CN108604531B

CN108604531B - 激光驱动灯

Info

Publication number: CN108604531B
Application number: CN201780011301.6A
Authority: CN
Inventors: 森和之; 朝山淳哉; 横田利夫
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: US20190053364A1; US10561008B2; CN108604531A; WO2017145662A1

Abstract

本发明课题是在封入有发光气体并对激光束进行会聚入射而生成等离子体的激光驱动灯中，提供一种使用石英玻璃以外的材料作为等离子体容器来防止紫外线变形的产生的构造。激光驱动灯(1)的特征在于，具备柱状的主体部(2)，并且在该主体部(2)的前方侧形成有具有所述激光束会聚的焦点的凹面反射部(5)，在该凹面反射部(5)的前表面设置有紫外光透过性的光出射窗(3)，在所述主体部(2)的中心设置有沿光轴方向贯通的激光束通过孔(6)，在所述主体部(2)的后方侧设置有供所述激光束入射的光入射窗(4)，由所述主体部(2)、所述光出射窗(3)及所述光入射窗(3)形成密闭空间(S)，在该密闭空间(S)内封入有所述发光气体。

Description

激光驱动灯

技术领域

本发明涉及激光驱动灯，特别是涉及灯本体与反射镜成为一体的激光驱动灯。

背景技术

近年来，在半导体、液晶基板及滤色器等被处理物的制造工序中，使用输入电力大的紫外线光源。并且，作为该紫外线光源而较多使用的是在封入有汞蒸气或稀有气体的管球内使电极间产生电弧放电的类型的高压放电灯。

另外，在上述那样的制造工序中，要求处理时间进一步缩短，因此，该用途所使用的高压放电灯需要进一步提高放射亮度。为了提高高压放电灯的放射亮度，需要增加输入电力。

然而，如果单纯地增大向灯的输入电力，则向放电灯的电极的负载增大，来自电极的电子放射性物质的蒸发成为原因，存在发生灯的黑化、短寿命这样的问题。

为了解决这样的高压放电灯的问题，提出了通过激光向放电空间投入能量来激励发光气体而得到紫外线放射的技术。日本特开2010-170112号公报(专利文献1)是其一例。

这样的光源也称为LPP(Laser Produced Plasma：激光等离子体光源)光源或LSP(Laser Sustained Plasma：激光支持等离子体光源)光源。

在日本特开2010-170112号公报(专利文献1)公开的现有技术中，如图14所示，等离子体发生容器30由石英玻璃制的发光部31和封固部32构成，在发光部31封入有例如汞和氙作为发光物质。

在该例中，等离子体发生容器30是无电极等离子体发生容器。在椭圆反射镜40的一个焦点F1配置等离子体发生容器30。另一方面，在椭圆反射镜40的前方设置激光束发生器50，从该激光束发生器50射出例如由脉冲激光或CW(Continuous Wave)激光构成的激光束，向等离子体发生容器30导入。

从激光束发生器50射出的激光束经由平面镜60的窗部61被导入，由配置在该窗部61与等离子体发生容器30之间的会聚透镜70进行会聚而向等离子体发生容器30照射。通过对激光束进行会聚而在会聚点F1处能够提高能量密度，激励发光物质，能够产生放射光。来自等离子体发生容器30的放射光由椭圆反射镜40反射，进而由平面镜60反射而向被照射物侧射出。

在这样的以往的LPP(LSP)灯中，使用石英玻璃作为等离子体发生容器的材料，但是存在接受来自等离子体的高输出的UV光及VUV光的照射而在等离子体发生容器容易产生紫外线变形的问题。

如果这样的紫外线变形蓄积，则不久之后在玻璃表面产生裂纹，其成为起点，而灯可能会破损。

为了将其避免，如果使用水晶、蓝宝石等结晶材料作为等离子体发生容器，则能够减少紫外线变形，但是通过结晶材料成型圆筒形状或球状的容器的情况在制造上极其困难，并不现实。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-170112号公报

发明内容

发明要解决的课题

本发明鉴于上述现有技术的问题点，在封入有发光气体并对激光束进行会聚入射而生成等离子体的激光驱动灯中，提供一种即使接受来自等离子体的高输出的UV光及VUV光的照射也不会在等离子体容器产生紫外线变形的构造。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的激光驱动灯的特征在于，具备柱状的主体部，并且，在该主体部的前方侧形成有凹面反射部，该凹面反射部具有所述激光束会聚的焦点，在该凹面反射部的前表面设有紫外光透过性的光出射窗，在所述主体部的中心设有沿光轴方向贯通的激光束通过孔，在所述主体部的后方侧设有供所述激光束入射的光入射窗，由所述主体部、所述光出射窗及所述光入射窗形成密闭空间，在该密闭空间内封入有所述发光气体。

另外，其特征在于，在所述光出射窗的中央部形成有对所述激光束进行反射的反射部。

另外，其特征在于，在所述主体部的激光束通过孔的入射侧形成有锥形部。

另外，其特征在于，安装有与所述密闭空间内连通的排气管。

另外，其特征在于，所述窗安装筒体为金属制，在该窗安装筒体安装有所述排气管。

另外，其特征在于，所述主体部为陶瓷制，在该主体部安装有所述排气管。

另外，其特征在于，所述光入射窗经由金属块而安装于所述主体部，在该金属块安装有所述排气管。

其特征在于，所述光入射窗及所述光出射窗经由窗安装筒体而安装于所述主体部，在所述窗安装筒体或所述排气管设置泄压部。

其特征在于，所述泄压部通过在所述窗安装筒体或所述排气管形成凹部而减薄壁厚来构成。

另外，其特征在于，所述光入射窗具备相对于所述激光束的光路倾斜的入射面。

发明效果

根据本发明，通过柱状主体部及其前后表面的光出射窗和光入射窗来构成激光驱动灯，因此作为主体部的结构材料，可以使用石英玻璃以外的材料、例如陶瓷、金属等，而且，光入射窗、光出射窗可以使用透光性的结晶材料，因此即使接受来自等离子体的高输出的UV光及VUV光的照射，也不会产生紫外线变形，能够实现更高输出且长寿命的激光驱动灯。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的剖视图。

图2是本发明的第二实施例的剖视图。

图3是本发明的第三实施例的剖视图。

图4是本发明的第四实施例的剖视图。

图5是本发明的第五实施例的剖视图。

图6是本发明的第六实施例的剖视图。

图7是本发明的第七实施例的剖视图。

图8是表示泄压部的各种方式的图。

图9是泄压部的工作说明图。

图10是本发明的第八实施例的剖视图。

图11是本发明的第九实施例的剖视图。

图12是本发明的第十实施例的剖视图。

图13是本发明的第十一实施例的剖视图。

图14是现有技术的说明图。

具体实施方式

图1示出本发明的第一实施例，激光驱动灯1由柱状的主体部2、在其前后表面设置的光出射窗3、光入射窗4构成。该主体部2由多晶氧化铝(Al₂O₃)等陶瓷材料构成。

并且，在该主体部2的前表面侧形成有凹面反射部5，并且在该主体部2的中心穿设有将其沿光轴方向贯通的激光束通过孔6。该激光束通过孔6的后端侧即入射侧被倒角而形成锥形部6a。在会聚后的激光束经由光入射窗4被导入而被导向激光束通过孔6时，该锥形部6a防止该激光束在该激光束通过孔6的入射侧被阻挡而隔断的情况。

所述凹面反射部5由抛物线形状或椭圆形形状构成，在该实施例中被记载为抛物线形状的反射部。该凹面反射部5由在主体部2的凹面部蒸镀有铝等的金属蒸镀膜或者电介质多层膜形成。

在所述凹面反射部5的前方设置的光出射窗3为紫外光透过性，后方的光入射窗4为激光束透过性，都由水晶、蓝宝石等结晶材料构成。并且，上述光出射窗3及光入射窗4的外周面例如由通过钼及锰的混合物构成的金属包覆而被进行包镀金属加工。

另外，在主体部2的外周的前后端部也与所述光出射窗3、光入射窗4同样地实施包镀金属加工。

并且，外周面被包镀金属后的光出射窗3通过弹性的金属制的环部件10和银钎料等利用钎焊来接合，另一方面，在主体部2的包镀金属后的前端部通过钎焊而接合有金属制的窗安装筒体11。并且，所述环部件10与窗安装筒体11通过TIG焊接、激光焊接等而被焊接接合。由此，光出射窗3被安装于主体部2的前表面侧。

另一方面，外周面被包镀金属后的光入射窗4通过钎焊而接合于金属块12，在主体部2的包镀金属后的后端部通过钎焊而接合有金属制的窗安装筒体13，所述金属块12与窗安装筒体13通过TIG焊接、激光焊接等而被焊接接合。由此，光入射窗4被安装于主体部2的后表面侧。

通过这样组装后的主体部2、光出射窗3及光入射窗4构成等离子体容器，在其内部形成密闭空间S，在该密闭空间S内，对应于发光波长而封入有氙气、氪气、氩气等稀有气体、汞气等作为发光气体。

在所述主体部2与金属块12之间形成间隙14而与所述密闭空间S连通。另一方面，在金属块12钎焊固定有排气管15，该排气管15连通于所述间隙14，并经由该间隙14连通于密闭空间S。经由该排气管15对密闭空间S进行了真空吸引之后，封入发光气体，然后将排气管15的端部15a压焊切断而封固。

另外，在所述光出射窗3，有时在其中央部也设置激光束反射部3a。在包含汞作为发光气体的情况下，激光束由产生的等离子体大致吸收，但是在氙等的情况下，其吸收率下降，有时会到达光出射窗3。在这样的情况下，如果在光出射窗3预先设置激光束反射部3a，则能防止激光束向外部放射。

来自在此未图示的激光束发生器的激光束L由会聚透镜21进行会聚而经由光入射窗4向本发明的激光驱动灯1导入。此时，激光束L的会聚点处于所述凹面反射部5的焦点位置F。通过由激光束在焦点位置F产生的等离子体激励发光气体而发出紫外光，该紫外光(激励光)EL由凹面反射部5反射，经由光出射窗3向前方射出。

在图1的实施例中，示出了主体部2整体由陶瓷构成的情况，但是在图2中示出另外的第二实施例，主体部2由陶瓷制的主体部本体2a和装入于该主体部本体2a的金属制的反射部形成部2b构成，在该反射部形成部2b形成有凹面反射部5。该反射部形成部2b作成为铝的切削部件，通过切削加工来制作反射面。由此，能够以机械方式、光学方式而形成高级的反射面。

图3还示出另外的第三实施例，将主体部2整体设为铝等金属部件。由此，能提高主体部2的导热，改善反射面的劣化特性。而且，在该反射面可以附加电介质多层膜等。

这样，如果主体部2整体为金属制，则伴随着点亮而从主体部2放出的不纯气体增加，因此可以在主体部2内形成收气剂收容空间16来收容收气剂材料17，并经由间隙14而与密闭空间S连通。

列举图1的第一实施例的具体的一尺寸例的话，如以下所述。

·主体部(2)：多晶氧化铝(Al₂O₃)制，全长22mm，外径32mm

·封入气体：氙气2.0MPa(25℃换算)

·光入射窗部件(4)：蓝宝石制，外径15mm，厚度3mm

·光出射窗部件(3)：蓝宝石制，外径32mm，厚度3mm

·环部件(10)：可伐合金制

·窗安装筒体(11,13)：可伐合金制，外径33mm，壁厚0.5mm

·排气管(15)：镍制，外径3mm

·金属块(12)：可伐合金制，外径32mm

在上述图1～3所示的第一～三实施例中，光入射窗4经由金属块12而安装于主体部2，但也可以不使用该金属块12而设为与将光出射窗3向主体部2安装的构造同样的安装构造。

即，在图4所示的第四实施例中，通过钎焊而接合于光入射窗4的弹性的金属制的环部件18焊接接合于与主体部2接合的金属制的窗安装筒体13。由此，光入射窗4被安装于主体部2。

这样，通过设为不经由金属块的安装构造，能够增大从光入射窗4入射的激光束L的入射立体角，能够提高向激光驱动灯1的密闭空间S内产生的等离子体投入的能量密度而形成为高密度的等离子体。

在设为这样的安装构造的情况下，所述的排气管15能够钎焊安装于光入射窗4的窗安装筒体13，并与密闭空间S内连通。

需要说明的是，其他的结构与图1的第一实施例相同。

图5示出另外的第五实施例，在该例中，排气管15安装于光出射窗3的窗安装筒体11。其他的结构与所述图4的实施例同样。

图6还示出另外的第六实施例，在该例中，排气管15安装于主体部2，在主体部2形成有用于使排气管15与密闭空间S内连通的连通孔19。需要说明的是，在排气管15的安装时，对主体部2的预定的安装区域进行包镀金属加工，能够将排气管15通过钎焊安装于该预定的安装区域。其他的结构与所述图4的实施例同样。

在图4～6所示的实施例中，用于对密闭空间S进行真空吸引而封入发光气体的排气管15安装于主体部2或窗安装筒体11、13，因此从入射窗4入射的激光束L未由该排气管15遮蔽，因此不会受到排气管15的制约，能够最大限度地较大取得入射立体角。因此，能够提高向等离子体投入的能量密度。

然而，在这样的激光驱动灯中，在由于某些原因而激光源产生了异常的情况下，激光束发生器的控制不起作用，向激光驱动灯的等离子体容器投入的激光束的功率增加。

另外，在采用通过检测器测定来自激光驱动灯的光输出并反馈而进行控制那样的系统的情况下，如果检测器劣化，则会过少地评价光量，激光束发生器要使激光束的功率增加。

如果成为这样的状况，则向激光驱动灯的密闭空间内供给过剩的能量，温度上升，密闭空间的压力上升。

另外，在由于冷却系统的异常而等离子体温度异常上升那样的情况下，密闭空间内的压力也同样上升。

如果由于这样的各种理由而密闭空间内的压力上升且超过耐压的限度，则激光驱动灯破裂。

密闭空间内的气体成为例如在封入时为20气压、在点亮时为40～60气压这样的高压且高温的状态，在激光驱动灯破裂的情况下，其破片具有相当的速度、运动能量地向四面八方飞散，与在激光驱动灯的前方配置的透镜、在周围配置的反射镜发生碰撞，使这些光学设备破损。

特别是利用真空紫外光时，透镜、窗材使用高价的氟化镁MgF、氟化钙CaF₂，存在这些部件一瞬间损坏的问题。

为了消除这样的问题点，图7～11示出如下的实施例：在激光驱动灯设置泄压部，在密闭空间内的压力异常上升时，在预定的部位使该压力泄散而释放，由此降低构成激光驱动灯的其他的结构要素的破损、周围的光学系的破损的受害。

在图7所示的第七实施例中，在安装光入射窗4的窗安装筒体13形成有泄压部20。该泄压部20在窗安装筒体13的外表面形成凹部而形成薄壁。

图8示出凹部(泄压部)20的各种方式。(A)是四方形形状的凹部，(B)是圆形形状的凹部，而且，(C)是横切窗安装筒体13的狭缝状的凹部。

并且，凹部的截面形状也是除了四方形形状以外，可以为(D)所示的半球状，也可以为(E)所示的V字状(圆锥形状)。

另外，如(F)所示，凹部20可以形成在窗安装筒体13的内表面侧。

图9示出该泄压部20的工作状态，通常的压力状态的情况是(A)所示的常规状态，当由于异常而密闭空间内部的压力上升时，如(B)所示，薄壁的泄压部20膨胀破损，将压力释放。

图7的第七实施例将泄压部20设置于光入射窗4的窗安装筒体13，但也可以如图10的第八实施例所示，设置于光出射窗3的窗安装筒体11。

另外，在上述的实施例中，示出在形成有泄压部20的窗安装筒体11、13安装排气管15的构造，但是并不局限于此，可以是将泄压部20和排气管15分别安装于不同的窗安装筒体11、13的构造。

此外，图11示出另外的第九实施例，在该实施例中，在排气管15形成有泄压部20。即，在该例中，将排气管15安装于主体部2，在主体部2形成有用于将排气管15与密闭空间S内连通的连通孔19。需要说明的是，在排气管15的安装时，对陶瓷制的主体部2的预定的安装区域进行包镀金属加工，能够将排气管15通过钎焊安装于该预定的安装区域。

并且，在该排气管15形成有薄壁的泄压部20。

另外，形成泄压部20的排气管15可以如图7所示安装于光入射窗4的窗安装筒体13，或者可以如图10所示安装于光出射窗3的窗安装筒体11。

此外，可以在图1所示的第一实施例的、安装光入射窗4的金属块12上安装的排气管15形成泄压部20。

这样，通过在激光驱动灯设置泄压部，即使密闭空间内成为异常的高压力状态，通过该泄压部破损，也能在预先确定的预定的部位将高压力释放，防止构成激光驱动灯的其他的结构要素破损，并且周边的光学系不会受到损伤。

另外，如图1所示，来自未图示的激光束发生器的激光束L从光入射窗4向激光驱动灯1的密闭空间S入射，但是此时，由于光入射窗4与其周边的气氛(例如大气)的折射率的差异而存在激光束的极小的一部分被反射的情况。

该反射激光束的一部分从光入射窗4按照与入射路径相反的路径朝向激光束发生器前进。

由于返回到该激光束发生器的反射激光束，激光束发生器内的介质成为过度的加热状态，最终有时会达到激光束发生器破损这样的事态。

为了消除这样的问题点，图12、13示出如下的实施例：通过使激光驱动灯的光入射窗的入射面相对于激光束的光路倾斜，避免由光入射窗反射的激光束向激光束发生器返回地入射。

图12是第十实施例，激光驱动灯1的光入射窗4相对于激光束L的光路(光轴)LA倾斜设置，入射面4a相对于该光路LA倾斜。

另一方面，激光驱动灯1的凹面反射部5的旋转中心轴X与来自激光束发生器22、会聚透镜21的激光束L的光轴LA一致，来自激光束发生器22的激光束L一边由会聚单元21进行会聚，一边从激光驱动灯1的光入射窗4入射，会聚于凹面反射部5的焦点位置F。

由此，在密闭空间S内以焦点位置F为中心而生成等离子体，激励发光气体而产生的激励光EL由凹面反射部5反射而从光出射窗3向外部射出。

在上述结构中，来自激光束发生器22的激光束L向光入射窗4入射时，该光入射窗4的入射面4a相对于激光束L的光路LA倾斜，因此由该入射面4a反射的反射光RL向与激光束L的光路不同的方向反射，因此该反射光RL不会向激光束发生器22返回地入射。

在上述第十实施例中，是来自激光束发生器22的激光束L的光轴LA与激光驱动灯1的凹面反射部5的旋转中心轴X一致且光入射窗4的入射面4a相对于激光束L的光轴LA倾斜的例子，但是也可以使凹面反射部5的旋转中心轴X相对于激光束L的光轴LA具有角度。

在图13的第十一实施例中，激光驱动灯1的主体部2的凹面反射部5的旋转中心轴X相对于来自激光束发生器22的激光束L的光轴LA具有角度地倾斜。此时，通过将激光驱动灯1以处于激光束L的光轴LA上的焦点位置(会聚位置)F为中心进行转动而使其倾斜。

并且，光入射窗4以其入射面4a与所述凹面反射部5的旋转中心轴X正交的方式安装。由此，光入射窗4的入射面4a相对于激光束L的光轴LA倾斜。

在上述结构中，来自激光束发生器22的激光束L从光入射窗4的入射面4a入射但是此时的反射光RL未朝向激光束发生器22的情况与所述第十实施例相同。并且，激光束L会聚于激光驱动灯1内的凹面反射部5的焦点位置F，生成等离子体。由此生成的激励光EL由凹面反射部5反射，相对于激光束L的光轴LA具有角度，沿着该凹面反射部5的旋转中心轴X从光出射窗3射出。

这样，激光驱动灯的光入射窗的入射面相对于来自激光束发生器的激光束的光路倾斜，因此由入射面反射的激光束朝向与入射的激光束的光路不同的方向而不会向激光束发生器返回地入射，能够防止激光束发生器内的介质等元件的损坏。

如上所述，根据本发明的激光驱动灯，通过在柱状的主体部的前后设置光出射窗和光入射窗来构成等离子体发生容器，在其内部形成密闭空间，并在主体部的前表面形成凹面反射部，由此，构成激光驱动灯的主体部、光出射窗、光入射窗可以使用石英玻璃以外的陶瓷、金属，即使接受来自等离子体的高输出的UV光、VUV光的照射，也不会在激光驱动灯产生紫外线变形，能够实现更高输出且长寿命的激光驱动灯。

另外，通过设置泄压部，即使密闭空间内成为异常的高压力状态，通过该泄压部的破损，也能够在预先确定的预定的部位将高压力释放，不会对其他的结构要素、光学元件造成损伤。

另外，将光入射窗的入射面相对于来自激光束发生器的激光束的光路倾斜设置，由此，由光入射窗反射的激光束不会返回激光束发生器，不会对其造成损伤。

附图标记说明

1 激光驱动灯

2 主体部

2a 主体部本体

2b 反射部形成部

3 光出射窗

3a 激光束反射部

4 光入射窗

4a 入射面

5 凹面反射部

6 激光束通过孔

6a 锥形部

10 环部件

11 窗安装筒体

12 金属块

13 窗安装筒体

14 间隙

15 排气管

16 收气剂收容空间

17 收气剂材料

18 环部件

19 连通孔

20 泄压部

21 会聚透镜

22 激光束发生器

L 激光束

LA 光轴

RL 反射激光束

X 凹面反射部的旋转中心轴

F 焦点

S 密闭空间

Claims

1.一种激光驱动灯，封入有发光气体，对激光束进行会聚入射而生成等离子体，所述激光驱动灯的特征在于，

所述激光驱动灯具备柱状的主体部，并且，在该主体部的前方侧形成有凹面反射部，所述凹面反射部具有所述激光束会聚的焦点，

在该凹面反射部的前表面设有光出射窗，

在所述主体部的中心设有沿光轴方向贯通的激光束通过孔，

在所述主体部的后方侧设有供所述激光束入射的光入射窗，

由所述主体部、所述光出射窗及所述光入射窗形成密闭空间，在该密闭空间内封入有所述发光气体，

所述激光驱动灯安装有与所述密闭空间内连通的排气管，

所述光入射窗及所述光出射窗经由窗安装筒体而安装于所述主体部，

在所述窗安装筒体或所述排气管设置有泄压部，

所述泄压部通过在所述窗安装筒体或所述排气管形成凹部而减薄壁厚来构成。

2.根据权利要求1所述的激光驱动灯，其特征在于，

在所述光出射窗的中央部形成有对所述激光束进行反射的反射部。

3.根据权利要求1或2所述的激光驱动灯，其特征在于，

在所述主体部的激光束通过孔的入射侧形成有锥形部。

4.根据权利要求1所述的激光驱动灯，其特征在于，

所述窗安装筒体为金属制，在该窗安装筒体安装有所述排气管。

5.根据权利要求1所述的激光驱动灯，其特征在于，

所述主体部为陶瓷制，在该主体部安装有所述排气管。

6.根据权利要求1所述的激光驱动灯，其特征在于，

所述光入射窗经由金属块而安装于所述主体部，在该金属块安装有所述排气管。

7.根据权利要求1所述的激光驱动灯，其特征在于，

所述光入射窗具备相对于所述激光束的光路倾斜的入射面。

8.一种激光驱动灯，封入有发光气体，对激光束进行会聚入射而生成等离子体，所述激光驱动灯的特征在于，

在该凹面反射部的前表面设有光出射窗，

在所述主体部的中心设有沿光轴方向贯通的激光束通过孔，

在所述主体部的后方侧设有供所述激光束入射的光入射窗，

通过所述激光驱动灯以所述焦点为中心进行转动、并且所述光入射窗以该光入射窗的入射面与所述凹面反射部的旋转中心轴正交的方式安装，而使所述光入射窗的所述入射面相对于所述激光束的光路倾斜。