JP6132935B2 - 直交励起型ガスレーザ発振装置 - Google Patents

Description

この発明は、ガスレーザ発振装置に関し、特に、密閉構造の発振器筐体にレーザ媒体ガスを封入してレーザ発振を行う直交励起型ガスレーザ発振装置に関するものである。

直交励起型ガスレーザ発振装置は、ＣＯ_２ガス等のレーザ媒体ガスを封入した密閉構造の発振器筐体を備えている（例えば特許文献１）。発振器筐体の内部には、レーザ媒体ガスの放電励起に用いる放電電極、レーザ媒体ガスを冷却する熱交換器、レーザ媒体ガスを循環させる送風器などが備え付けられている。直交励起型ガスレーザ発振装置は、全反射鏡と部分反射鏡の代わりにウィンドウを取り付けると、レーザ増幅器として機能する（例えば特許文献２）。

近年、次世代露光機に対応する光源として、ＬＰＰ（Laser Produced Plasma）型のＥＵＶ（Extreme Ultra Violet：極端紫外）光源装置が開発されている（例えば特許文献３）。そのドライバー光源に用いられるＣＯ_２ガスレーザ発振装置には高出力化と小型化が求められている。レーザ加工等に用いられるレーザ発振器は、加工能力向上のため、出力の向上が課題となっている（例えば特許文献４〜１１）。

特開昭６０−２５４６８０号公報 特開２０１１−１５９９０１号公報 特開２００８−８５２９２号公報 特開平０７−２８３４６４号公報 特開２００３−３３８６４７号公報 特開平０６−３５０１６４号公報 特開昭６２−２１９９８６号公報 特開平０８−２７９６３７号公報 特開２００５−１１７８４６号公報 特開２０００−０４５９８７号公報 特開平０８−３０６９８９号公報

高いレーザ出力を得るために、投入電力を大きくすれば、放電部を通過した後のレーザガス温度が高くなるので、発振効率が低下し高出力は得られない。レーザガス温度を上げずに投入電力を増やすために、放電長を光軸方向に長くすると、発振器が大型化することで、設置面積が増加する。さらに、電極や筐体（真空容器）が長くなることによるコストアップ、光路が長くなることによる光軸安定性の低下など、デメリットが目立つようになる。この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、レーザ媒体ガスの冷却能力を高めることで、小型で高出力のガスレーザ発振装置を得ることを目的としている。

本願に係る直交励起型ガスレーザ発振装置は、一対の放電電極を有する第１放電部と、一対の放電電極を有し、第１放電部と光軸を共有する第２放電部と、２個の動翼に挟まれている静翼を有し、この静翼でケーシングから支持固定されているモータで動作する第１軸流送風器と、２個の動翼に挟まれている静翼を有し、この静翼でケーシングから支持固定されているモータで動作し、送風方向が第１軸流送風器の送風方向と対向する第２軸流送風器と、複数の冷却フィンが光軸と直交する平面上に配置されている第１熱交換器と、複数の冷却フィンが光軸と直交する平面上に配置されている第２熱交換器と、第１放電部と第１熱交換器の間に架設され、ガス通路に第１軸流送風器が配設されている第１ガスダクトと、第２放電部と第２熱交換器の間に架設され、ガス通路に第２軸流送風器が配設されている第２ガスダクトと、を備えている。第１ガスダクトはガス通路に第１軸流送風器よりも風上側に第２熱交換器を含み、かつ、第１軸流送風器よりも風下側に第１熱交換器を含んでいて、第２ガスダクトはガス通路に第２軸流送風器よりも風上側に第１熱交換器を含み、かつ、第２軸流送風器よりも風下側に第２熱交換器を含んでいる。

２個の動翼に挟まれている静翼を有し、この静翼でケーシングから支持固定されているモータを採用した軸流送風器を用いることで、風量を増加させ、軸流送風器の後に配置した熱交換器によって、軸流送風器によるレーザガス温度上昇を抑制する。結果、冷たい大量のレーザ媒体ガスを放電部に供給でき、高出力かつ小型の直交励起型ガスレーザ発振装置が得られる。

本発明の実施の形態１によるガスレーザ発振装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態２によるガスレーザ発振装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４によるガスレーザ発振装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態５によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態６によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。

以下に本発明にかかる直交励起型ガスレーザ発振装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の既述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。図において、同一符号が付与されている構成要素は、同一の、または、相当する構成要素を表している。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による直交励起型ガスレーザ発振装置を示す斜視図である。ガスレーザ発振装置１００は、筐体（真空容器）１、軸流送風器２、熱交換器３、噴出し側ガスダクト４、放電部５、吸い込み側ガスダクト６、全反射鏡７、部分反射鏡８などから構成されている。レーザ光発生用の放電部５は、放電電極５ａと放電電極５ｂなどから構成され、筐体１の内側に設けられている。熱交換器３は、レーザ媒体ガス９を冷却する。全反射鏡７と部分反射鏡８は、筐体１の光軸方向の両側に設けられており、光共振器を構成している。レーザ２１は部分反射鏡８から出射する。全反射鏡７と部分反射鏡８の代わりにウィンドウを取り付けた場合、ガスレーザ発振装置１００はレーザ増幅器として機能する。ここではレーザ媒体ガス９は４台の軸流送風器２によって筐体１の内側を循環している。

噴出し側ガスダクト４と吸い込み側ガスダクト６は、レーザ媒体ガス９が循環するように繋がっていて、放電部５と熱交換器３との間でガス通路を形成している。レーザ媒体ガス９は、一体化したガスダクトのガス通路を、放電部５から熱交換器３に向かって移動する。熱交換器３はパイプ１０、Ｕベンド管１１、ヘッダー管１７、冷却フィン２０などから構成されている。熱交換器３の冷却フィン２０は、光軸と直交する平面上に配置されている。これは、レーザ媒体ガス９が光軸と直交する平面上を流れるからである。冷却フィン２０にはパイプ１０が垂直（光軸方向）に差し込まれている。パイプ１０の中に冷却水１９を流すことで冷却フィン２０を冷却する。複数本のパイプ１０はヘッダー管１７に接続され一本にまとめられている。パイプ１０の折り返し部分はＵベンド管１１にて構成されている。ヘッダー管１７は２本設けられていて、一方が冷媒供給口に、別方が冷媒排出口に該当する。なお、本実施の形態では熱交換器３を放電方向と平行な向きに配置してあるが、パイプ１０が光軸１０と平行で、フィン２０が光軸に垂直であれば、熱交換器３は斜めに配置してもよい。

図２は、実施の形態１によるガスレーザ発振装置の断面を示す図である。ガスレーザ発振装置１００は、光軸方向と放電方向とガス流方向が直交する直交励起型のレーザ発振装置である。直交励起型は光軸の垂直方向からレーザ媒体ガス９を供給するため、レーザガス流路の断面積が大きくとれ、圧力損失が小さい。この結果、レーザ媒体ガス９を大量に放電部５へ供給することが可能となり、レーザガス温度を低く保つことができる特徴がある。放電電極５ａと放電電極５ｂの間には高周波電圧が印加される。噴出し側ガスダクト４と吸い込み側ガスダクト６は放電部５と熱交換器３の間に架設されている。

軸流送風器２は、動翼１２Ａ、動翼１２Ｂ、静翼１３、モータ１４、ケーシング１５などから構成されている。動翼を２個備えている２段型の軸流送風器２は、回転軸方向に直線的にガスが流れる。モータ１４は、永久磁石式モータ（ＰＭＭ：Permanent Magnet Motor）を用いている。動翼１２Ａと動翼１２Ｂはモータ軸の両端に装着されている。永久磁石式モータは誘導モータ（ＩＭ：Induction Motor）と異なり、強力な永久磁石がロータに使われている。永久磁石式モータは誘導モータに比べて、トルクが高くかつ回転速度が大きい。軸流送風器２ではレーザ媒体ガス９はモータ１４の回りを流れる。モータ１４は、薄い静翼１３と流れを阻害しない最小限の部材で、ケーシング１５から支持固定されている。

当方の実験によれば、送風器が誘導モータを用いている場合や、動翼が１段の場合は、送風器による温度上昇はわずかであるため、送風器の後に大型で高コストの熱交換器を配置する必要はない。熱交換器は送風器のモータが高温にならないように送風器の前側だけに配置するのが主流である。しかし、風圧が小さいとされる軸流送風器でも、動翼が２個以上ある多段型で、かつ、強力な磁石がロータに使われている永久磁石式モータを用いた場合は、圧縮熱が大きく、レーザ出力に影響するレベルであることがわかってきた。このため、本実施の形態では、軸流送風器２の後に熱交換器３を設けている。

モータ１４の回りをガスが流れる軸流送風器２は、レーザ媒体ガス９が直接モータにあたる構造である。またモータ１４を固定している静翼１３は薄いため、ケーシング１５への熱伝導性が低く、高出力モータの発熱が、レーザ媒体ガス９に入熱されやすいことも、軸流送風器による温度上昇を大きくしている。さらに、モータ１４からレーザ媒体ガス９への熱伝達率は、ガス流速の増加に伴い上昇していくことも、レーザガス温度を上昇させる原因となっている。軸流送風器によって温度が上昇したレーザ媒体ガス９が放電部５に流れると、レーザ２１が発生する放電部５のレーザガス温度が高くなる。レーザガス温度が高いと、レーザの発振効率が低下し、高出力のレーザが得られない。

レーザ媒体ガス９は放電部５に入る前に熱交換器３を通過し、軸流送風器による温度上昇分が冷却されるため、放電部５には冷たいレーザ媒体ガスが供給される。本発明では、多段で永久磁石式モータを採用した軸流送風器を用いることで、風量が増大している。大出力の軸流送風器によるレーザガス温度上昇を、送風器の出口に配置した熱交換器３で冷却することで、軸流送風器によるレーザガス温度上昇を抑制した。結果、冷たい大量のレーザ媒体ガスを放電部５に供給できるため、放電部への投入電力を上げることができ、高出力及び小型のレーザ発振装置が得られる。

軸流送風器２のモータ１４は磁石埋め込み型のＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータにしてもよい。ＩＰＭモータは珪素鋼板等で作られたロータの内部に永久磁石を埋め込んだ構造を持つ回転界磁形式の同期モータである。モータの回転中にも遠心力で永久磁石が飛び出すことが無く、機械的な安定性が高い。ＩＰＭモータは、リラクタンストルクを利用できるため、高トルク高回転化が可能となることが知られている。軸流送風器２に、このＩＰＭモータを採用することで、風量を増加できる。圧縮熱の増加は、軸流送風器の後に配設された熱交換器３で冷却することで抑制できる結果、冷却能力の高いレーザ装置が得られる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２によるガスレーザ発振装置を示す斜視図である。図４は本発明の実施の形態２によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。実施の形態１では、軸流送風器２の後に熱交換器３を配置したが、本実施の形態では、軸流送風器２の前（風上側）と後（風下側）に熱交換器３Ｂと熱交換器３Ａをそれぞれ配置している。放電部５で高温になったレーザ媒体ガスは熱交換器３Ｂで冷やされるので、モータ１４にあたるレーザ媒体ガス９の温度を低く保つことができるため、軸受け等を長寿命化できる。

実施の形態３．
図５は本発明の実施の形態３によるガスレーザ発振装置を示す断面図である。実施の形態２との違いは、熱交換器３Ａと熱交換器３Ｂを、放電方向と垂直な向き配置するようにした点である。ガスレーザ発振装置１００では、放電部５、熱交換器３、軸流送風器２などをメンテナンスする必要があるが、熱交換器に軸流送風器２が挟まれた構造の場合、熱交換器を外さないと、軸流送風器２のメンテナンスが難しい。

熱交換器３Ａと熱交換器３Ｂは放電方向と垂直に配置されている。筐体１の蓋１６は、固定ボルト１８とＯリング２３を使って筐体１の枠に固定されている。熱交換器を外さなくても、筐体１の蓋１６を外して、噴出し側ガスダクト４をはずせば、軸流送風器２を放電方向と垂直な方向に取り出すことができ、メンテナンスが容易となる。また、熱交換器３Ａと熱交換器３Ｂを一枚にしてもよく、この場合、配管を削減でき低コストである。

実施の形態４．
図６は本発明の実施の形態４によるガスレーザ発振装置を示す図である。ここでは、放電部、軸流送風器およびガスダクトがそれぞれ２組設けられている。具体的には、放電部５Ａと放電部５Ｂが光軸方向に配置されている。放電部５Ａと放電部５Ｂは、筐体１の光軸方向の長さのほぼ半分の長さを有する。放電部５Ａには吸い込み側ガスダクト６Ａおよび噴出し側ガスダクト４Ａが架設されていて、２台の軸流送風器２Ａが配設されている。放電部５Ｂには吸い込み側ガスダクト６Ｂおよび噴出し側ガスダクト４Ｂが架設されていて、２台の軸流送風器２Ｂが配設されている。軸流送風器２Ａと軸流送風器２Ｂは送風方向が対向するように配置されている。このような対向流型は、直交励起型発振器のビームプロファイルにおける軸対称性を改善する有効な手段で、特に高出力ガスレーザ発振装置では、必須の技術となっている。

図７は、ガスレーザ発振装置１００を上から見た図である。ガス流路が対向している直交励起型ガスレーザ発振装置において、軸流送風器の前後に熱交換器を配置し、送風器後の熱交換器と送風器前の熱交換器を一体としている。図において、矢印２４Ａはヘッダー管１７ＡからＵベンド管１１Ａに向かう方向を表している。矢印２４Ｂはヘッダー管１７ＢからＵベンド管１１Ｂに向かう方向を表している。ここでは、ヘッダー管１７ＡからＵベンド管１１Ａに向かう方向は、ヘッダー管１７ＢからＵベンド管１１Ｂに向かう方向と、反対方向を向いている。

放電部５Ａのガスダクトはガス通路に軸流送風器２Ａよりも風上側に熱交換器３Ｂを含んでいる。また、放電部５Ｂのガスダクトはガス通路に軸流送風器２Ｂよりも風上側に熱交換器３Ａを含んでいる。熱交換器３Ａと熱交換器３Ｂには冷水を供給する配管が必要である。特にヘッダー管１７はパイプ１０のロウ付けを一本づつ手作業で行うため、高コストである。これに対して熱交換器を一体とした場合は、熱交換器への配管を共通化により削減できる。また、折り返し用のＵベンド管１１も削減できるため、送風器後に熱交換器を追加することのコストアップを最小限にできる。

放電部５Ａと放電部５Ｂは光軸を共有し、両者の間には隙間が存在する。この隙間ではレーザ媒体ガスが流れないため、放電が発生しない非励起部が形成される。非励起部では、レーザ光はレーザ媒体ガスに吸収されレーザ出力が低下する。本実施の形態によれば、熱交換器の一体化によりＵベンド管の干渉がなくなるため、放電部５Ａと放電部５Ａの隙間を最小化することができる。非励起部が小さくなるので、レーザ出力が高くなる。非励起部でのレーザ光の吸収量は、レーザ光の強度に応じて大きくなるため、数１０ｋＷのレーザ光が通るＥＵＶ用の増幅器の場合に、特に有効である。

実施の形態５．
実施の形態４では、冷却水のヘッダー管（冷媒供給口および冷媒排出口）１７を光軸方向の反対側に配置したが、図８に示すように同じ側に配置してもよい。図において、矢印２４Ａはヘッダー管１７ＡからＵベンド管１１Ａに向かう方向を表している。矢印２４Ｂはヘッダー管１７ＢからＵベンド管１１Ｂに向かう方向を表している。矢印２４Ａは、矢印２４Ｂと同じ方向を向いている。ヘッダー管１７Ａとヘッダー管１７Ｂを一方向に引き出すことで、配管の引き回しを最小化でき、低コストであると同時に、組立性も向上する。

実施の形態６．
図９は、熱交換器を一体としなかった場合を示す図である。ガスレーザ発振装置１００は熱交換器３Ａ、熱交換器３Ｂ、熱交換器３Ｃおよび熱交換器３Ｄを備えている。熱交換器３Ｂは軸流送風器２Ａよりも風上側に配置されている。熱交換器３Ｄは軸流送風器２Ｂよりも風上側に配置されている。Ｕベンド管１１の機械的干渉により吸い込み側ガスダクト６Ａと吸い込み側ガスダクト６Ｂの間に隙間が必要となる。この部分はレーザ媒体ガスが流れないため、放電できない非励起部２２となる。非励起部２２ではレーザ光はレーザ媒体ガスに吸収されるのでレーザ出力が低下する。非励起部２２でのレーザ光の吸収量は、レーザ光の強度に応じて大きくなるので、本実施の形態は小型出力のガスレーザ発振装置に適している。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 筐体、２ 軸流送風器、２Ａ 軸流送風器、２Ｂ 軸流送風器、
３ 熱交換器、３Ａ 熱交換器、３Ｂ 熱交換器、３Ｃ 熱交換器、
３Ｄ 熱交換器、４ 噴出し側ガスダクト、４Ａ 噴出し側ガスダクト、
４Ｂ 噴出し側ガスダクト、５ 放電部、５ａ 放電電極、
５ｂ 放電電極、５Ａ 放電部、５Ｂ 放電部、
６ 吸い込み側ガスダクト、６Ａ 吸い込み側ガスダクト、
６Ｂ 吸い込み側ガスダクト、７ 全反射鏡、８ 部分反射鏡、
９ レーザ媒体ガス、１０ パイプ、１１ Ｕベンド管、１２Ａ 動翼、
１２Ｂ 動翼、１３ 静翼、１４ モータ、１５ ケーシング、１６ 蓋、
１７ ヘッダー管、１８ 固定ボルト、１９ 冷却水、２０ 冷却フィン、
２１ レーザ、２２ 非励起部、２３ Ｏリング、２４Ａ 矢印、
２４Ｂ 矢印、１００ ガスレーザ発振装置。

Claims (3)

1. 一対の放電電極を有する第１放電部と、
   一対の放電電極を有し、前記第１放電部と光軸を共有する第２放電部と、
   ２個の動翼に挟まれている静翼を有し、この静翼でケーシングから支持固定されているモータで動作する第１軸流送風器と、
   ２個の動翼に挟まれている静翼を有し、この静翼でケーシングから支持固定されているモータで動作し、送風方向が前記第１軸流送風器の送風方向と対向する第２軸流送風器と、複数の冷却フィンが光軸と直交する平面上に配置されている第１熱交換器と、
   複数の冷却フィンが光軸と直交する平面上に配置されている第２熱交換器と、
   前記第１放電部と前記第１熱交換器の間に架設され、ガス通路に前記第１軸流送風器が配設されている第１ガスダクトと、
   前記第２放電部と前記第２熱交換器の間に架設され、ガス通路に前記第２軸流送風器が配設されている第２ガスダクトと、を備え、
   前記第１ガスダクトはガス通路に前記第１軸流送風器よりも風上側に前記第２熱交換器を含み、かつ、前記第１軸流送風器よりも風下側に前記第１熱交換器を含んでいて、前記第２ガスダクトはガス通路に前記第２軸流送風器よりも風上側に前記第１熱交換器を含み、かつ、前記第２軸流送風器よりも風下側に前記第２熱交換器を含んでいる直交励起型ガスレーザ発振装置。
2. 前記第１熱交換器は両端部にそれぞれ第１ヘッダー管と第１ベンド管を有しており、前記第２熱交換器は両端部に第２ヘッダー管と第２ベンド管を有しており、
   前記第１ヘッダー管から前記第１ベンド管に向かう方向と前記第２ヘッダー管から前記第２ベンド管に向かう方向は、反対方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載の直交励起型ガスレーザ発振装置。
3. 前記第１熱交換器は両端部にそれぞれ第１ヘッダー管と第１ベンド管を有しており、前記第２熱交換器は両端部に第２ヘッダー管と第２ベンド管を有しており、
   前記第１ヘッダー管から前記第１ベンド管に向かう方向と前記第２ヘッダー管から前記第２ベンド管に向かう方向は、同じ方向を向いていることを特徴とする請求項１に記載の直交励起型ガスレーザ発振装置。

Images