CN105186277A - 一种光谱控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种应用于主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的光谱控制装置,其包括两级线宽压窄模块,其中第一级线宽压窄模块与输出耦合装置作为两个端镜分别设置于激光放电腔的两端,并与输出耦合装置及激光放电腔构成准分子激光器的主振荡谐振腔,形成具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光输出；第二级线宽压窄模块设置于准分子激光器的主振荡谐振腔与能量放大腔之间的传输光路中,对主振荡谐振腔输出的具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光进行线宽调制形成具有第二级线宽压窄的激光输出。本发明可以有效解决现有单一光谱控制装置光谱控制自由度低、光谱调谐难度大、光谱调谐灵活性差、光学元件损伤几率较高等问题。

Description

一种光谱控制装置

技术领域

本发明涉及一种光谱控制装置,特别是涉及一种准分子激光器的光谱控制装置。

背景技术

在激光技术的研发过程中，常会涉及到光谱控制的问题，针对激光波长、激光线宽的有效控制可以获得面向不同应用需求的激光光源系统特征指标输出。

以准分子激光系统为例，针对光刻应用，为保证半导体硅片芯片图案刻画的精细度和设计的集成度，考虑光刻节点实现的相关因素，常常需要光刻光源具有较窄的激光线宽输出。

在相关光刻准分子激光光源系统结构中常采用线宽压窄模块来完成系统激光线宽的窄化控制。线宽压窄模块通常采用色散结构针对准分子气体高压放电光辐射过程进行光谱选择，继而在谐振腔约束限制下建立特定光谱的振荡机制，通过激光的往复振荡逐渐形成窄谱带的激光输出。色散结构通常由括束系统结合色散系统实现，借助于光栅等色散元件的高精度色散能力和棱镜等光束括束元件引入的发散角减小特性完成针对激光光谱的剪裁和窄化。激光光谱的形成是粒子能级跃迁过程不同波长辐射的对应能量叠加，因而光谱的窄化控制必然会以其他谱段能量的耗散为代价。

请参阅图1A所示，是现有的单通主振荡功率放大(MOPA)双腔结构窄线宽准分子激光光源结构的示意图，现有的主振荡功率放大(MOPA)双腔结构窄线宽准分子激光光源主要由激光放电腔1、激光放电腔2、线宽压窄模块3、输出耦合装置4、光路转置模块5和光路转置模块6组成。激光放电腔1是气体高压放电光辐射的场所，线宽压窄模块3负责实现激光光谱控制，激光线宽压窄的功能，输出耦合装置4用于实现最佳耦合输出。其中，激光放电腔1、线宽压窄模块3和输出耦合装置4构成激光往复振荡的谐振场所——主振荡(MO)谐振腔，形成具有一定输出能量的窄线宽激光输出，激光放电腔1是主振荡谐振腔激光增益产生的场所，线宽压窄模块3同时作为主振荡谐振腔的端反射镜参与激光谐振，与输出耦合装置4共同构成主振荡谐振腔的两个端镜，形成光辐射放大激光输出的约束限制空间调制。光束转置模块5和光束转置模块6主要负责主振荡谐振腔与能量放大腔之间的光路转置变换。激光放电腔2是气体高压放电光辐射的场所,主要完成经由主振荡谐振腔传输来激光的能量放大作用，实现整机系统窄线宽、大能量激光7的输出。

请参阅图1B所示，是图1A中线宽压窄模块的典型结构示意图，为保障满足光刻的光源线宽需求(<0.5pm)，线宽压窄模块常采用4个棱镜形成棱镜括束单元a，配合色散光栅b完成线宽压窄的功能。由于激光线宽与棱镜括束倍率及光栅色散相关，更窄的线宽的获得需要更大的光束括束倍率和更高的色散光栅选择，这必然会带来对于更大尺度光栅的需求。

由于光刻需求光谱的窄化(～0.5pm)与激光自由振荡光谱(～500pm)存在近千倍的差异，因此在单一线宽压窄模块的情况下，对于激光线宽的超精细窄化会造成激光能量的大量损失，从而带来较低的主振荡谐振腔激光输出，使光谱窄化输出激光效能低，使得主振荡谐振腔在保障输出目标窄线宽的条件下同步输出的能量较低，在考虑整体光源能量输出指标的情况下这对于能量放大机制的设计实现也提出了更高的要求。

由于现有的光谱控制方式，单一线宽压窄模块完全位于主振荡谐振腔中，光谱调谐灵活性差，相应的光谱调谐会引起主振荡谐振腔、能量放大腔及其相互间涉及能量-光谱-脉宽-光束质量等多个因素的互耦联动，会对主振荡谐振腔能量-线宽优化输出的合理调谐带来非常大的困难，对于整体激光系统特征指标参数的同步最优输出调谐存在较大的影响，从而极大的影响整机系统运行的稳定性可靠性。同时，当多个光学元件构成的线宽压窄模块在充当主振荡谐振腔端镜的情况下，多个元件的多自由度调谐会对主振荡谐振腔激光振荡模式选择输出造成较大的影响。另外，主振荡谐振腔中深紫外波段高能量激光传输会造成高浓度臭氧发生，也会极大的影响主振荡谐振腔激光能量和激光线宽的输出水平。

由于主振荡谐振腔内部激光能量密度较高，由多个元件集成的线宽压窄模块(为保障目标线宽)完全位于主振荡谐振腔中，也会造成局部高能量激光辐照热点，增加光学元件的损伤几率。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的技术存在的缺陷，而提供一种新型结构的光谱控制装置，所要解决的技术问题是使其通过采用分立式光谱控制机制，通过分立设置的线宽压窄模块级联耦合互动共同完成目标激光线宽的光谱控制，可以有效提高线宽压窄模块使用效能，使激光线宽的调谐方式更加灵活，平衡优化能量与线宽等相关指标同步输出的问题，使每一级线宽压窄模块中光学元件的使用数量和尺度需求大为降低，同时使造成局部高能量激光辐照的损伤几率也大为降低。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种光谱控制装置，应用于主振荡功率放大双腔结构准分子激光器，其包括：第一级线宽压窄模块，其与输出耦合装置作为两个端镜分别设置于第一激光放电腔的两端，并与所述输出耦合装置及所述第一激光放电腔构成所述主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的主振荡谐振腔，形成具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光输出；以及第二级线宽压窄模块，其设置于所述主振荡谐振腔与所述主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的能量放大腔之间的传输光路中，对所述主振荡谐振腔输出的具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光进行线宽调制形成具有第二级线宽压窄的激光输出。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

前述的光谱控制装置，其中在所述主振荡谐振腔与所述能量放大腔之间的传输光路中设有光束转置模块，所述第二级线宽压窄模块是设置于二个所述光束转置模块之间。

前述的光谱控制装置，其中所述第一级线宽压窄模块包括第一级棱镜括束单元及第一级色散光栅，所述第一级棱镜括束单元设置于所述第一激光放电腔与所述第一级色散光栅之间，且所述第一级棱镜括束单元与所述第一级色散光栅是以立特洛自准直方式设置。

前述的光谱控制装置，其中所述第一级棱镜括束单元包括1至2个棱镜。

前述的光谱控制装置，其中所述棱镜为三角棱镜。

前述的光谱控制装置，其中所述第二级线宽压窄模块包括第二级棱镜括束单元及第二级色散光栅，所述第二级棱镜括束单元设置于所述主振荡谐振腔与所述第二级色散光栅之间，且所述第二级棱镜括束单元是设置于所述第二级色散光栅的入射光传输路径上，所述第二级棱镜扩束单元与所述第二级色散光栅以非立特洛自准直方式设置，经由所述第二级色散光栅衍射输出的激光经转置光路进入所述能量放大腔。。

前述的光谱控制装置，其中所述第二级棱镜括束单元包括2至3个棱镜。

前述的光谱控制装置，其中所述棱镜为三角棱镜。

前述的光谱控制装置，其中所述能量放大腔设有第二激光放电腔，由所述第二级线宽压窄模块输出的具有第二级线宽压窄的激光被送入所述能量放大腔，经所述第二激光放电腔进行能量放大后输出。

前述的光谱控制装置，经由两级线宽压窄模块进入所述能量放大腔后输出的激光可以实现小于0.5pm的激光线宽。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种光谱控制装置至少具有下列优点及有益效果：

本发明采用分立式光谱控制机制，分别在主振荡谐振腔和主振荡谐振腔与能量放大腔之间的传输光路中设置具有线宽压窄功能的两级线宽压窄模块，将原先单一存在于主振荡谐振腔中的线宽压窄功能通过两级线宽压窄机制的分立调节实现针对光谱特性的有效控制。与现有光谱控制装置相比，本发明通过采用分立式两级线宽压窄机制可以有机的选择线宽压窄比率，针对于双腔结构准分子激光器，可以通过有效调节主振荡谐振腔中的第一级线宽压窄模块建立初始激光品质特性(能量-光谱等指标)，由主振荡谐振腔实现较高能量但具有一定线宽指标(一级粗调)的激光输出，继而通过第二级线宽压窄模块进行进一步的光谱控制(二级精调)实现激光线宽、激光波长的调谐输出，最终经由能量放大腔实现窄线宽、大能量的激光输出，从而有效改善现有方式下线宽压窄模块使用效能较低的不足；同时，可以通过对主振荡谐振腔与能量放大腔之间传输光路中第二级线宽压窄模块的有机设计和有效调节，弥补现有单一线宽压窄模块结构下由于放电动力特性差异所造成的主振荡谐振腔与能量放大腔波长漂移及线宽差异，对于保证系统稳定的激光输出具有重要作用；另外，由于线宽压窄功能被分立设置使用，因此对光学元件的尺度需求大为降低，针对每一级单一线宽压窄模块而言，光学元件的使用数量减少，光学元件损伤的几率也会相应降低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1A是现有的单通主振荡功率放大(MOPA)双腔结构窄线宽准分子激光光源结构的示意图。

图1B是图1A中线宽压窄模块的典型结构示意图。

图2A是本发明应用于单通主振荡功率放大(MOPA)双腔结构窄线宽准分子激光光源结构的示意图。

图2B是图2A中第一级线宽压窄模块的典型结构示意图。

图2C是图2A中第二级线宽压窄模块的典型结构示意图。

1:激光放电腔2:激光放电腔

3:线宽压窄模块3-1:第一级线宽压窄模块

3-2:第二级线宽压窄模块4:输出耦合装置

5:光路转置模块6:光路转置模块

7:系统激光输出a:棱镜括束单元

b:色散光栅a-1:第一级棱镜括束单元

b-1:第二级色散光栅a-2:第二级棱镜括束单元

b-2:第二级色散光栅

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种光谱控制装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

本发明提出的应用于光刻准分子激光器的分立式光谱控制装置，采用在主振荡谐振腔和主振荡谐振腔与能量放大腔之间的传输光路中分立设置具有线宽压窄功能的两级线宽压窄模块，将原先单一存在于主振荡谐振腔中的线宽压窄功能通过两级线宽压制机制的分立调节实现针对光谱特性的有效控制。

请参阅图2A所示，是本发明应用于单通主振荡功率放大(MOPA)双腔结构窄线宽准分子激光光源结构的示意图。本发明的光谱控制装置应用于主振荡功率放大双腔结构准分子激光器，其包括第一级线宽压窄模块3-1和第二级线宽压窄模块3-2。其中，

第一级线宽压窄模块3-1负责实现激光光谱控制，激光线宽压窄的功能，并与输出耦合装置4作为两个端镜分别设置于激光放电腔1的两端,作为端反射镜参与激光谐振，形成光辐射放大激光输出的约束限制空间调制。第一级线宽压窄模块3-1与输出耦合装置4及激光放电腔1共同构成主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的主振荡(MO)谐振腔，形成具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光输出。其中，激光放电腔1是气体高压放电光辐射的场所，也是主振荡谐振腔激光增益产生的场所，输出耦合装置4用于实现最佳耦合输出。第二级线宽压窄模块3-2设置于主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的主振荡谐振腔与能量放大腔之间的传输光路中,对主振荡谐振腔输出的具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光进行线宽调制形成具有第二级线宽压窄的激光输出。

本发明的两级线宽压窄机制由于分立存在于传输光路中的不同位置,因此可以有效的提高光谱调节的自由度，降低对能量等其他激光参数的耦合输出影响；同时结构适应性强，可以面向不同线宽应用需求灵活多样的设计两级光谱控制模块的结构，有效调节激光线宽、激光波长等光谱参数。

如图2A所示，在主振荡谐振腔与能量放大腔之间的传输光路中设有光束转置模块5、6，第二级线宽压窄模块3-2是设置于两个光束转置模块5、6之间。光束转置模块5、6主要负责主振荡谐振腔与能量放大腔之间的光路转置变换，同时隔离两级线宽压窄模块之间的串扰。由第二级线宽压窄模块3-2输出的具有第二级线宽压窄的激光被送入能量放大腔，在能量放大腔设有激光放电腔2，激光放电腔2是气体高压放电光辐射的场所，主要完成对经由两级线宽压窄模块传输而来的激光进行能量放大，从而实现整机系统窄线宽、大能量的系统激光输出7。例如经由两级线宽压窄模块进入能量放大腔后输出的激光可以实现小于0.5pm的激光线宽。

请参阅图2B所示，是图2A中第一级线宽压窄模块的典型结构示意图。第一级线宽压窄模块3-1主要完成激光线宽的“粗调节”，其线宽实现不必过于苛刻。如图2B所示，其主要由第一级棱镜括束单元a-1和第一级色散光栅b-1组成，其中第一级棱镜括束单元a-1设置于激光放电腔1与第一级色散光栅b-1之间，且第一级棱镜括束单元a-1与第一级色散光栅b-1是以立特洛自准直方式设置，第一级棱镜括束单元a-1可以包括1至2个棱镜，例如为三角棱镜，这样可以使主振荡谐振腔输出获得更高的激光能量,提高能量使用效率,同时大大降低第一级线宽压窄模块3-1的调谐难度。由于在第一级线宽压窄模块3-1中仅通过1至2个棱镜括束，第一级色散光栅b-1的需求尺度大大降低，元器件的成本也可大为减少。

请参阅图2C所示，是图2A中第二级线宽压窄模块的典型结构示意图。由主振荡谐振腔输出的激光经由光路转置模块5进入第二级线宽压窄模块3-2，进行激光线宽的进一步压窄。如图2C所示，第二级线宽压窄模块3-2主要由第二级棱镜括束单元a-2和第二级色散光栅b-2组成，其中第二级棱镜括束单元a-2设置于主振荡谐振腔与第二级色散光栅b-2之间，更具体而言，第二级棱镜括束单元a-2是设置于光路转置模块5与第二级色散光栅b-2之间，且第二级棱镜括束单元a-2是设置于第二级色散光栅b-2的入射光传输路径上，与第二级色散光栅b-2以非立特洛自准直方式设置，经由第二级色散光栅b-2衍射输出的激光经转置光路进入能量放大腔，第二级棱镜括束单元a-2包括2至3个棱镜，例如为三角棱镜，主要针对第一级线宽压窄模块3-1输出的激光进行“细调节”，通过两级线宽压窄模块的耦合互动共同完成目标激光线宽的光谱控制。

本发明通过采用分立式光谱控制机制可以有效的提高系统线宽压窄的使用效率，平衡优化能量、线宽等相关指标同步输出的问题，激光线宽的调谐方式也更加灵活。在现有的光谱控制方式下能量放大腔激光传输过程可能存在光谱变化影响，只能通过精细调节主振荡谐振腔中的线宽压窄模块来平衡控制，由于激光线宽和激光能量等相关因素的输出互耦特性，主振荡谐振腔输出能量必然会产生一定的变化，从而影响系统输出，使得系统指标的同步输出优化存在瓶颈。本发明采用两级线宽压窄模块，可以通过第一级线宽压窄模块建立主振荡腔基础线宽输出，第二级线宽压窄模块在配合第一级线宽压窄模块光谱控制的基础上还可以在不影响主振荡谐振腔激光能量输出的前提下实现针对系统输出激光光谱的有效调节。另外,由于分立式线宽压窄模块的结构特点，激光线宽通过两级光谱控制级联实现，每一级线宽压窄模块中的光学元件使用数量和尺度需求也都大为降低(多棱镜级联使用对于激光能量的有效传输会造成较大的影响；大尺度光栅的购置成本极高，远超过两块小尺度光栅的成本，且基于当前光栅制备能力，不可能对于不断提高的激光线宽需求配合制造相应的更大尺度光栅)，对于光学等各类元器件的购置供给和成本控制都提供了更大的自由度和使用空间；同时，由于主振荡谐振腔内部激光能量密度较高，第一级线宽压窄模块中光学元件集成度低，因此造成局部高能量激光辐照的损伤几率也大为降低。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光谱控制装置，应用于主振荡功率放大双腔结构准分子激光器，其特征在于其包括：

第一级线宽压窄模块，其与输出耦合装置作为两个端镜分别设置于第一激光放电腔的两端，并与所述输出耦合装置及所述第一激光放电腔构成所述主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的主振荡谐振腔，形成具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光输出；以及

第二级线宽压窄模块，其设置于所述主振荡谐振腔与所述主振荡功率放大双腔结构准分子激光器的能量放大腔之间的传输光路中，对所述主振荡谐振腔输出的具有一定输出能量及第一级线宽压窄的激光进行线宽调制形成具有第二级线宽压窄的激光输出。

2.根据权利要求1所述的光谱控制装置，其特征在于其中在所述主振荡谐振腔与所述能量放大腔之间的传输光路中设有光束转置模块，所述第二级线宽压窄模块是设置于二个所述光束转置模块之间。

3.根据权利要求1所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述第一级线宽压窄模块包括第一级棱镜括束单元及第一级色散光栅，所述第一级棱镜括束单元设置于所述第一激光放电腔与所述第一级色散光栅之间，且所述第一级棱镜括束单元与所述第一级色散光栅是以立特洛自准直方式设置。

4.根据权利要求3所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述第一级棱镜括束单元包括1至2个棱镜。

5.根据权利要求4所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述棱镜为三角棱镜。

6.根据权利要求1所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述第二级线宽压窄模块包括第二级棱镜括束单元及第二级色散光栅，所述第二级棱镜括束单元设置于所述主振荡谐振腔与所述第二级色散光栅之间，且所述第二级棱镜括束单元是设置于所述第二级色散光栅的入射光传输路径上，所述第二级棱镜扩束单元与所述第二级色散光栅以非立特洛自准直方式设置，经由所述第二级色散光栅衍射输出的激光经转置光路进入所述能量放大腔。

7.根据权利要求6所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述第二级棱镜括束单元包括2至3个棱镜。

8.根据权利要求7所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述棱镜为三角棱镜。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述能量放大腔设有第二激光放电腔，由所述第二级线宽压窄模块输出的具有第二级线宽的激光被送入所述能量放大腔，经所述第二激光放电腔进行能量放大后输出。

10.根据权利要求9所述的光谱控制装置，其特征在于其中所述经由两级线宽压窄模块进入所述能量放大腔后输出的激光可以实现小于0.5pm的激光线宽。