光源装置 技术领域 本发明涉及一种通过从激光装置放射的激光束点亮的适用于曝光装置等的适宜 的光源装置。
背景技术 公知向封入有发光气体的发光管照射来自激光装置的激光束并激发气体而发光 的光源装置 ( 参照专利文献 1)。
专利文献 1 所公开的光源装置是如下的光源装置 ： 来自使连续或脉冲式的激光振 荡的激光振荡器的光束通过透镜等聚光用光学类部件聚光而照射到封入有发光气体 ( 发 光元素 ) 的发光管， 激发发光管内的发光气体而发光。
从专利文献 1 的第 2 页右上栏的上方起第 16 ～ 18 行记载了如下内容 ： 上述激光 振荡器振荡产生使封入气体激发放电所需的足够强度的连续或脉冲式的激光。
专利文献 1 ： 日本特开昭 61-193358 号公报
作为激发发光管中封入的发光气体的激光束， 如专利文献 1 所记载， 可考虑连续 或脉冲式激光束， 但已知不管使用哪一种激光束都存在以下的问题。
(1) 脉冲式激光的情况下， 由于 “振荡产生使封入气体激发放电所需的足够强度的 脉冲式的激光” ， 因此点亮开始， 但如图 18(a) 所示， 向封入气体间歇地射入激光， 因此， 高温 等离子体状态在激光被切断时一起结束， 难以始终维持高温等离子体状态。 即， 存在维持放 电不稳定的问题。
(2) 连续激光的情况下， 若振荡产生使封入气体开始放电所需的足够强度的连续 激光， 则点亮开始， 但若如图 18(b) 所示在维持高温等离子体状态时也输入与点亮开始时 相同的能量， 则管球被加热， 可能因该热量使管球产生变形而发生破损。 即存在点亮寿命短 的问题。
此外， 放电开始需要的激光的功率为数十～数百 kW， 但连续输出这种大输出的激 光的激光装置大型化且成本也高， 不实用。
发明内容
本发明为了解决上述问题而提出， 本发明的目的是提供一种光源装置， 向封入有 发光元素的发光管照射激光束而发光， 能够不照射大功率的激光束而稳定地维持点亮开始 后的高温等离子体状态， 从而能够稳定地维持发光， 还能够抑制因发光管的加热引起的点 亮寿命降低。
由于脉冲式激光束峰值功率较大， 因此能够通过较小的激光装置的输出来激发封 入到发光管的气体。 另一方面， 连续波激光束不像脉冲式激光束那样被切断， 因此能够通过 向处于高温等离子体点亮状态的发光管照射连续波激光束来维持发光。
从以上情形出发， 本发明人尝试了使用脉冲激光束和连续波激光束双方来点亮封 入有发光元素的发光管。其结果确认了下述事项 ： 向封入有发光元素的发光管照射脉冲激光束， 使点亮开始， 与此同时照射连续波激光束而维持点亮， 由此能够使用较小功率的激光 装置来可靠地使发光管的点亮开始， 并在点亮开始后稳定地维持点亮。
此处， 维持发光时， 需要使由脉冲激光束形成的高能量状态的区域与由连续波激 光束形成的高能量状态的区域在发光管内重合。
因此， 若以脉冲激光束的光路和连续波激光束的光路在发光管内的整个区域重合 的方式配置激光装置， 则能够容易且可靠地使由脉冲激光束和连续波激光束形成的高能量 状态的区域在发光管内重合。
此外， 利用连续波激光束作为激发光， 产生脉冲激光束， 由此能够以比较简单的结 构， 产生光路与连续波激光束重合的脉冲式激光束。
基于以上说明， 本发明中， 如下所述解决所述课题。
(1) 由封入有发光元素的发光管、 朝向该发光管放射脉冲激光束的脉冲激光振荡 部、 朝向该发光管放射连续波激光束的连续波激光振荡部构成光源装置。
(2) 在上述 (1) 的基础上， 来自脉冲激光振荡部的光束的光路与来自所述连续波 激光振荡部的光束的光路至少在发光管内的整个区域重合。
(3) 在上述 (1)、 (2) 的基础上， 脉冲激光振荡部利用来自连续波激光振荡部的光 束的一部分作为激发光， 激发该脉冲激光振荡部内的激光晶体， 放射脉冲激光束。 (4) 在上述 (1)、 (2)、 (3) 的基础上， 在脉冲激光束和连续波激光束的光路的中途 设置聚光单元， 使脉冲激光束和连续波激光束在发光管内聚光， 并且在所述激光束中的至 少一个激光束的光路的中途设置光学单元， 以使由脉冲激光束形成的高能量状态的区域和 由连续波激光束形成的高能量状态的区域在发光管内重合。
本发明可得到以下效果。
(1) 由于由封入有发光元素的发光管、 朝向该发光管放射脉冲激光束的脉冲激光 振荡部、 朝向该发光管放射连续波激光束的连续波激光振荡部构成光源装置， 因此能够利 用脉冲式激光束形成高温等离子体状态， 利用连续波光束维持高温等离子体状态， 能够抑 制高温等离子体状态被切断， 能够使放电状态稳定。
此外， 连续波激光束的亮度是维持高温等离子体状态所需的强度即可， 能够使用 功率较小的激光振荡部， 因此能够使发光管不被加热而实现长寿命。
此外， 由于脉冲式激光束峰值功率较大， 因此能够通过平均输出较小的激光装置 形成高温等离子体状态， 此外， 连续波激光振荡部也能够使用输出较小的振荡部， 因此装置 不会大型化。
(2) 来自脉冲激光振荡部的光束的光路与来自所述连续波激光振荡部的光束的光 路至少在发光管内的整个区域重合， 由此能够在发光管的内部使脉冲式激光束和连续波激 光束的高能量状态区域可靠地重合。因此， 能够可靠地进行高温等离子体状态的生成和高 温等离子体状态的维持， 抑制高温等离子体状态被切断， 能够稳定地放电。
(3) 脉冲激光振荡部利用来自连续波激光振荡部的光束的一部分作为激发光来激 发该脉冲激光振荡部内的激光晶体， 放射脉冲激光束， 由此能够使装置结构简单化。
此外， 能够可靠地使脉冲式激光束和连续波激光束的光路重合， 能够可靠地进行 高温等离子体状态的生成和高温等离子体状态的维持。
(4) 在脉冲激光束和连续波激光束的光路的中途设置聚光单元， 使脉冲激光束和
连续波激光束在发光管内聚光， 并且在所述激光束中的至少一个激光束的光路的中途设置 光学单元， 由此能够可靠地使由脉冲激光束形成的高能量状态的区域和由连续波激光束形 成的高能量状态的区域重合。
此外， 通过如上所述设置光学单元， 即使脉冲激光束和连续波激光束的波长不同， 也能够校正该差异产生的色差， 能够可靠地使由脉冲激光束形成的高能量状态的区域与由 连续波激光束形成的高能量状态的区域重合。 附图说明
图 1 是表示将本发明的光源装置适用于曝光装置时的结构例的图。 图 2 是表示本发明的光源装置的第 1 实施例的图。 图 3 是发光管内部的脉冲式光束和连续波光束的示意图。 图 4 是说明发光管内部的连续波光束和脉冲式光束的状态的图。 图 5 是表示本发明的光源装置的第 2 实施例的图。 图 6 是表示本发明的光源装置的第 3 实施例的图。 图 7 是表示本发明的光源装置的第 4 实施例的图。 图 8 是表示本发明的光源装置的第 5 实施例的图。 图 9 是表示本发明的光源装置的第 6 实施例的图。 图 10 是表示本发明的光源装置的第 7 实施例的图。 图 11 是表示本发明的光源装置的第 8 实施例的图。 图 12 是表示本发明的光源装置的第 9 实施例的图。 图 13 是说明色差的图。 图 14 是表示本发明的光源装置的第 10 实施例的图。 图 15 是表示用于抑制色差的光学单元的配置例的图。 图 16 是表示本发明的光源装置的第 11 实施例的图。 图 17 是说明通过脉冲式光束在聚光点的前侧形成高温等离子体状态时的图。 图 18 是脉冲式激光束、 连续波激光束的示意图。具体实施方式
图 1 是表示将本发明的光源装置适用于其用途的 1 例的曝光装置时的结构例的 图， 图 2 是表示本发明的光源装置的第 1 实施例的图。
首先， 通过图 1 对具备本发明的光源装置的曝光装置进行说明。
曝光装置具备射出光的光源装置 10。 该光源装置 10 使用图 2 详细说明， 因此在此 处简单地说明。
光源装置 10 具备激光振荡部 2、 使来自该激光振荡部 2 的光聚光的聚光单元 3、 由 该聚光单元 3 聚光的光所入射的发光管 1。图 1 中只表示了一个激光振荡部 2， 但如后所述 激光振荡部 2 由输出脉冲式激光束的脉冲激光振荡部、 输出连续波激光束的连续波激光振 荡部构成。
从激光振荡部 2 到聚光单元 3 的光束的光路上设有机械式挡板 (Mechanical Shutter)7 和反射镜 8， 通过使挡板 7 开闭来控制光束的射出 / 不射出。发光管 1 大致由具有旋转椭圆的反射面的反射镜 11a 包围。反射镜 11a 上具有使 来自激光振荡部 2 的光入射的一个的贯通孔 111 和使通过发光管 1 的光射出的另一个贯通 孔 112。
反射镜 11a 和发光管 1 收容在灯罩 11 中。
灯罩 11 上设有构成光源装置 10 的聚光单元 3。此外， 灯罩 11 上还设有将从聚光 反射镜 11a 的另一个贯通孔 112 射出的光聚光的聚光单元 11b。
在灯罩 11 的外部配置有光束收集器 (Beam Dump)12a， 入射来自聚光单元 11b 的光 并使入射光衰减， 使入射光不返回灯罩内。
发光管 1 中， 入射来自激光振荡部 2 的光束， 发光管内部的发光气体被激发， 产生 激发光。该激发光利用反射镜 11a 聚光， 在图 1 中朝向纸面下方射出， 到达分色镜 13。分色 镜 13 将曝光所需的波长的光反射， 使其以外的光透过。在分色镜 13 的背面配置有光束收 集器 12b， 透过分色镜 13 的光在此聚光而形成末端。
由分色镜 13 反射的光通过聚光镜 11a 的聚光而汇聚于焦点， 通过配置在该焦点位 置的滤色镜 14 的孔 (Aperture) 部 14a。此时， 光形成孔部 14a 的形状。
通过孔部 14a 的光扩展并被配置在前进中途的聚光单元 15a 聚光， 形成大致平行 的光。 该光向积分透镜 (Integrator Lens)16 入射， 由在射出侧配置的聚光单元 15b 进 行聚光。从积分透镜 16 的各单元透镜射出的光由聚光单元 15b 进行聚光， 由此以较短的距 离重叠， 实现照度的均匀化。
从聚光单元 15b 射出的光重叠并由反射镜 17 反射， 向准直透镜 18 入射。从准直 透镜 18 射出的光成为平行光， 通过掩模 19， 照射硅片等被照射物 W。这样， 来自光源装置的 光照射被照射物 W 而进行处理。
接着， 使用图 2 对本发明的第 1 实施例的光源装置进行说明。
另外， 以下说明的第 1 ～ 4 实施例中展示了如下情况 ： 来自连续波激光振荡部 25 的光束的光路和来自脉冲激光振荡部 21 的光束的光路不同， 最终在发光管 1 的内部重合而 聚光。
作为本发明的第 1 实施例的图 2 所示的光源装置包括 ： 在内部封入有发光气体的 发光管 1、 在该发光管 1 的内部形成焦点的衍射光学元件 31(DOE ： Diffractive Optical Element)、 向该衍射光学元件 31 入射脉冲式光束的脉冲激光振荡部 21、 向该衍射光学元件 31 入射连续波光束的连续波激光振荡部 25。来自各激光振荡部 21、 25 的激光束的波长在 该实施例中相同。另外， 以下将连续波光束称为 CW 光束， 将连续波激光振荡部称为 CW 激光 震荡部。此外， 将脉冲式光束称为脉冲光束。
发光管 1 由透过来自各激光振荡部 21、 25 的光束且透过发光元素的激发光的部件 ( 例如石英玻璃 ) 构成。
发光管 1 的形状能够封入发光元素的形状即可。但是， 在以高压 ( 比大气压高的 气压 ) 将发光元素封入时， 若其内表面形状为旋转椭圆面、 球面， 则在发光管 1 的内表面上 压力大致均匀地施加， 因此在耐久性方面较好。
在发光管 1 的内部封入有发光元素， 但根据其用途使用各种发光元素。例如作为 曝光用的光源， 使用水银作为发光元素。此外， 例如作为放映机用的光源， 使用氙气作为发
光元素。 各激光振荡部 21、 25 由未图示的电源装置供电。
从脉冲激光振荡部 21 输出脉冲式光束， 从连续波激光振荡部 25 输出连续波光束。 该两者相对于衍射光学元件 31(DOE) 以相同角度 ( 该图的情况下为平行 ) 入射， 因此通过 后在发光管 1 的内部重合而汇聚于焦点。此时， 在发光管 1 的内部， 如图 3(a) 所示， 脉冲式 光束和连续波光束重合。
封入发光管 1 的内部的发光元素为了形成高温等离子体状态， 需要较大的能量。 脉冲式光束是间歇的， 但能够形成高能量， 因此可推测通过该光束发光元素能够形成高温 等离子体状态。
形成高温等离子体状态后， 维持该状态所需的能量可以比形成高温等离子体状态 时小， 需要连续地供给。
连续的光束在发光管 1 的内部在脉冲式光束入射的位置上重合， 而且， 比脉冲式 光束为较小的能量 ( 图 3(a) 的纵轴表示能量的相对值 ) 并且连续， 因此能够维持高温等离 子体状态。
这样， 脉冲激光振荡部 21 作为使高温等离子体状态开始的点火源起作用， 连续波 激光振荡部 25 作为对高温等离子体状态加热的加热源起作用。
如上所述， 本发明的光源装置具有以下的 (1) 及 (2) 的特征。
(1) 在发光管 1 的内部使脉冲式激光束和连续波激光束重合。
(2) 连续波激光束的强度 ( 能量 ) 小于比脉冲式激光束。
由此， 在点亮开始时， 通过脉冲式光束， 能够形成高温等离子体状态。 而且， 在形成 该高温等离子体状态的位置重合比脉冲式光束强度小的连续波光束， 由此抑制高温等离子 体状态结束， 能够稳定地维持高温等离子体状态。
而且， 连续波光束比脉冲式光束强度小， 因此向发光管的内部输入的能量不大， 能 够抑制发光管被加热而产生变形， 由此能够使点亮寿命为长寿命。
此外， 连续波激光振荡部不需要以能够形成高温等离子体状态的程度输出大能 量， 因此能够使用目前已实用化的激光装置来实现。
另外， 高温等离子体状态易于通过形成高密度的能量的区域而形成。 因此， 优选以 在发光管的内部具有焦点的方式聚光。
为了确认连续波激光束可以比脉冲式光束的能量小， 准备封入有 10 气压的氙的 发光管 ( 石英玻璃 )， 利用光学单元 ( 凸透镜 ) 使脉冲式激光束 (527nm) 和连续波激光束 (1070nm) 聚光而在发光管的内部重合， 调查发光管的发光。 其结果是， 例如在以下的输入条 件下， 确认了发光管连续发光。
·脉冲式激光束的输入条件例
重复频率 ： 1000Hz
能量 ： 5mJ/ 发射
脉冲宽度 ： 80ns
平均功率 ： 5W
峰值功率 ： 62.5kW
·连续波激光束的输入条件例
功率 ： 200W
在上述例中， 连续波激光束的功率为脉冲式激光束的功率的 0.03％左右。 这样， 连 续波激光束的功率即使比脉冲式激光束的功率非常小， 也能够使发光管点亮。
连续波激光束的功率可以比脉冲激光的激光束的功率小的原因如下。
发光管内， 在点亮开始时， 通过高能量被输入到发光管内， 形成高温等离子体状 态。对暂时形成的高温等离子体从外部输入能量， 由此高温等离子体被激发而放射光。
但是， 从外部输入高能量且脉冲式光束时， 形成的高温等离子体状态被通过脉冲 激光产生等离子体时的冲击波吹散， 结果不能向高温等离子体状态输入能量而进行激发。
这样， 所谓点亮开始时所需的能量， 是指用于形成高温等离子体状态的能量， 所谓 点亮开始后所需的能量， 是指激发高温等离子体状态的能量， 比较两者至少所需的能量时， 激发高温等离子体状态的能量明显较低也没有关系。
因此， 激发高温等离子体状态的连续波光束的功率与脉冲式光束的功率相比， 是 0.03％的极低的能量就足够。 此外， 输入所需以上的功率时， 会出现发光管的壁被加热而破 损的现有的问题， 因此需要使连续波光束的功率为 0.03％这样较低的能量。
如上所述， 脉冲式光束在点亮开始时是一定需要的， 但对于维持点亮， 在连续的光 束的能量就足够的情况下， 若持续长时间脉冲， 则有时反而使好不容易连续点亮的高温等 离子体被脉冲式光束的冲击波切断。 因此， 点亮开始后， 可认为如图 3(b) 所示， 消除脉冲式光束的输入是优选的。
如上所述， 本发明的光源装置能够维持高温等离子体状态， 点亮寿命为长寿命， 因 此， 具备该光源装置的例如图 1 所示的曝光装置中， 能够持续地且长期照射被照射物。
另外， 本发明的光源装置也能够用作图 1 所示的曝光装置的光源， 若变更发光管 内的发光元素， 则能够将来自发光管的射出光变更为各种波长的光， 例如也能够用作作为 可视光光源的放映机 (Projector) 用的光源。以往已知的在发光管的内部相对配置一对电 极的被称为所谓的 “灯” 的光源用于各种用途， 但本发明的光源装置能够用作该灯的替代单 元， 能够用于与灯相同的各种用途。
以下表示上述第 1 实施例的数值例及部件例。
·发光管的部件 ： 石英玻璃
·发光管的外径 ： 30mm
·发光管的内径 ： 26mm
·发光管内封入的发光元素 ： 氙
·氙气的封入压或封入量 ： 10 气压
·脉冲激光振荡部的激光晶体 ： YAG 晶体
·连续波激光振荡部的激光晶体 ： YAG 晶体
·向脉冲激光振荡部输入的电力的条件 ：
·来自脉冲激光振荡部的光束的波长 ： 1064nm
·来自连续波激光振荡部的光束的波长 ： 1064nm
·来自脉冲激光振荡部的光束的输出 ： 1 ～ 100mJ
脉冲的重复频率 ： 0.01 ～ 10kHz
·来自连续波激光振荡部的光束的输出 ： 20 ～ 10kW
另外， 本发明中， 使脉冲式光束和连续的光束在发光管的内部重合。 通过使光束的 能量密度在使发光元素电离的阈值以上且电离的发光元素为高密度， 产生利用脉冲式光束 在发光管的内部产生的高温等离子体状态。
因此， 利用聚光用光学类部件对光束进行聚光， 由此提高光束的能量密度， 达到使 发光元素电离的阈值以上。
此时， 对于脉冲式光束， 其能量密度比连续的光束的能量密度大， 因此使发光元素 电离的阈值以上的区域 ( 高能量状态的区域 ) 比连续的光束长而变大。因此， 如图 4 所示， 连续波激光束 (CW 光束 ) 优选向因脉冲式光束而变长的阈值以上的区域的中心附近照射， 由此， 能够良好地维持高温等离子体状态， 使点亮性良好。
接着， 对于本发明的第 2 实施例， 利用图 5 说明。
图 5 所示的光源装置， 是替换所述图 2 所示的 DOE31 而使用凸透镜的光源装置， 由 在内部封入有发光气体的发光管 1、 及被配置为在该发光管 1 的内部使脉冲式光束和连续 波光束形成焦点的凸透镜 32 构成。另外， 图 5 中， 表示为 “CW 或脉冲” 、 “脉冲或 CW” 的光束 意味着连续波激光束或脉冲式激光束中的任意一种， 在一个光束为连续波激光束时， 另一 个为脉冲式激光束 ( 以下的实施例中也相同 )。
只要是能够在发光管的内部形成焦点的光学单元， 也可如上所述使用凸透镜 32， 该情况下， 各光束相对于凸透镜 32 以同一角度入射。
本实施例中也与第 1 实施例的光源装置一样， 能够稳定地维持高温等离子体状 态， 此外， 连续波光束比脉冲式光束强度小， 因此能够抑制发光管被加热而产生变形， 由此， 能够使点亮寿命为长寿命。 而且， 作为连续波激光振荡部， 能够使用目前已实用化的激光装 置来实现。
对于本发明的第 3 实施例， 使用图 6 进行说明。
如图 6 所示的光源装置， 是替换图 2、 图 5 所示的 DOE31、 凸透镜 32 而在包围发光 管 1 且在发光管 1 的内部形成焦点的位置上配置抛物面反射镜 33 的光源装置。
该情况下， 来自脉冲激光振荡部的脉冲式光束的光路 ( 光轴 ) 和来自连续波激光 振荡部的连续波光束的光路 ( 光轴 ) 相互平行， 向抛物面反射镜 33 的反射面入射。此时， 被反射面反射的光束朝向发光管的内部汇聚于焦点。
本实施例中也与上述实施例的光源装置一样， 能够稳定地维持高温等离子体状 态， 此外， 连续波光束比脉冲式光束强度小， 因此能够抑制发光管被加热而产生变形， 由此， 能够使点亮寿命为长寿命。 而且， 作为连续波激光振荡部， 能够使用目前已实用化的激光装 置来实现。
对于本发明的第 4 实施例， 使用图 7 进行说明。
图 7 所示的光源装置， 是取代图 6 所示的抛物面反射镜 33 而以包围发光管 1 的方 式配置椭圆反射镜 34 的光源装置。
该椭圆反射镜 34 以其第一焦点位于发光管 1 的内部而第二焦点位于发光管 1 的 外部的方式配置。
各激光振荡部配置成各光束通过第二焦点。在各光束的光路上， 配置有在第二焦 点进行聚光的聚光单元 3( 凸透镜或 DOE)。
各光束在椭圆反射镜 34 的第二焦点被聚光而被椭圆反射镜 34 的反射面反射。在第二焦点被聚光的光在第一焦点也被聚光， 因此在发光管 1 的内部各光束以汇聚于焦点的 方式被聚光。
本实施例中也与上述实施例的光源装置一样， 能够稳定地维持高温等离子体状 态， 此外， 能够使点亮寿命为长寿命。 而且， 作为连续波激光振荡部， 能够使用目前已实用化 的激光装置来实现。
上述的第 1 ～ 4 实施例中， 各光束沿不同的光路前进， 最终在发光管的内部重合。 像这样沿不同的光路前进而在所期望的位置上重合， 在技术上较难。例如即使以在发光管 内的相同位置聚光的方式设定光束的光路并配置光学单元， 若例如温度上升等环境改变， 则折射率等发生变化， 存在聚光位置偏移的可能性。
以下所说明的第 5 ～ 9 实施例至少在发光管内的整个区域上各光束的光路重合。 通过这样构成， 即使例如温度上升而折射率等发生变化， 脉冲式光束和连续波光束的聚光 位置也不会较大地偏移。
对于第 5 实施例， 使用图 8 进行说明。
图 8 所示的例子使用分色镜 4 而使脉冲式光束和连续波光束的光路重合并通过聚 光单元 3( 凸透镜或 DOE) 聚光， 其他的结构与图 2 所示的光源装置相同。 图 8 中， 脉冲式光束和连续波光束的波长不同， 因此向分色镜 4 入射的光束中的一 个被反射， 而另一个透过。
利用这一点， 本实施例中在从分色镜 4 到发光管 1 之间使各光束的光路重合。
例如， 设定一个光束 ( 由粗线表示 ) 为波长 1064nm， 另一个光束 ( 由实线表示 ) 为 波长 532nm。
分色镜 4 使 532nm 的光反射， 而使 1064nm 的光透过， 由此能够在被分色镜 4 反射 的 532nm 的光束的光路上与透过的 1064nm 的光束重合。即， 能够使光路位于同轴上。
另外， 通过形成高密度的能量， 易于形成高温等离子体状态。因此， 优选如图 8 所 示， 利用聚光单元 3( 凸透镜或 DOE) 进行聚光以在发光管 1 的内部具有焦点。
这样， 通过在到达发光管 1 的路径上使各光束的光路重合， 在发光管的内部也能 够使两者重合， 由此能够在发光管的内部使各光束的高能量状态的区域可靠地重合。 因此， 能够可靠地进行高温等离子体状态的生成和高温等离子体状态的维持， 能够稳定地放电。
此外， 与上述实施例的光源装置一样， 连续波激光束的功率较小即可， 因此能够抑 制发光管被加热而产生变形， 能够使点亮寿命为长寿命。此外， 作为连续波激光振荡部， 能 够使用目前已实用化的激光装置来实现。
对于第 6 实施例， 使用图 9 进行说明。
图 9 中替换图 8 所示的分色镜而配置偏光镜 5， 其他结构与图 8 相同。
偏光镜 5 通过同一波长的偏振光 (P 偏振和 S 偏振 ) 进行反射 / 透过， 利用其能够 在从偏光镜 5 到发光管 1 之间使各光束的光路重合。
例如， 设定一个光束 ( 由粗线表示 ) 为波长 1064nm 的 P 偏振光， 另一个光束 ( 由 实线表示 ) 同为波长 1064nm 的 S 偏振光， 偏光镜 5 对于 1064nm 的光使 P 偏振透过而使 S 偏振反射。
由此， 能够在被偏光镜 5 反射的 S 偏振的光束的光路上与透过的 P 偏振的光束重 合。即， 能够使光路位于同轴上。
这样， 通过在到达发光管 1 的路径上使各光束的光路重合， 与第 5 实施例一样， 能 够在发光管的内部使各光束的高能量状态的区域可靠地重合， 能够可靠地进行高温等离子 体状态的生成和高温等离子体状态的维持。
此外， 与上述实施例的光源装置一样， 连续波激光束的功率较小即可， 因此能够抑 制发光管被加热而产生变形， 能够使点亮寿命为长寿命。此外， 作为连续波激光振荡部， 能 够使用目前已实用化的激光装置来实现。
接着， 对于利用来自连续波激光振荡部的光束的一部分作为脉冲激光振荡部的振 荡源的本发明的第 7 ～ 9 实施例进行说明。
图 10 是表示本发明的第 7 实施例的图。
图 10 中将脉冲激光振荡部 22 配置在来自连续波激光振荡器 ( 未图示 ) 的光束的 光路上， 其他结构与上述实施例相同。
本实施例中， 脉冲激光振荡部 22 利用来自连续波激光振荡部的连续波光束 (CW 光 束 ) 的一部分作为激发光， 激发脉冲激光振荡部 22 内的激光晶体。
即， 如图 10 所示， 在从未图示的连续波激光振荡部射出的 CW 光束的路径中配置脉 冲激光振荡部 22。脉冲激光振荡部 22 将 CW 光束作为激发光工作， 输出脉冲式光束。该脉 冲式光束与上述 CW 光束的光路重合， 经由聚光单元 3( 凸透镜、 DOE 等 ) 在发光管 1 内聚光。 通过这样构成， 来自脉冲激光振荡部 22 的光束的光路与连续波激光的光束的光 路重合， 在发光管 1 的内部也重合。
本实施例中， 在到达发光管 1 的路径上使各光束的光路重合， 因此， 与上述实施例 一样， 能够在发光管的内部使各光束的高能量状态的区域可靠地重合， 能够可靠地进行高 温等离子体状态的生成和高温等离子体状态的维持。
此外， 与上述实施例的光源装置一样， 连续波激光束的功率较小即可， 因此能够抑 制发光管被加热而产生变形， 能够使点亮寿命为长寿命。此外， 作为连续波激光振荡部， 能 够使用目前已实用化的激光装置来实现。
而且， 脉冲激光振荡部 22 将来自连续波激光的光束利用于激发光， 因此， 能够省 略第 1 ～ 6 实施例所示的用于脉冲激光振荡部的激光振荡部分的一部分， 使装置整体为简 便的结构， 能够使光源装置整体小型化。
图 11 是表示本发明的第 8 实施例的图， 与上述第 7 实施例一样， 表示将 CW 激光作 为激发光而使脉冲激光振荡部振荡的结构例。
如图 11 所示， 从未图示的连续波激光振荡部射出的 CW 光束的一部分被部分反射 镜 23a 反射而入射到脉冲激光振荡部 23。脉冲激光振荡部 23 将 CW 光束作为激发光工作， 输出脉冲式光束。该脉冲式光束向分色镜 4 入射， 与上述 CW 光束的光路重合， 经由聚光单 元 3( 凸透镜、 DOE 等 ) 在发光管 1 内聚光。
此处， 设定连续波激光束的波长为 808nm， 设定脉冲激光束的波长为 1064nm， 对上 述脉冲激光振荡部 23 的工作进行说明。
部分反射镜 23a 使波长 808nm 的光束的一部分反射， 使其余透过。
该被部分反射的光束由聚光透镜 23b 聚光， 向全反射镜 23c 入射。
全反射镜 23c 使从背面入射的光束透过， 将从正面入射的光束反射。因此， 由聚光 透镜 23b 聚光的光束从全反射镜 23c 的背面侧入射而透过， 向激光晶体 23d 照射。激光晶
体 23d 例如使用 YAG 晶体、 Nd 玻璃， 激光晶体 23d 中透过波长 808nm 的光， 由此进行激发。
在 Q 开关 23e 被关闭的状态下， 激光晶体 23d 被连续地照射光束而被激发， 积蓄能 量。
达到所期望的能量时， 打开 Q 开关 23e， 来自激光晶体 23d 的激发光被射出镜 23f 反射， 在全反射镜 23c 和射出镜 23f 之间引起共振。由此， 波长 1064nm 的脉冲式激光束透 过射出镜 23f， 经由反射镜 23g、 23h 向分色镜 4 入射。
分色镜 4 将波长 1064nm 的光束反射， 使波长 808nm 的光束透过， 因此， 上述 1064nm 的脉冲式光束与 808nm 的连续波光束重合。该光束由聚光单元 3 聚光， 朝向发光管 1 的内 部。上述脉冲式激光束的脉冲幅、 周期由上述 Q 开关 23e 的开口时间决定。
另外， 图 11 中由虚线表示的光学单元 6 用于抑制因脉冲式光束和 CW 光束的波长 不同而产生的色差， 对于色差的抑制在后文进行说明。
本实施例中也能够取得与上述第 7 实施例相同的效果， 能够可靠地进行高温等离 子体状态的生成和高温等离子体状态的维持， 此外， 连续波激光束的功率较小即可， 因此能 够抑制发光管被加热而产生变形， 能够使点亮寿命为长寿命。此外， 作为连续波激光振荡 部， 能够使用目前已实用化的激光装置来实现。 而且， 脉冲激光振荡部 23 将来自连续波激光的光束利用于激发光， 因此能够省略 第 1 ～ 6 实施例所示的脉冲激光振荡部的用于振荡源的激光振荡部分， 能够使装置整体为 简单的结构， 使光源装置整体小型化。
图 12 是表示本发明的第 9 实施例的图， 与上述第 7 实施例一样， 表示将 CW 激光作 为激发光而使脉冲激光振荡部振荡的结构例。
如图 12 所示， 使从未图示的连续波激光振荡部射出的 CW 光束的一部分被部分反 射镜兼分色镜 24d 反射而向脉冲激光振荡部 24 入射。脉冲激光振荡部 24 将 CW 光束作为 激发光而工作， 输出脉冲式光束。该脉冲式光束与上述 CW 光束的光路重合， 经由聚光单元 3( 凸透镜、 DOE 等 ) 在发光管 1 内聚光。
此处， 设定连续波激光束的波长为 808nm， 设定脉冲激光束的波长为 1064nm， 对脉 冲激光振荡部 24 的工作进行说明。
分色镜 4 如上所述， 将一个波长的光束反射， 而使另一波长的光束透过。此处， 将 波长 1064nm 的光束反射， 使波长 808nm 的光束透过。
此外， 在脉冲激光振荡部 24 的输出侧设置的部分反射镜兼分色镜 24d 将一个波长 的光束的一部分反射， 使另一波长的光束透过。此处， 设定将 1064nm 的光束的一部分反射， 使 808nm 的光透过。
激光晶体 24c 例如使用 YAG 晶体、 Nd 玻璃， 使波长 1064nm 的光束透过来吸收其一 部分进行激发、 振荡。
在作为 Q 开关起作用的 EO 开关 24a 被关闭的状态下， 激光晶体 24c 被连续地照射 光束而被激发， 积蓄能量。
达到所期望的能量时， 打开 EO 开关 24a， 利用全反射镜 24b 将来自激光晶体 24c 的 激发光反射， 在与部分反射镜兼分色镜 24d 之间引起共振。由此， 波长 1064nm 的脉冲式激 光束的一部分透过部分反射镜兼分色镜 24d， 与连续波光束重合。 该脉冲式光束和连续波光 束经由聚光单元 3 朝向发光管 1 的内部。上述脉冲式激光束的脉冲宽度、 周期由上述 EO 开
关 24a 的开口时间决定。
另外， 图 12 中由虚线表示的光学单元 6 用于抑制因脉冲式光束和 CW 光束的波长 不同而产生的色差， 对于色差的抑制在后文进行说明。
本实施例中也能够取得与上述第 8 实施例相同的效果， 能够可靠地进行高温等离 子体状态的生成和高温等离子体状态的维持， 此外， 连续波激光束的功率较小即可， 因此能 够抑制发光管被加热而产生变形， 能够使点亮寿命为长寿命。此外， 作为连续波激光振荡 部， 能够使用目前已实用化的激光装置来实现。
而且， 脉冲激光振荡部 22 将来自连续波激光的光束利用于激发光， 因此能够省略 第 1 ～ 6 实施例所示的脉冲激光振荡部的用于振荡源的激光振荡部分， 能够使装置整体为 简单的结构。
如上所述， 在发光管 1 的内部形成高温等离子体状态时， 优选形成高密度的能量， 因此， 可考虑通过聚光单元 3 进行聚光以在发光管 1 的内部具有焦点。
作为聚光单元 3， 使用凸透镜等的情况下， 各光束的波长为同一波长时在同一位置 汇聚于焦点， 但各光束的波长为不同的波长时， 如图 13 的实线和虚线所示产生在不同的位 置汇聚于焦点的色差。
产生该色差时， 出现连续波光束的焦点不能进入到由脉冲式光束形成的高温等离 子体状态的区域的情况， 有时不能通过连续的光束维持高温等离子体状态。
对于抑制该色差的单元， 以下通过第 10 及第 11 实施例进行说明。
对于第 10 实施例， 利用图 14 进行说明。
图 14 是在所述图 5 所示的第 2 实施例中脉冲式光束和连续波光束的波长不同的 情况下， 分别配置用于抑制色差的光学单元 6a、 6b 的光源装置， 其他结构与图 5 所示的光源 装置相同。
图 14 中， 在两光束重合之前的光路上， 分别设置光学单元 6a、 6b， 该光学单元的功 能及其位置， 可设定为以下 (1) ～ (3) 中的任一种。
(1) 如图 15(a) 所示， 在脉冲式激光束的光路中途设置一个光学单元 6a， 在连续波 激光振荡部的光路中途设置与该一个光学单元具有不同的焦点距离的另一个光学单元 6b， 使从一个光学单元 6a 到各光束的重合位置的距离与使从该另一个光学单元 6b 到各光束的 重合位置的距离相同。
(2) 如图 15(b) 所示， 在脉冲激光振荡部的光路中途设置一个光学单元 6a， 在连续 波激光振荡部的光路中途设置与该一个光学单元 6a 具有不同的焦点距离的另一个光学单 元 6b， 使从该一个光学单元 6a 到各光束的重合位置的距离与使从该另一个光学单元 6b 到 各光束的重合位置的距离不同。
(3) 如图 15(c) 所示， 在脉冲激光振荡部的光路中途设置一个光学单元 6a， 在连续 波激光振荡部的光路中途设置与该一个光学单元 6a 具有相同焦点距离的另一个光学单元 6b， 使从该一个光学单元 6a 到各光束的重合位置的距离与使从该另一个光学单元 6b 到各 光束的重合位置的距离不同。
在各光束的光路上， 分别设置消除各光束的色差的光学单元， 通过如上述 (1) ～ (3) 那样构成， 能够抑制各光束的波长的不同引起的色差， 能够良好地维持高温等离子体状 态。(1) 的情况下， 通过光学单元的焦点距离 f1 和 f2 的不同来抑制色差。
(2) 的情况下， 通过光学单元的焦点距离 f1 和 f2 的不同以及各光学单元与重合位 置的距离来抑制色差。
(3) 的情况下， 通过各光学单元与重合位置的距离来抑制色差。
另外， 图 15 是示意图， 实际上通过光学单元 6a 和 6b 的各光束在向凸透镜 32 等聚 光单元入射前光轴一致。
对于第 11 实施例， 使用图 16 进行说明。
图 16 是在所述图 8 所示的第 5 实施例中脉冲式光束和连续波光束的波长不同的 情况下， 为了抑制色差在至少一个光路上设置消除各光束的色差的光学单元 6 的光源装 置， 其他结构与图 8 所示的光源装置相同。
图 16 所示的光源装置， 使用分色镜 4 而使脉冲式光束和连续波光束的光路重合， 并利用聚光单元 3 进行聚光， 但在分色镜 4 的入射侧配置光学单元 6， 用于抑制因脉冲式光 束和连续波光束的波长不同而产生的色差。
本实施例中， 也能够通过适宜选择光学单元 6 的焦点距离、 位置来抑制色差。
另外， 色差的问题在不同波长的各光束由作为共同的聚光单元的凸透镜等进行聚 光的情况下产生， 因此， 可能在前述的图 5、 图 8 ～图 12 中产生。因此， 第 10 及 11 实施例中 说明的技术能够用于图 5、 图 8 ～图 12。
图 8 ～图 10 中在各光束的光路重合之前设置上述的光学单元， 由此能够抑制色 差。此外， 图 11 中在由该图中的虚线表示的位置上配置光学单元 6a、 及 / 或光学单元 6b， 此外图 12 中在由该图中的虚线表示的位置上配置光学单元 6， 由此能够抑制色差。
另外， 此处作为抑制色差的光学单元表示了凸透镜， 但如果是改变焦点距离的光 学单元， 则也能够使用其他的光部件， 例如也能够使用凹透镜、 DOE。
上述色差在脉冲式激光束和连续波激光束的波长不同的情况下产生， 但在波长之 差较小的情况下， 并不需要设置抑制色差的单元， 如以下所说明， 在波长大致相差 2 倍以上 的情况下， 优选设置校正色差的单元。
例如， 焦点距离 f ＝ 100mm 时的熔融石英的焦点位置之差根据波长如下所述。
连续波激光束的波长为 1064nm 时， 聚光点的位置为 114.5mm， 脉冲式激光束的波 长为 532nm 时的聚光点的位置为 111.8mm， 该情况下， 两者的焦点位置之差为 2.7mm。
高温等离子体的区域极小、 例如为直径 0.5mm 的区域， 焦点位置如上所述相差 2.7mm 时， 不能供给激发高温等离子体的能量， 不能进行正常点亮。
特别是脉冲激光产生的高温等离子体， 由于脉冲能量较大而容易相比焦点靠前 侧， 进而在前侧位置偏移。因此， 在如上所述波长相差 2 倍的情况下， 需要校正色差的聚光 单元。
另外， 根据光学单元的材质焦点位置之差改变， 进而高温等离子体状态的区域也 存在根据输入的能量而其范围变为 0.5mm 以外的情况， 上述情况表示一例， 但不限于此。
如上所述在发光管 1 的内部形成高温等离子体状态时， 优选形成高密度的能量状 态的区域， 因此， 可考虑通过聚光单元 3 进行聚光以在发光管 1 的内部具有焦点。
但是， 激光束的能量密度为使发光元素电离的阈值以上时， 形成高温等离子体状 态， 因此， 形成高温等离子体状态的位置不限于为激光束的聚光点。即， 激光束的能量较大时， 在达到聚光点前能量密度超过阈值， 该情况下， 在聚光点的前侧形成等离子体状态。
根据图 17 说明如下情况， 脉冲式光束的功率比连续波光束的功率大， 由脉冲式光 束在聚光点的前侧形成高温等离子体状态。
如图 17(a) 所示， 在使用凸透镜等作为聚光单元 3 的情况下， 各光束的波长为同一 波长时在同一位置汇聚于焦点。
此处， 脉冲式光束的功率较大时， 如图 17(a) 所示在被聚光单元 3 聚光的中途， 能 量密度变高而开始形成高温等离子体状态。 但是， 随着靠近焦点， 脉冲式光束的功率用于形 成高温等离子体， 达到焦点时， 上述功率基本消失。即， 通过脉冲式光束形成高温等离子体 状态 A 的位置如该图所示变为聚光点的前侧。
另一方面， 由于连续波光束功率较小， 因此通过由聚光单元 3 聚光， 在焦点位置 ( 该图的 B) 形成维持高温等离子体状态的能量密度。
于是， 如图 17(a) 所示， 脉冲式光束形成高温等离子体状态的区域 A( 高能量状态 的区域 ) 和连续波光束维持高温等离子体状态的区域 B( 高能量状态的区域 ) 不同， 存在不 能由连续波光束维持高温等离子体状态的情况。
作为调整该两区域的位置的位置调整单元， 可以使用以抑制色差的单元说明的光 学单元 6。 例如如上述图 16 所示， 在至少一个光路上设置光学单元 6。像这样配置光学单元 6 时， 向发光管 1 入射的光束如图 17(b) 所示， 连续波光束被光学单元 6 进行聚光， 向聚光单 元 3 入射， 进而被聚光。由此， 在由脉冲式光束形成高温等离子体状态的区域 A’ ， 在由连续 波光束维持高温等离子体状态的区域 B’ 进行聚光， 两者重合， 能够维持高温等离子体状态。
即， 如图 17(c) 所示， 脉冲式光束的能量密度 ( 该图的实线 ) 超过形成高温等离子 体状态的阈值 ( 该图的点划线 ) 的区域与连续波光束的能量密度 ( 该图的虚线 ) 超过形成 高温等离子体状态的阈值 ( 该图的双点划线 ) 的区域重合， 可靠地维持高温等离子体状态。
另外， 以上对利用相同聚光单元使波长相同的光束聚光的情况进行了说明， 但即 使在波长不同的情况下， 色差的问题、 和形成高温等离子体状态的区域与维持高温等离子 体状态的区域不同的问题互相结合， 有时产生不能维持高温等离子体状态的问题。
因此， 在利用相同的光学单元使波长不同的光束聚光的情况下， 上述的解决措施 也能够有效地发挥作用。