CN103235395A - 棱镜扩束装置 - Google Patents

Abstract

一种棱镜扩束装置，由棱镜、棱镜压板、棱镜平台、旋转台和平台支杆组成。其中棱镜通过棱镜压板固定在棱镜平台上，棱镜平台与旋转台的转轴固定，平台支杆与旋转台的底座固定。旋转台带动整个棱镜平台可以平台支杆为轴，在一定角度范围内转动。棱镜平台两维俯仰可调，平台支杆的高度可调。该装置主要用在准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。其特点是在四个维度上可以实现精密调节，从而快捷、高效地调整棱镜光路。另外通过调节光束与棱镜平台的角度，在一定范围内可以微调激光光谱的线宽。

Description

棱镜扩束装置

技术领域

本发明公开一种棱镜扩束装置。该装置主要用在准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。其特点是在四个维度上可以实现精密调节，从而快捷、高效地调整棱镜光路。另外通过调节光束与棱镜平台的角度，在一定范围内可以微调激光光谱的线宽。

背景技术

光刻用的窄线宽准分子激光器一般使用棱镜组与中阶梯光栅组合进行线宽压窄。棱镜组的作用是实现对激光的一维扩束，而光栅则实现窄线宽波长选择和反馈放大。棱镜扩束装置作为棱镜的承载体，是激光器线宽压窄模块中的重要部件，棱镜扩束装置的优化设计和装调对输出窄线宽激光的能量有重要影响。在先技术中[US4972429,US5978409等]一般都侧重于扩束装置中棱镜光学设计优化，如数目、摆放顺序等，而没有涉及到棱镜扩束的具体机械装置。

由于激光线宽直接会影响到光刻的特征尺寸，在线宽压窄模块装调的时候应根据需要对线宽做一定的微调。在先技术[US8259764B2]一般采用给光栅施加应力的装置改变激光到达光栅的波前和入射角，从而达到微调激光线宽的目的。然而该装置结构复杂，在空间有限的线宽压窄模块内装调困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种棱镜扩束装置。该装置主要用在准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。其特点是在四个维度上可以实现精密调节，从而快捷、高效地调整棱镜光路。另外通过调节光束与棱镜平台的角度，在一定范围内可以微调激光光谱的线宽。

本发明的技术解决方案如下：

一种棱镜扩束装置，其特点在于：该装置由棱镜、棱镜压板、棱镜平台、旋转台和平台支杆组成，上述各部分的位置关系如下：

所述的棱镜通过棱镜压板固定在所述的棱镜平台上；

所述的棱镜平台由顶板、底板、拉簧、三个位移微调旋钮组成，所述的顶板和底板通过拉簧和处于直角三角形三个顶点的分立的位移微调旋钮连接在一起；

所述的旋转台由转轴、底座、角度调节旋钮、角度锁定旋钮组成，转动所述的角度调节旋钮，底座绕所述的转轴旋转，角度锁定旋钮实现光束与棱镜平台角度的锁定，所述的棱镜平台的底板固定在所述的转轴的顶端；

所述的平台支杆与旋转台的底座相固定，所述的平台支杆具有高度调节机构。

所述的棱镜为直角棱镜，数目为3个或者4个，按照一定的入射角依次摆放，通过棱镜压条固定在棱镜平台上，对激光起扩束作用。本发明的技术效果如下：

本发明棱镜扩束装置。该装置主要用在准分子激光器或染料激光器的线宽压窄模块中。其特点是在四个维度上可以实现精密调节，从而快捷、高效地调整棱镜光路。另外通过调节光束与棱镜平台的角度，在一定范围内可以微调激光光谱的线宽。

附图说明

图1为棱镜扩束装置结构示意图

图2为棱镜平台的坐标系示意图

图3为棱镜平台结构示意图

图4为直角棱镜示意图

图中：

1—棱镜、2—棱镜压条、3—棱镜平台、4—旋转台、5—平台支杆、6—顶板、7—底板、8—拉簧、9—位移微调旋钮、10—转轴、11—底座、12—角度调节旋钮、13—角度锁定旋钮、14—扩束前的光斑、15—扩束后的光斑

具体实施方式

请参阅图1，图1为本发明棱镜扩束装置示意图，该装置由棱镜1、棱镜压条2、棱镜平台3、旋转台4和平台支杆5组成。上述各部分的位置关系如下：

棱镜1通过棱镜压板2固定在棱镜平台3上，棱镜平台3下方与旋转台4相固定，旋转台4固定在平台支杆5的顶部。棱镜平台3在θ_x、θ_y两个维度俯仰可调，平台支杆5的高度(z方向)可调，而棱镜平台整体可以围绕平台支杆5做θ_z方向旋转运动。以上所述的调节维度请参阅图2。

所述的棱镜1为直角棱镜，数目为3个或者4个，按照一定的入射角依次摆放，通过棱镜压条2固定在棱镜平台3上，对激光起扩束作用。

所述的棱镜平台1由顶板6、底板7、拉簧8、三个位移微调旋钮9组成。顶板6和底板7由拉簧8和三个位移微调旋钮连接9。转动位移微调旋钮9，可以实现棱镜平台在θ_x、θ_y两个维度的俯仰调节。

所述的旋转台由转轴10、底座11、角度调节旋钮12、角度锁定旋钮13组成。棱镜平台的底板7与转轴10连接，通过旋转底座的角度调节旋钮12，可使转轴10带动棱镜平台3做θ_z方向旋转运动。装置调整完毕后，角度锁定旋钮11实现光束与棱镜平台3角度的锁定。

所述的平台支杆5与旋转台4的底座11相固定。平台支杆5高度可调，调节范围为-15毫米～15毫米。

通过角度调节旋钮微调棱镜平台与光束的夹角，改变激光的扩束倍数，从而实现调节线宽的原理如下：

在由多个棱镜与光栅相组合的线宽压窄系统中，输出激光的线宽的半高宽度(FWHM)可以由下式决定[参见US20020186741A1]：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}}{2M\tan \mathrm{\γ}\sqrt{N_R}}\mathrm{\λ}---\left(1\right)$

其中θ_div为光束水平方向的发散角，M为棱镜扩束系统的扩束倍数，γ为光栅的角衍射角。N_R为脉冲在激光腔(包括线宽压窄模块)内的往返次数，λ为激光波长。

对于大多数的棱镜扩束系统，一般采用角度优化设计的直角棱镜，使得出射光束与直角面垂直(如图3)。这样设计的直角棱镜具有最大扩束的倍数[公开文献有发表，参见如张海波，袁志军，周军等，窄线宽准分子激光腔内棱镜扩束器的优化设计，中国激光，2011，38(11):47-52]。

单个直角棱镜的扩束倍数

此时入射斜面的折射角φ为常数，等于棱镜的顶角(φ＝α＝const.，如图3)。多个直角棱镜组成的总扩束倍数 $M={M_i}^N={\left(\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\θ}}\right)}^N,$

代入(1)式， $\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}}{2{\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}}{\cos \mathrm{\θ}}\right)}^N\tan \mathrm{\γ}\sqrt{N_R}}\mathrm{\λ}---\left(2\right)$

若入射角θ改变一个很小的角度dθ，引起线宽值的改变量为

$d\left(\mathrm{\Δ\λ}\right)=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}}{a\tan \mathrm{\γ}\sqrt{N_R}}\mathrm{\λ}\·d{\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\α}}\right)}^N=\frac{-N\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{div}}}{2\tan \mathrm{\γ}\sqrt{N_R}}\mathrm{\λ}\·{\left(\frac{\cos \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\α}}\right)}^N\mathrm{tg\θd\θ}---\left(3\right)$

所以在其他参量不变的情况下，对线宽的微调可以通过微调棱镜平台与光束的夹角，从而改变扩束倍数来实现。如本专利公开的方法所示。

在具体实施中实际操作的步骤为：先转动角度调节旋钮，微调棱镜平台与光束的夹角至θ+dθ，然后微调光栅与扩束激光的角度至γ（线宽压窄模块中光栅都具备这样的高精度调谐功能），以保持γ和波长λ为常数。这时的激光线宽Δλ相对原值变为Δλ+d(Δλ)。

Claims (2)

1.一种棱镜扩束装置，其特征在于：该装置由棱镜(1)、棱镜压板(2)、棱镜平台(3)、旋转台(4)和平台支杆(5)组成，上述各部分的位置关系如下：

所述的棱镜(1)通过棱镜压板(2)固定在所述的棱镜平台(3)上；

所述的棱镜平台(3)由顶板(6)、底板(7)、拉簧(8)、三个位移微调旋钮(9)组成，所述的顶板(6)和底板(7)通过拉簧(8)和处于直角三角形三个顶点的分立的位移微调旋钮(9)连接；

所述的旋转台（4）由转轴(10)、底座(11)、角度调节旋钮(12)、角度锁定旋钮(13)组成，转动所述的角度调节旋钮(12)，底座(11)绕所述的转轴(10)旋转，角度锁定旋钮(13)实现光束与棱镜平台(3)角度的锁定，所述的棱镜平台（3）的底板(7)固定在所述的转轴(10)的顶端；

所述的平台支杆(5)与旋转台(4)的底座(11)相固定，所述的平台支杆(5)具有高度调节机构。

2.根据权利要求1所述的棱镜扩束装置，其特征在于所述的棱镜(1)为直角棱镜，数目为3个或者4个，按照一定的入射角依次摆放，通过棱镜压条(2)固定在棱镜平台(3)上，对激光起扩束作用。

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