CN113625457A - 一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法，装置由前端准直镜组，后端整形镜组、平面反射镜组及两个分光元件构成，光束在装置内循环传输，分次出射，获得脉冲展宽效果。入射激光光束经第一个分光元件分光后，反射光束进入前端准直镜组，被准直为近平行光束，经平面反射镜组及第二个分光元件多次反射后部分光束出射，部分传输到后端整形镜组，经整形镜组对光束进行整形，使回到第一个分光元件处的激光光束的尺寸及发散角与入射光束一致，实现光学参数还原。本发明使光束在装置内所有传输路径中无实焦点，避免了焦点处高功率密度激光损伤光学元件的可能性，可大幅提高脉冲展宽装置中光学元件的使用寿命，更适用于大能量准分子激光器的脉冲展宽。同时系统中采用曲面反射镜与平面反射镜组合的方式，更易于产品装调、实现。

Description

一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法

技术领域

本发明涉及对激光器的激光脉冲参数进行调制的技术领域，特别是一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置。

背景技术

准分子激光光刻是极大规模集成电路制造工艺的重要工序之一，深紫外光刻机作为第四代光源，是目前主要采用的光刻设备，所用激光光源为ArF准分子激光器，输出波长193nm，重频6000Hz以上。光刻设备需配备照明及曝光光学系统，对激光束进行整形，以满足光刻要求。由于激光波长为深紫外波长，光学系统需使用昂贵的深紫外MgF₂或深紫外熔融石英光学元件，这些光学元件在大能量深紫外脉冲激光的长期照射下，其特性将发生不可逆的变化，性能退化，且退化速率与脉冲峰值功率成正比。

目前采用的准分子激光器单脉冲能量密度已经由最初的5mJ提高到了15mJ以上，在不改变脉冲宽度的情况下，激光峰值功率大幅提高，这就导致激光对光学元件的辐照损害加剧，光学元件的使用寿命大幅缩短。为此，美国专利US6904073“High power deepultraviolet laser with long life optics”，中国专利CN104319615B“一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置”均提出了采用由分束元件以及四个球面反射镜构成共焦谐振腔的脉冲扩展装置扩展脉宽，降低激光脉冲的峰值功率。

在以上提到的方法和装置中，均采用了焦点在谐振腔内的共焦谐振腔，中国专利CN101900948，“在光学部件上具有减小的能量密度的脉冲扩展器”使用折返镜拉长腔长，进一步展宽了脉冲宽度。为了降低光束汇聚焦点作用在光学元件上的概率，在光束入射到脉冲扩展器之前对光束进行扩束或汇聚，使焦点不落在折返镜。中国专利CN111969395，“一种用于高能量准分子激光脉冲展宽的装置及方法”中提及通过优化全反镜曲率，使焦点不落在光学元件上。上述方法均存在以下问题：实际应用已知准分子激光器的束腰位置易受外部环境影响而发生变化，这将导致入射到脉冲展宽装置内的光束焦点位置也发生变化。因此，腔内只要有实焦点存在，束腰位置的变化就有可能导致焦点位置落在光学元件附近。由于焦点处激光功率密度非常高，处于焦点附近的光学元件极易被打坏，导致脉冲展宽装置的工作寿命大幅缩短。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法，本发明激光脉冲展宽装置包括前端准直镜组、后端整形镜组、平面反射镜组及两个分光元件，入射激光光束经第一个分光元件分光后，反射光束入射到前端准直镜组，被准直为近平行光束，经平面反射镜组多次反射后入射到后端整形镜组，经整形镜组对光束进行整形，使回到第一个分光元件处的激光光束的尺寸及发散角与入射光束一致，且整个循环路径内无汇聚焦点。激光光束在装置内循环多次，每次循环输出部分光束，产生不同的时间延迟，形成脉冲展宽输出。在有效展宽脉冲宽度的同时，消除脉冲展宽装置光学路径内的实焦点，避免光学元件损伤。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，包括前端准直镜组，后端整形镜组，平面反射镜组和分光元件组；

所述分光元件组包括分光元件BS1和分光元件BS2；

入射激光光束经分光元件BS1分光为第一透射光束和第一反射光束；第一反射光束进入前端准直镜组；第一透射光束经分光元件BS2出射；

前端准直镜组将第一反射光束准直为近平行光束；

近平行光束经平面反射镜组反射后传输至分光元件BS2，经分光元件BS2分光为第二透射光束和第二反射光束；第二反射光束为从装置中出射；第二透射光束经平面反射镜组后进入后端整形镜组；

后端整形镜组将第二透射光束调整为整形光束，并使整形光束返回分光元件BS1；所述整形光束的尺寸及发散角调整与入射激光光束一致。

进一步的，前端准直镜组包括≥1个曲面反射镜；所述后端整形镜组包括≥2个曲面反射镜。

进一步的，所述前端准直镜组中曲面反射镜的曲率由入射激光光束束腰位置及发散角确定；所述后端整形镜组中曲面反射镜的曲率由入射激光光束束腰位置及发散角、前端准直镜组曲率和展宽装置的光学长度共同确定。

进一步的，所述前端准直镜组包含的所述曲面反射镜的等效焦点与入射激光光束虚焦点重合。

进一步的，所述前端准直镜组中的曲面反射镜为球面反射镜；所述后端整形镜组中至少包含一个柱面反射镜和一个球面反射镜。

进一步的，所述后端整形镜组中所包含的柱面反射镜可处于前端准直镜组所包含的各球面反射镜之间，或处于平面反射镜组所包含的各平面反射镜之间，或处于后端整形镜组所包含的各球面镜之间。所述球面反射镜的曲率由前端准直镜组及后端整形镜组中所包含的其他各光学元件的反射镜曲率共同决定。

进一步的，所述前端准直镜组包括一个球面反射镜M1；所述后端整形镜组包括一个柱面反射镜M7和一个球面反射镜M8。

进一步的，所述分光元件BS1的分光比范围为0.2～0.8，分光元件BS2的分光比范围为0.4～0.7。

进一步的，所述平面反射镜组内平面反射镜的数量由脉冲展宽要求决定；平面反射镜组尺寸由激光入射光斑尺寸决定。

进一步的，所述前端准直镜组，后端整形镜组，平面反射镜组和分光元件组中包含的光学元件数量总和为2的倍数。

进一步的，所述分光元件BS1和分光元件BS2的使用入射角度为45°±5°。

一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽方法，采用上述一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置实现，包括以下步骤：

(1)入射激光光束经分光元件BS1分光为第一透射光束和第一反射光束；第一反射光束进入前端准直镜组；第一透射光束经分光元件BS2出射；

(2)前端准直镜组将第一反射光束准直为近平行光束；

(3)近平行光束经平面反射镜组反射后传输至分光元件BS2，经分光元件BS2分光为第二透射光束和第二反射光束；第二反射光束为从装置中出射；第二透射光束经平面反射镜组后进入后端整形镜组；

(4)后端整形镜组将第二透射光束调整为整形光束，所述整形光束的尺寸及发散角调整与入射激光光束一致；

(5)整形光束返回分光元件BS1。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，在不降低装置脉冲展宽能力的前提下，采用光束准直镜组及整形镜组实现传输光束的整形、复原，反射镜组产生激光延迟的脉冲展宽技术，设计了光学路径内无实焦点的展宽装置。相比其他共焦谐振腔展宽装置，光学路径上最高功率密度降低了近千倍，有效避免了实焦点对光学元件的损伤，可大幅提高脉冲展宽装置中光学元件的使用寿命，且更适用于大能量准分子激光器的脉冲展宽；

(2)本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，反射镜组采用多个平面反射镜，相比于现有技术中全部采用曲面反射镜，降低了加工成本及装调难度，更易于产品实现；

(3)本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，光学元件扩展数量为2的倍数，而现有其他共焦谐振腔展宽装置，共焦腔的光学元件扩展数量要求为4的倍数，即面对不同脉冲展宽需求时必须以4的倍数进行扩展，所以本发明激光脉冲展宽装置在设计及使用上更加灵活；

(4)本发明使光束在装置内所有传输路径中无实焦点，避免了焦点处高功率密度激光损伤光学元件的可能性，可大幅提高脉冲展宽装置中光学元件的使用寿命，更适用于大能量准分子激光器的脉冲展宽。

附图说明

图1为本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置的结构示意图；

图2为采用本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置展宽后的输出脉冲波形；

图3为采用本发明激光脉冲展宽装置与采用现有的共焦谐振腔的脉冲展宽装置，激光光束在光学路径上的功率密度对比图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置由前端准直镜组，后端整形镜组、平面反射镜组及两个分光元件构成，光束在装置内循环传输，分次出射，获得脉冲展宽效果。入射激光光束经第一个分光元件分光后，反射光束进入前端准直镜组，被准直为近平行光束，经平面反射镜组及第二个分光元件多次反射后部分光束出射，部分光束传输到后端整形镜组，经后端整形镜组对光束进行整形，使回到第一个分光元件处的激光光束的尺寸及发散角与入射光束一致，实现光束在整个光学路径中传输无实焦点。

进一步的，所述前端准直镜组用于对入射激光光束进行准直，获得近平行光束。

进一步的，所述前端准直镜组由一个或多个曲面反射镜组成，反射镜曲率由入射激光光束束腰位置及发散角确定，根据激光器入射参数具体优化，使前端反射镜等效焦点靠近于激光光束虚焦点位置。

进一步的，所述后端整形镜组用于对入射的近平行光束(即第二透射光束调整)进行整形，使光束尺寸、发散角与入射光束一致。

进一步的，所述后端整形镜组由一个或多个曲面反射镜组成，反射镜曲率由入射激光光束束腰位置及发散角、前端准直镜组曲率和展宽系统光学长度共同决定，实现光束参数还原。

进一步的，采用柱面镜校正激光光束斜入射到曲面反射镜引入的子午和弧矢方向光束尺寸不一致的问题。

进一步的，所述柱面镜可放置在前端准直镜组中，也可放置在后端整形镜组或平面镜组中，柱面镜曲率由准直镜组及整形镜组中所包含的其他光学元件的反射镜曲率共同决定。也就是说，后端整形镜组中所包含的柱面反射镜可处于前端准直镜组所包含的各球面反射镜之间，或处于平面反射镜组所包含的各平面反射镜之间，或处于后端整形镜组所包含的各球面镜之间

进一步的，平面反射镜组内平面反射镜的数量由脉冲展宽要求决定。

一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置对激光脉冲展宽的方法，采用上述腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置实现，包括以下步骤：

(1)入射激光光束经分光元件BS1分光为第一透射光束和第一反射光束；第一反射光束进入前端准直镜组；第一透射光束经分光元件BS2出射；

(2)前端准直镜组将第一反射光束准直为近平行光束；

(3)近平行光束经平面反射镜组反射后传输至分光元件BS2，经分光元件BS2分光为第二透射光束和第二反射光束；第二反射光束为从装置中出射；第二透射光束经平面反射镜组后进入后端整形镜组；

(4)后端整形镜组将第二透射光束调整为整形光束，所述整形光束的尺寸及发散角调整与入射激光光束一致；

(5)整形光束返回分光元件BS1。

本发明使光束在装置内所有传输路径中无实焦点，避免了焦点处高功率密度激光损伤光学元件的可能性，可大幅提高脉冲展宽装置中光学元件的使用寿命，更适用于大能量准分子激光器的脉冲展宽。同时系统中采用反射镜与平面反射镜组合的方式，更易于产品装调、实现。

实施例1

如图1所示，本发明一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置包括前端准直镜组，后端整形镜组、平面反射镜组及两个分光元件BS1、BS2，其中前端准直镜组由球面反射镜M1构成，后端整形镜组由柱面反射镜M7、球面反射镜M8构成，平面反射镜组由5个平面反射镜M2、M3、M4、M5、M6构成。

输入光束通过第一个分光元件BS1后，分为两束光，一束光透射后入射到第二个分光元件BS2，透射输出；第二束光经BS1反射后依次入射到球面反射镜M1、平面反射镜M2、M3、M4，经过平面反射镜M4反射后入射到第二个分光元件BS2上，又被分成两束光，一束光经过BS2反射后直接输出，另一束光透射后依次入射到平面反射镜M5、M6，柱面反射镜M7及球面反射镜M8，经球面反射镜M8反射后入射到第一个分光元件BS1上进一步分光。这一过程不断重复，输入激光脉冲经多次分光，经过不同的光学路径产生不同的光学延迟，均从BS2输出，形成脉冲宽度有效展宽的输出激光光束。

本发明的脉冲展宽装置中两个分光元件的分光比需要根据脉冲展宽要求进行优化，既满足脉冲展宽要求，又保证脉冲波形平坦，满足实际使用要求。第一个分光元件BS1的分光比(反射/透射比)范围为0.2～0.8，第二个分光元件BS2的分光比(反射/透射比)范围为0.4～0.7。

图2为采用图1所示脉冲展宽装置对输入激光脉冲展宽后的输出脉冲波形。在此示例中，定义输入光束从第一个分光元件BS1反射后，经过M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8反射后再次回到BS1的光学长度为脉冲展宽装置的总长度。设定输入激光脉冲宽度为30ns，脉冲展宽装置M1到M8镜的光学长度为1.8m，所有反射镜的反射率均为99.8％，分光元件BS1的反射/透射比为0.35，分光元件BS2的反射/透射比为0.65，输入激光脉冲经过此脉冲展宽装置后，脉宽展宽为145ns，装置的整体能量透过率为85％。

图3为本发明激光脉冲展宽装置与传统共焦谐振腔的脉冲展宽装置，激光光束经反射镜M1入射到反射镜M2的光学路径上激光功率密度曲线。对比可知，本发明的脉冲展宽装置在光学路径上为近平行光，不存在实焦点，无功率密度强点。传统脉冲展宽装置在光学路径上存在功率密度极大的点，同一激光入射功率下，功率密度最大值为本发明的2000倍以上，存在损坏光学元件的风险。本示例结果表明，本发明的脉冲展宽装置由于采用了无实焦点设计，在光学路径上功率密度小，可有效提高脉冲展宽装置的使用寿命，且更适用于大能量准分子激光器的脉冲展宽。

前端准直镜组用于对入射激光光束进行准直，获得近平行光束，由一个或多个曲面反射镜组成，反射镜曲率由入射激光光束束腰位置及发散角确定，根据激光器入射参数具体优化，使前端反射镜组等效焦点靠近于激光光束虚焦点位置。

所述后端整形镜组用于对经传输后入射的近平行光束进行整形，使光束尺寸、发散角与入射光束一致，由一个或多个曲面反射镜组成，反射镜曲率由入射激光光束束腰位置及发散角、前端准直镜组曲率和展宽系统光学长度共同决定，实现光束参数还原。

采用柱面镜校正激光光束斜入射到曲面反射镜引入的子午和弧矢方向光束尺寸不一致的问题，所述柱面镜可放置在前端准直镜组中，也可放置在后端整形镜组或平面镜组中，柱面镜曲率由准直镜组及整形镜组中所包含的其他光学元件的反射镜曲率共同决定，也就是说，后端整形镜组中所包含的柱面反射镜可处于前端准直镜组所包含的各球面反射镜之间，或处于平面反射镜组所包含的各平面反射镜之间，或处于后端整形镜组所包含的各球面镜之间

平面反射镜组内平面反射镜的数量由脉冲展宽要求决定，平面反射镜组尺寸由激光入射光斑尺寸决定。

所述分光元件的使用入射角度为45°±5°。

根据实际使用需求，脉冲展宽装置可以单个使用，也可以多个扩展使用，具体根据脉冲脉宽要求进行整体优化。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (12)

1.一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，包括前端准直镜组，后端整形镜组，平面反射镜组和分光元件组；

所述分光元件组包括分光元件BS1和分光元件BS2；

入射激光光束经分光元件BS1分光为第一透射光束和第一反射光束；第一反射光束进入前端准直镜组；第一透射光束经分光元件BS2出射；

前端准直镜组将第一反射光束准直为近平行光束；

近平行光束经平面反射镜组反射后传输至分光元件BS2，经分光元件BS2分光为第二透射光束和第二反射光束；第二反射光束为从装置中出射；第二透射光束经平面反射镜组后进入后端整形镜组；

后端整形镜组将第二透射光束调整为整形光束，并使整形光束返回分光元件BS1；所述整形光束的尺寸及发散角调整与入射激光光束一致。

2.根据权利要求1所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，前端准直镜组包括≥1个曲面反射镜；所述后端整形镜组包括≥2个曲面反射镜。

3.根据权利要求2所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述前端准直镜组中曲面反射镜的曲率由入射激光光束束腰位置及发散角确定；所述后端整形镜组中曲面反射镜的曲率由入射激光光束束腰位置及发散角、前端准直镜组曲率和展宽装置的光学长度共同确定。

4.根据权利要求3所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述前端准直镜组包含的所述曲面反射镜的等效焦点与入射激光光束虚焦点重合。

5.根据权利要求2所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述前端准直镜组中的曲面反射镜为球面反射镜；所述后端整形镜组中至少包含一个柱面反射镜和一个球面反射镜。

6.根据权利要求5所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述后端整形镜组中所包含的柱面反射镜处于前端准直镜组所包含的各球面反射镜之间，或处于平面反射镜组所包含的各平面反射镜之间，或处于后端整形镜组所包含的各球面镜之间。所述球面反射镜的曲率由前端准直镜组及后端整形镜组中所包含的其他各光学元件的反射镜曲率共同决定。

7.根据权利要求2所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述前端准直镜组包括一个球面反射镜M1；所述后端整形镜组包括一个柱面反射镜M7和一个球面反射镜M8。

8.根据权利要求1所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述分光元件BS1的分光比范围为0.2～0.8，分光元件BS2的分光比范围为0.4～0.7。

9.根据权利要求1所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述平面反射镜组内平面反射镜的数量由脉冲展宽要求决定；平面反射镜组尺寸由激光入射光斑尺寸决定。

10.根据权利要求1所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述前端准直镜组，后端整形镜组，平面反射镜组和分光元件组中包含的光学元件数量总和为2的倍数。

11.根据权利要求1所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，其特征在于，所述分光元件BS1和分光元件BS2的使用入射角度为45°±5°。

12.一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽方法，其特征在于，采用权利要求1-11任一项所述的一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置实现，包括以下步骤：

(1)入射激光光束经分光元件BS1分光为第一透射光束和第一反射光束；第一反射光束进入前端准直镜组；第一透射光束经分光元件BS2出射；

(2)前端准直镜组将第一反射光束准直为近平行光束；

(3)近平行光束经平面反射镜组反射后传输至分光元件BS2，经分光元件BS2分光为第二透射光束和第二反射光束；第二反射光束为从装置中出射；第二透射光束经平面反射镜组后进入后端整形镜组；

(4)后端整形镜组将第二透射光束调整为整形光束，所述整形光束的尺寸及发散角调整与入射激光光束一致；

(5)整形光束返回分光元件BS1。

Images