JP2964202B2 - エキシマーレーザー発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエキシマーレーザー発振
器にかかるもので、とくにビーム断面のビーム強度分布
が均一なレーザー光を得ることができるエキシマーレー
ザー発振器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エキシマーレーザー発振器は種
類の異なる他のレーザー発振器に比べ、上準位寿命が数
ナノ秒と短く、増幅効率が高いために、多重モード発振
となりやすい。このため、エキシマーレーザー発振器か
ら出射するレーザー光のビーム断面強度はきわめて不均
一である。

【０００３】たとえば、放電励起型のエキシマーレーザ
ー発振器では、電極方向にフラットトップな強度分布と
なり、電極と垂直方向にはガウシャンライクな強度分布
となる。

【０００４】図７ないし図９にもとづき概説する。図７
は、一般的なエキシマーレーザー発振器１の概略斜視図
であって、このエキシマーレーザー発振器１は、レーザ
ー容器２と、レーザー容器２の前後にそれぞれ設けた全
反射鏡３および部分反射鏡４を有する光共振器５とを有
する。

【０００５】レーザー容器２には、一対の放電電極６お
よびレーザー発振用のガス媒体を収容し、放電電極６の
間における放電によってプラズマを生成し、光共振器５
によりレーザー発振が行われる。

【０００６】一対の放電電極６はそれぞれその断面を半
円形とすることにより、その間にできるだけ均一な放電
状態を発生させることとし、その長さを２Ｌとする。

【０００７】図示のように、放電電極６の頂面６Ａに平
行なその長さ方向をＸ軸（光軸）とし、一対の放電電極
６を含む平面内であって放電電極６の長さ方向中心を通
る方向をＹ軸とし、放電電極６の上記長さ方向（光軸、
Ｘ軸）および上記中心方向（Ｙ軸）に垂直な方向をＺ軸
とする。

【０００８】放電電極６間では頂面６Ａの部分が放電状
態が最良であり、したがって、出射するレーザー光のビ
ーム強度は、この部分からのものが最大となる。ただ
し、実際のビーム強度は、部分反射鏡４より外側におい
てこれを測定するものであるが、説明の便のため、上記
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸にもとづいて以下述べる。

【０００９】すなわち、図８に示すように、Ｚ＝０のＸ
Ｙ平面におけるビーム強度（ＸＹ平面で切ってＸ軸の方
向からみたビーム強度）が最大であり、ここからＺの正
方向および負方向にずれるにしたがって、ビーム強度は
それぞれ次第に弱くなる（ガウシャンライクな強度分
布）。

【００１０】また、図９に示すように、Ｘ軸に垂直なＹ
Ｚ平面におけるビーム強度（ＹＺ平面で切ってＸ軸の方
向からみたビーム強度）は放電電極６の頂面６Ａの間の
間隔２Ｄに相当する部分が最大であり、ここからＹの正
方向および負方向にずれるにしたがって、ビーム強度は
それぞれ次第に弱くなる（フラットトップな強度分
布）。

【００１１】したがって、発振したレーザー光を各種用
途に応用するにあたって、ビーム強度分布を均一化する
ことは重要であるにもかかわらず、その発振方向とは垂
直方向（電極間の方向および発振方向とは垂直な方向；
Ｚ軸方向）に均一なビーム強度分布（あるいはフラット
トップな強度分布）を得ることが困難であるという問題
がある。

【００１２】従来、このようなビーム強度不均一をなく
すために、ビームホモジナイザと呼ばれる光学系をエキ
シマーレーザー発振器１の光共振器５の外部に設置する
ことが行われている。

【００１３】このビームホモジナイザは、複数のプリズ
ム、反射鏡、およびレンズなどを組み合わせ、ビームを
複数個のビームに分割し、そののち、再びこれら複数個
のビームを重ね合わせ、重ね合わせによる積分効果によ
ってビーム強度の均一化を図るものである。このような
ホモジナイザは、たとえば特開平２−３２３号などに開
示されている。

【００１４】またビーム広がり角を小さくすることによ
り、ビーム強度の均一化を図る方法として光共振器の構
成を工夫したものが「レーザー研究」１９９１年１０月
号Ｐ９６６〜９６９に示されている。

【００１５】図１０に示すこの構成によるエキシマーレ
ーザー発振器１０は、レーザー容器２の外部に部分反射
鏡４とプリズム１１とを有する光共振器１２を設けたも
のである。

【００１６】しかしながら、従来の方法は、ビーム強度
を均一化させるビームホモジナイザなどの光学系１３を
エキシマーレーザー発振器１０の光共振器１２の外部に
設置するため、以下のような諸問題がある。

【００１７】すなわち、ビームホモジナイザなどの光学
系１３により複数個に分割されたビームは伝播方向がそ
れぞれ異なるために、重ね合わせたのちのビームの広が
り角が大きくなるという問題がある。

【００１８】また、複数個の分割されたビームを重ね合
わせた場合に、ビーム強度が均一になる範囲は、ビーム
伝播方向に狭く、その範囲の前後では均一な強度分布と
ならないという問題がある。

【００１９】さらに、ビーム強度を均一にしようとすれ
ばするほど、ビームの分割数を多くしなければならず、
ビームホモジナイザなどの光学系１３の構成が複雑にな
る上、その調整が困難であるという問題がある。

【００２０】さらにまた、構成の複雑な光学系１３を光
共振器１２の外部に設置したことにより、ビームの伝播
効率が低下し、レーザーのエネルギーを有効に利用する
ことができないという問題がある。

【００２１】またとくに、図１０に示したエキシマーレ
ーザー発振器１０では、全反射鏡として働くプリズム１
１は、ふたつの三角柱からこれを構成しているために、
レーザー容器２に対向するそれぞれの面を一平面に調整
しなければならず、また、その大きさもビームの幅に合
わせなければならない。

【００２２】さらに、光軸が上記ふたつの三角柱の境目
に一致しなければならないなど、調整が非常に困難であ
るという問題がある。

【００２３】なお、この構成はふたつの独立した光共振
器を並置した構成に等しく、ビーム全体にわたってビー
ム強度を均一にすることは非常に困難であるという問題
がある。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
諸問題にかんがみなされたもので、簡単な構成で、かつ
調整の容易な、ビーム強度を均一にすることができる光
共振器を備えたエキシマーレーザー発振器を提供するこ
とを課題とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、プリ
ズムの配置する位置を工夫することに着目したもので、
全反射鏡と部分反射鏡とを備えた光共振器を有するエキ
シマーレーザー発振器であって、上記光共振器内の光路
上にプリズムを配置したことを特徴とするエキシマーレ
ーザー発振器である。

【００２６】上記プリズムは、上記全反射鏡から所定の
距離だけ離れた位置にこれを配置することができる。

【００２７】上記プリズムは、これを角錐状、あるいは
円錐状とすることができる。

【００２８】上記プリズムは、上記光共振器の間にその
光軸に平行に位置する一対の放電電極を含む平面（前記
Ｙ軸方向を含む平面）に対して直角に、かつ該光共振器
の該光軸（前記Ｘ軸方向）に対して直角に（前記Ｚ軸方
向に）これを配置することができる。

【００２９】上記プリズムは、上記光共振器の間にその
光軸に平行に位置する一対の放電電極を含む平面（前記
Ｙ軸方向を含む平面）に対して直角（前記Ｘ軸方向）
に、かつ該光共振器の該光軸に対して直角に（前記Ｚ軸
方向に）その入射面を配置することができる。

【００３０】上記プリズムは、その頂角部を上記全反射
鏡側に配置することができる。

【００３１】

【作用】本発明によるエキシマーレーザー発振器におい
ては、光共振器内の光路上にプリズムを配置したので、
ビームホモジナイザなどの光学系を光共振器の外部に設
置したためによる既述の諸問題を解消可能であるととも
に、プリズムによるレーザー光の屈折作用により、放電
電極に垂直な方向でのビーム強度を均一化可能である。

【００３２】とくに当該プリズムを円錐状とすることに
より、光軸に垂直な面内での全方位のビーム強度を均一
化可能である。

【００３３】

【実施例】つぎに本発明の第一の実施例によるエキシマ
ーレーザー発振器２０を図面にもとづき説明する。ただ
し、以下の説明において、図７ないし図１０と同様の部
分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。

【００３４】図１は上記エキシマーレーザー発振器２０
を示す概略構成図であって、図７にもとづき前述したＹ
軸方向からみた図である。このエキシマーレーザー発振
器２０は、レーザー容器２と、全反射鏡３および部分反
射鏡４を有する光共振器５と、プリズム２１とを有す
る。

【００３５】このプリズム２１は、光軸に垂直な入射面
２１Ａと、頂角部２１Ｂと、入射面２１Ａに所定の角度
で対向する斜面２１Ｃおよび２１Ｄと、光軸に平行な両
側面２１Ｅとを有するたとえば角柱状（三角柱）を呈
し、レーザー容器２と全反射鏡３との間であって、全反
射鏡３から所定距離だけ離れた位置にこれを設けてあ
る。

【００３６】この所定の距離としては、プリズム２１を
移動させると、ビーム強度の均一性が変化するので、そ
のビーム強度が最も均一となる位置を表している。

【００３７】また、このプリズム２１の配置姿勢として
は、Ｚ軸に平行な方向に（光共振器５の光軸に対して直
角に）、かつ放電電極６を含む平面（Ｘ−Ｙ平面）に対
して直角にその入射面２１Ａを向けてあるとともに、そ
の頂角部２１Ｂを全反射鏡３側に向けてある。

【００３８】本発明におけるプリズムの形状としては各
種のものを採用可能である。たとえば、図２に示すプリ
ズム２２は、光軸に垂直な入射面２２Ａと、頂角部２２
Ｂと、入射面２２Ａに所定の角度で対向する斜面２２Ｃ
および斜面２２Ｄと、光軸に平行な左側面２２Ｅおよび
右側面２２Ｆと、光軸に平行な上面２２Ｇおよび下面２
２Ｈとを有する五角柱である。

【００３９】図３に示すプリズム２３は、光軸に垂直な
入射面２３Ａと、頂角部２３Ｂと、入射面２３Ａに所定
の角度で対向する斜面２３Ｃ、斜面２３Ｄ、斜面２３Ｅ
および斜面２３Ｆと、光軸に平行な左側面２３Ｇおよび
右側面２３Ｈと、光軸に平行な上面２３Ｉおよび下面２
３Ｊとを有する五角柱である。なお、斜面２３Ｃ、斜面
２３Ｄ、斜面２３Ｅおよび斜面２３Ｆは四角錐をなす。

【００４０】以下、エキシマーレーザー発振器２０の動
作について説明する。レーザー容器２から放射されたビ
ームは、プリズム２１に入射される。入射されたビーム
は、このプリズム２１によりふたつの方向に偏向され
る。すなわち、光軸を境に上側のビームは下向きに、下
側のビームは上向きに偏向される。

【００４１】偏向された光は全反射鏡３で反射され、プ
リズム２１で再び偏向されて光軸に平行なビームとして
部分反射鏡４を通して出射される。

【００４２】なお、プリズム２１により偏向されるビー
ムは、全反射鏡３の表面上で収束することになるので、
全反射鏡３は従来のものよりこれを小型化することがで
きる。

【００４３】偏向されるビームについてより具体的に述
べると、たとえば、光軸から遠い点Ｐ１および光軸に近
い点Ｑ１で発生したビームはそれぞれ、プリズム２１お
よび全反射鏡３によって、光軸に近い点Ｐ２および光軸
から遠い点Ｑ２を通過することになる。

【００４４】すなわち、図示のプリズムの配置姿勢にお
いて、つまりＺ軸方向において、光軸に対し中心部で発
生したビームは外周部へ、外周部で発生したビームは中
心部へとそれぞれ移動する。

【００４５】このような移動が部分反射鏡４と全反射鏡
３との間で繰り返し行われて、一種の重ね合わせが行わ
れ、その一部が出射ビームとなる。このビームはＺ軸方
向においてレーザー光の重ね合わせが行われたことによ
り、ビーム強度が均一となる。

【００４６】なお上記プリズム２１は、そのすべての面
を平面で構成してあるが、たとえば図２に示すプリズム
２２の斜面２２Ｃおよび斜面２２Ｄを、球面、あるいは
平面を除く非球面などの曲面としたレンズや、図３に示
すプリズム２３の斜面２３Ｃ、斜面２３Ｄ、斜面２３Ｅ
および斜面２３Ｆを、球面、あるいは平面を除く非球面
などの曲面としたレンズを使用することもできる。

【００４７】たとえば図４は、本発明におけるプリズム
のさらに他の例を示すものであって、プリズムを円錐状
のプリズム２４としたものである。

【００４８】図４に示すプリズム２４は、光軸に垂直な
入射面２４Ａと、頂角部２４Ｂと、入射面２４Ａに所定
の角度で対向する円錐状の斜面２４Ｃと、光軸に平行な
円周面２４Ｄとを有する。

【００４９】こうしたプリズム２４を用いれば、ビーム
強度が均一化される平面が前述のプリズム２１、２２、
２３のようにその斜面の数に依存することなく、Ｚ軸方
向においてビーム強度を均一化することができるのみな
らず、Ｘ軸（光軸）まわりの方向において、つまり光軸
のまわり３６０度の全方位においてレーザー光を重ね合
わせることにより、全方位における均一化を図ることが
できる。

【００５０】したがって、放電電極６上のチリあるいは
そのわずかなズレや、レーザー発振による発熱にともな
う各構成部品のゆがみなどにより放電状態が不均一とな
り、この放電状態にともなうビーム強度の不均一性が生
じても、これを適正に均一化することが可能となる。

【００５１】つぎに図５は、本発明の第二の実施例によ
るエキシマーレーザー発振器３０を示すもので、前記プ
リズム２１は、プリズム移動機構３１にこれを取り付け
てある。

【００５２】このプリズム移動機構３１は、一軸ステー
ジ固定部３２と、一軸ステージ可動部３３と、ホルダ固
定部３４と、プリズム可動部３５と、傾き調整ねじ３６
とを有する。

【００５３】一軸ステージ可動部３３は、光路に沿って
移動可能に上記一軸ステージ固定部３２にこれを取り付
けてあり、この一軸ステージ可動部３３上にホルダ固定
部３４を固定してある。

【００５４】プリズム可動部３５は、ホルダ固定部３４
にこれを取り付け、光路に対して垂直方向の移動が可能
となるようにする。

【００５５】このプリズム可動部３５にプリズム２１を
保持し、傾き調整ねじ３６を調整することによってプリ
ズム２１の光軸とレーザー光とを平行にする。

【００５６】本発明における重要な要素のひとつは、全
反射鏡３とプリズム２１との間の距離である。すなわ
ち、ビームの重ね合わせが行われたときのビーム強度
は、全反射鏡３とプリズム２１との間の距離に支配され
る。

【００５７】この全反射鏡３とプリズム２１との間の距
離と、ビーム強度との関係の一例を図６（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。図６においては、図８
および図９と同様に、縦軸にビーム強度、横軸に放電電
極６に垂直な方向（図７のＺ軸方向）の断面位置を取
り、全反射鏡３の表面とプリズム２１の先端（頂角部２
１Ｂ）との間の距離が５．５ｍｍの場合を（ａ）に、
７．０ｍｍの場合を（ｂ）に、９．０ｍｍの場合を
（ｃ）に、１１．０ｍｍの場合を（ｄ）にそれぞれ示し
てある。

【００５８】図６から明らかなように、全反射鏡３とプ
リズム２１との間の距離が近い場合には図８に示したよ
うにガウシャンライクなビーム断面強度分布を示し、プ
リズム２１を全反射鏡３から遠ざけるにしたがって、た
とえば（ｃ）のように均一分布に変化する。そしてやが
て均一分布ではなくなり、プリズム２１の形状に依存す
る複雑な分布へと変化する。

【００５９】このように、重ね合わせが行われたビーム
強度分布は、全反射鏡３とプリズム２１との間の距離に
依存する。したがって、均一なビームを必要とする場合
には、上述した一軸ステージ可動部３３を移動させ、全
反射鏡３とプリズム２１との間の距離を所定の距離（図
６に示す例では９．０ｍｍ）とする。

【００６０】また均一な分布のビームを必要としないと
きには、全反射鏡３に対して一軸ステージ可動部３３を
移動させることにより、任意のビーム幅を有するビーム
を得ることができる。

【００６１】なお、プリズム２１の移動にともなって機
械的ガタツキなどに起因する光軸のズレが発生した場合
には、傾き調整ねじ３６を用いてこれを調整することが
できる。

【００６２】なお、上述の実施例では、レーザー容器２
の外側に光共振器５を設けたいわゆる外部共振器タイプ
について説明したが、レーザー容器２の内部に光共振器
５を設けた内部共振器タイプについても同様である。

【００６３】また、プリズム２１を移動させるかわりに
全反射鏡３を移動させるように構成することもできる。

【００６４】さらに、プリズム２１あるいは全反射鏡３
を移動させる移動機構は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、少なくともプリズム２１および全反射鏡３
のいずれか一方を光路に沿って移動することができるも
のであればよい。

【００６５】たとえば、プリズム２１を全反射鏡３また
はレーザー容器２に、光路に沿って移動可能に取り付け
るようにしてもよい。

【００６６】なお、既述のプリズム２１、２２、２３、
２４のビーム通過面には無反射コーティングを施すこと
が好ましい。

【００６７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、エキシマ
ーレーザー発振器の光共振器の全反射鏡の手前にプリズ
ムを配置したことにより、エキシマーレーザー発振器か
らの出射ビームのビーム強度を均一化することができ
る。

【００６８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例によるエキシマーレーザ
ー発振器２０の概略構成図である。

【図２】同、プリズムの変形の一例（プリズム２２）を
示す正面図および右側面図である。

【図３】同、プリズムの変形の他例（プリズム２３）を
示す正面図および右側面図である。

【図４】同、プリズムの変形のさらに他例（円錐状のプ
リズム２４）を示す正面図および右側面図である。

【図５】本発明の第二の実施例によるエキシマーレーザ
ー発振器３０を示す概略構成図である。

【図６】同、エキシマーレーザー発振器の全反射鏡３と
プリズム２１との間の距離とビーム強度との関係を示す
グラフである。

【図７】従来のエキシマーレーザー発振器１の概略斜視
図である。

【図８】同、Ｚ軸方向におけるＸＹ平面におけるビーム
強度のグラフである。

【図９】同、Ｘ軸方向におけるＹＺ平面におけるビーム
強度のグラフである。

【図１０】従来の出射ビームのビーム強度を均一化可能
としたエキシマーレーザー発振器１の構成図である。

【符号の説明】

１ エキシマーレーザー発振器 ２ レーザー容器 ３ 全反射鏡 ４ 部分反射鏡 ５ 光共振器 ６ 一対の放電電極 ６Ａ 一対の放電電極６の頂面 １０ エキシマーレーザ発振器 １１ プリズム １２ 光共振器 １３ ビームホモジナイザなどの光学系 ２０ エキシマーレーザー発振器 ２１ プリズム ２１Ａ 光軸に垂直な、プリズム２１の入射面 ２１Ｂ プリズム２１の頂角部 ２１Ｃ、２１Ｄ 入射面２１Ａに所定の角度で対向する
斜面 ２１Ｅ 光軸に平行な両側面 ２２ プリズム ２２Ａ 光軸に垂直な入射面 ２２Ｂ 頂角部 ２２Ｃ、２２Ｄ 入射面２２Ａに所定の角度で対向する
斜面 ２２Ｅ、２２Ｆ 光軸に平行な左側面および右側面 ２２Ｇ、２２Ｈ 光軸に平行な上面および下面 ２３ プリズム ２３Ａ 光軸に垂直な入射面 ２３Ｂ 頂角部 ２３Ｃ、２３Ｄ、２３Ｅ、２３Ｆ 入射面２３Ａに所定
の角度で対向する斜面 ２３Ｇ、２３Ｈ 光軸に平行な左側面および右側面 ２３Ｉ、２３Ｊ 光軸に平行な上面および下面 ２４ プリズム ２４Ａ 光軸に垂直な入射面 ２４Ｂ 頂角部 ２４Ｃ 入射面２４Ａに所定の角度で対向する円錐状の
斜面 ２４Ｄ 光軸に平行な円周面 ３０ エキシマーレーザー発振器 ３１ プリズム移動機構 ３２ 一軸ステージ固定部 ３３ 一軸ステージ可動部 ３４ ホルダ固定部 ３５ プリズム可動部 ３６ 傾き調整ねじ ２Ｌ 放電電極６の長さ ２Ｄ 放電電極６の頂面６Ａの間の間隔 Ｐ１、Ｑ２ 光軸から遠い点 Ｐ２、Ｑ１ 光軸に近い点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/08 H01S 3/034

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー容器と、 このレーザー容器に収容した互いに平行な一対の放電電
   極と、 このレーザー容器の前後にそれぞれ設けた単一の 全反射
   鏡および単一の部分反射鏡を備えた光共振器と、を有す
   るとともに、 前記一対の放電電極は、前記光共振器の間にその光軸に
   平行に位置するようにこれを配置した エキシマーレーザ
   ー発振器であって、 前記光共振器内の光路上において前記全反射鏡から所定
   の距離だけ離れた位置に、かつその頂角部を前記全反射
   鏡側に向けて単一のプリズムを配置するとともに、 このプリズムの入射面は、前記一対の放電電極の上下方
   向の中心を含む平面に対して直角に、かつ前記光共振器
   の前記光軸に対して直角にこれを配置し、さらに 前記全
   反射鏡、前記部分反射鏡および前記プリズムは、前記一
   対の放電電極の上下方向の中心を含む前記平面に対して
   それぞれ対称である ことを特徴とするエキシマーレーザ
   ー発振器。
2. 【請求項２】 前記プリズムは、これを角錐状とした
   ことを特徴とする請求項１記載のエキシマーレーザー発
   振器。
3. 【請求項３】 前記プリズムは、これを円錐状とした
   ことを特徴とする請求項１記載のエキシマーレーザー発
   振器。
4. 【請求項４】 レーザー容器と、 このレーザー容器に収容した互いに平行な一対の放電電
   極と、 このレーザー容器の前後にそれぞれ設けた全反射鏡およ
   び部分反射鏡を備えた光共振器と、を有するとともに、 前記一対の放電電極は、前記光共振器の間にその光軸に
   平行に位置するようにこれを配置したエキシマーレーザ
   ー発振器であって、 前記光共振器内の光路上において前記全反射鏡から所定
   の距離だけ離れた位置に 角錐状のプリズムを配置すると
   ともに、 このプリズムの入射面は、前記一対の放電電極の上下方
   向の中心を含む平面 に対して直角に、かつ前記光共振器
   の前記光軸に対して直角にこれを配置した ことを特徴と
   するエキシマーレーザー発振器。
5. 【請求項５】 レーザー容器と、 このレーザー容器に収容した互いに平行な一対の放電電
   極と、 このレーザー容器の前後にそれぞれ設けた全反射鏡およ
   び部分反射鏡を備えた光共振器と、を有するとともに、 前記一対の放電電極は、前記光共振器の間にその光軸に
   平行に位置するようにこれを配置したエキシマーレーザ
   ー発振器であって、 前記光共振器内の光路上において前記全反射鏡から所定
   の距離だけ離れた位置に 円錐状のプリズムを配置すると
   ともに、 このプリズムの入射面は、前記一対の放電電極の上下方
   向の中心を含む平面に対して直角に、かつ前記光共振器
   の前記光軸に対して直角にこれを配置した ことを特徴と
   するエキシマーレーザー発振器。