(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービーム（４）を拡大するための装置（１１，１３）であって、
入射されコリメート化されるレーザービーム（４）を拡大するための２つの球面折り返しミラー（７，８）を有する望遠鏡装置（６）と、
発散ビームパス内で望遠鏡装置（６）の後方に配置される、拡大されたレーザービーム（５）のコリメート化のための球面レンズ面（３ａ）を備えたレンズ（３）とを含み、
前記ビームパスにおける第１の折り返しミラーは、凸状に湾曲した球面折り返しミラー（７）であり、前記ビームパスにおける第２の折り返しミラーは凹状に湾曲した球面折り返しミラー（８）であり、当該球面折り返しミラー（８）は拡大されたレーザビーム（５）のコリメート化のために前記レンズ（３）と一緒に作用する、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記レンズ（３）を、コリメート化されたレーザービーム（５）の照射方向で移動させるための移動装置（１２）がさらに含まれている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記レンズは、平凸レンズ（３）であり、その凸状の球面レンズ面（３ａ）は前記望遠鏡装置（６）とは反対側にある、請求項１又は２記載の装置。
【請求項４】
前記望遠鏡装置（６）内に入射するレーザービーム（４）の照射方向と、前記望遠鏡装置（６）から出射するレーザービーム（５）の照射方向は、相互に平行して延在している、請求項１から３いずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記望遠鏡装置（６）内に入射するレーザービーム（４）のビームパスは、前記望遠鏡装置（６）から出射するレーザービーム（５）のビームパスと交差している、請求項１から３いずれか１項記載の装置。
【請求項６】
ＩＲ領域の波長からＵＶ領域の波長へのレーザービーム（１８）の周波数変換のための周波数変換装置（１７）がさらに含まれている、請求項１から５いずれか１項記載の装置。
【請求項７】
レーザービーム（１８）を生成するレーザー（１９）がさらに含まれている、請求項１から６いずれか１項記載の装置。
【請求項８】
拡大され発散されたレーザービームの照射方向に対して相対的に前記レンズ（３）を傾斜させるための傾斜装置（１６）がさらに含まれている、請求項１から７いずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記球面レンズ面（３ａ）、前記凸状に湾曲した球面折り返しミラー（７）、及び前記凹状に湾曲した球面折り返しミラー（８）の曲率半径を相互に適合化して、拡大されたレーザービーム（５）がコリメート化され、かつ収差も相互に十分に補償されるようにし、それによって前記装置（１１，１３）が回折限界の結像を形成している、請求項１から８いずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
２つの球面折り返しミラー（７，８）を有し、ビームパス内の第１の折り返しミラーは凸状に湾曲した球面折り返しミラー（７）であり、ビームパス内の第２の折り返しミラーは凹状に湾曲した球面折り返しミラー（８）である、望遠鏡装置（６）を用いて、レーザービーム（４）を拡大するための方法において、
入射されコリメート化されるレーザービーム（４）を、前記ビームパス内の第１の折り返しミラー（７）において拡大し、
拡大されたレーザービームを、ビームパス内の第２の折り返しミラー（８）と、発散ビームパス内で前記望遠鏡装置（６）の後方に配置されている、球面レンズ面（３ａ）を備えたレンズ（３）とにおいてコリメート化するようにしたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービーム、特にＵＶレーザービームを拡大するための装置並びに関連するレーザービームを拡大するための方法に関している。
【背景技術】
【０００２】
ＵＶレーザー、すなわちＵＶ波長領域の（可視波長領域未満の波長を有する）レーザービームを生成するレーザーは、とりわけ微細加工においてますます重要になってきている。このことは高出力なＵＶレーザーと平均出力のＵＶレーザーの需要を増加させる。紫外線領域のレーザービームの生成は、多くの場合、非線形結晶の赤外線レーザービームの周波数変換によって行われる。この周波数変換では、一方では、赤外線波長領域から紫外線波長領域への効率的な変換を可能にするために、非線形結晶の低いビーム発散と高い赤外線強度が必要とされ、他方では結晶の破壊と光学的特性の迅速な低下を回避するために、生成されたＵＶビームの強度が過度に強すぎないことも必要とされる。
【０００３】
これらの条件は、例えば（但し専ら限定の意味ではないが）、約５ピコ秒範囲のＵＶパルス長と１μＪよりも大きいＵＶパルスエネルギーとを有する超短パルスレーザー、あるいは約１ピコ秒のＵＶパルス長と０.２μＪよりも大きなＵＶパルスエネルギーとを有する超短パルスレーザーの場合、その直径が変換構造の拡がりに亘って大きく拡大することのない、換言すればその長さに亘って強度が著しく低下することのない、コリメート化された若しくはほぼコリメート化された高強度のＵＶレーザービームに結び付く。
【０００４】
高強度の恒久的なＵＶビームは、透過光学系（例えばレンズ若しくは石英ガラス製の他の光学系）及び場合によってはその反射防止膜に、望ましくない恒久的な材料変化をもたらすおそれがある。そのような材料変化は前記透過型光学系の透過特性を使用不能になるまで悪化させる恐れがある。正確にはコントロールすることのできない光学系周辺の様々なガスの痕跡も、紫外線ビームによって、レンズ上の堆積物となり得る（例えば、炭化水素、シリコーン化合物）。そのような堆積物もある一定の期間の経過後には使用不能の原因となり得る。特に非常に高強度の紫外線ビームのもとでは、そのような性能低下はもはやＵＶレーザービーム用の透過光学系の経済的な使用が不可能になるところまで急激に加速する。
【０００５】
前述したような方式で生成される、比較的高強度のコリメート化されたＵＶレーザービームを有効活用するためには、その強度が所望の期間の間、後続の光学系（例えばビームガイド光学系、ビーム成形光学系又は処理光学系）の損傷に結びつかないように拡大させる必要がある。
【０００６】
そのような拡大は、レーザービームの伝播長を後続の光学系まで長くすることによって達成できるが、このことによってレーザービーム自体は既に十分な大きさとなってしまう。いずれにしてもレーザービームが（ほぼ）コリメート化されているケースでは、実施は困難である。なぜなら非常に長い伝播長が必要になってしまうからであり、拡大される光学系全体の大きさにも限りがあるからである。
【０００７】
通常は、（ほぼコリメート化された）レーザービームのビームを拡大するために、例えばガリレイレンズ１（図１参照）の形態のビーム拡大装置が使用される。そのようなガリレイレンズ１は、入射されコリメート化されたレーザービームを、（ここでは６倍に）拡大され同じようにコリメート化されたレーザービーム５に変換するために、少なくとも２つのレンズ２，３を有している。このガリレイレンズ１は、短い全長と典型的に小さな構造空間を備えた簡単な構造のビーム拡大光学系であり、ここでは軸方向に配置した２つの球面レンズ２、３を使用して、それらが入力ビーム位置に対して比較的高い製造公差のもとでも非常に小さなビーム変形しか引き起こさないような設計が可能である（換言すれば入力ビームの傾斜ないし変位）。出力ビーム発散角に関しては、前記レンズ２、３の径誤差又は入力ビーム発散角の誤差が、前記レンズ２、３のうちの一方の簡単な軸方向の移動によって、拡大されたレーザービーム５の横方向のずれを引き起こすことなく補償することが可能である。
【０００８】
しかしながら残念なことに、ガリレイレンズ１の入力側レンズ２自体は、まだ拡大されていないＵＶレーザービーム４の高い紫外線強度の１つにさらされてしまうので、誘電体反射防止膜をコーティングされた入力側レンズ２を使用する場合には、その伝送特性に許容できないような劣化を引き起こす可能性が高い。この問題の部分的な解決策として、ガリレイレンズ１に、コーティングされていない入力光学系を使うこと、すなわち反射防止コーティングをしないことが挙げられる。しかしながらこの場合、コーティングされていないレンズ２におけるフレネル反射によって出力ロスが生じてしまう。しかもビームに起因するレンズ材料の変化ないし劣化の問題は残されたままである。
【０００９】
この結果として、集中的なＵＶ照射による誘電体ミラーの反射特性の劣化の方が、透過光学系、特に誘電体反射防止コーティングされた透過光学系の伝送特性の劣化よりもはるかに少ないことが分かった。それ故、紫外線ビームのビーム拡大用ミラーレンズは、透過光学系のレンズよりも遙かに長い期間の動作寿命を達成することができる。
【００１０】
図２には、入射するコリメート化されたレーザービーム４を、拡大されコリメート化されたレーザービーム５へ変換する（ここでは６倍）ためのＺ型の折り畳み構成の反射光学要素として２つの球面型折り返しミラー７，８を有するテレスコープ装置６が示されている。前記折り返しミラー７，８間の距離はここでは約１５０ｍｍであり、両方の折り返しミラー７、８に対して同じ折り畳み角度２αは約２０°である。
【００１１】
図２に例示的に示されているようなビーム拡大用非軸型ミラーシステムは一般に様々な欠点を有している。例えば非点収差やコマ収差を低減するために非球面光学素子を必要とし、このことは当該システムを高価にかつ調整に敏感にさせ、あるいはこの種のシステムが所定の製造公差のために、比較的大きなミラー半径と小さな折り畳み角度での使用に制限され、これによって装置全体の大型設計が必要になってしまい、及び／又はこれらのシステムが非常に特殊な、半径と折り畳み角度の組合せやビーム特性に限られてしまう（例えば、収束出力ビーム（中間焦点））。
【００１２】
図２に示す装置構成については、図３に、シミュレーションによって生成されたミラー望遠鏡６の遠隔フィールドの４つのスポットダイアグラムが示されている。入射レーザービーム４に対して、１／ｅ2直径（すなわち強度が最大値の１／ｅ2まで減少する直径）のガウシアン強度分布に基づいて０．８３ｍｍと仮定すれば、出射レスポットダイアグラム想的にはここに示されている６倍の拡大倍率に基づいて５ｍｍの１／ｅ2直径を有するべきである。シミュレートされるミラー望遠鏡６の瞳孔はここでは次のように選択されている。すなわち、３４３ｎｍのＵＶ波長のエアリーディスク９の計算された半径（約４２μｒａｄ）が５ｍｍの１／ｅ2直径を有するガウシアン強度分布のレーザービームの発散角にほぼ相当するように選択される。
【００１３】
図３の左側上部に示されている軸方向に整列された入力ビームの他にも、レーザービームの入力軸から０．２°のずれを伴った３つのさらなるビームが算出され、それらは図３の右側上部、左側下部、右側下部にそれぞれ示されている。図３に示されている（矩形状の）角度範囲のスケールサイズＳ1はここでは２０００μｒａｄである。図３に示すスポットが実質的に円形のエアリーディスク９の外側にあるので、反射望遠鏡６は入射レーザービーム４に対して飛び抜けて回折制限されるものではない。
【００１４】
一般に、図２に示すミラー望遠鏡６のような非軸型反射望遠鏡のもとでは、折り返しミラー７，８の半径誤差又は入力ビーム４のコリメーション誤差を、個々の折り返しミラー７，８の単純な移動によって、望ましくない横方向の変位を生じさせることなく補償することはできない。
【００１５】
ＤＥ  １０  ２００７  ００９  ３１８  Ａ１明細書でも、高エネルギーレーザービームの拡大に係る問題が取り上げられている。そこに記載されている解決手段では、後続の光学部品における不可逆的な損傷を避けるために、レーザービームが透過又は反射光学系を用いて、割り当てられたエネルギー密度が臨界エネルギー密度以下に維持されるように拡大されている。ビーム拡大のために、１つの実施形態では、レーザービームに対して４５°傾斜させることができる円筒状の凸面ミラーと凸円柱レンズが使用される。凸面ミラーの４５°の傾きによって、ミラー表面のエネルギー密度はミラー自体が破損しないように√２倍だけ低減されるべきである。円柱レンズは、発散される拡大レーザービームを、増加するビーム断面を有する平行ビームパスに移行させる。しかしながらこれは、一方向にレーザービームを拡げることしか提供しない。
【００１６】
代替的に二方向への拡大に対しては、ＤＥ  １０  ２００７  ００９  ３１８  Ａ１明細書の別の実施形態において次のような装置が提案されている。すなわち、ビーム拡大用の１つの球面凸ミラー７と、その円筒軸線が相互に直交するように配置された２つの円柱レンズ１１，１２を有し、球面凸ミラー７において発散拡大されたレーザービームをコリメート化された出射レーザービーム５に、すなわち平行化されたビームパスを有するレーザービーム５に変換するためのビーム拡大装置１０（図４参照）が提案されている。しかしながらここでの装置１０は、円柱レンズ１１，１２を使用することによって、非常に調整が影響を受けやすい。このことは図５及び図６に基づいて以下に示す。
【００１７】
図５は、図３に類似した図面であり、ここでは入射するレーザービーム４の特性と、スケールサイズＳ2だけが２００μｒａｄに小さくなった図３の瞳孔に相応している。図３の右側上部に示された遠視野のスポット描写では、全てのビームないしスポットがエアリーディスク９の内部にある。つまり、ビーム分布の二乗平均平方根（ＲＭＳ）の半径は、エアリーディスク９の半径（約４２μｒａｄ）よりも明らかに小さい。そのため、図４に示す拡大されたレーザービーム用の光学系は、入力ビームが軸方向に配向されている限り回折限界である。しかしながら斜めのビーム入射のもとでは、図５の左上部、左下部、右下部に示されているスポット描写からもわかるように、結像特性の劣化が僅かである。そこでは入射されるレーザービーム４の折り返し角度は異なる方向毎にそれぞれ０.２°だけ変更され、入力開口は凸面ミラー７の１５０ｍｍ前方にある。
【００１８】
図６には、図３及び図４に類似した遠視野スポットの描写が示されており、ここでは図５の左上部に示されたものと同じ入射レーザービーム４と瞳孔（及びスケールサイズＳ2）が選択されている。但し円柱レンズ１１，１２はそれぞれビーム方向で０.２°だけ傾斜している。しかしながらここでは円柱レンズ１１，１２の僅かな調整ミスが、約４５°以下の強力な収差につながることがはっきりと分かる。このことは遠視野分布が回折限界にならない結果となる。なぜなら多数のスポットが（半径約３７μｒａｄの）エアリーディスク９外に散在してしまうからである。
【００１９】
発明の課題
本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の装置及び方法において、使用される光学系の、強力なレーザービームによる劣化が十分に回避され、ビーム拡大のもとで僅かな結像エラーしか生じないように改善を行うことである。
【００２０】
発明の開示
前記課題は本発明により、入射されたコリメート化されたレーザービームを拡大するための２つの球面折り返しミラーを有する望遠鏡装置と、発散ビームパス内で前記望遠鏡装置の後方に配置される、拡大されたレーザービームのコリメート化のための球面レンズ面を備えたレンズとを含み、前記ビームパス内の第１の折り返しミラーは凸状に湾曲した球面折り返しミラーであり、前記ビームパス内の第２の折り返しミラーは凹状に湾曲した球面折り返しミラーであることを特徴とする、レーザービーム、とりわけＵＶレーザービームを拡大するための装置によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガリレイ望遠鏡型のレーザービーム拡大装置の概略図
【図２】ミラー望遠鏡型のレーザービーム拡大装置の概略図
【図３】入射ビームの入射角が異なっている場合の図２によるミラー望遠鏡を用いて生成され拡大されたレーザービームの遠視野描写図
【図４】１つの凸面ミラーと２つの円柱レンズを備えたビーム拡大装置を示した図
【図５】入射ビームの入射角が異なっている場合の図４による装置の遠視野描写図
【図６】円柱レンズのうちの１つが傾斜している場合の図４による装置の遠視野描写図
【図７】Ｚ状折り返し構造のミラー望遠鏡を備え、球面状の出射レンズを備えている、本発明によるビーム拡大装置の実施形態を示した図
【図８】Ｘ状折り返し構造のミラー望遠鏡を備えている、本発明によるビーム拡大装置のさらなる実施形態を示した図
【図９】周波数変換装置とＩＲレーザーを備えた図７による装置を示した図
【図１０】入射ビームの入射角が異なっている場合の図７による装置の遠視野描写図
【００２２】
本願発明者は、既に拡大されたレーザービームにおける、ビーム発散を補正する出力部材としての２つの球面ミラーと１つの球面レンズとからなる組み合わせの使用によって、回折限界を遙かに下回る非常に小さなビーム変形や結像エラーしか伴わないビーム拡大が達成できることを発見した。この場合の折り返しミラーの折り返し角度は、比較的広い範囲に亘って自由に選択することができ、しかもこの装置は比較的小さな設計構造（短い全長）で実現することができる。前記レンズは既に拡大されたレーザービーム内に配置されているので、強度の減少したレーザーにしかさらされず、これによって、例えば図１のガリレイレンズとの関係で説明したような透過型光学素子の劣化の問題は解消される。
【００２３】
専ら球面光学系を使用することによって、（本発明による）レーザービーム拡大のための装置は、入力ビームに関する誤差と、個々の光学要素（すなわち折り返しミラーないしレンズ）の配向に関する誤差に対して高い許容公差を有している。さらに、高精度の球面光学系の製造は、非球面レンズ面を有する円柱光学系やレンズの製造よりも簡単で安価である。なお前記レンズは、１つの球面レンズ面（平面との組み合わせ型）、又は、２つの球面レンズ面を有し得ること理解されたい。つまり非球面レンズ面の配置は完全に排除することが可能である。さらにこの望遠鏡装置、特にビームパス内の第２の折り返しミラーは、（ビームの）拡大に加えて既にコリメート化の一部も引き継いでおり、そのためコリメート化されたレーザービームを生成するレンズの屈折力を減少させることも理解されたい。
【００２４】
有利な実施形態によれば、前記装置は、コリメート化されたレーザービームの照射方向においてレンズを移動させるための移動装置を備えている。このような構成によれば、場合によって起こり得る入力ビームの半径誤差又はコリメーション誤差が、出力ビームのコリメート化の際に出射レンズを軸線方向にただ移動させるだけで、側方のビームずれを引き起こすことなく、若しくはさらなる光学系の再調整を必要とすることなく補償することができるようになる。
【００２５】
本発明による望遠鏡装置において、ビームパス内の第１の凸状に湾曲した折り返しミラーは、ここでは本来のビーム拡大を請け負う。ビームパス内の第２の折り返しミラーは、凹状の湾曲した球面折り返しミラーであり、この第２の折り返しミラーは、レンズと一緒に収束光学系として作用している。このようにして、（部分的に）拡大されたビーム内の集束光学系の所要の屈折力は、２つの光学要素に分割される。このことは利点となる。なぜなら僅かな結像誤差しか生じないからである。特にビーム位置の誤差や光学系の調整誤差がごく僅かしか結像特性に影響しない。またこの配置構成では、レーザービームの入射方向に対して所定の角度で配置されている第１の凸状のミラーにおいて生じた光学収差（主に非点収差やコマ収差）の大半が、同じように（部分的に）拡大されたレーザービームの入射方向に対して同じように所定の角度で配置された第２の折り返しミラーによって補償されるようになる。
【００２６】
前記レンズは、典型的には平凸レンズであり、その凸状の球面レンズ面が当該望遠鏡装置とは反対側に位置しており、それによってこのレンズはレーザービームのコリメート化のために用いることができる。
【００２７】
前記球面レンズ面の曲率半径は、好ましくは折り返しミラーの曲率半径に合わせて調整される。それにより、折り返しミラーの収差とレンズの収差とが十分に補償され、コリメート化され出射されるレーザービームは、所望の拡大を達成し、所望のようにコリメート化もされる。なお所望の拡大（例えば、１.４２倍；２倍；３倍；６倍；１０倍；２０倍等）に対しては、曲率半径に加えて第１の折り返しミラーと第２の折り返しミラーとレンズとの間の距離並びに折り返し角度も適宜選択することが可能である。本発明による装置においては、折り返し角度と長さに関する要求は、２つの球面ミラーを備えた同等の拡大光学系よりもはるかに少なくて済む。
【００２８】
本発明の有利な実施形態によれば、望遠鏡装置内に入射するレーザービームの照射方向と、望遠鏡装置から出射するレーザービームの照射方向は、相互に平行に延在している。このような折り返し角度が逆方向に展開するいわゆるＺ状の折り返し構造では、入射するレーザービームと出射するレーザービームが互いにほぼ平行に延在し、交差はしないので、広範囲にわたって折り返し角度を自由に選択することができる。またこの装置は比較的短い設計構造で実現され、その際の結像誤差も極めて良好に補正することができる。なお、２つの折り返しミラーにおける折り返し角度は、ここでは同じ大きさに選択することが可能であるが、但し、それらは必ずしも同じ大きさでなければならないわけではないことを理解されたい。
【００２９】
代替的な別の実施形態によれば、望遠鏡装置内に入射するレーザービームのビームパスは、望遠鏡装置から出射するレーザービームのビームパスと交差する。このような２つの同方向の折り返しが用いられる、いわゆるＸ状折り返し構造とも称される変化実施例は、光学素子（ミラーやレンズ）間の距離が同じで折り返し角度も同一であれば通常は、Ｚ状の折り返し構造よりも若干結像特性が劣りはするが、それでもなお回折限界の結像が可能である。特に前記Ｘ状の折り返し構造のもとでは、望遠鏡装置内に入射するレーザービームと、望遠鏡装置から出射するレーザービームとの間の角度が９０°であってもよい。
【００３０】
さらに有利な実施形態によれば、ＩＲ領域の波長からＵＶ領域の波長までのレーザービームの周波数変換のための周波数変換装置がさらに含まれる。例えばこの周波数変換装置はこの目的のために、コリメート化された小径のレーザービームを生成することができる非線形結晶を備えていてもよい。
【００３１】
特に本発明による装置は、ＩＲ領域の波長を有するレーザービームを生成するレーザーを備えることも可能である。このケースでは、典型的には、周波数変換装置を用いてＵＶ領域の波長を有するレーザービームへの変換がなされる。例えば、ＩＲレーザーは、１０６４ｎｍの波長を有するレーザービームを生成するＮｄ：ＹＶＯ4レーザーであってもよい。それにより、この波長の第３高調波は３５５ｎｍとなり、これによって紫外線波長領域が存在し得る。あるいは、また代替的に前記レーザーはＹｂ：ＹＡＧレーザーであってもよい。このレーザーは、１０３０ｎｍの波長を有するレーザービームを生成し、そのため３４３ｎｍの第３高調波が得られる。
【００３２】
さらなる実施形態によれば、拡大され分散されたレーザービームの照射方向に対して相対的にレンズを傾斜させる傾斜装置がさらに含まれる。発散されたレーザービームの照射方向若しくは所望の出射方向に対して相対的に出射レンズを傾斜させることによって、光学的誤差がさらに低減される、あるいは同一に維持される光学的誤差のもとで、より大きな折り返し角度やより小さなミラー半径を実現することができ、あるいはより短い構造長さを実現することができる。
【００３３】
本発明はまた、２つの球面折り返しミラーを有し、ビームパス内の第１の折り返しミラーは凸状に湾曲した球面折り返しミラーであり、ビームパス内の第２の折り返しミラーは凹状に湾曲した球面折り返しミラーである、望遠鏡装置を用いて、レーザービーム、とりわけＵＶレーザービームを拡大するための方法にも関しており、この方法は、入射されコリメート化されるレーザービームを、前記ビームパス内の第１の折り返しミラーにおいて拡大するステップと、拡大されたレーザービームを、ビームパス内の第２の折り返しミラーと、発散ビームパス内で前記望遠鏡装置の後方に配置されている球面レンズ面を備えたレンズにおいてコリメート化するステップを含んでいる。前述した装置に関連して述べてきた利点は、当該の方法プロセスにも当てはまる。
【００３４】
本発明のさらなる利点は、以下の明細書および図面からも明らかとなる。同様に、上述の特徴及び以下で詳細に説明する特徴は、それぞれ単独でもあるいは任意の組み合わせでも使用することができる。図に示され以下でも詳細に説明する複数の実施形態は、最終的な限定的列挙として理解されるべきではないが、本発明を説明するための例示的な特徴を有するものである。
【００３５】
実施例の説明
図７には、入射されコリメート化されたレーザービーム４のビーム拡大のための装置１１が示されている。この入射レーザービーム４は、当該の望遠鏡装置６の凸状の第１の折り返しミラー７において拡大され、さらに当該の望遠鏡装置６の凹状の第２の折り返しミラー８と、発散されたビームパス内で前記第２の折り返しミラー８の後方に配置されているレンズ４において、コリメート化された出射レーザービーム５に変換されている。このレーザービーム５は当該実施例では６倍に拡大されている。前記折り返しミラー６，７は、球面ミラーであり、前記レンズ３は、前記第２の折り返しミラー８とは反対側にあるそのレンズ面３ａが球面状に湾曲している平凸レンズである。
【００３６】
図７に示す折り返しミラー７，８の配置構成は、共通のビーム軸（Ｘ方向）に沿って、入射側レーザービームと出射側レーザービームの平行な配向を可能にしており、これはＺ状の折り返し構造とも称される。
【００３７】
２つの球面折り返しミラー７，８を、Ｚ状折り返し構造かまたはこれに近い折り返し構造において、既に拡大され発散されたビームパス内の発散補正用出力要素としての球面レンズ３と組み合わせることによって、前記２つの折り返しミラー７，８における比較的大きくて広い範囲に亘って任意に選択可能な折り返し角度２α，２βと、比較的短い設計長さのもとで、非常に小さなビーム変形や回折限界を遙かに下回る結像誤差しか伴わないビーム拡大が達成される。前記レンズ３は拡大されたビームパス内に配置されており、そのためこのレンズ３には、減少した強度しか有していないレーザービームが入射するので、レンズ３の劣化は回避されるか若しくは著しく低減される。そのためこのレンズの材料、例えば石英ガラスが、レーザービームによって損なわれることはほとんどない。
【００３８】
前記装置１１を適切に設計するために、最初のステップにおいてまず入射されるレーザービーム４の所要の拡大倍率が決定される（例えば１.４２倍、２倍、３倍、６倍…１０倍…、２０倍など）。拡大倍率が決定された後では（ここでは６倍）、当該装置１１に対して適切に設計された構造空間が規定され、この構造空間の中で、折り返しミラー７、８の適切な位置が選択される。ここでは、折り返し角度２α，２βの選択と、光学要素間の間隔（すなわち前記折り返しミラー７、８、前記レンズ３の間の距離）の選択には比較的大きな自由度が与えられる。
【００３９】
前記距離の決定と共に、前記折り返しミラー７，８の球面の湾曲度合いと前記レンズ３の球面レンズ面３ａの湾曲度合いの決定が次のように行われる。すなわち、一方では所望の拡大が達成されるように、そして他方では、折り返しミラー７，８の収差、ないしは折り返しミラー７，８とレンズ３の収差が、十分に補償され、さらに出射するレーザービーム５が所望のようにコリメートされるように行われる。第１の折り返しミラー７における折り返し角度２α（ここでは約２０°）と、第２の折り返しミラー８における折り返し角度２β（ここでは約２０°）は、ここでは必ずしも同一に選択される必要はない。前記折り返しミラー７，８の間の間隔は当該の実施例では、約１５０ｍｍである。但しこの間隔距離も、縮小または拡大することが可能であることを理解されたい。
【００４０】
移動装置１２は、例えば（リニア）モーターの形態であり、この装置はビームの側方変位を引き起こすことなく、あるいはさらなる光学要素を用いた補正を必要とすることなく、出射するレーザービーム５の発散を調整するために、照射方向（Ｘ方向）において前記レンズ３の軸方向の移動を可能にしている。この移動は図７中双方向矢印によって示されている。
【００４１】
図７に示されている装置１１（ここでは折り返しミラー７，８がＺ状折り返し構造で配置されている）に対して代替的に、前記折り返しミラー７，８をいわゆるＸ状の折り返し構成で配置することも可能である。ここでは入射されるレーザービーム４が第１の照射方向（Ｘ方向）に延在し、出射されるレーザービーム５は第２の照射方向（Ｙ方向）に延在している。この場合２つのレーザービーム４，５は図８に示された装置１３から見て取れるように交差している。この装置１３のもとでは、入射されるレーザービーム４と出射されるレーザービーム５が相互に９０°の角度で交差する。第１の折り返しミラー７における折り返し角度２α（ここでは約２０°）と、第２の折り返しミラー８における折り返し角度２β（ここでは約７０度）は、この場合様々に選択される。折り返しミラー７，８の表面は、ＵＶレーザービームに対して高反射率を有する材料、例えば石英ガラス上の誘電体層システムからなる。なおここでは、良好なＵＶ反射特性と高いＵＶ耐性を備えた別の材料の組み合わせが使用されてもよいことを理解されたい。
【００４２】
図９には、図７による装置が、構造空間を規定する光学モジュール１４において示されている。この光学モジュール１４では、既存の構造空間を最適に活用するために、図７において説明した光学要素、すなわちレンズ３並びにＺ状折り返し構造で配置された２つの折り返しミラー７，８の他に、さらに３つの平面折り返しミラー１５ａ乃至１５ｃが設けられている。レンズ３を照射方向（Ｘ方向）に移動させるための移動装置１２に対してさらに付加的に、図９には傾斜装置１６が前記レンズ３に設けられている。この傾斜装置１６はＸ方向乃至発散されたレーザービームに対して傾斜を与えるために設けられている。所定の適切な角度で傾斜させることによって、光学的誤差がさらに低減され、及び／又は折り返しミラー７、８における比較的大きな折り返し角度、折り返しミラー７、８の比較的小さな曲率半径、より小さな構造長さが実現される。なお、ここではレンズ３の傾斜は必ずしも必要なものではなく、そのような傾斜なしでも回折限界の結像が達成できることを理解されたい。
【００４３】
前記折り返しミラー７，８並びに曲面レンズ面３ａの曲率半径は、約３倍から約６倍までの拡大のもとで所要の屈折率を達成するために典型的には、第１の折り返しミラー７に対しては約１００ｍｍ〜３００ｍｍの間、第２の折り返しミラー８に対しては約１０００〜２０００ｍｍの間、前記レンズ３に対しては約２００〜４００ｍｍの間の値が選択される。この場合第２の折り返しミラー８とレンズ３との間の間隔は例えば約１００ｍｍ〜１５０ｍｍの間の値である。なお、与えられた範囲（３倍〜６倍）から外れた拡大が行われるべき場合には、上記に示した値範囲から外れることがあってもよいことを理解されたい。
【００４４】
また図９から分かるように、赤外線スペクトル範囲の波長の入射されるレーザービーム１８を紫外線スペクトル範囲の波長に周波数変換する周波数変換装置１７がモジュール１４上に配置されている。この周波数変換装置１７は、当業者によく知られた方法で周波数変換を達成するために、非線形結晶を有している。図９においても示されている赤外線レーザー１９は、当該実施例においては、１０３０ｎｍの波長のＩＲレーザービームを発生するＹｂ：ＹＡＧレーザーの形態で示されており、前記ＩＲレーザービームは周波数変換装置１７において、高い強度と約３４３ｎｍの波長を有するＵＶレーザービームに変換される。またその他のレーザータイプ、例えばＮｄ：ＹＶＯ4レーザーなどが、ＩＲレーザービーム１８の発生のために用いられてもよいことを理解されたい。Ｎｄ：ＹＶＯ4レーザーのケースでは、１０６４ｎｍのレーザー波長と、周波数変換装置１７において生成される約３５５ｎｍの第３高調波とが存在する。
【００４５】
図９に示す装置１１を用いて得られるコリメートされた出射レーザービーム５の遠視野のスポットダイアグラムは図１０に示されている。ここでは入力ビーム特性と瞳孔とが図３、図５、図６と同じように選択されており、ただスケールサイズＳ3のみが１００μｒａｄに縮小されている。この図１０からも明確に分かるように、これらのスポットは、図示の例では、十分にエアリーディスク９内に収まっている。例えばビーム分布のＲＭＳ半径は、（約４２μｒａｄの）エアリー半径よりもかなり減少し、そのため図９に示す、レーザービーム４，５のための光学系ないしは拡大された結像のための光学系は回折限界に関して制限される。このことは、図１０の左方上部に示されているように、ビーム軸方向（すなわちＸ方向）のレーザービーム４の入射に対してのみ当てはまるのではなく、図１０の右方上部と左方下部、並びに右方下部にも示されているスポットダイアグラムに対しても当てはまり、それらにおいては、異なる空間方向でフィールド角度が約０.２°だけ変化している。この場合のシミュレーションによれば入力開口は第１の折り返しミラー７の前方１５０ｍｍのところに配置されている。また軸方向入射ではないレーザービーム４の場合でも、前記装置１１を用いることによって回折限界の結像を達成することができる。
【００４６】
最後に要約すれば、前述の装置１１，１３を用いることによって、使用する光学系３，７，８の高強度レーザービームによる劣化を同時に回避しつつレーザービーム４の拡大が達成され、その際には個々の光学素子３，７，８の結像誤差の相互補償によって、全体的な結像誤差が小さく抑えられ、それによって回折限界の結像も得ることができるようになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７−８】
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【図９】
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【図１０】
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