CN105048262B - 一种改进谐振腔的窄线宽准分子激光器 - Google Patents

一种改进谐振腔的窄线宽准分子激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种准分子激光器，包括放电腔，该放电腔具有两个相对的出射端，其中一个出射端放置全反镜，另一个出射端沿光路依次放置棱镜和光栅，该激光器的谐振腔由所述全反镜和所述光栅之间的光路上的光学元件构成，该谐振腔的输出位于所述棱镜的表面反射处。所述放电腔的两端放置可分别放置一个狭缝，放电腔出射的激光通过所述狭缝出射。还可包括标准具，其位于所述谐振腔的输出光路上或位于谐振腔光路中。本发明不仅可以实现准分子激光器窄线宽的输出，还可以提高输出激光的能量及稳定性。且本发明结构简单，有利于降低成本且调谐方便。

Description

一种改进谐振腔的窄线宽准分子激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种可以输出窄线宽大能量激光的改进谐振腔的激光器。
背景技术
应用领域的开拓推动着准分子激光技术的发展。准分子激光器常用于大规模集成电路制造的主要设备光刻机的光源，随着大规模集成电路更高集成度、更低成本等多方面需求的提高，对作为光刻光源的准分子激光器的性能也提出了更高的要求，要求准分子激光具有窄线宽、大能量的激光输出。利用传统的线宽压窄模块，通常以牺牲能量为代价，获得窄线宽的激光输出。为了得到较高能量的输出，需要设计一种结构获得窄线宽激光输出的同时，提高激光能量及其稳定性，以获得满足实际光刻需求的准分子激光。
针对某种特殊需要的准分子激光器，要求其输出的准分子激光同时具有大能量和窄线宽的特性，但是，利用传统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。
图7为传统的准分子激光器线宽压窄谐振腔的结构示意图。传统的准分子激光器线宽压窄模块是利用棱镜光栅来进行光谱控制的技术，如图7所示，71为放电腔，74为Littrow光栅。经过线宽压窄的激光通过具有部分反射率(PR)的输出耦合镜72输出，这种结构中，从棱镜73表面反射的光会损失掉，不利于高能量激光的输出。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明解决的技术问题是在线宽不变的前提下提高激光效率与输出能量，即在达到窄线宽激光输出的同时，如何提高输出能量及稳定性。
(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，包括放电腔，该放电腔具有两个相对的出射端，其中一个出射端放置全反镜，另一个出射端沿光路依次放置棱镜和光栅，该激光器的谐振腔由所述全反镜和所述光栅之间的光路上的光学元件构成，该谐振腔的输出位于所述棱镜的表面反射处。
根据本发明的一种实施方式，所述全反镜为高反镜。
根据本发明的一种实施方式，所述放电腔的两端放置分别放置一个狭缝，放电腔出射的激光通过所述狭缝出射。
根据本发明的一种实施方式，还包括标准具，其位于所述谐振腔的输出光路上。
根据本发明的一种实施方式，还包括标准具，该标准具位于谐振腔光路中。
根据本发明的一种实施方式，所述标准器位于所述棱镜和所述光栅之间。
根据本发明的一种实施方式，光束在所述棱镜上的入射角为72°～76°。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明不仅可以实现准分子激光器窄线宽的输出，还可以提高输出激光的能量及稳定性。本发明结构简单，有利于降低成本且调谐方便。
附图说明
图1为本发明的窄线宽准分子激光器的第一实施例的谐振腔结构示意图；
图2为本发明的窄线宽准分子激光器的第二实施例的谐振腔结构示意图；
图3为本发明的窄线宽准分子激光器的第三实施例的谐振腔结构示意图；
图4为本发明的窄线宽准分子激光器的第四实施例的谐振腔结构示意图；
图5为本发明的窄线宽准分子激光器的第五实施例的谐振腔结构示意图；
图6为本发明的窄线宽准分子激光器的第六实施例的谐振腔结构示意图；
图7为传统的准分子激光器线宽压窄谐振腔的结构示意图。
具体实施方式
本发明为了克服现有技术的缺点和不足，针对于气体激光器，特别是准分子激光器，提高激光效率与输出功率，在线宽不变的前提下，提高输出激光的能量，最终可以获得高能量、窄线宽的激光输出。
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。
图1为本发明的窄线宽准分子激光器的第一实施例的谐振腔结构示意图。如图1所示，放电腔1具有两个相对的出射端，其中一个出射端放置全反镜2，另一个出射端沿光路依次放置棱镜3和光栅4。对于准分子激光器的放电腔1在泵浦条件下会产生紫外激光，此时，激光器的谐振腔由全反镜2和光栅4之间的光路上的光学元件构成，而谐振腔的输出位于棱镜3的表面反射处。
在该实施例中，全反镜2为高反镜(HR)，高反镜是一种具有极高反射率的平面透镜，反射率通常大于90％。棱镜3用于对激光腔出射的激光进行扩束及反射，棱镜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可以是等腰直角棱镜或具有特殊角度的棱镜，如顶角为39°～45°的棱镜。光束在棱镜3上的入射角需要严格设计，入射角度影响棱镜的扩束倍数其中，M1、M2、M3分别为第一块、第二块、第三块棱镜的扩束倍数，i1、i′1分别为第一块块棱镜的入射角及出射角，i2、i′2分别为第二块棱镜的入射角及出射角，扩束倍数进而会导致输出激光线宽的变化；另一方面，光束的在棱镜中的透过率以及棱镜表面的反射率与入射角有关：
上式中，Tp表示P偏振光的透过率，表示P偏振光透射的光强，表示入射光中P偏振光的光强，n1表示入射光所在介质的折射率，θ1表示入射角，n2表示光入射到的介质的折射率，θ2表示折射角。
可见，入射角越大，透过率越小，扩束倍数越大，棱镜表面的反射率也越大。因此，光束在棱镜上的入射角是在线宽和输出激光能量权衡之后的计算结果，通过计算设计的角度大概为72°～76°。光栅4是Littrow光栅，且是一个中阶梯光栅，可以实现对光束的色散。
本发明的窄线宽准分子激光器谐振腔结构设计的本质是设计了一个获得窄线宽输出的同时，利用了棱镜表面激光反射损耗的输出能量的机制，针对某些应用中，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。
根据常用的线宽压窄模块的工作原理可知，利用图1中所示的由扩束棱镜3和光栅4构成的线宽压窄模块可以实现对准分子激光器的窄线宽输出。线宽压窄的过程是这样的：放电腔内的荧光在全反镜2和光栅4之间往复振荡产生激光，每次激光入射到棱镜3表面的时候会有一部分的激光输出，另一部分继续通过棱镜光栅的线宽压窄模块，由此相当于棱镜3的表面充当具有一定反射率的输出耦合镜的作用，代替了传统的位于激光腔另一侧的输出耦合镜的作用，同时利用了棱镜表面的反射损耗。当放电腔内的荧光入射到棱镜的斜边时，从直角边出射的光束相对于入射光扩束倍数约为4倍左右，扩束后的光束以光栅4的闪耀角为入射角投射到光栅上，由于光栅4是Littrow自准放置的，从光栅4反射回的发生色散的光原路返回，此时，光栅4和高反镜2之间的光路上的光学元件构成了一个谐振腔，这个谐振腔从棱镜表面输出的激光是窄线宽的激光。
图2为本发明的窄线宽准分子激光器的第二实施例的谐振腔结构示意图。该第二实施例是在激光器放电腔的两端加入了两个狭缝5，狭缝5用于对光束的发散角进行压制，以获得更窄线宽的输出。
本发明采用的线宽压窄机构还可包括棱镜、光栅、标准具等，可以利用多个棱镜配合光栅使用。
图3为本发明的窄线宽准分子激光器的第三实施例的谐振腔结构示意图。如图3所示，利用一个棱镜和光栅组合的线宽压窄模块可以获得0.8pm左右的光谱输出，为了获得更窄线宽激光的输出，在输出端加入了针对输出激光的线宽进行进一步窄化的标准具6，利用标准具6可以实现对激光线宽的进一步窄化，以及中心波长的选择。标准具6会产生一定的能量损失，但这种结构输出的激光线宽和能量都要优于传统的线宽压窄模块谐振腔。
同样，第三实施例的结构基础上进行改进，也可以在激光器放电腔1两端插入两个狭缝5对光束发散角进行控制，可以获得更窄线宽的激光输出，即如图4所示的本发明的第四实施例。
图5为本发明的窄线宽准分子激光器的第五实施例的谐振腔结构示意图。如图5所示，同样利用标准具6对光束进行光谱控制，将标准具6置于棱镜3和光栅4之间，这种结构中，由于标准具6置于谐振腔之内，激光入射到标准具上的能量密度较高，但是这种放置方法的标准具6的设计要求，如自由光谱范围以及精细度系数，相对于第三实施例中的标准具设计要求要低，成本也相对较低。
在第五实施例的结构基础上也可进行改进，即在激光器放电腔两端插入两个狭缝5对光束发散角进行控制，可以获得更窄线宽的激光输出，如图6所示的第六实施例。
本发明的窄线宽准分子激光器谐振腔结构可以提高输出激光的能量，从而提高窄线宽的激光效率。
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 (6)

1.一种准分子激光器，包括放电腔，该放电腔具有两个相对的出射端，其中一个出射端放置全反镜，另一个出射端沿光路依次放置棱镜和光栅，该激光器的谐振腔由所述全反镜和所述光栅之间的光路上的光学元件构成，该谐振腔的输出位于所述棱镜的表面反射处；
其中，光束在棱镜上的入射角度影响棱镜的扩束倍数，进而会导致输出激光线宽的变化，所述扩束倍数为
其中，M1、M2、M3分别为第一块、第二块、第三块棱镜的扩束倍数，i1、i'1分别为第一块棱镜的入射角及出射角，i2、i'2分别为第二块棱镜的入射角及出射角；
另一方面，光束的在棱镜中的透过率以及棱镜表面的反射率与入射角有关：
上式中，Tp表示P偏振光的透过率，表示P偏振光透射的光强，表示入射光中P偏振光的光强，θ1表示入射角，θ2表示折射角；
根据上述线宽和输出激光能量权衡计算得出，光束在所述棱镜上的入射角为72°～76°；所述光栅4是Littrow光栅，且是一个中阶梯光栅。
2.如权利要求1所述的准分子激光器，其特征在于，所述全反镜为高反镜。
3.如权利要求1所述的准分子激光器，其特征在于，所述放电腔的两端放置分别放置一个狭缝，放电腔出射的激光通过所述狭缝出射。
4.如权利要求1至3中任一项所述的准分子激光器，其特征在于，还包括标准具，其位于所述谐振腔的输出光路上。
5.如权利要求1至3中任一项所述的准分子激光器，其特征在于，还包括标准具，该标准具位于谐振腔光路中。
6.如权利要求5所述的准分子激光器，其特征在于，所述标准器具位于所述棱镜和所述光栅之间。
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