(57)【要約】【課題】  レーザ装置の全長に対して光学的パルス幅伸長器が占める割合を小さくするとともに、熱変形によりアライメントずれの発生を小さくし、また反射損失の影響を小さくすること。【解決手段】  入射光はビームスプリッタ１１で分割され、入射した光軸と直交方向に折り返され、全反射ミラー１２ａ→レンズ１３→全反射ミラー１２ｂ→全反射ミラー１２ｃ→レンズ１３→全反射ミラー１２ｄの経路でビームスプリッタ１１に入射し、ビームスプリッタ１１で合成されビームスプリッタ１１から出射する。上記のように、入射光の光路に直交する面内に遅延光学系を構成する光学素子を配置しているので、入出射光の光路に沿った方向の長さを最小にできる。 また、上記全反射ミラーに変え、プリズムを用いることで、反射損失を低減することができ、また、プリズム相互の位置合わせ（アライメント）が容易となる。【選択図】          図３
2005148550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射したレーザ光を複数に分割する分割光学素子と、
分割された各レーザ光が進行する複数の光路間に互いに光路差が生じるように、上記レーザ光の入射方向と異なる方向に分割光が進行する各光路にそれぞれ設けられた遅延光学系と、
上記複数の光路を通過した各レーザ光が再び同一の光路を進行するように、上記分割された各レーザ光を合成する合成光学系とからなり、合成された各レーザ光のレーザパルス幅が合成される前の入射レーザ光のレーザパルス幅より長くなるように上記光路差が設定されている光学的パルス伸長器であって、
上記遅延光学系により形成される光路は同一の面上にあり、該面は、上記入射光の光路と交わっている、
ことを特徴とする光学的パルス伸長器。
【請求項２】
上記遅延光学系により形成される光路を規定する光学素子がプリズムである
ことを特徴とする請求項１記載の光学的パルス伸長器。
【請求項３】
上記遅延光学系により形成される光路中に結像レンズを有し、
上記結像レンズは、遅延光学系により形成される光路が交差する点に、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学的パルス伸長器。
【請求項４】
上記遅延光学系が形成する光路を規定する光学素子が平凸レンズの平面部に全反射コーティングを施した結像系光学素子であり、
上記結像系光学素子は、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の光学的パルス伸長器。
【請求項５】
入射したレーザ光を複数に分割する分割光学素子と、
分割された各レーザ光が進行する複数の光路間に互いに光路差が生じるように、上記レーザ光の入射方向と異なる方向に分割光が進行する各光路にそれぞれ設けられた遅延光学系と、
上記複数の光路を通過した各レーザ光が再び同一の光路を進行するように、上記分割された各レーザ光を合成する合成光学系とからなり、合成された各レーザ光のレーザパルス幅が合成される前の入射レーザ光のレーザパルス幅より長くなるように上記光路差が設定されている光学的パルス伸長器であって、
上記遅延光学系により形成される光路は、直方体の面上にあり、該直方体の面は、レーザ光の入射光の光路と交わっている
ことを特徴とする光学的パルス伸長器。
【請求項６】
上記遅延光学系により形成される光路中に２個の結像レンズを有し、
上記結像レンズは、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置されている
ことを特徴とする請求項５記載の光学的パルス伸長器。
【請求項７】
上記遅延光学系により形成される光路中に４個の結像レンズを有し、
上記結像レンズは、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置されている
ことを特徴とする請求項５記載の光学的パルス伸長器。
【請求項８】
上記分割光学素子と合成光学系が同一の光学素子である
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６または請求項７の光学的パルス伸長器。
【請求項９】
レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置された一対の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置と、レーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュールを有するレーザ共振器とを含み、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置に搭載される磁気パルス圧縮回路の出力端に接続された露光用放電励起ガスレーザ装置において、
上記露光用放電励起ガスレーザ装置は、上記レーザ共振器から放出されるレーザ光のレーザパルス幅を伸長するための上記請求項１，２，３，４，５，６，７または請求項８に記載の光学的パルス伸長器を備えている
ことを特徴とする露光用放電励起ガスレーザ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学的パルス伸長器は、多段に設置可能に構成されている
ことを特徴とする露光用放電励起ガスレーザ装置。
【請求項１１】
上記露光用放電励起ガスレーザ装置は、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置のいずれかである
ことを特徴とする請求項９または請求項１０記載の露光用放電励起ガスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的パルス伸長器および露光用放電励起ガスレーザ装置に関し、更に詳細には、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、放出されるレーザ光のパルス幅を伸長する光学的パルス幅伸長器および該光学的パルス幅伸長器を有する露光用の狭帯域放電励起ガスレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化、高集積化につれて、その製造用の露光装置においては解像力の向上が要請されている。このため、露光用光源から放出される露光光の短波長化が進められている。従来、半導体露光用光源として、波長２４８ｎｍの紫外線を放出するＫｒＦエキシマレーザ装置が用いられている。また、現在、より短波長の露光用光源として、波長１９３ｎｍの紫外線を放出するＡｒＦエキシマレーザ装置が実用段階に到達しつつある。さらには、次世代を担う半導体露光用光源として、波長１５７ｎｍの紫外線を放出するフッ素分子（Ｆ2 ）レーザ装置の採用が有力視されている。
上記露光用エキシマレーザ装置（以下では、これらを放電励起ガスレーザ装置という）は、現在までに種々提案されており、スペクトル幅を狭帯域化するための狭帯域化モジュールを備えたレーザ装置は、例えば特許文献１、特許文献２等に開示されている。
なお、近年、露光用エキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ）、フッ素分子レーザにおいては、露光装置のスループット向上および均一な超微細加工実現のため、レーザ出力のさらなる高出力化ならびにレーザビームのスペクトル線幅の狭帯域化が要請されている。そのため、２台のレーザを用いた２ステージレーザ装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
狭帯域発振エキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置等の狭帯域レーザ装置においては、露光器のビーム伝播系の光学素子劣化の観点から、レーザ発振パルス時間波形のピーク値が所定の値より小さいことが要求されている。パルス時間波形のピーク値を小さくするためには、パルス光の時間幅（以下、パルス幅と呼ぶ）を伸張させる必要がある。
パルス幅を伸長させるためには、例えば特許文献１に記載されているように、極性が反転する１パルスの放電振動電流波形の始めの半周期と、それに続く少なくとも１つの半周期によってレーザ発振動作を行わせるようにレーザ装置の電源回路を構成することが提案されている。
上記のように電源回路を構成するには、電流のピーク値が大きくなるように回路定数を定めたり、主放電電極間を流れる振動電流の最初の１／２周期以降の周期を短くする必要がある等、電源回路の設計が難しくなり構成も複雑になる。
そこで、レーザ装置から放出されるレーザ光の一部をビームスプリッタ等で分岐し、分岐された光を全反射ミラーなどを用いて折り返すことで時間遅延させ、再度元レーザ光と合成させる光学的パルス幅伸長器が提案されている（例えば、特許文献４、特許文献５等参照）。
【特許文献１】特開２００２−１５１７６８号公報
【特許文献２】特開２００２−１５１７７６号公報
【特許文献３】特開２００３−１９８０２０号公報
【特許文献４】特開平９−２８８２５１号公報
【特許文献５】米国特許第６，５３５，５３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記した従来の光学的パルス幅伸長器には、以下に示すような問題点がある。
（１）装置の大型化およびアライメント安定性の問題。
上記特許文献１，２に記載の光学的パルス幅伸長器においては、入射光軸を含む面内に遅延回路が構成されていた。 この場合、光軸に沿った方向に複数の光学部品が配置されることとなり、レーザ装置の全長に対して光学的パルス幅伸長器［以下、ＯＰＳ（オプティカル・パルス・ストレッチユニット）とも言う］が占める割合が大きくなった。 このため、レーザ装置自体が大型化するという問題があった。
また、長い遅延回路を構成する必要がある場合、上記のように遅延回路を面状に構成すると、遅延回路が、大きな面積を占めることになる。
遅延回路が占める面積が大きくなると装置内の温度分布のばらつきが大きくなり、筐体やミラーホルダの熱変形によりミラー等の位置ずれ（アライメントずれ）が生じる。このため、出射光の位置、角度が入射光に対してずれるといった問題が生ずる。
また、各ミラー間の距離が伸びると各ミラーの設置角度誤差許容値が厳しくなり、各ミラーの位置合わせ作業（アライメント作業）が難しくなる。
【０００５】
（２）全反射ミラーによる反射損失の問題。
上記特許文献１，２に記載の光学的パルス幅伸長器においては、遅延光路の折り返しのために全反射ミラーを使用している。そのため、全反射ミラーにおける反射損失（透過光、吸収、散乱光）により、ＯＰＳに入射した光エネルギをすべて出力することが難しいという問題点があった。
特に、光路長が伸びるに従い折り返し回数を増加させると、使用する全反射ミラー枚数が増加する。そのため、反射損失の影響が増大する。例えば１枚あたりの反射率が９７％の場合でも４回の反射では合計（０．９７）4 ＝８８．５％、また、８回の反射の場合は７８．４％となる。
一方、全反射ミラーに代えて、凹面鏡を使用したタイプのＯＰＳも提案されているが（例えば前記特許文献５参照）、凹面鏡の入射軸と出射軸が同一でないと非点収差が発生し、ＯＰＳ入射時のビームプロファイルが出射時に変形してしまうという問題点があった。  本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の第１の目的は、レーザ装置の全長に対して光学的パルス幅伸長器が占める割合を小さくすることにより、レーザ装置の小型化を図ることである。
本発明の第２の目的は、遅延回路が占める面積を小さくし、レーザ装置自体の小型化を図るとともに、ミラー等の位置合わせ作業を容易し、また筐体やミラーホルダの熱変形によりアライメントずれの発生を極力小さくすることである。
本発明の第３の目的は、ミラーによる反射損失の影響を小さくするとともに、凹面鏡による非点収差の影響によるビームプロファイルの劣化を小さくすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明においては、上記課題を次のようにして解決する。
（１）入射したレーザ光を複数に分割する分割光学素子と、分割された各レーザ光が進行する複数の光路間に互いに光路差が生じるように、上記レーザ光の入射方向と異なる方向に分割光が進行する各光路にそれぞれ設けられた遅延光学系と、上記複数の光路を通過した各レーザ光が再び同一の光路を進行するように、上記分割された各レーザ光を合成する合成光学系とからなり、合成された各レーザ光のレーザパルス幅が合成される前の入射レーザ光のレーザパルス幅より長くなるように上記光路差が設定されている光学的パルス伸長器において、上記遅延光学系により形成される光路が同一の面上にあり、該面が上記入射光の光路と交わるように構成する。
（２）上記（１）において、上記遅延光学系により形成される光路を規定する光学素子としてプリズムを用いる。
（３）上記（１）（２）において、上記遅延光学系により形成される光路中に結像レンズを設け、該結像レンズを、遅延光学系により形成される光路が交差する点に、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置する。
（４）上記（１）において、上記遅延光学系が形成する光路を規定する光学素子として、平凸レンズの平面部に全反射コーティングを施した結像系光学素子を用い、該結像系光学素子を、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置する。
（５）入射したレーザ光を複数に分割する分割光学素子と、分割された各レーザ光が進行する複数の光路間に互いに光路差が生じるように、上記レーザ光の入射方向と異なる方向に分割光が進行する各光路にそれぞれ設けられた遅延光学系と、上記複数の光路を通過した各レーザ光が再び同一の光路を進行するように、上記分割された各レーザ光を合成する合成光学系とからなり、合成された各レーザ光のレーザパルス幅が合成される前の入射レーザ光のレーザパルス幅より長くなるように上記光路差が設定されている光学的パルス伸長器において、上記遅延光学系により形成される光路が、直方体の面上にあり、該直方体の面が、レーザ光の入射光の光路と交わるように構成する。
（６）上記（５）において、上記遅延光学系により形成される光路中に２個の結像レンズを設け、該結像レンズを、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置する。
（７）上記（５）において、上記遅延光学系により形成される光路中に４個の結像レンズを設け、該結像レンズを、上記分割光学素子におけるレーザ光の像を上記合成光学系に転写するように配置する。
（８）上記（１）（２）（３）（４）（５）（６）（７）において、上記分割光学素子と合成光学系を同一の光学素子とする。
（９）レーザガスが封入されたレーザチャンバと、このレーザチャンバ内に配置された一対の放電電極と、その一対の放電電極と並列に接続されたピーキングコンデンサと、前記レーザチャンバ内で高電圧パルス放電を発生させて前記レーザガスを励起してレーザ光を放出させるための高電圧パルス発生装置と、レーザ光を狭帯域化する狭帯域化モジュールを有するレーザ共振器とを含み、前記一対の放電電極が前記高電圧パルス発生装置に搭載される磁気パルス圧縮回路の出力端に接続された露光用放電励起ガスレーザ装置において、上記露光用放電励起ガスレーザ装置に、上記レーザ共振器から放出されるレーザ光のレーザパルス幅を伸長するための上記（１）（２）（３）（４）（５）（６）（７）（８）の光学的パルス伸長器を設ける。
（１０）上記（９）の光学的パルス伸長器を、多段に設置可能に構成する。
（１１）上記（９）（１０）の露光用放電励起ガスレーザ装置を、ＫｒＦエキシマレーザ装置、ＡｒＦエキシマレーザ装置、フッ素分子レーザ装置のいずれかとする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明においては以下の効果を得ることができる。
（１）入射したレーザ光を複数に分割する分割光学素子と、分割された各レーザ光が進行する複数の光路間に互いに光路差が生じるように、上記レーザ光の入射方向と異なる方向に分割光が進行する各光路にそれぞれ設けられた遅延光学系と、上記複数の光路を通過した各レーザ光が再び同一の光路を進行するように、上記分割された各レーザ光を合成する合成光学系とを備えた光学的パルス幅伸長器において、上記遅延光学系により形成される光路が同一の面上にあり、該面が上記入射光の光路と交わるように構成したので、レーザ装置の全長に対して光学的パルス幅伸長器が占める割合を小さくすることができ、レーザ装置の小型化が可能となる。
（２）上記遅延光学系の光学素子として、三角プリズムあるいはコーナーキューブプリズムを用いれば、反射損失を低減することができ、また、プリズム設置角に対して反射光の出射角の変化を小さくすることができ。このため、プリズム相互の位置合わせが容易となり、また、熱によりプリズムの設置角度が多少ずれても、光路をほぼ同一に維持することができる。
（３）上記遅延光学系の光路を８の字状とし、引き回す光路を左右対称に構成し、８の字の交差する位置にリレーレンズ１３を配置することで、リレーレンズの数を削減することができる。
（４）上記遅延光学系の光学素子として、平凸レンズを有するミラーを用いることで、収差の少ない結像系を構成することができ、ビームプロファイルの変形が少ない光学的パルス幅伸長器を構成することができる。
（５）上記遅延光学系により形成される光路が、直方体の面上にあるようにし、該直方体へのレーザ光の入射面が、レーザ光の入射光の光路と交わるように構成すれば、更に遅延光学系の光路を長くしても、光学的パルス幅伸長器が占める体積を小さくすることができ、レーザ装置の小型化を図ることができる。
また、上記遅延光学系の光路中にリレーレンズを２箇所設けることで、ビームプロファイルの均一化を図ることができる。さらに、上記遅延光学系の光路中にリレーレンズを４箇所設けることで、遅延光学系に設けられた光学素子の位置ずれの影響を小さくし、アライメントずれの影響を低減化することができる。
（６）上記光学的パルス伸長器を多段に接続可能な構造とすることにより、必要に応じて光学的パルス伸長器を多段接続することができ、パルス幅をさらに伸ばすことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
まず、本発明の前提となる狭帯域モジュールを備えた露光用放電励起ガスレーザ装置（以下では露光用狭帯域レーザ装置ともいう）の構成例について説明する。
図１に一個以上の拡大プリズム（ｐｒｉｓｍ）とグレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ：回折格子) を用いた露光用狭帯域レーザ装置の構成例を示す。なお、図１は装置を上方から見た場合の概要図である。
レーザチェンバ１０１内にはレーザ励起媒質ガス（以下レーザガスと称する）が充填されている。高電圧パルス発生装置１０２からレーザチェンバ１０１内に所定距離だけ離間して対向配置された一対の電極Ｅ（図１では一方の電極のみが示されている）に高電圧パルスが印加され、電極Ｅ間に放電が発生し、この放電部におけるレーザガスが励起される。
なお、図示を省略したが、レーザチェンバ１０１の外部にピーキングコンデンンサが設けられている。上記ピーキングコンデンサは一対の電極Ｅに並列に接続されている。高電圧パルス発生装置１０２からの高電圧パルスは、ピーキングコンデンサを介して電極Ｅに印加される。
励起されたレーザガスよりレーザビームとなる種光が発生する。レーザチェンバ１０１内には、更に、ファン１０３とラジエター（図示されていない）が設置されている。レーザガスはこのファン１０３によってレーザチェンバ１０１内で循環し、放電により高温になったレーザガスはラジエターと熱交換されて冷却される。レーザチェンバ１０１には図１のように、ウインドウ部にウィンドウ部材１０４がハの字ブリュ−スタ角度でまたは平行ブリュ−スター角度で設置されている。なお、電極Ｅは、紙面垂直方向に所定距離だけ離間してアノード電極とカソード電極とが配置されている。
【０００９】
レーザ共振器は、後述する狭帯域化モジュール１０５に搭載されたグレーティング（回折格子) １０５ａと出力ミラー１０６とにより構成される。上記したレーザビームとなる種光は狭帯域化モジュール１０５に設置されているグレーティング（回折格子) １０５ａ及び拡大プリズム１０５ｂ、放電部と出力ミラー１０６の間を往復し出力ミラー１０６からレーザビームとして取り出される。出力ミラー１０６から出射されてレーザビームの一部はビームスプリッタ１０９により波長モニタ１０７へ導入され、波長モニタ１０７で出力、中心波長等が計測される。
狭帯域化は、レーザ共振器内に分光機能を有する光学的狭帯域化モジュール１０５を配置することにより成される。例えば、狭帯域化モジュール１０５はケーシングとケーシング内に設置されたグレーティング（回折格子) １０５ａ及び１つ以上の拡大プリズム１０５ｂから構成され、回折格子による波長選択によりスペクトルの狭帯域化が実現する。
またグレーティング（回折格子) １０５ａ、拡大プリズム１０５ｂの何れか１つの回転によって発振中心波長を変化させることが可能である。なお、レーザチェンバ１０１とグレーティング１０５ａ間の任意の位置に高反射ミラーを設置し、この高反射ミラーを回転させて回折格子への光の入射角度を変えることによって発振中心波長を変化させることも可能である。
波長モニター１０７からの中心波長信号を元にコントローラ１０８は、上記したように、狭帯域化モジュール１０５内のグレーティング（回折格子) １０５ａ、拡大プリズム１０５ｂまたは図示されていないが、レーザチェンバ１０１とグレーティング１０５ａ間の任意の位置に設置されて高反射ミラー何れか１つの回転させて波長制御を行う。
【００１０】
なお、近年、前記したように露光用エキシマレーザ（ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ）、フッ素分子レーザにおいては、露光装置のスループット向上および均一な超微細加工実現のため、２台のレーザを用いた２ステージレーザ装置が提案されている（例えば前記特許文献３参照）。
上記２ステージレーザ装置においては、１台目の発振段レーザは低パルスエネルギーながら狭帯域化スペクトルをもつ。また、２台目の増幅装置において、発振段レーザの超狭帯域化スペクトルを維持したままパルスエネルギーのみ増幅する。
この方法は２台目の増幅装置に狭帯域化モジュール（ＬＮＭ）などによる光学的ロスを含まないため、非常にレーザ発振効率が高い。よって、この２ステージレーザシステムにより所望の狭帯域化スペクトル、出力を得ることが可能となる。
上記した２ステージレーザシステムの形態としては増幅装置としては、レーザチャンバを有し、共振器ミラーを設けない増幅器を用いるＭＯＰＡ方式と、レーザチャンバとレーザ共振器をミラーを設けた増幅段レーザを用いるＭＯＰＯ方式とに大別される。
本発明の光学的パルス幅伸長器（ＯＰＳ）は、上記図１に示したレーザ装置が１台の場合は、図２に示すようにレーザ装置１００から放出されるレーザ光の出力側に配置される。また、上記２ステージレーザ装置の場合は、増幅装置から放出されるレーザ光の出力側に配置される。
【００１１】
以下、実施例により、本発明の光学的パルス幅伸長器について説明する。
図３は、本発明の第１の実施例の光学的パルス幅伸長器（以下ＯＰＳという）の構成を示す図であり、図３（ａ）は本実施例のＯＰＳの斜視図、同図（ｂ）はその光路を模式的に示した図である。同図（ｃ）は光路の説明図である。
図３（ａ）（ｂ）において、１１はビームスプリッタ、１２ａ〜１２ｄは全反射ミラー、１３はリレーレンズであり、これらで、遅延光学系を構成する。入射光は図３（ｂ）に模式的に示すように、ビームスプリッタ１１で分割されて、入射した光軸と直交方向に折り返され、全反射ミラー１２ａ→レンズ１３→全反射ミラー１２ｂ→全反射ミラー１２ｃ→レンズ１３→全反射ミラー１２ｄの経路でビームスプリッタ１１に入射し、ビームスプリッタ１１で入射光と同一方向に折り返され、ビームスプリッタ１１で合成されビームスプリッタ１１から出射する。
図３（ｃ）に示すように、上記遅延光学系により形成される光路は、平面Ａ上にあり、入射光、出射光の光路Ｂ，Ｃは、該平面に垂直である。また、全反射ミラー１２ａおよび全反射ミラー１２ｃで反射した光はリレーレンズ１３が設けられた位置で交差するように配置される。
【００１２】
本実施例では上記のように、ビームスプリッタ１１で分割した光を全反射ミラー１２ａ〜１２ｄで折り返す際に、入射した光軸と直交方向に折り返し, 入射光軸に直交した面内に８の字に光路を引き回すことで遅延光学系を構成している。
上記のように、本実施例においては入射光の光路に直交する面内に遅延光学系を構成する光学素子を配置している。このため、入出射光の光路に沿った方向のＯＰＳの占める長さを最小にできる。 
さらに、図３に示したように８の字に引き回す光路を左右対称に構成し、８の字の交差する位置にリレーレンズ１３を配置することで、従来２個のレンズの対で構成されるリレーレンズを１つのレンズ１３で共用することができる。
このときのリレーレンズの焦点距離は全光路長の１／４である。レンズ数を減らすことでサイズの縮小、部品点数の削減を図ることができる。 
【００１３】
図４は本発明の第２の実施例を示す図である。本実施例は、前記図３に示した構成のＯＰＳにおいて、全反射ミラー１２ａ〜１２ｄに代えて、頂角が９０°より大きい例えば頂角が９１°のプリズム２２ａ〜２２ｄを用いたものである。なお、図４は、光路を模式的に示したものであるが、前記図３に示したものと同様、ビームスプリッタ１１、プリズム２２ａ〜２２ｄ、レンズ１３は、これらにより形成される光路が入射光、出射光の光軸に対して、略垂直の面上あるように配置される。また、プリズム２２ａおよびプリズム２２ｃで反射した光はレンズ１３が設けられた位置で交差するように配置される。
本実施例では、全反射ミラーに代えてプリズム２２ａ〜２２ｄを用いており、プリズムの内面全反射を利用しているので、反射損失を低減することができる。
また、頂角が９０度の三角プリズムは、プリズムが頂角を軸として回転しても、入射光と出射光の角度が同一に保たれる特性、すなわち、再起反射ミラーの性質を持ち、プリズムの設置角によらず入射光と出射光の角度を維持することができる。
このため、本実施例のようにプリズムを用いれば、プリズム設置角に対して反射光の出射角の変化を小さくすることができ、プリズム相互の位置合わせ（アライメント）が容易となり、また、熱によりプリズムの設置角度が多少ずれても、光路はほぼ同一に維持される。
なお、頂角が直角のプリズムを用いた場合、入射光と出射光が平行になり、光路を図３（ａ）に示したように８の字状にすることができない。本実施例では頂角が直角でないプリズムを用いているので、角度をつけて反射させることができ、図３に示したように、８の字に光路を引き回すことができる。
本実施例のように頂角を９１°とした場合、反射光は入射光に対して３°傾く。また、全反射ミラーを用いた場合、出射角の変化は設置角誤差の２倍となるが、頂角が９１°のプリズムを用いれば、出射角の変化は設置角誤差の１／２０００となる。
図５に、頂角が９１°のプリズムの設置角度変化に対する出射角変化を示す。同図に示すように、頂角が９１°のプリズムは設置角度が２°変化しても、出射角度変化はほぼ０．００１°しか変化しない。
【００１４】
上記では、直角あるいは直角に近い頂角を持ったプリズムについて説明したが、立方体のひとつの角を切り落としたようなコーナーキューブプリズムでも同様に実現することができる。
図６（ａ）にコーナーキューブプリズムの構成例を示す。コーナーキューブプリズムは、同図に示すように、互いに直交する３面Ａ，Ｂ，Ｃが交わる点を頂点Ｐとし、該頂点に対向する面Ｄを光入射面としたプリズムであり、光入射面から入射した光は、上記面Ａ，Ｂ，Ｃの３面で３度反射して面Ｄから出射する。
前記図４に示したプリズムの場合には、図６（ｂ）に示すように、軸ｄの周りでθ方向にプリズムが回転した場合には、入射光に対する出射光の角度変化は小さいが、軸ｄが同図のα方向に回転すると、出射光の出射角度は大きく変化する。
これに対し、コーナーキューブプリズムは、図６（ｃ）に示すように、頂点Ｐを中心として、プリズムがどの方向に傾いても、入射光の角度に対する出射光の角度は同一に維持される。
【００１５】
本実施例では、前記したように光路を８の字に引き回すため、入射光に対する出射光の角度を変える必要があり、コーナーキューブを構成面Ａ，Ｂ，Ｃがなす３つの角のうち、２つの角を９０度にして、１つの角を９１度にしている。そして、９１°の角の中心線が入射光軸に平行になるように配置することで、前述の直角に近い頂角を持ったプリズムと同様に使用することができる。 
なお、上記のように、全反射ミラーに代えて直角に近いプリズムあるいはコーナーキューブプリズムを用いた場合においても、前記したように、８の字に引き回す光路を左右対称に構成し、８の字の交差する位置にレンズ１３を配置することで、従来２個のレンズの対で構成されるリレーレンズを１つのレンズ１３で共用することができ、サイズの縮小、部品点数の削減を図ることができる。 
【００１６】
図７は、本発明の第３の実施例を示す図である。本実施例は、前記図２に示した構成のＯＰＳにおいて、全反射ミラー１２ａ〜１２ｄに代えて、平凸レンズ３２ａ〜３２ｄを用いたものである。なお、図７は、光路を模式的に示したものであるが、前記図３（ａ）に示したものと同様、ビームスプリッタ１１、平凸レンズ３２ａ〜３２ｄは、これらにより形成される光路が入射光、出射光の光軸に対して、略垂直の面上あるように配置される。  上記平凸レンズ３２ａ〜３２ｄの裏面側の平面部には、全反射コートが施されており、凹面鏡を用いた場合と同等の配置で、屈折レンズにて凹面鏡より収差の少ない結像系を構成することが可能になる。
図８（ａ）に、レンズと凹面鏡のＭＴＦグラフを示す。図８（ａ）のグラフは同図（ｂ）に示す平凸レンズと凹面鏡を用いた光学系におけるＭＴＦ特性を示したものである。
同図において、横軸は像高（画面中心からの距離：ｍｍ）、縦軸はコントラストであり、Ｔはメリジオナル方向、Ｓはサジタル方向を示し、実線は空間周波数が１本／ｍｍ、点線は５本／ｍｍ、破線は１０本／ｍｍの場合を示している。
光学装置の性能を評価する指標として、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function：振幅伝達関数）特性が用いられる。ＭＴＦ特性は、明暗の模様を見たとき、どのくらいのコントラストが低下して見えるかを示す指標であり、被写体のもつコントラストを像面上でどのくらい再現できるかを表している。コントラストは、明暗模様の周波数（空間周波数) が高くなるほど低下するが、ＭＴＦ特性は、入力画像のコントラストと出力画像のコントラストの関係を、上記空間周波数を関数として表した伝達関数である。
図８のグラフからわかるように、レンズに比べ、ミラーの場合は、特にサジタル方向において、右下がりが顕著になっており、像高が高くなるにしたがい、サジタル方向のコントラストが低下している。すなわち、ミラーの方が、レンズに比べＭＴＦ特性が低いということができる。
本実施例においては、上記のように平凸レンズを用いているので、凹面鏡を用いる場合に比べ、収差の少ない結像系を構成することが可能になり、ビームプロファイルの変形が少ないＯＰＳを構成することができる。
【００１７】
以上説明した、第１〜第３の実施例では、ビームスプリッタ１１で分割した光を全反射ミラー、プリズム、平凸レンズで折り返す際に、入射した光軸と直交方向に折り返し, 入射光軸に直交した面内に８の字に光路を引き回すことで遅延回路を構成している。
このため、レーザ装置の全長に対してＯＰＳが占める割合を小さくすることができ、レーザ装置の小型化を図ることができるが、さらに長い遅延回路を構成する必要がある場合には、上記構成では、遅延回路の占める面積が大きくなり、前記したように、温度分布のばらつき等により、出射光の角度、位置が入射光に対してずれる場合がある。
以下に説明する本発明の第４の実施例は、上記ミラーなどにより形成される光路を３次元的に配置することにより、ＯＰＳの小型化を図りつつ、さらに長い遅延回路を構成できるようにした実施例を示している。
【００１８】
図９は、本発明の第４の実施例のＯＰＳの構成を示す図である。
図９（ａ）は、本実施例の第１の構成例を示し、同図の(1) −(10)の位置に前記した全反射ミラー、プリズム（もしくはコーナーキューブプリズム）が配置され、Ｐ点に前記したビームスプリッタが配置される。また、リレーレンズ１３が(3) −(4) の光路中、および(7) −(8) の光路中に配置され、これらの光学素子で遅延光学系を構成する。
同図のＰ点におかれたビームスプリッタで分割された入射光は、上方に折り返され、同図の(1) −(10)を経由して、上記Ｐ点におかれたビームスプリッタで合成され入射光と同一方向に折り返され、ビームスプリッタから出射する。
この場合、リレーレンズは２箇所に配置されているので、遅延光は倍率は変わらずに入射光を反転した状態でビームスプリッタ上に転写され、上記反転した遅延光と、ビームスプリッタの透過光（入射光）が合成されてビームスプリッタから出射する。
図９（ａ）の位置(3)(5)(7)(9)(2)(4)(6)(8)は直方体の頂点位置にあり、位置(1),(10)及びＰ点は、該直方体の頂点(3)(2)(8)(9)で構成される平面上にあり、上記遅延光学系により形成される光路は、上記直方体の面上にある。また、入射光、出射光の光路Ｂ，Ｃは、頂点(3)(2)(8)(9)で構成される平面に垂直である。
上記のように遅延光学系を構成することで、前記図２などで説明した面状に配置したものを２段重ねた場合に比べ、同じ体積で約２０％長い光路長の遅延光学系を構成することができる。
【００１９】
図９（ｂ）は本実施例の第２の構成例を示し、同図の(1) −(8) の位置に前記した全反射ミラー、プリズム（もしくはコーナーキューブプリズム）が配置され、Ｐ点に前記したビームスプリッタが配置される。また、リレーレンズ１３が(2) −(3) の光路中、および(6) −(7) の光路中に配置され、これらの光学素子で遅延光学系を構成する。
同図のＰ点におかれたビームスプリッタで分割された入射光は、上方に折り返され、同図の(1) −(8) を経由して、上記Ｐ点におかれたビームスプリッタで合成され入射光と同一方向に折り返されビームスプリッタから出射する。この場合も、リレーレンズは２箇所の配置されているので、遅延光は倍率は変わらずに、入射光を反転した状態でビームスプリッタ上に転写され、上記反転した遅延光と、ビームスプリッタの透過光（入射光）が合成されて、ビームスプリッタから出射する。
図９（ｂ）の位置(1)(3)(5)(7)(2)(4)(6)(8)は直方体の頂点位置にあり、上記遅延光学系により形成される光路は、上記直方体の面上にある。また、入射光、出射光の光路Ｂ，Ｃは、頂点(1)(3)(2)(8)で構成される平面に垂直である。
【００２０】
図９（ｃ）は本実施例の第３の構成例を示し、上記図９（ｂ）と同様、同図の(1) −(8) の位置に前記した全反射ミラー、プリズム（もしくはコーナーキューブプリズム）が配置され、Ｐ点に前記したビームスプリッタが配置される。また、図９（ｂ）と同様、位置(1)(3)(5)(7)(2)(4)(6)(8)は直方体の頂点位置にあり、上記遅延光学系により形成される光路は、上記直方体の面上にある。また、入射光、出射光の光路Ｂ，Ｃは、頂点(1)(3)(2)(8)で構成される平面に垂直である。また、本実施例では、リレーレンズ１３が(1) −(2) 、(3) −(4) 、(5) −(6) および(7) −(8) の光路中に配置され、これらの光学素子で遅延光学系を構成する。
同図のＰ点におかれたビームスプリッタで分割された入射光は、図９（ｂ）と同様、上方に折り返され、同図の(1) −(8) を経由して、上記Ｐ点におかれたビームスプリッタで合成され入射光と同一方向に折り返され、ビームスプリッタから出射する。この場合、リレーレンズは４箇所に配置されているので、遅延光は、倍率は変わらずに入射光と同じ方向でビームスプリッタ上に転写され、上記遅延光とビームスプリッタの透過光（入射光）が合成されて、ビームスプリッタから出射する。
【００２１】
上記図９（ａ）（ｂ）の場合、リレーレンズが直方体の面上の２箇所に設けられており、前記したように、遅延光は倍率は変わらずに入射光を反転した状態でビームスプリッタに上に結像する（倍率：−１倍）。
このため、例えば図１０（ａ）に示す様に、入射光のビームプロファイルが入射光軸に対して対称でない場合であっても、図１０（ｂ）に示すように、入射光と遅延光を合成した光のビームプロファイルは均一化される。しかし、ミラーなどが変位して、光軸がずれると、図１０（ｃ）に示すようにビームプロファイルが広がる。
一方、図９（ｃ）の場合、リレーレンズが直方体の面上の４箇所に設けられており、前記したように、遅延光は、倍率は変わらずに入射光と同じ方向でビームスプリッタに結像する（倍率：＋１倍）。
このため、図１０（ｄ）に示すように、ビームの均一化はあまり期待できないが、図１０（ｅ）に示すように、光軸がずれてもビームプロファイルは変化しない。すなわち、図９（ｃ）のように、リレーレンズを４箇所に設けることで、ミラーなどの位置ずれに対する影響が少なくなり、アライメントずれの影響を低減することができる。 
【００２２】
ところで、一段のＯＰＳだけでは必要とするパルス幅を得ることができない場合があり、このような場合には、ＯＰＳを多段に構成し所望のパルス幅を確保する必要がある。
以下、上記のようにＯＰＳを多段構成とする場合に好適な実施例について説明する。
図１１は、ＯＰＳを多段構成とするに好適な本発明の実施例を示す図である。
同図において、４０、５０はそれぞれ前記第１〜第４の実施例に示したＯＰＳを収納した筐体であり、ＯＰＳを収納した筐体４０，５０は、それぞれ光入射口、光出射口４４，５４（光入射口は同図では図示されていない）が設けられ、また、光入射側の面、光出射側の面にタブ４１，４２および５１，５２が設けられている。
タブ４１，４２及び５１，５２には、それぞれ、ねじ穴４１ａ，４２ａおよび５１ａ，５２ａが設けられ、ＯＰＳを収納した筐体４０、５０には、位置だし用のピン穴４３，５３が設けられている。
また、レーザ光出射口６１を備えた、上記ＯＰＳを収納した筐体４０が取り付けられる基準面６０にも、取り付け用のねじ穴６２が設けられ、さらに、位置だし用のピンが挿入される箇所に、位置だし用ピン穴６３が設けられている。
【００２３】
ＯＰＳを収納した筐体４０は、上記タブ４１に設けられたねじ穴４１ａと基準面６０に設けられたねじ穴６２をボルトで止めることで基準面に取り付けられる。このとき、位置だしピンを上記位置だし用ピン穴４３、６３に挿入することで、筐体４０の取り付け角度を調整し、基準面６０のレーザ光出射位置と、筐体４０のレーザ光の入射位置との位置あわせを行う。
ＯＰＳを従属接続する場合には、筐体４０の出射側の面に設けられたタブ４２と、筐体５０の光入射側の面に設けられたタブ５１のねじ穴４２ａ、５１ａをボルト止めする。その際、上記のように、位置だしピンを上記位置だし用ピン穴５３，４３に挿入することで、筐体５０の取り付け角度を調整し、筐体４０のレーザ光の出射位置と、筐体５０の入射位置の位置あわせを行う。さらに、ＯＰＳを多段構成にする場合には、筐体５０に設けられたタブ５２を利用して、ＯＰＳを収納した筐体を上記と同様に、従属接続する。
【００２４】
前記したようにＯＰＳ内部には、ビームスプリッタが設けられており、ＯＰＳ内をレーザ光を通過する際、ビームスプリッタにより光路がオフセットする。このため、多段構成にしたときに段数によって光軸がオフセットする量が変化する。
上記オフセット量の変化を防ぐため、ビームスプリッタによるオフセットをキャンセルさせるための光学素子を追加するか, ビームスプリッタとしてキューブビームスプリッタを用いる必要がある。
図１２（ａ）に上記光学素子を用いる場合の構成例を示し、図１２（ｂ）にキューブビームスプリッタを示す。
図１２（ａ）に示すように、前記第１〜第４の実施例に示したＯＰＳにおいて、入射光を上方に折り返し、遅延光と入射光と合成するビームスプリッタ１１の出射側に、ビームスプリッタ１１とほぼ等しい厚さを持つ透明なガラス板１４を斜めに配置する。これにより、同図に示すように、ビームスプリッタによるオフセットがキャンセルされる。
また、上記ビームスプリッタ１１に代え、図１２（ｂ）に示すキューブビームスプリッタ１１´を用いれば、上記オフセットを防ぐことができる。
本実施例では、上記のようにＯＰＳの出射側にＯＰＳが取り付けられるような構造にし、必要に応じて同様の構成のＯＰＳを多段構成できるようにしたので、パルス幅をさらに伸ばすことができる。 なお、その際、ＯＰＳが最初の取り付け面に対しオーバーハングした状態になり, 取り付け面がゆがむことを防ぐため、底面に重量を支えるための構造をつけても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の前提となる放電励起ガスレーザ装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の光学的パルス伸長器の設置位置を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施例の光学的パルス伸長器の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例の光学的パルス伸長器の構成を示す図である。
【図５】頂角が９１°のプリズムの設置角度変化に対する出射角変化を示す図である。
【図６】コーナーキューブプリズムの構成例を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例の光学的パルス伸長器の構成を示す図である。
【図８】レンズと凹面鏡の光学的特性の違い説明する図である。
【図９】本発明の第４の実施例の光学的パルス伸長器の構成を示す図である。
【図１０】図９においてリレーレンズを２箇所設けた場合と４箇所設けた場合のビームプロファイルの違いを説明する図である。
【図１１】本発明の実施例の光学的パルス幅伸長器を多段構成にする場合の構成例を示す図である。
【図１２】ビームスプリッタにより生ずる光路のオフセットを防止するための構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１１            ビームスプリッタ
１２ａ〜１２ｄ  全反射ミラー
１３            リレーレンズ
２２ａ〜２２ｄ  プリズム
３２ａ〜3 ２ｄ  平面部に全反射コートを施した平凸レンズ
４０            ＯＰＳを収納した筐体
５０            ＯＰＳを収納した筐体
４１，４２      タブ
５１，５２      タブ
６０            基準面
１０１          レーザチェンバ
１０２          高電圧パルス発生装置
１０３          ファン
１０４          ウィンドウ部材
１０５          狭帯域化モジュール
１０６          出力ミラー
１０７          波長モニタ
１０８          コントローラ
【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】
2005148550.tif 000010
【図９】
2005148550.tif 000011
【図１０】
2005148550.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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