CN103199422A - 气体激光器的种子光注入锁定放大系统和功率放大腔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体激光器的种子光注入锁定放大系统和功率放大腔，功率放大腔(3)包括入射端和出射端，入射端用于入射由主谐振腔(2)出射的种子光，出射端用于出射由功率放大腔(3)对种子光进行功率放大后的激光，功率放大腔(3)的入射端和出射端分别设置有第一平面镜(4)和第二平面镜(5)，该第一平面镜(4)、第二平面镜(5)与功率放大腔(3)的腔体构成谐振腔，种子光在该谐振腔内多次振荡获得增益，通过第二平面镜(5)输出功率放大的激光。本发明能够降低光路调节的技术难度，同时降低成本。
Description
技术领域
本发明气体激光器技术领域，具体涉及一种气体激光器的种子光注入锁定放大系统和功率放大腔，尤其适用于准分子激光器。
背景技术
准分子激光具有短波长和大功率的特点，使其成为目前大规模半导体集成电路光刻的主要光源。随着光刻对光源输出功率和线宽要求的提高，单腔结构的准分子激光器不能同时满足高功率和窄线宽的要求。而双腔结构的主振-振荡放大技术的出现，解决了高输出功率和窄线宽不可兼得的矛盾。其基本思想是利用种子激光器产生小能量且窄线宽种子，注入到放大腔进行放大，输出大能量脉冲，从而得到窄线宽、大功率的优质激光束。目前常见的解决方案主要有三种，采用单程放大技术的MOPA(Masteroscillator power amplifier)结构、采用注入锁定技术的MOPO(Masteroscillator power oscillator)结构及采用环形腔的MOPRA(Master oscillatorpower regenerative amplifier)结构。
最先采用的是MOPA(Master oscillator power amplifier)结构，如图1所示，其中附图标记1为线宽压窄模块(LNM)，2为主谐振腔(MO)，3为功率放大腔(PA腔)。在该MOPA结构机型中，由于种子光只有两次通过PA腔3进行放大，所以放大倍率不高，为了获得更高的放大能量输出，经线宽压窄处理后的MO腔2需要输出约1mJ的优质种子光传递到PA腔3，同时由于线宽压窄导致的低转换效率，导致只有通过大能量的放电激励来使MO腔2获得更高的能量输出，然而这种大能量的放电激励会导致MO腔2的寿命明显偏低。另外，从PA腔3获得的放大后的激光输出受到MO腔2和PA腔3放电同步抖动影响较大，从而导致激光能量输出稳定性很难提高。
后来出现了如图2所示采用注入锁定技术的MOPO(Master oscillatorpower oscillator)结构，以及如图3所示的采用环形腔技术的MOPRA(Master oscillator power regenerative amplifier)结构。这两种技术的出现弥补了MOPA结构技术方案的不足。对比图2、图3及图1可以发现，无论是MOPO结构还是MOPRA结构，MO腔2输出的种子光在PA腔3中都获得了多程的功率放大，而在MOPA技术方案中，MO腔2输出的种子光，只是两次通过PA腔3进行放大，我们称之为单程放大。多程放大存在显著的特点就是种子光进入PA腔3后，在PA腔3内多次往返获得更高的增益，在PA腔3内停留的时间更长，且PA腔3工作在深度饱和状态。其优点就是与单程放大相比，输出脉宽更宽、效率更高、能量更大、输出能量更加稳定。但是与MOPA结构相比，MOPO结构和MOPRA结构的光路要更加复杂，需要的光学镜片更多，这就大大增加了光路调整的技术难度，同时由于准分子激光器光学镜片材料特殊且容易损坏，这就增加了激光器系统的制作成本和维修成本。
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了一种改进的采用种子光注入锁定放大技术的MOPO结构的气体激光器系统，以解决现有的气体激光器系统结构复杂、成本过高及光路调节困难的缺点。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种气体激光器的种子光注入锁定放大系统，包括线性压窄模块、主谐振腔和功率放大腔，所述功率放大腔包括入射端和出射端，所述入射端用于入射由所述主谐振腔出射的种子光，所述出射端用于出射由功率放大腔对种子光进行功率放大后的激光，所述功率放大腔的所述入射端和出射端分别设置有第一平面镜和第二平面镜，该第一平面镜、第二平面镜与功率放大腔的腔体构成谐振腔，所述种子光在该谐振腔内多次振荡获得增益，通过所述第二平面镜输出功率放大的激光。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜对于所述种子光具有部分反射率。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜(4)对于所述种子光的反射率为20％-50％。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜和第二平面镜与所述功率放大腔密封安装。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜和第二平面镜在光轴的水平方向和垂直方向的位置均可调节。
本发明还提出一种用于气体激光器的功率放大腔，包括入射端和出射端，所述入射端用于入射种子光，所述出射端用于出射由功率放大腔对种子光进行功率放大后的激光，所述入射端和出射端分别设置有第一平面镜和第二平面镜，该第一平面镜、第二平面镜与功率放大腔的腔体构成谐振腔，所述种子光在该谐振腔内多次振荡获得增益，通过所述第二平面镜输出功率放大的激光。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜对于所述种子光具有部分反射率。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜对于所述种子光的反射率为20％-50％。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜和第二平面镜与所述功率放大腔密封安装。
根据本发明的一种具体实施方式，所述第一平面镜和第二平面镜在光轴的水平方向和垂直方向的位置均可调节。
(三)有益效果
本发明相比于现有的MOPA结构具备效率高、能量大、输出稳定及输出脉宽宽的优点；
本发明与现有的MOPRA结构相比，具有光路更为简洁，技术难度要求更低的优点。
本发明与与现有的MOPO结构相比，对PA腔结构进行了改进，使得整体结构所需要的光学元件更少，降低了光路调节的技术难度，同时降低了整体结构的成本及维修成本。
附图说明
图1为现有技术的气体激光器的采用单程放大技术的MOPA结构示意图；
图2为现有技术的气体激光器的采用注入锁定技术的MOPO结构示意图；
图3为现有技术的气体激光器的采用环形腔技术的MOPRA结构示意图；
图4为本发明的气体激光器的采用改进型注入锁定技术的MOPO结构示意图。
具体实施方式
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。
针对已经存在的技术方案的优点及不足之处，本专利提出了一种气体激光器的种子光注入锁定放大系统，其采用改进的注入锁定技术的MOPO结构。
图4是本发明的气体激光器的采用改进型注入锁定技术的MOPO结构示意图，即本发明的用于气体激光器的种子光注入锁定放大系统的结构示意图。如图4所示，本发明的系统包括线宽压窄模块1、MO腔2和PA腔3，在PA腔3具有两端，在此分别称为入射端和出射端，入射端用于入射由MO腔2出射的种子光，出射端用于出射由PA腔对种子光进行功率放大后的激光。根据本发明，在PA腔3的上述入射端和出射端分别设置一个平面镜，即第一平面镜4和第二平面镜5。所述第一平面镜4设置于PA腔3的入射端，其外表面镀有0°对于MO腔2出射的种子光的部分反射膜，优选反射率选择范围为20％-50％；第二平面镜5设置于PA腔3的出射端，其为非镀膜镜片，其对于0°入射的种子光具有4％左右的反射率。
该气体激光器的其他结构均为本领域的普通结构和通常设计，因此在此不再详述。
与图2显示的现有技术的气体激光器的采用注入锁定技术的MOPO结构相比，本发明对PA腔体进行了改进，将图2中用于腔体密封和偏振选择的两个布儒斯特窗去掉，取而代之的是第一平面镜4和第二平面镜5这两块与光轴垂直且平行放置的两块平面镜。第一平面镜4和第二平面镜5与PA腔3构成谐振腔，由于第一平面镜4具有部分反射率，所以MO腔2的种子光可以通过第一平面镜4进入PA腔3，种子光在第一平面镜4和第二平面镜5构成的谐振腔内多次振荡获得足够的增益进行放大，然后通过第二平面镜5获得激光输出。由于第一平面镜4的反射率较低，所以可以有效地抑制PA腔3因为自发辐射所获得的激光输出，从而保证了输出激光具有与种子光一致的光谱纯度。
优选地，第一平面镜4和第二平面镜5可以通过其固定装置上的调节螺母对其垂直方向及水平方向的相对位置(相对于光轴)进行调节，大大降低了光路调整的难度。
图2所示的现有技术的PA腔采用一个凹面镜和一个凸面镜作为谐振腔的腔镜，与平面镜相比，其加工难度更大，成本更高，并且光路调节更为复杂。本发明将两块平面镜直接安装于PA腔3的腔体上代替原来的布儒斯特窗，降低了PA腔3的加工难度和成本，既起到了密封腔体的作用，又构成了谐振腔对种子光进行放大，PA腔3工作在深度饱和状态，种子光多程振荡获得了充分的放大，从而使放大后输出光的能量更大、输出能量更加稳定，同时并不影响种子光的偏振度。与MOPA结构相比，本专利具备传统MOPO结构效率高、能量大、输出稳定及输出脉宽宽的优点；与MOPRA结构相比本专利的光路更为简洁，光路调整的技术难度要求更低，且大大降低了整个结构的制作成本及维修成本。与传统的MOPO结构相比，本专利对PA腔结构进行了改进，将两块平面镜直接安装于PA腔的腔体上构成谐振腔代替原来的布儒斯特窗、凹面镜和凸面镜，使得整体结构所需要的光学原件更少，PA腔体加工更为简单，大大降低了光路调节的技术难度，同时大大降低了整体结构的成本及维修成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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 (10)
1.一种气体激光器的种子光注入锁定放大系统，包括线性压窄模块(1)、主谐振腔(2)和功率放大腔(3)，所述功率放大腔(3)包括入射端和出射端，所述入射端用于入射由所述主谐振腔(2)出射的种子光，所述出射端用于出射由功率放大腔(3)对种子光进行功率放大后的激光，其特征在于，
所述功率放大腔(3)的所述入射端和出射端分别设置有第一平面镜(4)和第二平面镜(5)，该第一平面镜(4)、第二平面镜(5)与功率放大腔(3)的腔体构成谐振腔，所述种子光在该谐振腔内多次振荡获得增益，通过所述第二平面镜(5)输出功率放大的激光。
2.如权利要求1所述的气体激光器的种子光注入锁定放大系统，其特征在于，所述第一平面镜(4)对于所述种子光具有部分反射率。
3.如权利要求2所述的气体激光器的种子光注入锁定放大系统，其特征在于，所述第一平面镜(4)对于所述种子光的反射率为20％-50％。
4.如权利要求1所述的气体激光器的种子光注入锁定放大系统，其特征在于，所述第一平面镜(4)和第二平面镜(5)与所述功率放大腔(3)密封安装。
5.如权利要求4所述的气体激光器的种子光注入锁定放大系统，其特征在于，所述第一平面镜(4)和第二平面镜(5)在光轴的水平方向和垂直方向的位置均可调节。
6.一种用于气体激光器的功率放大腔(3)，包括入射端和出射端，所述入射端用于入射种子光，所述出射端用于出射由功率放大腔(3)对种子光进行功率放大后的激光，其特征在于，
所述入射端和出射端分别设置有第一平面镜(4)和第二平面镜(5)，该第一平面镜(4)、第二平面镜(5)与功率放大腔(3)的腔体构成谐振腔，所述种子光在该谐振腔内多次振荡获得增益，通过所述第二平面镜(5)输出功率放大的激光。
7.如权利要求6所述的功率放大腔，其特征在于，所述第一平面镜(4)对于所述种子光具有部分反射率。
8.如权利要求7所述的功率放大腔，其特征在于，所述第一平面镜(4)对于所述种子光的反射率为20％-50％。
9.如权利要求6所述的功率放大腔，其特征在于，所述第一平面镜(4)和第二平面镜(5)与所述功率放大腔(3)密封安装。
10.如权利要求9所述的功率放大腔，其特征在于，所述第一平面镜(4)和第二平面镜(5)在光轴的水平方向和垂直方向的位置均可调节。
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