CN110098560A - 一种基于精密转台的波长调谐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光技术领域，提供了一种基于精密转台的波长调谐装置，该装置包括：狭缝、棱镜扩束模块、精密转台以及设于该精密转台上的高反射镜、衍射光栅；其中，激光束经狭缝后至棱镜扩束模块进行一维扩束，以形成扩束激光束；扩束激光束经高反射镜进行反射，以形成反射光束；该反射光束以衍射光栅的闪耀角入射到光栅上进行衍射，以形成与反射光束反向重合的衍射光束；该衍射光束依次经过高反射镜、棱镜扩束模块和狭缝后射出。本发明提供的波长调谐装置通过转动高反射镜实现对激光的中心波长进行调谐，操作简单、调谐精度高；同时，该装置避免了转动光栅所带来的湍流对激光光谱的影响以及转动棱镜可能会降低激光效率的问题。

Description

一种基于精密转台的波长调谐装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，更具体而言，涉及一种基于精密转台的波长调谐装置。
背景技术
在高端光刻领域，高重频准分子激光因其高重频、窄线宽和大能量的特点，是目前半导体光刻领域应用的占绝对主导地位的光源。在光刻应用中不仅根据需求要实现激光波长的精确可调谐输出，同时，为了提高激光输出中心波长的稳定性，需要有振动、温度变化等引起的波长漂移进行反馈控制，通过闭环控制调谐激光波长长时间的动态稳定性。因为调谐精度需要达到0.01pm量级，所以对调谐的精度和响应速度要求极高。
对此，一般采用调谐棱镜或光栅的方式调谐激光波长。然而调谐棱镜需要多块棱镜同时调谐，同步控制难度大，而且波长调谐范围大时棱镜扩束器的出射光斑方向的偏向角增大，影响激光入射到光栅的位置，进而降低激光的效率。另一方面，转动光栅调谐激光波长是比较直接的方式，但是对激光光谱的影响极大，转动过程中产生的气动扰动或清洁气流的变化均会恶化激光光谱的带宽，以及光谱波形和对称性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种在棱镜扩束模块和光栅之间增加高反射镜，高反射镜设于精密转台上，通过转动高反射镜来实现对激光的中心波长进行调谐的技术方案。
本发明的目的可通过以下技术措施来实现：
本发明提供了一种基于精密转台的波长调谐装置，该装置包括：
狭缝，用于截取激光束的中心部分以有效控制光束发散角；
棱镜扩束模块，激光束经所述狭缝后至所述棱镜扩束模块进行一维扩束，以形成扩束激光束；
精密转台以及设于所述精密转台上的高反射镜，所述高反射镜用于对所述扩束激光束进行反射，以形成反射光束；所述高反射镜随着所述精密转台转动，以调整所述扩束激光束的入射角度；
与所述反射光束组成littrow结构的衍射光栅，对所述反射光束进行衍射，以形成衍射光束；
其中，所述衍射光束依次经过所述高反射镜、所述棱镜扩束模块和所述狭缝后射出。
优选地，所述高反射镜反射面的中心轴线与所述精密转台的转轴重合。
优选地，所述扩束激光束的光斑入射到所述高反射镜的中心位置。
优选地，所述精密转台的转动精度小于等于0.1μrad。
更优选地，所述精密转台为PZT纳米转台。
优选地，所述衍射光栅为中阶梯光栅。
更优选地，所述中阶梯光栅的闪耀角为71～82°；和/或
所述中阶梯光栅的光栅常数为1/94.13mm。
优选地，所述棱镜扩束模块由多个直角棱镜依次排列组成。
优选地，所述直角棱镜的弦面上镀有增透膜。
优选地，所述装置的波长调谐精度为0.003～0.005pm。
与现有技术相比，本发明提供的波长调谐装置中高反射镜是反射元件，尺寸相对较小，降低了对转台的负载和尺寸要求；通过转动高反射镜实现对激光的中心波长进行调谐，操作简单、调谐精度高；转台回转误差下，便于调谐过程中的驱动和控制，提高调谐的响应时间，提高了激光中心波长动态稳定性；同时，该装置避免了转动光栅所带来的湍流对激光光谱的影响以及转动棱镜可能会降低激光效率的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于精密转台的波长调谐装置示意图。
图中：1、狭缝；2、棱镜扩束模块；3、精密转台；4、高反射镜；5、衍射光栅；6～9、直角棱镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
本发明提供了一种基于精密转台的波长调谐装置，请参阅图1所示，该装置包括狭缝1、棱镜扩束模块2、精密转台3以及设于该精密转台3上的高反射镜4、衍射光栅5，狭缝1用于截取激光束的中心部分以有效控制光束发散角，以对激光的中心波长进行调谐，控制杂散光进入调谐装置，以减少杂散光对调谐装置的影响；且这样有利于控制衍射光栅的尺寸大小，减小装置的尺寸和成本；根据本发明的一些实施方式，狭缝1的宽度为1mm～2mm。激光束经狭缝1后至棱镜扩束模块2进行一维扩束，以形成扩束激光束，该扩束激光束到达高反射镜4后进行反射，以形成反射光束，衍射光栅5与该反射光束组成了littrow结构，也就是说，该反射光束会以衍射光栅5的闪耀角入射，并且满足衍射光栅方程的衍射光束沿原光路返回，即与反射光束反向重合，依次经过高反射镜4、棱镜扩束模块2和狭缝1后射出。
为了提高激光中心波长的调谐精度，在本发明的一些实施方式中，将高反射镜4的反射面的中心轴线与精密转台3的转轴重合，且扩束激光束的光斑入射到高反射镜4的中心位置。
根据本发明的一些实施方式，精密转台3的转动精度小于等于0.1μrad，可以选择本领域中任何合适的精密转台，例如PZT纳米转台，PZT纳米转台包括压电陶瓷驱动器和控制器，能够将转动精度控制在小于等于0.1μrad。
根据本发明的一些实施方式，棱镜扩束模块2由多个直角棱镜依次排列组成，光束依次入射到各个棱镜的弦面并经对应的直角面出射，调整光束入射到棱镜的角度可以调整扩束模块的扩束倍率。同时，为了减小棱镜间的菲涅耳反射形成的光损耗，在直角棱镜上均设有增透膜。在本发明的另一些实施方式中，直角棱镜的个数优选为2～4个，例如在本实施例中，棱镜扩束模块2由4块三棱镜6、7、8、9组成。
根据本发明的一些实施方式，衍射光栅5为中阶梯光栅，其表面需要镀高反膜以减小入射光造成的光电离损伤，该中阶梯光栅的闪耀角为71～82°，光栅常数为1/94.13mm。
在本发明中，经高反射镜反射形成的反射光束与衍射光栅5组成了littrow结构，即该反射光束入射到衍射光栅5上的入射角(即衍射光栅5的闪耀角)与产生的衍射光束的衍射角相等，光栅方程可写为式(1)所示：
2d sinβ＝kλ (1)
其中，d为光栅常数，β为光栅闪耀角，k为衍射级次。对式(1)微分后得到式(2)：
2d cosβdβ＝kdλ (2)
dβ表示精密转台3的转动精度，因此，本发明提供的调谐装置的波长调谐精度为式(3)所示：
根据式(3)，可以预估到该装置的波长调谐精度为0.003～0.005pm。
本申请提供的波长调谐装置中高反射镜是反射元件，尺寸相对较小，降低了对转台的负载和尺寸要求；通过转动高反射镜实现对激光的中心波长进行调谐，操作简单、调谐精度高；转台回转误差下，便于调谐过程中的驱动和控制，提高调谐的响应时间，提高了激光中心波长动态稳定性；同时，该装置避免了转动光栅所带来的湍流对激光光谱的影响以及转动棱镜可能会降低激光效率的问题。
实施例一：
当衍射光栅5的闪耀角β和光栅常数d分别为79°和1/94.13mm时，根据式(1)可算得该光栅在193.4nm波长处的衍射级次k为108；若精密转台3的转动精度为0.1μrad，则根据式(3)可算得该设备的波长调谐精度为0.00375pm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于精密转台的波长调谐装置，其特征在于，包括：
狭缝，用于截取激光束的中心部分以有效控制光束发散角；
棱镜扩束模块，激光束经所述狭缝后至所述棱镜扩束模块进行一维扩束，以形成扩束激光束；
精密转台以及设于所述精密转台上的高反射镜，所述高反射镜用于对所述扩束激光束进行反射，以形成反射光束；所述高反射镜随着所述精密转台转动，以调整所述扩束激光束的入射角度；
与所述反射光束组成littrow结构的衍射光栅，对所述反射光束进行衍射，以形成衍射光束；
其中，所述衍射光束依次经过所述高反射镜、所述棱镜扩束模块和所述狭缝后射出。
2.如权利要求1所述波长调谐装置，其特征在于，所述高反射镜反射面的中心轴线与所述精密转台的转轴重合。
3.如权利要求1所述波长调谐装置，其特征在于，所述扩束激光束的光斑入射到所述高反射镜的中心位置。
4.如权利要求2所述波长调谐装置，其特征在于，所述精密转台的转动精度小于等于0.1μrad。
5.如权利要求4所述波长调谐装置，其特征在于，所述精密转台为PZT纳米转台。
6.如权利要求1所述波长调谐装置，其特征在于，所述衍射光栅为中阶梯光栅。
7.如权利要求6所述波长调谐装置，其特征在于，所述中阶梯光栅的闪耀角为71～82°；和/或
所述中阶梯光栅的光栅常数为1/94.13mm。
8.如权利要求1所述波长调谐装置，其特征在于，所述棱镜扩束模块由多个直角棱镜依次排列组成。
9.如权利要求8所述波长调谐装置，其特征在于，所述直角棱镜的弦面上镀有增透膜。
10.如权利要求1～9中任一项所述波长调谐装置，其特征在于，所述装置的波长调谐精度为0.003～0.005pm。
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