(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅が拡大された１パルスのパルスレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減し得るようにしたレーザ用アッテネータであって、
前記パルスレーザ光の光路上にクロスニコルに配置された二つの偏光素子と、
前記二つの偏光素子の間に配置され、電圧の印加により内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させる電気光学素子と、
前記パルスレーザ光が前記電気光学素子中を通過中に、該電気光学素子に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とするレーザ用アッテネータ。
【請求項２】
前記電気光学素子は、ポッケルスセルであることを特徴とする請求項１記載のレーザ用アッテネータ。
【請求項３】
前記ポッケルスセルは、複数個が直列に並べて配置されていることを特徴とする請求項２記載のレーザ用アッテネータ。
【請求項４】
共振器ミラーの間にレーザ媒質と、偏光素子、λ／４波長板及びポッケルスセルから成るＱスイッチとを備え、パルス幅が拡大された１パルスのパルスレーザ光を発生するレーザ発生装置であって、
前記パルスレーザ光の光路上に、クロスニコルに配置された二つの偏光素子と、前記二つの偏光素子の間に配置され、電圧の印加により内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させる電気光学素子と、前記パルスレーザ光が前記電気光学素子中を通過中に、該電気光学素子に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御する制御部と、を備えて構成し、前記パルスレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減し得るようにしたレーザ用アッテネータを設けたことを特徴とするレーザ発生装置。
【請求項５】
前記Ｑスイッチのポッケルスセルに対する印加電圧を漸減させて前記パルスレーザ光のパルス幅を拡大可能にしたことを特徴とする請求項４記載のレーザ発生装置。
【請求項６】
前記ポッケルスセルに対する印加電圧の漸減勾配に、少なくとも１回の変曲点が生じるように前記印加電圧を制御することを特徴とする請求項５記載のレーザ発生装置。
【請求項７】
前記レーザ用アッテネータは、前記パルスレーザ光の光路上に設けられた光増幅器の下流側に設けられたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載のレーザ発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、任意に発生した１パルスのパルスレーザ光の強度を調整するためのレーザ用アッテネータに関し、特に１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを選択的に低減しようとするレーザ用アッテネータ及びレーザ発生装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のレーザ用アッテネータは、回転可能なλ／４波長板と、その後段に配置された偏光素子とで構成され、λ／４波長板を通過したレーザ光のうち、一定の偏光方向のレーザ光のみが偏光素子を通過できるようにして減光するようになっていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
又は、レーザ光源で発生したパルスレーザの一部を透過し、その他の部分を反射又は吸収する可変ＮＤフィルタをレーザ光の光路上に配置して、パルスレーザのパルスエネルギーを所望の値に調整することができるようになっていた（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２８５７２１号公報
【特許文献２】特開２００７−２３７２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような従来のレーザ用アッテネータにおいては、いずれも、１パルスのレーザ光全体のエネルギーを低減することはできるものの、１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを選択的に低減することはできなかった。したがって、例えば特定時間に過大なパルスエネルギーが放出されるようなロングパルスのレーザ光において、該特定時間のエネルギーを低減してパルス幅全体に亘って略一定のエネルギーが得られるようにすることができなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを低減しようとするレーザ用アッテネータ及びレーザ発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によるレーザ用アッテネータは、パルス幅が拡大された１パルスのパルスレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減し得るようにしたレーザ用アッテネータであって、前記パルスレーザ光の光路上にクロスニコルに配置された二つの偏光素子と、前記二つの偏光素子の間に配置され、電圧の印加により内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させる電気光学素子と、前記パルスレーザ光が前記電気光学素子中を通過中に、該電気光学素子に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御する制御部と、を備えたものである。
【０００８】
このような構成により、パルス幅が拡大された１パルスのパルスレーザ光の光路上にクロスニコルに配置された二つの偏光素子の間に配置された電気光学素子中を上記パルスレーザ光が通過中に、該電気光学素子に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御部で制御し、電気光学素子の内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させ、１パルスのレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減させる。
【０００９】
また、前記電気光学素子は、ポッケルスセルである。これにより、ポッケルスセルに対する印加電圧値及び印加タイミングを制御してパルスレーザ光の強度を調整する。
【００１０】
さらに、前記ポッケルスセルは、複数個が直列に並べて配置されている。これにより、複数個が直列に並べて配置されたポッケルスセルに対する印加電圧値及び印加タイミングを夫々制御してパルスレーザ光の強度を調整する。
【００１１】
また、本発明によるレーザ発生装置は、共振器ミラーの間にレーザ媒質と、偏光素子、λ／４波長板及びポッケルスセルから成るＱスイッチとを備え、パルス幅が拡大された１パルスのパルスレーザ光を発生するレーザ発生装置であって、前記パルスレーザ光の光路上に、クロスニコルに配置された二つの偏光素子と、前記二つの偏光素子の間に配置され、電圧の印加により内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させる電気光学素子と、前記パルスレーザ光が前記電気光学素子中を通過中に、該電気光学素子に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御する制御部と、を備えて構成し、前記パルスレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減し得るようにしたレーザ用アッテネータを設けたものである。
【００１２】
このような構成により、パルス幅が拡大された１パルスのパルスレーザ光の光路上にクロスニコルに配置された二つの偏光素子の間に配置された電気光学素子中を上記パルスレーザ光が通過中に、該電気光学素子に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御部で制御し、電気光学素子の内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させ、１パルスのレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減させる。
【００１３】
さらに、前記Ｑスイッチのポッケルスセルに対する印加電圧を漸減させて前記パルスレーザ光のパルス幅を拡大可能にしたものである。これにより、Ｑスイッチのポッケルスセルに対する印加電圧を漸減制御することにより、発生するパルスレーザ光のパルス幅を拡大する。
【００１４】
さらにまた、前記ポッケルスセルに対する印加電圧の漸減勾配に、少なくとも１回の変曲点が生じるように前記印加電圧を制御する。これにより、ポッケルスセルに対する印加電圧の漸減勾配に、少なくとも１回の変曲点が生じるように印加電圧を制御することにより、発生するパルスレーザ光のパルス幅をより拡大する。
【００１５】
そして、前記レーザ用アッテネータは、前記パルスレーザ光の光路上に設けられた光増幅器の下流側に設けられたものである。これにより、パルスレーザ光の光路上に設けられた光増幅器の下流側でレーザ用アッテネータにより、１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを低減させる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１又は４に係る発明によれば、ロングパルスのレーザ光における特定時間内の過大なエネルギーを選択的に低減することができる。したがって、パルス幅全体に亘って略一定のエネルギーが得られるようにすることができる。これにより、該レーザ光を加工に使用したとき、局所的に過大なエネルギーが集中して、加工物に焼損等のダメージを与えるのを防止することができる。
【００１７】
また、請求項２及び３に係る発明によれば、ポッケルスセル内を通過する直線偏光の特定時間内の偏光面を任意に回転させることができる。したがって、１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを容易に低減することができる。
【００１８】
さらに、請求項５に係る発明によれば、Ｑスイッチの構成を変更することなくロングパルスのレーザ光を生成することができる。したがって、ロングパルスのレーザ発生装置の構成が簡単となり、装置の製造コストを低減することができる。
【００１９】
さらにまた、請求項６に係る発明によれば、パルス幅のより長いロングパルスのレーザ光を発生させることができる。
【００２０】
そして、請求項７に係る発明によれば、光増幅器の上流側に設けた場合よりも、レーザ光のＳ／Ｎを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるレーザ発生装置の実施形態を示す平面図である。
【図２】Ｑスイッチのポッケルスセルの印加電圧を制御してロングパルスのレーザ光の生成について示す説明図であり、（ａ）は通常の制御を示すグラフ、（ｂ）は印加電圧を漸減したときのグラフである。
【図３】上記図２（ｂ）において印加電圧の漸減勾配に１回の変曲点が生ずるように印加電圧を制御したときに生成されるレーザパルスについて示すグラフである。
【図４】本発明によるレーザ用アッテネータの一構成例を示す平面図である。
【図５】レーザ用アッテネータによる１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーが選択的に低減される様子を示す説明図であり、（ａ）は低減前の状態を示し、（ｂ）は低減後の状態を示す。
【図６】レーザ用アッテネータによる１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを選択的に低減するための電圧制御について示す説明図であり、（ａ）は、印加電圧の時間変化を示し、（ｂ）はそのときの透過率の時間変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるレーザ発生装置の実施形態を示す平面図である。このレーザ発生装置は、任意に発生した１パルスのパルスレーザ光を発生するもので、共振器１と、光増幅器２と、レーザ用アッテネータ３と、をレーザ光の進行方向上流から下流に向かってこの順に配置して備えている。
【００２３】
上記共振器１は、レーザ光を往復させて定在波を発生させるものであり、共振器ミラーとしてのフロントミラー４及びリアミラー５の間に、図示省略のフラッシュランプによって励起されてレーザ光を発生するレーザ媒質としての例えばＮＤ：ＹＡＧロッド６と、該ＮＤ：ＹＡＧロッド６の後方に配置され、偏光素子としての偏光ビームスプリッタ７、λ／４波長板８及びポッケルスセル９から成るＱスイッチ１０と、を備えて構成されている。
【００２４】
この場合、上記ポッケルスセル９に対する印加電圧は、図示省略の制御手段によって漸減するように制御され、パルスレーザ光のパルス幅を拡大することができるようになっている。
【００２５】
これについて説明すると、図２（ａ）に示すように、ポッケルスセル９に対する印加電圧を急激に引き下げる通常の制御に対して、同図（ｂ）に示すようにポッケルスセル９に対する印加電圧を漸減するよう制御した場合には、パルス幅が例えば１０ｎｓから７０ｎｓへと拡大される。これは、共振器１内での発振において、Ｑスイッチ１０からの戻り出力エネルギーが時間軸で徐々に増加すると共に通常のエネルギーよりも低いため、ＮＤ：ＹＡＧロッド６内のエネルギーの取り出しもゆっくりとなり、Ｑスイッチ１０内でのパルス発振時間が伸びて出力されるパルス幅が長くなったのである。
【００２６】
さらに、ポッケルスセル９に対する印加電圧の漸減勾配に、図３に示すように、少なくとも１回の変曲点が生じるように印加電圧を制御すれば、パルス幅をさらに拡大することができる。
【００２７】
上記共振器１の下流には、光増幅器２が設けられている。この光増幅器２は、レーザ光のパルスエネルギーを増幅して出力するもので、例えばＮＤ：ＹＡＧロッドが使用される。
【００２８】
上記光増幅器２の下流には、レーザ用アッテネータ３が設けられている。このレーザ用アッテネータ３は、１パルスのレーザ光における特定時間のエネルギーを選択的に低減するもので、本発明のレーザ用アッテネータとなるものである。
【００２９】
上記レーザ用アッテネータ３の具体的構成例は、図４に示すように、レーザ光の光路上にクロスニコルに配置された偏光素子としての第１及び第２の偏光ビームスプリッタ１１Ａ，１１Ｂと、該第１及び第２の偏光ビームスプリッタ１１Ａ，１１Ｂの間に、入射する直線偏光（例えばＰ偏光）に対して光学軸が４５°を成すように配置され、電圧の印加により内部を通過するレーザ光の偏光面を回転させる電気光学素子としてのポッケルスセル１２と、該ポッケルスセル１２に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御する制御部１３と、を備えたものである。
【００３０】
本実施形態において使用するポッケルスセル１２は、一例として最大−３．６ｋＶの電圧印加によりλ／４波長板の効果が得られるものであり、第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂを直列に並べて配置すると共に印加電圧を最大−３．６ｋＶで並列制御することによって、第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂの組合せでλ／２波長板の効果が得られるようになっている。この場合、第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂの印加電圧を、例えば０ｋＶ〜−３．６ｋＶまで変化させたとき、レーザ用アッテネータ３の光透過率は０％〜１００％まで変化することになる。
【００３１】
なお、図１において、符号１４は、偏光ビームスプリッタであり、符号１５は、レーザビームの径を拡張するビームエキスパンダであり、符号１６は、反射ミラーである。
【００３２】
次に、このように構成されたレーザ発生装置の動作で、特にレーザ用アッテネータ３の動作について説明する。
先ず、レーザ用アッテネータ３がレーザ光の１００％を透過させる場合について説明する。この場合、レーザ用アッテネータ３の第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂには、夫々−３．６ｋＶの電圧が印加される。
【００３３】
このとき、レーザ用アッテネータ３に入射したレーザ光は、先ず、第１の偏光ビームスプリッタ１１Ａの反射面１７Ａにおいて、該反射面１７Ａに対する入射面に平行な偏光面を有し反射面１７Ａを透過する直線偏光（Ｐ偏光）と、上記入射面に垂直な偏光面を有し上記反射面１７Ａで反射される直線偏光（Ｓ偏光）とに分離される。
【００３４】
第１の偏光ビームスプリッタ１１Ａを透過したＰ偏光は、第１のポッケルスセル１２Ａに入射する。この場合、第１のポッケルスセル１２Ａは、−３．６ｋＶの電圧が印加されてλ／４波長板の効果を発揮している。したがって、第１のポッケルスセル１２Ａを通過するＰ偏光は、その偏光面が４５°だけ回転されて第１のポッケルスセル１２Ａを射出する。
【００３５】
続いて、上記直線偏光は、第２のポッケルスセル１２Ｂに入射する。このとき第２のポッケルスセル１２Ｂにも−３．６ｋＶの電圧が印加されているので、第２のポッケルスセル１２Ｂは、λ／４波長板の効果を発揮し、内部を通過する上記直線偏光の偏光面をさらに４５°回転させる。これにより、第１の偏光ビームスプリッタ１１Ａを透過したＰ偏光は、第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂにより偏光面が９０°回転されて第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂに入射することになる。
【００３６】
ここで、第１の偏光ビームスプリッタ１１Ａと第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂとは、クロスニコルの関係に配置されているので、各偏光ビームスプリッタ１１Ａ，１１Ｂの反射面１７Ａ，１７Ｂは、光軸を中心に互いに９０°回転した関係にある。従って、第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂに入射する直線偏光は、第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂの反射面１７Ｂに対してはＰ偏光の関係となり、該反射面１７Ｂを透過していく。
【００３７】
一方、第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂに電圧を印加しないときには、該ポッケルスセル１２を通過する直線偏光の偏光面は回転されないので、第１の偏光ビームスプリッタ１１Ａを透過したＰ偏光は、そのまま第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂに入射する。この場合、上記Ｐ偏光は、第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂの反射面１７Ｂに対しては、Ｓ偏光の関係になるので、該反射面１７Ｂで図４の例えば手前側（又は奥側）に反射されて図示省略の光吸収材に吸収されレーザ用アッテネータ３を射出しない。
【００３８】
このように、第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂの印加電圧を０ｋＶ〜−３．６ｋＶの間で適宜変化させて、ポッケルスセル１２を通過する直線偏光の偏光面を回転させ、第２の偏光ビームスプリッタ１１Ｂの反射面１７Ｂに対してＰ偏光の関係を成す偏光成分を取り出すことにより、レーザ用アッテネータ３を出力するレーザ光のエネルギー強度を０％〜１００％の間で調整することが可能となる。
【００３９】
ところで、本発明のレーザ発生装置は、Ｑスイッチ１０のポッケルスセル９に対する印加電圧を漸減制御すると、例えば図２（ｂ）又は図３に示すように発生するレーザ光のパルス幅を拡大することができるものである。しかしながら、このようにして生成されたロングパルスのレーザ光は、特定時間内に過大なパルスエネルギーを放出するものであるため、例えば半導体基板のアモルファスシリコンをアニール処理してポリシリコン化しようとする場合に、均一なアニール処理ができないおそれがあった。
【００４０】
そこで本発明のレーザ発生装置においては、レーザ用アッテネータ３のポッケルスセル１２に対する印加電圧値及び印加タイミングを制御することにより、１パルスのレーザ光における特定時間内のパルスエネルギーを選択的に低減して、１パルス内のレーザエネルギーを略一定にしようとするものである。以下、レーザ用アッテネータ３の上記動作を説明する。
【００４１】
レーザ用アッテネータ３に、例えば図５（ａ）に示すような時間ｔｎ内に過大なパルスエネルギーを放出するロングパルスのレーザ光が入力する場合、例えばこのパルスエネルギーを５０％低減しようとするときには、図６（ａ）に示すように、時間ｔｎ内の第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂへの印加電圧を−１．８ｋＶとし、時間ｔｎ経過後は、−３．６ｋＶに制御する。
【００４２】
これにより、図６（ｂ）に示すように、最初の時間ｔｎ内にレーザ用アッテネータ３を透過するレーザ光の透過率が５０％に低減され、時間ｔｎ経過後は、透過率が１００％となる。したがって、図５（ａ）に示すロングパルスのレーザ光は、最初の時間ｔｎ内のレーザ強度が５０％低減され、時間ｔｎ経過後のレーザ強度は、元の強度がそのまま維持されることになる。その結果、図５（ｂ）に示すように１パルス内のレーザ強度が略一定になる。
【００４３】
なお、上記実施形態においては、レーザ用アッテネータ３が第１及び第２のポッケルスセル１２Ａ，１２Ｂを備えた場合について説明したが、電圧の印加によりλ／２波長板の効果を発揮する電気光学素子であれば一つであってもよい。
【００４４】
また、上記実施形態においては、レーザ用アッテネータ３を光増幅器２の下流側に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、光増幅器２の上流側に設けてもよい。ただし、光増幅器２の上流側に設けた場合には、選択された特定時間内の低減されたレーザエネルギーと共にノイズも後段の光増幅器２により増幅されるため、Ｓ／Ｎが悪くなる可能性がある。したがって、上記実施形態のようにレーザ用アッテネータ３は、光増幅器２の下流側に設けるのが好適である。又は、レーザ発生装置を射出したレーザ光のエネルギーを低減し得るようにレーザ用アッテネータ３を設けてもよい。
【００４５】
そして、以上の説明においては、レーザ発生装置をアニール処理に用いる場合について述べたが、本発明はこれに限られず、穴あけ加工等、他の如何なるレーザ加工に使用してもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…共振器
２…光増幅器
３…レーザ用アッテネータ
４…フロントミラー（共振器ミラー）
５…リアミラー（共振器ミラー）
６…ＮＤ：ＹＡＧロッド（レーザ媒質）
７…偏光ビームスプリッタ（偏光素子）
８…λ／４波長板
９…ポッケルスセル
１０…Ｑスイッチ
１１Ａ…第１の偏光ビームスプリッタ（偏光素子）
１１Ｂ…第２の偏光ビームスプリッタ（偏光素子）
１２…ポッケルスセル
１２Ａ…第１のポッケルスセル
１２Ｂ…第２のポッケルスセル
１３…制御部
【図１】
0005853332.tif 000002
【図５】
0005853332.tif 000003
【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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