CN110137785B - 一种窄线宽准分子激光系统和线宽压缩并整形的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及准分子激光器技术领域，提供了一种窄线宽准分子激光系统和用于该准分子激光系统的线宽压缩并整形的方法。该系统包括输出耦合镜和激光腔、柔性变焦模块、扩束模块、以及与该扩束模块组成littrow结构的光栅，该方法为先根据准分子激光的波前信息实时调节施加于柔性变焦模块上的驱动值；然后根据该驱动值对准分子激光进行整形和线宽压缩；当准分子激光的波前畸变补偿完成时，停止调节操作并固定驱动值，以得到窄线宽准分子激光。该系统结构简单、控制有效，输出激光的线宽值连续可调；提供的方法操作简单、能够精确补偿高重频激光作用光栅后引起的波前畸变并精确控制线宽值。

Description

一种窄线宽准分子激光系统和线宽压缩并整形的方法
技术领域
本发明涉及准分子激光器技术领域，更具体而言，涉及一种窄线宽准分子激光系统和用于该准分子激光系统的线宽压缩并整形的方法。
背景技术
种子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。光刻光源的线宽会直接影响半导体光刻的特征尺寸，所以在半导体光刻领域对激光线宽的精确控制非常重要。仅仅依靠光学元件的工装精度，很难保证光刻光源输出目标线宽指标的一致性和稳定性。
由于光栅受高重频激光辐照，会产生热形变及光栅前气体介质折射率的不均匀分布，造成波前畸变从而影响光谱线宽。专利US 8259764B2采用给中阶梯光栅施加应力的装置改变光栅衍射光的波前，从而达到微调谱形及线宽的目的。然而该装置结构复杂，且光栅长期受张力处于形变状态，可能影响系统稳定性。除施加应力外，专利CN 201310006315.2采用可调狭缝改变光谱线宽，但同时不可避免地损失激光输出能量。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了一种在系统中增加可改变光束准直性的柔性变焦模块，来补偿高重频激光作用光栅后引起的波前畸变并进一步压缩线宽的技术方案。
本发明的目的可通过以下技术措施来实现：
本发明第一方面提供了一种窄线宽准分子激光系统，包括输出耦合镜和激光腔，还包括：
柔性变焦模块，准分子激光束在激光腔内受到激励，经所述柔性变焦模块整形后形成非平行射出的第一光束；
扩束模块，对所述第一光束进行扩束，以形成第二光束；
与所述扩束模块组成littrow结构的光栅，对所述第二光束进行衍射，以形成与所述第二光束反向重合的衍射光束；其中，所述衍射光束依次经过扩束模块、柔性变焦模块、激光腔和输出耦合镜后输出。
优选地，所述柔性变焦模块包括一个凸透镜和一个凹透镜，所述凸透镜和/或所述凹透镜为柔性变焦透镜。
更优选地，所述柔性变焦透镜的焦距通过压力或电磁驱动改变。
更优选地，所述凸透镜为柱面凸透镜，所述凹透镜为柱面凹透镜。
优选地，所述扩束模块由多个棱镜组成。
更优选地，所述棱镜的数量为2～4个。
优选地，所述光栅为中阶梯光栅。
本发明第二方面提供了一种准分子激光线宽压缩并整形的方法，该方法用于上述窄线宽准分子激光系统，所述方法包括：
根据准分子激光的波前信息实时调节施加于所述柔性变焦模块上的驱动值；
根据所述驱动值对准分子激光进行整形和线宽压缩；
当所述准分子激光的波前畸变补偿完成时，停止调节操作并固定驱动值，以得到窄线宽准分子激光。
优选地，所述波前信息包括光谱谱形和线宽值；和/或
所述驱动值为压力驱动值或电磁驱动值。
优选地，所述“根据所述驱动值对准分子激光进行整形和线宽压缩”包括：
根据所述驱动值对所述准分子激光进行整形得到非平行射出的第一光束；
将所述第一光束进行扩束，并将扩束后得到的第二光束进行衍射得到衍射光束，其中，所述衍射光束与所述第二光束反向重合，所述衍射光束沿原光路返回至所述激光腔，形成窄线宽准分子激光。
与现有技术相比，本发明提供的窄线宽准分子激光系统通过实时微调柔性变焦透镜的焦距，改变入射到光栅上的光束的准直性，补偿了高重频激光作用光栅后引起的波前畸变，得到理想的光谱谱形，同时柔性变焦模块也具有一定的扩束效果，从而进一步地压缩线宽，实现输出更窄线宽的激光；该系统结构简单、控制有效，输出激光的线宽值连续可调。本发明提供的用于该系统的线宽压缩并整形的方法操作简单、能够精确补偿高重频激光作用光栅后引起的波前畸变并精确控制线宽值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种具有线宽压缩和整形功能的准分子激光系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的未施加应力的柔性变焦模块结构示意图。
图3是本发明实施例提供的施加应力后的柔性变焦模块结构示意图。
图4是本发明实施例提供的高重频激光入射到光栅时的发散角变化示意图。
图中：1、柔性变焦模块；2、扩束模块；3、光栅；4、激光腔；5、输出耦合镜；6、理想入射光线；7、高重频激光作用下的入射光线；11、凹透镜；12、凸透镜。
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。
理论上入射到光栅上的扩束激光发散角越小，平行度越好，则光栅的衍射效率越高，光谱线宽也越窄；然而由于高重频激光对光栅的作用导致波前畸变，入射到光栅上的扩束激光的发散角(平行度)会产生一定的变化，如图4中理想入射光线6和高重频激光作用下的入射光线7所示，入射到光栅上的扩束激光的发散角发生了变化，影响了光谱线宽。
因此，本发明提供了一种具有线宽压缩和整形功能的准分子激光系统，通过在系统中增加柔性变焦模块，改变入射到光栅上的扩束激光的光束准直性，补偿由于高重频激光对光栅的作用而导致波前畸变。请参阅图1所示，该系统包括输出耦合镜5、激光腔4、柔性变焦模块1、扩束模块2和光栅3，其中光栅3与扩束模块2组成littrow结构；准分子激光在激光腔4内受到激励，依次经柔性变焦模块1和扩束模块2后形成扩束激光束，该扩束激光束以光栅3的闪耀角入射到光栅3上进行衍射，产生与该扩束激光束反向重合的衍射光束，其中，该衍射光束再依次经过扩束模块2、柔性变焦模块1、激光腔4和输出耦合镜5后输出。
请结合图2和图3所示，柔性变焦模块1包括了一个凹透镜11和一个凸透镜12，根据本发明的一些实施方式，该凹透镜11为柱面凹透镜，凸透镜12为柱面凸透镜，该柱面凹透镜和该柱面凸透镜组成了伽利略望远镜结构；根据本发明的另一些实施方式，该柱面凹透镜或者该柱面凸透镜中有一个透镜为柔性变焦透镜，可以通过压力或电磁驱动实现焦距的改变，从而将平行光束调整为具有一定发散角的非平行光束。如图2、图3中所示，两个透镜的位置机械固定，其中凸透镜12为压力柔性变焦透镜，凹透镜11和凸透镜12的焦距分别为f1和f2，两透镜间距为d。凸透镜12未施加压力时(图2)，两透镜公共焦点为A点，满足f1+d＝f2。由几何光学可知，光束会平行射出。当对凸透镜12施加压力后(图3)，凸透镜12的焦距变为f2’，则凸透镜12的焦点变为B点。由几何光学可知，光束的发散角会相应变大，非平行射出。由于凸透镜12上的施加压力连续可调，可以据测量光谱的谱形和线宽值调节外加压力，使扩束激光的波前与高重频作用光栅引起的畸变波前匹配，得到理想的光谱谱形，使得线宽值连续可调。
不仅如此，由该凹透镜11和凸透镜12组成的柔性变焦模块还具有一定扩束作用，扩束倍率大于1，该扩束作用使得该系统相比较于现有技术能输出更窄线宽的激光，原理如下：
据文献报道，在由多个棱镜与光栅相组合的线宽压缩系统中，输出激光的线宽的半高宽度(FWHM)可以由下式(1)决定[US 20020186741 A1]：
其中θdiv为光束水平方向的初始发散角，M为扩束模块的扩束倍数，αB为激光入射到光栅的角度。NR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。
在系统中增加柔性变焦模块后，由于该柔性变焦模块具有一定的扩束作用，扩束倍率M1>1，所以最终输出激光的线宽的半高宽度(FWHM)可以由下式(2)决定：
在本发明提供的方案中，当除扩束倍率外的其他参数均不变时，可知Δλ′<Δλ，因此实现了输出更窄线宽的激光。
值得说明的是，该模块中的两个透镜也可以均为柔性变焦透镜，即两个透镜的焦距均可以通过压力或电磁驱动发生改变，但是这样会造成系统的结构复杂、成本高、且同步调控两个透镜的焦距，反而增加了操作的复杂性。
本发明中的扩束模块2由多个棱镜组成，具有对光束的扩束作用，扩束后的激光束到达光栅进行衍射，根据本发明的一些实施方式，光栅3为中阶梯光栅，与扩束模块2组成littrow结构，满足衍射光栅方程的衍射光束能够沿原光路返回；扩束模块2还具有对沿原路返回的衍射光束的缩束作用，根据本发明的另一些实施方式，棱镜的数量优选为2～4个，实现压缩线宽的同时，对激光能量的损耗也较小。
本发明提供的窄线宽准分子激光系统通过实时微调柔性变焦透镜的焦距，改变入射到光栅上的光束的准直性，补偿了高重频激光作用光栅后引起的波前畸变，得到理想的光谱谱形，同时柔性变焦模块也具有一定的扩束效果，从而进一步地压缩线宽，实现输出更窄线宽的激光；该系统结构简单、控制有效，输出激光的线宽值连续可调。
本发明另一方面提供了一种准分子激光线宽压缩并整形的方法，该方法可用于上述准分子激光系统，该方法包括：根据准分子激光的波前信息实时调节施加于柔性变焦模块上的驱动值，该驱动值为压力驱动值或电磁驱动值；然后根据该驱动值对准分子激光进行整形和线宽压缩，根据上述提供的准分子激光系统，可以具体为先根据驱动值对准分子激光的光束进行整形得到非平行射出的第一光束；然后将该第一光束进行扩束并衍射得到衍射光束，满足衍射光栅方程的衍射光束会沿原光路返回至激光腔，并从输出耦合镜输出；当准分子激光的波前畸变补偿完成时，即扩束激光波前与高重频激光作用光栅引起的畸变波前匹配时，停止调节操作并固定此时的驱动值，即可从输出耦合镜输出更窄线宽的准分子激光。根据本发明的一些实施方式，该方法中的波前信息包括光谱谱形和线宽值。该方法操作简单、能够精确补偿高重频激光作用光栅后引起的波前畸变并精确控制线宽值。
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 (7)

1.一种窄线宽准分子激光系统，包括输出耦合镜和激光腔，其特征在于，还包括：
柔性变焦模块，准分子激光束在激光腔内受到激励，经所述柔性变焦模块整形后形成非平行射出的第一光束；
扩束模块，对所述第一光束进行扩束，以形成第二光束；
与所述扩束模块组成littrow结构的光栅，对所述第二光束进行衍射，以形成与所述第二光束反向重合的衍射光束；其中，所述衍射光束依次经过扩束模块、柔性变焦模块、激光腔和输出耦合镜后输出；
所述柔性变焦模块包括一个凸透镜和一个凹透镜，所述凸透镜和/或所述凹透镜为柔性变焦透镜；
所述柔性变焦透镜的焦距通过电磁驱动改变；
所述柔性变焦透镜的焦距采用以下步骤进行调整：
根据准分子激光的波前信息实时调节施加于所述柔性变焦模块上的驱动值；
根据所述驱动值对准分子激光进行整形和线宽压缩；
当所述准分子激光的波前畸变补偿完成时，停止调节操作并固定驱动值，以得到窄线宽准分子激光。
2.如权利要求1所述窄线宽准分子激光系统，其特征在于，所述凸透镜为柱面凸透镜，所述凹透镜为柱面凹透镜。
3.如权利要求1所述窄线宽准分子激光系统，其特征在于，所述扩束模块由多个棱镜组成。
4.如权利要求3所述窄线宽准分子激光系统，其特征在于，所述棱镜的数量为2～4个。
5.如权利要求1所述窄线宽准分子激光系统，其特征在于，所述光栅为中阶梯光栅。
6.如权利要求1所述窄线宽准分子激光系统，其特征在于，所述波前信息包括光谱谱形和线宽值；和/或
所述驱动值为电磁驱动值。
7.如权利要求6所述窄线宽准分子激光系统，其特征在于，所述“根据所述驱动值对准分子激光进行整形和线宽压缩”包括：
根据所述驱动值对所述准分子激光进行整形得到非平行射出的第一光束；
将所述第一光束进行扩束，并将扩束后得到的第二光束进行衍射得到衍射光束，其中，所述衍射光束与所述第二光束反向重合，所述衍射光束沿原光路返回至所述激光腔，形成窄线宽准分子激光。
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