JP2019029272A - レーザ駆動ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】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がなく、プラズマ容器への入力エネルギーの更なる増加を可能とし、大出力のＵＶ光及びＶＵＶ光を得ることができる構造を提供することである。【解決手段】柱状の金属製の胴体部を備えるとともに、該胴体部の内側に、前記レーザ光が集光される第１焦点を有する楕円反射面が形成され、該楕円反射面の前面には紫外光透過性の光出射窓が設けられるとともに、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ていて、該レーザ光通過孔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おり、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。【選択図】 図１

Description

この発明は、レーザ駆動ランプおよびレーザ駆動光源装置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およびレーザ駆動光源装置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、このような製造工程においては、処理時間の短縮化が要求されており、そのために使用される光源として、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。

特許文献１に開示された従来技術では、図７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の外部には、レーザ光発生器５０が設けられ、レーザ光発生器５０から、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、放射光を発生させることができる。放射光は楕円反射鏡４０で反射され、被照射物側に反射する。

このような従来のＬＰＰランプでは、プラズマ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紫外光（ＵＶ光）及び真空紫外光（ＶＵＶ光）の照射を受け、プラズマ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がなく、プラズマ容器への入力エネルギーの更なる増加を可能とし、大出力のＵＶ光及びＶＵＶ光を得ることができる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、柱状の金属製の胴体部を備えるとともに、該胴体部の内側に、前記レーザ光が集光される第１焦点を有する楕円反射面が形成され、該楕円反射面の前面には紫外光透過性の光出射窓が設けられるとともに、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ていて、該レーザ光通過孔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おり、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、前記胴体部が、前記楕円反射面が形成された基体部と、その前方側に接合された先端部とからなり、該先端部には前方側に向かって縮径された筒状内表面が形成されていて、前記先端部の前面に前記光出射窓が設けられていることを特徴とする。
また、前記先端部には、前記密閉空間内に連通する排気管が付設されていることを特徴とする。
また、前記基体部は、円筒状部と、該円筒状部内に設けられ、当該円筒状部とは異なる金属部材からなる反射部とからなり、該反射部に前記楕円反射面が形成されていることを特徴とする。
また、前記密閉空間内には、前記楕円反射面の第１焦点近傍に生成されるプラズマに対向するように対流制御部材が設けられていることを特徴とする。
また、前記胴体部がタングステン、または、タングステン合金製であることを特徴とする。

また、柱状の金属製の胴体部を備えるとともに、該胴体部の内側に、前記レーザ光が集光される第１焦点を有する楕円反射面が形成され、該楕円反射面の前面にはレーザ光透過性かつ紫外光透過性の光出入射窓が設けられていて、前記胴体部と前記光出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、前記レーザ駆動ランプを備えたレーザ駆動光源装置において、前記光出入射窓の前方に、レーザ光を反射または透過し、紫外光を透過または反射するダイクロイックミラーが配置されていて、前記レーザ光は、前記ダイクロイックミラーを介して前記胴体部内に集光入射され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の金属製の胴体部により構成したので、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。

また、胴体部には楕円反射面が形成されているので、プラズマからのＵＶ光及びＶＵＶ光は集光されつつ光出射窓に至るので、該光出射窓の径を楕円反射面の開口径よりも小さなものとすることができて、光出射窓の耐圧性が向上して破損することを抑制できる。
また、胴体部の材料としてタングステン、または、タングステン合金のような高耐力材料を使用できるので、レーザ駆動ランプの強度が極めて向上し、入射レーザ光の高入力化が達成できる。
また、胴体部に単一の光出入射窓を設ける構造とすることで、レーザ駆動ランプの構造が簡潔なものとなり、耐圧性が更に向上する。

本発明の第１の実施例の断面図。 胴体部と窓の取付け構造の断面図。 本発明の第２の実施例の断面図。 本発明の第３の実施例の断面図。 第３の実施例における対流制御部材の斜視図。 本発明の第４の実施例の断面図。 従来技術の説明図。

図１に本発明の第１の実施例が示されていて、レーザ駆動ランプ１は、筒状の胴体部２を備えている。この胴体部２は、タングステン、モリブデン、銅、アルミニウム等の金属からなる。これらの金属材料のうち、特に、タングステンは融点が高く、高温まで機械的強度が大きく、熱伝導率も高いことから、好ましい材料となる。
また、胴体部２を構成する材料としては、銅、ニッケル、鉄などを含有するタングステン合金、タングステン重合金を使用することができる。
前記胴体部２は、基体部２１と、その先端にロウ付けや溶接などにより接合された先端部２２とからなる。そして、基体部２１には、その内部に楕円反射面３が形成されている。
また、この楕円反射面３の軸中心には、光軸方向に貫通するレーザ光通過孔４が設けられていて、このレーザ光通過孔４の後方側（レーザ光入射側）にはレーザ光が入射する光入射窓６が設けられている。
この光入射窓６はレーザ光透過性であって、水晶、サファイア、石英、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などからなる。

一方、前記先端部２２は筒形状をなし、その筒状内表面５は、先端側に向かって縮径されて形成されており、その先端には光出射窓７が設けられている。この光出射窓７は紫外光透過性であって、光入射窓６と同様の材料、即ち、水晶、サファイア、石英、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）などからなる。
そして、胴体部２、光入射窓６および光出射窓７によって密閉空間Ｓが形成されていて、その内部には、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、発光波長に合わせて封入されている。

また、胴体部２の先端部２２の側周面には、排気管８が密閉空間Ｓに連通するように付設されている。この排気管８は、基体部２１に設けると、楕円反射面３の光学特性に悪影響を与えるが、先端部２２に設けることで、このような不具合を回避できる。
そして、この排気管８は２本設けることが好適であり、胴体部２の基体部２１と先端部２２を溶接するとき、この２本の排気管８の一方から他方に不活性ガスを流し、楕円反射面３が酸化されることを防止する機能がある。
また、胴体部２が組み立てられた後に、一方の排気管８を圧接切断し、他方の排気管８から排気する。その後に、他方の排気管８から不活性ガスを導入して、この他方の排気管８の端部を圧接切断して封止するものである。

図１において、レーザ駆動ランプ１には、不図示のレーザ源からのレーザ光Ｌが、集光レンズ１５を介して集光され、光入射窓６から密閉空間Ｓに入射する。このレーザ光Ｌは、発光ガスが封入された密閉空間Ｓ内で、楕円反射面３の第１焦点Ｆ１に集光してプラズマを生成する。
プラズマにより生成された励起光である紫外光Ｕは、楕円反射面３により集光されつつ、前面の光出射窓７から外部に出射されて、第２焦点Ｆ２で集光する。
このとき、胴体部２の先端部２２には、縮径する筒状内表面５が形成されているが、紫外光Ｕは集光されつつ進行するので、該筒状内表面５によって蹴られることはない。そして、このような構成により、光出射窓７の外径は、凹面反射面３の先端開口径よりも小さくすることができて、内圧に対する強度を大きくすることができる。
なお、楕円反射面３の第２焦点Ｆ２については、レーザ駆動ランプ１の外部に位置したものを示したが、密閉空間Ｓ内に位置していても構わない。

図２に光入射窓６および光出射窓７の胴体部２への取付け構造の例が示されている。なお、図２では、光出射窓７の取付け構造が示されているが、光入射窓６についても同様の構造である。
図２（Ａ）に示すように、水晶、サファイアなどからなる光出射窓７の外周面は、例えば、モリブデンとマンガンの混合物（Ｍｏ−Ｍｎ）からなる金属によってメタライズ加工されてメタライズ層７ａが被覆されている。このメタライズ層７ａの上にＮｉメッキ７ｂを行い、これを窓ユニットＡ１とする。
一方、コバール製のリング部材９にＮｉメッキ９ａを施したもの（窓ユニットＡ２）を用意し、この窓ユニットＡ２と上述の窓ユニットＡ１とをＡｇロウ１０によりロウ付けすることで窓ユニットＡを構成する。
そして、この窓ユニットＡにおけるＮｉメッキ９ａが施されたコバール製のリング部材９を、胴体部２の金属とＴＩＧ溶接やレーザ溶接により溶接して接合するものである（溶接１１）。

図２（Ｂ）には、別の例が示されていて、胴体部２をタングステンによって構成するとき、タングステンとコバール（第１リング部材９）の融点に相応な差があり、直接溶接することが難しい場合に、胴体部２側にコバール製の第２リング部材１２を取り付け、これを光出射窓７側のコバール製の第１リング部材９と溶接したものである。
即ち、コバール製の第２リング部材１２にＮｉメッキ１２ａを施し、これを胴体部２にＣｕロウ１３によりロウ付けする。この場合、ロウ材としてＣｕロウを選択したことは、胴体部２のタングステンとのなじみ易さを考慮して選択したものである。
そして、光出射窓７側の前記窓ユニットＡにおけるコバール製リング部材９と、胴体部２側のコバール製の第２リング部材１２とを溶接して接合するものである（溶接１１）。

本発明の第１の実施例に基づく一数値例を挙げると以下の通りである。
・胴体部：タングステン製、全長１６２ｍｍ、外径９０ｍｍ
・封入ガス：Ａｒガス、５．０ＭＰａ（２５℃換算）
・光入射窓：サファイア製、外径５０．８ｍｍ、厚さ１５ｍｍ
・光出射窓：サファイア製、外径５０．８ｍｍ、厚さ１５ｍｍ
・リング部材：コバール製
・排気管：Ｎｉ製、外径３ｍｍ

図３に第２の実施例が示されている。
胴体部２にタングステンやモリブデンなどの高融点金属を用いる場合、これら金属が難切削性であることから、楕円反射面３を鏡面にする切削加工が困難である場合がある。このような場合に、鏡面を構成する部分を切削加工性の良い材料で構成することもできる。
図３において、胴体部２の基体部２１を、円筒状部２１１と、該円筒状部２１１とは異なる金属材料、例えば、切削性に富んだアルミニウムなどからなる反射部２１２とから構成する。そして、この反射部２１２に楕円反射面３が形成されていて、その鏡面加工が容易となる。
反射部２１２は、円筒状部２１１に圧入や溶接等により嵌合固定される。この反射部２１２がプラズマによる高温に曝されることがあっても、熱伝導のよい金属製の円筒状部２１１から効率的に除熱することができる。

図４に第３の実施例が示されている。
図１〜３の実施例は、垂直点灯、水平点灯のいずれにも適用可能であるが、図４に示す第３の実施例は、垂直点灯の実施例である。
胴体部２の密閉空間Ｓ内では、プラズマによる加熱により発光ガスが対流し、プラズマは発生する位置が揺らいで、光量が変動することがある。これを抑制するために、密閉空間Ｓ内に対流制御部材を設けたものである。
先端（下端）が円錐形状をなす対流制御部材１６が、楕円反射面３の第１焦点Ｆ１近傍に生成されるプラズマに対向するように配置されている。

図５に示すように、この対流制御部材１６は、胴体部２の先端部２２における光出射窓７の下方に支持されたリング状の支持具１７から垂下した支持棒１７ａの下端に固定支持されている。
この構成により、プラズマからの加熱による発光ガスの上昇流を整流化して、プラズマの揺らぎを抑制することができる。

以上の図１〜４の実施例では、胴体部２の一方の光入射窓６からレーザ光が入射し、他方の光出射窓７から紫外光が出射する構成であるが、単一の光入射兼出射窓からレーザ光が入射し、紫外光が出射する構成とすることも可能である。
図６にそのような構成の第４の実施例が示されている。
金属製の胴体部２は一方の端部、この例では、上端部にのみ開口が形成され、そこに光出入射窓１８が設けられている。
即ち、胴体部２には、上記第１〜３の実施例における、レーザ光通過孔４が形成されておらず、胴体部２と光出入射窓１８によって密閉空間Ｓが形成されている。

この第４の実施例のレーザ駆動ランプ１を用いたレーザ駆動光源装置では、光出入射窓１８の前方（上方）にこれと対向してダイクロイックミラー１９が設けられている。このダイクロイックミラー１９は、レーザ光Ｌを透過し、紫外光Ｕを反射するものである。
図示しないレーザ源からの集光するレーザ光Ｌはダイクロイックミラー１９を透過し、楕円反射面３の第２焦点Ｆ２を経て、光出入射窓１８を経て胴体部２の密閉空間Ｓ内に入射される。このレーザ光Ｌは楕円反射面３によって反射されて第１焦点Ｆ１に集光する。
ここで生成されたプラズマから発生した紫外光Ｕは、楕円反射面３により反射されて集光されつつ光出入射窓１８から出射され、ダイクロイックミラー１９によって反射されて外部に出射される。

このような構成とすることで、胴体部２には単一の光出入射窓１８を設けるのみでよく、構造が簡略化されるとともに、高耐圧性、高耐熱性が更に向上する。
なお、前記ダイクロイックミラー１９は、レーザ光Ｌを反射し、紫外光Ｕを透過るものであってもよく、その場合は、レーザ源は、図６におけるダイクロイックミラー１９の側方に配置し、紫外光Ｕは、ダイクロイックミラー１９を透過して上方に出射される。

以上説明したように、この発明のレーザ駆動ランプによれば、柱状の金属製の胴体部を備えるとともに、該胴体部の内側に楕円反射面が形成され、その前面には紫外光透過性の光出射窓が設けられるとともに、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ていて、該レーザ光通過孔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いることにより、高耐圧性、高耐熱性が向上してレーザ光の高入力に対応でき、大出力のＵＶ光やＶＵＶ光を得ることができる。
また、楕円反射面を採用したことで、胴体部の密閉空間構造を紫外光出射側で縮径できるので、光出射窓の外径を小さなものとすることができ、窓部材の耐圧性を向上できる。

１ ：レーザ駆動ランプ
２ ：胴体部
２１ ：基体部
２１１：円筒状部
２１２：反射部
２２ ：先端部
３ ：楕円反射面
４ ：レーザ光通過孔
５ ：筒状内表面
６ ：光入射窓
７ ：光出射窓
８ ：排気管
９ ：（第１）リング部材
１０ ：ロウ付け
１１ ：溶接
１２ ：第２リング部材
１３ ：ロウ付け
１５ ：集光レンズ
１６ ：対流制御部材
１７ ：支持具
１８ ：光出入射窓
１９ ：ダイクロイックミラー
Ｓ ：密閉空間
Ｆ１ ：楕円反射面の第１焦点
Ｆ２ ：楕円反射面の第２焦点
Ｌ ：レーザ光
Ｕ ：紫外光

Claims (8)

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、
   柱状の金属製の胴体部を備えるとともに、
   該胴体部の内側に、前記レーザ光が集光される第１焦点を有する楕円反射面が形成され、
   該楕円反射面の前面には紫外光透過性の光出射窓が設けられるとともに、
   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ていて、
   該レーザ光通過孔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おり、
   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. 前記胴体部が、前記楕円反射面が形成された基体部と、その前方側に接合された先端部とからなり、該先端部には前方側に向かって縮径された筒状内表面が形成されていて、
   前記先端部の前面に前記光出射窓が設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。
3. 前記先端部には、前記密閉空間内に連通する排気管が付設されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ駆動ランプ。
4. 前記基体部は、円筒状部と、該円筒状部内に設けられ、当該円筒状部とは異なる金属部材からなる反射部とからなり、該反射部に前記楕円反射面が形成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ駆動ランプ。
5. 前記密閉空間内には、前記楕円反射面の第１焦点近傍に生成されるプラズマに対向するように対流制御部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ駆動ランプ。
6. 前記胴体部がタングステン、または、タングステン合金製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ駆動ランプ。
7. 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、
   柱状の金属製の胴体部を備えるとともに、
   該胴体部の内側に、前記レーザ光が集光される第１焦点を有する楕円反射面が形成され、
   該楕円反射面の前面にはレーザ光透過性かつ紫外光透過性の光出入射窓が設けられていて、
   前記胴体部と前記光出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。
8. 請求項７に記載のレーザ駆動ランプを備え、前記光出入射窓の前方に、レーザ光を反射または透過し、紫外光を透過または反射するダイクロイックミラーが配置されていて、前記レーザ光は、前記ダイクロイックミラーを介して前記胴体部内に集光入射されることを特徴とするレーザ駆動光源装置。
   
   
   
   

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