(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザにより生み出されたレーザビームの中央波長を制御する精確な波長制御を有する放電レーザであって、
Ａ）レーザチャンバと、
Ｂ）ビーム方向に長さ寸法を定める放電領域を形成する距離によって分離された細長い陽極と細長い陰極とを含む、前記チャンバ内に閉じ込められた細長い電極構造体と、
Ｃ）前記チャンバに包含されたレーザガスと、
Ｄ）前記レーザガスを前記チャンバ内に、及び、前記放電領域を通って循環させるファンと、
Ｅ）精確な波長制御装置であって、
１）前記中央波長を測定する波長計、及び
２）波長選択装置であって、
ａ）拡張ビームを生成するために、前記チャンバで生成されたレーザビームの一部分を拡張するように形成されたビーム・エキスパンダ、
ｂ）回折格子、及び
ｃ）前記回折格子に対する前記拡張ビームの照射角を調節する同調ミラーを有する照射角制御装置であって、
ｉ）前記ミラーの位置を制御する圧電ドライバ、
ｉｉ）前記圧電ドライバを制御するように形成された少なくとも１つのフィードバック制御システム、及び
ｉｉｉ）前記照射角制御装置内の少なくとも１つの場所で振動を測定するために置かれたロードセル
を含む照射角制御装置、
を含む波長選択装置、
を含む波長制御装置と、
を含むことを特徴とするレーザ。
【請求項２】
前記レーザは、継続時間が数ミリ秒の早期に起こるチャープを生み出すことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記照射角制御装置は、ステッパモータを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項４】
前記照射角制御装置は、前記早期に起こるチャープの形状を学習する学習アルゴリズムでプログラムされたプロセッサを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項５】
前記照射角制御装置は、２ミリ秒未満の時間でミラー調節をもたらすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項６】
前記照射角制御装置は、５００マイクロ秒未満の時間でミラー調節をもたらすように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項７】
前記照射角制御装置はまた、直線運動をするシャフトを有するステッパモータを含むことを特徴とする請求項６に記載のレーザ。
【請求項８】
前記照射角制御装置はまた、前記シャフトの直線運動の縮小をもたらすためのレバーアームを含むことを特徴とする請求項７に記載のレーザ。
【請求項９】
前記照射角制御装置は、粗い波長制御用のステッパモータ、及び、精密波長制御用の圧電ドライバを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記の少なくとも１つの場所は、同調ミラーであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１１】
前記照射角制御装置は、前記ロードセルからの信号に基づき、前記圧電ドライバを使用して、前記同調ミラーの位置を制御するように形成されていることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ。
【請求項１２】
前記精確な波長制御装置はまた、以前のパルスのバーストからの過去のパルスデータに基づき、レーザパルスのバーストの間、前記照射角制御装置を制御するコンピュータプログラムでプログラムされたプロセッサを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
【請求項１３】
前記コンピュータプログラムは、学習アルゴリズムを含み、目標とする範囲内の波長を有するレーザビームを生成するために、前記プログラムが前記同調ミラーの必要な調節を学習することを可能にすることを特徴とする請求項１２に記載のレーザ。
【請求項１４】
レーザにより生み出されたレーザビームの中央波長を制御する精確な波長制御を有する放電レーザであって、
Ａ）レーザチャンバと、
Ｂ）ビーム方向に長さ寸法を定める放電領域を形成する距離によって分離された細長い陽極と細長い陰極とを含む、前記チャンバ内に閉じ込められた細長い電極構造体と、
Ｃ）前記チャンバに包含されたレーザガスと、
Ｄ）前記レーザガスを前記チャンバ内に、及び、前記放電領域を通って循環させるファンと、
Ｅ）中心線波長を測定する波長計と、
Ｆ）同調ミラーを有し、少なくとも１つの圧電ドライバ及び回折格子を含む波長同調機構と、
Ｇ）前記波長同調機構内の振動を測定するためのロードセルと、
Ｈ）前記波長計からの測定情報を使用して、前記同調機構を制御するフィードバック制御装置と、
を含むことを特徴とするレーザ。
【請求項１５】
前記同調機構は、バーストの早期の部分で起こるチャープを緩和するために、同調ミラーと、パルスのバーストに先行して前記同調ミラーの位置を調節する調節機構とを含むことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１６】
前記早期に起こるチャープは、１ミリ秒未満の継続時間を持つことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項１７】
前記調節機構は、ステッパモータを含むことを特徴とする請求項１５に記載のレーザ。
【請求項１８】
前記調節機構は、前記早期の部分で起こるチャープの形状を学習する学習アルゴリズムでプログラムされたプロセッサを含むことを特徴とする請求項１５に記載のレーザ。
【請求項１９】
前記同調機構はまた、直線運動をするシャフトを有するステッパモータを含むことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項２０】
前記同調機構はまた、前記シャフトの直線運動の縮小をもたらすためのレバーアームを含むことを特徴とする請求項１９に記載のレーザ。
【請求項２１】
前記同調機構は、粗い同調のためのステッパモータと、精密な同調のための圧電ドライバとを含むことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ。
【請求項２２】
レーザにより生み出されたレーザビームの中央波長を制御する精確な波長制御を有する放電レーザであって、
Ａ）レーザチャンバと、
Ｂ）ビーム方向に長さ寸法を定める放電領域を形成する距離によって分離された細長い陽極と細長い陰極とを含む、前記チャンバ内に閉じ込められた細長い電極構造体と、
Ｃ）前記チャンバに包含されたレーザガスと、
Ｄ）前記レーザガスを前記チャンバ内に、及び、前記放電領域を通って循環させるファンと、
Ｅ）中心線波長を測定する波長計と、
Ｆ）同調ミラーと、前記同調ミラーを駆動する圧電ドライバ及び回折格子を含む波長同調機構と、
Ｇ）前記波長計からの測定情報を使用して、前記同調機構を制御するフィードバック制御装置と、
Ｈ）前記同調ミラーの振動を測定するように形成されたロードセルと、
Ｉ）前記ロードセルからの信号に基づき前記同調機構を制御するフィードバック制御装置と、
を含むことを特徴とするレーザ。
【請求項２３】
波長選択回折格子を有するライン・ナロード・レーザのための振動制御装置であって、
Ａ）前記回折格子装置に対する照射角を制御するミラーと、
Ｂ）前記ミラーを駆動する圧電ドライバ装置と、
Ｃ）前記ミラーに対する力を監視し、前記圧電ドライバ装置にフィードバック信号を供給する圧電ロードセル監視装置と、
を含むことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、２０００年２月９日提出の米国特許出願シリアル番号第０９／５０１、１６０号、２０００年６月１９日提出の米国特許出願シリアル番号第０９／５９７、８１２号、及び、２０００年１０月６日提出の米国特許出願シリアル番号第０９／６８４、６２９号の一部継続出願である。本発明は、レーザに関しており、詳細には、レーザの波長シフトの補正に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路製造用光源
ガス排出エキシマレーザの重要使途に集積回路製造用高品質光源の供給がある。これらの光源は、半導体ウェーハ製造工程においてフォトレジストを選択的に露光するステッパ機械及びスキャナ機械によって使用される。その様な製造工程においては、ステッパ及びスキャナ機械の光学機器は特定波長のレーザビーム用に設計される。レーザの波長は時間が経つうちにふらつくことがあるので、レーザの波長を検出し波長を設計範囲内に収めるためにフィードバック・ネットワークが用いられる。
【０００３】
従来技術の波長制御
レーザ波長を検出調節するのに使用されるフィードバック・ネットワークの１つのタイプでは、格子及びエタロンが各々レーザからの放射光の小ない部分を受け取る。格子から反射された光の帯域の位置が大まかな程度でレーザビームの波長を決める。エタロンは、レーザ光による干渉の打ち消しと強め合いとに起因する暗いレベルと明るいレベルとの同心円帯を有する干渉パターンを生成する。同心円帯は、中心光部分を取り巻いている。同心円帯の１つの直径を使用して、レーザの波長は、０．０１から０．０３ピコメートルほどの精密な程度まで決められる。
【０００４】
測定された波長を使用したレーザの波長調節には、多様なフィードバック方法が周知である。通常、調節は、ライン・ナローイング・パッケージ（ＬＮＰ）又はライン・ナローイング・モジュールと呼ばれる装置で行われる。エキシマレーザのライン・ナローイング及び調節に使用される普通の方法は、レーザの放射空洞の背後にレーザビームの一部が通り抜けてＬＮＰに入る窓を設けることである。そこで、この部分のビームがプリズムビーム拡張器によって拡張されて格子に向けられ、レーザの広帯域スペクトルの選択された狭帯域の部分を反射して放射室へと戻し、そこでそれが増幅される。レーザは、通常、ビームが格子を照射する角度を変えることによって調節される。これは、格子の位置を調節するか、ビーム光路におけるミラー調節によって行われる。これらの従来の波長調節技術は、比較的長い時間に亘り平均波長を目標とする範囲内に維持するのには非常に効果的である。しかし、それらは、波長を３から３０ミリ秒の短い時間、又は、１から３ミリ秒又はそれ以下の非常に短い時間で制御することにはあまり効果的ではなかった。従来技術の波長フィードバック制御技術には、波長シフトを検出して照射角を調節するのに必要な時間である数ミリ秒の応答時間があった。
【０００５】
波長チャープ
図１は、１０００ヘルツで作動しているレーザから出るパルスのバーストの間の波長シフトを示している。詳細には、図１は、約３５ミリ秒間に亘る目標とする波長出力からの約＋０．１から−０．０９ピコメートルの波長シフトを示している。このタイプの波長シフトは、波長「チャープ」と呼ばれる。これらのチャープは非常に予見が容易であり、パルスの多くのバーストの各々と同時に出現する。図１に示すように、波長チャープの後、波長出力は、急速で不規則に起きるにせよ最大の大きさで約０．０５ピコメートル未満である波長シフトに落ち着く。出願者は、パルスバーストの開始点近くのこの波長チャープは、レーザ放電領域内の変動する音響熱外乱に第一義的に起因すると考えて得る。これらのシフトは、数ミリ秒から５、６ミリ秒の時間に亘って生じる。従来の波長補正技術は、各パルスの開始点付近での大きく突然生じるこれらの波長シフトを適切に補正することができなかった。
【０００６】
振動
通常の従来技術波長補正技術はまた、バーストの間ずっと生じる小さくて非常に急速に生じる（高周波数）の波長シフトを補正することにおいて適切ではない。高周波数波長シフトは、第一義的にはＬＮＰそれ自体の内部のレーザ光学機器を含むレーザ光学機器の振動によって引き起こされるものと考えられる。振動タイプのシフトの大部分は、第一義的には回転するファン及びそのモータ駆動、及び、レーザの周期的な放電に起因すると考えられる。振動モードは、ＬＮＰとその構成要素を含む多様なレーザ構造体の共振条件によって増幅され得る。
【０００７】
エネルギチャープ
バーストモードで作動しているエキシマレーザはまた、波長チャープに似たパルスエネルギチャープを生成する。パルスエネルギチャープを最小化する従来技術が開示されてきた。その様な方法の１つは、光学／レーザ・マイクロリソグラフィー第５巻（１９９２年）の４７３−４８４ページに掲載の「マイクロリソグラフィーのための最新フッ化クリプトンエキシマレーザ、写真−光学計測技術者協会（ＳＰＩＥ）第１６７４巻」という名称の論文で本発明者の同僚により説明されており、その４８０ページを参照されたい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
必要なものは、短い、及び、１から３ミリ秒又はそれ以下の範囲の非常に短い時間、ガス放射レーザの波長を制御する装置である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高速波長補正を備えた放電レーザを提供する。高速波長補正装置は、少なくとも１つの圧電ドライブ、高速波長測定システム、及び、高速フィードバック応答システムを含んでいる。好ましい実施形態において、数ミリ秒の低速の時間的枠組み、約１から３ミリ秒の中間の時間的枠組み、及び、２、３マイクロ秒の非常に高速な時間的枠組みで波長を制御する装置が準備される。使われる技術には、比較的緩やかなステッパモータと、同調ミラーを使用したレーザ波長調節用高速圧電ドライバとの組合せが含まれる。好ましい制御技術が説明され（非常に高速な波長監視を利用して）、圧電ドライバによる低速及び中速波長制御と、非常に高速な（数マイクロ秒）波長制御をもたらすために圧電ドライバと組み合わせた圧電ロードセルとが提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
波長シフト
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図２Ｄは、各々グラフ１６、１８、２０、及び、２２であり、レーザから出た４つの連続バーストに亘る波長シフトを示している。グラフ１６、１８、２０、及び、２２は、特定のレーザから出た波長チャープの波長のドリフトの形又はパターンが各バースト間で類似していることを明らかにしている。６０パルスに亘って平均したデータは、グラフ１６、１８、２０、及び、２２で実線として示されている。これらのデータは、バーストの最初の３０ミリ秒の間の比較的予測可能なかなりの波長チャープ、及び、バースト全体を通じて比較的不規則なより小さな波長シフトを示している。
【００１１】
従来技術のステッパモータを使用するチャープ補正
図３のグラフ２６は、従来技術ステッパモータを使用して補正した波長出力を有するレーザから出たパルスのバーストの間の波長シフトを示している。グラフ２６の円内部分２８は、図１のグラフ１０の円内部分１２に対して、レーザの波長チャープ期間の波長ドリフトの大きさが大いに減少していることを表している。詳細には、グラフ２６に示されている波長チャープ期間における波長の最大シフトの大きさが約０．０５ピコメートルであることを示している。
ステッパモータ制御ライン２９は、レーザを調節する同調ミラー位置を制御するステッパモータがバーストの始まりで全段階上げを行い、パルス４で１／２段階下げが続き、パルス３６で更に１／２段階下げが続くことを示している。
【００１２】
第１の好ましい実施形態
本発明の第１の好ましい実施形態の重要な形態が図４に示されている。この実施形態は、ＫｒＦエキシマレーザシステムが集積回路製造の光源として有用なことを示している。システムは、２つの長い電極（図示せず）間をモータ駆動ファン（図示せず）によって循環しているレーザガスを含んでおり、電極間にはレーザ制御装置１０２によって制御されたパルス電力システム３６によって最高４、０００ヘルツまでの繰返率で放電が行われる。出力カプラ３８とＬＮＰ４０とによって形成された共振空洞がレーザビーム４２を生成する。レーザビーム４２の一部文が超高速波長計１０４によって監視され、超高速波長計１０４がパルスエネルギを測定してレーザ制御装置１０２に供給し、パルス出力を目標とする限度に維持するためにパルス電力システム３６をフィードバック制御するようにする。波長計はまた、レーザビームの中心線波長を測定してフィードバック信号をＬＮＰプロセッサに供給し、ＬＮＰプロセッサが、フィードバック信号を使用し、ステッパモータ８２及びＰＺＴドライバ８０（図１２Ａに示す）を制御して同調ミラー１４の位置を調節すると、同調ミラー１４が、出力ビームの中心線波長を目標とする限界内に収めるように制御するために、格子１６に当たるレーザビームの膨張部分の照射角度を制御する。この好ましい実施形態はまた、ＰＺＴロードセル８９（図４Ａに示す）を含んでおり、それが、高周波数振動（第一義的には、ファン及びそのモータと放射とによって生じる）を検出してフィードバック信号をＬＮＰプロセッサ１０６に供給し、ＬＮＰプロセッサ１０６は、対応する高周波数制御信号をＰＺＴドライバ８０に供給して高周波数振動によって生じた小さな高周波数波長シフトを減衰させる。この好ましい実施形態の重要な特徴を以下に詳細に説明する。
【００１３】
高速波長計
サンプリングされた出力ビームの部分
図５は、好ましい波長計装置１２０、絶対波長基準較正装置１９０、及び、波長計プロセッサ１９７の配置を示している。これらの装置の光学装置がパルスエネルギ、波長、及び、帯域幅を測定する。これらの測定値がフィードバック回路で使用され、パルスエネルギ及び波長を目標とする範囲に維持する。装置は、レーザオペレータによって指定された時、レーザシステム制御プロセッサからの指令に基づいて原子照合線源を参照して自己較正する。
図４及び図５に示すように、レーザ出力ビーム４２は部分反射鏡１７０と交差し、部分反射鏡１７０がビームエネルギの約９５．５パーセントを出力ビーム３３として通過させ、約４．５パーセントをパルスエネルギ、波長、及び、帯域幅測定用として反射する。
【００１４】
パルスエネルギ
反射された光の約４パーセントがミラー１７１によってエネルギ検出器１７２へと反射され、エネルギ検出器１７２は、毎秒４、０００から６、０００パルスの割合で生じている個々のパルスのエネルギを測定できる超高速光検出器６９を含んでいる。パルスエネルギは、約５ミリジュールであり、検出器６９の出力はコンピュータ制御装置に与えられ、制御装置は、特別のアルゴリズムを使用してレーザ充電電圧を調節し、個々のパルスのエネルギ及びパルスバーストの集積エネルギの変動を制限するために、蓄積エネルギデータに基づき将来のパルスのパルスエネルギを正確に制御する。
【００１５】
線形光ダイオードアレー
線形光ダイオードアレー１８０の感光面が図６に詳細に示されている。アレーは、１０２４個の別々の光ダイオード集積回路と、付随するサンプル及びホールド読み出し回路とを含む集積回路チップである。光ダイオードは、全長２５．６ミリメートル（約１インチ）に対して、２５マイクロメートルのピッチである。各光ダイオードの長さは、５００マイクロメートルである。
この様な光ダイオードアレーは、幾つかの供給元から入手可能である。好ましい供給元はハママツである。この好ましい実施形態においては、モデルＳ３９０３−１０２４Ｑを使用し、同モデルは、先入れ先出しに基づき最大４ｘ１０6ピクセル／秒の速度で読み取られ、この場合、完全な１０２４ピクセルの走査が４、０００ヘルツ又はそれ以上の速度で読み取られる。ＰＤＡは、２ｘ１０6ピクセル／秒で作動するように設計されているが、本出願者は、それをオーバクロックして遥かに速く、すなわち最大４ｘ１０6ピクセル／秒まで実行することができることを見出した。本出願者は、４、０００ヘルツを超えるパルス繰返数に対して同じＰＤＡを使用することができるが、ほんの少しのみ（例えば６０パーセントのピクセルは、通常、各走査ごとに読み取られる）である。
【００１６】
粗い波長測定
ミラー１７１を通過した約４パーセントのビームは、ミラー１７３によって反射され、スリット１７７を通過してミラー１７４に、そして、ミラー１７５に至り、１７４に戻ってエシェル格子１７６上に至る。ビームは、４５８．４ミリメートルの焦点距離を有するレンズ１７８によって平行にされる。格子１７６から反射された光は、レンズ１７８を通過して戻り、再びミラー１７４から反射され、次にミラー１７９から反射されて、図６Ａの上部に示すように、１０２４ピクセルの線形光ダイオードアレー１８０の左側、ピクセル６００からピクセル９５０の領域の上に焦点を結ぶ（ピクセル０から５９９は、精密波長測定及び帯域測定のためにとっておかれる）。光ダイオードに当たるビームの空間的位置は、出力ビームの相対的な公称波長の粗い尺度になる。例えば、図６Ａに示すように、約１９３．３５０ピコメートルの波長領域の光は、ピクセル７５０及びその隣接ピクセルに焦点が結ばれるであろう。
【００１７】
粗い波長の計算
波長計モジュール１２０の粗い波長測定光学機器は、線形光ダイオードアレー１８０の左側に約０．２５ミリメートルｘ３ミリメートルの垂直画像を形成する。１０又は１１個の照射された光ダイオードは、受け取った照射の強さに比例した信号を生成することになり、その信号は、波長計制御装置１９７のプロセッサによって読み取られデジタル化される。この情報及び補間アルゴリズムを使用して、制御装置１９７は、画像の中心位置を計算する。
【００１８】
この位置（ピクセルで測られる）は、２つの較正係数を使用し、位置と波長との直線的関係を仮定して、粗い波長に変換される。これらの較正係数は、以下に説明するように原子波長照合線源を参照することによって判断される。例えば、画像位置と波長との関係は、以下のアルゴリズムであってもよい。
λ＝（２．３ｐｍ／ピクセル）Ｐ＋１９１．６２５ｐｍ
ここで、Ｐ＝粗い画像の中心位置である。
代替的に、必要であれば、「＋（  ）Ｐ2」のような２次の項を付加することにより、一層の精度を加えることができるであろう。
【００１９】
精密波長測定
図５で示すように、ミラー１７３を通過するビームの約９５パーセントは、ミラー１８２で反射されてレンズ１８３を通過し、エタロン組立体１８４の入口にある拡散器に到達する。エタロン１８４を出るビームは、エタロン組立体の焦点距離４５８．４ミリメートルのレンズで集められ、図５で示すように２つのミラーで反射された後、線形光ダイオードアレー１８０の中央部及び右側部に干渉じまを生み出す。
【００２０】
波長計は、波長及び帯域幅をほぼリアルタイムで測定しなければならない。レーザの繰返率は４、０００ヘルツから６、０００ヘルツなので、経済的でコンパクトな演算電子機器で目標とする性能を達成するためには、正確でしかも多量な演算を伴わないアルゴリズムが必要である。従って、計算アルゴリズムは、浮動小数点計算ではなく整数を使用することが好ましく、数学的演算は、計算効率の良い（平方根、三角関数、対数などを使用しない）ことが好ましい。
【００２１】
ここで、好ましい実施形態で使用される好ましいアルゴリズムの特定な詳細を以下に説明する。図５Ｂは、線形光ダイオードアレー１８０によって測定された一般的なエタロンフリンジ信号を表す、図に示すように５つのピークを有する曲線である。中央ピークは、他のピークより高さが低く描かれている。異なる波長の光がエタロンに入るにつれ、中央ピークが上下し、時にはゼロに達する。この点で、中央ピークは波長測定には不適当となる。他のピークは、波長の変化に応答して中央ピークに近づいたり離れたりするので、ピークの位置を利用して波長を決めることができ、一方、それらの幅でレーザの帯域幅が測られる。各々データウィンドウと名付けられた２つの領域が図５Ｂに示されている。データウィンドウは、中央ピークに最も近いフリンジが一般に分析に使用されるように配置される。しかし、波長が変化してフリンジを中央ピークに近づけすぎると（それが歪みを生じることになって誤差をもたらす）、第１のピークがウィンドウの外側にあるのに２番目に近いピークがウィンドウの内側になり、ソフトウェアによって制御モジュール１９７のプロセッサは第２のピークを使用させられる。逆に、波長がシフトして現在のピークを中央ピークから遠ざけ、データウィンドウの外側に移動させると、ソフトウェアは、データウィンドウ内部の内側フリンジにジャンプする。
【００２２】
最大４、０００から６、０００ヘルツの範囲までの繰返率での各パルスに対する帯域幅の超高速計算に関して、好ましい実施形態では、図７で示すハードウェアを使用する。このハードウェアは、マイクロプロセッサ４００に米国アリゾナ州フェニックス所在のモトローラが供給するモデルＭＰＣ８２３、プログラムできる論理装置４０２に米国カリフォルニア州サンホセ所在のアルテラが供給するモデルＥＰ  ６０１６ＱＣ２４０、実行及びデータメモリバンク４０４、光ダイオードアレーデータを表形式で一時的に記憶する特別な超高速不規則アクセスメモリ４０６、メモリバッファとして作動する第３の４Ｘ１０２４ピクセル・不規則アクセスメモリ・メモリバンク４０８、及び、Ａ／Ｄ変換器４１０を含んでいる。
【００２３】
米国特許第５、０２５、４４６号、及び、米国特許第５、９７８、３９４号で説明されているように、従来技術の装置は、中心線波長及び帯域幅を測定するために、エタロン１８４及び線形光ダイオードアレー１８０によって生成されたエタロンフリンジを表す多量のＰＤＡデータのピクセル輝度データを解析する必要があった。このことは、波長及び帯域幅の各計算に対して、エタロンフリンジを探して記述するために約４００ピクセルの輝度値を解析する必要があったので、たとえコンピュータプロセッサを使用しても比較的時間のかかる処理であった。本発明の好ましい実施形態は、波長情報を計算するプロセッサと並行して演算する重要フリンジを見つけるプロセッサを備えることにより、この処理を大いに短縮する。
【００２４】
基本技術は、プログラムできる論理装置４０２を使用し、ＰＤＡピクセルデータが生成されるにつれてピクセルデータからフリンジデータ表を連続的に生成することである。論理装置４０２はまた、フリンジデータのどのセットが関連あるデータを表すかを識別する。次に、中央波長及び帯域幅の計算が必要になった時、マイクロプロセッサは、単に、識別された関連あるピクセルからデータを取り出して必要な中央値及び帯域幅の値を計算するだけである。この処理によって、マイクロプロセッサの計算時間は約１０分の１に低減する。
【００２５】
中央値及び帯域幅の計算処理の特定の段階は、以下の通りである。
１）クロックレート２．５メガヘルツで作動するＰＤＡ１８０を用いて、ＰＤＡ１８０は、ピクセル１から６００までのデータを走査速度４、０００ヘルツで収集し、ピクセル１から１０２４までを１００ヘルツの速度で読み取るようにマイクロプロセッサ４００によって指令される。
２）ＰＤＡ１８０によって生成されたアナログピクセル輝度データは、Ａ／Ｄ変換器４１０によってアナログ輝度値からデジタル８ビット値（０から２５５）に変換され、デジタルデータは、光ダイオードアレー１８０の各ピクセルの輝度を表す８ビット値として一時的に不規則アクセスメモリバッファ４０８に記憶される。
３）プログラムできる論理装置４０２は、不規則アクセスメモリバッファ４０８から出て通過するデータを、フリンジを探して連続的にほぼリアルタイムで分析し、全てのデータを不規則アクセスメモリ４０６に記憶し、各パルスに対する全てのフリンジを識別し、各パルスに対するフリンジの表を生成してその表を不規則アクセスメモリ４０６に記憶し、更なる解析のために各パルスに対して２つのフリンジの最良の１セットを識別する。論理装置４０２が使用する技術は、以下の通りである。
【００２６】
Ａ）ＰＬＤ４０２は、バッファ４０８を通過してくる各ピクセル値を解析し、それが輝度閾値を超えているかどうかを判断する一方、最小ピクセル輝度値を記録する。閾値を超えた場合、これはフリンジピークがやってくることを示している。ＰＬＤは、閾値を超える最初のピクセルを「上昇エッジ」ピクセル番号として識別し、「上昇エッジ」ピクセルに先行するピクセルの最小ピクセル値を記憶する。このピクセルの輝度値は、フリンジの「最小値」として識別される。
Ｂ）ＰＬＤ４０２は、次に、後続のピクセル輝度値を監視し、フリンジのピークを探す。ＰＬＤ４０２は、最高輝度値を輝度が閾値輝度未満に下がるまで記録し続けることによってこれを行う。
Ｃ）閾値未満の値を有するピクセルが見つかると、ＰＬＤは、それを下降エッジピクセルの番号として識別し、その最大値を記憶する。ＰＬＤは、次に、下降エッジ番号から上昇エッジ番号を引くことによってフリンジの「幅」を計算する。
Ｄ）上昇エッジピクセル番号、最大フリンジ輝度、最小フリンジ輝度、及び、フリンジの幅の４つの値が不規則アクセスメモリ・メモリバンク４０６のフリンジ区域の循環表に記憶される。ほとんどのパルスは、２つのウィンドウ内に２から５のフリンジしか生成しないが、最大１５フリンジを表すデータを各パルスについて記憶することができる。
Ｅ）ＰＬＤ４０２はまた、各パルスに関して各パルスに対する「最善」の２つのフリンジを識別するようにプログラムすることもできる。ＰＬＤ４０２は、０から１９９のウィンドウ内に完全に含まれる最後のフリンジ、及び、４００から５９９のウィンドウ内に完全に含まれる最初のフリンジを識別することによってこれを行う。
【００２７】
パルスの後に（１）ピクセルデータの収集、及び、（２）そのパルスに対するフリンジの循環表の形成、のために要する全時間は、約２００マイクロ秒に過ぎない。この技術の主な時間節約上の利益は、フリンジの探索がフリンジデータを読み出し、デジタル化し、そして、記憶しながら起こっていることである。特定のパルスに対する２つの最良のフリンジが一旦識別されれば、マイクロプロセッサ４００は、２つのフリンジが存在する領域の生ピクセルデータを不規則アクセスメモリ４０６から確保し、そのデータから帯域幅及び中央波長を計算する。計算方法は以下の通りである。
【００２８】
エタロンフリンジの一般的な形が図１８Ｂに示されている。ＰＬＤ４０２の先行する作業に基づき、ほぼピクセル１８０で最大値を有するフリンジと、ほぼピクセル４５０で最大値を有するフリンジとがマイクロプロセッサ４００に識別されることになる。これら２つのピクセル最大値を囲んでいるピクセルデータは、マイクロプロセッサ４００によって解析され、フリンジの形と位置とが形成される。これは以下のように行われる。
Ａ）フリンジ最大値からフリンジ最小値を引き算し、差を２で割り算し、結果をフリンジ最小値に加えることによって半最大値が決められる。２つのフリンジの各上昇エッジ及び各下降エッジに対して、２つのピクセルが半最大値より大きくて最もそれに近い値と小さくて最もそれに近い値とを有する。マイクロプロセッサは、次に各々の場合において、２つのピクセル間で外挿し、図１８Ｂで示すようにＤ１及びＤ２の末端を１／３２ピクセルの精度で形成する。これらの値から円形フリンジの内径Ｄ１及び外径Ｄ２が決められる。
【００２９】
精密波長計算
精密波長計算は、粗い波長測定値と、Ｄ１及びＤ２の測定値とを使用して行われる。
波長の基本方程式は、
λ＝（２＊ｎ＊ｄ／ｍ）ｃｏｓ（Ｒ／ｆ）．                        （１）
ここで、
λは、ピコメートルで表した波長、
ｎは、エタロンの屈折内部係数であって、約１．０００３、
ｄは、エタロンの間隔であって、ＫｒＦレーザで約１５４２ミクロン、及び、ＡｒＦレーザで約９３４ミクロンであり、±１ミクロンに調節されている、
ｍは、オーダーであって、フリンジピークでの波長の整数値で約１２４４０、
Ｒは、フリンジの半径であって、１３０から２８０ＰＤＡピクセルであり、１ピクセルは２５ミクロン、そして、
ｆは、レンズからＰＤＡ平面までの焦点距離、
である。
【００３０】
ｃｏｓの項を展開して無視できるほど小さい数である高次の項を捨てると、
λ＝（２＊ｎ＊ｄ／ｍ）｛(１−（１／２）（Ｒ／ｆ）2｝．          （２）
直径Ｄ＝２＊Ｒを使って式を変形すると、
λ＝（２＊ｎ＊ｄ／ｍ）｛１−（１／８）（Ｄ／ｆ）2｝．          （３）
波長計の主要な役目は、Ｄからλを計算することである。これには、ｆ、ｎ、ｄ、及び、ｍを知ることが必要である。ｎ及びｄは、共にエタロンに固有であるので、それらはＮＤという単一の較正定数にまとめられる。ｆは、単純な比のためにＤの単位と一致するようにピクセル単位を持つＦＤという別の較正定数であると考えられる。整数のオーダーｍは、波長、及び、どの１対のフリンジを選択するかに依存して変化する。ｍは、粗いフリンジの波長を使用して決められ、本目的にとって十分に正確である。
【００３１】
これらの式のいくつかの長所は、大きな数の全てが正の数であることである。ＷＣＭのマイクロコントローラは、ほぼ３２ビットの精度を維持しつつこの計算を行うことが可能である。括弧で囲んだ項をＦＲＡＣと呼ぶことにする。
ＦＲＡＣ＝｛１−（１／８）（Ｄ／ＦＤ）2｝                      （４）
ＦＲＡＣは、内部的には、その基数点を最有効ビットの左側に持つ無符号の３２ビット値で表される。ＦＲＡＣは、常に１よりほんの僅かに小さいので、そこにおいて最大精度が得られる。ＦＲＡＣは、Ｄの範囲｛５６０〜２６０｝ピクセルに対して、｛１−１２０Ｅ−６｝から｛１−２５Ｅ−６｝までの範囲に及ぶ。
【００３２】
ＮＤ較正が導入されると、波長計は、フェムトメートル（ｆｍ）＝１０-15メートル＝０．００１ピコメートルの内部波長単位を有する２ＮＤ＝２＊ＮＤと表記された内部的無符号６４ビット値を計算する。内部的には、やはりｆｍ単位を用いて、波長λを精密波長を意味するＦＷＬと表す。これらの変数によって式を書き直すと、
ＦＷＬ＝ＦＲＡＣ＊２ＮＤ／ｍ．                                （５）
【００３３】
ＦＲＡＣの基数点シフトは、数式が処理してｆｍ単位のＦＷＬが得られる。式を変形してｍについて解き、ＣＷＬで表した既知の粗い波長を代入すると、やはりｆｍ単位で、
ｍ＝最も近い整数（ＦＲＡＣ＊２ＮＤ／ＣＷＬ）．                  （６）
最も近い整数を取るのは、古い枠組みに中で粗い波長に最も近い精密波長に届くまでＦＳＲを加算又は減算するのと同等である。式（４）、（５）、及び、（６）を順次解くことによって波長を計算されたい。内径及び外径に対して別々にＷＬが計算される。その平均がライン中央波長であり、その差がライン幅である。
【００３４】
帯域幅の計算
レーザの帯域幅は（λ2−λ1）／２として計算される。真のレーザ帯域幅に加わっているエタロンピークの固有幅を考慮するために、一定補正係数が適用される。数学的には、逆畳み込みアルゴリズムで測定幅からエタロン固有幅を除くのが正式であるが、これには余りにも多くの演算が必要と思われるので、一定の補正値Δλεが減算されるが、これで十分な精度がもたらされる。従って、帯域幅は、
Δλ＝｛（Ｄ2−Ｄ1）／２｝−Δλε
Δλεは、エタロンの仕様と真のレーザ帯域幅との双方に依存する。本明細書で説明する適用例に対しては、それは、通常０．１から１ピコメートルの範囲にある。
【００３５】
パルスエネルギのフィードバック制御
上記で説明したような各パルスのパルスエネルギの測定に基づき、本明細書において参照文献として援用されている米国特許第６、００５、８７９号の「エキシマレーザのためのパルスエネルギ制御」にその全てが説明されている通り、後続のパルスエネルギを制御して目標とするパルスエネルギが維持され、また、指定された数のパルスの目標とする全集積線量も維持される。
【００３６】
波長の高速フィードバック制御
レーザの波長は、波長の測定値と、これも本明細書において参照文献として援用されている米国特許第５、９７８、３９４号の「エキシマレーザのための波長システム」で説明されている技術などの従来技術で既知の手法とを使用して、フィードバック装置で制御されてもよい。本出願者は、最近、圧電ドライバを利用して超高速の同調ミラー作動をもたらす波長同調技術を開発した。これらの技術のいくつかは、本明細書において参照文献として援用されている、２０００年６月３０日出願の米国特許出願シリアル番号第６０８、５４３号の「レーザ用帯域幅制御技術」で説明されている。図２２Ａ及び図２２Ｂは、同出願から引用されており、この技術の主要な要素を示している。圧電スタックが超高速ミラー調節用に使用され、大きく緩やかな調節は、レバーアームを操作する従来技術のステッパモータによって行われる。圧電スタックは、レバーアームの支点の位置を調節する。
【００３７】
高速ミラー調節
図４、図４Ａ、及び、図４Ｂは、ミラー１４の超高速調節を可能にする装置を示している。この実施形態は、上記で説明したステッパモータ駆動システムに比較して相当の時間短縮であるが、パルスごとの調節ができるほど十分な速さではない。上記で指摘したように、以前の方法によるミラー位置決め方法は、同調ミラー１４を動かすのに７ミリ秒かかり、２０００ヘルツでのパルスごとの波長補正は論外である。その以前の方法は、レバーアームが枢軸の回りを枢転して、ステッパ位置の動きに比較してミラーの動きの１／２６．５の低減を生み出す。従来技術のステッパは、１／２インチ（１２．７ミリメートル）の全行程と６０００ステップとを有しており、それにより、各ステップは約２ミクロンの距離である。１対２６．５の減少により、１ステップがミラーを約７５ナノメートル移動させ、これは、通常、レーザ波長の波長を約０．１ピコメートル変化させる。図４Ａに示す高速作動技術において、圧電スタック８０がレバーアームの枢転位置に加えられている。好ましい圧電スタックは、ドイツ国ワルドブロン所在のフィジーク・インストルメント・ジー・エム・ビー・エイチ（ＧｍｂＨ）から供給されるモデルＰ−８４０．１０である。
【００３８】
図８は、本発明のこの好ましい実施形態の詳細な形態を示す図面である。ミラー１４の位置の大きな変化は、ステッパモータによって２６．５対１のレバーアームを通じて為される。この場合、圧電ドライブ８０の末端のダイヤモンドパッドがレバーアーム８４の支点において接触球面ツールボールに設けられる。レバーアーム８４の頂点とミラーマウント８６との接触点には、レバーアーム上のダウピンと、８５で示すようなミラーマウント上に取り付けられた４つの球面ボールベアリング（そのうち２つのみの一部分が示されている）とが備えられている。圧電ドライブ８０は、圧電マウント８０Ａを備えたＬＮＰフレーム上に取り付けられ、ステッパモータは、ステッパモータマウント８２Ａを備えたフレームに取り付けられる。ミラー１４は、３つのアルミ球面を使用し、１つだけが図８で示されている３点マウントを備えたミラーマウント８６に取り付けられる。３つのばね１４Ａが圧縮力を加えてミラーを球面に押しつけ保持する。この実施形態は、ドラム湾曲部８８を備えたベローズ８７を含み、ＬＮＰの内部環境から圧電ドライブを隔離する。この隔離によって圧電素子に対するＵＶ被害を防ぎ、圧電材料から出るガスによって生じる可能性のある汚染を回避する。この実施形態はまた、ＰＺＴスタック８０の頂点付近に取り付けられたロードセル８９を含み、以下でより詳細に検討するフィードバック高周波数振動信号を準備する。
【００３９】
該スタックは、２０ボルトの駆動電圧変化で約３．０ミクロンの直線的調節を生じることになる。この範囲は、ステッパモータの約±２０ステップと同等である。
該スタックは、０．１ミリ秒未満以内に制御信号に応答し、システムは、２０００ヘルツの周波数で更新信号に容易に応答することができる。好ましくは、波長計が十分に速く、各パルスに先立って先行するパルスから出たデータに基づきフィードバック信号を供給することになる。フィードバックデータは、直前のパルスに基づくのではなく、直前のパルスに先行するパルスに基づくようにして、波長計算の十分な時間を与えるようにすることもできるであろう。１パルスおきでも７ミリ秒の待ち時間がある従来技術の設計よりも７倍の改善をもたらすであろう。従って、遥かに速いフィードバック制御が準備される。１つの好ましいフィードバック制御アルゴリズムが図９で説明されている。このアルゴリズムにおいて、波長は、各パルスごとに測定され、最後の４パルス及び２パルスの波長の平均が計算される。どちらかの平均が目標波長から０．０２ピコメートル未満で逸脱した場合、調節は為されない。両方が０．０２ピコメートルを超えて目標から逸脱する場合、圧電スタック８０によってミラー組立体が調節され、波長補正が行われる。どちらの平均が使用されるかは、最後の調節からどれだけの時間が経っているかで判断される。圧電スタックは、スタックがその範囲の３０から６０パーセント（代替的に、４５及び５５パーセントなどの他の範囲を３０から７０パーセントの範囲の値の代わりに使用することができるであろう）に近づくとステッパモータをステップさせてその制御範囲内に維持される。ステッパモータは、ステップを完了するのに約７ミリ秒必要とするので、ステップモータの１ステップの間にアルゴリズムは何度かの圧電調整を行うこともある。代替的に、図９のアルゴリズムの代わりに図１１のＬ領域に関して説明される伝統的な比例アルゴリズムがある。
【００４０】
振動制御
この好ましい実施形態は、第一義的には回転するファン及びそのモータドライバと放電とによるレーザ装置（特に、光学構成要素）の低振幅高周波振動型の外乱による中心線波長シフトのフィードバック制御を準備する。この好ましい実施形態では、圧電ロードセル８９（約０．２５インチの直径ｘ０．０２インチ）が図８に示すようにＰＺＴスタック８０の頂点付近に配置される。ロードセルは、好ましくは、米国特許第５、６５６、８８２号（この引用により、本明細書において参照文献として援用されている）で説明されているようにまとめられる。ロードセルは、球面接点９０とドラム形態８８との間に位置する。
【００４１】
この実施形態では、圧電セラミックセンサの２つの主側面への電気的結合は絶縁された銅トレースを通じて達成される。代替的に、圧電セラミック材料の裸の一片は、圧電セラミック材料の電導性表面への何らかの電気結合手段（例えば、３０米国電線規格（ＡＷＧ）銅線）と共にロードセルとして利用することができるであろう。ロードセンサを利用して、球面接点、ドラム湾曲部、及び、ステッパマイク・レバーを通して圧電セラミックスタックによりＲMAXホルダに加えられる力を測定する。これらの力は、上記の振動型外乱の結果である。
ＰＺＴロードセル８９は、ＰＺＴスタック８０によって加えられた力に応答して、又は、ＲMAXホルダ８４又は接続構造体の振動に応答して、数十ボルトを生み出す。ＰＺＴロードセル８９によって発生する信号レベルは、一般に、力又は振動に比例する。センサは、約１００キロヘルツを超える周波数の力又は振動を容易に測定できるし、最低０．０１ニュートンの力まで検出できる。
【００４２】
アクチブ減衰
図８の実施形態において、ロードセル８９をアクチブ減衰モジュール３２０及びＰＺＴスタック８０と結合して使用し、構造的振動を低減し、ライン中央安定性を改善する。より詳細には、アクチブ減衰を適用して中央波長誤差（通常３０パルス「ウィンドウ」のデータから収集された波長データに基づき計算され、その平均が「３０パルス移動平均」と呼ばれる）、及び、３０パルス移動標準偏差を計算する。図８で、ロードセンサ８９は、加えられた負荷又は振動に比例する電荷３３０を放出する。電荷は、電荷増幅回路（信号調整器を備えた）３３２に供給され、それを電荷に比例する電圧に変換することによって信号を調整するのに使用される。その様な電荷増幅回路の設計の詳細は、ピー・シー・ビー（ＰＣＢ）・ピエゾトロニクス・インコーポレーテッドの「ＩＣＰ及び電荷圧電センサのための信号調整入門」という名称の技術サポート文書、又は、振動センサ設計及び実装を扱う類似の取扱マニュアルに見出すことができる。
【００４３】
電圧信号３３１は、この場合米国カリフォルニア州シミ・バレー所在のイノベイティブ・インテグレーション・インコーポレーテッドによって供給されるモデルＳＢＣ６７であるプロセッサ３３３に供給される。このプロセッサは、アナログ入出力を特徴とする高性能独立型デジタル信号プロセッサ単一基板コンピュータである。電圧信号３３１がアナログ入力に供給され、このアナログ入力が次にデジタル信号に変換され、それがプロセッサによって適切なアルゴリズム（以下に説明する）で使用され、デジタル出力信号を生成し、それが次にアナログ出力信号３３４に変換される。このアナログ出力信号３３４が次にＬＮＰプロセッサ１０６から来る中央波長制御信号と共に合計されて（電気的に）、指令信号としてＰＺＴスタックに加えられる。
【００４４】
フィルタ（フィードバック制御アルゴリズム）は、標準的な線形２次調整器アプローチを使用して、圧電スタック制御電圧がスタックアクチュエータ装置又は増幅器の限界を超えないことを確実にするように設計されてもよい。閉鎖フィードバックループのアクチュエータ電圧は、構造内の振動に付随するロードセンサ信号８９に比例する。幾つかのタイプの制御フィルタがアクチブ減衰構造に応用可能である。本件の場合、１対のアクチュエータ／センサと、（周波数に関して）十分に間隔の空いた制御されるべき数モードとを用いて、狭帯域フィルタは、別の場所にフィードバック利得をほとんど又は全く付加することなく、安定性を強めながら、関連ある自然周波数での利得と位相との正確な組合せをもたらす。その様な制御アプローチは、正の位置フィードバックと呼ばれている。この制御アプローチは、１９９０年発行の米国航空宇宙工学協会（ＡＩＡＡ）雑誌、第２８巻７１７−７２４ページに掲載のファンソン、Ｊ．Ｋ．及びコーフィー，Ｔ．Ｋ．著の論文「大型宇宙構造体のための正の位置フィードバック制御」において詳細に論じられている。これらのアプローチはまた、位置アクチュエータへの力のフィードバックという随伴問題にも当てはまる。制御設計は、特定の適用例の要求に合わせて行うべきである。好ましい技術とは、米国マサチューセッツ州ケンブリッジ所在のアクチブ・コントロール・エキスパーツ・インコーポレーテッドから市販されているスマートＩＤシステム識別ソフトウェアパッケージのようなソフトウェアパッケージを使用して、伝達関数データから状態−空間プラントモデルを作り出すことである。フィルタ（又は、制御装置）は、ファンソン（上記を参照されたい）により説明されたものや、１９９６年にシー・アール・シー（ＣＲＣ）・プレスから出版されたウィリアム・Ｓ・レビン編の「制御ハンドブック」で与えられるものなどのコンピュータシミュレーション及び技術を使用して設計されることが好ましい。
【００４５】
本出願者は、これらの外乱の供給源を測定する研究を行い、波長シフトの高速の不規則成分が持続的外乱によって引き起こされると判断した。不規則な成分の大部分は、送風機によって生じる。この外乱は、かなり広帯域であり不規則である。それは、最大１５００ヘルツまでの非常に多くの共振を励起し、加えて１つの重要なアウトライアーをずっと高い周波数で励起する。本出願者の試験は、励起された周波数が送風機速度の関数として有意にシフトしないことを示した。しかし、様々な周波数での外乱の大きさは、送風機の速度に影響される。
【００４６】
システムのどの構成要素が振動しているのかを判断するために、実験データと共にレーザシステムのモード識別が用いられた。モード識別には、与えられた周波数での振動の一般的形状を測定するための、レーザシステムの異なる部分の変位のマッピングが関わっている。加速度計、歪み計、ＰＺＴ歪みセンサ、及び、ロードセルを使用して、関連ある様々な周波数でのシステムのモード応答を構成した。システムのモード応答は、検出された特定周波数に対して決められた（４４ヘルツ、１７８ヘルツ、５９０ヘルツ、及び、９００から１０００ヘルツなど）。本出願者は、試験された特定のレーザの場合、４４ヘルツモードは、ＬＮＰのカンチレバーによる振動を表し、１７８ヘルツの振動は、ＬＮＰの曲がりやねじれによるものと判断した。５９０ヘルツモードは、ＬＮＰ構造の相対する部分が反対に振動するＬＮＰの複雑な運動を表している（呼吸運動）。このモードは、構造モードの２６８２ヘルツでのエーリアシング周波数である。９００から１０００ヘルツの範囲でのモードの一群は、１１００から１２００ヘルツの間に位置する構造モードの一群から下方にエーリアシングしたモードのセットを表している。この一群に位置する構造モードは、ステアリングミラーの局所的モードである。モードのこのグループの位置は、ミラー組立体の特定の設計の関数として変動してもよい。
【００４７】
本出願者は、中央波長の変動の約５０パーセントは、チャンバ内の送風機によって不規則に励起されるおおよそ１１００ヘルツから１２００ヘルツの間の構造的共振のセットに起因すると判断した。この実施形態では、これらのモードは、約２０キロヘルツの高サンプリング速度で作動されるＰＺＴスタックドライブ列のＰＺＴロードセル８９によって測定される力のフィードバックを通して、ＰＺＴスタックによって集合的にアクチブに制御される。このサンプリング速度は、上記で説明した波長計で利用可能なフィードバック信号よりも約２０倍速い。アクチブフィードバックのためには、通常、制御したいと思うモードの周波数よりも少なくともほぼ１０倍速い速度でサンプリングできるフィードバックセンサ信号を有することが好ましい。理想的には、誤差の中央波長と相関した、より高い帯域幅の測定信号が、フィードバック測定値として利用できるであろう。この時点で、ＰＺＴロードセル信号はフィードバックとして使用される。
ＰＺＴロードセルは、非常に堅く、システムの小さな力によって課せられる要求を満足するのに十分なほど敏感であり、アクチブ減衰フィードバックのための高帯域幅の「常時オン」信号を供給する。「常時オン」という形態はまた、光の測定のフィードバックを通じて達成される外乱排除制御と異なり、バースト開始時における過渡的な制御装置力学に関するいかなる問題も除去する。
【００４８】
上記で説明したように、実装したフィードバック制御解決方法は、図８に示すようなＰＺＴロードセル８９及びＰＺＴスタックアクチュエータから成っている。この高周波数フィードバック制御システムは、好ましくは、前置及び後置増幅器を含み、十分に清浄なフィードバック／フィードフォワード信号を得られるように設計され、プロセッサによって合成された制御信号を米国特許第５、６５６、８８２号で説明されるような技術を使用して正確なアクチュエータ信号に変換するように設計されている。アクチュエータは力をミラーに附与し、その力が外乱に対して対抗するか又は打ち消して、振動が引き起こした波長シフトの低減をもたらす。
【００４９】
本出願者が行った実際の試験は、このフィードバック振動制御が波長誤差自己スペクトルを０．０３７ピコメートルＲＭＳから０．０２９ピコメートルＲＭＳまで約２０パーセントだけ低減することを示した。加えて、本出願者が行った実際の試験は、このフィードバック振動制御が移動ウィンドウ標準偏差を０．０４８ピコメートルから０．０３０ピコメートルまで約３３パーセントだけ低減することを示した。
【００５０】
図１２、図１３Ａ、及び、図１３Ｂは、アクチブ減衰振動制御が実装されている図８の実施形態を備えたレーザから得た実際の試験データを示している。図１２のグラフは、アクチブ減衰開放ループ及び閉鎖ループで２１００繰返率で得られた波長誤差自己スペクトル（含まれているピコメートル／ボルト縮尺率なしで）のプロットである。グラフ１３Ａ１、２、及び、３と、グラフ１３Ｂ１、２、及び、３とは、２１００ヘルツ繰返率での多数のバーストから計算された移動窓データのプロットである。これらのグラフは、ライン中央誤差、目標値からの平均波長偏差、及び、平均標準偏差を示している。１３Ａのプロットは、開放ループ、１３Ｂのプロットは、閉鎖ループである。図表は、閉鎖ループ形態による標準偏差のかなりの低減を示している。
【００５１】
適応フィードフォワード
本発明の好ましい実施形態は、フィードフォワードアルゴリズムを含む。これらのアルゴリズムは、図１及び図２Ａから図２Ｄに示されているような既知のバースト作動パターンに基づき、レーザオペレータがコード化することができる。代替的にこのアルゴリズムは、適応性があるようにでき、それにより、レーザ制御が上記の図表に示されているようなバーストパターンを検出し、次にシフトを防ぐ又は最小化するために、波長シフトを予見してミラー１４の調節をもたらすように制御パラメータを改訂する。
この適応性のあるフィードフォワード技術は、１つ又はそれ以上の先行するバーストから得たデータから、チャープ効果を逆転するためにＰＺＴスタックを使用して、ソフトウェアにおいて与えられた繰返率でチャープモデルを構築することに関わる。
【００５２】
チャープの逆転を適切に設計するためには、（１）ＰＺＴスタックのパルス応答、及び、（２）チャープの形状、の２つの情報が必要である。各繰返率に対し、ＰＺＴスタックのパルス応答によるチャープ波形の逆畳込みでパルスの列が生じることになり、これが（適切な符号で）ＰＺＴスタックに加えられるとチャープを打ち消すことになる。１セットの繰返率で振る舞いを調査することによって、この計算はオフラインですることができる。データ列は、パルス番号及び繰返率で索引を付した表に記憶することができるであろう。演算の間この表を参照して、適応性のあるフィードフォワード逆転において使用される適切な波形データを取り出すことができるであろう。繰返率が変化する毎に、演算の始まりに数バーストのデータを使用し、ほとんどリアルタイムでチャープ形状のモデルを獲得することもまた可能であり、実際に好ましい場合がある。そうすれば、このチャープ形状モデル、及び、恐らくはＰＺＴパルス応答モデルも同様に、モデルとデータとの間の蓄積された測定誤差に基づき、Ｎバーストごとに更新される（例えば、適応される）ことができるであろう。好ましいアルゴリズムは、図１１に説明されている。
【００５３】
パルスのバーストの始まりにおけるチャープは、図１１で説明したアルゴリズムを使用して制御することができる。文字ｋは、バースト内のパルス番号を意味する。バーストは、ｋ領域とｌ領域との２つの領域に分けられる。ｋ領域は、ｋ番目より若い番号のパルス用である（チャープを包含するのに十分な長さに時間を定める）。独立の比例定数Ｐk、積分定数Ｉk、及び、ライン中央誤差の積分合計ΣＬＣＥkが各パルス番号に対して使用される。次のバーストのｋ領域における対応するパルス番号に対するＰＺＴ電圧がこれらの定数及び合計を使用して判断される。ｋ番目のパルスの後、従来の比例積分ルーチンがＰＺＴ電圧を制御する。このバースト内の次のパルスの電圧は、現在の電圧にＰ＊ＬＣＥ＋Ｉ＊ΣＬＣＥを加えたものになる。このアルゴリズムの主要な段階を説明する流れ図は、図１１に与えられている。
【００５４】
試験結果
図９は、図８の実施形態に適合するレーザから得た実際の試験データを示している。グラフは、平均３０パルスのウィンドウの目標波長からの偏りのプロットである。偏りは、約０．０５ピコメートルから約０．００５ピコメートルへと減少する。
【００５５】
本発明の他の多くの実施形態が、レーザシステムや、半導体、電子工学、光学、又は、医学市場向けの別の主要装置又は副次的装置における同じ又は類似の目的を達成するために開発されてもよい。
例えば、他のセンサが制御用に使用されてもよい。考慮されるセンサは、適切に又は十分に性能計量（レーザ波長の安定性の場合、波長とその標準偏差とは性能計量の例である）と相関しているであろう。加えて、センサはまた、分解能、精度、敏感性、及び、信号帯域幅を含む適切な性質を有している必要がある。考慮される他のセンサは、レーザの構造又は構成要素の歪みを測定する歪みセンサを含む。様々な位置センサもまた、容量性、誘導性、及び、光学変位センサを含め考慮されるであろう。加速計もまた、適当な場合には考慮されるであろう。加えて、光信号のより高速な測定が可能なセンサもまた振動を低減し、それによって、波長安定性を改善するのに使用できるであろう。
【００５６】
他のアクチュエータもまた、ステッパモータ又はＰＺＴスタックと置換したりこれを強化したりするために考慮される。これらには、電磁及び誘導モータ、及び、ロータリー圧電セラミックモータが含まれる。
加えて、交替プロセッサ又はアクチブ減衰モジュールを使用する解決方法が考慮される。例えば、全ての処理は、全信号調節、動力電気工学、及び、制御装置処理、制御装置実装、データ記録、及び、他のニーズを処理するように適切に設計された、ただ１つのシステムを使用して行うことができるであろう。
従って、添付の請求範囲は、全てのそのような変更や修正が本発明の真の精神と範囲とに入るように、その範囲内に包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザからのパルスバーストの間の波長のドリフトの従来技術による測定グラフである。
【図２Ａ】レーザからの４つの連続パルスバーストのうちの１つの間の波長ドリフトの従来技術による測定グラフである。
【図２Ｂ】レーザからの４つの連続パルスバーストのうちの１つの間の波長ドリフトの従来技術による測定グラフである。
【図２Ｃ】レーザからの４つの連続パルスバーストのうちの１つの間の波長ドリフトの従来技術による測定グラフである。
【図２Ｄ】レーザからの４つの連続パルスバーストのうちの１つの間の波長ドリフトの従来技術による測定グラフである。
【図３】低速応答ステッパモータを使用して補正された波長出力を有するレーザからのパルスバーストの間の波長ドリフトの測定グラフである。
【図４】高速で精密な波長制御を提供するために提案された技術を示す図である。
【図４Ａ】高速で精密な波長制御を提供するために提案された技術を示す図である。
【図４Ｂ】高速で精密な波長制御を提供するために提案された技術を示す図である。
【図５】波長計の図面である。
【図５Ａ】波長の計算方法を示す図である。
【図５Ｂ】波長の計算方法を示す図である。
【図６】光ダイオードアレーの表面を描いた図である。
【図６Ａ】図６の光ダイオードアレーの表面に格子及びエタロンの画像が現れる様子を示す図である。
【図７】波長計算ハードウェアの配置を示す図である。
【図８】高速ミラードライバを示す図である。
【図８Ａ】制御モジュールを示す図である。
【図９】フィードバック制御アルゴリズムの流れ図である。
【図１０】試験結果を示す図である。
【図１１】フィードフォワード制御アルゴリズムの流れ図である。
【図１２】試験結果を示す図である。
【図１３Ａ】試験結果を示す図である。
【図１３Ｂ】試験結果を示す図である。
【符号の説明】
３４  レーザ・チャンバ
３６  高圧パルス電力
３８  出力カプラ
４０  ライン・ナローイング・パッケージ
４２  レーザ出力ビーム
１０２  レーザ制御装置
１０４  超高速波長計
１０６  ライン・ナローイング・パッケージ・プロセッサ
１７０  部分反射鏡
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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