疊合，透過聚光手段3(凸透鏡、DOE等)而在發光管1內聚光。

在此，將連續波雷射的光束的波長設為808nm、脈衝雷射的光束的波長設為1064nm，而針對脈衝雷射振盪部24中的動作加以說明。

分光鏡4係如前所述，某波長係反射，其他波長則透過。在此，將波長1064nm的光束反射，而將波長808nm的光束透過。

此外，設在脈衝雷射振盪部24之輸出側的部分反射反射鏡及分光鏡24d係將某波長的一部分反射，其他波長則透過。在此，設為將1064nm的光束的一部分反射，將808nm的光透過者。

雷射結晶24c係使用例如YAG結晶或Nd玻璃，藉由1064nm的光束被透過而吸收其一部分而進行激發、振盪。

在作為Q開關而發揮功能的EO開關24a呈關閉的狀態下，雷射結晶24c係連續性被照射光束而激發而蓄積能量。

若形成為所希望能量，即打開EO開關24a，使來自雷射結晶24c的激發光在全反射反射鏡24b反射，使得在部分反射反射鏡及分光鏡24d之間發生共振。藉此，波長1064nm的脈衝狀雷射光束會一部分透過部分反射反射鏡及分光鏡24d，而與連續波光束相疊合。該脈衝狀光束與連續波光束係透過聚光手段3而朝向發光管1的內部。上述脈衝狀雷射光束的脈衝寬幅、周期係依上述EO開關24a的開口時間而決定。

其中，在第12圖中以虛線表示之光學手段6係用以抑制因脈衝狀光束與CW光束的波長不同所產生的色像差者，關於色像差的抑制容後詳述。

在本實施例中亦可得與前述第8實施例同樣的效果，可確實進行高溫電漿狀態的生成、及高溫電漿狀態的維持，此外，連續波雷射光束的功率小即可，因此可抑制發光管被加熱而產生變形的情形，可使亮燈壽命長壽命化。此外，以連續波雷射振盪部而言，可使用在現狀已被實用化的雷射裝置來實現。

此外，脈衝雷射振盪部22係在激發光利用來自連續波雷射的光束，因此可省略第1～6實施例所示脈衝雷射振盪部中之火種用的雷射振盪部分，而可使裝置全體形成為簡便的構造。

如前所述，為了在發光管1的內部形成高溫電漿狀態，以形成高密度的能量為佳，因此，考慮藉由聚光手段3以在發光管1的內部具有焦點的方式進行聚光。

若使用凸透鏡等作為聚光手段3，各光束的波長為相同的波長時係在同一位置連結焦點，但是當各光束的波長為不同的波長時，則如第13圖之實線與虛線所示，產生在不同位置連結焦點的色像差。

若產生該色像差，會產生連續波光束的焦點不會進入到以脈衝狀光束所形成的高溫電漿狀態的區域的情形，而會有無法以連續的光束維持高溫電漿狀態的情形。

關於抑制該色像差的手段，以下在第10及第11實施例中加以說明。

關於第10實施例，使用第14圖說明之。

第14圖係在前述第5圖所示之第2實施例中，若脈衝狀光束與連續波光束的波長不同，個別配置用以抑制色像差的光學手段6a、6b者，其他構成係與第5圖所示者相同。

在第14圖中係在至各光束的兩者相疊合的光路上，分別設置光學手段6a、6b者，該光學手段的功能或其位置係可形成為以下(1)～(3)之任一者。

(1)如第15圖(a)所示，在脈衝狀雷射光束的光路途中設置一方光學手段6a，將具有不同於該一方光學手段之焦點距離的另一方光學手段6b設置在連續波雷射振盪部的光路途中，使由一方光學手段6a至各光束的重疊位置的距離、與由該另一方光學手段6b至各光束的重疊位置的距離為相同。

(2)如第15圖(b)所示，在脈衝雷射振盪部的光路途中設置一方光學手段6a，將具有不同於該一方光學手段6a之焦點距離的另一方光學手段6b設置在連續波雷射振盪部的光路途中，使由該一方光學手段6a至各光束的重疊位置的距離、與由該另一方光學手段6b至各光束的重疊位置的距離為不同。

(3)如第15圖(c)所示，在脈衝雷射振盪部的光路途中設置一方光學手段6a，將具有與該一方光學手段6a為相同的焦點距離的另一方光學手段6b設置在連續波雷射振盪部的光路途中，使由該一方光學手段6a至各光束的重疊位置的距離、與由該另一方光學手段6b至各光束的重疊位置的距離為不同。

在各光束的光路上個別設置使各光束的色像差消失的光學手段，藉由構成為如上述(1)～(3)所示，可抑制因各光束的波長的不同所造成的色像差，可良好維持高溫電漿狀態。

(1)的情形，藉由光學手段的焦點距離f1與f2的不同來抑制色像差。

(2)的情形，以光學手段的焦點距離f1與f2的不同、及各光學手段與至重疊位置為止的距離來抑制色像差。

(3)的情形，以各光學手段與至重疊位置為止的距離來抑制色像差。

其中，第15圖係模式圖，實際上通過光學手段6a與6b的各光束係至入射至凸透鏡32等聚光手段為止，光軸為相一致。

關於第11實施例，使用第16圖說明之。

第16圖係在前述第8圖所示之第5實施例中，當脈衝狀光束與連續波光束的波長不同時，為了抑制色像差，將消除各光束之色像差的光學手段6設置在至少一方的光路上者，其他構成係與第8圖所示者相同。

第16圖所示者係使用分光鏡4而使脈衝狀光束與連續波光束的光路相重疊，而以聚光手段3予以聚光的方式所構成者，但是將用以抑制因脈衝狀光束與連續波光束的波長不同所產生的色像差的光學手段6配置在分光鏡4的入射側。

在本實施例中，亦藉由適當選定光學手段6的焦點距離或位置，可抑制色像差。

其中，色像差的問題係會發生在不同波長的各光束以屬用共通聚光手段的凸透鏡等予以聚光時，因此有在前述第5圖、第8圖～第12圖中產生的可能性。因此，第10及11實施例中所說明的技術係可使用在第5圖、第8圖～第12圖。

在第8圖～第10圖中，至各光束的光路相疊合為止藉由設置上述光學手段，可抑制色像差。此外，在第11圖中係在該圖中以虛線所示位置配置光學手段6a、及/或光學手段6b，此外，第12圖中係在以該圖中的虛線所示位置配置光學手段6，藉此可抑制色像差。

其中，在此係顯示凸透鏡作為抑制色像差的光學手段，但是若為改變焦點距離者，則亦可使用其他光零件，例如亦可使用凹透鏡或DOE。

上述色像差係發生在當脈衝狀雷射光束與連續波的雷射光束的波長不同時，但是若波長的差較小時，並不一定要設置抑制色像差的手段，如以下說明所示，以當大概波長有2倍以上的差異時，設置補正色像差的手段為宜。

例如焦點距離f=100mm時在熔融石英的焦點位置的差係依波長如以下所示。

若連續波的雷射光束的波長為1064nm，聚光點的位置為114.5mm，脈衝狀雷射光束的波長為532nm下的聚光點的位置為111.8mm，此時，兩者的焦點位置的差為2.7mm。

高溫電漿的區域極小，成為例如直徑0.5mm的區域，焦點位置如上所述分離有2.7mm之多時，無法供給使高溫電漿激發的能量，而無法進行定常亮燈。

尤其藉由脈衝雷射所得之高溫電漿由於脈衝能量大，因此容易形成在比焦點更接近眼前側，而位置在眼前更加偏移。因此，如上所述波長為2倍之不同的情形，係必須要有補正色像差的聚光手段。

其中，依光學手段的材質，焦點位置的差會改變，另外高溫電漿狀態的區域亦會有依所被輸入的能量而其範圍在0.5mm以外的情形，上述係顯示一例者，並非侷限於此。

但是，如前所述為了在發光管1的內部形成高溫電漿狀態，以形成高密度能量狀態的區域為佳，因此，考慮藉由聚光手段3而以在發光管1的內部具有焦點的方式聚光。

但是，雷射光束的能量密度為將發光元素作電離的臨限值以上時形成高溫電漿狀態，因此形成高溫電漿狀態的位置並非侷限於在雷射光束的聚光點。亦即，當雷射光束的能量較大時，係在到達聚光點之前，能量密度會超過臨限值，此時係在聚光點的眼前形成電漿狀態。

藉由第17圖，針對脈衝狀光束的功率大於連續波光束的功率，藉由脈衝狀光束而在聚光點的眼前側形成有高溫電漿狀態的情形加以說明。

如第17圖(a)所示，若使用凸透鏡等作為聚光手段3時，當各光束的波長為相同的波長時係在同一位置連結焦點。

在此，若脈衝狀光束的功率較大，在如第17圖(a)所示藉由聚光手段3被聚光的途中，能量密度會變高而開始形成高溫電漿狀態。但是，隨著愈接近焦點，脈衝狀光束的功率愈被使用在高溫電漿形成，在到達焦點時，其功率幾乎會用盡。亦即，藉由脈衝狀光束而形成高溫電漿狀態A的位置係如同圖所示在聚光點的眼前。

另一方面，連續波光束由於功率小，因此藉由聚光手段3予以聚光，藉此在焦點位置(同圖的B)形成維持高溫電漿狀態的能量密度。

如此一來，如第17圖(a)所示，脈衝狀光束形成高溫電漿狀態的區域A(高能量狀態的區域)、及連續波光束維持高溫電漿狀態的區域B(高能量狀態的區域)不同，而會有無法以連續波光束維持高溫電漿狀態的情形。

以調整該兩區域之位置的位置調整手段而言，係可使用利用抑制色像差的手段所說明的光學手段6。

例如，前述第16圖所示，將光學手段6設在至少一方光路上。若如上所示配置光學手段6，入射至發光管1的光束係如第17圖(b)所示，連續波光束藉由光學手段6被聚光，入射至聚光手段3而另外予以聚光。藉此，連續波光束維持高溫電漿狀態的區域B’被聚光在脈衝狀光束形成高溫電漿狀態的區域A’，兩者相疊合，可維持高溫電漿狀態。

亦即，如第17圖(c)所示，脈衝狀光束的能量密度(同圖的實線)超過形成高溫電漿狀態的臨限值(同圖的一點鏈線)的區域、及連續波光束的能量密度(同圖的虛線)超過形成高溫電漿狀態的臨限值(同圖的二點鏈線)的區域相重疊，確實維持高溫電漿狀態。

其中，在上述中係針對使波長為相同的光束以相同聚光手段聚光的情形加以說明，但是即使在波長為不同的情形下，加上色像差的問題、及形成高溫電漿狀態的區域與維持高溫電漿狀態的區域為不同的問題，會有產生無法維持高溫電漿狀態的問題的情形。

因此，在使波長為不同的光束以相同光學手段聚光時，上述解決手段亦可有效發揮功能。

1．．．發光管

2．．．雷射振盪部

3．．．聚光手段

4．．．分光鏡

5．．．偏光反射鏡

6、6a、6b．．．光學手段(色像差抑制用)

7．．．機械快門

8．．．反射鏡

10．．．光源裝置

11．．．燈罩

11a．．．反射鏡(旋轉橢圓的反射面)

11b．．．聚光手段

12a、12b．．．光束擋板

13．．．分光鏡

14．．．濾光片

14a．．．光圈部

15a、15b．．．聚光手段

16．．．積分器透鏡

17．．．反射鏡

18．．．準直透鏡

19．．．遮罩

21、22、23、24．．．脈衝雷射振盪部

23a．．．部分反射反射鏡

23b．．．聚光透鏡

23c．．．全反射反射鏡

23d．．．雷射結晶

23e．．．Q開關

23f．．．出射反射鏡

23g、23h．．．反射鏡

24a．．．EO開關

24b．．．全反射反射鏡

24c‧‧‧雷射結晶

24d‧‧‧部分反射反射鏡及分光鏡

25‧‧‧連續波雷射振盪部

31‧‧‧繞射光學元件(DOE)

32‧‧‧凸透鏡

33‧‧‧拋物面鏡

34‧‧‧橢圓鏡

111、112‧‧‧貫穿孔

W‧‧‧被照射物

第1圖係顯示將本發明之光源裝置應用在曝光裝置時之構成例圖。

第2圖係顯示本發明之光源裝置之第1實施例的圖。

第3圖係顯示發光管內部中之脈衝狀光束與連續波光束的模式圖。

第4圖係說明發光管內部中之連續波光束與脈衝狀光束之狀態圖。

第5圖係顯示本發明之光源裝置之第2實施例的圖。

第6圖係顯示本發明之光源裝置之第3實施例的圖。

第7圖係顯示本發明之光源裝置之第4實施例的圖。

第8圖係顯示本發明之光源裝置之第5實施例的圖。

第9圖係顯示本發明之光源裝置之第6實施例的圖。

第10圖係顯示本發明之光源裝置之第7實施例的圖。

第11圖係顯示本發明之光源裝置之第8實施例的圖。

第12圖係顯示本發明之光源裝置之第9實施例的圖。

第13圖係說明色像差的圖。

第14圖係顯示本發明之光源裝置之第10實施例的圖。

第15圖係顯示用以抑制色像差之光學手段之配置例圖。

第16圖係顯示本發明之光源裝置之第11實施例的圖。

第17圖係說明藉由脈衝狀光束在聚光點的眼前側形成有高溫電漿狀態時的圖。

第18圖係顯示脈衝狀雷射光束、連續波雷射光束的模式圖。

1．．．發光管

21．．．脈衝雷射振盪部

25．．．連續波雷射振盪部

31．．．繞射光學元件(DOE)

Claims

一種光源裝置，其特徵係具備有：封入有發光元素的發光管；朝向該發光管放射脈衝雷射光束的脈衝雷射振盪部；及朝向該發光管放射連續波雷射光束的連續波雷射振盪部，脈衝雷射光束的峰值功率大於連續波雷射光束功率，前述脈衝雷射振盪部係僅在開始動作時使脈衝雷射光束出射，在形成高溫電漿後，僅有來自前述連續波雷射振盪部的連續波雷射光束被出射，前述脈衝雷射振盪部並不出射雷射。
如申請專利範圍第1項之光源裝置，其中，來自前述脈衝雷射振盪部的光束的光路、及來自前述連續波雷射振盪部的光束的光路係在前述發光管內的全區域相重疊。
如申請專利範圍第1項或第2項之光源裝置，其中，前述脈衝雷射振盪部係利用來自前述連續波雷射振盪部的光束的一部分作為激發光，使該脈衝雷射振盪部內的雷射結晶激發，而放射脈衝雷射光束者。
如申請專利範圍第1項或第2項之光源裝置，其中，在脈衝雷射光束與連續波雷射光束的光路的途中設置聚光手段，使脈衝雷射光束與連續波雷射光束在發光管內聚光，以藉由脈衝雷射光束所形成的高能量狀態的區域、及藉由連續波雷射光束所形成的高能量狀態的區域在發光管內重疊的方式，在前述雷射光束的至少一方光路的途中設置光學手段。