JP5410396B2 - レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を出力するためのレーザ装置に関する。

レーザ装置の光路内に波長分散素子を配置することにより、レーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル幅を狭帯域化することが行われている。レーザ光の狭帯域化は、例えば、レーザ装置から出力されるレーザ光を利用した半導体露光装置などの光学系における色収差を低減したい場合に行われる。

米国特許第６３９３０３７号明細書 米国特許第６８５６６３８号明細書

概要

本開示の１つの観点に係るレーザ装置は、（１）レーザ媒質をレーザゲイン空間において励起する励起源と、（２）レーザゲイン空間を通る光路の一方の側に配置されたアウトプットカプラと、レーザゲイン空間を通る光路の他方の側に配置された波長分散素子と、を含む光共振器と、（３）レーザゲイン空間と波長分散素子との間の光路にビーム幅を拡大又は縮小する少なくとも１つのビーム幅変更素子を出し入れし、又は、上記光路において少なくとも１つのビーム幅変更素子の向きを反転させることにより、ビーム幅の拡大率又は縮小率を切り換える切換機構と、を含んでもよい。

本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の概略図を参照して以下に説明する。
第１実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。 第１実施形態におけるスペクトル幅の調整可能範囲を示すグラフである。 第１実施形態の第１の変形例を示す模式図である。 第１実施形態の第２の変形例を示す模式図である。 第１実施形態の第３の変形例における第１のビーム幅変更素子を示す模式図である。 第１実施形態の第４の変形例を示す模式図である。 第１実施形態の第５の変形例における第１のビーム幅変更素子を示す模式図である。 第１実施形態の第６の変形例における第１のビーム幅変更素子を示す模式図である。 第２実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。 第２実施形態の第１の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。 第２実施形態の第２の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。 第２実施形態の第３の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。 第３実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。 第４実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。 第５実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。

実施形態

以下、実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明する実施形態は、本開示の一例を示すものであって、本開示の内容を不当に限定するものではない。また、実施形態で説明される構成の全てが本開示の構成として必須であるとは限らない。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。

＜１．第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。このレーザ装置１は、出力側から順に、波面調節器２と、レーザチャンバ３と、第１のビーム幅変更素子を光路に出し入れする切換機構４と、第２のビーム幅変更素子５０と、グレーティング５９とを配置した構成を有し得る。

＜１−１．波面調節器＞
波面調節器２は、シリンドリカル凹レンズ２１とシリンドリカル凸レンズ２２とを備え得る。シリンドリカル凹レンズ２１は、一方の面がフラット面で他方の面が凹面状の円筒面（cylindrical surface）であり得る。シリンドリカル凹レンズ２１のフラット面２１ａには部分反射膜がコーティングされ得る。従って、シリンドリカル凹レンズ２１は、レーザチャンバ３から出力される光のうちの一部を透過させて出力し、他の一部を反射させてレーザチャンバ３内に戻すためのアウトプットカプラを構成し得る。そして、このシリンドリカル凹レンズ２１は、グレーティング５９とともに、光共振器を構成し得る。フラット面２１ａとグレーティング５９との間の距離は、レーザチャンバ３から出力される所定波長の光が定常波を形成する距離に設定され得る。シリンドリカル凸レンズ２２は、一方の面がフラット面で他方の面が凸面状の円筒面であり得る。

シリンドリカル凹レンズ２１及びシリンドリカル凸レンズ２２は、何れも、レーザチャンバ３から出力された光の光軸（Ｚ軸方向）に垂直な第１の方向（Ｙ軸方向）にビーム幅を拡大又は縮小させる屈折作用を有し得る。しかし、シリンドリカル凹レンズ２１及びシリンドリカル凸レンズ２２は、光軸に垂直で且つ第１の方向に垂直な第２の方向（Ｘ軸方向）には屈折作用を有しなくても良い。波面調節器２において、シリンドリカル凸レンズ２２を介してシリンドリカル凹レンズ２１に入射した光は、これらのレンズによってビーム幅を縮小させられてフラット面２１ａにおいて反射又は透過し得る。フラット面２１ａにおいて反射した光は、再度これらのレンズによってビーム幅を拡大させられてシリンドリカル凸レンズ２２から出射し得る。

シリンドリカル凹レンズ２１及びシリンドリカル凸レンズ２２を透過する光の光路長は、これらのレンズの中心軸付近を通る光と、これらのレンズの両端付近を通る光とで異なり得る。そして、この光路長の差は、シリンドリカル凹レンズ２１とシリンドリカル凸レンズ２２との間の距離に依存し得る。従って、シリンドリカル凹レンズ２１とシリンドリカル凸レンズ２２との間の距離を調節することにより、光共振器内を通る光の波面が調節され得る。

＜１−２．レーザチャンバ＞
レーザチャンバ３は、希ガス（ヘリウム又はアルゴン等）及びハロゲンガス（フッ素等）等のレーザ媒質が封入されるチャンバであり得る。レーザチャンバ３内には、レーザ媒質を励起するための励起源として、例えば一対の放電電極３１及び３２が配置され得る。放電電極３１及び３２は、電源装置に接続され得る。放電電極３１及び３２に電源装置から高電圧が印加されると、放電電極３１及び３２間に放電が起こり得る。この放電のエネルギーにより、レーザチャンバ３内のレーザ媒質が励起されて高エネルギー準位に移行し得る。励起されたレーザ媒質が、その後低エネルギー準位に移行するとき、そのエネルギー準位差に応じた光を放出し得る。

レーザチャンバ３にはウインド３３及び３４が設けられており、レーザチャンバ３内で発生した光は、ウインド３３及び３４を介して出射し得る。レーザチャンバ３から出射した光は、光共振器を構成するグレーティング５９とシリンドリカル凹レンズ２１のフラット面２１ａとの間で往復し、レーザチャンバ３内の放電電極３１と放電電極３２との間（レーザゲイン空間）を通過する度に増幅され得る。増幅された光の一部が、レーザゲイン空間を通る光路の一方の側に配置されたシリンドリカル凹レンズ２１のフラット面２１ａを介して、出力レーザ光として出力され得る。

＜１−３．第２のビーム幅変更素子＞
第２のビーム幅変更素子５０は、レーザゲイン空間を通る光路の他方の側に配置されたプリズムであり得る。第２のビーム幅変更素子５０は、レーザチャンバ３から出射された光が入射する第１の面５０１と、第１の面に入射した光をグレーティング５９に出射させる第２の面５０２とを有し得る。レーザチャンバ３から出射された光の光軸に対して第１の面５０１が傾斜するように第２のビーム幅変更素子５０を配置することにより、第１の面５０１に入射した光が、ＹＺ平面内の第１の方向に屈折し得る。これにより、ビーム幅はＹＺ平面内において第１の方向と直交する第２の方向に拡大するが、ＹＺ平面に垂直な第３の方向（Ｘ軸方向）には拡大しないようにすることができる。第２のビーム幅変更素子５０に入射した光は、第２の面５０２にほぼ垂直な方向に進み、第２の面５０２において、ほぼ屈折することなく出射し得る。

従って、第２のビーム幅変更素子５０は、レーザチャンバ３から出射された光のビーム幅を拡大させるとともに、その光をグレーティング５９側に透過させ得る。また、第２のビーム幅変更素子５０は、グレーティング５９からの反射光のビーム幅を縮小させるとともに、その光をレーザチャンバ３側に透過させ得る。図１に示すように、第２のビーム幅変更素子５０によるビーム幅の拡大方向（第２の方向）と、シリンドリカル凹レンズ２１又はシリンドリカル凸レンズ２２によるビーム幅の拡大又は縮小方向（Ｙ軸方向）とは、略同一の面内（ＹＺ面内）にあり得る。なお、第２のビーム幅変更素子５０は、光を透過させるとき、光の波長に応じて異なった角度で光を屈折させ得る。従って、第２のビーム幅変更素子５０は波長分散素子としても機能し得る。

＜１−４．グレーティング＞
グレーティング５９は、高反射率の材料で多数の溝を形成した波長分散素子であり得る。図１に示すように、グレーティング５９の各溝の方向（Ｘ軸方向）は、シリンドリカル凹レンズ２１又はシリンドリカル凸レンズ２２によるビーム幅の拡大又は縮小方向（Ｙ軸方向）に対して略垂直な方向であり得る。第２のビーム幅変更素子５０からグレーティング５９に入射した光は、各溝の斜面において、各溝の方向に対して垂直な多方向に反射し得る。１つの溝において反射した反射光と、他の１つの溝において反射した反射光とが合波するとき、それらの反射光の間の光路長の差は、それらの反射光の反射角度に依存し得る。そして、当該光路長の差に対応する波長の光は、それらの反射光どうしで位相が一致して強め合うことができ、当該光路長の差に対応しない波長の光は、それらの反射光どうしで位相が一致せずに弱め合うことができる。この干渉作用の結果、反射角度に応じて特定の波長の光が強められ、当該特定の波長の光が第２のビーム幅変更素子５０を介してレーザチャンバ３に戻され得る。

以上のように、第２のビーム幅変更素子５０とグレーティング５９とによって、出力レーザ光のスペクトル幅を低減する狭帯域化モジュールが構成され得る。第２のビーム幅変更素子５０及びグレーティング５９における波長選択特性は、波面調節器２により波面を調節することによって制御することができる。これにより、第２のビーム幅変更素子５０及びグレーティング５９からレーザチャンバ３に戻される光のスペクトル幅、ひいては、出力レーザ光のスペクトル幅が、精密に制御できるようになっている。なお、第２のビーム幅変更素子５０及びグレーティング５９における波長選択特性は、例えば、グレーティング５９を曲げ、その曲率を調節することによっても制御することができる。

図１においては、第２のビーム幅変更素子５０としてプリズムが１つのみ示されているが、所望の拡大率を得るためにプリズムが複数設けられても良い。
また、以上においては、狭帯域化モジュールとして第２のビーム幅変更素子５０とグレーティング５９とを用いることとし、グレーティング５９がさらに光共振器の一方の反射面を構成する例について説明したが、本開示はこれに限定されない。つまり、狭帯域化モジュールは、出射光の角度が波長に依存する波長分散素子を用いて構成すれば良い。例えば、狭帯域化モジュールを複数のプリズムによって構成し、別途、高反射ミラーによって光共振器の一方の反射面を構成することとしても良い。

＜１−５．切換機構＞
切換機構４は、レーザチャンバ３と第２のビーム幅変更素子５０との間の光路に第１のビーム幅変更素子を出し入れする機構であり得る。本実施形態において、第１のビーム幅変更素子４０ａは、シリンドリカル凸レンズ４２ａとシリンドリカル凹レンズ４１ａとの組み合わせによって構成され得る。第１のビーム幅変更素子４０ａは、レーザチャンバ３から出力された光のビーム幅を縮小させて、その光を第２のビーム幅変更素子５０に入射させ得る。シリンドリカル凸レンズ４２ａ及びシリンドリカル凹レンズ４１ａによるビーム幅の縮小方向（Ｙ軸方向）は、波面調節器２のシリンドリカル凹レンズ２１又はシリンドリカル凸レンズ２２によるビーム幅の拡大又は縮小方向（Ｙ軸方向）と、略同一の方向（グレーティング５９の各溝の方向（Ｘ軸方向）に略垂直な方向）であり得る。

第１のビーム幅変更素子４０ａにおいて、シリンドリカル凸レンズ４２ａとシリンドリカル凹レンズ４１ａとは相対的位置関係が固定されており、これらのレンズが一体となって、切換機構４によって移動できるようになっている。

第１のビーム幅変更素子４０ａは、第２のビーム幅変更素子５０に入射させる光のビーム幅を縮小させることによって、第２のビーム幅変更素子５０及びグレーティング５９における波長選択特性を大幅に低下させることができる。これにより、第２のビーム幅変更素子５０からレーザチャンバ３に戻される光のスペクトル幅、ひいては、出力レーザ光のスペクトル幅を大幅に拡大することができる。この状態において、さらに、波面調節器２によるスペクトル幅の微調整が可能である。
逆に、目標スペクトル幅が小さい場合には、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路から退避させて図１に示す破線の位置まで移動させ得る。これにより、ビーム幅を縮小させずに第２のビーム幅変更素子５０に入射させ、出力レーザ光のスペクトル幅を小さくすることができる。この状態においても、さらに、波面調節器２によるスペクトル幅の微調整が可能である。

図１に示すように、第１のビーム幅変更素子４０ａによるビーム幅の拡大率をＭ（第１のビーム幅変更素子４０ａはビーム幅を縮小させるので、Ｍ＜１）とし、第２のビーム幅変更素子５０によるビーム幅の拡大率をＭ'（Ｍ'＞１）とする。このとき、光路に配置された第１のビーム幅変更素子４０ａと第２のビーム幅変更素子５０とを合わせたビーム幅の拡大率は、Ｍ×Ｍ'となる。第１のビーム幅変更素子４０ａを光路から退避させると、ビーム幅の拡大率は、Ｍ'となる。第２のビーム幅変更素子５０に入射する光のビーム幅をＭ倍にすると、出力レーザ光のスペクトル幅は約（１／Ｍ）倍となる。

本実施形態においては、図１に一点鎖線で示すように、第１のビーム幅変更素子４０ａへの入射光と、第１のビーム幅変更素子４０ａからの出射光とが、略同軸配置となるように、第１のビーム幅変更素子４０ａが光路内に位置決めされ得る。従って、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路内に位置決めしたときと、光路から退避させたときとで、第２のビーム幅変更素子５０に入射する光のビーム幅は変化するが、第２のビーム幅変更素子５０への入射角度は変化しないようにすることができる。このため、第２のビーム幅変更素子５０からレーザチャンバ３に戻される光のスペクトル幅は変化するが、中心波長はずれないようにすることができる。従って、本実施形態によれば、第２のビーム幅変更素子５０への入射角度を調整するための光学系を別途用意しなくても良い。そして、スペクトル幅の制御を、中心波長の制御とは独立に行えるので、スペクトル幅を容易に調整することができる。この調整を行うことによって、レーザ光を利用した光学系における焦点深度を大きくすることもできる。

第１のビーム幅変更素子４０ａは、アフォーカル（afocal）光学系によって構成され得る。従って、第１のビーム幅変更素子４０ａに対する入射光が平行光であれば、第１のビーム幅変更素子４０ａからの出射光も平行光となり得る。このため、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路に配置する場合に、コリメート用の光学系を別途用意しなくても良い。

＜１−６．スペクトル幅の調整＞
図２は、第１実施形態におけるスペクトル幅の調整可能範囲を示すグラフである。曲線Ａは、図１に示す第１のビーム幅変更素子４０ａを光路から退避させた状態（第１の状態）における、波面調節器２のレンズ間距離に応じた出力レーザ光のスペクトル幅を示している。曲線Ｂは、図１に示す第１のビーム幅変更素子４０ａを光路に配置した状態（第２の状態）における、波面調節器２のレンズ間距離に応じた出力レーザ光のスペクトル幅を示している。

第１のビーム幅変更素子４０ａを光路から退避させた状態においては、曲線Ａで示されるように、波面調節器２のレンズ間距離によって、スペクトル幅を約０．２ｐｍ〜約０．９ｐｍの間（第１の所定範囲）で調節することができる。それよりも目標スペクトル幅が大きい場合には、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路に配置すれば、曲線Ｂで示されるように、波面調節器２のレンズ間距離によって、スペクトル幅を約０．３ｐｍ〜約１．９ｐｍの間（第２の所定範囲）で調節することができる。

このように、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路から退避させた状態で波面調節器２によって調節可能なスペクトル幅の範囲（第１の所定範囲）と、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路に配置した状態で波面調節器２によって調節可能なスペクトル幅の範囲（第２の所定範囲）との間には、一部重複する部分が存在し得る。すなわち、曲線Ａと曲線Ｂとの何れにおいても、スペクトル幅を約０．３ｐｍ〜約０．９ｐｍの範囲で制御することが可能となっている。従って、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路に配置した場合のエネルギーの損失や、波面調節器２による微調整の容易さなどの要因を考慮して、目標スペクトル幅を得るための最適な制御方法を曲線Ａ及び曲線Ｂから選択することができる。図２においては、約０．７ｐｍのスペクトル幅を境界として、曲線Ａと曲線Ｂとを切り換える例が示されている。

＜１−７．第１の変形例＞
図３は、第１実施形態の第１の変形例を示す模式図である。第１の変形例は、第１のビーム幅変更素子４０ｂが、シリンドリカル凹レンズ４１ｂとシリンドリカル凸レンズ４２ｂとを含み、図１に示した第１実施形態における第１のビーム幅変更素子４０ａと逆向きになっている点で、図１に示した第１実施形態と異なる。
その他の点については図１に示した第１実施形態と同様である。

図３に示す第１の変形例において、第１のビーム幅変更素子４０ｂは、レーザチャンバ３から出力された光のビーム幅を拡大させて、その光を第２のビーム幅変更素子５０に入射させることができる。これにより、第１のビーム幅変更素子４０ｂを光路から退避させた場合に比べて、出力レーザ光のスペクトル幅をより小さくすることができる。

図３に示すように、第１のビーム幅変更素子４０ｂによるビーム幅の拡大率をＭ（ここではＭ＞１）とし、第２のビーム幅変更素子５０によるビーム幅の拡大率をＭ"（Ｍ"＞１）とする。このとき、光路に配置した第１のビーム幅変更素子４０ｂと第２のビーム幅変更素子５０とを合わせたビーム幅の拡大率は、Ｍ×Ｍ"となる。第１のビーム幅変更素子４０ｂを光路から退避させると、ビーム幅の拡大率は、Ｍ"となる。

図３の場合におけるビーム幅の拡大率の最大値は、第１のビーム幅変更素子４０ｂを光路に配置した場合の拡大率であり、Ｍ×Ｍ"となる。一方、図１に示した第１実施形態におけるビーム幅の拡大率の最大値は、第１のビーム幅変更素子４０ａを光路から退避させた場合の拡大率であり、Ｍ'となる。従って、図１に示した第１実施形態におけるビーム幅の拡大率の最大値と同等の拡大率を図３の場合において得ようとする場合には、Ｍ×Ｍ"＝Ｍ'とすれば良い（ここではＭ＞１）。すなわち、図３の場合における第２のビーム幅変更素子５０によるビーム幅の拡大率Ｍ"は、図１に示した第１実施形態における第２のビーム幅変更素子５０によるビーム幅の拡大率Ｍ'より小さい値で済む。このため、図１に示した第１実施形態に比べて、図３の場合においては所望の拡大率を得るためのプリズムの個数を削減することができる。従って、図３に示す第１の変形例においては、レーザ装置におけるエネルギーの損失を低減することができ、レーザ装置の小型化も可能となる。

図３に示す第１の変形例においては、レーザチャンバ３から出力された光のビーム幅が、第１のビーム幅変更素子４０ｂ及び第２のビーム幅変更素子５０によって拡大されて、その光がグレーティング５９に入射している。つまり、レーザチャンバ３から出力された光は、グレーティング５９に入射するまでの光路において、ビーム幅が縮小されないようにすることができる。従って、第１の変形例によれば、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間に、光強度（light intensity）の高すぎる部分が形成されないようにすることができるため、光学素子の選択の自由度が向上し得る。

図３においては、第１のビーム幅変更素子４０ｂを光路に出し入れすることによりビーム幅の拡大率を変更する例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、切換機構４が第１のビーム幅変更素子４０ｂを光路において反転させることによりビーム幅の拡大率を変更しても良い。第１のビーム幅変更素子４０ｂは、光路において反転することにより、図１に示す第１のビーム幅変更素子４０ａのようなレンズの配置に切り換わる。従って、第１のビーム幅変更素子４０ｂを光路において反転させることにより、光のビーム幅を縮小させてその光を第２のビーム幅変更素子５０に入射させることができる。

＜１−８．第２の変形例＞
図４は、第１実施形態の第２の変形例を示す模式図である。第２の変形例は、切換機構４が、複数の第１のビーム幅変更素子４０ｃ及び４０ｄの内から、１つの第１のビーム幅変更素子を選択して光路に配置できる点で、図１に示した第１実施形態と異なる。
その他の点については図１に示した第１実施形態と同様である。

第１のビーム幅変更素子４０ｃは、シリンドリカル凸レンズ４２ｃ及びシリンドリカル凹レンズ４１ｃを含むことができ、第１のビーム幅変更素子４０ｄは、シリンドリカル凸レンズ４２ｄ及びシリンドリカル凹レンズ４１ｄを含むことができる。

ここで、例えば、第１のビーム幅変更素子４０ｃによるビーム幅の拡大率をＭ１とし、第１のビーム幅変更素子４０ｄによるビーム幅の拡大率をＭ２とし、Ｍ２＜Ｍ１＜１とする。この場合には、第１のビーム幅変更素子４０ｃ及び４０ｄの両者を光路から退避させた場合に最もスペクトル幅を小さくすることができる。そして、第１のビーム幅変更素子４０ｃを光路に配置した場合にはスペクトル幅を大きくし、さらに、第１のビーム幅変更素子４０ｃの代わりに第１のビーム幅変更素子４０ｄを光路に配置した場合にはスペクトル幅をより大きくすることができる。
従って、図４に示す第２の変形例によれば、スペクトル幅調整の可能な範囲を一層向上することができる。

＜１−９．第３の変形例＞
図５は、第１実施形態の第３の変形例における第１のビーム幅変更素子を示す模式図である。波面調節器２、レーザチャンバ３、第２のビーム幅変更素子５０、グレーティング５９等については、図１に示した第１実施形態と同様である。

第３の変形例においては、切換機構４が、図５（Ａ）に示す第１のビーム幅変更素子４０ｅを光路に出し入れすることができる。第１のビーム幅変更素子４０ｅは、プリズム４３ｅ及びプリズム４４ｅによって、第２のビーム幅変更素子５０（図１参照）に入射させる光のビーム幅を縮小させることができる。第１のビーム幅変更素子４０ｅは、さらに、平行平面基板４５ｅによって、第１のビーム幅変更素子４０ｅにおける入出力の光軸を一致させることができる。

また、第３の変形例においては、切換機構４が、図５（Ｂ）に示す第１のビーム幅変更素子４０ｆを光路に出し入れしても良い。第１のビーム幅変更素子４０ｆは、プリズム４３ｆ及びプリズム４４ｆによって、第２のビーム幅変更素子５０に入射させる光のビーム幅を拡大させることができる。第１のビーム幅変更素子４０ｆは、さらに、平行平面基板４５ｆによって、第１のビーム幅変更素子４０ｆにおける入出力の光軸を一致させることができる。

なお、図５に示す第３の変形例においては、平行平面基板４５ｅ又は４５ｆによって入出力の光軸を一致させているが、本開示はこれに限定されない。例えば、複数のミラーによって入出力の光軸を一致させても良い。
また、第３の変形例においては、第１のビーム幅変更素子４０ｅ又は４０ｆを光路に出し入れする場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、切換機構４が第１のビーム幅変更素子４０ｅを光路において反転させることによって、第１のビーム幅変更素子４０ｆと同様の作用を生じさせても良い。

＜１−１０．第４の変形例＞
図６は、第１実施形態の第４の変形例を示す模式図である。第４の変形例においては、レーザチャンバ３を通る光の光軸と、第２のビーム幅変更素子５０に入射する光の光軸とが略平行であり、これらの光軸の間に、オフセット量Ｘが与えられ得る。また、第１のビーム幅変更素子４０ｇ（拡大率Ｍ１）は、入出力の光軸間にオフセット量Ｘを有することができ、第１のビーム幅変更素子４０ｈ（拡大率Ｍ２）も、入出力の光軸間に、同一のオフセット量Ｘを有することができる。切換機構４は、第１のビーム幅変更素子４０ｇと第１のビーム幅変更素子４０ｈとを差し換えることによって、ビーム幅の拡大率を切り換えることができる。

第１のビーム幅変更素子４０ｇは、プリズム４３ｇ及びプリズム４４ｇを含み得る。第１のビーム幅変更素子４０ｈは、プリズム４３ｈ及びプリズム４４ｈを含み得る。そして、これらの第１のビーム幅変更素子によるビーム幅の拡大率Ｍ１及びＭ２は、例えば、Ｍ２＜Ｍ１＜１の関係を有し得る。この場合には、第１のビーム幅変更素子４０ｇを光路に配置した場合よりも、第１のビーム幅変更素子４０ｈを光路に配置した場合の方が、出力レーザ光のスペクトル幅が大きくなり得る。

図６に示す第４の変形例においては、図５に示した第３の変形例における平行平面基板が不要となるため、レーザ装置をコンパクト化することができる。また、光が平行平面基板を透過することによるエネルギーの損失を低減することができる。

なお、図６に示す第４の変形例においては、第１のビーム幅変更素子４０ｇ及び４０ｈを光路に出し入れする場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、切換機構４が、第１のビーム幅変更素子４０ｇ又は４０ｈを光路において反転させることによって、ビーム幅の拡大率を変化させても良い。
その他の点については図５に示した第３の変形例と同様である。

＜１−１１．第５の変形例＞
図７は、第１実施形態の第５の変形例における第１のビーム幅変更素子を示す模式図である。波面調節器２、レーザチャンバ３、第２のビーム幅変更素子５０、グレーティング５９等については、図６に示した第４の変形例と同様である。

第５の変形例においては、切換機構４が、図７（Ａ）に示す第１のビーム幅変更素子４０ｊ（拡大率Ｍ１）と、図７（Ｂ）に示す第１のビーム幅変更素子４０ｋ（拡大率Ｍ２）とを差し換えることにより、これらの第１のビーム幅変更素子を光路に出し入れし得る。第１のビーム幅変更素子４０ｊは、プリズム４３ｊ及びプリズム４４ｊによって、第２のビーム幅変更素子５０に入射させる光のビーム幅を拡大させ得る。また、第１のビーム幅変更素子４０ｋは、プリズム４３ｋ及びプリズム４４ｋによって、第２のビーム幅変更素子５０に入射させる光のビーム幅を拡大させ得る。

図７に示す第５の変形例においては、レーザチャンバ側から出力された光のビーム幅が、第１のビーム幅変更素子４０ｊ又は４０ｋによって拡大されて、その光がグレーティング側に透過している。つまり、レーザチャンバ側から出力された光は、グレーティングに入射するまでの光路において、ビーム幅が縮小されないようにすることができる。従って、第５の変形例によれば、レーザチャンバとグレーティングとの間に、光強度の高すぎる部分が形成されないようにすることができるため、光学素子の選択の自由度が向上し得る。
その他の点については図６に示した第４の変形例と同様である。

＜１−１２．第６の変形例＞
図８は、第１実施形態の第６の変形例における第１のビーム幅変更素子を示す模式図である。波面調節器２、レーザチャンバ３、第２のビーム幅変更素子５０、グレーティング５９等については、図６に示した第４の変形例と同様である。

第６の変形例においては、切換機構４が、図８（Ａ）に示す第１のビーム幅変更素子４０ｍ（拡大率Ｍ＞１）と、図８（Ｂ）に示す第１のビーム幅変更素子４０ｎ（拡大率Ｍ＜１）とを差し換えることにより、これらの第１のビーム幅変更素子を光路に出し入れし得る。第１のビーム幅変更素子４０ｍは、凹面シリンドリカルミラー４５ｍ及び凸面シリンドリカルミラー４６ｍによって、第２のビーム幅変更素子５０に入射させる光のビーム幅を拡大させ得る。また、第１のビーム幅変更素子４０ｎは、凹面シリンドリカルミラー４５ｎ及び凸面シリンドリカルミラー４６ｎによって、第２のビーム幅変更素子５０に入射させる光のビーム幅を縮小させ得る。

なお、第６の変形例においては、第１のビーム幅変更素子４０ｍ及び４０ｎを光路に出し入れする場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、切換機構４が第１のビーム幅変更素子４０ｍ又は４０ｎを光路において反転させることによって、ビーム幅の拡大率を変化させても良い。
その他の点については図６に示した第４の変形例と同様である。

＜２．第２実施形態＞
図９は、第２実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。第２実施形態に係るレーザ装置は、第２のビーム幅変更素子５０ａを光路に出し入れする第２の切換機構５を含んでいる点で、図１に示した第１実施形態と異なる。その他の点については、第１実施形態と同様である。第２の切換機構５は、第２のビーム幅変更素子５０ａ及び光路維持プリズム５０ｂの内の１つを選択して光路に配置できるようになっている。

第２のビーム幅変更素子５０ａは、図１を参照しながら説明した第２のビーム幅変更素子５０と同様の構成を有し得る。つまり、第２のビーム幅変更素子５０ａは、レーザチャンバ３から出射された光のビーム幅を拡大させるとともに、その光を屈折させてグレーティング５９側に透過させることができる。

一方、光路維持プリズム５０ｂは、ビーム幅を変更しない。従って、第２のビーム幅変更素子５０ａと光路維持プリズム５０ｂとを差し換えることにより、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間の光路におけるビーム幅の拡大率を変更し、出力レーザ光のスペクトル幅を変更することができる。

また、光路維持プリズム５０ｂは、レーザチャンバ３から出射された光を屈折させてグレーティング５９側に透過させ得る。そして、光路維持プリズム５０ｂによる光の屈折角度は、第２のビーム幅変更素子５０ａによる光の屈折角度と同一であり得る。従って、第２のビーム幅変更素子５０ａと光路維持プリズム５０ｂとを差し換える時に、グレーティング５９又はその他の光学素子の配置を変更しなくても良い。

第２実施形態によれば、切換機構４によってビーム幅の拡大率を変更できる他に、第２の切換機構５によってさらにビーム幅の拡大率を変更できる。従って、スペクトル幅を変更可能なレーザ装置の設計の自由度を向上することができる。

第２実施形態においては、第２のビーム幅変更素子５０ａと光路維持プリズム５０ｂとを差し換える場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、切換機構４が、第２のビーム幅変更素子５０ａを他のビーム幅変更素子と差し換えても良い。

＜２−１．第１の変形例＞
図１０は、第２実施形態の第１の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。第１の変形例においては、ビーム幅拡大プリズム５１ａと、第２の切換機構５と、ビーム幅拡大プリズム５３ａと、ビーム幅拡大プリズム５４ａと、グレーティング５９とによって、狭帯域化モジュールが構成され得る。

第２の切換機構５は、第２のビーム幅変更素子５２ａと光路維持プリズム５２ｂとを選択的に光路に配置する機構であり得る。レーザチャンバ３（図９参照）から出力された光は、ビーム幅拡大プリズム５１ａと、第２の切換機構５によって光路に配置される光学素子と、ビーム幅拡大プリズム５３ａと、ビーム幅拡大プリズム５４ａとを透過することにより、ビーム幅を拡大されて、グレーティング５９に入射し得る。第２の切換機構５によって光学素子を差し換えることにより、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間の光路におけるビーム幅の拡大率を変更し、出力レーザ光のスペクトル幅を変更することができる。
その他の点については図９に示した第２実施形態と同様である。

また、第２のビーム幅変更素子５２ａは図９に示した第２のビーム幅変更素子５０ａと同様であり、光路維持プリズム５２ｂは図９に示した光路維持プリズム５０ｂと同様である。より詳しく図１０に示すように、第２のビーム幅変更素子５２ａは、第１の面５０１と第２の面５０２とを有するプリズムであり得る。このプリズムは、第１の面５０１において、レーザチャンバ３（図９参照）から出射された入射光を屈折させてビーム幅を拡大させ得る。また、このプリズムは、第２の面５０２において、第１の面に入射した光を屈折させず、拡大又は縮小もせずにグレーティング５９に出射し得る。これに対し、光路維持プリズム５２ｂは、レーザチャンバ３から出射された入射光を第１の面５０３において屈折させてビーム幅を一旦拡大するが、第２の面５０４においては、第１の面に入射した光を再度屈折させてビーム幅を縮小し、グレーティング５９に出射し得る。

従って、光路維持プリズム５２ｂは、ビーム幅を変更せずに、第２のビーム幅変更素子５２ａによる光の屈折角度と同一の屈折角度で光を透過させ得る。従って、グレーティング５９又はその他の光学素子の配置を変更しなくても、第２のビーム幅変更素子５２ａと光路維持プリズム５２ｂとを差し換えることにより、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間の光路におけるビーム幅の拡大率を変更し、出力レーザ光のスペクトル幅を変更することができる。

なお、第２の切換機構５は、第２のビーム幅変更素子５２ａ及び光路維持プリズム５２ｂを図１０の上下方向に移動させても良いし、これらを図１０の奥行き方向に移動させても良い。また、第２の切換機構５は、第２のビーム幅変更素子５２ａ及び光路維持プリズム５２ｂの傾きを変えずに移動させても良いし、これらを回転させながら移動させても良い。

＜２−２．第２の変形例＞
図１１は、第２実施形態の第２の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。第２の変形例においては、ビーム幅拡大プリズム５１ｃと、第２の切換機構５と、ビーム幅拡大プリズム５４ｃと、グレーティング５９とによって、狭帯域化モジュールが構成され得る。

第２の切換機構５は、（１）第２のビーム幅変更素子５２ｃ及び５３ｃの組と、（２）光路維持プリズム５２ｄ及び５３ｄの組との内の１つを選択的に光路に配置する機構であり得る。レーザチャンバ３（図９参照）から出力された光は、ビーム幅拡大プリズム５１ｃと、第２の切換機構５によって光路に配置される光学素子と、ビーム幅拡大プリズム５４ｃとを透過することにより、ビーム幅を拡大されて、グレーティング５９に入射し得る。第２の切換機構５によって２組の光学素子を差し換えることにより、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間の光路におけるビーム幅の拡大率を変更し、出力レーザ光のスペクトル幅を変更することができる。
その他の点については図１０に示した第１の変形例と同様である。

図１１に示す第２の変形例においては、第２の切換機構５によって光路に出し入れされる光学素子の組が、それぞれ２つの光学素子によって構成される場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、光学素子の組が３つ以上の光学素子によって構成されても良い。
また、ｎ個の光学素子を他のｍ個の光学素子と差し換える（ここで、ｎとｍは異なる自然数とする）ようにしても良い。

＜２−３．第３の変形例＞
図１２は、第２実施形態の第３の変形例における狭帯域化モジュールを示す模式図である。第３の変形例においては、第２の切換機構５と、ビーム幅拡大プリズム５３ｅと、ビーム幅拡大プリズム５４ｅと、グレーティング５９とによって、狭帯域化モジュールが構成され得る。

第２の切換機構５は、（１）第２のビーム幅変更素子５１ｅ及び５２ｅの組と、（２）第２のビーム幅変更素子５１ｆ及び５２ｆの組と、（３）第２のビーム幅変更素子５１ｇ及び光路維持プリズム５２ｇの組との内の１つを選択的に光路に配置する機構であり得る。レーザチャンバ３（図９参照）から出力された光は、第２の切換機構５によって光路に配置される光学素子と、ビーム幅拡大プリズム５３ｅと、ビーム幅拡大プリズム５４ｅとを透過することにより、ビーム幅を拡大されて、グレーティング５９に入射し得る。第２の切換機構５によって光学素子を差し換えることにより、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間の光路におけるビーム幅の拡大率を変更し、出力レーザ光のスペクトル幅を変更することができる。
その他の点については図１１に示した第２の変形例と同様である。

＜３．第３実施形態＞
図１３は、第３実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。第３実施形態に係るレーザ装置は、第２のビーム幅変更素子５０ａを光路に出し入れする第２の切換機構５を含んでいるが、切換機構４（図９参照）を含んでいない点で、第２実施形態と異なる。その他の点は、第２実施形態と同様である。
第３実施形態においても、第２実施形態と同様に、図１０〜図１２を参照しながら説明した変形例を適用することが可能である。

第３実施形態においては、レーザチャンバ３から出力された光のビーム幅が、第２のビーム幅変更素子５０ａによって拡大されて、又は、光路維持プリズム５０ｂによって維持されて、その光がグレーティング５９に入射している。つまり、レーザチャンバ３から出力された光は、グレーティング５９に入射するまでの光路において、ビーム幅が縮小されないようにすることができる。従って、第３実施形態によれば、レーザチャンバ３とグレーティング５９との間に、光強度の高すぎる部分が形成されないようにすることができるため、光学素子の選択の自由度が向上し得る。

＜４．第４実施形態＞
図１４は、第４実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図であり、図１４（Ａ）は側面図、図１４（Ｂ）は平面図である。このレーザ装置１０１は、種光を発生させるためのマスターオシレータとして機能するレーザ装置１と、レーザ装置１から出力された種光をさらに増幅するパワーオシレータ１００とを含んだＭＯＰＯ（master oscillator power oscillator）システムとして構成され得る。

レーザ装置１は、上述の第１〜第３実施形態又はそれらの変形例と同様の構成を有し、所定のスペクトル幅を有する種光を発生させ得る。レーザ装置１において、レーザチャンバ３の前後には、選択された波長を通過させるスリット３５、３６が設けられ得る。
レーザ装置１から出力されたレーザ光は、高反射ミラー６１、６２、６３を介して、パワーオシレータ１００の部分反射ミラー（アウトプットカプラ）６７に導入され得る。

パワーオシレータ１００は、高反射ミラー６４、６５、６６及び部分反射ミラー６７によってレーザ光を周回させるリング共振器（ring resonator）を含み得る。パワーオシレータ１００は、レーザ光を周回させながらレーザチャンバ８内を通過させて、レーザ光を増幅させ得る。レーザチャンバ８は、レーザ装置１におけるレーザチャンバ３と同様に、一対の放電電極８１及び８２、ウインド８３及び８４を含み得る。レーザチャンバ８の前後には、選択された波長を通過させるスリット８５、８６が設けられ得る。

パワーオシレータ１００によって増幅されたレーザ光は、部分反射ミラー（アウトプットカプラ）６７を介して、出力レーザ光として出力され得る。
本実施形態においては、レーザ装置１におけるスペクトル幅の制御によって種光のエネルギーが多少変化したとしても、パワーオシレータ１００が種光を増幅するので、パワーオシレータ１００が出力レーザ光を安定的に出力することができる。

＜５．第５実施形態＞
図１５は、第５実施形態に係るレーザ装置の構成例を示す模式図である。このレーザ装置２０１は、種光を発生させるためのマスターオシレータとして機能するレーザ装置１と、レーザ装置１から出力された種光をさらに増幅するパワーオシレータ２００とを含んだＭＯＰＯシステムとして構成され得る。

第５実施形態におけるレーザ装置１の構成及び機能は、第４実施形態におけるレーザ装置１の構成及び機能と同様である。
レーザ装置１から出力されたレーザ光は、高反射ミラー７１、７２を介して、パワーオシレータ２００の部分反射ミラー（リアミラー）７３に導入され得る。

パワーオシレータ２００は、部分反射ミラー（リアミラー）７３と部分反射ミラー（アウトプットカプラ）７４との間でレーザ光を往復させるファブリペロ共振器（Fabry-Perot resonator）を含み得る。パワーオシレータ２００は、レーザ光を往復させながらレーザチャンバ８内を通過させて、レーザ光を増幅させ得る。レーザチャンバ８の構成及び機能は、第４実施形態において説明したレーザチャンバ８の構成及び機能と同様である。

パワーオシレータ２００によって増幅されたレーザ光は、部分反射ミラー（アウトプットカプラ）７４を介して、出力レーザ光として出力され得る。
本実施形態においても、レーザ装置１におけるスペクトル幅の制御によって種光のエネルギーが多少変化したとしても、パワーオシレータ２００が種光を増幅するので、パワーオシレータ２００が出力レーザ光を安定的に出力することができる。

以上の実施形態において、パワーオシレータの代わりに、パワーアンプリファイアを用いてもよい。これはＭＯＰＯではなく、ＭＯＰＡ（master oscillator power amplifier）である。

１…レーザ装置、２…波面調節器、３…レーザチャンバ、４…切換機構、５…第２の切換機構、８…レーザチャンバ、２１…シリンドリカル凹レンズ、２１ａ…フラット面（アウトプットカプラ）、２２…シリンドリカル凸レンズ、３１、３２…放電電極（励起源）、３３、３４…ウインド、３５…スリット、４０、４０ａ〜４０ｋ…第１のビーム幅変更素子、４１ａ〜４１ｄ…シリンドリカル凹レンズ、４２ａ〜４２ｄ…シリンドリカル凸レンズ、４３ｅ〜４３ｋ…プリズム、４４ｅ〜４４ｋ…プリズム、４５ｅ、４５ｆ…平行平面基板、４５ｍ、４５ｎ…凹面シリンドリカルミラー、４６ｍ、４６ｎ…凸面シリンドリカルミラー、５０、５０ａ…第２のビーム幅変更素子、５０ｂ…光路維持プリズム、５１ａ、５１ｃ…ビーム幅拡大プリズム、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇ…第２のビーム幅変更素子、５２ａ、５２ｃ、５２ｅ、５２ｆ…第２のビーム幅変更素子、５２ｂ、５２ｄ、５２ｇ…光路維持プリズム、５３ａ、５３ｅ…ビーム幅拡大プリズム、５３ｃ…第２のビーム幅変更素子、５３ｄ…光路維持プリズム、５４ａ、５４ｃ、５４ｅ…ビーム幅拡大プリズム、５９…グレーティング（波長分散素子）、６１〜６６…高反射ミラー、６７…部分反射ミラー、７１〜７３…高反射ミラー、７４…部分反射ミラー、８１、８２…放電電極、８３、８４…ウインド、８５、８６…スリット、１００…パワーオシレータ、１０１…レーザ装置、２００…パワーオシレータ、２０１…レーザ装置、Ｘ…オフセット量

Claims (9)

1. レーザ媒質をレーザゲイン空間において励起する励起源と、
   前記レーザゲイン空間を通る光路の一方の側に配置されたアウトプットカプラと、前記レーザゲイン空間を通る光路の他方の側に配置された波長分散素子と、を含む光共振器と、
   前記レーザゲイン空間と前記波長分散素子との間の光路にビーム幅を拡大又は縮小する少なくとも１つのビーム幅変更素子を出し入れし、又は、前記光路において前記少なくとも１つのビーム幅変更素子の向きを反転させることにより、ビーム幅の拡大率又は縮小率を切り換える切換機構と、
   を含むレーザ装置。
2. 前記光共振器内において往復する光の波面を変化させる波面調節器をさらに含む、請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記切換機構は、ビーム幅の拡大率又は縮小率を第１の状態と第２の状態とに切り換える機構であり、
   前記波面調節器は、ビーム幅の拡大率又は縮小率が第１の状態である場合において、前記波面を変化させることにより、前記光共振器から出力されるレーザ光のスペクトル幅を、第１の所定範囲において変更可能であるとともに、ビーム幅の拡大率又は縮小率が第２の状態である場合において、前記波面を変化させることにより、前記光共振器から出力されるレーザ光のスペクトル幅を、第１の所定範囲と一部重複する第２の所定範囲において変更可能である、請求項２記載のレーザ装置。
4. 前記少なくとも１つのビーム幅変更素子がアフォーカル光学系である、請求項１乃至３の何れか一項記載のレーザ装置。
5. 前記少なくとも１つのビーム幅変更素子は、前記レーザゲイン空間からの入射光のビーム幅を拡大して、その光を前記波長分散素子に出射する、請求項１乃至４の何れか一項記載のレーザ装置。
6. 前記少なくとも１つのビーム幅変更素子への入射光の光軸と、前記少なくとも１つのビーム幅変更素子からの出射光の光軸とが略平行である、請求項１乃至５の何れか一項記載のレーザ装置。
7. 前記少なくとも１つのビーム幅変更素子への入射光と、前記少なくとも１つのビーム幅変更素子からの出射光とが略同軸である、請求項１乃至５の何れか一項記載のレーザ装置。
8. 前記少なくとも１つのビーム幅変更素子への入射光の光軸と、前記少なくとも１つのビーム幅変更素子からの出射光の光軸とが所定の屈折角度を有しており、
   前記切換機構は、前記少なくとも１つのビーム幅変更素子と、入射光の光軸と出射光の光軸とが前記所定の屈折角度を有する光学素子とを選択的に光路に配置する、請求項１乃至５の何れか一項記載のレーザ装置。
9. 前記共振器から出力されるレーザ光を増幅するパワーオシレータおよびパワーアンプリファイアのいずれか一方をさらに含む、請求項１乃至８の何れか一項記載のレーザ装置。