CN104242030B - 一种采用mopa结构的气体激光器放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用MOPA结构的气体激光器放大系统，包括主振荡腔(MO)、功率放大腔(PA)、线宽压窄模块(LNM)、输出耦合器(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)，气体激光器放大系统还包括第三反射镜(6)和第四反射镜(7)，经由输出耦合器(1)从主振荡腔(MO)输出的种子光由第一反射镜(4)和第二反射镜(5)反射入功率放大腔(PA)中；第三反射镜(6)和第四反射镜(7)分别位于功率放大腔(PA)的外部的两端，并使其反射面垂直于功率放大腔(PA)的长度方向；进入功率放大腔(PA)的种子光在第三反射镜(6)和第四反射镜(7)间多次反射，从第三反射镜(6)的缺口处输出。本发明性能稳定、成本低廉且光路易于调整。

Description

一种采用MOPA结构的气体激光器放大系统

技术领域

本发明涉及一种采用MOPA结构的气体激光器放大系统，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的种子光，注入到放大腔进行能量放大，输出大能量脉冲激光，从而得到窄线宽、大功率的优质激光束。

气体激光器放大系统最先采用的是MOPA(Master oscillator power amplifier)结构。如图1所示，传统的MOPA结构的激光器放大系统包括主振荡腔MO、功率放大腔PA、线宽压窄模块LNM、输出耦合器1、四角棱镜P1和若干反射镜(反射镜4、5)。

主振荡腔(MO)用于产生种子光，线宽压窄模块(LNM)用于线宽压窄和波长调节，输出耦合器(1)用于与线宽压窄模块(LNM)构成激光器谐振腔，可见，MOPA结构的气体激光器放大系统就是将主振荡腔MO获得的小能量且窄线宽的优质种子光，在功率放大腔PA中进行一次或者两次的放大，从而得到窄线宽、大功率的优质激光输出。

在MOPA结构的气体激光器放大系统中，由于种子光只有两次通过功率放大腔PA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主振荡腔MO需要输出约1mJ的优质种子光传递到功率放大腔PA，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腔获得更高的能量输出，然而这种大能量的放电激励会导致主振荡腔MO的寿命明显偏低。另外，从功率放大腔PA获得的放大后的激光输出受到主振荡腔MO和功率放大腔PA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。

传统的MOPA结构的气体激光器放大系统的功率放大腔PA中采用了一个四角棱镜，该棱镜成本非常高，加工难度大，并且其光路调整难度很高。

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是现有的MOPA结构的气体激光器放大系统输出稳定性不高、元件成本高、加工难度大和光路不易调整的问题。

(二)技术方案

本发明提出一种采用MOPA结构的气体激光器放大系统，包括主振荡腔、功率放大腔、线宽压窄模块、输出耦合器、第一反射镜、第二反射镜，其特征在于：所述气体激光器放大系统还包括第三反射镜和第四反射镜，其中，经由所述输出耦合器从所述主振荡腔)输出的种子光由第一反射镜和第二反射镜反射入所述功率放大腔中；所述第三反射镜和第四反射镜分别位于所述功率放大腔的外部的两端，并使其反射面垂直于所述功率放大腔的长度方向；所述进入功率放大腔的种子光在所述第三反射镜和第四反射镜间多次反射，从所述第三反射镜的缺口处输出。

根据本发明的具体实施方式，所述第二反射镜的法线与功率放大腔的长度方向所成的角度为为45°～46°之间。

根据本发明的具体实施方式，所述第一反射镜与第二反射镜均为45°全反镜。

根据本发明的具体实施方式，所述第三反射镜与第四反射镜均为0°全反镜。

根据本发明的具体实施方式，还包括柱面镜和凹面镜，从所述输出耦合器输出的种子光依次经过柱面镜和凹面镜后入射到所述第一反射镜。

根据本发明的具体实施方式，所述柱面镜及凹面镜共焦，以使从所述凹面镜的出射光为平行光。

(三)有益效果

本发明提出的MOPA结构，采用的是多程功率放大，其显著特点是种子光首先经过整形后注入放大腔，在放大腔中停留时间长，且放大腔工作在饱和状态，因此效率更高、能量更大且输出更稳定，并且不需要主振荡腔的输出很高的能量。

本发明效率高、输出能量大、输出能量稳定、输出脉宽宽，并且该结构对种子光进行了整形，大幅减小了种子光的尺寸，经过功率放大腔的多程放大以后，输出光斑具有与种子光相当的尺寸，在获得大能量激光输出的同时大幅提高了输出光的能量密度。

本发明用平面反射镜替代传统方案光路中加工及调整难度非常大的四角棱镜，使得光路更为简洁，光路调整难度更低，同时降低了整体结构的成本及维修成本。

附图说明

图1为现有技术的采用两次放大技术的传统MOPA结构的气体激光器放大系统的光路图；

图2为本发明的采用四次放大技术的MOPA结构的气体激光器放大系统的光路图；

图3为本发明的采用六次放大技术的MOPA结构的气体激光器放大系统的光路图；

图4为本发明的采用八次放大技术的MOPA结构的气体激光器放大系统的光路图。

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，本发明提出了一种改进的采用MOPA结构的激光器放大系统。

图2为本发明的采用四次放大技术的MOPA结构的气体激光器放大系统的一个实施例的光路图。如图2所示，该实施例的气体激光器放大系统除了包括主振荡腔MO、功率放大腔PA、线宽压窄模块LNM、输出耦合器1、第一反射镜4和第二反射镜5之外，还包括柱面镜2、凹面镜3，以及第三反射镜6和第四反射镜7。各反射镜均优选为全反射镜。该实施例中的第一反射镜4与第二反射镜5均为45°全反镜，第三反射镜6与第四反射镜7均为0°全反镜。并且，第三反射镜6和第四反射镜7分别位于功率放大腔PA的外部的两端，并使其反射面垂直于功率放大腔的长度方向(光入射端和输出端的连线方向)。

经由输出耦合器1从主振荡腔MO输出的种子光依次经过柱面镜2和凹面镜3后由第一反射镜4和第二反射镜5反射入功率放大腔PA中。与图1所示的传统的激光器放大系统相比，本发明首先对主振荡腔MO输出的种子光进行整形，整形前主振荡腔MO输出的种子光为矩形，其长宽比较大，一般为5左右。本发明中，从主振荡腔MO的输出耦合器1输出的种子光首先经过一个柱面镜2，对其长方向进行聚焦，然后经过一个凹面镜3进行准直，柱面镜2及凹面镜3共焦，从而满足从凹面镜3的出射光为平行光。通过选择柱面镜2及凹面镜3的焦距，可以满足经过二者整形后的光斑为一个与原种子光宽度方向尺寸相同的正方形光斑，从而大大减小了种子光的尺寸。

经过整形后的种子光，经过第一反射镜4与第二反射镜5的反射后进入功率放大腔PA，其中第一反射镜4的法线与光轴成45°角，第二反射镜5的法线与功率放大腔PA的长度方向所成的角度为略大于45°，优选为45°～46°，例如该实施例中为45.7°角，这样进入功率放大腔PA的种子光就会以一个很小的入射角(优选小于1°)在两个竖直放置的作为0°高反镜的第三反射镜6和第四反射镜7间多次反射，然后从第三反射镜6的缺口处得到激光输出。

图3和图4分别显示了另外两个实施例的激光器放大系统的光路图。与图2不同的是，图3和图4所示的实施例中，第二反射镜5的角度进行了微小的调整，第二反射镜5的法线与PA腔长度方向的角度分别为45.6°角和45.5°角。

如图2、3、4所示，通过微调反射镜5的俯仰角可以使种子光在功率放大腔PA内分别获得四次、六次、八次放大。图2、3、4中的黑线代表的是激光的实际尺寸，可以看出，输出的激光尺寸没有明显展宽，几乎与整形后的种子光的尺寸相同，因此在提高了输出能量的同时大幅提高了输出光的能量密度。

本发明中调整反射镜5的俯仰角度，可以改变整形后的种子光进入功率放大腔PA后传到反射镜7的入射角，通过入射角的改变，可以调整种子光在功率放大腔PA中的传播次数。因此与传统的MOPA结构相比，本发明中种子光在功率放大腔PA中获得的放大次数大大增加，并且通过调整反射镜5的俯仰可以控制种子光在功率放大腔PA中的反射次数，从而获得不同能量水平的激光输出。由于种子光在功率放大腔PA中的反射次数的增加，可以使其获得足够的放大从而使输出光的能量稳定性有显著提高，并且输出光的脉冲宽度也相应展宽。由于本发明中反射镜6、7构成谐振腔取代了传统MOPA结构中的加工及调整难度非常大、成本非常高的四角棱镜，从而使得本发明所涉及的改进后的光路更为简洁，光路调整难度更低，同时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 (3)

1.一种采用MOPA结构的气体激光器放大系统，包括主振荡腔(MO)、功率放大腔(PA)、线宽压窄模块(LNM)、输出耦合器(1)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)，其特征在于：所述气体激光器放大系统还包括柱面镜(2)、凹面镜(3)、第三反射镜(6)和第四反射镜(7)，其中，

经由所述输出耦合器(1)从所述主振荡腔(MO)输出的种子光依次经过柱面镜(2)和凹面镜(3)后入射到所述第一反射镜(4)，由第一反射镜(4)和第二反射镜(5)反射入所述功率放大腔(PA)中；

所述第三反射镜(6)和第四反射镜(7)分别位于所述功率放大腔(PA)的外部的两端，并使其反射面垂直于所述功率放大腔(PA)的长度方向；

进入功率放大腔(PA)的种子光在所述第三反射镜(6)和第四反射镜(7)间多次反射，从所述第三反射镜(6)的缺口处输出；所述第二反射镜(5)的法线与所述功率放大腔(PA)的长度方向所成的角度为45°～46°；

所述柱面镜(2)及凹面镜(3)共焦，以使从所述凹面镜(3)的出射光为平行光。

2.根据权利要求1所述的气体激光器放大系统，其特征在于，所述第一反射镜(4)与第二反射镜(5)均为45°全反镜。

3.根据权利要求1所述的气体激光器放大系统，其特征在于，所述第三反射镜(6)与第四反射镜(7)均为0°全反镜。