WO2017145662A1 - レーザ駆動ランプ - Google Patents

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WO2017145662A1
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laser
light
window
body portion
incident
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Inventor
和之 森
淳哉 朝山
利夫 横田
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ウシオ電機株式会社
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    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/30—Vessels; Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G2/00—Apparatus or processes specially adapted for producing X-rays, not involving X-ray tubes, e.g. involving generation of a plasma
    • H05G2/001—X-ray radiation generated from plasma
    • H05G2/008—X-ray radiation generated from plasma involving a beam of energy, e.g. laser or electron beam in the process of exciting the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels

Definitions

  • the present invention relates to a laser drive lamp, and more particularly to a laser drive lamp in which a lamp body and a reflecting mirror are integrated.
  • Such a light source is also called a LPP (Laser Produced Plasma) light source or a LSP (Laser Sustained Plasma) light source.
  • the plasma generation container 30 includes a light emitting part 31 and a sealing part 32 made of quartz glass, and emits light. For example, mercury and xenon are enclosed in the portion 31 as a luminescent material.
  • the plasma generation container 30 is an electrodeless plasma generation container.
  • the plasma generating container 30 is disposed at one focal point F1 of the elliptical reflecting mirror 40.
  • a laser light generator 50 is provided in front of the elliptical reflecting mirror 40, and laser light composed of, for example, a pulse laser or a CW (Continuous Wave) laser is emitted from the laser light generator 50 to generate plasma.
  • the laser light emitted from the laser light generator 50 is introduced through the window 61 of the plane mirror 60 and is collected by the condensing lens 70 disposed between the window 61 and the plasma generation container 30 to be plasma.
  • the generation container 30 is irradiated. By condensing the laser light, the energy density can be increased at the condensing point F1, and the luminescent material can be excited to generate radiated light.
  • the emitted light from the plasma generation container 30 is reflected by the elliptical reflecting mirror 40, and further reflected by the plane mirror 60 and emitted to the irradiated object side.
  • quartz glass is used as a material for the plasma generation container.
  • the plasma generation container is subjected to ultraviolet light and VUV light irradiation and is subjected to ultraviolet distortion.
  • ultraviolet distortion There is a problem that is likely to occur. If such UV distortion accumulates, there will be a risk that the glass surface will eventually crack and that the lamp will break.
  • ultraviolet crystal distortion can be reduced by using a crystal material such as crystal or sapphire as the plasma generation container.
  • a crystal material such as crystal or sapphire
  • the present invention is a laser-driven lamp in which a luminescent gas is enclosed and laser light is collected and incident to generate plasma, and irradiation of high-power UV light and VUV light from the plasma is performed. Even if it receives, a structure which does not produce ultraviolet distortion in a plasma container is provided.
  • a laser-driven lamp includes a columnar body portion, and a concave reflecting portion having a focal point on which the laser beam is condensed is formed on the front side of the body portion.
  • an ultraviolet light transmissive light exit window is provided in front of the concave reflecting portion, a laser beam passage hole penetrating in the optical axis direction is provided in the center of the trunk portion, and a rear side of the trunk portion is provided.
  • a light incident window through which the laser light is incident is provided, a sealed space is formed by the body portion, the light emitting window, and the light incident window, and the luminescent gas is sealed in the sealed space.
  • a reflection part for reflecting the laser beam is formed at a central part of the light exit window.
  • a taper portion is formed on the incident side of the laser beam passage hole of the body portion.
  • an exhaust pipe communicating with the sealed space is attached.
  • the window mounting cylinder is made of metal, and the exhaust pipe is mounted on the window mounting cylinder.
  • the body part is made of ceramics, and the exhaust pipe is attached to the body part.
  • the light incident window is attached to the body portion with a metal block interposed therebetween, and the exhaust pipe is attached to the metal block.
  • the light entrance window and the light exit window are attached to the body portion via a window attachment cylinder, and a pressure relief portion is provided in the window attachment cylinder or the exhaust pipe. .
  • the pressure relief part is formed by forming a recess in the window mounting cylinder or the exhaust pipe to make it thin.
  • the light incident window may include an incident surface inclined with respect to the optical path of the laser light.
  • the laser-driven lamp is constituted by the columnar body portion, the light exit window and the light entrance window on the front and rear surfaces thereof, a material other than quartz glass, such as ceramics or metal, is used as the constituent material of the body portion It can be used, and since a light-transmitting crystal material can be used for the light entrance window and the light exit window, even when irradiated with high-power UV light and VUV light from plasma, ultraviolet distortion does not occur.
  • a laser output lamp with higher output and longer life can be realized.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
  • a laser-driven lamp 1 is composed of a columnar body 2, a light exit window 3 provided on the front and rear surfaces thereof, and a light entrance window 4.
  • the body portion 2 is made of a ceramic material such as polycrystalline alumina (Al 2 O 3 ).
  • a concave reflecting portion 5 is formed on the front side of the body portion 2, and a laser beam passage hole 6 penetrating the concave reflecting portion 5 in the optical axis direction is formed at the center thereof.
  • the laser beam passage hole 6 is chamfered at the rear end side, that is, the incident side, to form a tapered portion 6a.
  • the tapered portion 6 a is blocked by being kicked on the incident side of the laser beam passage hole 6 when the condensed laser beam is introduced through the light incident window 4 and guided to the laser beam passage hole 6. Is to prevent.
  • the concave reflecting portion 5 is configured by a parabolic shape or an elliptical shape, and is described as a parabolic reflecting portion in this embodiment.
  • the concave reflection portion 5 is formed of a metal vapor deposition film in which aluminum or the like is vapor deposited on the concave surface portion of the body portion 2 or a dielectric multilayer film.
  • the light exit window 3 provided in front of the concave reflecting portion 5 is ultraviolet light transmissive, and the rear light incident window 4 is laser light transmissive, both of which are made of a crystal material such as quartz or sapphire.
  • the outer peripheral surfaces of the light exit window 3 and the light entrance window 4 are coated with a metal made of, for example, a mixture of molybdenum and manganese and metallized.
  • the front and rear end portions of the outer periphery of the body portion 2 are also subjected to metallization processing in the same manner as the light exit window 3 and the light entrance window 4.
  • the light exit window 3 whose outer peripheral surface is metallized is joined to an elastic metal ring member 10 by brazing with silver brazing or the like, while a metallized front end of the body 2 is made of metal.
  • the window mounting cylinder 11 is joined by brazing.
  • the ring member 10 and the window mounting cylinder 11 are welded together by TIG welding, laser welding, or the like. Thereby, the light emission window 3 is attached to the front side of the body part 2.
  • the light incident window 4 whose outer peripheral surface is metallized is joined to the metal block 12 by brazing, and a metal window mounting cylinder 13 is joined to the metallized rear end of the body part 2 by brazing.
  • the metal block 12 and the window mounting cylinder 13 are welded together by TIG welding, laser welding, or the like.
  • the light incident window 4 is attached to the rear surface side of the body part 2.
  • the body portion 2 assembled in this way, the light exit window 3 and the light entrance window 4 constitute a plasma container, in which a sealed space S is formed, and a luminescent gas is formed in the sealed space S.
  • a rare gas such as xenon gas, krypton gas, argon gas, or mercury gas is sealed in accordance with the emission wavelength.
  • a gap 14 is formed between the body portion 2 and the metal block 12 and communicates with the sealed space S.
  • an exhaust pipe 15 is brazed and fixed to the metal block 12, and the exhaust pipe 15 communicates with the gap 14 and communicates with the sealed space S through the gap 14. After the sealed space S is evacuated through the exhaust pipe 15, the luminescent gas is sealed, and then the end 15 a of the exhaust pipe 15 is pressure-cut and sealed.
  • the light exit window 3 may be provided with a laser beam reflecting portion 3a at the center thereof.
  • mercury included as the light emission gas
  • the laser light is almost absorbed by the generated plasma, but in the case of xenon or the like, the absorptance may be reduced to reach the light exit window 3.
  • the laser beam reflecting portion 3a is provided in the light exit window 3, the emission of the laser beam to the outside is prevented.
  • laser light L from a laser light generator (not shown) is condensed by a condenser lens 21 and introduced through a light incident window 4.
  • the condensing point of the laser beam L is at the focal position F of the concave reflecting portion 5.
  • the light emission gas is excited by the plasma generated at the focal position F by the laser light to emit ultraviolet light, and this ultraviolet light (excitation light) EL is reflected by the concave reflecting portion 5 and forwards through the light exit window 3. It is emitted.
  • the body portion 2 is entirely composed of ceramics.
  • FIG. 2 shows another second embodiment, and the body portion 2 is made of a ceramic body. It consists of a part main body 2a and a metal reflecting part forming part 2b incorporated therein, and a concave reflecting part 5 is formed on the reflecting part forming part 2b.
  • This reflection part formation part 2b is created as a machined part of aluminum, and a reflection surface is manufactured by cutting. Thereby, a more sophisticated reflective surface can be formed mechanically and optically.
  • FIG. 3 shows still another third embodiment in which the entire body portion 2 is made of a metal member such as aluminum.
  • a metal member such as aluminum.
  • drum 2 is improved and the deterioration characteristic of a reflective surface is improved.
  • a dielectric multilayer film or the like may be added to the reflecting surface.
  • the entire body portion 2 is made of metal, the impure gas discharged from the body portion 2 increases with lighting, so a getter housing space 16 is formed in the body portion 2 to accommodate the getter material 17.
  • the sealed space S may be communicated with the gap 14.
  • Body part (2) made of polycrystalline alumina (Al 2 O 3 ), total length 22 mm, outer diameter 32 mm ⁇ Filled gas: xenon gas 2.0MPa (25 °C conversion)
  • Light incident window member (4) made of sapphire, outer diameter 15 mm, thickness 3 mm -Light exit window member (3): made of sapphire, outer diameter 32 mm, thickness 3 mm ⁇ Ring member (10): Kovar ⁇ Window mounting cylinder (11, 13): Kovar, outer diameter 33 mm, wall thickness 0.5 mm
  • the light incident window 4 is attached to the body portion 2 with the metal block 12 interposed therebetween.
  • An attachment structure similar to the structure for attaching the window 3 to the body portion 2 may be used. That is, in the fourth embodiment shown in FIG. 4, the elastic metal ring member 18 joined to the light incident window 4 by brazing is attached to the metal window mounting cylinder 13 joined to the body portion 2. It is welded. Thereby, the light incident window 4 is attached to the body part 2.
  • the solid angle of incidence of the laser light L incident from the light incident window 4 can be increased, and the enclosed space S of the laser driving lamp 1 can be increased.
  • a high density plasma can be obtained by increasing the energy density applied to the generated plasma.
  • the exhaust pipe 15 described above can be attached to the window attachment cylinder 13 of the light incident window 4 by brazing, and communicates with the inside of the sealed space S.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment of FIG. FIG. 5 shows another fifth embodiment.
  • the exhaust pipe 15 is attached to the window mounting cylinder 11 of the light exit window 3.
  • Other configurations are the same as those of the embodiment of FIG. FIG. 6 shows still another sixth embodiment.
  • an exhaust pipe 15 is attached to the body 2, and the exhaust pipe 15 is communicated with the body 2 in the sealed space S.
  • a communication hole 19 is formed for this purpose.
  • a predetermined attachment region of the body portion 2 can be metallized and the exhaust pipe 15 can be attached thereto by brazing.
  • Other configurations are the same as those of the embodiment of FIG.
  • the exhaust pipe 15 for evacuating the sealed space S and enclosing the luminescent gas is attached to the body 2 or the window mounting cylinders 11 and 13, so that the incident window Since the laser beam L incident from 4 is not shielded by the exhaust pipe 15, the incident solid angle can be maximized without being restricted by the exhaust pipe 15. Therefore, the energy density input to the plasma can be increased.
  • the pressure in the sealed space rises in the same manner.
  • the laser driven lamp bursts.
  • the gas in the sealed space is in a high pressure and high temperature state of, for example, 20 atm when sealed and 40 to 60 atm when lit, and if the laser-driven lamp bursts, the fragments will have a considerable speed and kinetic energy. Scatters in all directions, collides with a lens arranged in front of the laser-driven lamp and a reflecting mirror arranged around it, damaging these optical devices.
  • vacuum ultraviolet light there is a problem that expensive magnesium fluoride MgF or calcium fluoride CaF 2 is used for the lens and window material, and these members are instantly damaged.
  • a laser relief lamp is provided with a pressure relief part, and when the pressure in the sealed space rises abnormally, the pressure is released at a predetermined location and opened.
  • 7 to 11 show embodiments in which damage to other components constituting the driving lamp and damage to surrounding optical systems are reduced.
  • FIG. 8 shows various forms of the concave portion (pressure relief portion) 20.
  • A) is a quadrangular recess
  • B) is a circular recess
  • C) is a slit-shaped recess that crosses the window mounting cylinder 13.
  • the cross-sectional shape of the concave portion may be a hemispherical shape shown in (D) other than a square shape, or may be a V shape (conical shape) shown in (E).
  • the recessed part 20 may be formed in the inner surface side of the window attachment cylinder 13.
  • FIG. 9 shows the operating state of the pressure relief portion 20, and the normal pressure state is a steady state shown in FIG. 9A, and when the pressure inside the sealed space increases due to an abnormality, As shown, the thin pressure relief 20 is inflated and broken to release the pressure.
  • the pressure relief portion 20 is provided in the window mounting cylinder 13 of the light incident window 4, but as shown in the eighth embodiment of FIG. You may provide in the attachment cylinder 11. Further, in these embodiments, the structure in which the exhaust pipe 15 is attached to the window mounting cylinders 11 and 13 in which the pressure relief part 20 is formed is shown, but the present invention is not limited to this, and the pressure relief part 20 and the exhaust pipe 15 are not limited thereto. It is good also as a structure attached to the separate window attachment cylinders 11 and 13, respectively.
  • FIG. 11 shows another ninth embodiment.
  • a pressure relief portion 20 is formed in the exhaust pipe 15.
  • the exhaust pipe 15 is attached to the body portion 2, and a communication hole 19 for communicating the exhaust pipe 15 into the sealed space S is formed in the body portion 2.
  • a predetermined attachment region of the ceramic body 2 can be metallized, and the exhaust pipe 15 can be attached thereto by brazing.
  • a thin pressure relief portion 20 is formed in the exhaust pipe 15.
  • the exhaust pipe 15 forming the pressure relief portion 20 is provided with a window mounting cylinder 13 of the light incident window 4 as shown in FIG. 7, or a window mounting cylinder of the light emission window 3 as shown in FIG. 11 may be attached. Furthermore, the pressure relief 20 may be formed in the exhaust pipe 15 attached to the metal block 12 to which the light incident window 4 is attached in the first embodiment shown in FIG.
  • the pressure relief part in the laser drive lamp, even if the inside of the sealed space becomes an abnormally high pressure state, the pressure relief part is damaged, so that the predetermined part specified in advance can be obtained.
  • the high pressure is released to prevent other components constituting the laser-driven lamp from being damaged, and the surrounding optical system is not damaged.
  • a laser beam L from a laser beam generator enters the sealed space S of the laser driving lamp 1 from the light incident window 4. Due to the difference in refractive index from the atmosphere (for example, air), a part of the laser beam may be reflected. Part of the reflected laser light travels from the light incident window 4 toward the laser light generator along a path opposite to the incident path. The reflected laser light returning to the laser light generator may cause the medium in the laser light generator to be overheated and eventually damage the laser light generator.
  • the laser light reflected by the light incident window returns to the laser light generator by tilting the incident surface of the light incident window of the laser driving lamp with respect to the optical path of the laser light.
  • 12 and 13 show an embodiment in which the incident light does not enter.
  • FIG. 12 shows a tenth embodiment in which the light incident window 4 of the laser driving lamp 1 is provided to be inclined with respect to the optical path (optical axis) LA of the laser light L, and the incident surface 4a is the optical path LA. It is inclined with respect to.
  • the rotation center axis X of the concave reflecting portion 5 in the laser driving lamp 1 coincides with the optical axis LA of the laser light L from the laser light generator 22 and the condenser lens 21, and from the laser light generator 22.
  • the laser beam L is incident on the light incident window 4 of the laser driving lamp 1 while being condensed by the condensing unit 21 and is condensed on the focal position F of the concave reflecting portion 5.
  • plasma is generated around the focal position F in the sealed space S, and the excitation light EL generated by exciting the luminescent gas is reflected by the concave reflecting portion 5 and emitted to the outside from the light exit window 3. .
  • the incident surface 4a of the light incident window 4 is inclined with respect to the optical path LA of the laser light L. Since the reflected light RL reflected by the incident surface 4a is reflected in a direction different from the optical path of the laser light L, the reflected light RL does not return to the laser light generator 22 and enter.
  • the optical axis LA of the laser light L from the laser light generator 22 and the rotation center axis X of the concave reflecting portion 5 of the laser driving lamp 1 coincide with each other and the light incident window 4 is incident.
  • the surface 4a is inclined with respect to the optical axis LA of the laser beam L.
  • the rotation center axis X of the concave reflecting portion 5 can be angled with respect to the optical axis LA of the laser beam L.
  • the rotation center axis X of the concave reflecting portion 5 of the body portion 2 in the laser drive lamp 1 is inclined with an angle with the optical axis LA of the laser beam L from the laser beam generator 22. is doing.
  • the laser driving lamp 1 is tilted by rotating around the focal position (condensing position) F on the optical axis LA of the laser light L.
  • the light incident window 4 is attached such that the incident surface 4 a thereof is orthogonal to the rotation center axis X of the concave reflecting portion 5. Thereby, the incident surface 4a of the light incident window 4 is inclined with respect to the optical axis LA of the laser light L.
  • the laser light L from the laser light generator 22 is incident from the incident surface 4a of the light incident window 4, but the reflected light RL at that time does not travel toward the laser light generator 22.
  • the laser light L is condensed at the focal position F of the concave reflecting portion 5 in the laser driving lamp 1 to generate plasma.
  • the excitation light EL generated thereby is reflected by the concave reflecting portion 5 and has an angle with the optical axis LA of the laser light L, and the light exit window 3 along the rotation center axis X of the concave reflecting portion 5. It is emitted from.
  • the incident surface of the light incident window in the laser driving lamp is inclined with respect to the optical path of the laser light from the laser light generator, the laser light reflected by the incident surface is incident on the laser. Since the light beam is directed in a direction different from the optical path, the light beam does not enter the laser beam generator and can be prevented from being damaged by components such as a medium in the laser beam generator.
  • a plasma generating container is formed by providing a light exit window and a light entrance window before and after the columnar body portion, and a sealed space is formed therein,
  • ceramics and metals other than quartz glass can be used for the fuselage, light exit window, and light entrance window that make up the laser-driven lamp. Even when irradiated with UV light or VUV light, ultraviolet distortion is not generated in the laser driving lamp, and a laser driving lamp with higher output and longer life can be realized.
  • the pressure relief part even if the sealed space is in an abnormally high pressure state, the pressure relief part can be damaged, so that the high pressure can be released at a predetermined part specified in advance. And other components and optical components are not damaged. Further, by providing the incident surface of the light incident window to be inclined with respect to the optical path of the laser light from the laser light generator, the laser light reflected by the light incident window does not return to the laser light generator, There is no such thing as damaging it.

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Abstract

発光ガスが封入され、レーザ光を集光入射してプラズマを生成させるレーザ駆動ランプにおいて、プラズマ容器として石英ガラス以外の材料を使用して、紫外線ひずみの発生を防止した構造を提供することを課題とする。レーザ駆動ランプ（１）が、柱状の胴体部（２）を備えるとともに、該胴体部（２）の前方側に、前記レーザ光が集光される焦点を有する凹面反射部（５）が形成され、当該凹面反射部（５）の前面には紫外光透過性の光出射窓（３）が設けられ、前記胴体部（２）の中心には光軸方向に貫通するレーザ光通過孔（６）が設けられ、前記胴体部（２）の後方側には前記レーザ光が入射する光入射窓（４）が設けられてなり、前記胴体部（２）、前記光出射窓（３）および前記光入射窓（３）により密閉空間Ｓを形成し、該密閉空間Ｓ内に前記発光ガスが封入されていることを特徴とする。

Description

レーザ駆動ランプ
　この発明は、レーザ駆動ランプに関するものであり、特に、ランプ本体と反射鏡が一体となったレーザ駆動ランプに係わるものである。
　近年、半導体、液晶基板およびカラーフィルタ等の被処理物の製造工程においては、入力電力の大きな紫外線光源が使用されている。そしてこの紫外線光源として多用されているのは、水銀蒸気或いは希ガスを封入した管球内で電極間にアーク放電を発生させるタイプの高圧放電ランプである。
　ところで、上記のような製造工程においては、処理時間の一層の短縮化が要求されており、そのため、この用途に使用される高圧放電ランプには、より一層の放射輝度の向上が必要とされている。高圧放電ランプの放射輝度を向上させるためには、入力電力を増やすことが必要である。
　しかし、ランプへの入力電力を単純に大きくすると、放電ランプの電極への負荷が増大し、電極からの電子放射性物質の蒸発が原因となって、ランプの黒化、短寿命が発生する、といった問題があった。
　このような高圧放電ランプの問題を解決するために、レーザにより放電空間にエネルギーを投入し、発光ガスを励起して紫外線放射を得る技術が提案されている。特開２０１０－１７０１１２号公報（特許文献１）がその一例である。
　このような光源は、ＬＰＰ（Ｌａｓｅｒ　Ｐｒｏｄｕｃｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）光源、あるいは、ＬＳＰ（Ｌａｓｅｒ　Ｓｕｓｔａｉｎｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）光源とも称されている。
　特開２０１０－１７０１１２号公報（特許文献１）に開示された従来技術では、図１４に示すように、プラズマ発生容器３０が、石英ガラス製の発光部３１と封止部３２とからなり、発光部３１には発光物質として、例えば、水銀とキセノンが封入されている。
　この例では、プラズマ発生容器３０は、無電極プラズマ発生容器である。楕円反射鏡４０の一方の焦点Ｆ１にプラズマ発生容器３０が配置される。一方、楕円反射鏡４０の前方には、レーザ光発生器５０が設けられ、このレーザ光発生器５０からは、例えば、パルスレーザ又はＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）レーザからなるレーザ光が出射され、プラズマ発生容器３０に導入される。
　レーザ光発生器５０から出射したレーザ光は、平面鏡６０の窓部６１を介して導入され、この窓部６１とプラズマ発生容器３０との間に配置された集光レンズ７０によって集光されてプラズマ発生容器３０に照射される。レーザ光を集光することにより、集光点Ｆ１でエネルギー密度を高めることができ、発光物質を励起させて、放射光を発生させることができる。プラズマ発生容器３０からの放射光は楕円反射鏡４０で反射され、更に平面鏡６０で反射されて被照射物側に出射する。
　このような従来のＬＰＰ（ＬＳＰ）ランプでは、プラズマ発生容器の材料として石英ガラスが使用されているが、プラズマからの高出力のＵＶ光及びＶＵＶ光の照射を受け、プラズマ発生容器には紫外線ひずみが生じ易いという問題がある。
　こうした紫外線ひずみが蓄積するとやがてガラス表面にクラックが入り、そこが起点となって、ランプが破損する危惧がある。
　これを回避すべく、プラズマ発生容器として水晶、サファイアなどの結晶材を使用すれば紫外線ひずみは低減できるが、結晶材で円筒形状、あるいは球状の容器を成型することは、製造上、極めて困難であって、現実的ではない。
特開２０１０－１７０１１２号公報
　この発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、発光ガスが封入され、レーザ光を集光入射してプラズマを生成させるレーザ駆動ランプにおいて、プラズマからの高出力のＵＶ光及びＶＵＶ光の照射を受けても、プラズマ容器に紫外線ひずみが生じることのないような構造を提供するものである。
　上記課題を解決するために、この発明に係わるレーザ駆動ランプは、柱状の胴体部を備えるとともに、該胴体部の前方側に、前記レーザ光が集光される焦点を有する凹面反射部が形成され、当該凹面反射部の前面には紫外光透過性の光出射窓が設けられ、前記胴体部の中心には光軸方向に貫通するレーザ光通過孔が設けられ、前記胴体部の後方側には前記レーザ光が入射する光入射窓が設けられてなり、前記胴体部、前記光出射窓および前記光入射窓により密閉空間を形成し、該密閉空間内に前記発光ガスが封入されていることを特徴とする。
　また、前記光出射窓の中央部に前記レーザ光を反射する反射部が形成されていることを特徴とする。
　また、前記胴体部のレーザ光通過孔の入射側にテーパー部を形成したことを特徴とする。
　また、前記密閉空間内に連通する排気管が取付けられていることを特徴とする。
　また、前記窓取付け筒体は金属製であって、当該窓取付け筒体に前記排気管が取付けられていることを特徴とする。
　また、前記胴体部はセラミックス製であって、当該胴体部に前記排気管が取付けられていることを特徴とする。
　また、前記光入射窓が金属ブロックを介在して前記胴体部に取付けられており、当該金属ブロックに前記排気管が取付けられていることを特徴とする。
　前記光入射窓および前記光出射窓が、窓取付け筒体を介して前記胴体部に取付けられていて、前記窓取付け筒体または前記排気管に圧力逃がし部が設けられていることを特徴とする。
　前記圧力逃がし部は、前記窓取付け筒体または前記排気管に凹部を形成して薄肉としたことにより構成されることを特徴とする。
　また、前記光入射窓は、前記レーザ光の光路に対して傾斜させた入射面を備えていることを特徴とする。
　本発明によれば、レーザ駆動ランプを柱状胴体部とその前後面の光出射窓と光入射窓とにより構成したので、胴体部の構成材料として石英ガラス以外の材料、例えば、セラミックスや金属等を使用でき、また、光入射窓や光出射窓に透光性の結晶材を使用できるので、プラズマからの高出力のＵＶ光及びＶＵＶ光の照射を受けても、紫外線ひずみが生じることがなく、より高出力で長寿命のレーザ駆動ランプを実現することができる。
本発明の第１実施例の断面図。 本発明の第２実施例の断面図。 本発明の第３実施例の断面図。 本発明の第４実施例の断面図。 本発明の第５実施例の断面図。 本発明の第６実施例の断面図。 本発明の第７実施例の断面図。 圧力逃がし部の種々の形態を示す図。 圧力逃がし部の作動説明図。 本発明の第８実施例の断面図。 本発明の第９実施例の断面図。 本発明の第１０実施例の断面図。 本発明の第１１実施例の断面図。 従来技術の説明図。
　図１に本発明の第１実施例が示されていて、レーザ駆動ランプ１は、柱状の胴体部２と、その前後面に設けられた光出射窓３と、光入射窓４とからなる。この胴体部２は、多結晶アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックス材料からなる。
　そして、この胴体部２の前面側には凹面反射部５が形成されるとともに、その中心にはこれを光軸方向に貫通するレーザ光通過孔６が穿設されている。このレーザ光通過孔６は、その後端側、即ち、入射側が面取りされてテーパー部６ａが形成されている。このテーパー部６ａは、集光されたレーザ光が光入射窓４を経て導入されてレーザ光通過孔６に導かれるときに、このレーザ光通過孔６の入射側で蹴られて遮断されることを防止するものである。
　前記凹面反射部５は、放物線形状や楕円形状によって構成され、この実施例では放物線形状の反射部として記載されている。この凹面反射部５は、胴体部２の凹面部にアルミニウムなどが蒸着された金属蒸着膜や、あるいは、誘電体多層膜によって形成されている。
　前記凹面反射部５の前方に設けられる光出射窓３は紫外光透過性であり、後方の光入射窓４はレーザ光透過性であって、ともに水晶やサファイアなどの結晶材からなる。そして、これら光出射窓３および光入射窓４の外周面は、例えば、モリブデンおよびマンガンの混合物からなる金属によって被覆されてメタライズ加工されている。
　また、胴体部２の外周の前後端部にも、前記光出射窓３や光入射窓４と同様にメタライズ加工が施されている。
　そして、外周面がメタライズされた光出射窓３は、弾性的な金属製のリング部材１０と銀ロウなどによりロウ付けにより接合され、一方、胴体部２のメタライズされた前端部には金属製の窓取付け筒体１１がロウ付けにより接合されている。そして、前記リング部材１０と窓取付け筒体１１とが、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接などにより溶接接合されている。これにより、光出射窓３が胴体部２の前面側に取付けられる。
　一方、外周面がメタライズされた光入射窓４は、金属ブロック１２にロウ付けにより接合され、胴体部２のメタライズされた後端部には金属製の窓取付け筒体１３がロウ付けにより接合されていて、前記金属ブロック１２と窓取付け筒体１３とが、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接などにより溶接接合されている。これにより、光入射窓４が胴体部２の後面側に取付けられる。
　このようにして組み立てられた胴体部２と、光出射窓３および光入射窓４とによってプラズマ容器が構成され、その内部には密閉空間Ｓが形成され、該密閉空間Ｓ内には発光ガスとしてキセノンガス、クリプトンガス、アルゴンガス等の希ガスや水銀ガスなどが発光波長に合わせて封入されている。
　前記胴体部２と、金属ブロック１２との間には、間隙１４が形成されていて前記密閉空間Ｓに連通している。一方、金属ブロック１２には、排気管１５がロウ付け固定されていて、この排気管１５は、前記間隙１４に連通しており、該間隙１４を介して密閉空間Ｓに連通している。この排気管１５を介して密閉空間Ｓを真空引きした後に、発光ガスを封入し、その後に排気管１５の端部１５ａが圧接切断されて封止される。
　また、前記光出射窓３には、その中央部にレーザ光反射部３ａを設けることもできる。発光ガスとして水銀を含む場合は、レーザ光は発生するプラズマでほぼ吸収されるが、キセノンなどの場合では、その吸収率が低下して、光出射窓３に至ることがある。そのような場合に、光出射窓３にレーザ光反射部３ａを設けておくと、レーザ光の外部への放射が防止される。
　本発明のレーザ駆動ランプ１には、ここには図示しないレーザ光発生器からのレーザ光Ｌが集光レンズ２１によって集光されて光入射窓４を介して導入される。このとき、レーザ光Ｌの集光点は、前記凹面反射部５の焦点位置Ｆにある。レーザ光によって焦点位置Ｆに発生するプラズマによって発光ガスが励起されて紫外光を発光し、この紫外光（励起光）ＥＬは凹面反射部５によって反射されて、光出射窓３を介して前方に出射されるものである。
　図１の実施例では、胴体部２は、全体をセラミックスによって構成されたものを示したが、図２には別の第２実施例が示されていて、胴体部２は、セラミックス製の胴体部本体２ａと、これに組み込まれた金属製の反射部形成部２ｂとからなり、この反射部形成部２ｂに凹面反射部５が形成されている。この反射部形成部２ｂは、アルミニウムの削り出し部品として作成し、反射面を切削加工によって製作するものである。これにより、機械的、光学的により高度な反射面を形成することができる。
　図３には更に他の第３実施例が示され、胴体部２全体をアルミニウムなどの金属部材としたものである。これにより、胴体部２の熱伝導が高められ、反射面の劣化特性が改善される。また、この反射面には、誘電体多層膜などを付加してもよい。
　このように、胴体部２全体を金属製とすると、点灯に伴って胴体部２から放出される不純ガスが増加するので、胴体部２内にゲッタ収容空間１６を形成してゲッタ材１７を収容し、間隙１４を介して密閉空間Ｓに連通させるようにしてもよい。
　図１に従った第１実施例の具体的な一寸法例を挙げると以下の通りである。
・胴体部（２）：多結晶アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製、全長２２ｍｍ、外径３２ｍｍ
・封入ガス：キセノンガス　２．０ＭＰａ（２５℃換算）
・光入射窓部材（４）：サファイア製、外径１５ｍｍ、厚さ３ｍｍ
・光出射窓部材（３）：サファイア製、外径３２ｍｍ、厚さ３ｍｍ
・リング部材（１０）：コバール製
・窓取付け筒体（１１，１３）：コバール製、外径３３ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ
・排気管（１５）：ニッケル製、外径３ｍｍ
・金属ブロック（１２）：コバール製、外径３２ｍｍ
　上記図１～３に示す第１～３実施例においては、光入射窓４は、金属ブロック１２を介在させて胴体部２に取付けられているが、この金属ブロック１２を用いることなく、光出射窓３を胴体部２に取付ける構造と同様な取付け構造とすることもできる。
　即ち、図４に示す第４実施例では、光入射窓４にロウ付けにより接合された弾性的な金属製のリング部材１８が、胴体部２に接合された金属製の窓取付け筒体１３に溶接接合されている。これにより、光入射窓４が胴体部２に取付けられる。
　このように、金属ブロックを介在させることのない取付け構造とすることで、光入射窓４から入射するレーザ光Ｌの入射立体角を大きくすることができ、レーザ駆動ランプ１の密閉空間Ｓ内に発生するプラズマに投入されるエネルギー密度を高くして高密度のプラズマとすることができる。
　このような取付け構造とする場合、前記した排気管１５は、光入射窓４の窓取付け筒体１３にロウ付けして取付けることができ、密閉空間Ｓ内と連通している。
　なお、その他の構成は、図１の第１実施例と同様である。
　図５には、他の第５実施例が示されていて、この例では、排気管１５が光出射窓３の窓取付け筒体１１に取付けられている。その他の構成は、前記図４の実施例と同様である。
　図６には、更に他の第６実施例が示されていて、この例では、排気管１５が胴体部２に取付けられていて、胴体部２には排気管１５を密閉空間Ｓ内に連通するための連通孔１９が形成されている。なお、排気管１５の取付けに際しては、胴体部２の所定の取付け領域をメタライズ加工し、ここに排気管１５をロウ付けにより取付けることができる。その他の構成は、前記図４の実施例と同様である。
　図４～６に示す実施例では、密閉空間Ｓを真空引きし、発光ガスを封入するための排気管１５が、胴体部２または窓取付け筒体１１、１３に取付けられているので、入射窓４から入射するレーザ光Ｌが、この排気管１５によって遮蔽されないので、排気管１５の制約を受けることなく、入射立体角を最大限に大きく取ることができる。そのため、プラズマに投入されるエネルギー密度を高くすることができるものである。
　ところで、このようなレーザ駆動ランプにおいては、何等かの原因でレーザ源に異常が生じた場合、レーザ光発生器の制御が効かなくなり、レーザ駆動ランプのプラズマ容器に投入されるレーザ光のパワーは増加する。
　また、レーザ駆動ランプからの光出力を検出器で測定し、フィードバックして制御するようなシステムを採用する場合、検出器が劣化すると、光量を過少に評価してしまい、レーザ光発生器はレーザ光のパワーを増加させようとする。
　このような状況になると、レーザ駆動ランプの密閉空間内には、過剰なエネルギーが供給されることになり、温度が上昇し、密閉空間の圧力は上昇する。
　また、冷却系の異常によりプラズマ温度が異常に上昇するような場合でも同様に、密閉空間内の圧力が上昇する。
　このような様々な理由で密閉空間内の圧力が上昇して耐圧の限度を超えるとレーザ駆動ランプは破裂する。
　密閉空間内のガスは、例えば、封入時で２０気圧、点灯時で４０～６０気圧という高圧かつ高温の状態になっており、レーザ駆動ランプが破裂した場合、その破片は相当のスピード、運動エネルギーを持って四方八方に飛び散り、レーザ駆動ランプの前方に配置されたレンズや周囲に配置された反射鏡に衝突し、これらの光学機器を破損させることになる。
　特に、真空紫外光を利用する場合、レンズや窓材には、高価なフッ化マグネシウムＭｇＦやフッ化カルシウムＣａＦ２が使用され、これらの部材が一瞬にして損壊してしまうという問題がある。
　このような問題点を解消するために、レーザ駆動ランプに圧力逃がし部を設けて、密閉空間内の圧力が異常に上昇した場合に、所定の箇所でこの圧力を逃がして開放することで、レーザ駆動ランプを構成する他の構成要素の破損や、周囲の光学系の破損の被害を低減した実施例が、図７～１１に示されている。
　図７に示す第７実施例において、光入射窓４を取付ける窓取付け筒体１３に、圧力逃がし部２０が形成されている。この圧力逃がし部２０は、窓取付け筒体１３の外表面に凹部を形成して薄肉としたものである。
　図８に凹部（圧力逃がし部）２０の種々の形態が示されている。（Ａ）は四角形状の凹部であり、（Ｂ）は円形状の凹部であり、また、（Ｃ）は窓取付け筒体１３を横断するスリット状の凹部である。
　そして、凹部の断面形状も、四角形状以外に、（Ｄ）で示す半球状であってもよいし、（Ｅ）に示すＶ字状（円錐形状）であってもよい。
　また、（Ｆ）に示すように、凹部２０は、窓取付け筒体１３の内表面側に形成するものであってもよい。
　図９にこの圧力逃がし部２０の作動状態が示されていて、通常の圧力状態の場合は、（Ａ）に示す定常状態であり、異常により密閉空間内部の圧力が上昇すると、（Ｂ）に示すように、薄肉の圧力逃がし部２０が膨張破損して、圧力を開放するものである。
　図７の第７実施例は、圧力逃がし部２０を光入射窓４の窓取付け筒体１３に設けたものであるが、図１０の第８実施例に示すように、光出射窓３の窓取付け筒体１１に設けてもよい。
　また、これらの実施例では、圧力逃がし部２０が形成された窓取付け筒体１１、１３に排気管１５を取付ける構造が示されているが、これに限られず、圧力逃がし部２０と排気管１５を、それぞれ別の窓取付け筒体１１、１３に取付ける構造としてもよい。
　また更に、図１１に他の第９実施例が示されていて、この実施例では、排気管１５に圧力逃がし部２０を形成するものである。つまり、この例では、排気管１５が胴体部２に取付けられていて、胴体部２には排気管１５を密閉空間Ｓ内に連通するための連通孔１９が形成されている。なお、排気管１５の取付けに際しては、セラミックス製の胴体部２の所定の取付け領域をメタライズ加工し、ここに排気管１５をロウ付けにより取付けることができる。
　そして、この排気管１５に薄肉の圧力逃がし部２０が形成されているものである。
　また、圧力逃がし部２０を形成する排気管１５は、図７に示すように、光入射窓４の窓取付け筒体１３、あるいは、図１０に示すように、光出射窓３の窓取付け筒体１１に取付けたものであってもよい。
　更には、図１に示す第１実施例における、光入射窓４を取付ける金属ブロック１２に取付けた排気管１５に圧力逃がし部２０を形成するようにしてもよい。
　このようにように、レーザ駆動ランプに圧力逃がし部を設けることで、密閉空間内が異常な高圧力状態になっても、この圧力逃がし部が破損することで、予め特定された所定の部位で高圧力を開放し、レーザ駆動ランプを構成する他の構成要素が破損することを防止するとともに、周辺の光学系が損傷を受けることがない。
　ところで、図１に示すように、図示しないレーザ光発生器からのレーザ光Ｌは光入射窓４からレーザ駆動ランプ１の密閉空間Ｓに入射するが、そのとき、光入射窓４とその周辺の雰囲気（例えば大気）との屈折率の違いから、レーザ光の極一部が反射されることがある。
　その反射レーザ光の一部は、光入射窓４から入射経路と逆の経路に従ってレーザ光発生器に向かって進むことになる。
　このレーザ光発生器に戻った反射レーザ光により、レーザ光発生器内の媒質が過剰な加熱状態となり、最終的にはレーザ光発生器が破損してしまうといった事態に至ることがある。
　このような問題点を解消するために、レーザ駆動ランプの光入射窓の入射面をレーザ光の光路に対して傾斜させることで、光入射窓で反射されるレーザ光がレーザ光発生器に戻って入射することのないようした実施例が図１２、１３に示されている。
　図１２は第１０実施例であって、レーザ駆動ランプ１の光入射窓４は、レーザ光Ｌの光路（光軸）ＬＡに対して傾斜して設けられていて、入射面４ａがこの光路ＬＡに対して傾斜している。
　一方、レーザ駆動ランプ１おける凹面反射部５の回転中心軸Ｘは、レーザ光発生器２２、集光レンズ２１からのレーザ光Ｌの光軸ＬＡと一致していて、レーザ光発生器２２からのレーザ光Ｌは、集光手段２１によって集光されつつ、レーザ駆動ランプ１の光入射窓４から入射して、凹面反射部５の焦点位置Ｆに集光する。
　これにより密閉空間Ｓ内で焦点位置Ｆを中心としてプラズマが生成され、発光ガスが励起されて生じる励起光ＥＬは、凹面反射部５により反射されて、光出射窓３から外部に出射されていく。
　上記構成において、レーザ光発生器２２からのレーザ光Ｌが光入射窓４に入射するとき、該光入射窓４の入射面４ａがレーザ光Ｌの光路ＬＡに対して傾斜しているので、この入射面４ａで反射される反射光ＲＬは、レーザ光Ｌの光路とは異なる方向に反射されるので、この反射光ＲＬがレーザ光発生器２２に戻って入射することはない。
　上記第１０実施例では、レーザ光発生器２２からのレーザ光Ｌの光軸ＬＡと、レーザ駆動ランプ１の凹面反射部５の回転中心軸Ｘとが一致していて、光入射窓４の入射面４ａがレーザ光Ｌの光軸ＬＡに対して傾斜している例であるが、凹面反射部５の回転中心軸Ｘをレーザ光Ｌの光軸ＬＡに対して角度を持たせることもできる。
　図１３の第１１実施例では、レーザ駆動ランプ１における胴体部２の凹面反射部５の回転中心軸Ｘが、レーザ光発生器２２からのレーザ光Ｌの光軸ＬＡと角度を有して傾斜している。このとき、レーザ駆動ランプ１をレーザ光Ｌの光軸ＬＡ上にある焦点位置（集光位置）Ｆを中心として回動することによって傾斜させる。
　そして、光入射窓４は、その入射面４ａが、前記凹面反射部５の回転中心軸Ｘに対して直交するように取付けられている。これにより、光入射窓４の入射面４ａは、レーザ光Ｌの光軸ＬＡに対して傾斜したものとなる。
　上記構成において、レーザ光発生器２２からのレーザ光Ｌは、光入射窓４の入射面４ａから入射するが、その際の反射光ＲＬがレーザ光発生器２２に向かうことがないことは、前記第１０実施例と同様である。そして、レーザ光Ｌは、レーザ駆動ランプ１内の凹面反射部５の焦点位置Ｆに集光し、プラズマを生成するものである。これにより生成される励起光ＥＬは、凹面反射部５により反射されて、レーザ光Ｌの光軸ＬＡとは角度を持って、該凹面反射部５の回転中心軸Ｘに沿って光出射窓３から出射される。
　このように、レーザ駆動ランプにおける光入射窓の入射面が、レーザ光発生器からのレーザ光の光路に対して傾斜しているので、入射面で反射されるレーザ光が、入射してくるレーザ光の光路とは異なる方向に向かうことになってレーザ光発生器に戻って入射することがなくなり、レーザ光発生器内の媒質などの部品が損壊することを防止できるものである。
　上記のように、この発明のレーザ駆動ランプによれば、柱状の胴体部の前後に光出射窓と光入射窓を設けることによりプラズマ発生容器を構成し、その内部に密閉空間を形成するとともに、胴体部の前面に凹面反射部を形成したことにより、レーザ駆動ランプを構成する胴体部や光出射窓や光入射窓に石英ガラス以外のセラミックスや金属を使用することができ、プラズマからの高出力のＵＶ光やＶＵＶ光の照射を受けても、レーザ駆動ランプに紫外線ひずみが生じることがなく、より高出力で長寿命のレーザ駆動ランプを実現することができる。
　また、圧力逃がし部を設けることにより、密閉空間内が異常な高圧力状態になっても、この圧力逃がし部が破損することで、予め特定された所定の部位で高圧力を開放することができて、他の構成要素や光学部品に損傷を与えることがない。
　また、光入射窓の入射面を、レーザ光発生器からのレーザ光の光路に対して傾斜させて設けることで、光入射窓で反射されるレーザ光がレーザ光発生器に戻ることがなく、これを損傷するようなことがない。
　１　　　レーザ駆動ランプ
　２　　　胴体部
　２ａ　　胴体部本体
　２ｂ　　反射部形成部
　３　　　光出射窓
　３ａ　　レーザ光反射部
　４　　　光入射窓
　４ａ　　入射面
　５　　　凹面反射部
　６　　　レーザ光通過孔
　６ａ　　テーパー部
　１０　　リング部材
　１１　　窓取付け筒体
　１２　　金属ブロック
　１３　　窓取付け筒体
　１４　　間隙
　１５　　排気管
　１６　　ゲッタ収容空間
　１７　　ゲッタ材
　１８　　リング部材
　１９　　連通孔
　２０　　圧力逃がし部
　２１　　集光レンズ
　２２　　レーザ光発生器
　Ｌ　　　レーザ光
　ＬＡ　　光軸
　ＲＬ　　反射レーザ光
　Ｘ　　　凹面反射部の回転中心軸
　Ｆ　　　焦点
　Ｓ　　　密閉空間
 
 
 

Claims (10)

  1. 　発光ガスが封入され、レーザ光を集光入射してプラズマを生成させるレーザ駆動ランプであって、
    　柱状の胴体部を備えるとともに、
    　該胴体部の前方側に、前記レーザ光が集光される焦点を有する凹面反射部が形成され、
    　当該凹面反射部の前面には光出射窓が設けられ、
    　前記胴体部の中心には光軸方向に貫通するレーザ光通過孔が設けられ、
    　前記胴体部の後方側には前記レーザ光が入射する光入射窓が設けられてなり、
    　前記胴体部、前記光出射窓および前記光入射窓により密閉空間を形成し、該密閉空間内に前記発光ガスが封入されていることを特徴とするレーザ駆動ランプ。
  2. 　前記光出射窓の中央部に前記レーザ光を反射する反射部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動ランプ。
  3. 　前記胴体部のレーザ光通過孔の入射側にテーパー部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ駆動ランプ。
  4. 　前記密閉空間内に連通する排気管が取付けられていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動ランプ。
  5. 　前記窓取付け筒体は金属製であって、当該窓取付け筒体に前記排気管が取付けられていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ駆動ランプ。
  6. 　前記胴体部はセラミックス製であって、当該胴体部に前記排気管が取付けられていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ駆動ランプ。
  7. 　前記光入射窓が金属ブロックを介在して前記胴体部に取付けられており、当該金属ブロックに前記排気管が取付けられていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ駆動ランプ。
  8. 　前記光入射窓および前記光出射窓が、窓取付け筒体を介して前記胴体部に取付けられていて、
    　前記窓取付け筒体または前記排気管に圧力逃がし部が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ駆動ランプ。
  9. 　前記圧力逃がし部は、前記窓取付け筒体または前記排気管に凹部を形成して薄肉としたことにより構成されることを特徴とする請求項８に記載のレーザ駆動ランプ。
  10. 　前記光入射窓は、前記レーザ光の光路に対して傾斜させた入射面を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ駆動ランプ。
     
     
     
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