(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザシステムは、以下を備える：
Ａ．パルスレーザ光を出力するレーザ装置；及び
Ｂ．前記パルスレーザ光のパルス幅を伸長するための遅延光路を含む第１の光学パルスストレッチャであって、前記遅延光路を周回して出力される周回光のビームウェスト位置を、周回数に応じて光路軸方向に変化させるように構成された第１の光学パルスストレッチャ。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザシステムであって、
前記周回光は、理想レンズで集光した場合に、集光位置が、周回数に応じて光路軸方向に変化する。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
前記遅延光路は、複数の凹面ミラーにより構成されており、
前記複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーの曲率が、他の凹面ミラーの曲率と異なる。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
前記遅延光路は、複数の凹面ミラーにより構成されており、
前記複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーが、コリメート条件を満たす位置から、前記遅延光路の光路長を変更する方向に移動されている。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
前記遅延光路は、複数の凹面ミラーにより構成されており、
前記遅延光路には、発散角を変更して出力するレンズが配置されている。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
前記遅延光路は、複数の高反射ミラーと、複数の集光レンズとにより構成されており、
前記複数の集光レンズのうち少なくとも１つの集光レンズは、コリメート条件を満たす位置から光路軸方向に移動されている。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザシステムであって、
前記遅延光路の光路長が、前記パルスレーザ光の時間的コヒーレント長以上である。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
Ｃ．前記第１の光学パルスストレッチャから出力される伸長パルスレーザ光を増幅する増幅器。
【請求項９】
請求項８に記載のレーザシステムであって、
前記増幅器は、ファブリペロ共振器またはリング共振器を含む。
【請求項１０】
請求項８に記載のレーザシステムであって、
前記増幅器は、マルチパス増幅器である。
【請求項１１】
請求項８に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
Ｄ．前記第１の光学パルスストレッチャと前記増幅器との間に配置されたビームエキスパンダ；
ここで、前記ビームエキスパンダは、前記伸長パルスレーザ光のビーム径を、前記増幅器の放電空間の幅に合わせるように拡大する。
【請求項１２】
請求項８に記載のレーザシステムであって、以下をさらに含む：
Ｅ．前記増幅器からの出力光のパルス幅を伸長する第２の光学パルスストレッチャ。
【請求項１３】
請求項１に記載のレーザシステムであって、
前記パルスレーザ光のパルス幅をΔＤ、前記遅延光路の光路長をＬOPS、光速をｃとした場合に、下式（ａ）を満たす。
ＬOPS＝ｃ・ΔＤ  ・・・（ａ）
【請求項１４】
請求項８に記載のレーザシステムであって、
前記増幅器は、ファブリペロ共振器であり、
伸長パルスレーザ光のパルス幅をΔＤＴ、前記ファブリペロ共振器の光路長をＬamp、光速をｃとした場合に、下式（ｂ）を満たす。
ΔＤＴ≧Ｌamp／ｃ    ・・・（ｂ）
【請求項１５】
請求項１に記載のレーザシステムであって、
前記レーザ装置は、固体レーザ装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザ装置及び光学パルスストレッチャを含むレーザシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、半導体露光装置においては解像力の向上が要請されている。半導体露光装置を以下、単に「露光装置」という。このため露光用光源から出力される光の短波長化が進められている。露光用光源には、従来の水銀ランプに代わってガスレーザ装置が用いられている。現在、露光用レーザ装置としては、波長２４８ｎｍの紫外線を出力するＫｒＦエキシマレーザ装置ならびに、波長１９３．４ｎｍの紫外線を出力するＡｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。【０００３】
現在の露光技術としては、露光装置側の投影レンズとウエハ間の間隙を液体で満たして、当該間隙の屈折率を変えることによって、露光用光源の見かけ上の波長を短波長化する液浸露光が実用化されている。ＡｒＦエキシマレーザ装置を露光用光源として用いて液浸露光が行われた場合は、ウエハには水中における波長１３４ｎｍの紫外光が照射される。この技術をＡｒＦ液浸露光という。ＡｒＦ液浸露光はＡｒＦ液浸リソグラフィーとも呼ばれる。【０００４】
ＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザ装置の自然発振におけるスペクトル線幅は約３５０〜４００ｐｍと広いため、露光装置側の投影レンズによってウエハ上に縮小投影されるレーザ光（紫外線光）の色収差が発生して解像力が低下する。そこで色収差が無視できる程度となるまでガスレーザ装置から出力されるレーザ光のスペクトル線幅を狭帯域化する必要がある。このためガスレーザ装置のレーザ共振器内には、狭帯域化素子を有する狭帯域化モジュール（Line Narrowing Module）が設けられている。この狭帯域化モジュールによりスペクトル線幅の狭帯域化が実現されている。狭帯域化素子は、エタロンやグレーティング等であってもよい。このようにスペクトル線幅が狭帯域化されたレーザ装置を狭帯域化レーザ装置という。【０００５】
また、レーザ装置には、露光装置の光学系に与えるダメージが小さくなるように、レーザ光のパルス幅を伸長する光学パルスストレッチャが用いられる。光学パルスストレッチャは、レーザ装置から出力されるレーザ光に含まれる各パルス光を、時間差を有する複数のパルス光に分解することにより、各パルス光のピークパワーレベルを下げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１７６３５８号公報
【特許文献２】特許第２７６０１５９号公報
【特許文献３】特開平１１−３１２６３１号公報
【特許文献４】特開２０１２−１５６５３１号公報
【概要】
【０００７】
本開示の１つの観点に係るレーザシステムは、以下を備える：
Ａ．パルスレーザ光を出力するレーザ装置；及び
Ｂ．パルスレーザ光のパルス幅を伸長するための遅延光路を含む第１の光学パルスストレッチャであって、遅延光路を周回して出力される周回光のビームウェスト位置を、周回数に応じて光路軸方向に変化させるように構成された第１の光学パルスストレッチャ。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示のいくつかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図１】図１は、比較例に係るレーザシステムの構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、ビームスプリッタ及び第１〜第４の凹面ミラーの位置関係を説明する図である。
【図３】図３は、ＯＰＳからの出力光について説明する図である。
【図４】図４は、パルスレーザ光を時間的及び空間的に分解するＯＰＳの構成を示す図である。
【図５】図５は、伸長パルスレーザ光の放電空間内への入射光路を説明する図である。
【図６】図６は、第１の実施形態に係るレーザシステムの構成を示す図である。
【図７】図７は、ビームスプリッタ及び第１〜第４の凹面ミラーの位置関係を説明する図である。
【図８】図８は、増幅器に入射される伸長パルスレーザ光について説明する図である。
【図９】図９Ａは、ＯＰＳから出力される０周回光について説明する図である。図９Ｂは、ＯＰＳから出力される１周回光について説明する図である。図９Ｃは、ＯＰＳから出力される２周回光について説明する図である。
【図１０】図１０は、伸長パルスレーザ光の放電空間内への入射光路を説明する図である。
【図１１】図１１Ａは、第１の実施形態のＯＰＳからの出力光のビームウェスト位置の変化を計測する方法を説明する模式図である。図１１Ｂは、比較例のＯＰＳからの出力光のビームウェスト位置の変化の計測例を示す図である。
【図１２】図１２は、ＯＰＳからの出力光のスポット径の変化を例示する図である。
【図１３】図１３は、第１の変形例に係るＯＰＳの構成を示す図である。
【図１４】図１４は、第２の変形例に係るＯＰＳの構成を示す図である。
【図１５】図１５は、第２の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳの構成を示す図である。
【図１６】図１６Ａは、ＯＰＳから出力される０周回光について説明する図である。図１６Ｂは、ＯＰＳから出力される１周回光について説明する図である。
【図１７】図１７は、ＯＰＳから出力される２周回光について説明する図である。
【図１８】図１８は、増幅器と、増幅器の後段に配置されたＯＰＳとを示す斜視図である。
【図１９】図１９は、第１の変形例に係る増幅器の構成を示す図である。
【図２０】図２０は、第２の変形例に係る増幅器の構成を示す図である。
【実施形態】
【０００９】
＜内容＞
１．比較例
１．１  構成
１．２  動作
１．３  パルス幅の定義
１．４  課題
１．４．１  空間分解による可干渉性の低下
２．第１の実施形態
２．１  構成
２．２  動作
２．３  効果
２．４  ビームウェスト位置について
２．５  ＯＰＳの変形例
２．５．１  第１の変形例
２．５．２  第２の変形例
３．第２の実施形態
３．２  動作
３．３  効果
４．増幅器の後段にＯＰＳを配置する例
５．増幅器の変形例
５．１  第１の変形例
５．２  第２の変形例
【００１０】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。以下に説明される実施形態は、本開示のいくつかの例を示すものであって、本開示の内容を限定するものではない。また、各実施形態で説明される構成及び動作の全てが本開示の構成及び動作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。
【００１１】
１．比較例
１．１  構成
図１は、比較例に係るレーザシステム２の構成を概略的に示す。図１において、レーザシステム２は、マスターオシレータとしての固体レーザ装置３と、光学パルスストレッチャ（ＯＰＳ：Optical Pulse Stretcher）１０と、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０と、を含む。
【００１２】
固体レーザ装置３は、図示しない半導体レーザ、増幅器、非線形結晶等を含んで構成されている。固体レーザ装置３は、シングル横モードで、パルスレーザ光ＰＬを出力する。パルスレーザ光ＰＬは、ガウシアンビームであって、例えば、中心波長が１９３．１ｎｍ〜１９３．５ｎｍの波長範囲内であり、かつスペクトル線幅が約０．３ｐｍである。固体レーザ装置３は、中心波長が約７７３．４ｎｍの狭帯域化されたパルスレーザ光を出力するチタンサファイアレーザと、４倍高調波を出力する非線形結晶と、を含む固体レーザ装置であってもよい。
【００１３】
ＯＰＳ１０は、ビームスプリッタ１１と、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄと、を含む。ビームスプリッタ１１は、部分反射ミラーである。ビームスプリッタ１１の反射率は、４０％〜７０％の範囲内であることが好ましく、約６０％であることがより好ましい。ビームスプリッタ１１は、固体レーザ装置３から出力されるパルスレーザ光ＰＬの光路上に配置されている。ビームスプリッタ１１は、入射したパルスレーザ光ＰＬの一部を透過させるとともに、他の一部を反射させる。
【００１４】
第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅を伸長するための遅延光路を構成している。第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、全て同じ曲率半径Ｒの鏡面を有する。第１及び第２の凹面ミラー１２ａ，１２ｂは、ビームスプリッタ１１で反射された光が、第１の凹面ミラー１２ａで反射され、第２の凹面ミラー１２ｂに入射するように配置されている。第３及び第４の凹面ミラー１２ｃ，１２ｄは、第２の凹面ミラー１２ｂで反射された光が、第３の凹面ミラー１２ｃで反射され、さらに第４の凹面ミラー１２ｄで反射され、再びビームスプリッタ１１に入射するように配置されている。
【００１５】
ビームスプリッタ１１と第１の凹面ミラー１２ａとの間の距離、及び第４の凹面ミラー１２ｄとビームスプリッタ１１との間の距離は、それぞれ曲率半径Ｒの半分、すなわち、Ｒ／２である。また、第１の凹面ミラー１２ａと第２の凹面ミラー１２ｂとの間の距離、第２の凹面ミラー１２ｂと第３の凹面ミラー１２ｃとの間の距離、及び第３の凹面ミラー１２ｃと第４の凹面ミラー１２ｄとの間の距離は、それぞれ曲率半径Ｒと同じである。
【００１６】
第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、全て同じ焦点距離Ｆを有する。焦点距離Ｆは、曲率半径Ｒの半分、すなわち、Ｆ＝Ｒ／２である。したがって、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより構成される遅延光路の光路長ＬOPSは、焦点距離Ｆの８倍である。すなわち、ＯＰＳ１０は、ＬOPS＝８Ｆの関係を有する。
【００１７】
図２は、ビームスプリッタ１１及び第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄの位置関係を説明する図である。図２では、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄを、それぞれ焦点距離がＦである凸レンズ１３ａ〜１３ｄに置き換えて示している。Ｐ０は、ビームスプリッタ１１の位置を表している。Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれ第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄの位置を表している。
【００１８】
第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより構成される遅延光学系は、コリメート光学系であるので、第１の凹面ミラー１２ａへの入射光がコリメート光である場合、第４の凹面ミラー１２ｄからの射出光はコリメート光となる。
【００１９】
また、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、光路長ＬOPSが、パルスレーザ光ＰＬの時間的コヒーレント長ＬC以上となるように配置されている。時間的コヒーレント長ＬCは、ＬC＝λ2／Δλの関係式に基づいて算出される。ここで、λは、パルスレーザ光ＰＬの中心波長である。Δλは、パルスレーザ光ＰＬのスペクトル線幅である。例えば、λ＝１９３．３５ｎｍ、Δλ＝０．３ｐｍの場合には、ＬC＝０．１２５ｍとなる。
【００２０】
ビームエキスパンダ２０は、ＯＰＳ１０から出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの光路上に配置されている。伸長パルスレーザ光ＰＴは、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅がＯＰＳ１０により伸長された光である。ビームエキスパンダ２０は、凹レンズ２１と凸レンズ２２とを含む。ビームエキスパンダ２０は、ＯＰＳ１０から入力された伸長パルスレーザ光ＰＴを、そのビーム径を拡大して出力する。
【００２１】
増幅器３０は、ビームエキスパンダ２０から出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの光路上に配置されている。増幅器３０は、レーザチャンバ３１と、一対の放電電極３２ａ及び３２ｂと、リアミラー３３と、出力結合ミラー３４と、を含むエキシマレーザ装置である。リアミラー３３及び出力結合ミラー３４は、部分反射ミラーであり、ファブリペロ共振器を構成している。リアミラー３３及び出力結合ミラー３４には、レーザ発振する波長の光を部分反射する膜がコートされている。リアミラー３３の部分反射膜の反射率は、８０％〜９０％の範囲内である。出力結合ミラー３４の部分反射膜の反射率は、２０％〜４０％の範囲内である。
【００２２】
レーザチャンバ３１内には、ＡｒＦレーザガス等のレーザ媒質が充填されている。一対の放電電極３２ａ及び３２ｂは、レーザ媒質を放電により励起するための電極として、レーザチャンバ３１内に配置されている。一対の放電電極３２ａ及び３２ｂの間には、図示しない電源からパルス状の高電圧が印加される。
【００２３】
以下、ビームエキスパンダ２０から出力される伸長パルスレーザ光ＰＴの進行方向を、Ｚ方向と言う。一対の放電電極３２ａ及び３２ｂの間の放電方向を、Ｖ方向と言う。Ｖ方向は、Ｚ方向に直交する。Ｚ方向とＶ方向とに直交する方向をＨ方向と言う。
【００２４】
レーザチャンバ３１の両端には、ウィンドウ３１ａ及び３１ｂが設けられている。ビームエキスパンダ２０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３及びウィンドウ３１ａを通過して一対の放電電極３２ａ及び３２ｂの間の放電空間３５に、シード光として入射する。放電空間３５のＶ方向に関する幅は、ビームエキスパンダ２０により拡大されたビーム径とほぼ一致している。
【００２５】
固体レーザ装置３と増幅器３０とは、図示しない同期制御部によって制御される。増幅器３０は、伸長パルスレーザ光ＰＴが放電空間３５に入射したタイミングで放電するように、同期制御部によって制御される。
【００２６】
１．２  動作
次に、比較例に係るレーザシステム２の動作について説明する。まず、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬは、ＯＰＳ１０内のビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち一部は、ビームスプリッタ１１を透過し、遅延光路を周回していない０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ１０から出力される。
【００２７】
ビームスプリッタ１１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１１により反射された反射光は、遅延光路に進入し、第１の凹面ミラー１２ａと第２の凹面ミラー１２ｂとにより反射される。ビームスプリッタ１１における反射光の光像は、第１及び第２の凹面ミラー１２ａ，１２ｂにより、等倍の第１の転写像として結像される。そして、第３の凹面ミラー１２ｃと第４の凹面ミラー１２ｄとによって、等倍の第２の転写像が、ビームスプリッタ１１の位置に結像する。
【００２８】
第２の転写像としてビームスプリッタ１１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１１により反射され、遅延光路を１回周回した１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ１０から出力される。この１周回光ＰＳ1は、０周回光ＰＳ0から遅延時間Δｔだけ遅れて出力される。このΔｔは、Δｔ＝ＬOPS／ｃと表される。ここで、ｃは光速である。
【００２９】
第２の転写像としてビームスプリッタ１１に入射した光のうち、ビームスプリッタ１１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄにより反射されて、再びビームスプリッタ１１に入射する。ビームスプリッタ１１により反射された反射光は、遅延光路を２回周回した２周回光ＰＳsとしてＯＰＳ１０から出力される。この２周回光ＰＳsは、１周回光ＰＳ1から遅延時間Δｔだけ遅れて出力される。
【００３０】
この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ１０からは、３周回光ＰＳ3、４周回光ＰＳ4、・・・と、順にパルス光が出力される。ＯＰＳ１０から出力されるパルス光は、遅延光路の周回数が多くなるほど光強度が低下する。
【００３１】
図３に示すように、パルスレーザ光ＰＬがＯＰＳ１０に入射した結果、パルスレーザ光ＰＬは、時間差を有する複数のパルス光ＰＳ0，ＰＳ1，ＰＳ2，・・・に分解されて出力される。図３において、横軸は時間を表し、縦軸は光強度を表している。前述の伸長パルスレーザ光ＰＴは、パルスレーザ光ＰＬがＯＰＳ１０により分解されてなる複数のパルス光ＰＳn（ｎ＝０，１，２，・・・）が合成されたものである。ここで、ｎは遅延光路の周回数を表す。
【００３２】
光路長ＬOPSが時間的コヒーレント長ＬC以上であるので、複数のパルス光ＰＳnの相互の可干渉性（coherence）が低下する。したがって、複数のパルス光ＰＳnで構成される伸長パルスレーザ光ＰＴの可干渉性が低下する。
【００３３】
ＯＰＳ１０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、ビームエキスパンダ２０に入射し、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が拡大されて出力される。ビームエキスパンダ２０から出力された伸長パルスレーザ光ＰＴは、増幅器３０に入射する。増幅器３０に入射された伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３及びウィンドウ３１ａを通過して放電空間３５にシード光として入射する。
【００３４】
放電空間３５には、伸長パルスレーザ光ＰＴが入射するのに同期して、図示しない電源により放電が生じる。伸長パルスレーザ光ＰＴが、放電によって励起された放電空間３５を通過することによって、誘導放出が生じ、増幅される。そして、増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、光共振器によって発振して、出力結合ミラー３４から出力される。
【００３５】
この結果、レーザシステム２からは、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬに比べて、ピークパワーレベルが低下し、かつ可干渉性が低下した伸長パルスレーザ光ＰＴが出力される。
【００３６】
１．３  パルス幅の定義
レーザ光のパルス幅ＴＩＳは、下式１により定義される。ここで、ｔは時間である。Ｉ（ｔ）は、時間ｔにおける光強度である。伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅は、下式１を用いて求められる。
【００３７】
【数１】
0006762364.tif 000002
【００３８】
１．４  課題
次に、比較例に係るレーザシステム２の課題について説明する。レーザシステム２から露光装置に供給されるレーザ光は、可干渉性が低いほど好ましいため、さらなる可干渉性の低下が求められている。
【００３９】
１．４．１  空間分解による可干渉性の低下
比較例に係るレーザシステム２では、ＯＰＳ１０によりパルスレーザ光ＰＬを時間的に分解することにより可干渉性を低下させているが、さらにパルスレーザ光ＰＬを空間的に分解することにより可干渉性を低下させることが可能である。
【００４０】
図４は、パルスレーザ光ＰＬを時間的及び空間的に分解することを可能とするＯＰＳ４０の構成を示す。ＯＰＳ４０は、第４の凹面ミラー１２ｄの配置が異なること以外は、前述のＯＰＳ１０の構成と同一である。
【００４１】
図４において、第４の凹面ミラー１２ｄは、破線で示すＯＰＳ１０の第４の凹面ミラー１２ｄの位置に対して、Ｈ方向を回転軸として僅かに回転させた位置に配置されている。この構成により、ＯＰＳ４０から出力される複数のパルス光ＰＳnは、遅延光路の周回数ｎに応じて、出射角がＶ方向に変化する。すなわち、ＯＰＳ４０から出力される複数のパルス光ＰＳnは、光路軸が互いに異なる。この結果、ＯＰＳ４０から出力される複数のパルス光ＰＳnは、Ｖ方向に空間的に分解されてビームエキスパンダ２０に入射する。なお、図４では、パルスレーザ光ＰＬのＯＰＳ４０への入射方向を、Ｚ方向から僅かに傾けている。
【００４２】
図５は、ビームエキスパンダ２０から出力された複数のパルス光ＰＳnが、シード光として増幅器３０の放電空間３５に入射する光路を示す。このように、複数のパルス光ＰＳnは、遅延光路の周回数ｎに応じて、放電空間３５内の通過光路が異なる。ＯＰＳ４０は、パルスレーザ光ＰＬを時間的及び空間的に分解した複数のパルス光ＰＳnを生成するので、増幅器３０の出力光の可干渉性がさらに低下する。
【００４３】
しかしながら、上記のようにパルスレーザ光ＰＬを時間的及び空間的に分解すると、放電空間３５は、Ｖ方向に関して時間的に同時にシード光で満たされることはない。例えば、放電空間３５中の０周回光ＰＳ0が入射する空間は、０周回光ＰＳ0が入射する時間しかシード光が存在しない。このため、１周回光ＰＳ1以降の周回光が入射する時間には、０周回光ＰＳ0の光路上には、シード光は存在しない。
【００４４】
エキシマレーザである増幅器３０では、上準位に励起された原子の寿命である上準位寿命が、２ｎｓ程度と短い。このため、放電空間３５中にシード光で満たされない空間が存在すると、その空間では、シード光による誘導放出が生じる前に、自然放出が生じてしまう。この結果、増幅器３０の出力光には、誘導放出による増幅光以外に、自然放出による増幅（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）光がノイズとして多く含まれることになる。
【００４５】
したがって、図４に示すように構成されたＯＰＳ４０を用いると、増幅器３０の出力光は、可干渉性が低下するが、ＡＳＥ光が増加するという問題がある。このＡＳＥ光の発生を抑制するためには、増幅器３０の光共振器の反射率を高め、光共振器内にシード光をより多く存在させることが考えられる。しかし、光共振器の反射率を高めると、光共振器内のエネルギーが高くなり、光学素子損傷する可能性がある。
【００４６】
また、ＡＳＥ光の発生を抑制するためには、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅を長くすることが考えられる。しかし、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅を長くすると、シード光の光強度が低下し、増幅に寄与しない成分が増加するため、ＡＳＥ光がより多く発生する可能性がある。
【００４７】
２．第１の実施形態
次に、本開示の第１の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第１の実施形態に係るレーザシステムは、ＯＰＳの構成が異なること以外は、図１に示した比較例に係るレーザシステムの構成と同一である。以下では、図１に示した比較例に係るレーザシステムの構成要素と略同じ部分については、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４８】
１．１  構成
図６は、第１の実施形態に係るレーザシステム５０の構成を示す。レーザシステム５０は、固体レーザ装置３と、ＯＰＳ６０と、ビームエキスパンダ２０と、増幅器３０と、を含む。ＯＰＳ６０は、ビームスプリッタ６１と、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄと、を含む。ビームスプリッタ６１は、比較例のビームスプリッタ１１と同一の構成である。
【００４９】
第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄは、第４の凹面ミラー６２ｄのみ、他のものとは鏡面の曲率半径が異なる。具体的には、第１の凹面ミラー６２ａの曲率半径をＲ1、第２の凹面ミラー６２ｂの曲率半径をＲ2、第３の凹面ミラー６２ｃの曲率半径をＲ3、第４の凹面ミラー６２ｄの曲率半径をＲ4とすると、Ｒ1＝Ｒ2＝Ｒ3＝Ｒ、及びＲ4＜Ｒの関係を満たす。また、第１の凹面ミラー６２ａの焦点距離をＦ1、第２の凹面ミラー６２ｂの焦点距離をＦ2、第３の凹面ミラー６２ｃの焦点距離をＦ3、第４の凹面ミラー６２ｄの焦点距離をＦ4とすると、Ｆ1＝Ｆ2＝Ｆ3＝Ｆ、及びＦ4＜Ｆの関係を満たす。
【００５０】
第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄの配置は、比較例と同様である。ビームスプリッタ６１と第１の凹面ミラー６２ａとの間の距離、及び第４の凹面ミラー６２ｄとビームスプリッタ６１との間の距離は、第１〜第３の凹面ミラー６２ａ〜６２ｃの曲率半径Ｒの半分、すなわち、Ｒ／２である。また、第１の凹面ミラー６２ａと第２の凹面ミラー６２ｂとの間の距離、第２の凹面ミラー６２ｂと第３の凹面ミラー６２ｃとの間の距離、及び第３の凹面ミラー６２ｃと第４の凹面ミラー６２ｄとの間の距離は、それぞれ曲率半径Ｒと同じである。
【００５１】
したがって、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄにより構成される遅延光路の光路長ＬOPSは第１〜第３の凹面ミラー６２ａ〜６２ｃの焦点距離Ｆの８倍、すなわち、ＬOPS＝８Ｆである。なお、ビームスプリッタ１１及び第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄは、ＯＰＳ６０から出力される０周回光ＰＳ0の光路軸と１周回光ＰＳ1の光路軸とが一致するように配置されている。すなわち、第１の実施形態では、ＯＰＳ６０から出力される複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、全て一致する。
【００５２】
図７は、ビームスプリッタ６１及び第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄの位置関係を説明する図である。図７では、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄを、それぞれ焦点距離がＦである凸レンズ６３ａ〜６３ｃと、焦点距離がＦより短い凸レンズ６３ｄとに置き換えて示している。Ｐ０は、ビームスプリッタ６１の位置を表している。Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれ第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄの位置を表している。
【００５３】
ＬOPS＝８Ｆであるのに対して、Ｆ1＝Ｆ2＝Ｆ3＝Ｆ、及びＦ4＜Ｆであるので、遅延光学系は、コリメート条件を満たさない非コリメート光学系である。このため、第１の凹面ミラー６２ａへの入射光がコリメート光である場合、第４の凹面ミラー６２ｄからの射出光は非コリメート光となる。
【００５４】
ＯＰＳ６０は、比較例のＯＰＳ１０と同様に、図３に示されるように、固体レーザ装置３から入射したパルスレーザ光ＰＬを、時間差を有する複数のパルス光ＰＳn（ｎ＝０，１，２，・・・）に分解し、伸長パルスレーザ光ＰＴとして出力する。パルスレーザ光ＰＬは、ガウシアンビームであるので、ＯＰＳ６０から出力される複数のパルス光ＰＳnの各発散角θnは、遅延光路の周回数ｎに応じて変化する。また、複数のパルス光ＰＳnの各ビームウェスト位置ｗnは、遅延光路の周回数ｎに応じてＺ方向に移動する。発散角θnとビームウェスト位置ｗnとは、反比例の関係にある。発散角θn及びビームウェスト位置ｗnは、第４の凹面ミラー６２ｄの曲率によって決定される。
【００５５】
ビームウェスト位置は、ビームのスポットサイズが最小となる位置であり、波面の曲率半径が平面となる位置と一致する。発散角は、ビームウェスト位置から十分離れた距離でのビームの角度広がりを表す。
【００５６】
図８に示すように、増幅器３０には、伸長パルスレーザ光ＰＴが周期的に入射される。ＡＳＥ光の発生を抑制するために、伸長パルスレーザ光ＰＴの間隔ΔＰＴは、増幅器３０内で上準位に励起された原子の寿命である上準位寿命より短いことが好ましい。この上準位寿命は、約２ｎｓである。このためには、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ΔＤＴを可能な限り長くすればよい。間隔ΔＰＴは、光強度がほぼ０となる期間である。例えば、光強度がピーク強度の１％以下である場合に、光強度が０であるとする。
【００５７】
パルス幅ΔＤＴを長くするためには、前述の遅延時間Δｔが、パルスレーザ光ＰＬのパルス幅ΔＤと一致するように、光路長ＬOPSを設定することが好ましい。この場合、光路長ＬOPSを、下式２を満たすように設定すればよい。
【００５８】
ＬOPS＝ｃ・ΔＤ  ・・・（２）
【００５９】
パルス幅ΔＤは、複数のパルス光ＰＳnの各パルス幅とほぼ同一である。例えば、ΔＤ＝３ｎｍとすると、ＬOPS＝１ｍとなり、光路長ＬOPSは、時間的コヒーレント長ＬC以上となる。
【００６０】
また、ＡＳＥ光の発生を抑制するために、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ΔＤＴは、増幅器３０の光共振器の光路長をＬampとした場合に、下式３を満たすことが好ましい。なお、光共振器の光路長Ｌampは、リアミラー３３と出力結合ミラー３４との間の距離である共振器長Ｌaの２倍、すなわち、Ｌamp＝２Ｌaである。
【００６１】
ΔＤＴ≧Ｌamp／ｃ  ・・・（３）
【００６２】
２．２  動作
次に、第１の実施形態に係るレーザシステム５０の動作について説明する。まず、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬは、ＯＰＳ６０内のビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち一部は、ビームスプリッタ６１を透過し、０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ６０から出力される。図９Ａは、ＯＰＳ６０から出力される０周回光ＰＳ0を示す。０周回光ＰＳ0は、コリメート光である。
【００６３】
ビームスプリッタ６１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ６１により反射された反射光は、第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄにより構成される遅延光路に進入し、遅延光路を１回周回して再びビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ６１により反射され、１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ６０から出力される。図９Ｂは、ＯＰＳ６０から出力される１周回光ＰＳ1を示す。前述のように、遅延光学系は非コリメート光学系であるので、１周回光ＰＳ1は、非コリメート光となり、ＯＰＳ６０から遠くに収束する。すなわち、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1は、ＯＰＳ６０から遠くに位置する。
【００６４】
ビームスプリッタ６１に入射した光のうち、ビームスプリッタ６１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、遅延光路をさらに１回周回して再びビームスプリッタ６１に入射する。ビームスプリッタ６１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ６１により反射され、２周回光ＰＳ2としてＯＰＳ６０から出力される。図９Ｃは、ＯＰＳ６０から出力される２周回光ＰＳ2を示す。２周回光ＰＳ2のビームウェスト位置ｗ2は、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1よりもＯＰＳ６０側に近づく。
【００６５】
この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ６０からは、３周回光ＰＳ3、４周回光ＰＳ4、・・・と、順にパルス光が出力される。遅延光路の周回数ｎが多くなるほど、ＯＰＳ６０からの出力光のビームウェスト位置ｗnは、ＯＰＳ６０側に近づく。
【００６６】
パルスレーザ光ＰＬがＯＰＳ６０に入射した結果、パルスレーザ光ＰＬは、時間差を有する複数のパルス光ＰＳn（ｎ＝０，１，２，・・・）に分解されて出力される。複数のパルス光ＰＳnは、伸長パルスレーザ光ＰＴを構成する。
【００６７】
図１０に示すように、伸長パルスレーザ光ＰＴは、ビームエキスパンダ２０によりビーム径が、放電空間３５の幅に合うように拡大され、シード光として増幅器３０に入射する。増幅器３０に入射した伸長パルスレーザ光ＰＴは、リアミラー３３及びウィンドウ３１ａを通過して放電空間３５に入射する。複数のパルス光ＰＳnは、それぞれ光路軸が一致しているので、放電空間３５内で重なり合う。
【００６８】
放電空間３５には、伸長パルスレーザ光ＰＴが入射するのに同期して、図示しない電源により放電が生じる。伸長パルスレーザ光ＰＴが、放電によって励起された放電空間３５を通過することによって、誘導放出が生じ、増幅される。そして、増幅された伸長パルスレーザ光ＰＴは、光共振器によって発振して、出力結合ミラー３４から出力される。
【００６９】
２．３  効果
ＯＰＳ６０は、パルスレーザ光ＰＬを時間的に分解することに加え、分解された複数のパルス光ＰＳnを、進行方向を変えずに、ビームウェスト位置ｗnを光路軸方向に変化させる。これにより、複数のパルス光ＰＳnは、それぞれビームウェスト位置ｗn及び発散角θnが異なるので、相互の可干渉性がさらに低下し、これらで構成される伸長パルスレーザ光ＰＴの可干渉性がさらに低下する。
【００７０】
また、シード光として放電空間３５内に入射する複数のパルス光ＰＳnは、放電空間３５内で重なり合うので、放電空間３５内がＶ方向に関して時間的に同時にシード光で満たされる。これにより、ＡＳＥ光の発生が抑制される。
【００７１】
さらに、伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ΔＤＴを、前述の式３を満たすように設定することにより、放電期間中の何れの時間においても放電空間３５内がシード光で満たされるので、ＡＳＥ光の発生がさらに抑制される。
【００７２】
したがって、第１の実施形態に係るレーザシステム５０は、出力光の可干渉性を低下させるとともに、ＡＳＥ光の発生を抑制することができる。
【００７３】
２．４  ビームウェスト位置について
図１１Ａは、第１の実施形態のＯＰＳ６０から出力される複数のパルス光ＰＳnのビームウェスト位置ｗnの変化を計測する方法を説明する模式図である。ＯＰＳ６０の出力光の光路軸上に焦点距離がｆの理想レンズ７０を配置し、理想レンズ７０による出力光の集光位置を計測する。この集光位置がビームウェスト位置に対応する。理想レンズ７０とは、収差を無視できる程度のレンズである。集光位置は、図１２に示すように、ビームのスポット径が最小となる位置を計測することにより求まる。
【００７４】
０周回光ＰＳ0は、コリメート光であるので、理想レンズ７０による集光位置ＦＰ0は、理想レンズ７０の焦点位置と一致する。理想レンズ７０による１周回光ＰＳ1の集光位置ＦＰ1は、集光位置ＦＰ0より理想レンズ７０側に移動する。理想レンズ７０による２周回光ＰＳ2の集光位置ＦＰ2は、集光位置ＦＰ1より理想レンズ７０側に移動する。以下、同様に、周回数ｎが多くなるほど、集光位置は理想レンズ７０側に近づく。
【００７５】
図１１Ｂは、比較例として説明したＯＰＳ４０から出力される複数のパルス光ＰＳnのビームウェスト位置ｗnの計測例を示している。ＯＰＳ４０は、複数のパルス光ＰＳnの進行方向を変化させるので、集光位置ＦＰ0，ＦＰ1，ＦＰ2，・・・は、順にＶ方向に移動する。
【００７６】
なお、第１の実施形態では、遅延光学系を構成する第１〜第４の凹面ミラー６２ａ〜６２ｄのうち、第４の凹面ミラー６２ｄの曲率を変えることにより、遅延光学系を非コリメート光学系となるように設定している。第４の凹面ミラー６２ｄに限られず、その他の凹面ミラーの曲率を変えてもよい。
【００７７】
また、遅延光学系を構成する凹面ミラーは４枚に限られない。さらに、曲率を変える凹面ミラーの枚数は１枚に限られない。したがって、遅延光学系を構成する複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーの曲率を、他の凹面ミラーの曲率と異ならせることにより、遅延光学系を非コリメート光学系とすればよい。
【００７８】
２．５  ＯＰＳの変形例
次に、遅延光学系を非コリメート光学系とするためのその他の例について説明する。
【００７９】
２．５．１  第１の変形例
図１３は、第１の変形例に係るＯＰＳ８０の構成を示す。ＯＰＳ８０は、ビームスプリッタ８１と、第１〜第４の凹面ミラー８２ａ〜８２ｄと、を含む。ビームスプリッタ８１は、比較例のビームスプリッタ１１と同一の構成である。
【００８０】
第１〜第４の凹面ミラー８２ａ〜８２ｄは、全て同じ曲率半径Ｒの鏡面を有する。また、第１〜第４の凹面ミラー８２ａ〜８２ｄは、全て同じ焦点距離Ｆを有する。ＯＰＳ８０は、第４の凹面ミラー８２ｄの位置が異なること以外は、比較例に係るＯＰＳ１０と同一の構成である。
【００８１】
図１３において、第４の凹面ミラー８２ｄは、破線で示すＯＰＳ１０の第４の凹面ミラー１２ｄの位置から、遅延光路の光路長ＬOPSを長くする方向に移動されている。具体的には、第３の凹面ミラー６２ｃと第４の凹面ミラー６２ｄとの間の距離を焦点距離Ｆの２倍よりも長くし、かつ第４の凹面ミラー６２ｄとビームスプリッタ６１との間の距離を焦点距離Ｆよりも長くする。すなわち、ＯＰＳ８０は、ＬOPS＞８Ｆの関係を有する。
【００８２】
第１〜第４の凹面ミラー８２ａ〜８２ｄにより構成される遅延光学系は、非コリメート光学系であるので、遅延光路を周回した周回光は、非コリメート光となる。ＯＰＳ８０から出力される複数のパルス光ＰＳnは、遅延光路の周回数ｎに応じて、発散角θnが変化するとともに、ビームウェスト位置ｗnがＺ方向に移動する。なお、複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、ほぼ同一である。
【００８３】
第１〜第４の凹面ミラー８２ａ〜８２ｄのうち、光路長ＬOPSを長くする方向に移動させる凹面ミラーは、第４の凹面ミラー８２ｄに限られず、その他の凹面ミラーであってもよい。遅延光学系を構成する複数の凹面ミラーのうち少なくとも１つの凹面ミラーを、コリメート条件を満たす位置から、遅延光路の光路長を変更する方向に移動させればよい。
【００８４】
２．５．２  第２の変形例
図１４は、第２の変形例に係るＯＰＳ９０の構成を示す。ＯＰＳ９０は、ビームスプリッタ９１と、第１〜第４の凹面ミラー９２ａ〜９２ｄと、第１のレンズ９３と、第２のレンズ９４と、を含む。ビームスプリッタ９１は、比較例のビームスプリッタ１１と同一の構成である。第１〜第４の凹面ミラー９２ａ〜９２ｄは、比較例の第１〜第４の凹面ミラー１２ａ〜１２ｄと同一の構成であり、かつ同一の位置に配置されている。すなわち、ＯＰＳ９０は、ＬOPS＝８Ｆの関係を有する。
【００８５】
第１及び第２のレンズ９３，９４は、合成石英又はフッ化カルシウム（ＣａＦ2）により形成されている。第１のレンズ９３は、第２の凹面ミラー９２ｂと第３の凹面ミラー９２ｃとの間の光路上に配置されている。第１のレンズ９３は、凹面レンズであり、入射した光の発散角を変更して射出する。第１のレンズ９３により、遅延光学系が非コリメート光学系となるように設定される。
【００８６】
第２のレンズ９４は、ビームスプリッタ９１に入射するパルスレーザ光ＰＬの光路上に配置されている。第２のレンズ９４は、凹面レンズであり、第１のレンズ９３により変更される発散角を補正するために設けられている。なお、第２のレンズ９４は、必須の構成要素ではなく、省略してもよい。
【００８７】
第１〜第４の凹面ミラー９２ａ〜９２ｄ及び第１のレンズ９３により構成される遅延光学系は、非コリメート光学系であるので、遅延光路を周回した周回光は、非コリメート光となる。ＯＰＳ９０から出力される複数のパルス光ＰＳnは、遅延光路の周回数ｎに応じて、発散角θnが変化するとともに、ビームウェスト位置ｗnがＺ方向に移動する。なお、複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、ほぼ同一である。
【００８８】
第１のレンズ９３は、第２の凹面ミラー９２ｂと第３の凹面ミラー９２ｃとの間の光路上に限られず、第４の凹面ミラー９２ｄとビームスプリッタ９１との間の光路上や、ビームスプリッタ９１と第１の凹面ミラー９２ａとの間の光路上に配置してもよい。
【００８９】
第１及び第２のレンズ９３，９４は、凹面レンズに限られず、その他の光学素子により構成してもよい。例えば、第１及び第２のレンズ９３，９４は、それぞれシリンドリカルレンズであってもよい。さらに、第１及び第２のレンズ９３，９４は、それぞれ、湾曲方向が互い直交する２つのシリンドリカルレンズを組み合わせたものであってもよい。
【００９０】
３．第２の実施形態
次に、本開示の第２の実施形態に係るレーザシステムについて説明する。第２の実施形態に係るレーザシステムは、ＯＰＳの構成が異なること以外は、図６に示した第１の実施形態に係るレーザシステム５０の構成と同一である。第１の実施形態では、ＯＰＳを複数の凹面ミラーを含む構成としているが、第２の実施形態では、ＯＰＳを、集光レンズを含む構成とする。
【００９１】
図１５は、第２の実施形態に係るレーザシステムに用いられるＯＰＳ１００の構成を示す。ＯＰＳ１００は、ビームスプリッタ１０１と、第１〜第４の高反射ミラー１０２ａ〜１０２ｄと、第１〜第５の集光レンズ１０３〜１０７と、を含む。ビームスプリッタ１０１は、第１の実施形態のビームスプリッタ６１と同一の構成である。第１〜第５の集光レンズ１０３〜１０７は、それぞれ凸レンズである。
【００９２】
第１及び第２の集光レンズ１０３，１０４は、０周回光ＰＳ0の発散角θ0を調整するための第１のレンズ群である。第１の集光レンズ１０３は、固体レーザ装置３から入射したパルスレーザ光ＰＬが、ビームスプリッタ１０１に入射するまでの光路上に配置されている。第２の集光レンズ１０４は、パルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１０１を透過した光の光路上に配置されている。
【００９３】
第２の集光レンズ１０４は、一軸ステージ１０４ａに保持されている。一軸ステージ１０４ａは、第２の集光レンズ１０４を光路軸方向であるＺ方向に移動させることを可能とする。第２の集光レンズ１０４の光路軸方向に関する位置を調整することにより、０周回光ＰＳ0の発散角θ0を調整することができる。
【００９４】
図１６Ａは、第１及び第２の集光レンズ１０３，１０４の位置関係を示している。Ｐ１は、第１の集光レンズ１０３の位置を表している。Ｐ２は、第２の集光レンズ１０４の位置を表している。Ｐ０は、ビームスプリッタ１０１の位置を表している。第１の集光レンズ１０３の焦点距離をＦ1、第２の集光レンズ１０４の焦点距離をＦ2とする。位置Ｐ２は、位置Ｐ１と位置Ｐ２との間の光路長が「Ｆ1＋Ｆ2」となるように設定されている。すなわち、第１のレンズ群は、コリメート光学系である。なお、位置Ｐ２を、コリメート条件を満たす位置からずらすことにより、第１のレンズ群を非コリメート光学系としてもよい。
【００９５】
図１５において、第１〜第４の高反射ミラー１０２ａ〜１０２ｄと、第３〜第５の集光レンズ１０５〜１０７を含む第２のレンズ群とは、遅延光路を構成している。第１〜第４の高反射ミラー１０２ａ〜１０２ｄは、表面に高反射膜が形成された平面ミラーである。第１〜第４の高反射ミラー１０２ａ〜１０２ｄの基板は、合成石英又はフッ化カルシウム（ＣａＦ2）により形成されている。高反射膜は、誘電体多層膜、例えば、フッ化物を含む膜である。
【００９６】
第１〜第４の高反射ミラー１０２ａ〜１０２ｄは、パルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１０１により反射された光を、順に高反射して、再びビームスプリッタ６１に入射させるように配置されている。第３及び第４の集光レンズ１０５，１０６は、ビームスプリッタ１０１と第１の高反射ミラー１０２ａとの間に配置されている。第５の集光レンズ１０７は、第２の高反射ミラー１０２ｂと第３の高反射ミラー１０２ｃとの間に配置されている。
【００９７】
第４の集光レンズ１０６は、一軸ステージ１０６ａに保持されている。一軸ステージ１０４ａは、第４の集光レンズ１０６を光路軸方向であるＶ方向に移動させることを可能とする。第４の集光レンズ１０６の光路軸方向に関する位置を調整することにより、ｎ周回光ＰＳn（ｎ≧１）の発散角θnを調整することができる。
【００９８】
図１６Ｂ及び図１７は、第１〜第５の集光レンズ１０３〜１０７の位置関係を示している。Ｐ３は、第３の集光レンズ１０５の位置を表している。Ｐ４は、第４の集光レンズ１０６の位置を表している。Ｐ５は、第５の集光レンズ１０７の位置を表している。第３の集光レンズ１０５の焦点距離をＦ3、第４の集光レンズ１０６の焦点距離をＦ4、第５の集光レンズ１０７の焦点距離をＦ5とする。位置Ｐ３は、位置Ｐ１と位置Ｐ３との間の光路長が「Ｆ1＋Ｆ3」となるように設定されている。
【００９９】
また、Ｐ４’は、遅延光路がコリメート条件を満たす場合の第４の集光レンズ１０６の位置を表している。位置Ｐ５は、位置Ｐ４’と位置Ｐ５との間の光路長が「Ｆ4＋２Ｆ5」となり、位置Ｐ２と位置Ｐ５との間の光路長が「Ｆ2＋２Ｆ5」となり、位置Ｐ３と位置Ｐ５との間の光路長が「Ｆ3＋２Ｆ5」となるように設定されている。第４の集光レンズ１０６は、遅延光学系が非コリメート光学系となるように、すなわち、位置Ｐ４が位置Ｐ４’からずれた位置となるように、一軸ステージ１０６ａによって光路軸方向に位置調整されている。
【０１００】
また、ビームスプリッタ１０１と、第１〜第４の高反射ミラー１０２ａ〜１０２ｄと、第１〜第５の集光レンズ１０３〜１０７とは、ＯＰＳ１００から出力される０周回光ＰＳ0の光路軸と１周回光ＰＳ1の光路軸とが一致するように配置されている。すなわち、第２の実施形態では、ＯＰＳ１００から出力される複数のパルス光ＰＳnの光路軸は、全て一致する。
【０１０１】
また、図１６Ｂ及び図１７において、ＬOPSは、遅延光路の光路長を表している。光路長ＬOPSは、前述の式２の関係を満たしている。また、ＯＰＳ１００により生成される伸長パルスレーザ光ＰＴのパルス幅ΔＤＴは、前述の式３の関係を満たしている。
【０１０２】
３．２  動作
次に、第２の実施形態に係るレーザシステムの動作について説明する。まず、固体レーザ装置３から出力されたパルスレーザ光ＰＬは、第１の集光レンズ１０３を介してビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち一部は、ビームスプリッタ１０１を透過し、第２の集光レンズ１０４に入射する。第２の集光レンズ１０４から出射される光は、０周回光ＰＳ0としてＯＰＳ１００から出力される。図１６Ａに示すように、０周回光ＰＳ0は、コリメート光である。
【０１０３】
ビームスプリッタ１０１に入射したパルスレーザ光ＰＬのうち、ビームスプリッタ１０１により反射された反射光は、遅延光路に進入する。遅延光路に進入した反射光は、第３の集光レンズ１０５、第４の集光レンズ１０６、第１の高反射ミラー１０２ａ、第２の高反射ミラー１０２ｂ、第５の集光レンズ１０７、第３の高反射ミラー１０２ｃ、第４の高反射ミラー１０２ｄを経由して、再びビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１０１により反射され第２の集光レンズ１０４に入射する。第２の集光レンズ１０４から出射される光は、１周回光ＰＳ1としてＯＰＳ１００から出力される。図１６Ｂに示すように、１周回光ＰＳ1は、非コリメート光であり、ＯＰＳ１００から遠くに収束する。すなわち、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1は、ＯＰＳ１００から遠くに位置する。
【０１０４】
ビームスプリッタ１０１に入射した光のうち、ビームスプリッタ１０１を透過した透過光は、再び遅延光路に進入し、遅延光路をさらに１回周回して再びビームスプリッタ１０１に入射する。ビームスプリッタ１０１に入射した光の一部は、ビームスプリッタ１０１により反射され、第２の集光レンズ１０４を介して、２周回光ＰＳ2としてＯＰＳ１００から出力される。図１７は、ＯＰＳ１００から出力される２周回光ＰＳ2を示す。２周回光ＰＳ2のビームウェスト位置ｗ2は、１周回光ＰＳ1のビームウェスト位置ｗ1よりもＯＰＳ１００側に近づく。
【０１０５】
この後、光の遅延光路の周回が繰り返されることにより、ＯＰＳ１００からは、３周回光ＰＳ3、４周回光ＰＳ4、・・・と、順にパルス光が出力される。遅延光路の周回数ｎが多くなるほど、ＯＰＳ１００からの出力光のビームウェスト位置ｗnは、ＯＰＳ１００側に近づく。以下の動作は、第１の実施形態に係るレーザシステム５０の動作と同様であるので、説明は省略する。
【０１０６】
３．３  効果
第２の実施形態に係るレーザシステムは、第１の実施形態と同様に、出力光の可干渉性を低下させるとともに、ＡＳＥ光の発生を抑制することができる。また、第２の実施形態に係るレーザシステムでは、第２の集光レンズ１０４及び第４の集光レンズ１０６の位置を調整することにより、ｎ周回光ＰＳnの発散角θn及びビームウェスト位置ｗnを調整することができる。
【０１０７】
なお、第２の実施形態では、０周回光ＰＳ0の発散角θ0を調整するために第１のレンズ群を設けているが、第１のレンズ群は、必須の構成要素ではない。遅延光学系を構成する複数の高反射ミラーや集光レンズの配置は、適宜変更可能である。
【０１０８】
４．増幅器の後段にＯＰＳを配置する例
第１及び第２の実施形態に係るレーザシステムでは、固体レーザ装置３と増幅器３０との間にＯＰＳを配置しているが、さらに増幅器３０の後段にＯＰＳを配置してもよい。なお、固体レーザ装置３と増幅器３０との間に配置されたＯＰＳが、第１の光学パルスストレッチャに対応する。増幅器の後段に配置されたＯＰＳが、第２の光学パルスストレッチャに対応する。
【０１０９】
図１８は、増幅器３０と、増幅器３０の後段に配置されたＯＰＳ２００とを示す斜視図である。ＯＰＳ２００は、ビームスプリッタ２０１と、第１〜第４の凹面ミラー２０２ａ〜２０２ｄと、を含む。ＯＰＳ２００は、図４に示したＯＰＳ４０と同様の構成である。第１〜第４の凹面ミラー２０２ａ〜２０２ｄは、全て同じ曲率半径の鏡面を有する。第１〜第４の凹面ミラー２０２ａ〜２０２ｄにより構成される遅延光路の光路長は、焦点距離の８倍である。第４の凹面ミラー２０２ｄは、コリメート条件を満たす位置に対して、Ｚ方向を回転軸として僅かに回転させた位置に配置されている。
【０１１０】
増幅器３０から出力された出力光ＰＡは、ＯＰＳ２００によりＨ方向に空間的に分解される。ＯＰＳ２００から出力される複数のＰＡn（ｎ＝０，１，２，・・・）は、ＯＰＳ２０内の遅延光路の周回数ｎに応じて、出射角がＨ方向に変化する。この結果、レーザシステムからの出力光の可干渉性がさらに低下する。
【０１１１】
なお、第４の凹面ミラー２０２ｄは、レーザシステムからの出力光が、露光装置の光学系に影響のない範囲で回転させることが好ましい。また、ＯＰＳ２００に代えて、前述のＯＰＳ４０，６０，８０，９０，１００のうちのいずれかを適用してもよい。さらに、増幅器３０の後段に、複数のＯＰＳを配置してもよい。例えば、増幅器３０の後段に配置したＯＰＳ２００の後段にＯＰＳ４０を配置し、増幅器３０からの出力光ＰＡを、Ｈ方向及びＶ方向に分解してもよい。
【０１１２】
５．増幅器の変形例
第１及び第２の実施形態に係るレーザシステムでは、図６に示される増幅器３０を適用しているが、増幅器は、様々な構成を取り得る。
【０１１３】
５．１  第１の変形例
図１９は、第１の変形例に係る増幅器３００の構成を示す。増幅器３００は、図６に示される増幅器３０の構成におけるリアミラー３３と出力結合ミラー３４とに代えて、凹面ミラー３１０と凸面ミラー３２０とを備えている。凹面ミラー３１０と凸面ミラー３２０とは、伸長パルスレーザ光ＰＴが一対の放電電極３２ａ及び３２ｂ間の放電空間３５を３回通過して、ビームが拡大されるように配置されている。増幅器３００のその他の構成は、増幅器３０と同様である。増幅器３００は、マルチパス増幅器と称される。
【０１１４】
このように、増幅器３００を適用する場合には、前述のビームエキスパンダ２０を省略することが可能である。
【０１１５】
５．２  第２の変形例
図２０は、第２の変形例に係る増幅器４００の構成を示す。図２０において、増幅器４００は、レーザチャンバ３１と、出力結合ミラー４１０と、高反射ミラー４２０〜４２２とを含む。高反射ミラー４２０〜４２２は、平面ミラーである。さらに、増幅器４００は、伸長パルスレーザ光ＰＴを高反射ミラー４２０に導くための高反射ミラーを含んでもよい。
【０１１６】
出力結合ミラー４１０と高反射ミラー４２０〜４２２とは、リング共振器を構成している。増幅器４００では、伸長パルスレーザ光ＰＴは、出力結合ミラー４１０、高反射ミラー４２０、放電空間３５、高反射ミラー４２１、高反射ミラー４２２、放電空間３５の順に繰り返し進行して、増幅される。
【０１１７】
なお、高反射ミラー４２０〜４２２を凹面ミラーとし、共振器への入射光が共振器内を周回するたびに発散角が変化するように構成してもよい。この場合、出力結合ミラー４１０からの出力光は、共振器内の周回数に応じて、ビームウェスト位置が光路軸方向に変化する。このように、増幅器４００に、出力光の可干渉性を低下させる機能を持たせることが可能である。
【０１１８】
なお、上記各実施形態に係るレーザシステムでは、マスターオシレータとしての固体レーザ装置３を用いているが、マスターオシレータは、固体レーザ装置に限られず、エキシマレーザ装置等、その他のレーザ装置であってもよい。
【０１１９】
上記の説明は、制限ではなく単なる例示を意図したものである。従って、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく本開示の各実施形態に変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。
【０１２０】
本明細書及び添付の特許請求の範囲全体で使用される用語は、「限定的でない」用語と解釈されるべきである。例えば、「含む」又は「含まれる」という用語は、「含まれるものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。「有する」という用語は、「有するものとして記載されたものに限定されない」と解釈されるべきである。また、本明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される修飾句「１つの」は、「少なくとも１つ」又は「１又はそれ以上」を意味すると解釈されるべきである。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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