CN105071202B - 一种一体化气体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化气体激光器，气体激光器的腔体(1)的两端的外侧分别具有一个腔镜调节装置(8)，该两个腔镜调节装置8分别用于固定和保持输出耦合镜(4)和全反射镜(6)，并分别将两个布儒斯特窗(5)中的一个包裹在内；腔镜调节装置(8)与腔体(1)密封连接，以使输出耦合镜(4)与腔体(1)之间，以及全反射镜(6)与腔体(1)之间均形成密闭空间。本发明能排除空气中的水蒸气对镜片材料的潮解，避免空气中的粉尘粘附于镜片表面，使激光器的结构更紧凑，输出激光能量的稳定性更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种一体化气体激光器，尤其适用于需要安装布儒斯特窗的准分子气体激光器。
背景技术
准分子激光器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。作为光刻光源要求准分子激光器具有很高的偏振度，一般要求大于95％。因此准分子激光器的腔体两端都装有一个布儒斯特窗，从而达到输出光具有高偏振特性的目的。准分子激光器的布儒斯特窗除了有选择输出光偏振的目的外，还有密封激光器腔体的作用。因此布儒斯特窗的一侧与腔体内的工作气体接触，而另一侧则暴露于空气之中。以ArF准分子激光器为例，其布儒斯特窗的材料为CaF2，并且对其纯度的要求极高，以防止产生色心现象导致输出光能量下降及稳定性降低。而该材料暴露于空气之中，空气中的水蒸气很容易使之潮解并且空气中的粉尘极易粘附其表面，当有激光通过时，就会造成激光透过率大幅衰减，并且严重破坏材料的表面，使激光器无法正常工作。因此暴露于空气中的布儒斯特窗的使用寿命会大幅缩短。
由于高纯度CaF2材料的成本非常高，所以提高其使用寿命就成为降低准分子激光器使用成本的关键。另外准分子激光处于紫外波段，空气对其有很强的吸收，尤其是布儒斯特窗与激光器的输出耦合镜及全反射镜之间的空气吸收损耗属于腔内损耗，会大幅降低激光器的输出能量。此外，激光器的输出耦合镜与全反射镜的材料也为高纯度的CaF2，因此如果暴露于空气中也会大幅衰减其使用寿命。
图1为一个典型的准分子激光器的结构示意图。图中，1为激光器的腔体，由于其为气体激光器，因此腔体内充有一定气压及相应配比的工作气体。2、3分别为准分子激光器的阴极和阳极，常用的准分子激光器一般采用放电激励的方式，当几万伏的高压加到准分子激光器的电极上时，电极间的工作气体就会被电离而放电，从而作为激光器的增益介质为通过该区域的激光提供增益。4为准分子激光器的输出耦合镜，6为准分子激光器的全反射镜，7为输出耦合镜4与全反射镜6的支架，全反射镜6和输出耦合镜4作为谐振腔的腔镜为谐振腔提供反馈。5为准分子激光器的布儒斯特窗，腔体的两端各设置一个，通过这两个布儒斯特窗的选偏作用，可以使输出光的偏振度大于95％。
如图1所示，布儒斯特窗5的外表面、输出耦合镜4及全反射镜6都是暴露在空气中的。如前所述提高布儒斯特窗5使用寿命就成为降低准分子激光器使用成本的关键。另外准分子激光处于紫外波段，空气对其有很强的吸收，尤其是图1所示的布儒斯特窗5与激光器的输出耦合镜4及全反射镜6之间是空气环境，空气的吸收损耗属于腔内损耗，会大幅降低激光器的输出能量。另外图1所示的激光器腔体1、输出耦合镜4及全反射镜6是三个独立的个体。其中任何一个个体的位置发生微小的改变都会导致激光器的谐振光路偏离其最佳的状态，从而导致激光器输出光能量下降及光束质量变差。如果激光器腔体1相对位置或者相对高度发生改变，那么输出耦合镜4及全反射镜6的位置及高度就要重新进行调整，从而给激光器的实用性带来麻烦。输出耦合镜4及全反射镜6的支架7是通过磁性底座吸在放置腔体1的平台上，而产品化的激光器平台一般采用铝材料，因为铝材料质量轻且成本低。但是磁性底座无法吸附在铝材料上，因此会给输出耦合镜4及全反射镜6的支架7的固定带来麻烦。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在消除空气中的水蒸气对高纯度CaF2材料制成的光学元件的潮解，同时避免空气中的粉尘粘附于高纯度CaF2材料的表面造成透过率下降及表面损伤。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种一体化气体激光器，包括作为放电腔的腔体、位于放电腔的两端并作为放电腔激光输出窗口的两个布儒斯特窗，以及位于放电腔两端的外侧，用于接收从所述布儒斯特窗出射的激光的输出耦合镜和全反射镜，所述气体激光器的腔体的两端的外侧分别具有一个腔镜调节装置，该两个腔镜调节装置分别用于固定和保持输出耦合镜和全反射镜，并分别将所述两个布儒斯特窗中的一个包裹在内；并且所述腔镜调节装置与所述腔体密封连接，以使所述输出耦合镜与腔体之间，以及所述全反射镜与腔体之间均形成密闭空间。
根据本发明的优选实施方式，所述腔镜调节装置通过波纹管的法兰与所述腔体连接。
根据本发明的优选实施方式，所述腔镜调节装置包括波纹管、外壳，其中，所述外壳是一个两端开口的筒体，该筒体的一个开口端与激光器的腔体固定，另一个开口端可供所述波纹管沿其轴向伸入；所述波纹管部分伸入所述外壳的筒体，该筒体的供波纹管伸入的开口端与所述波纹管密封连接；所述输出耦合镜固定在所述波纹管的伸入外壳的一端的底面上并与该底面实现密封连接。
根据本发明的优选实施方式，所述腔镜调节装置还包括调节螺母，所述波纹管露出于筒体外部的部分具有一个径向向外凸出的外缘，该外缘上具有通孔以供所述调节螺母穿过；所述调节螺母穿入所述外缘上的通孔并顶抵所述外壳的伸入波纹管一侧的开口端的底面的外壁。
根据本发明的优选实施方式，所述调节螺母具有4个，它们且呈十字交叉分布。
根据本发明的优选实施方式，所述密闭空间中抽成真空。
根据本发明的优选实施方式，所述密闭空间中充入非氧化性气体。
(三)有益效果
与传统的激光器结构及腔镜支架相比，本发明所采用的一体化激光器结构既能排除空气中的水蒸气对高纯度CaF2材料的潮解，又能避免空气中的粉尘粘附于高纯度CaF2材料的表面造成透过率下降及表面损伤。同时腔镜调节装置内的氮气或者真空环境避免了腔内的空气吸收损耗，保证激光器的输出功率不会因此而衰减。该腔镜调节装置与传统的腔镜支架相比，大大提高了激光器的实用性，使激光器的结构更紧凑，激光器输出激光能量的稳定性更高。
附图说明
图1为现有的准分子激光器的结构示意图；
图2为本发明采用的一体化准分子激光器的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例的波纹管式腔镜调节装置的剖面图。
具体实施方式
针对高纯度的CaF2材料在使用过程中存在的上述问题，本发明提出了一种一体化气体激光器。总体来说，本发明采用一种新颖的波纹管式的腔镜调节装置取代传统的腔镜支架。该调节装置可以通过波纹管的法兰与激光器的腔体相连，把激光器的布儒斯特窗置于调节装置内通过密封圈实现密封，从而使激光器的全反射镜和输出耦合镜与激光器腔体相连构成一个一体化的激光器结构。
该结构的特点是实现了布儒斯特窗以及全反射镜和输出耦合镜的一个表面与空气的隔离。此外调节装置可以配置一个进气阀门和一个出气阀门，通过该阀门可以将密封好的腔镜调节装置抽成真空，以提供一个真空环境，或者冲入氮气以提供一个氮气环境。由此既能排除空气中的水蒸气对高纯度CaF2材料的潮解，又能避免空气中的粉尘粘附于高纯度的CaF2材料的表面造成透过率下降及表面损伤。同时，腔镜调节装置内的氮气或者真空环境避免了腔内的空气吸收损耗，保证激光器的输出功率不会因此而衰减。最后该腔镜调节装置与传统的腔镜支架相比，大大提高了激光器的实用性，使激光器的结构更紧凑，避免了传统的腔镜支架因振动而造成的输出激光能量不稳定。
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2为本发明所采用的一体化准分子激光器的结构示意图。与图1所示的典型的准分子激光器的结构相比，本发明的激光器的腔体的两端的外侧分别具有波纹管式的腔镜调节装置8，其用于取代传统的腔镜支架7。两个腔镜调节装置8分别用于固定和保持输出耦合镜4和全反射镜6，并分别将所述两个布儒斯特窗5中的一个包裹在内。腔镜调节装置8与腔体1密封连接，以使输出耦合镜4与腔体1之间，以及全反射镜6与腔体1之间均形成密闭空间。该腔镜调节装置8可以通过波纹管的法兰与激光器的腔体1相连，把激光器的布儒斯特窗5置于该腔镜调节装置内可通过密封圈实现密封。从而使激光器的全反射镜6和输出耦合镜4与激光器腔体1相连构成一个一体化的激光器结构。因此实现了布儒斯特窗5以及全反射镜6和输出耦合镜4的一个表面与空气的隔离。此外腔镜调节装置8可以配置一个进气阀门和一个出气阀门(图中未示出)，通过所述阀门可以将密封好的腔镜调节装置8抽成真空，以提供一个真空环境，或者冲入氮气以提供一个氮气环境。
图3为本发明的一个实施例的波纹管式腔镜调节装置的剖面图。该实施例中，腔镜调节装置8包括波纹管13、外壳14和调节螺母11。外壳11是一个两端开口的筒体，筒体的一个开口端与激光器的腔体1进行固定，另一个开口端可供波纹管13沿其轴向伸入，波纹管13并不全部伸入筒体，而是部分露出于筒体的外部。筒体的供波纹管13伸入的开口端与波纹管13连接，且该开口端与波纹管13的连接区域实现密封。所述输出耦合镜4固定在所述波纹管13的伸入外壳14一端的底面上并与该底面实现密封连接。波纹管13露出于筒体外部的部分具有一个径向向外凸出的外缘10，该外缘10上具有通孔以供调节螺母11穿过。调节螺母11穿入所述外缘10上的通孔并顶抵所述外壳14的伸入波纹管一侧的开口端的底面的外壁。这样，当转动调节螺母时，能够改变波纹管13的形变量，使波纹管13相对于外壳14进行微小的倾斜，由此微调安装于波纹管13上的输出耦合镜4的方向。
如图3所示，在该实施例中，调节螺母11具有4个，它们且呈十字交叉分布。这样，通过任意一个调节螺母都可以改变波纹管13的形变量，这样就可以按照使用者的需要对输出耦合镜4的角度进行调节。并且，在该实施例中，通过固定螺母19将波纹管13和调节装置外壳14连接为一体并固定。
此外，为了实现外壳14与波纹管13之间的密封，以及实现波纹管13与输出耦合镜4之间的密封，分别在实外壳14与波纹管13之间、波纹管13与输出耦合镜4之间设置第一密封圈12和第二密封圈16。
如图3所示，该实施例的该腔镜调节装置8通过通孔15由螺丝与激光器的腔体1固定。
由此可知，本发明通过一体化设计，既能排除空气中的水蒸气对布儒斯特窗5以及全反射镜6和输出耦合镜4的潮解，又能避免空气中的粉尘粘附于布儒斯特窗5以及全反射镜6和输出耦合镜4的表面造成透过率下降及表面损伤。同时腔镜调节装置8内的氮气或者真空环境避免了腔内的空气吸收损耗，保证激光器的输出功率不会因此而衰减。
由于腔镜调节装置8跟激光器腔体1直接相连，就不存在传统腔镜支架的磁性底座无法吸附在铝材料上的问题。并且，如果激光器的相对位置或者相对高度发生改变，无需再对输出耦合镜和全反射镜的相对位置做出任何调整，大大提高了激光器的实用性。同时避免了传统的腔镜支架7因振动而造成的输出激光能量不稳定，此外也使得激光器的结构更为紧凑。
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 (5)
1.一种一体化气体激光器，包括作为放电腔的腔体(1)、位于放电腔的两端并作为放电腔激光输出窗口的两个布儒斯特窗(5)，以及位于放电腔两端的外侧，用于接收从所述布儒斯特窗(5)出射的激光的输出耦合镜(4)和全反射镜(6)，其特征在于，
所述气体激光器的腔体(1)的两端的外侧分别具有一个腔镜调节装置(8)，该两个腔镜调节装置(8)分别用于固定和保持输出耦合镜(4)和全反射镜(6)，并分别将所述两个布儒斯特窗(5)中的一个包裹在内；并且
所述腔镜调节装置(8)与所述腔体(1)密封连接，以使所述输出耦合镜(4)与腔体(1)之间，以及所述全反射镜(6)与腔体(1)之间均形成密闭空间；所述腔镜调节装置(8)包括波纹管(13)、外壳(14)，其中，
所述外壳(14)是一个两端开口的筒体，该筒体的一个开口端与激光器的腔体(1)固定，另一个开口端可供所述波纹管(13)沿其轴向伸入；
所述波纹管(13)部分伸入所述外壳(14)的筒体，该筒体的供波纹管(13)伸入的开口端与所述波纹管(13)密封连接；
所述输出耦合镜(4)固定在所述波纹管(13)的伸入外壳(14)的一端的底面上并与该底面实现密封连接。
2.如权利要求1所述的一体化气体激光器，其特征在于，所述腔镜调节装置(8)还包括调节螺母(11)，所述波纹管(13)露出于筒体外部的部分具有一个径向向外凸出的外缘(10)，该外缘(10)上具有通孔以供所述调节螺母(11)穿过；
所述调节螺母(11)穿入所述外缘(10)上的通孔并顶抵所述外壳(14)的伸入波纹管一侧的开口端的底面的外壁。
3.如权利要求2所述的一体化气体激光器，其特征在于，所述调节螺母(11)具有4个，它们且呈十字交叉分布。
4.如权利要求1所述的一体化气体激光器，其特征在于，所述密闭空间中抽成真空。
5.如权利要求1所述的一体化气体激光器，其特征在于，所述密闭空间中充入非氧化性气体。
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