专利名称：光学器件和曝光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学器件和曝光装置，且更具体地，涉及一种将 诸如光纤与透明构件这样的光学构件彼此连接以传播诸如激光这样的 光的光学器件和曝光装置。
背景技术：
作为将诸如光纤与透明构件这样的光学构件彼此连接以传播激光的传统光学器件，国际专利申请公开No. WO2004/68230公开了一种技 术，其中，无芯光纤通过熔接(fusion splice)与光纤的输出端连接， 并将光路的长度设置成使得输出光束不被无芯光纤端面变得渐晕 (vignetted)。尤其是当无芯光纤长度设为1mm或更小时，减小了渐 晕。日本专利申请公开(JP-A) No. 5-288967公开了一种器件，其中， 通过热熔在光纤的输入端面上一体形成光导棒(light-introduction rod), 该光导棒具有与光纤芯相同的折射率并具有与光纤相同的外径。JP-A No. 2007-25431公开了一种尾纤型激光模块，其中，光纤入 射端面或暴露于空气的输出端面中的光功率密度为15W/mr^或更小， 或者60到800W/mm2。JP-ANo. 2006-286866公开了一种插孔型激光模块，其中，使透明 构件与光纤入射端面接触，从而自透明构件收集半导体激光并将该光 导入光纤，透明构件入射侧上的光密度为10W/mi^或更小。然而，当在尾纤型激光模块的入射部分中使用国际专利申请公开6No. WO2004/68230中公开的技术时，存在下述问题，即如果光输出较 高，则在一些情形中无芯光纤端面被污染且其寿命减小。另一方面， 当对于插孔型激光模块使用该技术时，光纤紧靠透明构件，如插头 (stab)，由此将光纤端面定位在光束传播方向上。然而，当光输出较 高时，在激光打开的同时在无芯光纤与插头之间发生熔融。在该情形 中，存在下述问题，即熔融的部分通过振动等很容易剥离，且光纤的 连接损耗增加。依照JP-ANo. 5-288967中公开的技术，与国际专利申请公开No. 2004/68230中公开的技术一样，如果当对于插孔型激光模块使用该技 术时光输出较高，则存在下述问题，即发生熔融，且光纤的连接损耗 增加。当入射光输出较高时，存在另一个问题，即光纤端面被污染。依照JP-A No. 2007-25431中公开的技术，在光纤入射端面或输出 端面中，如果光密度超过了 15W/mm2，则不能防止污染，然而，存在 下述问题，即因为确定了光纤入射端的芯直径，所以通过光纤直径确 定光输出的上限，这样，光输出不可能相当高。依照JP-ANo. 2006-286866中公开的技术，与国际专利申请公开 No. 2004/68230中公开的技术一样，存在下述问题，即发生熔融，且光 纤的连接损耗增加。当使用诸如405nm的短波长的光源时，公知的是，在光纤端面中 产生污染，光输出衰减，并且膜质量降低。公知的是，尤其当光输出 密度变高时，与空气接触的诸如玻璃这样的透明构件的表面被污染， 且输出大大减小。为了抑制由这种污染导致的光输出的衰减，考虑了减小光输出密 度，然而，在传统技术中，关于应当减小多少光输出密度以抑制由污 染导致的光输出的衰减，这点不清楚。当较高的输出光进入如上所述透明构件被连接到光纤端面的结构 中时，在两个端面上可能发生玻璃熔融。然而，如果熔融发生，即使 给光纤施加轻微的振动，它们也可能剥离，且存在下述问题，即由于 剥离表面上的不均匀所导致的光散射，传输损耗增加，且可靠性降低。发明内容本发明提供了一种能抑制光输出衰减的光学器件和曝光装置。依照本发明的示例性实施例，提供了一种光学器件，其包括光 源，输出预定波长的光；第一光学构件，预定波长的光穿过该第一光 学构件；和第二光学构件，紧靠第一光学构件且预定波长的光穿过该第二光学构件，其中，所述波长在大约160到500nm的范围中，在第 一光学构件与第二光学构件之间的邻接面上设置有接合抑制膜，且邻接面中的光密度大约为4464W/mr^或更小。依照本发明，接合抑制膜被设置在具有预定波长的光所穿过的第 一和第二光学构件的邻接面上，且光学器件被构成为使得邻接面上的 光密度为4464W/mi^或更小。因此，可防止邻接面上的熔融，并可防 止光输出衰减。
将根据下面的附图详细描述本发明的示例性实施例，其中图1是根据第一示例性实施例的光学器件的示意图；图2是示出光密度与由污染导致的光输出的衰减之间的关系的曲线图；图3是示出光密度与意外故障率(accidental failure ratio)之间的 关系的曲线图；图4是根据第二示例性实施例的光学器件的示意图；图5是根据第二示例性实施例的光学器件的修改例的示意图；图6是根据第二示例性实施例的光学器件的另一个修改例的示意图；图7是示出当通过气相淀积分别形成分别具有人/2、入/4禾n入/6膜厚 度的M g F 2膜时输出光的光输出随时间变化的曲线图；图8是示出当通过气相淀积法和离子辅助法分别形成具有X/6膜厚 度的MgF 2膜时输出光的光输出随时间变化的曲线图；图9是示出当通过离子辅助法分别形成具有人/6和人/12膜厚度的 MgFj莫时输出光的光输出随时间变化的曲线图；图10是示出对于具有248nm波长的脉冲激光，膜的吸收系数与 损害阈值之间的关系的曲线图图11是示出当通过气相淀积法分别形成具有人/6膜厚度的MgF2 膜和YF3膜时输出光的光输出随时间变化的曲线图。
具体实施方式
将参照附图描述本发明的示例性实施例。(第一示例性实施例)图1示意性地示出了依照示例性实施例的光学器件10的结构。如 图1中所示，光学器件10包括激光光源12、作为会聚光学系统的透镜 14、透明构件16、和在其端面形成有接合抑制膜17的光纤18。激光光源12包括半导体激光器，并输出具有短波长(例如，160nm 到500nm)的激光。实际上，当考虑透明构件16的光吸收时，小于160nm 的波长是可行的。对于超过500mn的波长，如果使用氮化镓等作为激 光光源12的构成材料，则不能实现振荡。因此，在该示例性实施例中， 短波长区域定义为在160nm到500nm范围内的一个区域。透镜14以预定的放大率(例如，四倍)将从激光光源12输出的 激光L会聚在透明构件16与光纤18之间的邻接表面附近。优选的是， 激光L的会聚位置在激光L的主轴方向上偏离邻接表面，并且在光纤18内或在透明构件16内。由此，可减小邻接表面的光密度。透明构件16由诸如石英这样的玻璃材料制成，并且透明构件16 与光纤18光学接触。光纤18具有由包层18B包围的芯18A。透明构 件16具有比穿过透明构件16的激光L的光束直径大的外径，从而激 光L没有变渐晕。如此斜着切割透明构件16， g卩，使其入射端面16A相对于与激光 L的主轴方向垂直的方向形成角度e。由此，可减少返回到激光光源12 的光，并且还可提高相对于光纤18的耦合系数。透明构件16不是必 须斜着切割，且入射端面16A可用AR涂覆，由此减少返回光。在相对于透明构件16的邻接面一侧上的光纤18的端面上形成有 接合抑制膜17。优选的是，接合抑制膜17的材料在短波长区域(160nm 到500nm)中具有高透明度，并且包括氟化物(YF3、 LiF、 MgF2、 NaF、 LaF3、 BaF2、 CaF;j和A1F3)。公知的是，当具有370mn到500nm波长的激光穿过由石英玻璃制 成的透明构件(玻璃插头)时，透明构件的入射端和输出端根据光密 度而被污染，并粘附使透射率降低的污染物。作为仔细研究的结果， 发明人发现在输出衰减的程度与光密度之间存在线性相关性。这将在 下面说明。发明人使用透镜会聚光，使得以50mW到400mW驱动的激光器 的输出光变为预定的功率密度，将由玻璃构件制成的透明构件设置在 会聚点处，沿着激光的主轴移动透明构件，且在改变光密度的同时， 测量激光的透射率随时间的变化。图2示出了其结果。横轴示出了透明构件的激光入射端面中的光 密度(W/mm2)，纵轴示出了由污染导致的光输出衰减的程度，即光每次穿过透明构件时透射率减小的程度。纵轴示出了透射率减小。在 图2中，标记O示出了实际测量点，且直线示出了其上每个测量点通 过最小平方而获得的线。表示该直线的公式如下 丄ogi = —6.5 + 0.9 x丄og(/5/ S) .. (1)其中，R表示每次透射率减小的程度，P表示激光的输出值(W)， S表示透明构件的入射端面中的光束面积(mm2)。例如，激光光源的寿命可定义为激光的透射率从预定透射率直到 减小了 20%为止的时间。那么，使用具有10000 ( 104)小时寿命的激 光器，把目标设为将由于污染而导致的输出衰减抑制到1/10或更小， 即将透射率随激光光源寿命的降低抑制到2%或更小。在该情形中，减 小量为0.02/104 = 2.0xl0—6。根据图2，对应于该值的光密度为8W/mm2。因此，在图1所示的结构中，如果透明构件16的入射端面16A中 的光密度被设为8W/mr^或更小，则可抑制由污染导致的光输出的衰 减。更具体地说，将激光光源12的输出值、透镜14的放大率、透明 构件16在主轴方向上的激光长度、透明构件16的折射率等设置成使 得透明构件16的入射端面16A的光密度为8W/mn^或更小。如果用具有370nm到500nm波长的激光照射由石英玻璃制成的透 明构件(玻璃插头)与由石英制成的光纤的光学接触的邻接面，则在 一些情形中邻接面会熔融。熔融的部分易于通过轻微的振动而剥离。 如果熔融的部分剥离，则由其表面的不均匀而导致的光散射会急剧增 加传输损耗，这导致了意外缺陷。作为仔细研究的结果，本发明人发现，通过光纤18与透明构件16 的邻接面上的包括氟化物(如MgF2和YF3)的接合抑制膜17，大大改 善了意外故障率。本发明人测量了当在与透明构件16紧靠的光纤18 的端面上形成由MgF2制成的接合抑制膜时的意外故障率和透明构件 与光纤之间邻接面的光密度之间的关系，并获得了图3中所示的结果。如图3中所示，发现，如果邻接面的光密度为4464W/mn^或更小， 则不产生意外缺陷。因此，在图1所示的结构中，例如，如果将透明 构件16与形成有接合抑制膜17的光纤18之间的邻接面20的光密度 设为4464W/mn^或更小，则可抑制由熔融导致的光输出的衰减。更具 体地说，将激光光源12的输出值、透镜14的放大率、透明构件16在 主轴方向上的激光长度、透明构件16的折射率等设置成使得透明构件 16与形成有接合抑制膜17的光纤18之间的邻接面20的光密度为 4464W/mn^或更小。发现，当不设置接合抑制膜17时，如果邻接面的 光密度为140W/mr^或更小，则不产生意外缺陷。这里，意外缺陷是指，例如，在时间变化测试中，在监测穿过透 明构件和光纤的激光的输出值的同时，当进行ACC (自动电流控制) 驱动时光输出突然变化并且变为正常状态的光输出的0.8倍或更小，或 者当进行APC (自动功率控制)驱动时激光光源的驱动电流突然变化 并且变为正常状态的驱动电流的1.2倍或更大，以及在发生突然变化之 前不能从光输出或驱动电流的变化预知变化。从以上描述，透明构件16暴露于空气的入射端面16A被定义为 Sl[mm2]，并且透明构件16与形成有接合抑制膜17的光纤18之间的 邻接面20中的光束面积被定义为S2[mm"。如果光学器件10中的光输 出P满足下面的公式，则可抑制由污染或熔融而导致的光输出的衰减。i3 [『]S 8『/wm2 x Sl [伤m2 ]…(2) 尸[『]S 4464『/w附2 x[ wm2 ]... (3)如果P被设置成使得同时满足公式(2)和(3)，则可抑制由污 染和熔融而导致的光输出的衰减。在该示例性实施例中，因为光学器件IO被构造成使得透明构件16'的入射端面16A中的光密度为8W/mn 或更小，所以可抑制由污染导 致的光输出的减小。此外，因为光学器件10被构造成使得透明构件16与形成有接合 抑制膜17的光纤18之间的邻接面20的光密度为4464W/mn^或更小， 所以可抑制由熔融导致的光输出的衰减。在该示例性实施例中，说明了适用于具有下述结构的光学器件10 的本发明，所述结构使得来自激光光源12的激光穿过透镜14和透明 构件16进入光纤18。然而，本发明并不限于此，本发明还可适用于进 入光纤18的激光朝着透明构件16的方向输出的情形，即，其中使用 透明构件16和形成有接合抑制膜17的光纤18作为激光的输出部的情 形。本发明还可适用于包括系成束的多个输出部的光纤束。尽管在该示例性实施例中说明了接合抑制膜17形成在邻接面侧的 光纤18的端面中，但本发明并不限于此。接合抑制膜17可形成在邻 接面侧的透明构件16的端面上。此外，接合抑制膜17可形成在其邻 接面侧的光纤18和透明构件16的端面上。透明构件16可由多个构件组成。在该情形中，激光进入其中的多 个构件之一的入射端面的光密度被设为8W/mrt^或更小，由此可抑制 由污染导致的光输出的衰减。当接合抑制膜形成在多个构件的邻接面 上时，如果邻接面的光密度被设为4464W/mn^或更小，则可抑制由熔融导致的光输出的衰减。光学器件IO可用于具有曝光光源的曝光装置，例如，用于形成印 刷电路板配线的曝光的曝光装置。(第二示例性实施例) 接下来，将说明本发明的第二示例性实施例。与第一示例性实施例中相同的部分用相同的标号表示，并将省略其详细说明。图4是该示例性实施例的光学器件10A的结构的示意图。如图4 中所示，光学器件10A与图1中所示的光学器件10的区别在于，光学 器件10A在透明构件16与光纤18之间设置有具有与光纤18相同的外 径的第二透明构件22，且接合抑制膜17形成在相对于透明构件16的 邻接面侧上的第二透明构件22的端面上。第二透明构件22具有比穿过第二透明构件22的激光L的光束直 径大的外径，从而激光L不会变渐晕。第二透明构件22例如是由石英 制成的玻璃插头。第二透明构件22可由无芯光纤制成，或者可以是由 包括芯22A和具有比穿过的激光L的光束直径大的芯直径的包层22B 的光纤所制成的光纤插头，如图5中所示。透明构件16与形成有接合抑制膜17的第二透明构件22之间的邻 接面24彼此光学接触，第二透明构件22与光纤18之间的邻接面20 彼此熔接。同样在该结构的情形中，如果光学器件IO被构成为使得透明构件 16的入射端面16A的光密度为8W/mrr^或更小，则可抑制由污染导致 的光输出的衰减。如果光学器件10被构成为使得透明构件16与形成有接合抑制膜 17的第二透明构件22之间的邻接面24的光密度为4464W/mn^或更小， 则可抑制由熔融导致的光输出的衰减。在该示例性实施例中，在透明构件16与光纤18之间设置形成有 接合抑制膜17的第二透明构件22。因此，与图1中所示的光学器件 IO相比，可减小透明构件16的入射端面16A的光密度，并可减小在 透明构件16与形成有接合抑制膜17的第二透明构件22之间的邻接面24的光密度，并可抑制由污染和熔融导致的光输出的衰减。透明构件16可由多个透明构件组成。同样在该情形中，如果光学器件10被构造成使得暴露于空气的透明构件(即最靠近透镜14的透 明构件)的入射端面的光密度为8W/miT^或更小，则可抑制由污染导 致的光输出的衰减。如果光学器件IO被构造成使得透明构件的邻接面 的光密度为4464W/mn^或更小，则可抑制由熔融导致的光输出的衰减。在该示例性实施例中，接合抑制膜17形成在第二透明构件22相 对于透明构件16的邻接面侧的端面上。然而，本发明并不限于此，接 合抑制膜17可形成在第二透明构件22相对于光纤18的邻接面侧的端 面上。接合抑制膜17可形成在透明构件16侧和光纤18侧。同样，在该示例性实施例中，与第一示例性实施例一样，本发明 适用于下述结构，其中，进入光纤18的激光被输出到第二透明构件22 和透明构件16,即，透明构件16、第二透明构件22和光纤18被用作 激光的输出部。本发明还可适用于包括系成束的多个输出部的光纤束。在该示例性实施例中，第二透明构件22具有与光纤18相同的外 径。然而，本发明并不限于此，第二透明构件22可具有比光纤18大 的外径。此外，如图6中所示，第二透明构件22为锥形构件，其在与 光纤18的邻接面20处具有与光纤18的外径相同的外径，第二透明构 件22的外径朝着透明构件16侧增加。可将具有不同直径的多个光纤插头、无芯光纤或石英插头彼此熔 接，从而形成第二透明构件22。在该情形中，如果第二透明构件22被 构造成使得直径从光纤18分阶段地逐渐增加，则第二透明构件22与 透明构件16之间的邻接面24的表面面积增加，且开口增加。接下来，将说明本发明的示例性实施例。15(第一实施例)设置具有目前可获得的370nm到500nm波长的半导体激光器、以 四倍的放大率将自半导体激光器输出的激光会聚在光纤侧的透镜、和 由石英制成并一体形成有套管(sleeve)从而将光纤连接在会聚点处的 透明构件，并制备使光纤能够从套管拔出的插孔型光学器件。通过离子辅助法(IAD法)在光纤的入射侧上形成由Mg&制成的 并具有人/12厚度a为激光的波长)的接合抑制膜。光纤被插入套管并 紧靠透明构件(光学接触)，使光进入光纤，并检查由污染和熔融导 致的缺陷。在插孔型光学器件的情形中，在透明构件16与形成有接合抑制膜 17的光纤18之间的邻接面上产生缺陷。与不设置接合抑制膜的情形相 比，邻接面在激光的主轴方向上移动了接合抑制膜的长度的量。因此， 可减小邻接面处的光密度。因而，可制作使用较高输出光源的可靠的 插孔型光学器件。光学器件被设计成使得透明构件与光纤之间的邻接面的光密度为 4464W/mrr^或更小，且透明构件的入射端面中的光密度为8W/mm2或 更小。更具体地说，半导体激光器的输出P (W)、光束面积S1可满足 上述公式(2)。然而，如果光束形状为椭圆形，则光束面积Sl可由 (rlxr2xn)来表示，其中，rl表示长轴半径，r2表示短轴半径。在下 面的公式中，从半导体激光器输出的激光在垂直方向上的辐射半角表 示为NAi，在水平方向上的辐射半角表示为NA〃，透明构件在主轴方 向上的激光的长度表示为透明构件的折射率表示为nf ，透镜 的放大率表示为a，长轴半径表示为rl，短轴半径表示为r2。<formula>formula see original document page 17</formula>
因此，如果透明构件的长度L 被设置成使得下面的公式得以满 足，则可抑制由污染导致的光输出的衰减。<formula>formula see original document page 17</formula>
类似地，假定光束形状为椭圆形，长轴半径表示为r3，短轴半径 表示为r4，光束面积S2表示为(r3xr4xn)。长轴半径r3和短轴半径 r4可由下列公式来表示。<formula>formula see original document page 17</formula>
因此，如果满足下列公式，就可抑制由熔融导致的光输出的衰减。 <formula>formula see original document page 17</formula>此外，如果透明构件的直径cp録被设置成满足所有下列公式，则光 束就不会渐晕。<formula>formula see original document page 17</formula>
此外，如果透明构件的直径CPef被设置成满足所有下列公式，则光 束就不会渐晕。<formula>formula see original document page 17</formula>在制造的光学器件中半导体激光器的端面的发光形状的面积S为7xl(am2，垂直方向上的辐射角e工为42°,水平方向上的辐射角e〃为16°， 激光的输出P为500mW。进行通电测试，使得该结构中透明构件与光 纤之间的邻接面中的光密度为4464W/mm2，在邻接面中不会产生熔融。当透明构件的长度L 被设为2.9mm时，当输出P为340mW或 更大时在透明构件的激光入射端面处产生污染，并且光输出衰减。因 此，再次将透明构件的长度L^设置成满足公式(6)。更具体地说， NA! = 0.383， NA〃 = 0.141， n插头=1,46和P = 500mW。因此，当使用 具有4.0mm或更长的L &以及530pm或更大的直径的透明构件时，可 产生其中由污染导致的衰减很小以致可忽略的光源。(第二实施例)设置具有目前可获得的370nm到500nm波长的半导体激光器、以 四倍的放大率将自半导体激光器输出的激光会聚在光纤侧的透镜、和 由石英制成并一体形成有套管从而将光纤连接在会聚点处的透明构 件，并制备使光纤能够从套管拔出的插孔型光学器件。透明构件和具有与光纤相同外径的无芯光纤熔融并接合在光纤的 入射侧，在理想的长度附近切割无芯光纤(对应于第二透明构件)并 抛光，由此获得了具有理想的无芯光纤长度的光纤。通过离子辅助法 (IAD法)在该光纤的端面上形成由MgF2制成的并具有 t/12 (入为激 光的波长)厚度的接合抑制膜。该光纤被插入套管并紧靠透明构件(光 学接触)，使光进入光纤，并检查由污染和熔融导致的缺陷。在插孔型光学器件的情形中，因为无芯光纤与光纤之间的接合面 彼此熔接，所以不会产生由熔融导致的缺陷，而在透明构件16与无芯 光纤之间的邻接面之间产生这种缺陷。与没有设置无芯光纤的情形相 比，因为邻接面在激光的主轴方向上移动了无芯光纤的长度，所以可减小邻接面中的光密度。因而，可制作使用较高输出光源的可靠的插 孔型光学器件。光学器件被设计成使得透明构件与无芯光纤之间的邻接面的光密度为4464W/miT^或更小，透明构件的入射端面中的光密度为8W/mm2 或更小。更具体地说，半导体激光器的输出P[W]、光束面积Sl满足公式 (2)。然而，如果光束形状为椭圆形，则光束面积S1用(rlxr2xn) 表示，其中，rl表示长轴半径，r2表示短轴半径。这里，在下列公式 中，自半导体激光器输出的激光在垂直方向上的辐射半角表示为NA丄， 在水平方向上的辐射半角表示为NA〃，透明构件在主轴方向上的激光 的长度表示为Lj^，透明构件的折射率表示为n *，无芯光纤在主轴 方向上的激光长度表示为Lef，透镜的放大率表示为cc，长轴半径表示 为rl，短轴半径表示为r2。"=(厶插头+ ~)x ^々/"插头x V" (14) 厂2 =(丄插头+丄《)x A^V"插头x 1/a... (15)因此，如果透明构件的长度L^和无芯光纤的长度Lef被设置成满 足下列公式，则可抑制由污染导致的光输出的衰减。P S 8 x (Z^头+ ￡c/) x A^4丄/"插头x 1/a x (￡描头+ ic/) x AA^/w插头x 1/a x n. (16)类似地，假定光束形状为椭圆形，长轴半径表示为r3，短轴半径 表示为r4，则光束面积S2可表示为(r3xr4xn)。长轴半径r3和短轴 半径r4可由下列公式表示。<formula>formula see original document page 19</formula> (17)因此，如果透明构件的长度L^-和无芯光纤的长度Lcf被设置成满 足下列公式，则可抑制由熔融导致的光输出的衰减。尸S 4464 x A^4丄/w插头x l/a x ￡c/ x W4/"插头x l/a x E[ .. (19)此外，如果透明构件的直径，J皮设置成满足所有下列公式，则光 束就不会渐晕。^插头"lx2…(20) p插头"2x2…(21)此外，如果透明构件的直径cp"被设置成满足所有下列公式，则光 束就不会渐晕。A, <r3x2...(22) pc/ <r4x2...(23)在制造的光学器件中，半导体激光器的端面的发光形状的面积S 为7xliam2，垂直方向上的辐射角^为42°，水平方向上的辐射角9〃为 16°,激光的输出P为500mW。在该结构中，无芯光纤的长度Ur设为 0.5mm，透明构件的长度L ^设为7.0mm。透明构件与无芯光纤的邻 接面的光密度(即，接合抑制膜的光密度)为402W/mm2，并证实了通 过熔融不会产生缺陷。在该结构中，获得了可抑制熔融模式恶化的激光的光输出的上限 值。当无芯光纤的光纤直径为125(im且光束在快方向(Fast direction) 上均匀发射时，光束直径变为最大。用于获得该光束直径的无芯光纤 长度为0.95mm，当无芯光纤端面的光密度为4464W/mm2时的光输出 值大约为20W。这是能够抑制熔融模式恶化的激光的光输出的上限值。在插孔型光学器件中，光学器件被构造成使得透明构件的外径设为125ptm，且透明构件的入射端面的光密度为不产生污染的上限值 8W/mm2，并且测量在入射端面中产生污染的激光的输出，其大约为 100mW。因此，在该结构的情形中，如果透明构件的入射端面的光密 度设为8W/mn^或更小，则激光的输出可设为100mW或更大。在插孔型光学器件中，光学器件被构造成使得光纤的芯直径设为 60Hm，且透明构件与无芯光纤之间的邻接面中的光密度为不产生熔融 的上限值4464W/mm2，并且测量在邻接面中产生熔融的激光的光输出， 其大约为12W。因此，在该结构的情形中，如果邻接面中的光密度为 4464W/mn^或更小，则激光的输出可为12W或更大。在插孔型光学器件中，光学器件被构造成使得透明构件的外径设 为125pm，且透明构件与无芯光纤之间的邻接面中的光密度为不产生 熔融的上限值4464W/mm2，并且测量在邻接面中产生熔融的激光的输 出，其大约为54W。因此，在该结构的情形中，如果邻接面中的光密 度为4464W/mm2或更小，则激光的输出可为54W或更大。在其中没有设置接合抑制膜的插孔型光学器件的结构中，光学器 件被构造成使得透明构件的外径设为125pm，且透明构件与无芯光纤 之间的邻接面中的光密度为不产生熔融的上限值140W/mm2，并且测量 在邻接面中产生熔融的激光的输出，其大约为1.7W。因此，在该结构 的情形中，如果邻接面中的光密度为140W/nm^或更小，则激光的输 出可为1.7W或更大。类似地，在其中没有设置接合抑制膜的插孔型光学器件的结构中， 光学器件被构造成使得光纤的芯直径设为60)tim,且透明构件与无芯光纤之间的邻接面中的光密度为不产生熔融的上限值140W/mm2，并且测 量在邻接面中产生熔融的激光的输出，其大约为400mW。因此，在该21结构的情形中，如果邻接面中的光密度为140W/mr^或更小，则激光 的输出可为400mW或更大。当使用光纤插头代替无芯光纤时可获得相同的结果。(第三实施例) 接下来，将说明接合抑制膜的实施例。本申请人证实，如果接合抑制膜为具有小于入/2厚度的氟化物膜， 则膜质量随时间的变化小，并可抑制当激光长时间进入时光损耗的衰 减。在光纤18的端面上通过气相淀积形成分别具有人/2、人/4和人/6厚 度的MgF2膜，从而制备三种光学器件10。图7是示出当具有160mW 的光输出和405nm波长X的激光进入透明构件16时，从光纤18发射的 输出光的光输出随时间变化的曲线图。在图7中，gl为入/2膜厚度的曲 线，g2是入/4膜厚度的曲线，g3是入/6膜厚度的曲线。纵轴示出了输出 光的输出值相对于入射光的输出值的比率，即，当由纵轴所示的光输 出衰减时，光损耗增加。此时，在每个膜中激光穿过具有大约30(im直 径的区域。激光的会聚位置在接合抑制膜上。从图7可以看出，随着膜厚度减小，输出光的光输出的衰减降低 (即光损耗降低)。通过显微镜观察在各个实验之后的接合抑制膜， 几乎根本看不到具有入/6厚度的膜的外在变化；然而，在具有入/2和入/4 厚度的膜中，在被认为是激光通过的区域中发现了颜色变化。在具有 入/2厚度的膜中，在颜色变化部分附近的膜中发现了破裂。在具有入/2 和入/4厚度的膜中发现的颜色变化被认为是由于激光的热量将膜熔化 而导致的。从这些结果，认为随着膜厚度增加，由膜导致的激光的能 量吸收增加，由于该吸收，膜质量发生变化，且光损耗增加。接下来，本申请人证实，如果通过离子辅助法而不是气相淀积法 形成膜，'则光损耗较小。通过气相淀积法和离子辅助法在光纤18的端面上形成具有入/6厚度的MgFj莫，从而制备两种光学器件10。图8是 示出当具有160mW的光输出和405nm波长X的激光进入透明构件16 时，从光纤18发射的输出光的光输出随时间变化的曲线图，其中g4 表示气相淀积法，g5表示离子辅助法。从图8可以看出，如果通过离子辅助法形成膜，则与气相淀积法 相比，光输出的衰减稍小。因为曲线g5的倾斜小于曲线g4，所以认为 在流逝了 IOOO小时或更长之后，在膜形成方法之间的光输出的差别将 增大(未示出)。在离子辅助法中，在膜形成之前，靶(光纤18的入 射端)可经过离子束清洗处理。因此，可设想的是，在靶部和膜之间 的界面中的光损耗减小，与气相淀积法相比减小了光损耗。通过离子 辅助法，可提供比用气相淀积法形成的膜具有更精细膜质量的膜。因 而，通过离子辅助法，由于激光的能量吸收而导致的膜质量的变化较 小，与气相淀积法相比，减小了光损耗。在形成膜之前清洗靶。除了 离子辅助法之外，能形成比气相淀积法具有更加精细膜质量的方法的 例子是离子电镀法和溅射法。在光纤18的端面上形成具有人/6和X/12厚度的MgFj莫，从而制 备两种光学器件10。图9是示出当具有160mW的光输出和405nm波 长入的激光进入透明构件16时，从光纤18发射的输出光的光输出随时 间变化的曲线图，g6示出了X/6膜厚度的曲线，g7示出了人/12膜厚度 的曲线。从图9发现，具有X/6厚度的膜和具有Ayi2厚度的膜在光输出 中具有大致相同的变化方式。因而，如果激光条件相同，光输出为 160mW，人为405nm，且膜厚度为人/6或更小，则输出光的时间特性大 致相同。接下来，本申请人证实，如果膜由具有低吸收系数的材料制成， 可更加有效地减小光损耗。图10是示出膜对于具有248nm波长的脉冲 齒光的吸收系数与损害阈值之间的关系的曲线图(引自"High damage threshold fluoride UV mirrors made by IonBeam Sputtering" ， J. Dijion等，SPIE巻3244，第406-418页，1998)。从该曲线图可以看出，氟 化物膜具有高损害阈值，在氟化物膜中，Y&和LiF比MgF2具有较高 的损害阈值。因此，通过气相淀积法在光纤18的端面上形成具有入/6 厚度的MgF2膜和YF3膜，从而制备两种光学器件10。测量当具有 160mW的光输出和405nm波长X的激光进入透明构件16时从光纤18 发射的光的光输出随时间的变化。图11示出了测量的结果。在图11 中，g8是MgF2膜的曲线，g9是YFJ莫的曲线。从图11可以看出，YF3 膜的光输出衰减小于MgF2膜的光输出衰减。因为相对于YF3膜来说曲 线的倾斜略小于MgF2膜的曲线的倾斜，所以可认为在流逝了 1000小 时或更长之后，在膜形成方法之间的光输出的差别增大(未示出)。 因而，为了减小光损耗，优选的是使用氟化物(例如，YF3、 LiF、 MgF2、 NaF、 LaF3、 BaF2、 CaF2和A1F3中的任意一种)，更优选的是使用具 有低吸收系数的YF3。从上面可以看出，当具有160mW的光输出和405nm波长人的激光 进入了光纤18长达IOOO小时或更长时，为了将IOOO小时之后的输出 光的光输出相对于激光刚刚进入之后的输出光的光输出的衰减比率抑 制到小于10%，理想的是将要形成在光纤18入射端上的膜的膜厚度为 入/6或更小。理想地，可使用在形成膜之前清洗靶并形成具有精细膜质 量的膜的膜形成方法，例如离子辅助法、离子电镀法和溅射法。理想 的是膜对于激光具有较小的能量吸收。如果按照与第一实施例相同的方式，计算当在光纤18上形成具有 160mW光输出、405nm的X和入/6的膜厚度的接合抑制膜时光纤18与 透明构件16之间的邻接面中产生熔融的光密度，则光密度为大约 1600W/mm2。因此，在该结构中，如果光学器件被构造成使得光纤18 与透明构件16之间的邻接面中的光密度为不产生熔融的上限值 1600W/mi^或更小，则可抑制由熔融导致的光输出的衰减。当引入的光的波长具有较短的波长区域(160mn到500nm)时，为了防止由有机物质导致的污染，可使其上没有形成接合抑制膜17的 透明构件16的端面和/或光纤18的端面经过UV清洗。包括氟化物(YF3、 LiF、 MgF2、 NaF、 LaF3、 BaF2、 CaF2和A1F3的任意一种)的 接合抑制膜对于UV区域(190nm 410nm)中的光来说是惰性的。因 为在光纤18上形成由氟化物制成的接合抑制膜17，所以可防止透明构 件16与光纤18之间的邻接部分上的氧化物(石英、Si02等)的反应， 可抑制邻接部分的损害。当使透明构件16的端面和/或光纤18的端面 经过UV清洗，以防止在其中接合抑制膜还形成在透明构件16上的结 构中由有机物质导致的污染时，可抑制透明构件16与光纤18之间的 邻接部分中的化学反应。如果采用本发明的结构，可使用具有比常规的光学器件更高的输 出的光源。更具体地说，假定光源的输出为光纤的芯的横截面积 x8W/mm2或更大，则在其中光直接输入到光纤的芯而不穿过透明构件 的传统尾纤型激光器中，在与外部空气接触的光纤端面的界面处产生 污染，但如果采用本发明的结构，则使用光源的输出作为上述输出， 并可抑制在与外部空气接触的光学构件的端面处产生污染。当光源的输出为光纤的横截面积x8W/mi^或更大时，在其中光直接入射到具有与无芯光纤熔融的顶端的传统光纤的实施例中，在与外部空气接触的光纤端面的界面处产生污染物，但如果采用本发明的结构，那么，即使光源的输出为上述输出，也可防止在与外部空气接触 的光学构件的端面上产生污染物。当光输出的输出是套圈的横截面x8W/mr^或更大时，在其中光直 接入射进具有由套圈支承的外围的传统光纤的实施例中，在与外部空 气接触的光纤端面的界面处产生污染物，但如果采用本发明的结构， 那么，即使光源的输出为上述输出，也可防止在与外部空气接触的光 学构件的端面上产生污染物。当光输出的输出是光纤的横截面xl40W/mr^或更大时，在其中传 统玻璃插头和光纤彼此紧靠使用的插孔型的实施例中发生熔融问题， 但如果采用本发明的结构，那么，即使光源的输出为上述输出，也可 抑制熔融并可使用高输出光源。当光输出的输出是光纤的横截面xl40W/mr^或更大时，在其中仅 与无芯光纤或光纤插头熔接的光纤紧靠玻璃插头使用的插孔型的实施 例中发生熔融问题，但如果采用本发明的结构，那么，即使光源的输 出为上述输出，也可抑制熔融并可使用高输出光源。当光源的输出是套圈的横截面xl40W/mn^或更大时，在其中传统 玻璃插头与其外围由套圈保持的光纤彼此紧靠使用的插孔型的实施例 中发生熔融问题，但如果釆用本发明的结构，那么，即使光源的输出 为上述输出，也可抑制熔融并可使用高的光源输出。当光源的输出是光纤的横截面x4464W/mm2或更大时，在其中仅 与无芯光纤或光纤插头熔接的光纤紧靠玻璃插头使用的插孔型的实施 例中发生熔融问题，但如果至少在邻接面(成光学接触的面)上设置 本发明所述的接合抑制膜，那么，即使光源的输出为上述输出，也可 抑制熔融并可使用高输出光源。当光源的输出是光纤的横截面x4464W/mm2或更大时，在其中传 统玻璃插头和光纤彼此紧靠使用的插孔型的实施例中发生熔融问题， 但如果至少在邻接面(成光学接触的面)上设置本发明所述的接合抑 制膜，那么，即使光源的输出为上述输出，也可抑制熔融并可使用高 的光源输出。当光输出的输出是套圈的横截面x4464W/mm2或更大时，在其中传统玻璃插头和其外围由套圈保持的光纤彼此紧靠使用的插孔型的实 施例中发生熔融问题，但如果至少在邻接面(成光学接触的面)上设置本发明所述的接合抑制膜，那么，即使光源的输出为上述输出，也 可抑制熔融并可使用高输出光源。为了图解和说明的目的，提供了本发明示例性实施例的前述说明。 其并不意在穷举或将本发明限于所公开的精确的形式。显然，对于本 领域普通技术人员来说，许多修改和变化将是显而易见的。为了更好 地说明本发明的原理及其实际应用，选择了一些实施例进行描述，从 而使本领域其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适于 预期的具体应用的各种修改。本发明的范围意在由权利要求及其等价 物来限定。参考标记的描述10、 10A光学器件12激光光源14透镜16透明构件16A入射端面17接合抑制膜18光纤18A心18B包层20邻接面22透明构件2权利要求
1.一种光学器件，包括光源，输出预定波长的光；第一光学构件，所述预定波长的光穿过该第一光学构件；和第二光学构件，紧靠所述第一光学构件，且所述预定波长的光穿过该第二光学构件；其中所述预定波长是从大约160nm到大约500nm，在所述第一光学构件与所述第二光学构件之间的邻接面上设置接合抑制膜，且所述邻接面中的光密度大约为4464W/mm2或更小。
2. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述邻接面中的光密 度大约为1600W/mm2或更小。
3. 根据权利要求2所述的光学器件，其中，所述接合抑制膜的厚 度大约为所述预定波长的光的波长的1/6或更小。
4. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述接合抑制膜的厚 度大约为所述预定波长的光的波长的1/12或更小。
5. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述第一光学构件或 所述第二光学构件的端面的光密度大约为8W/mi^或更小，其中所述 光进入所述端面或从所述端面发射，且所述端面暴露于空气。
6. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述第二光学构件包 括光纤和设置在所述光纤与所述第一光学构件之间的第三光学构件， 并且所述光纤和所述第三光学构件彼此熔接。
7. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述第一光学构件和 所述第二光学构件中的至少一个由多个构件组成，且所述多个构件之间的第二邻接面中的光密度大约为140W/mn^或更小。
8. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述第一光学构件和 所述第二光学构件中的至少一个由多个构件组成，且所述接合抑制膜 设置在所述多个构件的邻接面上，该邻接面具有从大约140W/mn 到 大约4464W/mm2的光密度。
9. 根据权利要求l所述的光学器件，其中，所述光的会聚位置是 除所述邻接面中之外的位置。
10. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件具有比穿过其的光的光束直径大的直径。
11. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 或所述第二光学构件中的一个的端面在与所述预定波长的光的主轴垂直的方向上倾斜，其中所述光进入该端面且该端面暴露于空气。
12. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个包括石英。
13. 根据权利要求5所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输 出是所述光纤的芯的横截面积x8W/mn^或更大。
14. 根据权利要求5所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输 出是所述光纤的横截面积x8W/mr^或更大。
15. 根据权利要求5所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个是光纤，所述预定波长的光的输出是保持所述光纤的套圈的横截面积x8W/mn 或更大。
16. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输 出是所述光纤的芯的横截面积x4464W/mn^或更大。
17. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输 出是所述光纤的横截面积x4464W/mr^或更大。
18. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一光学构件 和所述第二光学构件中的至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输 出是保持所述光纤的套圈的横截面积x4464W/mn^或更大。
19. 根据权利要求7所述的光学器件，其中，所述多个构件中的 至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输出是所述光纤的芯的横截 面积x 140 W/mm2或更大。
20. 根据权利要求7所述的光学器件，其中，所述多个构件中的 至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输出是所述光纤的横截面积 xl40W/mm2或更大。
21. 根据权利要求7所述的光学器件，其中，所述多个构件中的 至少一个是光纤，且所述预定波长的光的输出是保持所述光纤的套圈 的横截面积xl40W/mi^或更大。
22. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述预定波长是大 约从370nm到大约500nm。
23. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述接合抑制膜通过离子辅助法形成。
24. 根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述接合抑制膜包括氟化物。
25. —种具有光学器件的曝光装置，该光学器件包括 光源，输出预定波长的光；第一光学构件，所述预定波长的光穿过该第一光学构件；和 第二光学构件，紧靠所述第一光学构件，且所述预定波长的光穿过该第二光学构件，其中所述预定波长是从大约160imi到大约500nm,在所述第一光学构件与所述第二光学构件之间的邻接面上设置接合抑制膜，且所述邻接面中的光密度大约为4464W/mn^或更小。
全文摘要
本发明提供了一种能够抑制光输出衰减的光学器件和曝光装置。本发明的光学器件包括发射具有短波长(例如，160到500nm)的激光的激光光源、透镜、透明构件和设置有接合抑制膜的光纤。该光学器件被构造成使得透明构件与形成有接合抑制膜的光纤之间的邻接面的光密度为4464W/mm<sup>2</sup>或更小，由此抑制由熔融导致的光输出的衰减。
文档编号G02B6/42GK101324685SQ200810094938
公开日2008年12月17日 申请日期2008年4月30日 优先权日2007年5月1日
发明者向井厚史, 园田慎一郎 申请人:富士胶片株式会社