(57)【要約】  ＣＯ２レーザ基準発振器（ＲＯ）は、Ｑスイッチ法（ＱＳ）あるいはＱスイッチキャビティダンプ法（ＱＳＣＤ）ＣＯ２レーザ（１０）を励起する入射を提供し、ＲＯ（１２）レーザの出力周波数は、基準発振器（１２）の共振ミラーの１つをディザリングする、適切な電子機器を用いてレーザ線のピークにロックされる。この入射された放射線は、Ｑスイッチ法レーザキャビティ内で放射線増幅を励起し、発振周波数は入射放射線の波長を促進する。電子フィードバック制御回路を用いて、Ｑスイッチ法レーザの縦モードを線中央にロックする。ＱＳレーザ内のパルスの増幅時間の変化を用いて、キャビティの長さをＱＳレーザに入射されるのと同じレーザラインのピークでの振動が可能な値に維持する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定した出力周波数で基準レーザビームを生成する局部発振器と；
少なくとも２つのミラーで画定された共振キャビティを含むレーザであって、ミラーの１つは、前記ミラーの１つの位置を調整してキャビティの長さを制御する位置コントローラと結合し、前記レーザは高損失状態と低損失状態の間でキャビティを変えるように繰り返し起動されるＱスイッチを含んで、レーザパルスの放射線を生じさせる、レーザと；
前記基準レーザビームを前記レーザの前記共振キャビティに方向変換する光学系と；
前記レーザにより生成された前記パルスの強度をモニタする検出器と；
前記検出器からの出力を受信し、前記Qスイッチの各起動後に前記レーザから放射される前記レーザパルスの立上り時間をモニタし、前記検出されたパルスの前記立上り時間を最小化する位置に前記ミラーを駆動するように前記位置コントローラに送られる制御信号を生成し、よって前記レーザの出力周波数を前記局部発振器の前記周波数にロックする、制御回路とを備える；
レーザシステム。
【請求項２】
前記制御回路がキャビティ増幅時間検知回路を含み、前記時間検知回路は増加する電圧傾斜と、前記検出器により測定された前記パルスの前記強度が所定の閾値と交差するときの前記電圧傾斜のポイントに対応する電圧信号出力とを生成する；
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記時間検知回路からの電圧信号出力を制御回路で用い、位置コントローラに送られる制御信号を決定する；
請求項２に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記時間検知回路から前記電圧信号出力を受信し、前記位置コントローラに送られる前記制御信号を決定する山登り回路をさらに含む；
請求項３に記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記位置コントローラに前記１つのミラーの位置をディザリングするディザリング信号を与える；
請求項４に記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記位置コントローラに前記１つのミラーの位置をディザリングするディザリング信号を与える；
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記制御回路は、前記検知器の出力を受信し、前記位置コントローラに送られる制御信号を決定する山登り回路を含む；
請求項６に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記レーザは、二酸化炭素レーザである；
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記Ｑスイッチは、１００ｋＨｚを超える繰り返し速度で動作する；
請求項８に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記局部発振器は、前記基準ビームの前記出力周波数をロックするフィードバック回路を含む；
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記局部発振器は、前記基準ビームの特定の出力周波数を選定する格子を含む；
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記レーザは、Ｑスイッチ法、かつ、キャビティダンプ法による；
請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
固定した出力周波数で基準レーザビームを生成するＣＯ２局部発振器と；
少なくとも２つのミラーで画定された共振キャビティを含むＣＯ２レーザであって、ミラーの１つは、前記ミラーの１つの位置を調整してキャビティの長さを制御する位置コントローラと結合し、前記レーザは高損失状態と低損失状態の間でキャビティを変えるように繰り返し起動されるＱスイッチを含んで、レーザ放射線のパルスを生じさせる、ＣＯ２レーザと；
前記基準レーザビームを前記レーザの前記共振キャビティに方向変換する光学系と；
前記レーザにより生成された前記パルスの強度をモニタする検出器と；
前記検出器からの出力を受信する制御回路であって、前記制御回路はキャビティ増幅時間検知回路を含み、前記時間検知回路は増加する電圧傾斜と、前記検出器により測定された前記パルスの前記強度が所定の閾値と交差するときの前記電圧傾斜のポイントに対応する電圧信号出力とを生成し、前記制御回路は前記時間検知回路から前記電圧信号出力を受信する山登り回路をさらに含み、前記山登り回路は前記電圧信号出力に基づきディザリング信号を含む制御信号を生成し、前記制御信号は前記位置コントローラに送られて前記１つのミラーを前記パルスの前記測定された強度が前記所定の閾値を交差する時間を最小にする位置に駆動して前記レーザの出力周波数を前記局部発振器の前記周波数にロックする、制御回路とを備える；
レーザシステム。
【請求項１４】
前記Ｑスイッチは、１００ｋＨｚを超える繰り返し速度で動作する；
請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記局部発振器は、前記基準ビームの前記出力周波数をロックするフィードバック回路を含む；
請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１６】
前記局部発振器は、前記基準ビームの特定の出力周波数を選定する格子を含む；
請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１７】
前記レーザは、Ｑスイッチ法、かつ、キャビティダンプ法による；
請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１８】
基準レーザビームを生成するＣＯ２局部発振器であって、前記局部発振器は前記基準レーザビームの出力周波数をロックするフィードバック回路を含み、前記局部発振器は特定の出力周波数を選定する格子をさらに含む、ＣＯ２局部発振器と；
少なくとも２つのミラーで画定される共振キャビティを含むＣＯ２レーザであって、前記ミラーの１つは、前記１つのミラーの位置を調整し前記キャビティの長さを制御する位置コントローラに結合し、前記レーザは繰り返し起動されて前記キャビティを高損失の状態と低損失の状態の間で変化させレーザ放射線のパルスを発生させるＱスイッチを含み、前記Ｑスイッチは少なくとも１００ｋＨｚの周波数で動作する、ＣＯ２レーザと；
前記基準レーザビームを前記レーザの前記共振キャビティに方向付ける光学系と；
前記レーザにより生成されるパルスの強度をモニタする検知器と；
前記検知器からの出力を受信する制御回路であって、前記制御回路はキャビティ増幅時間検知回路を含み、前記時間検知回路は増加する電圧傾斜と前記検知器で測定された前記パルスの前記強度が所定の閾値と交差するときの前記電圧傾斜のポイントに対応する電圧信号出力とを生成し、前記制御回路は前記時間検知回路からの前記電圧信号出力を受信する山登り回路をさらに含み、前記山登り回路は前記電圧信号出力に基づきディザリング信号を含む制御信号を生成し、前記制御信号は前記位置コントローラに送られ前記１つのミラーを前記パルスの前記測定された強度が前記所定の閾値を交差するときの時間を最小にする位置に駆動して前記レーザの前記出力周波数を前記局部発振器の周波数にロックする、
制御回路とを備える；
レーザシステム。
【請求項１９】
前記レーザは、Ｑスイッチ法、かつ、キャビティダンプ法による；
請求項１８に記載のレーザシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体産業向けフォトリソグラフィー装置の供給者は、プラズマ生成を経る極紫外線（ＥＵＶ）生成での光ポンプ源として用いるＱスイッチｖ（ＱＳ）またはＱスイッチキャビティダンプ法（ＱＳＣＤ）ＣＯ２レーザ発振器／アンプシステムの使用に向けて、調査および開発プログラムを鋭意実施中である。これらのレーザは、Ｑスイッチｖ（ＱＳ）レーザでは１ｋＷ以上、Ｑスイッチキャビティダンプ法（ＱＳＣＤ）レーザでは約１０ｋＷというような高いピークパワー出力を有するので、この方法が選定されている。これらのレーザでは、ＱＳレーザで０．１〜２マイクロ秒、ＱＳＣＤレーザで１０〜３０ナノ秒のような短いパルス幅である。これらのレーザではまた、単一モード動作で約２０〜５０Ｗのオーダーのような適度な発振器出力平均パワーを有し、１００ｋＨｚ以上のような高い繰り返し速度を有する。これらのレーザは単一モード動作で運転でき、半導体レーザ源より比較的低価格である。３５ｋＷを超える出力パワーがガス流ＣＯ２（炭酸ガス）レーザで得られ、高パワーアンプの用途に適している。
【０００２】
ＱＳおよびＱＳＣＤ・ＣＯ２レーザの他の用途は、コヒーレントレーザレーダ（ＬＡＤＡＲ）技術を用いたリモートセンサシステムにおいてであり、この分野ではレンジおよびドップラ情報が興味深い。
【０００３】
現状のＣＯ２ＱＳおよびＱＳＣＤレーザには、時間によるパルスピークパワーの変動と、パルス間のかなりの程度の運転開始のジッターがある。パルス振幅と運転開始のジッターの変動とは、ノイズにより、共振子の縦モードの発振ＣＯ２ゲイン曲線の交点の温度によるドリフトにより、さらに、放電の変動により増幅されるレーザパルスに伴う統計量のために主として生ずる。これらの問題は、固体レーザにも共通する。パルス間のレーザ波長を多数のＣＯ２分子の回転線の中で次に高いゲインの線にＱスイッチの動作中に切り替えることも、ＱＳおよびＱＳＣＤ・ＣＯ２レーザでは一般的である。この線の切り替えは、温度や放電変動に伴うＣＯ２分子の振動／回転線と交差するレーザ共振子の縦モードのドリフトによるものと第一に信じられている。レーザの動作中、これらの線は反転分布の各量（すなわちゲイン）を有する。パルス間の周波数の切り替えは、ピークパルスパワーのゆらぎ、パルス間の時間ジッター、現状のＱＳおよびＱＳＣＤ・ＣＯ２レーザのパルス幅の変化の原因となる。既存のシステムでのパルス間のこれらの変動は、フォトリソグラフィー用途用の深紫外線生成量、レーザレーダシステムの最大検出レンジ、ヘテロダイン式ＣＯ２レーザレーダシステムで計測できる対象物の速度の精度でのシステム性能の変動につながる。システム性能のこれらの変動は許容できない。
【発明の開示】
【０００４】
これらの欠点を解決するために、本発明は、具体的には、パルス間で極めて安定した出力を有する、高パワー、高繰り返し速度のＱスイッチ法あるいはＱスイッチキャビティダンプ法レーザに向けられる。この目的を達成するために、Ｑスイッチ法レーザを励起するための安定した周波数出力ビームを供給するように構成された、比較的低パワーの連続（ＣＷ）基準発振器を提供する。好適な実施の形態では、基準発振器は波長選定用格子と出力ビームの周波数をロックするためのフィードバックループを含む。
【０００５】
基準発振器からのビームは、Ｑスイッチ法レーザのキャビティに向けられる。このビームは、Ｑスイッチ法レーザの出力を励起する。Ｑスイッチ法レーザはまたフィードバック回路を含み、フィードバック回路は、Ｑスイッチ法の出力ビームをモニタし、制御信号を共振キャビティの長さを制御するための共振ミラーの１つに接続された圧電変換器（ＰＺＴ）に送る。１つの好適な実施の形態では、ＰＺＴはディザリングされ、フィードバック回路はピークパワーに対するレーザをモニタする。
【０００６】
より安定した実施の形態では、フィードバック回路は、キャビティ増幅時間（ＣＢＵＴ）検知回路を含む。この回路は、キャビティ内のレーザ振動を所定のレベルに増幅するのに掛かる時間をモニタする。最短時間は、ゲインが最高となるレーザのゲイン曲線のピークに対応する。所与の出力パルスが線中央でない範囲では、立上り時間は理想的なパルスより遅く、時間検知回路に制御信号を出力させ、制御信号は共振ミラーを線中央でレーザ出力するのに最適な位置に近づく方向に動かすのに用いられる。好適な実施の形態では、フィードバック回路は山登りサーボと低周波数電子ディザ発振器を含み、ＰＺＴを制御する。
【０００７】
さらなる目的と利点は、図面と関連して、以下の詳細な説明により明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の実施の形態にしたがったシステムや方法は、既存のレーザシステムの種々の欠点を克服することができる。ここでは実施の形態がＣＯ２レーザシステムについて説明されるが、本書で記載の利点や教示は、固体レーザのような、他のＱＳおよび／またはＱＳＣＤレーザにも同様に用いることが出来ることは理解されるである。
【０００９】
種々の実施の形態にしたがったシステムでは、基準発振器（ＲＯ）レーザ周波数の出力をレーザ線のピークにロックするたくさんの既知の技術の一つを用いるＣＯ２レーザ基準発振器（ＲＯ）を用いることができる。一実施の形態では、ロックは、レーザミラーの１つが搭載されたＰＺＴ変換器を駆動する適切な電子機器を用いて行われる。ＲＯのレーザ線はキャビティ間光格子あるいは共振ミラーの波長選定薄膜フィルムコーティングにより選定することが出来る。選定される波長が最高ゲインの線（１０．６μｍ）に近いならば、格子が好適である。
【００１０】
ＲＯの出力放射線が、ＱＳあるいはＱＳＣＤ・ＣＯ２レーザに入射される。本明細書では、ＱＳあるいはＱＳＣＤレーザを送信器と称することもある。この入射された放射線は、送信器キャビティ内に放射線の増幅を励起し、送信器の発振周波数が波長選定され周波数安定のＲＯの周波数と同じとなるようにする。さらに、この入射された放射線は、パルスがノイズから増幅され得るときに生ずるパルス間のジッターを大いに減ずることが出来る。電子フィードバック制御回路を用いて送信器キャビティの縦モードの１つをＲＯからの入射周波数に対応する線中央にロックすることも出来る。判別信号を与える電子回路を用い、以下に説明するように、判別信号はレーザパルスの増幅時間遅れを用いる。この新規な回路は、ＱＳあるいはＱＳＣＤ固体レーザでも使用可能である。
【００１１】
レーザキャビティが線中央に変わると、送信器のゲインは最高値となり、よってパルスのキャビティ増幅時間は最短となる。レーザキャビティが線中央に変わらないと、ゲインは低く、キャビティ増幅時間は長くなる。ＱＳあるいはＱＳＣＤ送信器内のパルスの増幅時間のこの変化を用いて、山登りフィードバック回路に信号を送り、山登りフィードバック回路が、ＲＯにより送信器キャビティに入射されるのと同じレーザ線のピークで発振できる値に送信器キャビティ長を維持する。連続（ｃｗ）周波数安定ＲＯからＱＳあるいはＱＳＣＤレーザ送信器に入射することは当該技術分野で周知であるが、入射の間ＱＳあるいはＱＳＣＤ送信器の縦モードを線中央にアクティブに周波数ロックすることはこれまでには報告されていない。レーザ発振器がノイズから増幅するときに起きるジッターにおいて、ＱＳあるいはＱＳＣＤレーザのパルス間のジッターを減ずる目的で、ＲＯからの入射を用いることもまた、山登りフィードバック回路で判別信号としてキャビティ増幅時間情報を用いるのと、また、回路がどのように実行されるのかと同様に、重要である。
【００１２】
振動するという性質のため、送信器でＱＳあるいはＱＳＣＤの構成を用いると、送信器の周波数制御の構造の複雑さの度合いを高める。ＱＳあるいはＱＳＣＤプロセスの原理（すなわち、連続信号の代わりに振動する信号が存在）は、連続レーザの出力を線中央へ周波数ロックするのに一般的に用いられる山登りサーボ回路の方法の効果を減ずる。ＱＳあるいはＱＳＣＤレーザに存在する高ゲイン状態は、これらのレーザの出力作用にも強い影響を生じさせる。このような効果は、ゲインの低いレーザでは通常考慮されない複数のエタロン共振により、あるいはレーザのフィードバックキャビティに別の光学あるいは電子光学要素が挿入されていないレーザで生ずる。このようなエタロン共振効果は、ＱＳあるいはＱＳＣＤプロセスの原理から生ずる大きなゲインを有するＱＳあるいはＱＳＣＤレーザにおいて特に強い。高ピークパワーのパルスを得る長いゲイン領域の必要性により、このようなエタロン効果に付随する困難さを構成しつつ、ゲインはさらに増加する。光学共振器が複数の折り畳みゲイン領域（すなわち、導波路あるいはガウスモードレーザ構成に作られた折り畳み自由空間のいずれかの折り畳みゲイン経路）を有する場合これらの効果はより一般的になる。折り畳み技術を用いて、レーザ用筐体の長さを許容寸法にまで短く出来る。折り畳みミラーは、ミラーからレーザフィードバックキャビティに散乱して戻る迷放射線を合わせることができ、迷放射線は高レーザゲイン状態でエタロンの問題を引き起こす。
【００１３】
このようなエタロンにより生ずるレーザキャビティ内のさらなる共振は単調振幅判別信号を得るのを難しくし、単調振幅判別信号は、特に送信器に信号が入射されないときに、電子フィードバック回路の使用で送信器の発振を線中央にロックするのに通常必要とされる。単調振幅判別信号の方法では、レーザフィードバックミラーの１つに水平な周期的往復動駆動力を与える変換器（たとえばＰＺＴ）をディザリングする周知の概念を用いる。このＡＣディザリング信号の振幅は、ディザリング周波数にゆっくりと変化する信号を重畳することによっても、山登りフィードバック回路を用いて最小化できる。重畳信号は、ディザリングミラーを動かし、よって、レーザキャビティの縦モードの１つを線中央に動かすのを補助する。エタロン効果のために共振器の縦モードの基本共振に加え、スプリアスな光共振が生ずると、異なる／移動するレーザ共振ミラーの機能としてレーザ出力の振幅変動に依存する判別信号は、ＲＯレーザから入射した放射線の周波数へのレーザ出力放射線の確固とした周波数ロックを得るのに信頼性よく使うことが出来ない。
【００１４】
このようなエタロン共振の存在は、山登りフィードバック回路を「混乱」させる。高ゲインレーザの動作でこの混乱の問題を避けるのに判別信号を用い、その判別信号はＥＯ結晶に圧力信号を印加してＱＳ送信器を起動する時間と、ＱＳあるいはＱＳＣＤパルスが発振し始める実際の時間との増幅時間の変動を最小化することに基づく。ディザリングミラーを用いて、パルス間の増幅時間の変動に僅かな周期時間の変動を引き起こすことができる。ディザリング信号に関する、この周期的な時間の変動のフェーズは、キャビティ周波数がＲＯ周波数の上から下へ変わると、１８０度変わる。キャビティ増幅時間（ＣＢＵＴ）フィードバック電子回路は、この低周波数ＡＣ信号を検出し、山登り回路に信号を供給し、山登り回路は次に信号を変換器に供給して共振ミラーを移動する。共振ミラーは、送信器の発振出力周波数が線中央に位置するように移動し、ＡＣ信号と増幅時間遅れが共に最小となる。最小増幅時間遅れは、ゲインが最高となる送信器ゲイン曲線のピークに対応する周波数で生じ、その周波数はＲＯからの入射信号の周波数にも一致する。
【００１５】
入射信号と十分に低いゲインとを有するＱＳあるいはＱＳＣＤレーザでは、エタロン効果が大きな問題とならないように、送信器はＣＷ動作ＲＯで用いられるのと同じ山登り電子フィードバックの方法を用い、レーザの共振器の縦モードをゲイン曲線のピークにし、維持する。この方法は、ＣＢＵＴ回路の方法より堅牢ではないが、低速検出器を用いることができＣＢＵＴ回路が不要であるので、低コストという長所を有する。結果として、この方法は、キャピタルコストが決定因子であるときに利点を有する。
【００１６】
ＱＳあるいはＱＳＣＤレーザのパルス間で、レーザは別の回転線で発振することが多い。これらの別の線は、別のゲインを有し、出力周波数の変動に加え、パルス間の振幅、立上り時間、パルス幅およびパルスジッターの変動という結果となる。ＱＳあるいはＱＳＣＤレーザに光格子を挿入しレーザを同じ回転線で発振させると、キャビティ内の他の光学要素と比較して光格子の光損傷閾値が低いので（ＱＳあるいはＱＳＣＤレーザの共振器に高い光磁束が存在するために）レーザはレーザ信頼性が低くなる。キャビティ内に挿入される他の光学要素と比較して光格子のための光損失が大きいので、レーザ送信器はまた、パワー出力が低くなる。
【００１７】
一実施の形態では、高パワー送信器の代わりに低パワーＲＯレーザのフィードバックキャビティ内に格子を挿入することにより起きるこの低い信頼性および大きい光損失の問題を解決する。そこで、周波数安定ＲＯレーザの出力がＱＳあるいはＱＳＣＤ送信器レーザに入射される。ＲＯは低パワーレーザなので、効率は最重要とはならない。ＲＯが送信器より低パワーであるという事実は、格子への光損傷を避けるのに役立つ。
【００１８】
約２５０ｃｍ長の導波路レーザ（たとえば、参照して本書に組み込む、２００４年８月３１日登録の米国特許第６，７８４，３９９号に記載のＱＳレーザなど）からのＱＳパルスの相対ピーク振幅の最大偏差は、おおよそ＋／−９．７％である。同じレーザで、パルス幅の最大の半分での最大偏差は＋／−２．３％であることが分かった。９Ｒ２４遷移（プラスチック材料でより大きな吸収をするように選定された約９．３μｍの出力波長を有する）に適合するように特許第６，７８４，３９９号のレーザにおけるミラーの波長選定コーティングを使用すると、９Ｒ２４遷移が最も強くなった。しかし、９Ｒ２０、２Ｒ１８、９Ｒ２２の線からの発振も存在した。ＥＵＶおよびＬＡＤＡＲの用途では、このような周波数ホッピング特性は一般的に許容されず、補正が必要となる。
【００１９】
特許第６，７８４，３９９号あるいはここに参照して組み込む米国特許第６，６９７，４０８号の５パスのＱＳ・ＣＯ２レーザは、マルチ縦モードで発振するという特徴を有する。ゲイン媒体が特定の回転遷移内で完全に一様に広がっておらず、また、特定の回転遷移での回転上側マニホルドの連結は有限の時定数を有するので、マルチ縦モードが起こりうる。さらに、上記で指摘したように、多数のＣＯ２振動／回転線が、Ｑスイッチ動作では、閾値より十分に高くなる。パルス幅、振幅、周波数、パルス間のジッターは、現状の材料加工用途のほとんどでは許容できるが、ヘテロダイン式レーザレーダやＥＵＶ放射線生成用途のほとんどでは許容されない。これらのＱＳおよびＱＳＣＤレーザパルス変動は、レーザのゲイン（すなわち、長さ）が上昇し大きなピークパワー／エネルギパルスを得るにつれ、大きくなる。完全を期して、一実施の形態で６０〜７０Ｔｏｒｒ（８．０ｋＰａ〜９．３ｋＰａ）の圧力でのＣＯ２ゲイン線の線幅は約３００ＭＨｚで、一様線の幅は約７０ＭＨｚである。
【００２０】
図１は、一実施の形態にしたがったＱＳまたはＱＳＣＤ・ＣＯ２レーザ１０のシステムブロック図である。同様なブロック図は、ここで説明するＣＯ２レーザ以外のレーザシステムにも適用できる。この例示のレーザでは、ＣＷ・ＲＦ励起ＣＯ２基準発振器（ＲＯ）１２を使用する。ミラーＭ１、Ｍ２は、それぞれＲＯ出力の僅かな一部を低速検出器１４方向に変える。低速検出器の周波数応答はＰＺＴ１６を経て共振器ミラーの低周波ディザリングにより生ずるレーザ振幅の変動を検出するのに十分である。このディザリング周波数は、この実施の形態では通常１００Ｈｚから１．１ｋＨｚ程度である。
【００２１】
検出器１４の出力はプレアンプ１８に送られ、プレアンプ１８は次に制御信号を山登り（ＨＣ）フィードバック電子回路２０に供給する。そのような回路は、たとえば、ここに参照して組み込む米国特許公開番号２００５／０１５７７６２号の図９〜１１に示され、説明される。ＨＣ回路を用いて電子駆動回路２４にゆっくりと変化する信号を送る。この信号は、検出器１４で検出される、レーザビームの判別ＡＣ周波数信号が最小化されるまで、ディザリング変換器１６を移動する。この最小化ＡＣ周波数信号は、レーザが線中央で発信するときに生じ、そこでは、ゲイン曲線の傾きが最小となる。山登りフィードバック回路の一部として、ロックインアンプを用いて、当該分野で知られるように、ＡＣ信号の信号−ノイズ比を高めることが出来る。好適な実施の形態では、ＰＺＴ駆動器２４にもディザ発振器２５からのディザリング信号が送られる。
【００２２】
ミラーＭ３、Ｍ４、Ｍ５、Ｍ６は、モード整合光学系（ＭＭＯ）配列２６を通してＲＯの出力ビームを方向変換する。ＭＭＯ配列２６を、より大きな平均パワーのＱＳまたはＱＳＣＤ・ＣＯ２レーザ送信器３０のキャビティに効率的にＲＯ放射線を結合するのに用いてもよい。ＣＯ２レーザのＱＳおよびＱＳＣＤ動作は、上記で組み込まれた米国特許第６，６９７，４０８号に説明され、ここではさらなる説明はしない。ＱＳまたはＱＳＣＤレーザの出力のごく僅かな部分（すなわち、１％以下）がミラーＭ７、Ｍ８により高速検出器４０方向へ方向変換され、高速検出器４０の出力はキャビティ増幅時間（ＣＢＵＴ）電子回路センサ４２に送られる。高速検出器周波数応答は、ＱＳパルスの立上り時間に追随するのに十分である。ＣＢＵＴセンサ４２は信号をＨＣサーボ４４に送り、ＨＣサーボ４４は次にＱＳまたはＱＳＣＤレーザ送信器キャビティのミラーの１つのディザリング変換器を、縦モードが線中央になるまで動かす。ＰＺＴ変換器４８はＣＢＵＴセンサからＨＣサーボ回路（ディザ発振器４６を含む）へ、そしてＰＺＴ駆動器５０へ送られる信号により駆動され、送信器キャビティの縦モードをレーザ線のピークに位置させ、そのピークでは、ＣＢＵＴにより検出される最速の立上りレーザパルスが生ずると共に、最大のレーザゲインが生ずる。ＣＢＵＴ判別信号は、ここではＱＳあるいはＱＳＣＤパルスの振幅に依存しない。
【００２３】
ＱＳあるいはＱＳＣＤシステムのオペレータはデジタル信号命令をコントローラ５４に発し、コントローラ５４では次に信号をレーザの高圧駆動器５６に送り、高圧駆動器５６は電気光学変調器５８を起動し停止する。このような技術の使用により、Ｍ７中を進行する送信器のＱＳあるいはＱＳＣＤパルス列はＲＯの周波数の安定化を達成し（すなわち、０．５ＭＨｚ以下）、ＬＡＤＡＲあるいはプラズマ生成ＥＵＶ放射線システムで典型的に必要とされる、大いに改良された（均一な）パルス振幅、パルス幅、低いパルス開始時間のジッターを有する。
【００２４】
図２に、一実施の形態におけるＲＯと付随するＱＳあるいはＱＳＣＤレーザ筐体のより詳細な図を示し、図２では類似の部材には類似の参照番号を付す。このＲＯ１２は、レーザの出力波長を選定するための内部格子（Ｇ）付き低パワーＣＯ２レーザである。ＲＯが低パワーレーザなので、効率はそれほど考慮する必要がない。米国カリフォルニア州サンタクララのコヒーレント社から市販のＧＥＭ−３０空冷・密封モデルのような３つ折りの導波路構成が図示される。１パスや２パスの構成でもよい。導波路ＣＯ２レーザが示されるが、自由空間ガウスモード光共振器あるいは同様の装置を用いてもよい。ＲＯ１２の出力はモード整合光学系（ＭＭＯ）２６を通り、ＲＯからＱＳあるいはＱＳＣＤ送信器へのモード結合を最大とする。
【００２５】
図２の実施の形態では、ＲＯからレーザ送信器３０に入射された放射線が、例として、出力結合ミラー（ＭＣ）に関しある角度に置かれた３つの導波路の内の１つの頂部に生ずるとして示される。入射は、約９９％反射（１％透過）のわずかに透過する薄膜フィルムコーティングされたセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）ミラー（ＰＭ）を通じてなされる。図示の光遮へい体６０を用いて、送信器からの後方反射を吸収する。７つの折り畳み経路の導波路レーザが例として図示されている。多数あるいは少数の折り畳み導波路あるいは折り畳み自由空間封じ込めガウスモード構成を用いてもよい。ＱＳあるいはＱＳＣＤ送信器は２つの引き伸ばしビーム折り畳みミラー６２、６３と示され、軸合わせの必要な共振ミラーの数を減ずるために２つの反射「跳ね返り」を収容する。セレン化亜鉛のような、非反射薄膜フィルムコーティング窓６４を用い、ＥＯモジュール容器とレーザ筐体の残りとを分離する。この技術を用いて、レーザ放射線が電気光学モジュール（ＥＯＭ）容器内へ、出入りできるようにしながら、レーザ筐体内に不完全真空を維持する。汚染物質をＥＯモジュール外に締め出すため、ＥＯ容器を、窒素のようなクリーンな乾燥した不活性ガスで満たす。ＥＯＭは、上記で組み込んだ米国特許第６，６９７，４０８号で説明されたように、カドミウムテルライド（ＣｄＴｅ）のような電気光学結晶５８、薄膜フィルム偏光板（ＴＦＰ）６６、反射相抑制器（ＲＰＲ）６７を内包する。
【００２６】
図２の送信器がＱＳレーザとして操作されるとき、図示のように、出力は部分反射ＺｎＳｅ光出力結合ミラーＭＣから得られる。送信器がＱＳＣＤレーザとして操作されるとき、出力は、ＭＣを全反射ミラーに取り替えて薄膜フィルム偏光板から得られる。ＱＳＣＥオプション操作の出力は、単純化のために図示しない。ＱＳおよびＱＳＣＤレーザの動作原理は上記で組み込んだ米国特許第６，６９７，４０８号で説明され、ここではさらなる説明は行わない。図２の２つのレーザシステム、あるいは送信器だけにでも含まれるかなり大量のキャビティ間の光学要素は、エタロン共振生成の機会が豊富に生ずることを認識させる。これらの機会は、ディザリングレーザ共振ミラーの機能として、振幅のよいＡＣ判別信号を得ることを妨げる。送信器のゲインが上昇すると、エタロン効果が扱いにくくなり、ＲＯレーザ周波数にロックされた送信器レーザ入射を維持するのに振幅判別に依存しない方法を使うことを必要にする。
【００２７】
パルスジッター時間の問題を生ずる前記の影響に加え、ノイズからレーザパルスを増幅することに関する統計量が、最大のパルスジッター振動問題を提起する。ＲＯ部からの入射放射線は、パルスをノイズの範囲外で増幅できると、この大きなレーザパルスジッター問題を克服できる。
【００２８】
［ＣＢＵＴセンサの操作の説明］
図３は、一実施の形態にしたがったＣＢＵＴ回路の操作原理を物理的に説明する。初期時間ｔ０で、ＥＯＭに図１あるいは図２のコントローラのようなコントローラから起動が命令され、ＥＯ結晶を横断して高電圧を生じ（図３Ａ参照）、共振器を高損失の状態から低損失の状態に切り替える。図３Ｂに示すように、ほぼ同じ時間に、時間に比例する圧力傾斜がＣＢＵＴ回路内に生成される。ｔ０のわずかに後の時間に、Ｑスイッチ法レーザパルスが、通常レーザキャビティ内で自然放出（すなわち、ノイズ）から外れた範囲で増幅され始める。パルスの増幅時間は、主として増幅された自然放出プロセスのこの比較的低速の統計的側面により決まる。大分狭い範囲で、この増幅時間も、最初はゲイン曲線のピークに関して発振する縦モードの位置に影響される。ＲＯレーザからの入射放射線の使用は、増幅時間がはるかに低速の増幅した自然放出の範囲外の代わりに入射放射線の刺激を受けた放出（すなわち、増幅）により制御されるので、増幅時間ジッターを大いに減少させる。入射されたＲＯ放射線も、送信器にＲＯと同じ周波数で発振する原動力を与える。
【００２９】
キャビティ増幅時間は、送信器のゲイン特性によりほとんど決まる。ゲインが大きければ、増幅時間は速くなる（逆もまた真）。送信器の縦共振モードの１つがゲイン曲線のピーク（ゲインが最大のところ）と一致するときに、増幅時間が最短となる。図３Ｃでは、このことがパルスＰ１に対応する。入射パワーの適切な範囲にわたり、ＲＯからのより大きな入射パワーにより、より速い立上り時間とより小さなＣＢＵＴジッターが得られる。
【００３０】
図３Ｃに示すように、ＣＢＵＴ回路も、閾値電圧ＶＴを選択する。時間ｔ１のように、検出器４０からの信号がＶＴを超えると、電圧Ｖ１が傾斜電圧から得られる。しかし、送信器の縦モードがゲイン曲線の線中央から外れていると、パルスＰ２あるいはＰ３のうちの１つが現れる（むしろＰ１よりも）。この場合には、閾値電圧ＶＴは、ＣＢＵＴでの電流の上昇の間の後の方の時間まで交差せず、したがって、電圧傾斜（図３Ｂに示す）からそれぞれ上昇する電圧Ｖ２、Ｖ３を生ずる。この場合、図３Ｄに示すように、送信器は、ゲイン曲線のピークでのν０の代わりにν±１あるいはν±２で発振しようとする。パルスＰ２あるいはＰ３に対し、ＶＴは時間ｔ２、ｔ３でそれぞれ到達し／超えられ、電圧Ｖ２およびＶ３が線形な傾斜電圧から求められる。ディザ発振器によるミラーのディザリングのために、これらの電圧は、時間が経過すると小さな振幅のＡＣディザ周波数も有する。この電圧のディザリングは、ＨＣ回路内のロックインアンプで検出され、信号−ノイズ比を高くする。それらが生ずると、電圧Ｖ３、Ｖ１、Ｖ２は、山登りサーボ回路に送られる。ＨＣサーボは、徐々に変化する信号を提供し、ディザリングＰＺＴ変換器とそれに付随するミラーをＣＢＵＴ回路からの入力電圧が最小となる位置（すなわち、この例では、値Ｖ１）へ移動するようにする。これが、ＣＢＵＴ遅れであるΔｔが最小（すなわち、図３ＣでΔｔ＝ｔ１−ｔ０のところ）あるいは図３Ｄのゲイン（Ｇｍ）が最大となる条件である。図３Ａから３Ｄに示す機能を達成する電子的実現には多くの方法があり、電子回路分野の技術に精通した者には周知である。よって、ここではそのような詳細については説明しない。
【００３１】
レーザが種周波数に出力周波数をロックするように駆動される前に、この回路は多くのＱスイッチサイクルを経るということに注意を要する。しかし、上記したように、この回路は非常に高い繰り返し速度（１００ｋＨｚ以上）で使用されることを意図したもので、周波数のロックは非常に短い時間内に生じ、十分にレーザの典型的なウォームアップ時間以内である。
【００３２】
［実験データ］
図４は、おおよそ６２４ナノ秒間の約２４００Ｖの矩形波電圧の例示的オシロスコープの出力波形（上部曲線）を図示し、その電圧は、たとえば図２に関連して説明した７パス送信レーザのＥＯ駆動器によるように、ＥＯ結晶に印加される。図４の下の曲線に見られるように、５００ナノ秒後の僅か手前で、ＲＯから放射線が送信器に入射されず、またＣＢＵＴ回路が機能しないときに、送信器からのＱスイッチパルスが自然放出ノイズから外れた範囲で増幅する。約６２４ナノ秒後に高電圧が切断される、この場合では、半値点での全幅で１２５ナノ秒幅のパルスとなるように示されているように、Ｑスイッチパルスの終端は切断される。パルスは、高電圧パルスの幅に応じて、狭かったり広かったりする。
【００３３】
図５は、再び、７パス送信器のＥＯ結晶に印加された約２４００Ｖの矩形パルスの例示的オシロスコープの出力波形を図示し、電圧の時間も約６２４ナノ秒間である。ＲＯから送信器に入射された放射線と起動されたＣＢＵＴ回路で、ＥＯ結晶の起動後約３００ナノ秒という、ずっと早い時間にＱスイッチパルスが現れる。ＣＯ２レーザＱスイッチ動作で通常見られる長いテールは、ＥＯ結晶への電圧が停められたときに切断される（すなわち、縮められる）。この切断された放射線は、ＴＦＰにより送信器キャビティから照射され、またはキャビティダンプされる。この放射線照射手順は、送信器でＱＳＣＤ操作するのに用いられたのと同じ手順である。ＱＳＣＤの場合には、図２に示されるＱＳ送信器の部分反射ミラーＭＣが高反射ミラーと取り替えられる。図４および図５には示されないが、入射とＣＢＵＴ制御なしでの自走ＱＳパルス列は、約５０から１００ナノ秒の間のパルス間ジッターを示した。入射とＣＢＵＴ制御があると、測定されたジッターは約３〜１０ナノ秒に減少した。このことは、桁違いの改良を示す。
【００３４】
自走ＱＳ送信器は同時に複数の縦モードで動作しがちである。図６は、入射とＣＢＵＴ制御なしでのＱスイッチパルスを図示し、複数の縦モードでの発振を表す。図６のレーザパルスで示される振幅変動の周波数はおおよそ４７ＭＨｚで、送信器フィードバックキャビティの２つの縦モードのうなりと対応する。入射とＣＢＵＴ制御があると、図６のパルスで示されたレーザキャビティの２つの発振縦モードによる変調は観測されない。さらに、このような好ましい特性は、ＲＯレーザの格子を手動で傾斜させることによちＲＯが回転線のレンジを変えるので、維持される。格子の傾斜は電気信号で駆動されるようにできる。Ｑスイッチレーザの発振回転線を効率的に変化させる能力は、ＣＯ２レーザ放射線が大気中を長距離進行するときに（遠隔測定／ＬＡＤＡＲ用途の場合のように）大気での吸収を最小化することに加え、遠隔測定にとって役立つ。
【００３５】
［ディザ発振器の一実施の形態］
図７は、別の実施の形態にしたがったＱＳあるいはＱＳＣＤシステム１０２を図示する。このシステムでは、図２のシステムで示されたような２つの別の発振器の代わりに、１つのディザリングミラー発振器１０４だけを用いる。単一のディザリングミラー発振器はＲＯで用いられる。入射レーザシステムで１つのディザリング電子発振器だけが用いられると、変換器に作用する駆動力の量は増大し、ＲＯ内のディザの移動距離は増大する。移動距離は、生成するＡＣ判別信号が送信器の山登りフィードバック回路とＣＢＵＴ回路センサとで検知できる点まで増大する。図７のシステムの長所は、単一のディザ発振器を用いるとコストを低減できることである。可能性として短所は、発振器により得られるレーザディザリング周波数変動が大きくなることである。送信器からの大きなディザリング周波数移動出力は、ＥＵＶシステムでは許されるが、ＬＡＤＡＲシステムでは許されないであろう。
【００３６】
［入射ＱＳまたはＱＳＣＤレーザシステムの代替］
図８の構成図の例で示すような、別の実施の形態にしたがうシステム１１０は、ＣＢＵＴセンサ回路と同様な効果を得られる。このシステムでは、ＣＢＵＴ回路なしで、送信器で山登り回路だけを用いる。このようなシステムでは、インジェクションロックレーザシステムでキャビティ間の光学要素からのエタロン効果を減少するのに注意を払い、発振器により大きなパワーを入射して、低ゲインの送信器を用いて使用できる。図８の基準発振器（ＲＯ）１２は、図２のものと同じでよい。ＲＯからの出力放射線は、上記のように、ＱＳあるいはＱＳＣＤ発振器に入射される。短いゲイン長と７以上の代わりに３または５の少ない折り畳み光導波路を有する、低ゲイン送信器を用いることができる。エタロン効果の低減には十分な注意を払う。さらに、そのシステムで用いられている１％以下の代わりに、数％というような、より多くの放射線がＲＯから送信器に入射され、結合される。このような指針を使って、図２のＣＢＵＴセンサ４２を使う図２のシステムの性能に近付けることが出来る。低パワー送信器を必要とする用途のように、長いゲイン長を必要としない用途では、ＣＢＵＴセンサ回路なしで済ませ、送信器には山登り電子フィードバックループだけを備えるとするが可能である。このことは、低速ＩＲ検出器で十分なので、高速検出器のコストをセーブできる。また、ＣＢＵＴ回路のコストもセーブできる。図８のシステムでは、このようなシステムは図２のシステムほどには堅牢ではない、ということが欠点となる可能性がある。対象物への所望の量のパルスパワーを達成するのに必要なレーザ増幅量を減ずるために送信器のパワーを出来るだけ大きくすることもまた好ましい。レーザアンプは一般的には、発振器より効率が悪く、コストが高い。アンプはまた、自励発振を防止する高価なアイソレータを必要とする。たとえば、自励振動の１つの一般的な振動源は、対象物からアンプを通って送信器／発振器へ戻る光フィードバックに由来する。アイソレータが使われないと、このようなフィードバックは送信器／発振器に深刻なダメージを与える。
【００３７】
前述の説明の観点から、当業者にとっては、上記の実施の形態の多くの変更が明らかであることが理解される。したがって、本発明は、ここに示し、説明した本発明の特定の実施の形態や方法に限定されることはない。むしろ、本発明の範囲は、特許請求の範囲および均等物により画定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明にしたがって作られた基準発振器の出力でインジェクションロックされるＱスイッチ法レーザの一実施の形態の概略図である。
【図２】図２は、詳細を追記した図１のレーザシステムの概略図である。
【図３】図３Ａ〜Ｄは、本発明のキャビティ増幅時間検知（ＣＢＵＴ）回路の動作を示すグラフである。
【図４】図４は、本インジェクションロック技術を用いないレーザの出力を示すグラフである。
【図５】図５は、図４に類似するが、本インジェクションロック技術を用いるレーザの出力を示すグラフである。
【図６】図６は、本インジェクションロック技術を用いないレーザの出力を示し、複数の縦モードの存在を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明にしたがって作られたＱスイッチ法レーザシステムの別の実施の形態の概略図であって、ＣＢＵＴ回路を用いるが、１つのディザ発振器だけを用いる。
【図８】図８は、本発明にしたがって作られたＱスイッチ法レーザシステムのさらに別の実施の形態の概略図であって、２つのディザ発振器を用いるが、ＣＢＵＴ回路を用いない。
【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】
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【図８】
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【国際調査報告】
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