(57)【要約】【課題】レーザのより大きい出力が必要なとき、既知のビーム反転モジュールで生じる熱レンズ効果を少なくとも低減する、レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールを提供する。【解決手段】レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールは、第１の方向に伝搬する入来レーザビーム（２８ａ）を受けて第１の方向とは異なる第２の方向に反射するための少なくとも１つの反射面（８６）を備え、少なくとも１つの反射面は、少なくとも１つのミラーの高反射面（８６）である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に伝搬する入来レーザビーム（２８、２８ａ）を受けて前記第１の方向とは異なる第２の方向に反射するための少なくとも１つの反射面（４４、６４、８６）を備える、レーザ機構の光パワー増幅器（１０）用のビーム反転モジュールであって、前記少なくとも１つの反射面（４４、６４、８６）が第１のミラー（４２、６２、８２）の高反射面であるビーム反転モジュール。
【請求項２】
前記少なくとも１つの反射面（４４、６４）の下流に配置された下流のビーム偏向素子（４６、６６）であって、前記少なくとも１つの反射面（４４、６４）で反射された前記レーザビーム（２８ｂ）を、前記ビーム偏向素子（４６、６６）で偏向された前記レーザビーム（２８ｃ）が前記第１の方向に伝搬する前記レーザビーム（２８、２８ａ）と交差させるように、前記第１の方向および前記第２の方向とは異なる第３の方向へ偏向する下流のビーム偏向素子（４６、６６）をさらに備える請求項１に記載のビーム反転モジュール。
【請求項３】
前記下流のビーム偏向素子（４６、６６）が、入射面（５０、７６）および出口面（５２、７８）を有する透過性の光学素子であり、前記透過性の光学素子が、前記少なくとも１つの反射面（４４、６４）で反射された前記レーザビーム（２８ｂ）に対して、前記レーザビーム（２８ｂ）が前記入射面（５０、７６）から前記出口面（５２、７８）へ前記透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている請求項２に記載のビーム反転モジュール。
【請求項４】
前記入射面（５０、７６）および／または前記出口面（５２、７８）が高いレーザ耐久性（ＨＬＤ）の反射防止コーティングでコーティングされている請求項３に記載のビーム反転モジュール。
【請求項５】
前記下流のビーム偏向素子（４６、６６）がプリズムである請求項２から４までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項６】
前記少なくとも１つの反射面（４４、６４）の上流に配置された上流のビーム偏向素子（６８）であって、前記入来ビーム（２８）を前記第１の方向に偏向する上流のビーム偏向素子（６８）をさらに備える請求項１から５までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項７】
前記上流のビーム偏向素子（６８）が、入射面（７２）および出口面（７４）を有する透過性の光学素子であり、前記透過性の光学素子が、前記入来レーザビーム（２８）に対して、前記レーザビーム（２８）が前記入射面（７２）から前記出口面（７４）へ前記透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている請求項６に記載のビーム反転モジュール。
【請求項８】
前記入射面（７２）および／または前記出口面（７４）が反射防止コーティングでコーティングされている請求項７に記載のビーム反転モジュール。
【請求項９】
前記上流のビーム偏向素子（６８）がプリズムである請求項６から８までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１０】
前記上流のビーム偏向素子（６８）および前記下流のビーム偏向素子（６６）が、単一のモノリシック光学素子として、好ましくは単一のプリズムとして一緒に実施されている請求項２から５まで、および請求項６から９までの、いずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの反射面（８６）である第１の反射面（８６）で反射された前記レーザビーム（２８ｂ）を受けて前記第１の方向とは異なる方向に反射する少なくとも１つの第２の反射面（８８）をさらに備えるビーム反転モジュールであって、前記少なくとも１つの第２の反射面（８８）が少なくとも１つの第２のミラー（８４）の高反射面である請求項１から１０までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１２】
前記第１の反射面（８６）と前記少なくとも１つの第２の反射面（８８）の間に形成される角度（９０）が、前記少なくとも１つの第２の反射面（８８）で反射されたレーザビーム（２８ｃ）を前記入来レーザビーム（２８ａ）と交差させるように設定されている請求項１１に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１３】
前記第１のミラー（８２）および前記少なくとも１つの第２のミラー（８４）が、前記角度（９０）を定義するベースプレート（９２）に光学的に接合されている請求項１２に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１４】
前記角度（９０）が、約８５°〜約９５°の範囲、好ましくは約９０°に設定されている請求項１２または１３に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１５】
前記第１のミラー（８２）および前記第２のミラー（８４）が、前記レーザビーム（２８ａ、２８ｂ）が約４０°〜約５０°の範囲の入射角で、好ましくは約４５°の入射角で前記第１の反射面および前記少なくとも１つの第２の反射面（８６、８８）に当たるように配置されている請求項１１から１４までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１６】
入来レーザビーム（２８ａ）が入るレーザビーム入射面（１０４）を有するプリズム（１０２）と、前記プリズム（１０２）に入る前記レーザビーム（２８ａ）を受けるための第１の内部全反射面（１０６）と、前記第１の内部全反射面（１０６）で反射された前記レーザビーム（２８ｂ）を受けるための第２の内部全反射面（１０８）であって、前記第１の内部全反射面（１０６）との間に６０°よりも大きい角度を形成する第２の内部反射面（１０８）と、前記第２の内部全反射面（１０８）で反射された前記レーザビーム（２８ｃ）が前記プリズム（１０２）から出て来るレーザビーム出口面（１１０）とを備える、レーザ機構の光パワー増幅器（１０）用のビーム反転モジュールであって、前記プリズム（１０２）を通って伝搬する前記レーザビーム（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ）のビーム幅を、ブルースター角の下での幅よりも増加させるために、前記入射面（１０４）が、前記入来レーザビーム（２８ａ）に対して、前記入来レーザビーム（２８ａ）の入射角（１１４）がブルースター角を上回るように配置されているビーム反転モジュール。
【請求項１７】
前記第１および第２の内部全反射面（１０６、１０８）が、面吸収を最小化するやり方でこれらの面（１０６、１０８）に関する電界条件を変化させる面保護コーティングを有する請求項１６に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１８】
前記プリズム（１０２）が、０．２×１０-4ｃｍ／ｍＪ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するＣａＦ2を用いて、好ましくは約１９３ｎｍの波長で製作されている請求項１６または１７に記載のビーム反転モジュール。
【請求項１９】
前記レーザビーム入射面１０４および／または前記レーザビーム出口面（１１０）が、ＨＤＬ反射防止コーティングでコーティングされている請求項１６から１８までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項２０】
前記ビーム反転モジュールの前記光学素子（４０、６０、８０、１００）のうち少なくとも１つを、この光学素子（１００）の表面上またはその内部におけるレーザビームの位置（１４０、１４２）に従って光学素子（１００）の面にわたって変化するパージ率で直接パージするように適合されたパージ装置（１３４）をさらに備える請求項１から１９までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。
【請求項２１】
前記パージ装置（１３４）が、前記第１の内部全反射面（１０６）および／または前記第２の内部全反射面（１０８）をパージするように適合されている請求項（２０）に記載のビーム反転モジュール。
【請求項２２】
請求項１から２１までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール（４０、６０、８０、１００）を備える、レーザ機構の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールに関するものである。
さらに、本発明は、ビーム反転モジュールを備えたレーザ機構の光パワー増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
米国特許出願公開第２０１０／００９８１２０号は、レーザ機構、具体的にはエキシマレーザの光パワー増幅器を開示している。エキシマレーザは放電ガスタイプのレーザである。高出力用途向けに、そのようなレーザは、主発振器／電力増幅器または電力発振器の構成を有し、電力発振器は、これも発振器である電力リング増幅器として構成されてよく、または電力リング増幅器と称されてもよい。本説明で用いられる「光パワー増幅器」という用語は、これらの構成をすべて対象として含むものと理解されたい。
米国特許出願公開第２０１０／００９８１２０号によるレーザ機構は、たとえば半導体リソグラフィ用途で光源として使用される。
光パワー増幅器の一部分はビーム反転モジュールである。米国特許出願公開第２０１０／００９８１２０号では、ビーム反転モジュールはプリズムとして設計されており、入来レーザビームがプリズムに入るレーザビーム入射面を有する。このプリズムがさらに有する第１の内部全反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ  ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）面は、プリズムに入るレーザビーム受けて、これを第１のＴＩＲ面に対して約９０°の角を成す第２のＴＩＲ面へ反射するためのものである。最後に、このプリズムはレーザビーム出口面を有し、第２のＴＩＲ面で反射されたレーザビームがレーザビーム出口面を通ってプリズムから出て来る。
【０００３】
具体的には半導体リソグラフィ用途で光源として使用するとき、強化された出力パワーを有するレーザの生産が要求されている。しかしながら、レーザの出力パワーをたとえば６０Ｗから１２０Ｗへ増加させると、電力増幅器には、電力増幅器の光学素子を通って伝搬するレーザビームの電力吸収が増加することに起因して熱負荷が増大するという技術的問題がある。
【０００４】
電力増幅器の光学素子の熱負荷が増加すると、電力増幅器のいくつかまたはすべての光学素子の加熱が強化され、いわゆる熱レンズ効果をもたらす。熱レンズ効果は、光学素子における温度勾配によって誘起される効果である。これらの温度勾配は、横方向に不均質な熱膨張または熱的に誘起された機械的応力に起因する光学部品の曲がりによって、屈折率および／または面の変形の、いくらかの横方向の勾配をもたらす可能性がある。光学素子の加熱が屈折率の勾配または光学面の変形をもたらすかどうかということにかかわらず、光学素子の光学的結像特性が変化して、レーザビームの波面のずれまたは歪みをもたらすことがあり、最悪の場合、レーザビームが、低デューティサイクルから高デューティサイクルに変化すると、レーザの遠距離場では崩壊する可能性がある。
具体的には、米国特許出願公開第２０１０／００９８１２０号に開示されている光パワー増幅器によるビーム反転モジュールは、熱負荷が高くなって熱レンズ効果を被りやすい。高エネルギー密度の用途については、ＣａＦ2面は、劣化しないように保護するためにコーティングする必要がある。むき出しのＣａＦ2面をコーティングによって改修すると、完全に反射されるビームが、面を通り抜けるビームよりもかなり強く吸収されるように作用することが判明している。そのため、ＴＩＲについては（少なくともＣａＦ2の場合）吸収のレベルが強度に過小評価され、高い光学的負荷の下では、ＴＩＲ面の熱的に誘起される変形が、レーザビーム特性の全体としての熱ドリフトに対する最も重要な原因のうちの１つであることに本発明者は気付いた。それに加えて、既知のビーム反転モジュールのプリズムは比較的大きくかさばったものであり、その結果、プリズムを通るレーザビームの光学的伝搬路は比較的長いものである。吸収が媒体を通る光の光学的伝搬路に比例するので、伝搬路が長ければ吸収が増加するわけである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、レーザのより大きい出力が必要なとき、既知のビーム反転モジュールで生じる熱レンズ効果を少なくとも低減する、レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、この目的は、第１の方向に伝搬する入来レーザビームを受けて第１の方向とは異なる第２の方向へ反射するための少なくとも１つの第１のミラーの高反射面を備えた、レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールによって達成される。
本発明のこの態様によるビーム反転モジュールがレーザビームを反転するために使用するのはＴＩＲ面ではなく、既知のビーム反転モジュールのＴＩＲ面のうち少なくとも１つを置換する少なくとも１つの高反射ミラーである。
ＴＩＲ面での吸収が大きければ熱勾配が大きくなり、反射面の変形が熱的に誘起され、したがってレーザビームの波面も変形することになる。既知のビーム反転モジュールのＴＩＲ面を少なくとも１つの高反射性ミラーで置換することによって、熱レンズ効果を低減することができる。
【０００７】
好ましい改良では、ビーム反転モジュールは、少なくとも１つの反射面の下流に配置された下流のビーム偏向素子をさらに備え、これは、少なくとも１つの反射面で反射されたレーザビームを、ビーム偏向素子で偏向されたレーザビームが第１の方向に伝搬するレーザビームと交差させるように、第１の方向および第２の方向とは異なる第３の方向へ偏向する。
下流のビーム偏向素子により、既知のビーム反転モジュールと同一の光学的機能を、既知のビーム反転モジュールの場合よりも熱レンズ効果のリスクを低減して得ることができる。
前述の改良の状況では、下流のビーム偏向素子は、入射面および出口面を有する透過性の光学素子であることがさらに好ましく、透過性の光学素子は、少なくとも１つの反射面で反射されたレーザビームに対して、レーザビームが入射面から出口面へ透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている。
【０００８】
この改良は、ビーム反転モジュールにおける熱レンズ効果を防止するかまたは少なくとも低減するために、ビーム反転モジュールにおけるＴＩＲ面を、可能な限り、好ましくは完全に回避するという本発明の概念に従うものである。
さらに、前述の改良に伴う状況では、入射面および／または出口面は反射防止コーティングでコーティングされている。
反射防止コーティングにより、透過性のビーム偏向素子の入射面および／または出口面における反射によるレーザ光損失が低減する。
さらなる好ましい改良では、下流のビーム偏向素子はプリズムである。
この改良には、ビーム偏向素子の生産に関して単純設計という利点がある。
さらなる好ましい改良では、ビーム反転モジュールは、少なくとも１つの反射面の上流に配置された上流のビーム偏向素子をさらに備え、これによって入来ビームが第１の方向に偏向される。
上流のビーム偏向素子は、下流のビーム偏向素子の代わりに、または下流の偏向素子に加えて使用され得る。
下流のビーム偏向素子の場合と同様に、上流のビーム偏向素子は、好ましくは入射面および出口面を有する透過性の光学素子であって、入来レーザビームに対して、レーザビームが入来面から出口面へ透過性の光学素子を通って内部全反射なしで伝搬するように配置されている。
【０００９】
さらに、上流のビーム偏向素子の透過性の光学素子の入来面および／または出口面は、反射防止コーティングでコーティングされている。
上流のビーム偏向素子は、好ましくはプリズムである。
さらなる好ましい改良では、上流のビーム偏向素子および下流のビーム偏向素子は、単一のモノリシック光学素子として、好ましくは単一のプリズムとして一緒に実施される。
【００１０】
この改良には、上流のビーム偏向素子と下流のビーム偏向素子の両方を、１つの単一のプリズムとして簡単に生産することができるという利点がある。
さらなる好ましい改良では、少なくとも１つの反射面は第１の反射面であり、ビーム反転モジュールがさらに備える少なくとも１つの第２の反射面が、第１の反射面で反射されたレーザビームを受けて第１の方向とは異なる方向に反射し、少なくとも１つの第２の反射面は、少なくとも１つの第２のミラーの高反射面である。
【００１１】
この改良では、既知のビーム反転モジュールの両方のＴＩＲ面が高反射性のミラー面で置換され、したがって熱レンズ効果がさらに低減される。さらに、この改良により、さらなる好ましい改良によって提供されるように、既知のビーム反転モジュールの場合と同様、第１の反射面と少なくとも１つの第２の反射面が、少なくとも１つの第２の反射面で反射されたレーザビームが入来レーザビームと交差するように設定された角を形成するように配置され得るので、下流のビーム偏向素子および／または上流のビーム偏向素子を省くことができる。
前述の改良の状況では、第１のミラーおよび少なくとも１つの第２のミラーは、第１の反射面と少なくとも１つの第２の反射面の間に形成される角度を定義するベースプレート上に、光学的に接合されている。
【００１２】
さらなる好ましい改良では、前述の角度は約８５°〜約９５°の範囲に設定され、好ましくは約９０°に設定される。
さらに、第１のミラーおよび第２のミラーは、レーザビームが約４０°〜約５０°の範囲の入射角で、好ましくは約４５°の入射角で第１の反射面および少なくとも１つの第２の反射面に当たるように配置されるのが好ましい。
本発明の第２の態様によれば、本発明の基をなす目的は、入来レーザビームが入るレーザビーム入射面を有するプリズムと、プリズムに入って来るレーザビームを受けるための第１のＴＩＲ面と、第１のＴＩＲ面で反射されたレーザビームを受けるための第２のＴＩＲ面であって、６０°を上回る角度を形成する第１のＴＩＲ面および第２のＴＩＲ面と、第２のＴＩＲ面で反射されたレーザビームがプリズムから出るレーザビーム出口面とを備える、レーザ機構の光パワー増幅器用のビーム反転モジュールであって、入射面が、入来レーザビームに対して、入来レーザビームの入射角がブルースター角を上回るように配置され、その結果、レーザビームが、増加したビーム幅を有してプリズムを通って伝搬するビーム反転モジュールを提供することによって達成される。
本発明のこの態様によれば、このビーム反転モジュールは、既知のビーム反転モジュールと同様にプリズムを備える。しかしながら、既知のビーム反転モジュールのプリズムは、入来ビームに対して、入射角が（レーザ光の波長に応じて）ブルースター角に等しくなるように配置されるのに対し、本発明のこの態様によるビーム反転モジュールでは入射角がブルースター角よりも大きく、その結果、プリズムを通って伝搬するレーザビームのビーム幅が、既知のビーム反転モジュールのプリズムを伝搬するレーザ光のビーム幅と比較して増加される。
プリズムを通って伝搬するレーザビームの内部のビーム幅が増加することにより、エネルギー密度およびＴＩＲ面上の熱負荷の勾配が低減し、したがって熱レンズ効果のリスクを低減することができる。
さらに、プリズムの入射面および／または出口面は、高いレーザ耐久性（ＨＬＤ：Ｈｉｇｈ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ）の反射防止コーティングでコーティングされているのが好ましい。
【００１３】
さらなる好ましい改良では、第１および第２の内部全反射面は、面吸収を最小化するやり方でこれらの面に関する電界条件を変化させる面保護コーティングを有する。
本発明のこの態様によるビーム反転モジュールを改良するための別の方策には、プリズムを通るレーザビームの光学的伝搬路を短縮するようにプリズムの厚さを低減することがある。
本発明のこの態様のさらなる改良には、０．２×１０-4ｃｍ／ｍＪ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するＣａＦ2で製作されたプリズムを提供するものがある。
【００１４】
第１の態様によるビーム反転モジュールならびに第２の態様によるビーム反転モジュールに関連して用いられ得るさらなる好ましい改良では、ビーム反転モジュールがさらに備えるパージ装置が、ビーム反転モジュールの光学素子のうち少なくとも１つを、この光学素子の表面上またはその内部におけるレーザビームの位置に従って光学素子の面にわたって変化するパージ率で直接パージするように適合されている。
この改良は、ビーム反転モジュールの光学素子上またはその内部における熱勾配を低減することにより、熱レンズ効果を低減することするためのさらなる方策を提供するものである。たとえば、本発明の第１の態様による上流のビーム偏向素子および／または下流のビーム偏向素子あるいは本発明の第２の態様によるビーム反転プリズムは、レーザビームによって部分的にしか使用されず、これらの光学素子において、上記で説明された熱勾配がもたらされる。これらの光学素子を、光学素子上またはその内部におけるレーザビームの位置に従って光学素子の面にわたって変化するパージ率でパージすることにより、光学素子の熱勾配を低減することができる。したがって、パージ率は、光学素子の、レーザビームが通過する部分に相当する「熱い部位」ではより高く設定され、レーザビームが通過しない位置またはレーザビームの強度が低い位置に相当する「冷たい部位」では低いものになる。
【００１５】
本発明によるレーザ機構の光増幅器が備えるビーム反転モジュールは、本発明の第１の態様、または本発明の第２の態様、および／または前述の改良のうちの任意のものによるものである。
以下の説明および添付図面から、さらなる特徴および利点が明らかになるであろう。
前述の特徴および以下でさらに説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、所与の組合せばかりなく他の組合せで、または独立して用いられ得ることを理解されたい。
本発明の例示的実施形態が、添付図面を参照しながら以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術によるレーザ機構の一部分としての光パワー増幅器を示す図である。
【図２】図１から独立して拡大された図１の光パワー増幅器のビーム反転モジュールの光学素子を示す図である。
【図３】図１の光パワー増幅器において、図１に示されたビーム反転モジュールの代わりに使用されるビーム反転モジュールの第１の実施形態を示す図である。
【図４】図１の光パワー増幅器において、図１に示されたビーム反転モジュールの代わりに使用されるビーム反転モジュールの第２の実施形態を示す図である。
【図５】図１の光パワー増幅器において、図１に示されたビーム反転モジュールの代わりに使用されるビーム反転モジュールのさらなる実施形態を示す図である。
【図６】図１の光パワー増幅器において、図１に示されたビーム反転モジュールの代わりに使用される図２の光学素子の修正形態について説明するために図２の光学素子を示す図である。
【図７】光学素子をパージするためのパージ装置を示す図である。
【図８】図７のパージ装置によって加えられるパージ率の空間依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、さらなる説明のために参照によってここで本出願に組み込まれる米国特許出願公開第２０１０／００９８１２０号で説明されているような、従来技術による、参照数字１０で全体的にラベルが付けられた光パワー増幅器を示すものである。
光パワー増幅器１０はレーザ機構の一部分を形成するものであり、たとえば主発振器またはシードレーザといったレーザ機構の他の部分は図面には示されていない。
光パワー増幅器１０は、ビーム反転モジュール１２と、電力アンプ室１４と、レーザビームの拡張およびアウトカップリングのための光ユニット１６とを備える。より詳細には、光ユニット１６は、３つのプリズム１８、２０および２２、折り畳み式ミラー２４ならびにアウトカップリングミラー２６を備える。
【００１８】
主発振器またはシードレーザ（図示せず）から生じて光パワー増幅器に送り込まれるレーザビーム２８は、光パワー増幅器１０内で循環し、電力増幅が行われる電力増幅チャンバ１４は、たとえばＡｒＦ、ＫｒＦといったガスのようなレーザ活性媒質を含有している。
レーザビーム２８は、光パワー増幅器１０内で循環するとき、光パワー増幅器１０の一端を形成するビーム反転モジュール１２で反転される。
【００１９】
米国特許出願公開第２０１０／００９８１２０号によるビーム反転モジュール１２は、入来レーザビーム２８ａがプリズム３０に入るレーザビーム入射面３８を有するビーム反転プリズム３０と、プリズム３０に入った後のレーザビーム２８を受けるための第１の内部全反射（ＴＩＲ）面３６と、第１のＴＩＲ面３６で反射されたレーザビーム２８を受けるための第２のＴＩＲ面３４であって、約９０°または約９０°をわずかに下回る角を形成する第１のＴＩＲ面３６および第２のＴＩＲ面３４とを備える。第２のＴＩＲ面３４で反射されたレーザビーム２８は、次いで、この場合はレーザ入射面３８と一致するレーザビーム出口面３２から出て来る。入来レーザビーム２８ａと出て来るレーザビーム２８ｂとは、電力増幅チャンバ１４内の交点３９で交差する。
図２は、独立して拡大されたビーム反転プリズム３０を示すものである。
【００２０】
面コーティングによる光学面の吸収を測定するために、測定学の設定が確立されている。この方法は、光学面におけるレーザ光の透過（大部分）とＴＩＲ吸収の両方を０．０１％未満の吸収レベルで検出することができるものである。ビーム反転プリズム３０の面吸収を測定するとき、ＴＩＲの条件下では、透過において測定されたものと比較して、吸収がかなり増加することが判明した。これは、ＴＩＲで動作している光学部品の場合、波面における熱レンズを生ぜしめる大きな熱勾配をもたらすものである。
以下で、既知のビーム反転プリズム３０に生じる熱レンズ効果の有害作用を改善するビーム反転モジュールの実施形態を説明する。
以下で説明されるビーム反転モジュールは、図１の光パワー増幅器１０においてビーム反転モジュール１２の代わりに使用され得、すなわち、以下で説明されるビーム反転モジュールは、ビームの反転および配向の点で同一の光学的機能を有するように設計されているものである。
以下で説明されるビーム反転モジュールの実施形態のいくつかは、ビーム反転プリズム３０が他の光学素子で置換される新規の設計に基づくものであり、以下で説明されるビーム反転モジュールのいくつかの実施形態は、ビーム反転プリズム３０の修正形態である。
図３はビーム反転モジュール４０の第１の実施形態を示すものであり、図１のビーム反転プリズム３０が２つの光学素子で置換されている。第１の光学素子は、高反射面面４４を有するミラー４２である。
【００２１】
ビーム反転モジュール４０は、プリズム４８として構成されている下流のビーム偏向素子４６をさらに備える。
第１の方向に伝搬する入来光ビーム２８ａは、ミラー４２の高反射面４４によって受けられて高反射面４４で第２の方向へ反射され、反射されたレーザビーム２８ｂになる。反射されたレーザビーム２８ｂは、下流のビーム偏向素子４６によって第３の方向へ方向を変えられるかまたは偏向されて、偏向されたレーザビーム２８ｃになる。偏向されたレーザビーム２８ｃは、電力増幅器チャンバ１４内にレーザビームの交点３９が存在するという図１に示された光学的機能を満たすために、図３に示されるように、入来レーザビーム２８ａと交差するような方向に伝搬する。
【００２２】
下流の偏向素子は、図３に示されるように、入射面５０および出口面５２を有する透過性の光学素子であり、下流のビーム偏向素子４６はミラー４２の高反射面４４で反射されたレーザビーム２８ｂに対して、レーザビーム２８ｂが、プリズム４８を通って入射面５０から出口面５２へＴＩＲなしで伝搬するように配置されている。
ビーム反転モジュール４０により、ビーム反転プリズム３０のＴＩＲ面３４および３６がなしで済まされ、その結果、ＴＩＲ吸収はもはや問題ではない。さらに、下流のビーム偏向素子４６のプリズム４８が薄いことにより、プリズム４８を通るレーザビーム２８ｂの光学的伝搬路が比較的短く、その結果、レーザ誘起吸収も、ビーム反転プリズム３０を通る長い光学的伝搬路と比較して大いに低減される。
【００２３】
したがって、図１の光パワー増幅器１０におけるビーム反転モジュール１２の代わりにビーム反転モジュール４０を使用すると、熱レンズ効果が大いに低減されるかまたは防止される。
入射面５０および出口面５２は、これらの面における反射損失を低減するために反射防止コーティングでコーティングされている。
図４は、図３のビーム反転モジュール４０の修正形態であるビーム反転モジュール６０の別の実施形態を示すものである。
【００２４】
ビーム反転モジュール６０は、高反射面６４を有するミラー６２を備える。
ビーム反転モジュール６０は、下流のビーム偏向素子６６および上流のビーム偏向素子６８をさらに備える。下流のビーム偏向素子６６および上流のビーム偏向素子６８のために、個別の光学素子を、特に個別のプリズムとして用意することも可能であるが、この設計では、上流のビーム偏向素子６８および下流のビーム偏向素子６６は、単一のモノリシック光学素子として、この場合は単一のプリズム７０として一緒に実施される。
上流のビーム偏向素子６８は入射面７２および出口面７４を有し、下流のビーム偏向素子６６は入射面７６および出口面７８を有し、出口面７４および入射面７６は、プリズム７０の同一の面によって形成されている。
上流のビーム偏向素子６８は透過性の光学素子であり、入来レーザビーム２８は、上流のビーム偏向素子６８を通って入射面７２から出口面７４へとＴＩＲなしで伝搬する。
面７２、７４、７６、７８は、反射損失を最小化するために反射防止コーティングでコーティングされている。
入来レーザビーム２８は、上流のビーム偏向素子６８によって第１の方向へ偏向されてレーザビーム２８ａになる。レーザビーム２８ａは、高反射面６４によって第２の方向へ反射されてレーザビーム２８ｂになり、次いで、入来レーザビーム２８と交差するように第３の方向へ偏向されてレーザビーム２８ｃになる。
熱レンズ効果を低減するかさらには防止することに関するビーム反転モジュール６０の利点は、ビーム反転モジュール４０の利点と同等である。
図５はビーム反転モジュール８０の別の実施形態に示すものであり、ビーム反転モジュール８０は、第１のミラー８２および第２のミラー８４を備えることがビーム反転モジュール４０および６０とは異なる。第１のミラー８２は高反射面８６を有し、第２のミラー８４は高反射面８８を有する。反射面８６および８８は、図１のビーム反転モジュール１２のＴＩＲ面３４および３６を置換する。
【００２５】
入来レーザビーム２８ａは、反射面８６で反射面８８に向けて反射され、レーザビーム２８ｃとしてビーム反転モジュール８０を出る。
反射面８６と反射面８８の間に形成される角度９０は、反射面８８で反射されたレーザビーム２８ｂが入来レーザビーム２８ａと交差するように設定されている。
特定の実施形態では、ミラー８２および８４が光学的に接合されているベースプレート９２が、角度９０を定義する角度９８を形成する２つの側面９４、９６を有して設計されているという事実によって角度９０を定義する。
【００２６】
角度９０は、約８５°〜約９５°の範囲に設定されている。
ミラー８２および８４は、入来レーザビーム２８ａに対して、レーザビーム２８ａが約４０°〜約５０°の範囲の入射角で、好ましくは約４５°の入射角で反射面８６に当たるように配置されている。反射面８６で反射されたレーザビーム２８ｂは、約４０°〜約５０°の範囲の入射角で、好ましくは約４５°の入射角で反射面８８に当たる。
【００２７】
以下で、図１の既知のビーム反転プリズム３０の修正形態であるビーム反転モジュールの別の実施形態を説明する。
図６は、図１のビーム反転モジュール１２の場合と同様にプリズム１０２を備えるビーム反転モジュール１００を示すものである。
プリズム１０２は、レーザビーム入射面１０４と、第１のＴＩＲ面１０６と、第２のＴＩＲ面１０８と、レーザビーム入射面１０４と一致するレーザビーム出口面１１０とを有する。
ＴＩＲ面１０６と１０８は、その間に６０°よりも大きい角度１１２を形成し、図６に示された実施形態では角度１１２は約９０°である。
【００２８】
熱レンズ効果を低減するかまたは防止するために、以下の方策を考慮に入れるべきである。
方策の１つには、入射面１０４を、入来レーザビーム２８ａに対して、入射角１１４がブルースター角を上回るように配置することによって、プリズム１０２を通って伝搬するときのレーザビームのビーム幅を増加させるものがある。プリズム１０２内でビーム幅が増加すると、ＴＩＲ面１０６および１０８に対する熱負荷が低減され得る。入射面におけるｐ偏光の光の反射が、もはやブルースター角よりも大きな入射角に抑制されないので、入射面１０４をＨＬＤ（高いレーザ耐久性）の反射防止コーティングでコーティングする必要がある。
ＴＩＲ面１０６、１０８におけるＴＩＲ吸収を低減するための別の方策には、ＣａＦ2上の電界を最小化する適切なコーティングによってＴＩＲ面１０６、１０８の電界条件を変化させるものがある。
熱レンズ効果を低減するためのさらなる方策には、０．２×１０-4ｃｍ／ｍＪ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するＣａＦ2をプリズム１０２の材料に用いるものがある。
図７は、たとえばパージガス１３６、１３８といったパージする媒体で光学素子１００を直接パージするためのパージ装置１３４が配置されている図６Ａの光学素子１００を再び示すものである。パージ装置１３４は、レーザビームが光学素子１００のＴＩＲ面１０６、１０８に当たるときの位置１４０、１４２に依拠するパージ率で光学素子１００をパージするように適合されている。矢印１４６、１４８は、レーザビームの位置に依存した局所的パージ率を示すものである。パージ率はレーザビームの位置１４０、１４２で最も高く、レーザビームの位置１４０、１４２の外側の光学素子１００の部位の上では低下する。
【００２９】
図８は、光学素子１００の位置ＰＯＳに対するパージ率ＰＲの依存性を示すものである。
【００３０】
図７および図８を参照しながら説明した、熱レンズ効果を低減するかまたは防止するための方策は、図３〜図５に関して説明した実施形態および方策と組合せ可能であることを理解されたい。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成29年5月15日(2017.5.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入来レーザビーム（２８ａ）が入るレーザビーム入射面（１０４）を有するプリズム（１０２）と、前記プリズム（１０２）に入る前記レーザビーム（２８ａ）を受けるための第１の内部全反射面（１０６）と、前記第１の内部全反射面（１０６）で反射された前記レーザビーム（２８ｂ）を受けるための第２の内部全反射面（１０８）であって、前記第１の内部全反射面（１０６）との間に６０°よりも大きい角度を形成する第２の内部反射面（１０８）と、前記第２の内部全反射面（１０８）で反射された前記レーザビーム（２８ｃ）が前記プリズム（１０２）から出て来るレーザビーム出口面（１１０）とを備える、レーザ機構の光パワー増幅器（１０）用のビーム反転モジュールであって、前記プリズム（１０２）を通って伝搬する前記レーザビーム（２８ａ、２８ｂ、２８ｃ）のビーム幅を、ブルースター角の下での幅よりも増加させるために、前記入射面（１０４）が、前記入来レーザビーム（２８ａ）に対して、前記入来レーザビーム（２８ａ）の入射角（１１４）がブルースター角を上回るように配置されているビーム反転モジュール。
【請求項２】
前記第１および第２の内部全反射面（１０６、１０８）が、面吸収を最小化するやり方でこれらの面（１０６、１０８）に関する電界条件を変化させる面保護コーティングを有する請求項１に記載のビーム反転モジュール。
【請求項３】
前記プリズム（１０２）が、０．２×１０-4ｃｍ／ｍＪ未満のリニアレーザ誘起吸収係数を有するＣａＦ2を用いて、好ましくは約１９３ｎｍの波長で製作されている請求項１または２に記載のビーム反転モジュール。
【請求項４】
前記レーザビーム入射面１０４および／または前記レーザビーム出口面（１１０）が、ＨＤＬ反射防止コーティングでコーティングされている請求項１から３までのいずれか１項に記載のビーム反転モジュール。