JPH0732073B2 - 極短波長レーザ用プラズマ発生装置 - Google Patents
極短波長レーザ用プラズマ発生装置Info
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- JPH0732073B2 JPH0732073B2 JP3204734A JP20473491A JPH0732073B2 JP H0732073 B2 JPH0732073 B2 JP H0732073B2 JP 3204734 A JP3204734 A JP 3204734A JP 20473491 A JP20473491 A JP 20473491A JP H0732073 B2 JPH0732073 B2 JP H0732073B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21B—FUSION REACTORS
- G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
- G21B1/11—Details
- G21B1/23—Optical systems, e.g. for irradiating targets, for heating plasma or for plasma diagnostics
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S4/00—Devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in wave ranges other than those covered by groups H01S1/00, H01S3/00 or H01S5/00, e.g. phonon masers, X-ray lasers or gamma-ray lasers
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
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- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、極短波長レーザ用プラ
ズマ発生装置に関するものである。
ズマ発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】レーザの発明以来、レーザ波長の短波長
化の努力が続けられ、短波長化が進む毎にレーザの応用
分野も広がってきた。特に近年、１００ｎｍ以下の波長
の極短波長レーザの研究が盛んである。レーザ波長を短
くするためには波長の逆数の４乗以上の大きな励起パワ
ーが必要になるため、極短波長レーザの実現には多くの
物理学的，技術的課題を解決しなければならない。極短
波長レーザを実現する有力な方式に再結合方式がある。
これは、高温のプラズマを急冷し、励起状態にあった電
子が徐々に熱平衡化していく過渡段階での非平衡状態を
利用して、極短波長光を増幅しようというものである。
最も急速な冷却法は断熱膨張冷却である。これは、気体
を自由膨張させると、膨張による密度低下に伴って粒子
の熱運動が並進運動に変わり温度が低下する、という原
理に基づくものである。極短波長レーザの十分な増幅に
は、再結合イオン中の状態分布の非熱平衡の度合いが高
くなければならないが、このためには、熱平衡化の速度
より速く温度を低下させなければならない、つまり急激
な膨張が必要である。
化の努力が続けられ、短波長化が進む毎にレーザの応用
分野も広がってきた。特に近年、１００ｎｍ以下の波長
の極短波長レーザの研究が盛んである。レーザ波長を短
くするためには波長の逆数の４乗以上の大きな励起パワ
ーが必要になるため、極短波長レーザの実現には多くの
物理学的，技術的課題を解決しなければならない。極短
波長レーザを実現する有力な方式に再結合方式がある。
これは、高温のプラズマを急冷し、励起状態にあった電
子が徐々に熱平衡化していく過渡段階での非平衡状態を
利用して、極短波長光を増幅しようというものである。
最も急速な冷却法は断熱膨張冷却である。これは、気体
を自由膨張させると、膨張による密度低下に伴って粒子
の熱運動が並進運動に変わり温度が低下する、という原
理に基づくものである。極短波長レーザの十分な増幅に
は、再結合イオン中の状態分布の非熱平衡の度合いが高
くなければならないが、このためには、熱平衡化の速度
より速く温度を低下させなければならない、つまり急激
な膨張が必要である。
【０００３】平面状プラズマが平面的に膨張するより
も、円筒状プラズマが放射状に膨張する方が大きな密度
低下が得られ、したがって、大きな極短波長レーザ増幅
能力が期待できる。平面の場合と円筒の場合のこの予想
される相違は、実験的にも確認されている（富江他、第
２回Ｘ線レーザ国際会議議事録、T.Tomie et al.Confer
ence Handbook 2nd International Colloquium X-Ray L
asers,York,1990 ）。急激な膨張が期待できる円筒状プ
ラズマは、細いファイバを励起レーザで照射することで
生成できる。７ミクロン直径の炭素ファイバをターゲッ
トとして１８ナノメータの極短波長光が増幅されること
が実験的に確認されている（シュネー・ポポヴィッチ
他、フィジカル・レヴュー・レターズ５９巻２１６１頁
１９８７年、C.Chenais-Popovich,Phys.Rev.Lett.59 21
61 (1987) ）。
も、円筒状プラズマが放射状に膨張する方が大きな密度
低下が得られ、したがって、大きな極短波長レーザ増幅
能力が期待できる。平面の場合と円筒の場合のこの予想
される相違は、実験的にも確認されている（富江他、第
２回Ｘ線レーザ国際会議議事録、T.Tomie et al.Confer
ence Handbook 2nd International Colloquium X-Ray L
asers,York,1990 ）。急激な膨張が期待できる円筒状プ
ラズマは、細いファイバを励起レーザで照射することで
生成できる。７ミクロン直径の炭素ファイバをターゲッ
トとして１８ナノメータの極短波長光が増幅されること
が実験的に確認されている（シュネー・ポポヴィッチ
他、フィジカル・レヴュー・レターズ５９巻２１６１頁
１９８７年、C.Chenais-Popovich,Phys.Rev.Lett.59 21
61 (1987) ）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述の論文は７ミクロ
ン直径８ミリ長の炭素ファイバをターゲットとして１８
ナノメータの極短波長光のある程度の増幅を報告してい
るが、さらに十分な増幅を行い、実用的な極短波長レー
ザのエネルギーを得るには数センチ以上の長さのプラズ
マが必要である。光は直進するので極短波長光を増幅す
るにはプラズマも真直ぐでなければならない。しかし、
７ミクロン直径という細いファイバは長くなると屈曲は
避けられず、２センチ以上の真直プラズマをファイバー
ターゲットで生成するのは極めて困難である。また、細
いファイバに励起レーザエネルギーを効率よく吸収させ
るのは困難で、実験的にも１０％以下の吸収率しか得ら
れていないという問題点があった。
ン直径８ミリ長の炭素ファイバをターゲットとして１８
ナノメータの極短波長光のある程度の増幅を報告してい
るが、さらに十分な増幅を行い、実用的な極短波長レー
ザのエネルギーを得るには数センチ以上の長さのプラズ
マが必要である。光は直進するので極短波長光を増幅す
るにはプラズマも真直ぐでなければならない。しかし、
７ミクロン直径という細いファイバは長くなると屈曲は
避けられず、２センチ以上の真直プラズマをファイバー
ターゲットで生成するのは極めて困難である。また、細
いファイバに励起レーザエネルギーを効率よく吸収させ
るのは困難で、実験的にも１０％以下の吸収率しか得ら
れていないという問題点があった。
【０００５】本発明は、上記の問題点を解決するために
なされたもので、急激な膨張が可能で、かつ十分な長さ
の真直プラズマを高い加熱効率で生成することができる
極短波長レーザ用プラズマ発生装置を得ることを目的と
する。
なされたもので、急激な膨張が可能で、かつ十分な長さ
の真直プラズマを高い加熱効率で生成することができる
極短波長レーザ用プラズマ発生装置を得ることを目的と
する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る極短波長レ
ーザ用プラズマ発生装置は、高温プラズマ源と、この高
温プラズマ源の高温プラズマを噴出させる狭い間隔を有
する細長いスリットが形成された遮蔽板とからなるもの
である。
ーザ用プラズマ発生装置は、高温プラズマ源と、この高
温プラズマ源の高温プラズマを噴出させる狭い間隔を有
する細長いスリットが形成された遮蔽板とからなるもの
である。
【０００７】さらに、高温プラズマ源は、励起レーザビ
ームを透過する窓と、遮蔽板との間に空間部を形成し、
この空間部に励起レーザビームの加熱によって発生した
高温プラズマを閉じ込めることが可能である。また、ス
リットを開閉する手段を遮蔽板に設けることも可能であ
る。
ームを透過する窓と、遮蔽板との間に空間部を形成し、
この空間部に励起レーザビームの加熱によって発生した
高温プラズマを閉じ込めることが可能である。また、ス
リットを開閉する手段を遮蔽板に設けることも可能であ
る。
【０００８】
【作用】本発明は、効率よく生成した高温プラズマを狭
い間隙のスリットを通じて噴出させることで、高効率プ
ラズマ生成と急速な膨張とが同時に実現できる。また、
励起レーザビームの照射により容易に高温プラズマ源が
得られる。さらに、スリットを開閉する手段を設けるこ
とにより液体または気体がプラズマ化する前にスリット
側から流出するのを防止することができ、ターゲット材
料として液体または気体の使用も可能になる。
い間隙のスリットを通じて噴出させることで、高効率プ
ラズマ生成と急速な膨張とが同時に実現できる。また、
励起レーザビームの照射により容易に高温プラズマ源が
得られる。さらに、スリットを開閉する手段を設けるこ
とにより液体または気体がプラズマ化する前にスリット
側から流出するのを防止することができ、ターゲット材
料として液体または気体の使用も可能になる。
【０００９】
【実施例】図１は本発明の一実施例を示す側断面略図、
図２は、図１のプラズマ発生装置を極短波長レーザ発振
器に備えた例を示す要部の平面略図である。これらの図
において、１はプラズマ発生装置の全体を示し、２は前
記プラズマ発生装置１に設けた透明な窓、３は遮蔽板、
４は前記遮蔽板３に形成したスリット、５は前記窓２と
遮蔽板３との間に形成された空間部、６は励起レーザー
ビーム、７は前記空間部５に閉じ込められた高温プラズ
マ源（高温プラズマとも云う）、８は前記スリット４か
ら噴出した噴出プラズマである。
図２は、図１のプラズマ発生装置を極短波長レーザ発振
器に備えた例を示す要部の平面略図である。これらの図
において、１はプラズマ発生装置の全体を示し、２は前
記プラズマ発生装置１に設けた透明な窓、３は遮蔽板、
４は前記遮蔽板３に形成したスリット、５は前記窓２と
遮蔽板３との間に形成された空間部、６は励起レーザー
ビーム、７は前記空間部５に閉じ込められた高温プラズ
マ源（高温プラズマとも云う）、８は前記スリット４か
ら噴出した噴出プラズマである。
【００１０】また、図２において、図１と同一符号は同
一部分を示し、９は共振器、１０は極短波長光反射鏡、
１１は極短波長光半透鏡、１２は極短波長レーザ出力で
ある。
一部分を示し、９は共振器、１０は極短波長光反射鏡、
１１は極短波長光半透鏡、１２は極短波長レーザ出力で
ある。
【００１１】次に、動作について説明する。遮蔽板３の
狭いスリット４を通して高温プラズマ７が噴出し、急激
な膨張により急激な温度低下が生じる。急激な温度低下
後の噴出プラズマ８の過渡的な非平衡状態の中に極短波
長光を増幅する能力が発生し、例えば図２に示すような
共振器９を組むことで極短波長レーザ発振が得られる。
なお、スリット４は、その間隙は、例えば１０ミクロン
程度であるが、長手方向には数センチの長さを持つもの
である。高温プラズマ７は励起レーザビーム６による加
熱で発生させることができる。励起レーザビーム６を透
過させる材料で作られる窓２を用いることにより、励起
レーザビーム６による加熱は可能にしながら高温プラズ
マ７を空間部５内に閉じ込めることも可能である。窓２
を用いて高温プラズマ７を閉じ込めることでスリット４
からの噴出速度を高め、また、高温プラズマ７の利用効
率を高めることができる。噴出プラズマ８の急激な密度
低下のためには、非常に狭い間隙のスリット４が必要に
なるが、遮蔽板３背後の高温プラズマ７は比較的大きく
ても良いので、噴出膨張した噴出プラズマ８の生成のた
めの励起レーザビーム６の利用効率を高くできる。
狭いスリット４を通して高温プラズマ７が噴出し、急激
な膨張により急激な温度低下が生じる。急激な温度低下
後の噴出プラズマ８の過渡的な非平衡状態の中に極短波
長光を増幅する能力が発生し、例えば図２に示すような
共振器９を組むことで極短波長レーザ発振が得られる。
なお、スリット４は、その間隙は、例えば１０ミクロン
程度であるが、長手方向には数センチの長さを持つもの
である。高温プラズマ７は励起レーザビーム６による加
熱で発生させることができる。励起レーザビーム６を透
過させる材料で作られる窓２を用いることにより、励起
レーザビーム６による加熱は可能にしながら高温プラズ
マ７を空間部５内に閉じ込めることも可能である。窓２
を用いて高温プラズマ７を閉じ込めることでスリット４
からの噴出速度を高め、また、高温プラズマ７の利用効
率を高めることができる。噴出プラズマ８の急激な密度
低下のためには、非常に狭い間隙のスリット４が必要に
なるが、遮蔽板３背後の高温プラズマ７は比較的大きく
ても良いので、噴出膨張した噴出プラズマ８の生成のた
めの励起レーザビーム６の利用効率を高くできる。
【００１２】このように、高温プラズマ７の急速冷却を
可能にする急激な膨張は、遮蔽板３に形成された狭い間
隙を有する細長いスリット４を通して高温プラズマ７を
噴出させることで実現可能である。ファイバとは比べも
のにならない強度を有する遮蔽板３を使うため、十分に
長い真直の噴出プラズマ８を形成することが可能であ
る。遮蔽板３の背後の高温プラズマ源７を生成する際に
は、スリット４を通してのエネルギー注入は避けなけれ
ばならない。その理由は、高温プラズマ７の急激な膨張
を行うために狭くしたスリット４を通してエネルギー注
入を行い、遮蔽板３の背後に高温プラズマ７を生成する
のは可能であるが、その際、遮蔽板３そのものにもエネ
ルギーが吸収されることは避け難く、その表面から新た
なプラズマが発生し、その存在がスリット４から噴出す
る噴出プラズマ８の急激な膨張を妨げるからである。
可能にする急激な膨張は、遮蔽板３に形成された狭い間
隙を有する細長いスリット４を通して高温プラズマ７を
噴出させることで実現可能である。ファイバとは比べも
のにならない強度を有する遮蔽板３を使うため、十分に
長い真直の噴出プラズマ８を形成することが可能であ
る。遮蔽板３の背後の高温プラズマ源７を生成する際に
は、スリット４を通してのエネルギー注入は避けなけれ
ばならない。その理由は、高温プラズマ７の急激な膨張
を行うために狭くしたスリット４を通してエネルギー注
入を行い、遮蔽板３の背後に高温プラズマ７を生成する
のは可能であるが、その際、遮蔽板３そのものにもエネ
ルギーが吸収されることは避け難く、その表面から新た
なプラズマが発生し、その存在がスリット４から噴出す
る噴出プラズマ８の急激な膨張を妨げるからである。
【００１３】例えば、１ミリ幅の高温プラズマ７を１０
ミクロンの間隙を有するスリット４から噴出させること
も可能で、スリット４から噴出する遮蔽板３背後のプラ
ズマはそれほど小さくなくても良い。したがって、噴出
プラズマ８の生成が容易であり、プラズマへのエネルギ
ー注入効率を高める種々の方策が施し得る。例えば励起
レーザビーム６が１００ミクロンにしか集光できないと
き、１０ミクロン直径のファイバがターゲットの場合、
議論を単純化すると９０％のエネルギーはターゲットに
当らず利用されないことになるが、本発明においては全
ての励起エネルギーをプラズマ生成に利用できる。例え
ばファイバをターゲットにする場合は、真直ぐな細いフ
ァイバが作製可能な物質あるいは真直ぐなファイバに蒸
着可能な物質だけがターゲット材料になり得たが、本発
明ではあらゆる種類の固体が使用可能であるばかりでな
く、液体，気体もターゲット材料として使用可能であ
る。液体，気体をターゲット材料として用いる場合に
は、エネルギー注入によるプラズマ化の前に素材がスリ
ット４から流出するのを防ぐために、遮蔽板３に機械的
な開閉機構を持たせるか、機械的，熱的その他の方法で
開封できる薄膜などの手段でスリット４を封じておく。
スリット４から噴出すべき高温プラズマ源７の遮蔽板３
の背後に生成するには、励起レーザビーム６に対して透
明な材料で作られた窓２を通して、窓２と遮蔽板３の間
にはさまれた固体ターゲットあるいは窓２と遮蔽板３の
間に形成された空間部５に閉じ込められた気体または液
体ターゲットに励起レーザビーム６を照射することによ
って行うことで、高温プラズマ源７の利用が高められ
る。プラズマを閉じ込めた空間部５への励起レーザビー
ム６の注入には反射鏡の多重反射あるいは光ファイバな
どの方法も可能である。また、磁場を用いた閉じ込めも
可能である。高温プラズマ７の生成のエネルギー源とし
ては、レーザなどの光源以外に粒子ビーム、Ｚピンチ，
高周波などによる加熱も可能である。
ミクロンの間隙を有するスリット４から噴出させること
も可能で、スリット４から噴出する遮蔽板３背後のプラ
ズマはそれほど小さくなくても良い。したがって、噴出
プラズマ８の生成が容易であり、プラズマへのエネルギ
ー注入効率を高める種々の方策が施し得る。例えば励起
レーザビーム６が１００ミクロンにしか集光できないと
き、１０ミクロン直径のファイバがターゲットの場合、
議論を単純化すると９０％のエネルギーはターゲットに
当らず利用されないことになるが、本発明においては全
ての励起エネルギーをプラズマ生成に利用できる。例え
ばファイバをターゲットにする場合は、真直ぐな細いフ
ァイバが作製可能な物質あるいは真直ぐなファイバに蒸
着可能な物質だけがターゲット材料になり得たが、本発
明ではあらゆる種類の固体が使用可能であるばかりでな
く、液体，気体もターゲット材料として使用可能であ
る。液体，気体をターゲット材料として用いる場合に
は、エネルギー注入によるプラズマ化の前に素材がスリ
ット４から流出するのを防ぐために、遮蔽板３に機械的
な開閉機構を持たせるか、機械的，熱的その他の方法で
開封できる薄膜などの手段でスリット４を封じておく。
スリット４から噴出すべき高温プラズマ源７の遮蔽板３
の背後に生成するには、励起レーザビーム６に対して透
明な材料で作られた窓２を通して、窓２と遮蔽板３の間
にはさまれた固体ターゲットあるいは窓２と遮蔽板３の
間に形成された空間部５に閉じ込められた気体または液
体ターゲットに励起レーザビーム６を照射することによ
って行うことで、高温プラズマ源７の利用が高められ
る。プラズマを閉じ込めた空間部５への励起レーザビー
ム６の注入には反射鏡の多重反射あるいは光ファイバな
どの方法も可能である。また、磁場を用いた閉じ込めも
可能である。高温プラズマ７の生成のエネルギー源とし
ては、レーザなどの光源以外に粒子ビーム、Ｚピンチ，
高周波などによる加熱も可能である。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる極
短波長レーザ用プラズマ発生装置は、高温プラズマ源
と、この高温プラズマ源の高温プラズマを噴出させる狭
い間隔を有する細長いスリットが形成された遮蔽板とか
らなるので、十分な長さの真直プラズマを高いエネルギ
ー効率で生成することができる利点を有する。また、高
温プラズマ源は、励起レーザビームを透過する窓と、遮
蔽板との間に空間部を形成し、この空間部に励起レーザ
ビームの加熱によって発生した高温プラズマを閉じ込め
ることで、エネルギー利用効率を高められる。さらに、
スリットを開閉する手段を遮蔽板に設けることで、流体
または気体の素材の利用も可能であるという利点を有す
る。
短波長レーザ用プラズマ発生装置は、高温プラズマ源
と、この高温プラズマ源の高温プラズマを噴出させる狭
い間隔を有する細長いスリットが形成された遮蔽板とか
らなるので、十分な長さの真直プラズマを高いエネルギ
ー効率で生成することができる利点を有する。また、高
温プラズマ源は、励起レーザビームを透過する窓と、遮
蔽板との間に空間部を形成し、この空間部に励起レーザ
ビームの加熱によって発生した高温プラズマを閉じ込め
ることで、エネルギー利用効率を高められる。さらに、
スリットを開閉する手段を遮蔽板に設けることで、流体
または気体の素材の利用も可能であるという利点を有す
る。
【図１】本発明の一実施例を示す側断面略図である。
【図２】図１のプラズマ発生装置を極短波長レーザ発振
器に備えた例を示す要部の平面略図である。
器に備えた例を示す要部の平面略図である。
１ プラズマ発生装置 ２ 窓 ３ 遮蔽板 ４ スリット ５ 空間部 ６ 励起レーザビーム ７ 高温プラズマ源 ８ 噴出プラズマ ９ 共振器 １０ 極短波長光反射鏡 １１ 極短波長光半透鏡 １２ 極短波長レーザ出力
Claims (3)
- 【請求項１】高温プラズマ源と、この高温プラズマ源の
高温プラズマを噴出させる狭い間隙を有する細長いスリ
ットが形成された遮蔽板とからなることを特徴とする極
短波長レーザ用プラズマ発生装置。 - 【請求項２】高温プラズマ源は、励起レーザビームを透
過する窓と、遮蔽板との間に空間部を形成し、この空間
部に前記励起レーザビームの加熱によって発生した高温
プラズマを閉じ込めて形成したことを特徴とする請求項
１記載の極短波長レーザ用プラズマ発生装置。 - 【請求項３】遮蔽板は、スリットの開閉手段を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の極短波長レーザ用プラズ
マ発生装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3204734A JPH0732073B2 (ja) | 1991-07-19 | 1991-07-19 | 極短波長レーザ用プラズマ発生装置 |
| US07/913,174 US5293396A (en) | 1991-07-19 | 1992-07-14 | Plasma generating apparatus and method for extreme-ultaviolet laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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