JP5474576B2 - レーザ光増幅器及びそれを用いたレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、シードレーザ光を増幅するレーザ光増幅器、及び、そのようなレーザ光増幅器を用いたレーザ装置に関し、特に、極端紫外（ＥＵＶ）光源装置においてターゲット物質にレーザ光を照射してターゲット物質をプラズマ化するドライバレーザ装置に関する。

近年、半導体プロセスの微細化に伴って光リソグラフィにおける微細化が急速に進展しており、次世代においては、６０ｎｍ〜４５ｎｍの微細加工、さらには３２ｎｍ以下の微細加工が要求されるようになる。そのため、例えば、波長１３ｎｍ程度のＥＵＶ光を発生するＥＵＶ光源と縮小投影反射光学系（reduced projection reflective optics）とを組み合わせた露光装置の開発が期待されている。

ＥＵＶ光源として、ターゲットにレーザ光を照射することによって生成されるプラズマを用いたＬＰＰ（laser produced plasma：レーザ生成プラズマ）光源（以下において、「ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置」ともいう）がある。ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置は、真空チャンバ内に供給されたターゲット物質、例えば、スズ（Ｓｎ）に、ドライバレーザ光を照射することにより、ターゲット物質を励起してプラズマを生成する。生成されたプラズマからは、ＥＵＶ光を含む様々な波長成分が放射されるので、その内の所望のＥＵＶ成分が、集光ミラー（ＥＵＶ集光ミラー）を用いて選択的に反射集光され、ＥＵＶ光を利用する露光機等の機器に出力される。

ＥＵＶ光源には１００Ｗを超える出力が要求されており、例えば、炭酸ガス（ＣＯ_２）レーザ装置とスズ（Ｓｎ）ターゲットを用いて比較的高効率にＥＵＶ光を発生するＥＵＶ光源であっても、産業用途に用いるためには、プラズマ生成用のドライバレーザ光を出力するＣＯ_２レーザ装置の高効率化が要求される。

プラズマ生成用のドライバレーザ光としてはパルスレーザ光が使われるので、ドライバレーザ装置として用いられる発振増幅型レーザは、例えば、短パルスＣＯ_２レーザ光を発生するレーザ発振器と、短パルスＣＯ_２レーザ光を増幅するレーザ光増幅器とを含んでいる。

レーザ光増幅器は、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、さらに、必要に応じて、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、キセノン（Ｘｅ）等を含有するＣＯ_２レーザガスを放電によって励起する放電装置を有している。レーザ発振器によって発生されたシードレーザ光は、レーザ光増幅器において、所望のエネルギーを有するレーザ光に増幅される。増幅されたレーザ光は、レーザ集光光学系によって集光されて、錫（Ｓｎ）やキセノン（Ｘｅ）等のターゲット物質に照射される。

特許文献１には、マルチパス増幅を行う再生増幅器レーザアレイが開示されている。図２６は、特許文献１に開示されたレーザ光増幅器を示す図である。図２６に示すレーザ光増幅器は、入射したシードレーザ光がレーザ媒体中を複数回往復するようにしたマルチパス方式を採用するため、レーザ媒体のエネルギーを効率よく利用して大きな増幅率を達成することができる。したがって、このレーザ光増幅器を組み込んだドライバレーザ装置の小型化が可能である。

図２６に示すマルチパス増幅型レーザ光増幅器においては、増幅効率を高めるために、放電領域内におけるシードレーザ光の光路を長くすることが必要となる。そこで、シードレーザ光をリアミラーとフロントミラーとにより多数回反射して、放電領域内におけるレーザ光の光路を長くするように光学システムが構成される。

しかしながら、従来のマルチパス増幅型レーザ光増幅器においては光路長が十ｍにも及ぶため、図２７に示すように、入射位置におけるシードレーザ光の光軸が基準の光軸に対して僅かにずれたとしても、シードレーザ光が反射及び増幅される間に光軸の誤差（所望の光軸とずれた光軸との差）が増大する。その結果、増幅後のレーザ光の光軸が大きくずれることによって、レーザ光の増幅が効率良く行われないために、増幅後の出力が低下していた。光軸がさらに大きくずれた場合には、図２７に点線で示すように、レーザ光が出力ウインドウから外れてレーザ光増幅器から出力されなくなることがあった。

したがって、以下の理由で、マルチパス増幅型レーザ光増幅器を用いたレーザ装置の構成は極めて難しかった。（１）レーザ光増幅器をシードレーザ光の光路中に適正に配置することが困難である。（２）配置されたレーザ光増幅器に正しくシードレーザ光を導くことが困難である。（３）レーザ装置全体の光学的アライメントを正確に行うことが困難である。また、レーザ装置の構成を適正に行ったとしても、僅かな入射位置又は入射角度のずれにより、レーザ光増幅器内の光路が基準の光路と大きくずれてしまう。そのため、放電領域におけるエネルギー利用効率が低下したり、増幅状態が不安定になっていた。その結果、増幅後のレーザ光の集光点の位置精度及び集光性能が悪化していた。さらに、マルチパス増幅型レーザ光増幅器をＥＵＶ光源装置のドライバレーザ装置において使用した場合には、以下の問題点が発生していた。即ち、ドライバレーザ光の集光点の位置が大きくずれた場合には、ターゲット物質にレーザ光を照射できずに、ＥＵＶ光が発生しないことが起こり、たとえターゲット物質にレーザ光を照射できたとしても、ＥＵＶ光のエネルギー及びエネルギーの安定性が低下していた。

米国特許第５３８６４３１号明細書

そこで、本発明の目的は、光軸の安定性が高いレーザ光増幅器を提供することである。本発明のさらなる目的は、光軸の安定性が高いレーザ光増幅器を組み込んでアライメントを容易にすると共に、安定した増幅パルスレーザ光を出力するレーザ装置、特に、ＥＵＶ光源装置においてターゲット物質にレーザ光を照射してターゲット物質をプラズマ化するドライバレーザ装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の１つの観点によるレーザ光増幅器は、レーザ媒体を収納する容器と、レーザ媒体中で放電を行うことによりレーザ媒体中にレーザ光の増幅領域を形成する１対の電極と、互いに共役な第１の点と第２の点との間の光路中に増幅領域が配置され、上記第１の点に入射するレーザ光が増幅領域中を少なくとも２回通過しながら増幅されて上記第２の点に転写されるように、レーザ光が入射する上記第１の点とレーザ光が出力される上記第２の点との間の光路を形成する光学システムとを具備する。

また、本発明の１つの観点によるレーザ装置は、パルスレーザ光を発生するマスターオシレータと、本発明に係るレーザ光増幅器を含み、マスターオシレータからレーザ光増幅器の上記第１の点に入射するパルスレーザ光を増幅して、増幅されたパルスレーザ光をレーザ光増幅器の上記第２の点から出力するプリアンプと、プリアンプから出力されるパルスレーザ光のサイズ及び広がり角度を調節する第１のリレー光学系と、少なくとも１つのレーザ光増幅器を含み、プリアンプから第１のリレー光学系を介して供給されるパルスレーザ光を増幅するメインアンプと、メインアンプから出力されるパルスレーザ光をコリメートして、平行光を出力する第２のリレー光学系とを具備する。

本発明に係るレーザ光増幅器においては、互いに共役な第１の点と第２の点との間の光路中に増幅領域が配置され、第１の点に入射するレーザ光が増幅領域中を少なくとも２回通過しながら増幅されて第２の点に転写されるように、レーザ光が入射する第１の点とレーザ光が出力される第２の点との間の光路が形成される。したがって、第１の点に入射するレーザ光の像が第２の点に転写されて転写像が結像されるので、光軸の安定性が高いレーザ光増幅器を提供することができる。

また、レーザ光増幅器において、光軸の誤差が大きく拡大することなく、入射位置における基準光路に対するレーザ光の位置及び入射角度の誤差が出射位置においてもほぼ同様となるので、レーザ装置全体において、基準光路に対する光軸の誤差が抑制され、エネルギー利用効率が低下しない。レーザ光増幅器と他の光学系との光学的調整を行う場合にも、第１の点と第２の点を光軸の基準として使用することによって、光学的調整を簡単かつ正確に行うことができる。したがって、本発明に係るレーザ装置から出力される高い光強度の増幅パルスレーザ光をＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置のプラズマ発光点に集光することにより、高い効率でＥＵＶ光を発生させ、かつ、ＥＵＶ光のエネルギーの安定性を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ光増幅器の構成を示す図である。 図１に示すレーザ光増幅器のチャンバ内部の構造を示す斜視図である。 第１の実施形態の変形例に係るレーザ光増幅器のチャンバ内部の構造を示す斜視図である。 図３に示すレーザ光増幅器の動作を説明するための正面図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザ光増幅器の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態が適用される高速軸流型レーザ光増幅器の構造を示す斜視図である。 図６に示す高速軸流型レーザ光増幅器の電極を示す図である。 図６に示す高速軸流型レーザ光増幅器の電極の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態が適用される３軸直交型レーザ光増幅器の構造を示す側面図である。 図９に示す３軸直交型レーザ光増幅器のＡ−Ａ断面を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例に係るレーザ光増幅器の構成を示す図である。 第１の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。 光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて第１の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。 第２の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。 光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて第２の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。 第３の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。 光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて第３の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。 第４の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。 光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて透過光学素子を直列に展開することにより第４の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。 第５の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。 光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて透過光学素子を直列に展開することにより第５の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。 第６の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るドライバレーザ装置を用いたＥＵＶ光源装置の構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るドライバレーザ装置を用いたＥＵＶ光源装置の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るドライバレーザ装置を用いたＥＵＶ光源装置の構成を示す図である。 従来のマルチパス増幅型レーザ光増幅器を示す図である。 従来のマルチパス増幅型レーザ光増幅器における問題を説明するための図である。

以下、本発明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。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ光増幅器の構成を示す図であり、本発明の原理を分かりやすく説明するために、本発明をスラブ型レーザ光増幅器に適用した場合を示している。

図１に示すように、第１の実施形態に係るレーザ光増幅器は、レーザ媒体を収納する容器であるチャンバ２１と、レーザ媒体中で放電を行うことによりレーザ媒体中にレーザ光の増幅領域３０を形成する１対の電極と、増幅領域３０を挟んで対向設置された１対の折返しミラー３７及び３８を含む光学システムとを有しており、マルチパス増幅を行う。チャンバ２１には、レーザ光が入射する入射ウインドウ３３とレーザ光が出力される出射ウインドウ３６とが設けられている。レーザ媒体としては、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、さらに、必要に応じて、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、キセノン（Ｘｅ）等を含有するＣＯ_２レーザガスが用いられる。

図２は、図１に示すレーザ光増幅器のチャンバ内部の構造を示す斜視図である。図２に示すように、１対の平板電極２２及び２３が、チャンバ内に封入されたレーザ媒体を挟むように配置されている。高周波（ＲＦ）電源２４が高周波電圧を平板電極２２と平板電極２３との間に印加すると、平板電極２２及び２３が高周波電界を発生してレーザ媒体中で高周波放電を行う。これにより、レーザ媒体が励起されて、入射ウインドウ３３を介してチャンバ内に入射するシードレーザ光（入射ビーム）が増幅される。シードレーザ光は、増幅されながら折返しミラー３７及び３８によって反射されて、出射ウインドウ３６からチャンバの外部に出射ビームとして出力される。

ここで、レーザ光の増幅領域は、平板電極２２と平板電極２３との間に挟まれた放電領域である。平板電極２２と平板電極２３との間に高周波電圧を印加することにより、チャンバ２１内に充填されたレーザ媒体の中で平板電極２２と平板電極２３との間に挟まれた部分が励起され、スラブ型の放電領域が形成される。平板電極２２と平板電極２３との間のギャップは０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度であり、放電領域の断面は薄型の長方形の形状を有している。平板電極２２及び２３とレーザ媒体を冷却するために、平板電極２２及び２３には冷却水が供給される。

再び図１を参照すると、折返しミラー３７及び３８は、集光能力を有しレーザ光を高反射する凹面ＨＲ（高反射）ミラーであり、増幅領域３０を挟んで互いに対向するように配置される。例えば、折返しミラー３７及び３８は、反射面の中心と曲率中心とを結ぶ線が互いに平行な状態で、図１における上下方向に僅かにずれて配置される。これにより、入射ビームが折返しミラー３８の脇を通過して折返しミラー３７に入射し、出射ビームが折返しミラー３７の脇を通過して出力される。

レーザ光増幅器に入射するシードレーザ光は、図１において実線で示す基準光路４０に沿って、入射ウインドウ３３を透過してチャンバ２１内に入射し、入射ビーム位置３４を通過する。入射ビーム位置３４は、予め定められた光路上の第１の点である。入射ビーム位置（第１の点）３４を通過したシードレーザ光は、増幅領域３０を通過して増幅され、折返しミラー３７に入射して高反射率で反射され、再び増幅領域３０を通過して増幅され、対向配置された折返しミラー３８によって高反射率で反射される。

折返しミラー３８によって反射されたレーザ光は、再び増幅領域３０を通過して増幅され、再度折返しミラー３７によって反射され、増幅領域３０を通過して増幅され、折返しミラー３８によって反射され、出射ウインドウ３６を透過してレーザ光増幅器から出力される。その際に、第１の点３４における入射ビームの像が、基準光路４０が折返しミラー３７の脇を通過する付近に予め定められた第２の点３５に転写されて、入射ビーム転写像が結像される。

このように、折返しミラー３７及び３８を含む光学システムは、互いに共役な第１の点３４と第２の点３５との間の光路中に増幅領域３０が配置され、第１の点３４に入射するレーザ光が増幅領域３０中を少なくとも２回通過しながら増幅されて第２の点３５に転写されるように、レーザ光が入射する第１の点３４とレーザ光が出力される第２の点３５との間の光路を形成する。ここで、レーザ光が入射する第１の点３４は、入射ウインドウ３３の近傍に位置し、レーザ光が出力される第２の点３５は、出射ウインドウ３６の近傍に位置することが望ましい。

第１の点３４の位置に物体を置いたと仮定した場合に、第１の点３４と第２の点３５は、折返しミラー３７及び３８で構成される光学システムの物点と像点に相当し、折返しミラー３７及び３８の集光能力と空間配置関係とに基づいて定められる。第１の点３４と第２の点の位置を予め定めることにより、これに対応するように、折返しミラー３７及び３８の曲率半径Ｒ及び配置を決定することができる。

図１において、点線で示す光路４１は、レーザ光増幅器に入射するシードレーザ光の光軸（位置及び／又は進行方向）が基準光路４０からずれた場合の光路である。上記のように第１の点３４と第２の点３５が定められた光学システムを用いる場合には、シードレーザ光の光軸が基準光路４０からずれたときでも、第１の点３４における入射ビームの像が第２の点３５に転写される関係から、入射ビームと第１の点３４との位置関係が、出射ビームと第２の点３５との位置関係において再現されるので、増幅レーザ光の光軸が基準光路４０と大きく乖離することはない。

このように、本実施形態に係るレーザ光増幅器においては、入射ビームの光軸が基準光路４０に対して多少の誤差を有していても、出射ビームの光軸は、基準光路４０に対して入射位置における誤差と同等の誤差しか持たない。そのため、光軸の安定性が向上する上、増幅効率にも大きな変動が無く、シードレーザ光を安定に増幅することができる。その結果、集光点の位置及び集光形状が安定する。

特に、入射ビーム転写像の転写倍率は、略１であることが望ましい。転写倍率が１であれば、第１の点３４における入射ビームの位置が基準光路４０に対して誤差を有する場合でも、第２の点３５における出射ビームの位置は基準光路４０に対して略同一の誤差しか有さない。即ち、第１の点３４における１ｍｍの位置誤差は、第２の点３５においても１ｍｍの位置誤差しか生じさせない。

また、第１の点３４における入射ビームの角度が基準光路４０に対して誤差を有する場合でも、第２の点３５における出射ビームの角度は基準光路４０に対して略同一の誤差しか有さない。例えば、１０パスで３０ｍの光路長を有するレーザ光増幅器において、入射位置が基準位置で入射角のみ基準光路４０に対して１ｍＲａｄの誤差を有する場合を想定すると、出射位置は基準光路４０に対して約３０ｍｍの位置誤差を有することになる。これに対して、本実施形態に係るレーザ光増幅器においては、出射ビームが基準光路４０上の第２の点３５を必ず通り、出射角度が基準光路４０に対して１ｍＲａｄだけの誤差を有する出射ビームが出力される。

このように、本実施形態に係るレーザ光増幅器は、光軸の安定化に大きな効果を奏する。また、増幅領域３０におけるレーザ光の光路が、設計された基準光路４０と大きなずれを生じないので、レーザ媒体に蓄えられたエネルギーの利用効率も低下しない。

さらに、光軸上の上流あるいは下流に他の光学要素を接続する場合にも、第１の点３４と第２の点３５を基準として光学的接続を行えば、レーザ装置全体の光軸安定を図ることができる。例えば、マスターオシレータによって生成されるシードレーザ光をレーザ光増幅器の入射ビームとして入射する場合には、シードレーザ光の光軸が第１の点３４を通過するようにマスターオシレータとレーザ光増幅器との間の位置関係及び角度関係を調整することにより、レーザ光増幅器から出力されるレーザ光のアライメントが容易に調整できる。また、レーザ光増幅器から出力されるレーザ光をリレーするリレー光学系を設置する場合には、第２の点３５を通過する光軸を有するレーザ光がリレー光学系に入射するようにレーザ光増幅器とリレー光学系との間の位置関係及び角度関係を調整することにより、レーザ装置全体の光軸安定を得ることができる。

レーザ光増幅器において、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役なので、レーザ光増幅器の入力と出力とを入れ替えて使用しても、転写倍率が１であれば光学的に等価である。

本実施形態においては、説明を簡単にするために、１対の折り返しミラー３７及び３８の間に増幅領域３０が配置される構成を説明したが、本発明はこの構成に限定されることなく、第１の点３４と第２の点３５とが互いに共役であり、第１の点３４に入射するレーザ光が増幅領域３０中を少なくとも２回通過しながら増幅されて第２の点３５に転写される光学システムが設けられていればよい。

図３は、第１の実施形態の変形例に係るレーザ光増幅器のチャンバ内部の構造を示す斜視図であり、本発明を同軸スラブ型レーザ光増幅器に適用した場合を示している。
図３に示すように、第１の実施形態の変形例に係るレーザ光増幅器は、レーザ媒体が封入されたチャンバ内に、レーザ媒体中で放電を行うことによりレーザ媒体中にレーザ光の増幅領域を形成する１対の円筒電極２２ａ及び２３ａと、増幅領域を挟んで対向設置された第１群の折返しミラー３７ａ及び第２群の折返しミラー３８ａを含む光学システムとを有しており、マルチパス増幅を行う。チャンバには、レーザ光が入射する入射ウインドウ３３ａとレーザ光が出力される出射ウインドウ３６ａとが設けられている。

図４は、図３に示すレーザ光増幅器の動作を説明するための正面図である。図４に示すように、１対の円筒電極２２ａ及び２３ａが、同軸状に配置されている。高周波（ＲＦ）電源２４ａが高周波電圧を円筒電極２２ａと円筒電極２３ａとの間に印加すると、円筒電極２２ａ及び２３ａが高周波電界を発生してレーザ媒体中で高周波放電を行う。これにより、レーザ媒体が励起されて、入射ウインドウ３３ａに入射するシードレーザ光（入射ビーム）が増幅される。シードレーザ光は、増幅されながら折返しミラー３７ａ及び３８ａによって順次反射されて、出射ウインドウ３６ａからチャンバの外部に出射ビームとして出力される。

第１の実施形態の変形例においても、折返しミラー３７ａ及び３８ａを含む光学システムは、互いに共役な第１の点３４ａと第２の点３５ａとの間の光路中に増幅領域が配置され、第１の点３４ａに入射するレーザ光が増幅領域中を少なくとも２回通過しながら増幅されて第２の点３５ａに転写されるように、レーザ光が入射する第１の点３４ａとレーザ光が出力される第２の点３５ａとの間の光路を形成する。ここで、レーザ光が入射する第１の点３４ａは、入射ウインドウ３３ａの近傍に位置し、レーザ光が出力される第２の点３５ａは、出射ウインドウ３６ａの近傍に位置することが望ましい。

（実施形態２）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ光増幅器の構成を示す図であり、本発明をダブルパス増幅型レーザ光増幅器に適用した場合を示している。
図５に示すように、第２の実施形態に係るレーザ光増幅器は、レーザ媒体を収納する放電管２５と、レーザ媒体中で放電を行うことによりレーザ媒体中にレーザ光の増幅領域３０を形成する１対の電極と、増幅領域３０を挟んで対向設置された凹面ＨＲミラー３７及びＨＲミラープリズム４３を含む光学システムと、自励発振や寄生発振を抑制する６フッ化硫黄（ＳＦ_６）ガスセル等の可飽和吸収体３１とを含んでいる。

ＨＲミラープリズム４３の反射面４４及び４５には、レーザ光を高反射する膜がコートされている。放電管２５には、レーザ光が入射する第１のウインドウ４６とレーザ光が出力される第２のウインドウ４７とが設けられている。レーザ媒体としては、例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）、さらに、必要に応じて、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、キセノン（Ｘｅ）等を含有するＣＯ_２レーザガスが用いられる。

このレーザ光増幅器は、レーザ光に増幅領域３０を１往復させることにより、レーザ光を増幅する。そのようなダブルパス増幅型レーザ光増幅器においては、増幅領域３０を挟んで、集光能力を有する凹面ＨＲミラー３７と、入射ビーム及び出射ビームを反射するためのＨＲミラープリズム４３とが対向配置されている。このように、凹面ＨＲミラー３７とＨＲミラープリズム４３とを対向配置させることによって、互いに共役な入射ビーム位置（第１の点）３４と入射ビーム転写像位置（第２の点）３５とを定めることができる。

即ち、図５に示したダブルパス増幅型レーザ光増幅器において、入射ビームがＨＲミラープリズム４３の一方の反射面４４に入射する入射ビーム位置３４と凹面ＨＲミラー３７との間の距離Ｄを、この凹面ＨＲミラー３７の曲率半径Ｒ（焦点距離ｆ＝Ｒ／２）と略同じにすることにより（Ｄ≒Ｒ＝２ｆ）、入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像を、出射ビームの光路上において、ＨＲミラープリズム４３の他方の反射面４５上の入射ビーム転写像位置（第２の点）３５に転写して、転写像を結像させることができる。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

図５において、シードレーザ光が、ＨＲミラープリズム４３の反射面４４に、４５度よりも僅かに大きな入射角で入射する。そして、シードレーザ光は、４５度よりも僅かに大きな反射角で反射されて、第１のウインドウ４６を透過し、増幅領域３０を通過して増幅され、さらに他端の第２のウインドウ４７を透過して、自励発振や寄生発振を抑制する可飽和吸収体３１を通過する。

吸収体３１を通過したレーザ光は、凹面ＨＲミラー３７に０度よりも僅かに大きな入射角で入射し、０度よりも僅かに大きな反射角で反射されて、再び可飽和吸収体３１を通過し、第２のウインドウ４７を透過して増幅領域３０を通過することにより、さらに増幅される。そして、増幅されたレーザ光は、再び第１のウインドウ４６を透過して、ＨＲミラープリズム４３の他方の反射面４５に到達して、４５度よりも僅かに大きな反射角で反射され、増幅レーザ光として出力される。

ここで、入射ビーム位置（第１の点）３４と入射ビーム転写像位置（第２の点）３５とは、互いに共役の関係にあるので、反射面４４上の入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像を、反射面４５上の入射ビーム転写像位置（第２の点）３５に転写して、転写像を結像させることができる。

ダブルパス増幅は、高速軸流型レーザ光増幅器や３軸直交型レーザ光増幅器に適用することができる。第２の実施形態に係るレーザ光増幅器は、増幅断面が狭い形状（円形、正方形、アスペクト比が小さい長方形）を有する増幅器、例えば、管状の増幅器において利用できるという利点がある。

図６は、本発明の第２の実施形態が適用される高速軸流型レーザ光増幅器の構造を示す斜視図であり、図７は、図６に示す高速軸流型レーザ光増幅器の電極を示す図である。図６及び図７に示すように、１対の電極２２ｂ及び２３ｂが、レーザ媒体が充填された放電管２５を挟むように配置されている。高周波（ＲＦ）電源２４ｂが高周波電圧を電極２２ｂと電極２３ｂとの間に印加すると、電極２２ｂ及び２３ｂが高周波電界を発生してレーザ媒体中で高周波放電を行い、電極２２ｂと電極２３ｂとの間に放電領域が形成される。

これにより、レーザ媒体が励起されて、ＨＲミラープリズム４３によって反射されて第１のウインドウ４６を介して放電管２５内に入射するシードレーザ光（入射ビーム）が増幅される。さらに、シードレーザ光は、第２のウインドウ４７を透過して凹面ＨＲミラー３７によって反射され、第２のウインドウ４７を介して再び放電管２５内に入射して増幅される。増幅されたレーザ光は、第１のウインドウ４６を透過してＨＲミラープリズム４３に入射し、ＨＲミラープリズム４３によって反射されて出射ビームとして出力される。放電管２５内のレーザ媒体は、レーザガス循環ポンプ２６によって循環され、熱交換器２７によって冷却される。

図８は、図６に示す高速軸流型レーザ光増幅器の電極の変形例を示す図である。図８においては、電極２２ｂ及び２３ｂの各々が、スパイラル形状を有している。これにより、電極２２ｂと電極２３ｂとの間に形成される放電領域が均一化され、レーザ光の均一な増幅が可能となる。

図９は、本発明の第２の実施形態が適用される３軸直交型レーザ光増幅器の構造を示す側面図であり、図１０は、図９に示す３軸直交型レーザ光増幅器のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図９及び図１０に示すように、レーザ媒体が充填されたチャンバ２１ｃ内に、１対の電極２２ｃ及び２３ｃが配置されている。高周波（ＲＦ）電源が高周波電圧を電極２２ｃと電極２３ｃとの間に印加すると、電極２２ｃ及び２３ｃが高周波電界を発生してレーザ媒体中で高周波放電を行い、電極２２ｃと電極２３ｃとの間に放電領域が形成される。

これにより、レーザ媒体が励起されて、ＨＲミラープリズム４３によって反射されて第１のウインドウ４６を介してチャンバ２１ｃ内に入射するシードレーザ光（入射ビーム）が増幅される。さらに、シードレーザ光は、第２のウインドウ４７を透過して凹面ＨＲミラー３７によって反射され、第２のウインドウ４７を介して再びチャンバ２１ｃ内に入射して増幅される。増幅されたレーザ光は、第１のウインドウ４６を透過してＨＲミラープリズム４３に入射し、ＨＲミラープリズム４３によって反射されて出射ビームとして出力される。チャンバ２１ｃ内のレーザ媒体は、モータによって駆動されるクロスフローファン２８によって循環され、熱交換器２９によって冷却される。

図１１は、第２の実施形態の変形例に係るレーザ光増幅器の構成を示す図である。図１１に示すレーザ光増幅器が図５に示すレーザ光増幅器と異なる点は、図５に示す放電管２５を複数の放電管（図１１においては、２つの放電管２５ａ及び２５ｂを示す）に分割することにより、レーザ光が、複数の増幅領域（図１１においては、２つの増幅領域３０ａ及び３０ｂを示す）を直列に縦断しながら増幅されるようにしたことである。放電管２５ａ及び２５ｂの直径を、放電管２５ａ及び２５ｂを通過するレーザ光の径に合わせることにより、レーザ光を効率よく増幅することができる。また、自励発振や寄生発振を抑制する可飽和吸収体３１は、放電管２５ａと放電管２５ｂとの間に配置することができる。

この場合においても、シードレーザ光（入射ビーム）がＨＲミラープリズム４３に入射する入射ビーム位置３４と凹面ＨＲミラー３７との間の距離Ｄを凹面ＨＲミラー３７の曲率半径Ｒと略同じにすることにより（Ｄ≒Ｒ＝２ｆ）、入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像を、ＨＲミラープリズム４３の反射面４５上の入射ビーム転写像位置（第２の点）３５に転写して、転写像を結像させることができる。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

図１１において、シードレーザ光を高反射率で反射する膜がコートされたＨＲ（高反射）ミラープリズム４３の反射面４４に、シードレーザ光が４５度よりも僅かに大きな入射角で入射する。そして、シードレーザ光は、４５度よりも僅かに大きな反射角で反射されて、放電管２５ａの第１のウインドウ４６ａを透過し、増幅領域３０ａを通過して増幅され、さらに第２のウインドウ４７ａを透過して、自励発振や寄生発振を抑制する可飽和吸収体３１を通過する。さらに、可飽和吸収体３１を通過したレーザ光は、放電管２５ｂの第１のウインドウ４６ｂを透過し、増幅領域３０ｂを通過して増幅され、さらに第２のウインドウ４７ｂを透過する。

第２のウインドウ４７ｂを透過したレーザ光は、凹面ＨＲミラー３７に０度よりも僅かに大きな入射角で入射し、０度よりも僅かに大きな反射角で反射されて、再び増幅領域３０ｂを通過することにより増幅される。増幅領域３０ｂを通過したレーザ光は、再び可飽和吸収体３１を通過した後に、増幅領域３０ａを通過することにより増幅され、ＨＲミラープリズム４３の他方の反射面４５に到達して、４５度よりも僅かに大きな反射角で反射され、増幅レーザ光として出力される。

ここで、入射ビーム位置（第１の点）３４と入射ビーム転写像位置（第２の点）３５とは、互いに共役の関係にあるので、反射面４４上の入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像を、反射面４５上の入射ビーム転写像位置（第２の点）３５に転写して、転写像を結像させることができる。

第２の実施形態の変形例のメリットは、放電管を複数に分割することにより、可飽和吸収体３１を複数の放電管の間に設置できるので、寄生発振や自励発振を抑制しながら、シードレーザ光を高い効率で増幅できることである。

以下に、本発明の実施形態をさらに具体化した幾つかの実施例について説明する。
＜実施例１＞
図１２は、第１の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。このレーザ光増幅器においては、２つの広い平板電極に高周波電圧が印加され、ＣＯ_２レーザガス中で高周波放電が行われることにより、増幅領域３０が形成される。また、増幅領域３０を挟んで配置される折返しミラー３７及び３８は、いずれも凹面ＨＲミラーである。

シードレーザ光（入射ビーム）は、入射ウインドウ３３を斜めに透過して、増幅領域３０を通過して増幅される。シードレーザ光は、折返しミラー３７に０度よりも大きな入射角で入射して高反射率で反射され、再び増幅領域３０において増幅される。次いで、折返しミラー３７と対向配置された折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して高反射率で反射され、さらに増幅領域３０において増幅され、出射ウインドウ３６を透過して出力される。

図１２に示す折返しミラー３７及び３８によって構成される光学システムにおいても、入射ウインドウ３３の近傍に設定された入射ビーム位置（第１の点）３４におけるレーザ光の像が、出射ビームの光路上において出射ウインドウ３６の近傍に設定された入射ビーム転写像位置（第２の点）３５に転写され、入射ビーム転写像が結像する。

図１３は、光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて第１の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。
一般に、２つの薄いレンズＭ１及びＭ２によって構成される合成レンズ系の合成焦点距離Ｆは、次式（１）で表され、前側レンズＭ１の主点と合成レンズ系の前側主点との間の距離ＺＨは、次式（２）で表される。
Ｆ＝ｆ１・ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−ｔ） ・・・（１）
ＺＨ＝ｆ１・ｔ／（ｆ１＋ｆ２−ｔ） ・・・（２）
ここで、ｆ１は前側レンズＭ１の焦点距離、ｆ２は後側レンズＭ２の焦点距離、ｔは前側レンズＭ１と後側レンズＭ２との間の距離である。

物体の位置と前側レンズＭ１との間の距離がレンズ間距離ｔに等しい場合を想定すると、この合成レンズ系による物体の転写像の倍率Ｍは、次式（３）で表される。
Ｍ＝（ＺＨ＋ｔ−Ｆ）／Ｆ ・・・（３）

そこで、図１３に示すように、図１２に示す折返しミラー３７及び３８を、集光能力を有する２つの薄いレンズＭ１及びＭ２で表した光学システムを想定する。図１３において、レンズＭ１とレンズＭ２との間の距離ｔ＝Ｌとし、物体の位置に相当する入射ビーム位置（第１の点）３４と前側レンズＭ１との間の距離ＬｉをＬと等しくし、入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像の転写像が形成される入射ビーム転写像位置（第２の点）３５と後側レンズＭ２との間の距離ＬｏをＬと等しくして、倍率Ｍ＝１で像を転写するものとする。さらに、レンズＭ１及びＭ２が、同じ焦点距離ｆ＝Ｒ／２を有するものとする。

これらの関係を上記の式に代入すると、次式（４）〜（６）が得られる。
Ｆ＝ｆ^２／（２ｆ−Ｌ） ・・・（４）
ＺＨ＝ｆ・Ｌ／（２ｆ−Ｌ） ・・・（５）
Ｍ＝１＝（ＺＨ＋Ｌ−Ｆ）／Ｆ ・・・（６）

式（４）〜（６）から、ｆ＝Ｒ／２＝Ｌが求められる。即ち、曲率半径Ｒ＝２Ｌの２つの球面凹面ＨＲミラーを距離Ｌだけ離して対向させることにより、入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像が、出射ビーム光路上の入射ビーム転写像位置（第２の点）３５に１：１で転写されることになる。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、共役の関係にある。

第１の実施例は、スラブ型ＣＯ_２レーザ装置に適用することができる。出射ビーム光路上の入射ビームの転写像は入射ビームと同程度しか変動しないので、第１の実施例に係るレーザ光増幅器は、入射ビームの光軸が多少ずれても入射ビームを安定に増幅することができ、かつ出射ビームの光軸の安定性が向上する。

＜実施例２＞
図１４は、第２の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。第２の実施例は、図１２に示すのと同様なスラブ型ＣＯ_２レーザ光増幅器に適用される。第２の実施例に係るレーザ光増幅器は、増幅領域３０を挟んで配置される折返しミラーによって構成される光学システムを用いてレーザ光が５パス増幅されるように構成されている。第２の実施例は、第１の点３４における入射ビームの像を折返し光路の途中にある第３の点３９に転写して第１の転写像を結像させ、第１の転写像をさらに出射ビームの光路上の第２の点３５に転写して第２の転写像を結像させることに特徴がある。しかしながら、第２の実施例も、第１の点３４における入射ビームの像を出射レーザ光の光路上の第２の点３５に転写することにより光軸を安定化させる点において、実質的に第1の実施形態の技術的思想に属する。

第２の実施例に係るレーザ光増幅器は、入射ビームの光路上の入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像を、折返し光路の途中にある入射ビーム第１転写像位置（第３の点）３９に転写して第１の転写像を結像させ、さらに第３の点３９における第１の転写像を、出射ビームの光路上の入射ビーム第２転写像位置（第２の点）３５に転写して第２の転写像を結像させる。特に、このレーザ光増幅器の光学システムは、入射ビーム位置（第１の点）３４と入射ビーム第２転写像位置（第２の点）３５とが略一致するように構成されている。このような光学システムを用いることによって、レーザ装置全体の光学システムを構成することが容易になる。

このレーザ光増幅器においては、１対の折返しミラー３７及び３８が、増幅領域３０を挟んで対向するように、距離Ｌの間隔で配置されている。折返しミラー３７及び３８の各々は、曲率半径Ｒを有する凹面ＨＲミラーであって、図１４に示すように、折返しミラー３７は、図中下端が折り返しミラー３８に近付くように傾いて配置されている。

マスターオシレータから供給されるシードレーザ光（入射ビーム）が、レーザ光増幅器の入射ウインドウ３３を斜めに透過し、増幅領域３０中を通過する間に増幅される（第１パス）。入射ビームの光路上において折返しミラー３７及び３８間の距離Ｌを２等分する点を、光学システムにおける入射ビーム位置（第１の点）とする。入射ビームの光路上における第１の点３４と折返しミラー３７との間の距離Ｌｉは、Ｌ／２となる。

第１の点３４を通過して増幅されたレーザ光は、折返しミラー３７に０度よりも大きな入射角で入射して、図中斜め左下方向に反射され、再び増幅領域３０を通過してさらに増幅される（第２パス）。さらに、レーザ光は、図中左側の折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して、図中略水平に増幅領域３０を通過して増幅される（第３パス）。ここで、光学システムの構成を調整することにより、折返しミラー３７及び３８の中間に位置する第３の点３９に、第１の点３４における入射ビームの像を転写して、第１の転写像を結像させることができる。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

さらに、レーザ光は、右側の折返しミラー３７によって図中左上方向に反射されて増幅領域３０を通過して増幅され（第４パス）、左側の折返しミラー３８によって図中右上方向に反射されて増幅領域３０を通過して増幅され（第５パス）、出射ウインドウ３６を透過して出射ビームとして出力される。このとき、折返しミラー３７及び３８によって構成される光学システムは、第３の点３９における第１の転写像を、折返しミラー３８から出射ウインドウ３６に向かうレーザ光の光路中において折返しミラー３７及び３８の中間に位置する第２の点３５に転写して、入射ビームの第２の転写像を結像させる。なお、入射ビーム第２転写像位置（第２の点）３５は、入射ビーム位置（第１の点）３４と重なるようにすることができる。出射ビームの光路上において折返しミラー３８と第２の点３５との間の距離Ｌｏは、Ｌ／２となる。

図１５は、光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて第２の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。この光学システムは、図５及び図１２に示す光学システムとは異なり、式（１）に、ｆ１＝ｆ２＝Ｌ／２、ｔ＝Ｌを代入すると合成焦点距離は無限大となるので、式（１）〜（３）を適用することはできない。このような光学システムは、一般的にアフォーカル系と呼ばれる。

レンズＭ１及びレンズＭ２の焦点距離をそれぞれｆ１とｆ２として、レンズＭ１及びＭ２を（ｆ１＋ｆ２）の間隔で配置した場合に、物体の位置がレンズＭ１の上流でレンズＭ１から距離ｆ１の位置とすると、物体の転写像位置は、レンズＭ２の下流でレンズＭ２から距離ｆ２の位置となる。
アフォーカル系の場合の倍率Ｍは、次式（７）で表される。
Ｍ＝ｆ１／ｆ２ ・・・（７）

第２の実施例におけるようにｆ１＝ｆ２の場合には、倍率Ｍは１となる。ここで、レンズＭ１〜Ｍ４の焦点距離を同じ焦点距離ｆとして、隣接する２つのレンズ間の距離をＬとすると、Ｌ＝２ｆの関係を満たせば、図１５に示すような光学システムとなる。ここで、凹面ミラー３７及び３８の曲率半径をＲとすると、Ｌ＝Ｒの関係を満たすことによって本光学システムを実現できる。

図１５を参照すると、シードレーザ光（入射ビーム）は、入射ビームの光路上にある入射ビーム位置（第１の点）３４を通過してレンズＭ１に入射する。入射ビーム位置（第１の点）３４は、レンズＭ１の上流でレンズＭ１からＬｉ＝Ｌ／２の距離にある。レンズＭ１は、図１４における右側の折返しミラー３７と同じ集光能力を有し、レンズＭ２は、図１４における左側の折返しミラー３８と同じ集光能力を有する。レンズＭ１とレンズＭ２との間隔はＬである。レンズＭ１及びＭ２を透過したレーザ光は、レンズＭ２の下流でレンズＭ２からＬ／２の距離にある第３の点３９に第１の転写像を結像する。

さらに、第３の点３９の下流で第３の点３９からＬ／２の距離の位置に、レンズＭ３が設けられ、さらに、レンズＭ３の下流でレンズＭ３からＬの距離の位置に、レンズＭ４が設けられている。レンズＭ３は、図１４における右側の折返しミラー３７と同じ集光能力を有し、レンズＭ４は、図１４における左側の折返しミラー３８と同じ集光能力を有する。これにより、第３の点３９における第１の転写像から放出されるレーザ光は、レンズＭ３及びレンズＭ４を透過した後に、レンズＭ４からＬｏ＝Ｌ／２の距離にある第２の点３５において第２の転写像を結像する。

第２の実施例においては、入射ビームの像を２回転写しているが、本発明はこの実施例に限定されることなく、入射ビームの像を複数回転写して、入射ビームの光路上の第１の点における入射ビームの像が出射ビームの光路上の第２の点に転写され、入射ビームの転写像が結像されればよい。

第２の実施例によれば、出射ビームの光路上の第２の点における入射ビームの転写像が入射ビームと同程度しか変動しないので、出射ビームの安定性が向上する。さらに、増幅効率を高く維持できるので、レーザ光増幅器の出力が安定する。

また、第２の実施例に係るレーザ光増幅器においては、入射ビームの光路上の第１の点と出射ビーム光路上の第２の点が一致することから、アフォーカル系の光学システムを採用しているので、入射ビームの光品位特性（ビームサイズ、ビーム広がり角等）を維持した状態で出射ビームが出力される。その結果、多数のレーザ光増幅器を直列に接続して大きな増幅率でレーザ光を増幅するレーザ装置を構成する場合に、接続される光学素子間のアライメントが極めて容易になるという利点を有する。

＜実施例３＞
図１６は、第３の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。第３の実施例においては、図１２及び図１４に示すのと同様なスラブ型ＣＯ_２レーザ光増幅器が想定されている。第３の実施例に係るレーザ光増幅器は、各々が曲率半径Ｒを有する２つの折返しミラーを、増幅領域３０を挟んで対向配置して形成される光学システムにより、増幅領域においてシードレーザ光（入射ビーム）をマルチパスでジグザグに通過させている。このように長い光路における増幅を行うことによって、増幅効率を向上させ、しかも、入射ビームのエネルギーを大きく増幅して出力することができる。入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像が、出射ビームの光路上における第２の点３５に転写され、入射ビームの転写像が結像される。

図１６に示すように、入射ウインドウ３３を介して光学システムに斜めに入射したシードレーザ光（入射ビーム）は、第１の点３４を通過し、増幅領域３０を通過して増幅される（第１パス）。そして、レーザ光は、図中右側の折返しミラー３７に０度よりも大きな入射角で入射して左側下方に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第２パス）。さらに、レーザ光は、図中左側の折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して右側下方に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第３パス）。レーザ光は、第４パスから第６パスまで、折返しミラーに０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方に反射され、増幅領域３０を通過して増幅されることを繰り返す。その後、レーザ光は、凹面のために入射位置における反射面が上を向いている左側の折返しミラー３８によって略水平方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第７パス）。

図１６において点線で示すように、レーザ光は、第８パスから第１１パスまで、折返しミラーに０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅されることを繰り返す。レーザ光は、第１１パスにおいて、出射ウインドウ３６を透過して出射ビームとして出力される。第１１パスにおける入射ビーム転写像位置（第２の点）３５には、入射ウインドウ３３の近傍に位置する第１の点３４における入射ビームの像が転写され、入射ビームの転写像が結像される。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

図１７は、光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて第３の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。
両端に凹面ミラーを配してマルチパス増幅を行う光学システムは、同じ焦点距離ｆ＝Ｒ／２を有する複数のレンズが間隔Ｌで並んだ合成レンズ系において、最初のレンズＭ_１から上流側に距離Ｌｉ＝Ｌだけ離れた位置（第１の点３４）における入射ビームの像を、最後のレンズＭ_Ｎから下流側に距離Ｌｏ＝Ｌだけ離れた位置（第２の点３５）に転写して、転写像を結像させるように、複数のレンズを直列に配置した場合と等価である。

ここで、（ｋ＋１）個のレンズ（Ｍ_１，Ｍ_２，・・・，Ｍ_ｋ＋１）の焦点距離が全て同一の焦点距離ｆであると仮定する。そして、（ｋ＋１）個のレンズの合成焦点距離Ｆ_ｋ＋１と、ｋ個のレンズ（Ｍ_１，Ｍ_２，・・・，Ｍ_ｋ）を含む合成レンズ系の前側主点と（ｋ＋１）個のレンズ（Ｍ_１，Ｍ_２，・・・，Ｍ_ｋ＋１）を含む合成レンズ系の前側主点との間の距離ＺＨ_ｋ+1と、（ｋ＋１）個のレンズの倍率Ｍとは、式（１）〜（３）に基づいて、次式（８）〜（１０）で表される。
Ｆ_ｋ＋１＝Ｆ_ｋ・ｆ／（Ｆ_ｋ＋ｆ−Ｌ） ・・・（８）
ＺＨ_ｋ＋１＝Ｆ_ｋ・Ｌ／（Ｆ_ｋ＋ｆ−Ｌ） ・・・（９）
Ｍ＝（ＺＨ_ｋ＋１＋Ｌ−Ｆ_ｋ＋１）／Ｆ_ｋ＋１ ・・・（１０）

ｋ＝０の場合（Ｍ_１のみの場合）には、合成焦点距離の初期値Ｆ_１＝ｆである。式（８）〜（１０）を用いて、Ｆ_１からＦ_Ｎまでを逐次計算することにより、Ｎ個のレンズ（Ｍ_１，Ｍ_２，・・・，Ｍ_Ｎ）を含む合成レンズ系の焦点距離Ｆ_Ｎと前側主点位置ＺＨ_Ｎを求め、さらに、倍率Ｍが約１を満たすような各レンズの焦点距離ｆを求めることができる。

例えば、１対の折返しミラー間の距離Ｌを１０００ｍｍとし、１１パス増幅を行う場合を仮定すると、式（８）〜（１０）に基づいて、折返しミラーの焦点距離ｆが約１１０００ｍｍとなり、曲率半径Ｒ（＝２ｆ）が約２２０００ｍｍとなる。

第３の実施例においては、レーザ光が、増幅領域３０をジグザグに上から下の方向に斜めに通過した後に、今度は増幅領域３０をジグザグに下から上の方向に斜めに通過するような光学システムを採用することにより、１１パスという多数のパスを有するマルチパス増幅により高い増幅効率を実現し、かつ、入射ビーム位置（第１の点）３４における入射レーザ光の像を出射ビームの光路上の第２の点３５に転写して、安定なビーム軌跡を実現することができる。

＜実施例４＞
図１８は、第４の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。第４の実施例においては、図１２、図１４及び図１６に示すのと同様なスラブ型ＣＯ_２レーザ光増幅器が想定されている。第４の実施例に係るレーザ光増幅器は、第３の実施例に係るレーザ光増幅器に対して、２つの折返しミラーの内の一方を平面ＨＲミラーとして６パス増幅を行うようにした点が異なる。

図１８に示すように、シードレーザ光（入射ビーム）は、斜めに入射ウインドウ３３を透過し、入射ビーム位置（第１の点）３４を通過して、２つの折返しミラー４２及び３８によって構成される光学システムに入射する。この光学システムは、平面ＨＲミラーである折返しミラー４２と凹面ＨＲミラーである折返しミラー３８とが、距離Ｄをおいて略平行に対向配置されたものである。

レーザ光増幅器に入射したシードレーザ光（入射ビーム）は、増幅領域３０を通過して増幅され（第１パス）、折返しミラー４２に０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第２パス）、折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第３パス）。

さらに、レーザ光は、折返しミラー４２に０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第４パス）、折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第５パス）、折返しミラー４２によって斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第６パス）、入射ビーム転写像位置（第２の点）３５を通過し、出射ウインドウ３６を介して出射ビームとして出力される。

第４の実施例においては、折返しミラー３８と折返しミラー４２との間の距離をＤとし、両者が平行に対向するように設けられる。また、入射ビームの光路上において折返しミラー３８の脇を通過する位置を入射ビーム位置（第１の点）３４とし、出射ビームの光路上において折返しミラー３８の反対側の脇を通過する位置を入射ビーム転写像位置（第２の点）３５とする。そして、第１の点３４における入射ビームの像を第２の点３５に転写して転写像を結像させるように、光学システムが構成される。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

図１９は、光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて透過光学素子を直列に展開することにより第４の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。図１９において、折返しミラー４２を表す平面透明板ＨＲ１、ＨＲ２、ＨＲ３は集光能力を有さないので、この光学システムは、実質的に図１３に示したものと同じ構成になる。ここで、集光能力を有する折返しミラー３８に対応する２つのレンズＭ１及びＭ２の間の距離Ｌが２Ｄであり、第１の点３４がレンズＭ１の上流側においてレンズＭ１からＬｉ＝２Ｄの距離にあり、第１の点３４におけるレーザ光の像の転写像がレンズＭ２の下流側においてレンズＭ２からＬｏ＝２Ｄの距離にある第２の点３５に結像するという位置関係がある。

レンズＭ１及びＭ２の合成焦点距離Ｆ、主点間距離ＺＨ、及び、倍率Ｍは、式（４）〜（６）においてＬを２Ｄに置き換えた次式（１１）〜（１３）を用いて求めることができる。
Ｆ＝ｆ^２／（２ｆ−２Ｄ） ・・・（１１）
ＺＨ＝ｆ・２Ｄ／（２ｆ−２Ｄ） ・・・（１２）
Ｍ＝１＝（ＺＨ＋２Ｄ−Ｆ）／Ｆ ・・・（１３）

ここで、折返しミラー３８の焦点距離ｆについては、式（１１）〜（１３）から、倍率Ｍ＝１を満たすためにはＤ＝ｆ／２（Ｌ＝ｆ）となる。折返しミラー３８の曲率半径をＲとすると、曲率半径Ｒ＝２ｆ＝４Ｄとなる。

第４の実施例に係るレーザ光増幅器は、レーザ光増幅器に対する入射ビームの光軸が多少ずれても、出射ビームの位置及び角度は入射ビームの位置及び角度と同程度しか変動しないので、増幅効率が変動しにくく、安定にレーザ光を増幅することができる。また、光軸の安定性が向上し、他の光学装置と組み合わせる場合にアライメントが容易である。さらに、第４の実施例に係るレーザ光増幅器の特徴のひとつは、入射ビームと出射ビームとが折返しミラー３８の両脇を通過するので、レーザ光増幅器の一側面でレーザ光を入射及び出射できることである。

＜実施例５＞
図２０は、第５の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。本実施例においては、図１２、図１４、図１６及び図１８に示すのと同様なスラブ型ＣＯ_２レーザ光増幅器が想定されている。第５の実施例に係るレーザ光増幅器は、第４の実施例に係るレーザ光増幅器に対して、２つの折返しミラーを平行に対向させる替わりに、両者の主面が僅かな角度をなすように配置してパス数を増やしたこと、及び、レーザ光増幅器のチャンバの外の出射ビーム光路上に入射ビーム転写像位置（第２の点）３５を定めたことが異なる。

図２０においてチャンバ２１の左下部分に設けられた入射ウインドウ３３を斜め上方に透過したシードレーザ光（入射ビーム）は、第１の点３４を通過した後、距離Ｄをもって対向配置された折返しミラー４２と折返しミラー３８とによって構成された光学システムに入射する。なお、集光能力を有する折返しミラー３８によってレーザ光が反射されてから次にレーザ光が折返しミラー３８に入射するまでの光路上の距離Ｌは２Ｄとなる。

折返しミラー４２と折返しミラー３８とは、平行に対向するのではなく、わずかに角度をもって設置されている。図２０において、折返しミラー３８は、図中上端が折返しミラー４２に近付くように傾いて配置されている。このように、折返しミラー４２と折返しミラー３８とが互いにわずかに傾いて配置されたことにより、パス数の多いマルチパス増幅を実現することができる。

また、入射ビーム光路上で折返しミラー３８の脇を通過する位置を入射ビーム位置（第１の点）３４とし、出射ビーム光路上で出射ビームが最後に折返しミラー３８によって反射される位置から距離２Ｄだけ下流側の位置を入射ビーム転写像位置（第２の点）３５として、第１の点３４における入射ビームの像の転写像を第２の点３５に結像させるように、光学システムが構成される。第２の点は、出射ウインドウ３６から出力された出射ビームの光路上にある。

図２０を参照すると、レーザ光増幅器に入射するシードレーザ光（入射ビーム）は、斜め下方から入射ウインドウ３３を透過し、第１の点３４を通過して、光学システムに入射する。シードレーザ光は、増幅領域３０を通過して増幅され（第１パス）、折返しミラー４２に０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第２パス）、折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第３パス）。

さらに、増幅されたレーザ光は、折返しミラー４２によって斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第４パス）、折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第５パス）、折返しミラー４２に０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第６パス）、折返しミラー３８に入射する。折返しミラー３８の反射面は凹面であり、主面が折返しミラー４２に対して僅かに下方に傾いているので、反射面が下方に傾いている。このため、折返しミラー３８に入射したレーザ光は、図２０において点線で示すように、斜め下方向に反射される。

斜め下方向に反射されたシードレーザ光は、増幅領域３０を通過して増幅され（第７パス）、折返しミラー４２に０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第８パス）、折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第９パス）。増幅されたレーザ光は、出射ウインドウ３６を透過して出射ビームとして出力される。出射ビームの光路上において、折返しミラー３８から距離２Ｄだけ下流側の位置に、第１の点３４における入射ビームの像が転写される入射ビーム転写像位置（第２の点）３５が定められている。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

図２１は、光学システムにおいて反射光学素子を透過光学素子に置き換えて透過光学素子を直列に展開することにより第５の実施例に係るレーザ光増幅器の動作を説明するための図である。入射ビーム位置（第１の点）３４と折返しミラー４２（平面透明板ＨＲ_１）との間の距離をＤとすることにより、入射ビーム位置（第１の点）３４と最初のレンズＭ_１との間の距離ＬｉがＬ＝２Ｄとなり、最後のレンズＭ_Ｎと入射ビーム転写像位置（第２の点）３５との間の距離ＬｏがＬ＝２Ｄとなる。

折返しミラー３８と折返しミラー４２との間の距離Ｄを用いる場合には、ｋ個のミラー（レンズ）の合成焦点距離Ｆ_ｋ、主点間距離ＺＨ_ｋ、倍率Ｍは、式（８）〜（１０）においてＬを２Ｄに置き換えた次式（１４）〜（１６）により求めることができる。
Ｆ_ｋ＋１＝Ｆ_ｋ・ｆ／（Ｆ_ｋ＋ｆ−２Ｄ） ・・・（１４）
ＺＨ_ｋ＋１＝Ｆ_ｋ・２Ｄ／（Ｆ_ｋ＋ｆ−２Ｄ） ・・・（１５）
Ｍ＝（ＺＨ_ｋ＋１＋２Ｄ−Ｆ_ｋ＋１）／Ｆ_ｋ＋１ ・・・（１６）

ｋ＝０の場合には、合成焦点距離の初期値Ｆ_１＝ｆである。式（１４）〜（１６）を用いて、Ｆ_１からＦ_Ｎまでを逐次計算することにより、Ｎ個のレンズ（Ｍ_１、Ｍ_２、・・・Ｍ_Ｎ）の合成焦点距離Ｆ_Ｎと前側主点位置ＺＨ_Ｎとを求めて、倍率Ｍが約１を満たすような各レンズの焦点距離ｆを求めることができる。例えば、Ｄ＝６００ｍｍで、９パス増幅する場合には、曲率半径Ｒが約７２００ｍｍとなる。

第５の実施例のメリットは、増幅領域に多数のパスを通すことにより、レーザ媒体のエネルギーをより有効に活用して、高出力のレーザ光を得ること、及び、レーザ光増幅器の光軸が安定することである。

＜実施例６＞
図２２は、第６の実施例に係るレーザ光増幅器を上から見た平面断面図である。なお、第６の実施例に係るレーザ光増幅器の光学システムは、実質的に図２１に示されたものと同一であるので、ここでは省略する。第６の実施例に係るレーザ光増幅器は、図２０に示された第５の実施例に係るスラブ型レーザ光増幅器と略同じ構成を有するもので、一方の折返しミラー３８をレーザ光増幅器の長手方向に対して略直交するように配置し、他方の折返しミラー４２を折返しミラー３８に対して所定の角度をもって対向配置したマルチパス増幅式レーザ光増幅器である。この型式のレーザ光増幅器においては、各折返しミラーの集光能力や長さ、２つの折返しミラーの挟角、及び、シードレーザ光の入射角度等を調整することにより、パス数を適宜に変化させることができる。図２２に示す第６の実施例においては、パス数を１１にしている。

このレーザ光増幅器においては、レーザ光増幅器に供給されたシードレーザ光は、距離Ｄをもって対向配置された折返しミラー４２と折返しミラー３８とによって構成された光学システムに入射する。折返しミラー３８は、増幅器の長手方向に対して直交するように配置され、折返しミラー４２は、図中上端が折返しミラー３８に近付くように傾いて配置されている。

レーザ光増幅器に入射するシードレーザ光（入射ビーム）は、左下方から入射ウインドウ３３を透過し、第１の点３４を通過して、光学システムに入射する。シードレーザ光は、増幅領域３０を通過して増幅され（第１パス）、折返しミラー４２に０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第２パス）、折返しミラー３８に０度よりも大きな入射角で入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第３パス）。

さらに、レーザ光は、折返しミラー４２に入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第４パス）、折返しミラー３８に入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第５パス）、折返しミラー４２に入射して斜め上方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第６パス）、折返しミラー３８に入射して反射される。折返しミラー３８によって反射されたレーザ光は、増幅領域３０を通過して増幅され（第７パス）、折返しミラー４２に入射する。折返しミラー３８と折返しミラー４２とは相対的に傾いているので、折返しミラー４２に入射するレーザ光の入射角は徐々に減少する。このため、折返しミラー４２に入射したレーザ光は、図２２において点線で示すように、折返しミラー４２によって斜め下方向に反射される。

折返しミラー４２によって斜め下方向に反射されたレーザ光は、増幅領域３０を通過して増幅され（第８パス）、折返しミラー３８に入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅される（第９パス）。さらに、レーザ光は、折返しミラー４２に入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第１０パス）、折返しミラー３８に入射して斜め下方向に反射され、増幅領域３０を通過して増幅され（第１１パス）、出射ウインドウ３６を透過して出射ビームとして出力される。

出射ビームの光路上において、出射ビームが最後に反射された折返しミラー３８から距離２Ｄ＝Ｌだけ下流側の位置に、入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像を転写して転写像を結像させる入射ビーム転写位置（第２の点）３５が定められている。光学システムの働きにより、第１の点３４におけるレーザ光の像が第２の点３５に転写されて、転写像が結像する。ここで、第１の点３４と第２の点３５とは、物点と像点の関係にあって互いに共役な関係となっている。

光学システムの合成焦点距離Ｆ_Ｎ、前側主点間距離ＺＨ_Ｎ、倍率Ｍは、式（１４）〜（１６）により求めることができる。例えば、Ｄ＝１８００ｍｍで、１１パス増幅する場合には、曲率半径Ｒが約３００００ｍｍとなる。

第６の実施例のメリットは、第５の実施例におけるものと同じであるが、さらに、位置姿勢の調整が難しい折返しミラー３８を固定して、調整の容易な折返しミラー４２の調整により光路の調整を行うため、レーザ光増幅器の設計及びアライメントがより簡単になることがある。

以上の実施例においては、増幅領域においてレーザ光をマルチパス増幅するための光学システムとして、２つの凹面ミラーの組合せ、または、平面ミラーと凹面ミラーとの組合せを用いたが、本発明はこれらの実施例に限定されることなく、集光能力をもった光学素子を含む光学システムであれば何でも用いることができる。例えば、凹面ミラーと凸面ミラーとの組合せ、又は、凸レンズと平面ミラーとの組合せを用いてもよい。

（レーザ装置）
次に、本発明の幾つかの実施形態に係るレーザ装置について説明する。本発明の実施形態に係るレーザ装置は、ＬＰＰ式ＥＵＶ光源装置において、ターゲット物質にレーザ光を照射してターゲット物質をプラズマ化するドライバレーザ装置として用いられる。このドライバレーザ装置は、本発明の第１又は第２の実施形態に係るレーザ光増幅器を用いて高い増幅率で効率よくシードレーザ光を増幅し、増幅されたレーザ光をプラズマ発光点に集光することにより、高い効率でＥＵＶ光を発生させることができる。

（実施形態３）
図２３は、本発明の第３の実施形態に係るドライバレーザ装置を用いたＥＵＶ光源装置の構成を示す図である。第３の実施形態に係るドライバレーザ装置は、プリアンプにスラブ型のレーザ光増幅器を使用し、メインアンプに高速軸流型のレーザ光増幅器を使用して、ＥＵＶ光源装置のドライバレーザ光を供給するものである。

第３の実施形態に係るドライバレーザ装置は、シードレーザ光を発生するマスターオシレータ（ＭＯ）５１と、シードレーザ光の空間横モードを空間的にフィルタリングする空間フィルタ５２と、プリアンプ２０と、ＨＲ（高反射）ミラー５３、５４、５８と、リレー光学系５５及び５７と、メインアンプ６０とを含んでいる。このドライバレーザ装置は、シードレーザ光を必要な光強度まで増幅して、増幅されたレーザ光を軸外放物面ミラー５９に出力する。軸外放物面ミラー５９は、増幅されたレーザ光をＥＵＶチャンバ７０内のターゲット上に集光する。ここで、増幅されたレーザ光の集光点は、プラズマ発光点７１と一致する。

マスターオシレータ５１は、シードレーザ光として、例えば、繰り返し周波数１００ｋＨｚ、及び、パルス時間幅約２０ｎｓで、低次の空間横モードを有する炭酸ガス（ＣＯ_２）パルスレーザ光を出力する。このシードレーザ光が空間フィルタ５２を通過することにより、空間横モードの高次モードがカットされ、空間横モードがシングルモードとなったシードレーザ光が、プリアンプ２０の入射ウインドウに入射する。

プリアンプ２０は、第１の実施形態に係るスラブ型レーザ光増幅器で構成されている。第１の実施形態において既に詳しく説明した通り、シードレーザ光は、スラブ型レーザ光増幅器に入射し、増幅領域を挟んで対向配置された２つの折返しミラーの間で多重反射することにより効率よくマルチパス増幅され、増幅されたレーザ光として出力される。プリアンプ２０は、入射ビームの光路上の入射ビーム位置（第１の点）３４における入射ビームの像の転写像を、出射ビームの光路上の第２の点３５に結像させる。したがって、入射ビームの光路が基準光路に対して多少の誤差があっても、出射ビームの光路の基準光路に対する誤差が、入射ビームの基準光路に対する誤差と略同等となるので、レーザ光の光軸は極めて安定している。

プリアンプ２０から出力されたレーザ光は、ＨＲミラー５３及び５４によって光路を変更され、リレー光学系５５に入射する。リレー光学系５５は、レーザ光がメインアンプ６０の増幅領域を効率よく通過するように、レーザ光のサイズ及び広がり角度を調整して、メインアンプ６０における直角プリズム６１の第１の反射面に４５度よりも僅かに大きな入射角でレーザ光を入射させる。

メインアンプ６０は、第２の実施形態に係る高速軸流型レーザ光増幅器で構成されている。直角プリズム６１の反射面は高反射面となっていて、プリアンプ２０により増幅されたレーザ光は第１の反射面で反射されて、メインアンプ６０の増幅領域６５にシードレーザ光として入射する。シードレーザ光は、増幅領域６５を通過して増幅され、入射角度が０度よりも僅かに大きな入射角で凹面ＨＲミラー６４に入射して反射され、増幅領域６５に再度入射して増幅され、直角プリズム６１の第２の反射面に４５度よりも僅かに大きな入射角度で入射して反射され、メインアンプ６０から出力される。

メインアンプ６０において、直角プリズム６１の第１の反射面に入射ビーム位置（第１の点）６２が定められており、直角プリズム６１の第２の反射面に入射ビーム転写像位置（第２の点）６３が定められている。メインアンプ６０の光学システムは、第１の点６２におけるシードレーザ光の像を第２の点６３に転写して転写像を結像させるように構成されている。したがって、メインアンプ６０における入射ビームの光軸変動は、拡大されることなく出射ビームの光軸変動に伝達されるので、レーザ光の光軸変動を十分抑制することができる。さらに、ダブルパス増幅を行うことにより、メインアンプ２０におけるレーザ光の増幅効率を向上させることができる。

メインアンプ６０によって増幅されたレーザ光は、リレー光学系５７に入射する。リレー光学系５７は、レーザ光を軸外放物面ミラー５９で集光できるように、レーザ光の大きさを調整し、レーザ光の波面を平面波に変換する。リレー光学系５７を通過したレーザ光は、ＨＲミラー５８によって高反射率で反射されて、軸外放物面ミラー５９に入射する。軸外放物面ミラー５９によって反射されたレーザ光は、ウインドウ７４を介してＥＵＶチャンバ７０内に導入され、プラズマ発光点７１におけるターゲットに集光されて、プラズマが発生する。回転楕円体の形状の反射面を有するＥＵＶ集光ミラー７２が、発生したプラズマから放射されるＥＵＶ光を中間集光点（ＩＦ）７３に集光する。中間集光点７３に集光されたＥＵＶ光は、露光機に供給される。

第３の実施形態によれば、ドライバレーザ装置内の光路長が非常に長いにもかかわらず、プリアンプ２０及びメインアンプ６０における光軸が安定しているため、ドライバレーザ装置全体のアライメント調整が容易であり、また、出力されるレーザ光の光軸が極めて安定している。その結果、レーザ光の集光点の位置及び形状が安定するので、ＥＵＶ光のエネルギー安定性が向上する。

第３の実施形態においては、メインアンプ６０において、管型の形状を有する高速軸流型レーザ光増幅器を用いたが、これに限定されることなく、楕円型、長円型、長方形型等の形状を有する高速軸流型レーザ光増幅器、３軸直交型レーザ光増幅器、又は、スラブ型レーザ光増幅器等を用いることもできる。さらに、プリアンプ２０においても、高速軸流型レーザ光増幅器等を用いることができる。

（実施形態４）
図２４は、本発明の第４の実施形態に係るドライバレーザ装置を用いたＥＵＶ光源装置の構成を示す図である。図２４に示すように、第４の実施形態に係るドライバレーザ装置は、シードレーザ光を出射するマスターオシレータ５１と、シードレーザ光の空間横モードを空間的にフィルタリングする空間フィルタ５２と、レーザ光増幅器をｍ段に多段化して構成されるプリアンプ２０と、ＨＲミラー５３、５４、５８と、リレー光学系５５及び５７と、レーザ光増幅器をｎ段に多段化して構成されるメインアンプ６０とを含んでいる。ここで、ｍ、ｎは、２以上の自然数である。このドライバレーザ装置は、シードレーザ光を必要な光強度まで増幅して、増幅されたレーザ光を軸外放物面ミラー５９に出力する。軸外放物面ミラー５９は、増幅されたレーザ光をターゲット上に集光する。増幅されたレーザ光の集光点は、ＥＵＶチャンバ７０内のプラズマ発光点７１と一致する。

第４の実施形態に係るドライバレーザ装置は、図２３に示した第３の実施形態に係るドライバレーザ装置において、プリアンプ２０を構成するスラブ型レーザ光増幅器を多段化すると共に、メインアンプ６０を構成する高速軸流型レーザ光増幅器を多段化したものである。その他の要素には差異がないので、以下においては、レーザ光増幅器の多段化について説明する。

第４の実施形態に係るドライバレーザ装置におけるプリアンプ２０は、第１の実施形態に係るスラブ型レーザ光増幅器をｍ段直列に接続したものである。個々のスラブ型レーザ光増幅器２０ｋにおいては、入射ウインドウの近傍に位置する第１の点３４ｋにおける入射ビームの像の転写像を、出射ウインドウの近傍に位置する第２の点３５ｋに結像させるように、光学システムが構成されている。このため、入射ビームの光路が基準光路から多少ずれても、出射ビームの光路の基準光路に対する誤差は、入射ビーム位置における光路の誤差程度にしかならない。

図２４においては、ドライバレーザ装置のプリアンプ２０において、ｍ段のレーザ光増幅器を直列に接続した場合を示したが、必要に応じて、前段のレーザ光増幅器２０ｋと次段のレーザ光増幅器２０（ｋ＋１）との間にリレー光学系を配置してもよい。そして、このリレー光学系は、前段のレーザ光増幅器２０ｋの第２の点３５ｋにおける出射ビームの像を、次段のレーザ光増幅器２０（ｋ＋１）の第１の点３４（ｋ＋１）に転写して、転写像を結像させる。このように、レーザ光増幅器２０ｋの出射レーザ光の光軸が次段のレーザ光増幅器２０（ｋ＋１）の第１の点３４（ｋ＋１）を通るように光軸を調整することによりレーザ光増幅器を多段化すれば、光軸のずれを抑制しながらプリアンプの増幅率を増大することができる。

第４の実施形態に係るドライバレーザ装置におけるメインアンプ６０は、図５等に示した第２の実施形態に係る高速軸流型レーザ光増幅器をｎ段直列に接続したものである。個々の管型レーザ光増幅器６０ｉは、直角プリズム６１ｉの第１の反射面に設定される第１の点６２ｉにおける入射ビームの像の転写像を、直角プリズム６１ｉの第２の反射面における第２の点６３ｉに結像させるように構成されている。このため、入射ビームの光路が基準光路から多少ずれても、入射ビーム転写像位置（第２の点）６３ｉにおける出射ビームの光路のずれは、入射ビーム位置（第１の点）６２ｉにおける光路の誤差の程度にしかならない。

リレー光学系５５は、ＨＲミラー５４によって反射されたレーザ光を調節して、第１のレーザ光増幅器の第１の点に入射させる。それ以降は、各レーザ光増幅器６０ｉにおいて、第１の点６２ｉにおける入射ビームの像が第２の点６３ｉに転写されて、転写像が結像する。レーザ光増幅器６０ｉの第２の点６３ｉにおける出射レーザ光の像を、リレー光学系６６ｉを介して、次段のレーザ光増幅器６０（ｉ＋１）の第１の点６２（ｉ＋１）に転写するように光軸を調整することによりレーザ光増幅器を多段化すれば、光軸のずれを抑制しながら、メインアンプの増幅率を増大してメインアンプを高出力化することができる。

第４の実施形態によれば、レーザ光増幅器を直列接続して多段化するのでドライバレーザ装置内の光路長が極めて長大であるにもかかわらず、プリアンプ２０及びメインアンプ６０における光軸が安定しているため、ドライバレーザ装置全体のアライメント調整が容易であり、また、出力されるレーザ光の光軸が極めて安定している。その結果、レーザ光の集光点の位置及び形状が安定するので、ＥＵＶ光のエネルギー安定性が向上する。

第４の実施形態においては、メインアンプ６０として管型の形状を有する高速軸流型レーザ光増幅器を用いたが、これに限定されることなく、楕円型、長円型、長方形型等の形状を有する高速軸流型レーザ光増幅器、３軸直交型レーザ光増幅器、又は、スラブ型レーザ光増幅器等を用いることができる。さらに、プリアンプ２０においても、高速軸流型レーザ光増幅器等を用いることができる。

（実施形態５）
図２５は、本発明の第５の実施形態に係るドライバレーザ装置を用いたＥＵＶ光源装置の構成を示す図である。図２５に示すように、第５の実施形態に係るドライバレーザ装置は、マスターオシレータ５１と、空間フィルタ５２と、リレー光学系８０と、レーザ光増幅器をｍ段に多段化して構成されたプリアンプ２０と、ＨＲミラー５３、５４、５８と、リレー光学系５６及び５７と、レーザ光増幅器をｎ段に多段化して構成されたメインアンプ６０とを含んでいる。

マスターオシレータ５１から出力されたシードレーザ光のシングルモードが、ピンホール８１が形成された空間フィルタ５２によってフィルタリングされ、空間フィルタ５２のピンホール８１におけるレーザ光の像が、リレー光学系８０によってプリアンプ２０の初段レーザ光増幅器の第１の点に転写され、転写像が結像される。プリアンプ２０の動作は、図２４に示す第４の実施形態におけるのと同じである。

プリアンプ２０の終段レーザ光増幅器の第２の点におけるレーザ光の像は、リレー光学系５６によって、メインアンプ６０の初段レーザ光増幅器の第１の点に転写される。メインアンプ６０の動作は、図２４に示す第４の実施形態におけるのと同じである。メインアンプ６０によって増幅されたレーザ光は、リレー光学系５７に入射する。

第５の実施形態に係るドライバレーザ装置は、図２４に示す第４の実施形態に係るドライバレーザ装置に対して、随所にリレー光学系を挿入して転写光学系を形成している点が相違する。図２５に示すように、空間フィルタ５２とプリアンプ２０との間に挿入されたリレー光学系８０は、空間フィルタ５２のピンホール８１におけるレーザ光の像を、プリアンプ２０の初段レーザ光増幅器の第１の点に転写して、転写像を結像させる。

次に、多段化されたプリアンプ２０と多段化されたメインアンプ６０との間に挿入されたリレー光学系５６は、プリアンプ２０の終段レーザ光増幅器の第２の点におけるレーザ光の像を、メインアンプ６０の初段レーザ光増幅器の直角プリズムの反射面に設定された第１の点に転写して、転写像を結像させる。

第５の実施形態によれば、リレー光学系を追加したことにより、プリアンプ及びメインアンプの第１の点に確実にレーザ光を入射させることができるので、プリアンプ及びメインアンプの増幅効率の変動が抑制されて、レーザ装置全体として安定な増幅が可能である。

本発明は、シードレーザ光を増幅するレーザ光増幅器、及び、そのようなレーザ光増幅器を用いたレーザ装置において利用することができる。

２０・・・プリアンプ、２１、２１ｃ・・・チャンバ、２２、２３・・・平板電極、２２ａ、２３ａ・・・円筒電極、２２ｂ、２２ｃ、２３ｂ、２３ｃ・・・電極、２４、２４ａ、２４ｂ・・・高周波電源、２５、２５ａ、２５ｂ・・・放電管、２６・・・レーザガス循環ポンプ、２７、２９・・・熱交換器、２８・・・クロスフローファン、３０、３０ａ、３０ｂ・・・増幅領域、３１・・・可飽和吸収体、３３・・・入射ウインドウ、３４、６２・・・入射ビーム位置（第１の点）、３５、６３・・・入射ビーム転写像位置（第２の点）、３６・・・出射ウインドウ、３７、３７ａ、３８、３８ａ・・・折返しミラー（凹面ＨＲミラー）、３９・・・第３の点、４０・・・基準光路、４１・・・光路、４２・・・平面ＨＲミラー、４３・・・ＨＲミラープリズム、４４、４５・・・反射面、４６・・・第１のウインドウ、４７・・・第２のウインドウ、５１・・・マスターオシレータ、５２・・・空間フィルタ、５３、５４、５８・・・ＨＲミラー、５５、５６、５７、６６、８０・・・リレー光学系、５９・・・軸外放物面ミラー、６０・・・メインアンプ、６１・・・直角プリズム、６４・・・凹面ＨＲミラー、６５・・・増幅領域、７０・・・ＥＵＶチャンバ、７１・・・プラズマ発光点、７２・・・ＥＵＶ集光ミラー、７３・・・中間集光点（ＩＦ）、７４・・・ウインドウ、８１・・・ピンホール

Claims (14)

1. レーザ媒体を収納する容器と、
   前記レーザ媒体中で放電を行うことにより前記レーザ媒体中にレーザ光の増幅領域を形成する１対の電極と、
   互いに共役な第１の点と第２の点との間の光路中に前記増幅領域が配置され、前記第１の点に入射するレーザ光が前記増幅領域中を少なくとも２回通過しながら増幅されて前記第２の点に転写されるように、レーザ光が入射する前記第１の点とレーザ光が出力される前記第２の点との間の光路を形成する光学システムと、
   を具備するレーザ光増幅器。
2. 前記容器に、レーザ光が入射する第１のウインドウとレーザ光が出力される第２のウインドウとが設けられており、レーザ光が入射する前記第１の点が、前記第１のウインドウの近傍に位置し、レーザ光が出力される前記第２の点が、前記第２のウインドウの近傍に位置する、請求項１記載のレーザ光増幅器。
3. 前記容器が、レーザ媒体を収納するチャンバを含み、前記１対の電極が、前記チャンバ内のレーザ媒体を挟むように配置され、高周波電圧が印加されて前記レーザ媒体中で放電を行うことにより前記レーザ媒体を励起してレーザ光を増幅する１対の平板電極を含み、前記レーザ光増幅器が、スラブ型レーザ光増幅器を構成する、請求項１又は２記載のレーザ光増幅器。
4. 前記光学システムが、平面ミラーと凹面ミラーとの組合せ、２つの凹面ミラーの組合せ、凹面ミラーと凸面ミラーとの組合せの内の１つを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザ光増幅器。
5. 前記光学システムが、前記第１の点に入射するレーザ光の転写像を、前記第１の点と前記第２の点との間の光路中で少なくとも１回結像させた後、前記第２の点において再び結像させる、請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザ光増幅器。
6. 前記第１の点と前記第２の点との間の光路中に配置された可飽和吸収体をさらに具備する、請求項１〜５のいずれか１項記載のレーザ光増幅器。
7. 前記容器が、レーザ光の光路が形成された放電管を含み、前記１対の電極が、高周波電圧が印加されて前記放電管の光路に流れるレーザ媒体中で放電を行うことにより前記レーザ媒体を励起してレーザ光を増幅し、前記レーザ光増幅器が、高速軸流型レーザ光増幅器を構成する、請求項１又は２記載のレーザ光増幅器。
8. 前記光学システムの転写倍率が略１である、請求項１〜７のいずれか１項記載のレーザ光増幅器。
9. 前記レーザ媒体が、二酸化炭素（ＣＯ_２）を含有するＣＯ_２レーザガスを含む、請求項１〜８のいずれか１項記載のレーザ光増幅器。
10. パルスレーザ光を発生するマスターオシレータと、
    請求項１〜９のいずれか１項記載のレーザ光増幅器を含み、前記マスターオシレータから前記レーザ光増幅器の前記第１の点に入射するパルスレーザ光を増幅して、増幅されたパルスレーザ光を前記レーザ光増幅器の前記第２の点から出力するプリアンプと、
    前記プリアンプから出力されるパルスレーザ光のサイズ及び広がり角度を調節する第１のリレー光学系と、
    少なくとも１つのレーザ光増幅器を含み、前記プリアンプから前記第１のリレー光学系を介して供給されるパルスレーザ光を増幅するメインアンプと、
    前記メインアンプから出力されるパルスレーザ光をコリメートして、平行光を出力する第２のリレー光学系と、
    を具備するレーザ装置。
11. 前記メインアンプが、
    レーザ媒体を収納する容器と、
    前記レーザ媒体中で放電を行うことにより前記レーザ媒体中にレーザ光の増幅領域を形成する１対の電極と、
    互いに共役な第３の点と第４の点との間の光路中に前記増幅領域が配置され、前記第３の点に入射するレーザ光が前記増幅領域中を少なくとも２回通過しながら増幅されて前記第４の点に転写されるように、レーザ光が入射する前記第３の点とレーザ光が出力される前記第４の点との間の光路を形成する光学システムと、
    を有するレーザ光増幅器を含む、請求項１０記載のレーザ装置。
12. 前記第１のリレー光学系が、前記プリアンプに含まれている前記レーザ光増幅器の前記第２の点から出力されるパルスレーザ光を、前記メインアンプに含まれている前記レーザ光増幅器の前記第３の点に転写する、請求項１１記載のレーザ装置。
13. 前記プリアンプが、直列接続された複数のレーザ光増幅器を含む、請求項１０〜１２のいずれか１項記載のレーザ装置。
14. 前記メインアンプが、直列接続された複数のレーザ光増幅器を含む、請求項１０〜１３のいずれか１項記載のレーザ装置。