WO1989003132A1 - Laser device - Google Patents

Description

明 細 書

発明の名称

レ一ザ装置

技術分野

こ の発明は、 波長を安定化した レーザ装置に関する も のであ る 。

背景技術 '

第 1 図は例えば 「 Applied Optics」 ， July 1974， vol.

13 , Να 7 の第 1625頁〜第 1628頁に記載されている従 来の波長チ ュ ーニ ン グレーザ装置を示す模式図であ る 。 図において 、 （1)は レーザ発振器で 、 この場合、 色素レ ー ザであ る。 （2)は部分反射鏡、 （3)はギ ヤ'ッ プを有する構造 の フ ア ブ リ ー ペ 口 一エ タ ロ ン （ 以下 F P と 略する ） 、 （4) は F Ρ (3)を.ガス で密封する密封容器、 （5)は レーザ光、 （6) は密封容器（4)内のガス圧を測定する圧力計、 （7)はガス ボ ンべ 、 （7) (8)は ノぺ、ル ブ、 （9)は グ レ ー テ ィ ン グで あ る 。

次に動作について説明する 。 レーザ発振器（1)か ら 出た レーザ ビー ム の波長は発振器中にあ る各種の素子によ り 選択さ れてい る 。 こ の従来例では共振器内に グレ ーテ ィ ング（9) ， F Ρ (3)の分光素子を入れる こ と によ り 波長幅'を 狭 く してい る 。 しか も それ ら の分光素子を調整する こ と によ り その波長を も と も と あ つ た発振波長幅内の任意の 波長に設定する こ と がで き る 。

こ の従来例 にお いて は 、 グ レ ー テ ィ ン グ（9)の傾 き 角 を 変え る こ と に よ り 、 また密封容器 (4)内のガス圧を変化さ せて F P (3)のギヤ ッ プ間におけ る ガスの屈折率を変え る こ と によ り 、 波長の選択を行な っ ている。 グレーテ ィ ン グ（9)の傾き角の変化によ り 波長の粗調整がで き 、 F P (3) のギヤ ッ プ間のガス圧調整によ り 波長の微調整がで き る。 ガ 圧の調整は圧力計（6)で圧力 を測定し、 バルブ（7) (8)の 開:閉によ り 行な う 。 ·

従来の レーザ装置は以上のよ う に構成さ れている ので、 波長チ ュ ー ニ ン グを精度良く 、 例えば ± 0. 0 0 l n m の精 度で行な う ためには、 例えばフ ルス ケールの 0. 1 %以下 の精度を も つ圧力計が必要になる とい う 問題点があ つ た。 発明の開示

この発明に係る レーザ装置は、 エタ ロ ンをガス で密封 し、 レ 一ザ光をモ ニ タ ー し た フ ィ 一 ドバッ ク信号でガス 圧を変化さ せ、 波長チ ュ ーニ ン グ及び波長安定化を行な える よ う に した も のであ る 。

図面の簡単な説明

第 1 図は従来の装置を示す模式図、 第 2 図は こ の発明 に よ る レーザ装置の一実施例を示す構成図、 第 3 図は撮 像-素:子 β2)上の フ リ ンジの強度分布を示す図、 第 4 図は こ の発明の他の実施例を示す構成図、 第 5 図は さ ら に別の 実施例を示す構成図であ る 。

発明 を実施する為の最良の形態

以下、 こ の発明の一実施例を図について説明する 。 第 2 図において 、 は）〜（4)は従来と 同様であ るが、 波長チ ュ

— ニ ング用の フ ア ブ リ 一ペ ロ ーエ タ ロ ン （ 以下 F P と 略 す ） （3)は密封容器（4)内に収容さ れている。 （10)は F P (4)を 介して部分反射鏡（2)と 対向して配置 さ れた全反射鏡、 （11) は密封容器（4)に連結されたべ 口 ーズか ら な る容積伸縮手 段、 （ι は容積伸縮手段 (11)の駆動機構、 （13)は レ ーザ発振器 (1)、 全反射鏡 (10)、 部分反射鏡 <2)、 F P (3)によ り 発振した レ ーザ光、 （1 は レーザ光 (13)の 一部を取 り 出すた め の ビー ム取 り 出 し ミ ラ ー、 （15)は ビーム取 り 出 し ミ ラ ー (1 力 > ら取 り 出 された レーザ光を分光する波長モニ タ 一機構であ る < 波長モ ニ タ 1 機構 (15)は レ 1 ザ光 (13)のみを透過さ せる干渉 フ ィ ル タ ー（16)、 光強度調節用 フ ィ ル タ ー（17) 、 レ ーザ光（13) を拡散さ せる イ ンテ グレ 一 タ （IS)、 ギ ャ ッ プを有する構造 のモ ニ タ ー用の F P (19)、 F P (19)を密封した密封容器 (20)及 び レ ン ズ (21)力 ら構成さ れている。 （22)は F P (19]によ り 生じ た フ リ ン ジ を観測する ための撮像素子で、 例えば一次元 の イ メ ージセ ン サ ーであ る。 （23)は（16)〜 (22)を収容して外部 の光をし や へいした光し や へい箱で、 干渉フ ィ ルタ （16)カ' ビーム取出 し ミ ラ 一 Mか ら の レ ーザ光が入射で き る よ う に配置さ れてい る 。 （24)は F P (19)の温度を一定に保つ温度 調節手段 、 （26) は フ リ ン ジ を解析する画像処理手段で、 駆 動機構 (I²)へ出力する 。

次に動作につい て説明する 。 レ ーザ発振器（1)か ら 出た レ ーザ ビー ム の.波長は発振器中にあ る各種の素子に よ り 選択されてい る。 例えば、 エキ シマ レーザでは本来の発 振波長の幅は数オ ン グス ト ロ ー ムあ る のだが、 共振器内 に プ リ ズム ， グレ一テ ィ ン グ ， F P等の分光素子を入れ る こ と によ り 波長幅が狭く な る。 しか も それ ら の分光素 子を調整する こ と によ り 、 その波長を も と も と あ った発 振波長幅内の任意の波長に設定する こ とがで き る 。

さ て、 そ う して得 られた-レ '一ザ ビー ム（13)の一部を波長 モ ニ タ ー機構 (15) に導く 。 波長モ ニ タ ー機構 (15)は波長を決 定するために F P (19) を用いている 。

. 上記実施例では光が F P (19) を透過した際に表われる円 形の フ リ ン ジを利用する。 フ リ ン ジの直径は e と関係し てお り 、 e を求め る こ と によ り 先に示したは）式か ら波長 ' ス m を決定する。 F P は高い平面度を持つ 2枚の ミ ラ ー をギャ ッ プ d を持 って向い合わせた も ので、 ミ ラ ー面に の角度で透過する光の中心波長は

, 2 nd co s

^{A m} = ≡ … ） で表わせる特定の波長にな る。 n はギ ャ ッ プ間の屈折率、 mは整数であ る。 分解能の高い F P を用いればレーザの 発振波長分布の内 ス m の強度がわかる こ と にな る。 一般 に レーザ ビームはあ る発散角 を持つか ら 、 その う ち上の 式を満たす ビ一ム成分のみが F P を透過し、 ビーム の光 軸を中心と して同軸状のフ リ ン ジ （ リ ン グ状干渉縞 ） を 形成する。 波長モ ニ タ ー機構 (15)は レーザ ビー ム を弱めた り 、 拡散 さ せた り する ィ ン テ グ レ ー タ （is) と F P α9) と レ ン ズ (21) と か ら な ってい る 。 イ ンテ グレ ータ（is)によ り 生じた発散成分 の う ち先の式を満たす θ を持つ光のみが F P (19)を透過し レ ン ズ (21)にいた る。 レ ン ズの焦点距離を ί と すれば Θ 成分を持つ光は焦点位置におい て レ ン ズの軸よ り f 離 れた と こ ろ に集ま る。 そ こ で'、 撮像素子 (22)によ り 光の集 ま る位置を観測すれば が求ま り 、 ス が計算で き る と い う わけであ る 。

と こ ろ で 、 撮像素子 (22)上の光の強度分布は第 3 図のよ う にな つ てい る。 縦軸は出力、 横軸はフ リ ン ジ の中心か ら の距離 X を示す。 各山は F P の次数 mの違いに対応し てい る。 そ して、 各山の間隔は 自 由ス ぺ ク トル領域と 呼 ばれ、 こ の範囲で波長を一意的に決め る こ と がで き る 。 し力 > も 自 由スぺ ク ト ル領域は F P の設計によ り 決め る こ と がで き る の で波長シ フ ト が予想さ れる値よ り も 広め に 曰十し飞 お く 。

また、 各山は レーザ ビーム の波長分布に対応した光強 度分布を持つか ら 、 これを処理して を出すために画像 処理手段 (25)が必要 と な る。 さ ら に 、 こ こ では現在の波長 を計算し 、 その結果に応じて駆動機構 (12)によ り 容積伸 縮手段 (11)を作動さ せて密封容器 (4)内の圧力 を調整する こ と によ つ て発振器の波長の調整を行な う 。

上記実施例では、 波長モ ニ タ 一機構と して F P の フ リ ン ジ を撮像素子で測定する方法を示したが、 別の方法に よ る波長モ ニ タ 一機構で も 同等の効果を奏する 。

第 4 図は こ の発明の別の実施例を示す構成図であ る 。 前の実施例ど同一番号を付している も のは同様の も のを 示す。 （26)は封入容器 (4)内へ清浄なガス を供給するガス ボ ンべ 、 （27) , (28)は封入容器 (4)の入口側及び出口側に設け ら れた ガス流量調節バル ブ 、 （29) · , (30)は同 じ く ス ト ッ プバル ブ、 （31)は波長モ ニ タ 一手段 （1 0 1 ) の出力信号を う けてガ ス流量調節バル ブ^)を制御する制御装置であ る 。

さ て、 制御装置 (31)は画像処理手段 (25)の出力 を受けて現 時点におけ る レーザー光 (13)の波長を知 り 、 ガス流量調節 バルブ (27)を制御して、 波長選択用の F 'R (3)の周通のガス 圧を レーザー光 の波長が所定の値と な る よ う に調節す る 。 こ の ガス流量調節バル ブ (27)は初期調節の段階では手 動で調節する 。 F R (3)の波長選択動作は、 波長モニ タ ー 用の F R (19)の場合と 同様であ る。 又、 制御装置 (31)によ り 、 封入容器（4)の入口側のガス流量調節バル ブ (27)のみを制御 する場合を示したが、 出口側のガス流量調節バルブ ©の 方を制御して も よ く 、 これ ら両方を制御して封入容器 (4) 内のガス圧を調節して も よ い。 又、 バルブのかわ り に、 オ リ フ ィ ス や マ ス フ ロ ー コ ン ト ロ ー ラ 一等に よ り ガス流 量 （ 従 って、 ガス圧力 ） を制御して も よい。

第 5 図は本考案によ り レーザー装置の他の実施例を示 す構成図であ り 、 第 4 図の も のに圧力セ ン サ ー（32)と圧力 一定制御装置 (33) と を付加した も のであ る 。 即ち 、 封入容 器（4)に圧力セ ン サ ー (32)を設け、 こ の出力信号と制御装置 (20)か ら の波長情報を有する出力信号と を圧力一定制御装 置 (33)へ入力 し 、 こ の装置 (33)を介して制御装置（20)がガス流 量調節バルブ (16)の制御を行な う よ う に した も のであ る。 こ の よ う にすれば封入容器（4)内のガス圧の調節がよ り 容 易に行なえ る 。 '

なお、 上記実施例では波長モ ニ タ ー用の F Ρ (19)は波長 選択用の F Ρ (3)のよ う に清浄な ガスが流通する雰囲気中 には設け られていないが、 こ の理由は F Ρ (19)には レ ーザ 一光 (13)の う ち ほんの一部の も のしか入射しないよ う にな つているか ら であ り 、 清浄な ガスが流通する雰囲気中に 設ける よ う にすればさ ら に良い。

又、 波長モ ニ タ 一手段 （1 0 1 ) と し て 、 F P (19)の透過光 で生じ る フ ラ ン ジ を撮像素子 (22)で測定する方法の も の を 生じ る フ ラ ン ジ撮像素子 (22)で測定する方法の も の を示し たが、 他の方法によ り 波長を測定する も の であ つて も よ い ο

産業上の利用可能性

こ の発明は レーザ装置、 例えばエ キ シ マ レ ーザ装置の 波長安定化に'適用で き る 。

Claims

m 求 の 範 囲

1. レ ーザ発振波長を選択する フ ァ ブ リ ペ ロ ーエ タ ロ ン を有し 、 波長が可変の レーザ発振器か ら取 り 出 された レ 一ザ ビーム を波長モ ニ タ ー手段で モ ニ タ ーし て、 上記波 長モ ニ タ ー手段の出力信号によ つて上記フ ア ブ リ ペ ロ ー エ タ 口 ン の ギ ヤ ッ プの圧力を調整する レ ーザ装置。

2. フ ア ブリ ペ ロ ーエタ ロ ン-の ギ ヤ ッ プの圧力 を調整す るために上記フ ァ プリ ぺ 口 一エタ 口 ンを密封容器に収容 して、 内容積が伸縮可能な容積伸縮手段を上記密封容器 と接続し 、 上記波長モ ニ タ 一手段の出力信号に応じて駆 動機構を介して上記容積伸縮手段を作動さ せる こ と を特 徵とする特許請求の範囲第 1 項記載の レーザ装置。

3. · フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ ロ ンの ギ ヤ ッ プの圧力を調整す る為に 、 上記フ ァ ブリ ぺ 口 一エタ 口 ン を密封容器に収容 し て 、 こ の密封容器に流通する ガス を上記出力信号に応 じて操作する こ と によ り 、 上記フ ア ブ リ ペ ロ ーエタ ロ ン のギヤ ッ プの圧力を調整する こ と を特徵 とする特許請求 の範囲第 1 項記載の レーザ装置。