CN102969649A

CN102969649A - 准分子激光器复合腔

Info

Publication number: CN102969649A
Application number: CN 201210558478
Authority: CN
Inventors: 周翊; 单耀莹; 范元媛; 宋兴亮; 张立佳; 崔惠绒; 王宇
Original assignee: Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2013-03-13
Also published as: CN203895737U; CN103701025B; CN103701025A

Abstract

本发明公开了一种准分子激光器复合腔，包括激光放电腔、激光输出模块、线宽压窄模块和激光放大模块，所述激光放电腔内包含有工作气体，该工作气体在激励源作用下能产生激光，其中所述激光放电腔、激光输出模块和线宽压窄模块构成一个线宽压窄腔，用于对所述工作气体产生的激光进行线宽压窄；所述激光放电腔、激光输出模块和激光放大模块构成一个放大腔，用于对所述经线宽压窄后的激光进行能量放大。本发明不仅可以实现准分子激光器窄线宽的输出，而且通过复合腔的设计，可以提高输出激光的能量及稳定性，同时本发明的复合腔结构简单，便于加工，调谐方便。

Description

准分子激光器复合腔

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种准分子激光器复合腔，特别是一种具有窄线宽和高能量输出的准分子激光器复合腔。

背景技术

随着半导体工业的发展，大规模集成电路的不断进步，对光刻技术要求越来越高，作为光刻光源的准分子激光器对光刻技术的提高有着关键作用。这要求准分子激光同时达到窄线宽及大能量的输出，但是，利用以往的激光器加线宽压窄模块的组合，窄线宽的输出是以激光能量的损失为代价的。因此，为了同时得到窄线宽和高能量的输出，需要设计一种机构对激光的能量和线宽进行调谐，以获得满足特殊需求(例如作为光刻光源)的准分子激光。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题提出一种准分子激光器复合腔，以便在对准分子激光器输出的激光的进行线宽压窄的同时提高激光输出能量，以满足作为光刻光源等应用的需求。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种准分子激光器复合腔，包括激光放电腔和激光输出模块，所述激光放电腔内包含有工作气体，该工作气体在激励源作用下能产生激光，还包括线宽压窄模块和激光放大模块，其中，所述激光放电腔、激光输出模块和线宽压窄模块构成一个线宽压窄腔，用于对所述工作气体产生的激光进行线宽压窄；所述激光放电腔、激光输出模块和激光放大模块构成一个放大腔，用于对所述经线宽压窄后的激光进行能量放大；以及所述激光输出模块用于将经线宽压窄且能量放大的激光进行输出。

根据本发明的一种具体实施方式，所述激光输出模块为一个输出耦合镜，所述激光放电腔具有两端，所述输出耦合镜设置于所述激光放电腔的一端，所述线宽压窄模块和激光放大模块设置于所述激光放电腔的另一端。

根据本发明的一种具体实施方式，所述线宽压窄模块包括单个棱镜或棱镜组，还包括光栅，所述单个棱镜或棱镜组用于接收由激光放电腔发出的激光，将该激光部分反射至所述放大腔，且对该激光的剩余部分进行折射与扩束后入射到所述光栅；所述光栅用于以其闪耀角为入射角接收从单个棱镜或棱镜组扩束后出射的激光，使入射到其表面上的激光发生色散效应，并使满足光栅闪耀条件的波长的激光按原路反射回去。

根据本发明的一种具体实施方式，所述激光放大模块为反射镜，用于接收由所述单个棱镜或棱镜组部分反射的激光，并将其原路反射回所述激光放电腔中。

根据本发明的一种具体实施方式，当所述线宽压窄模块包括单个棱镜时，该单个棱镜的入射面对于由所述激光放电腔发出的激光的反射率4.8％～24％。

根据本发明的一种具体实施方式，当所述线宽压窄模块包括棱镜组时，该棱镜组包括依次在光路上排列的多个棱镜，其中，用于接收由所述激光放电腔发射的激光的第一个棱镜将该激光部分反射至所述放大腔。

根据本发明的一种具体实施方式，所述第一个棱镜的入射面对于由所述激光放电腔发出的激光的反射率4.8％～24％。

根据本发明的一种具体实施方式，所述放大腔还包括标准具，其用于对入射其上的激光进行线宽压窄并透射具有特定中心波长的激光。

根据本发明的一种具体实施方式，所述标准具用于直接接收由单个棱镜或棱镜组部分反射的激光，并将透射过的激光入射到所述反射镜上。

根据本发明的一种具体实施方式，所述标准具所透射的激光的光谱线的线宽与所述复合腔的线宽相同。

(三)有益效果

本发明不仅可以实现准分子激光器窄线宽的输出，而且通过复合腔的设计，可以提高输出激光的能量及稳定性，同时结构简单，便于加工，调谐方便。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的准分子激光器复合腔的结构示意图；

图2为本发明的第二实施例的准分子激光器复合腔的线宽压窄模块的结构示意图；

图3为本发明的第三实施例的准分子激光器复合腔的结构示意图。

具体实施方式

如前所述，本发明对于复合腔的设计的出发点是设计一个可以同时调节准分子激光的线宽与输出能量的机制，以便满足某些应用中要求准分子激光器出射的激光同时具有大能量和窄线宽输出的要求，实现在窄线宽输出的同时提高输出激光的能量。

本发明的准分子激光器复合腔包括准分子激光放电腔、激光输出模块、线宽压窄模块和激光放大模块，其中激光放电腔、激光输出模块和线宽压窄模块构成一个线宽压窄谐振腔，这个谐振腔能够对激光放电腔内工作气体产生的激光进行线宽压窄，也称为线宽压窄腔；同时，激光放电腔、激光输出模块和激光放大模块构成一个激光放大谐振腔，也称放大腔。线宽压窄腔输出的线宽压窄后的激光注入到在放大腔里，随着在激光放大谐振腔内的往复振荡被逐渐放大，由于模式竞争作用，这种窄线宽的激光模式会取代放大腔内的宽谱激光，此时，这个复合腔可以输出窄线宽大能量的激光。可见，所述线宽压窄腔和放大腔所构成的复合腔，可以实现窄线宽、大能量的激光输出，此种复合腔产生的激光通过激光输出模块出射。

本发明的激光输出模块用于配合线宽压窄模块与激光放大模块构成激光谐振腔，是一种准分子激光系统的耦合输出镜，通常可由具有一定反射率(20％～73％)的平镜或透过率很高的未镀膜平镜构成。

本发明的线宽压窄模块用于控制激光器自然振荡输出的激光光谱，包括线宽压窄与中心波长的选择，可以实现实际应用中所需要的激光线宽以及中心波长的输出，通常可由多种色散元件的组合，如棱镜、光栅、标准具等构成。线宽压窄模块的功能实现还需要激光放电腔内部的增益介质配合作用，增益介质即准分子激光器的工作气体。

本发明的激光放大模块用于对线宽压窄后的激光实现能量的放大，相当于另一个激光谐振腔，通常可由具有一定反射率的反射镜配合输出耦合镜构成，激光放大模块的功能实现也需要激光放电腔内部的增益介质配合作用。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

第一实施例

图1显示了本发明的第一实施例的结构示意图。该第一实施例是准分子激光器复合腔。如图1所示，所述复合腔包括准分子激光放电腔1、输出耦合镜2、棱镜3、反射镜4和光栅5。其中，输出耦合镜2构成了前述的激光输出模块，棱镜3和光栅5构成了前述的线宽压窄模块，反射镜4构成了前述的激光放大模块。

准分子激光是指受激二聚体所产生的激光。当惰性气体和卤素气体按一定比例和压力混合在一起时，在激励源的作用下使气体原子从基态跃迁到激发态，甚至被电离。处于激发态的原子或离子很容易结合成分子，这种分子的寿命仅有几十个纳秒。当激发态的分子数远多于基态准分子数，就形成离子数反转。准分子从激发态跃迁回基态时，释放出光子，经谐振腔振荡发射出激光。同时稀有气体和卤素气体从准分子状态迅速解离成2个原子。所述准分子激光放电腔1是一个集成的模块化的放电腔，由泵浦源、工作介质和放电电极等组成，是激光器的最重要的部分。所述激光放电腔1在泵浦条件下会产生激光，利用高压电能作为激励源激发激光腔内的工作物质(ArF等)，从而实现粒子的反转，在激光放电腔1内形成激光振荡，向外输出激光。

激光放电腔1具有两端，所述输出耦合镜2设置于激光放电腔1的一端的出射窗口附近，如图1中所示，输出耦合镜2用于配合线宽压窄模块与能量放大模块构成激光产生的要素之一——谐振腔，谐振腔内产生的激光从输出耦合镜2出射，通过调谐输出耦合镜2使其与另一端的作为线宽压窄模块的光栅5或者作为激光放大模块的反射镜4完全平行，使得激光在他们之间可以往返振荡。所述输出耦合镜2优选为具有一定反射率的平面透镜，反射率优选为20％～73％，更优选为40％～50％；

所述棱镜3设置于激光放电腔1的相对于输出耦合镜2的另一端的出射窗口附近，如图1中所示，棱镜3的顶角向上，激光从棱镜3的斜边入射，从棱镜3的一条直角边出射。棱镜3一方面充当线宽压窄模块中扩束的棱镜，使得入射到光栅5上的激光的长度足够大，进一步促进光栅5对中心波长及线宽的选择，另一方面，在棱镜3的入射面反射的部分激光入射到反射镜4上，使得激光可以在放大腔中振荡。棱镜3的材料可以是紫外级熔融石英材料或紫外透光性良好的材料，如CaF₂、MgF₂等。棱镜3可以是直角棱镜或具有特殊角度的棱镜，只要其可以实现对光束的扩束作用。例如顶角为69°～76°的棱镜，同时，光束在棱镜3上入射面的反射率需要严格设计，设计的原则是使得注入到线宽压窄模块的激光能量与注入到放大腔的激光能量是相近的。根据发明人的计算和实验，根据本发明的一种优选实施例，棱镜3的入射面的反射率为4.8％～24％。棱镜3的入射面的反射更优选为10％～20％。

反射镜4也设置于激光放电腔1的相对于输出耦合镜2的另一端的位置，如图1中所示，其用于接收由棱镜3的入射面反射的激光，并将其原路反射回激光放电腔1中，并与输出耦合镜2配合构成放大腔。反射镜4优选为反射率为70％以上的平面反射镜。

光栅5设置于线宽压窄腔的光路中的棱镜3的后方，接收从棱镜3扩束后出射的激光，该激光以光栅5的闪耀角为入射角，入射到光栅5的表面上的激光发生色散效应，由此选择光谱宽度与中心波长。光栅5采用Littrow自准的摆放模式，使得满足光栅5的闪耀条件的波长的激光按原路反射回去。由于光路可逆原理，从光栅5返回的激光再次入射到输出耦合镜2上，这样实现了激光的往复振荡。光栅5优选为一个中阶梯光栅，更优选为Littrow光栅(对于常见的光栅方程d(sinα+sinβ)＝mλ，使α＝β＝90°，即为Littrow自准模式的光栅)。

对于准分子激光器，当激发态的分子数远多于基态准分子数，就形成离子数反转，准分子从激发态跃迁回基态时，释放出光子，此时放电腔内发出的光称为激光器的激光，激光经谐振腔振荡放大，最后成为激光出射。常见的准分子激光器出射的激光位于紫外波段，如ArF激光器产生193nm激光，KrF激光器产生248nm激光。

对于此时可以产生激光的谐振腔有两个，他们分别是由棱镜3、光栅5构成的线宽压窄模块，线宽压窄模块与输出耦合镜2、激光放电腔1构成了线宽压窄腔；同时，反射镜4作为激光放大模块，激光放电腔1、输出耦合镜2和反射镜4构成了一个放大腔。可见，放大腔不含色散元件。

线宽压窄腔的工作原理是这样的：当激光放电腔1内的激光入射到棱镜3的斜边时，从直角边出射的光束相对于入射光扩束倍数约为10倍左右，扩束后的光束以光栅5的闪耀角为入射角投射到光栅5上，由于光栅5是Littrow自准模式的，从光栅5反射回的发生色散的激光原路返回，此时，光栅5和输出耦合镜2构成了一个谐振腔，这个谐振腔即为所述线宽压窄腔，其通过包含棱镜3和光栅5组合的线宽压窄模块的线宽压窄腔从输出耦合镜2输出窄线宽2的激光，由于这个线宽压窄腔，由棱镜3对光扩束，扩束后的光入射到光栅上，利用色散作用选择光谱与线宽，从线宽压窄腔出射的激光成为窄线宽的激光。

与此同时，激光产生后，从线宽压窄腔往复传播的过程中，当入射到棱镜3的斜边面时，有一部分激光被反射到反射镜4上。该反射镜4优选为具有高反射率的反射镜。此时，由反射镜4和输出耦合镜2构成了一个激光放大的谐振腔，即放大腔。

上述两个谐振腔内的激光，即窄线宽的激光在放大腔内经过模式竞争，被不断放大。模式竞争的过程是这样的，复合腔内存在至少两种激光模式，一种是线宽压窄的激光，称为v₁，一种是放大腔内的高能量线宽较宽的激光，称为v₂。开始时，这两种激光的增益都大于阈值，因而两个模式的光强都逐渐增大。当增益曲线逐渐下降达到时，v₂模式的激光增益等于损耗，因而能量不再增大，但此时v₁模式的增益仍大于阈值，能量还继续增大，这样很快就使得v₂模式的增益系数小于阈值，故该模式的光强很快减弱，甚至熄灭。最后谐振腔内只有一个v₁模式形成稳定的振荡。也就是放大腔内的振荡将被线宽压窄腔内的窄线宽激光的模式锁定，从而实现高能量、窄线宽的激光振荡，并由此导致最终输出激光具有窄线宽、高能量的特点。

第二实施例

第二实施例与第一实施例在整体结构上相同，所不同的是，第二实施例采用了棱镜组来代替第一实施例中的单个棱镜3。也就是说，第二实施例的复合腔中的线宽压窄模块与第一实施例不同。

图2是本发明的准分子激光器复合腔的第二实施例中的线宽压窄模块的结构示意图。如图2所示，棱镜组由依次排列的多个直角棱镜31、32、33组成，棱镜31从斜边接收激光放电腔1出射的激光，从直角边出射；棱镜32从斜边接收棱镜31出射的激光，从直角边出射，棱镜33从斜边接收棱镜32出射的激光，从直角边出射到光栅5上。

棱镜31的作用与第一实施例中的棱镜3相同，其入射面的反射率的要求也与棱镜3相同，即入射面的反射率为4.8％～24％，更优选为10％～20％。

使用多个棱镜构成的棱镜组可以更容易地实现对光束扩束倍数的要求，因此可以促进窄线宽的输出。但由棱镜数量的增多也会增大复合腔对光能量的吸收与损耗，不利于高能量激光的输出。

第三实施例

图3为本发明的准分子激光器复合腔的第三实施例的结构示意图。如图3所示，该第三实施例的基本结构也与第一实施例相同，所不同的是在放大腔内增加了一个标准具6。所谓标准具是一种多光束干涉原理制成的色散元件。在光学技术领域，法布里-珀罗干涉仪(Fabry-Pérotinterferometer)是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。法布里-珀罗干涉仪也经常称作法布里-珀罗谐振腔，并且当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里-珀罗标准具，或直接简称为标准具。

如图3所示，在该实施例中，线宽压窄模块包括单个棱镜3，但也可以由图2中所示的棱镜组来替代单个棱镜3。棱镜3在该第二实施例中为直角棱镜，其斜边接收激光放电腔1出射的激光，并以该斜边为入射面将该激光部分反射至标准具6，该激光的剩余部分在棱镜3中折射并扩束，并从其直角边出射到光栅5上。

标准具6用于接收由棱镜3部分反射的激光，并对入射至其上的激光进行线宽压窄并透射具有特定中心波长的激光，标准具6被置于放大腔内，可以在放大腔中实现对激光谱线宽度及中心波长的选择，以协助线宽压窄模块的功能，因此更有利于窄线宽、大能量激光的出射。标准具6所透射激光的光谱线的线宽与整个复合腔所要求的线宽一致。

使用标准具6可以针对目标线宽和中心波长更稳定地输出，但由于它属于一种损耗元件，置于复合腔内时也会可能会影响激光能量的提高。

以上描述的实施例仅是实现本发明的特殊实施方式，根据本发明，能量放大模块、线宽压窄模块还可以由符合准分子激光特点的其他光学元件构成。第二实施例中的棱镜组中棱镜的数量，以及各实施例中对于其他光学部件的添加或删除，所属技术领域的技术人员可以在不脱离本发明的主旨的条件下根据实际需要进行。因此上述实施例并不构成对本发明的保护范围的限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种准分子激光器复合腔，包括激光放电腔和激光输出模块，所述激光放电腔内包含有工作气体，该工作气体在激励源作用下能产生激光，其特征在于，还包括线宽压窄模块和激光放大模块，其中，

所述激光放电腔、激光输出模块和线宽压窄模块构成一个线宽压窄腔，用于对所述工作气体产生的激光进行线宽压窄；

所述激光放电腔、激光输出模块和激光放大模块构成一个放大腔，用于对所述经线宽压窄后的激光进行能量放大；以及

所述激光输出模块用于将经线宽压窄且能量放大的激光进行输出。

2.如权利要求1所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述激光输出模块为一个输出耦合镜(2)，所述激光放电腔(1)具有两端，所述输出耦合镜(2)设置于所述激光放电腔(1)的一端，所述线宽压窄模块和激光放大模块设置于所述激光放电腔(1)的另一端。

3.如权利要求2所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述线宽压窄模块包括单个棱镜(3)或棱镜组，还包括光栅(5)，

所述单个棱镜(3)或棱镜组用于接收由激光放电腔(1)发出的激光，将该激光部分反射至所述放大腔，且对该激光的剩余部分进行折射与扩束后出射到所述光栅(5)；

所述光栅(5)用于以其闪耀角为入射角接收从单个棱镜(3)或棱镜组扩束后出射的激光，使入射到其表面上的激光发生色散效应，并使满足光栅闪耀条件的波长的激光按原路反射回去。

4.如权利要求3所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述激光放大模块为反射镜(4)，用于接收由所述单个棱镜(3)或棱镜组部分反射的激光，并将其原路反射回所述激光放电腔(1)中。

5.如权利要求4所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，当所述线宽压窄模块包括单个棱镜(3)时，该棱镜(3)的入射面对于由所述激光放电腔发出的激光的反射率4.8％～24％。

6.如权利要求4所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，当所述线宽压窄模块包括棱镜组时，该棱镜组包括依次在光路上排列的多个棱镜，其中，用于接收由所述激光放电腔(1)发射的激光的第一个棱镜将该激光部分反射至所述放大腔。

7.如权利要求6所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述第一个棱镜的入射面对于由所述激光放电腔发出的激光的反射率4.8％～24％。

8.如权利要求3所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述放大腔还包括标准具(6)，其用于对入射其上的激光进行线宽压窄并透射具有特定中心波长的激光。

9.如权利要求8所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述标准具(6)用于直接接收由单个棱镜(3)或棱镜组部分反射的激光，并将透射过的激光入射到所述反射镜(4)上。

10.如权利要求9所述的准分子激光器复合腔，其特征在于，所述标准具(6)所透射的激光的光谱线的线宽与所述复合腔的线宽相同。