CN113659416B - 双波长激光共轴输出系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双波长激光共轴输出系统与方法，其中系统包括：用于通过入射激光且输出双波长激光的激光镜、用于将入射激光进行脉冲调制的电光调Q模块、用于将入射激光分离成第一波长激光和第二波长激光的色散棱镜、用于增益并按照原光路反射第一波长激光的第一波长激光增益模块、用于增益并按照原光路反射第二波长激光的第二波长激光增益模块；本发明解决了现阶段可调谐CO₂激光器无法同时输出双波长的难题，提升EUV光刻光源中双波长CO₂激光在MOPA系统中的功率提取效率；同时本发明解决了现阶段腔外合束双波长CO₂激光合束精度差、光束质量下降的难题，有效提升了双波长CO₂激光光束质量、偏振度、传输方向的一致性。

Description

双波长激光共轴输出系统与方法

技术领域

本发明涉及光刻机领域，特别涉及一种双波长激光共轴输出系统与方法。

背景技术

光刻机是现代化大规模集成电路-芯片制造的核心设备，而光刻光源是光刻机的重要组成。根据瑞利判据，光源的波长越短，其提供的光刻分辨率越高，波长13.5nm的极紫外光源(EUVL)成为备受关注的光刻光源。激光诱导等离子体(LPP)可产生极紫外光，采用高重频、窄脉宽、高功率的CO₂激光辐照锡液滴靶，诱发锡等离子体辐射13.5nm光是产生EUVL的主流技术途径。

高重频、窄脉宽、高功率的CO₂激光主要采用主振荡功率放大(MOPA)的技术途径，即高重频、窄脉宽的种子激光经多级CO₂激光放大器功率放大获得高功率激光。由于CO₂分子振转能级十分丰富，具有宽的增益带宽，因此采用双波长的CO₂种子光进行放大，有利于提升MOPA系统的功率提取效率，在同等放大功率条件下获得更高的CO₂激光功率。现阶段报道了多种体制的可调谐CO₂激光器，通常采用旋转光栅、棱镜等色散元件的方法实现CO₂激光多波长分时输出，但无法同时输出双波长激光。腔外双波长激光合束的方式可获得双波长激光同时输出，但受激光合束精度和双波长激光光束质量差异等影响，合束后的双波长激光与放大器耦合损耗大，不利于激光高效放大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出了一种双波长激光共轴输出系统与方法。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提出的双波长激光共轴输出系统，包括：用于透过入射激光且输出共轴的双波长激光的激光镜、用于将入射激光转变为线偏振激光并动态改变入射激光偏振态的电光调Q模块、用于将入射激光分离成第一波长激光和第二波长激光的色散棱镜、用于增益并按照原光路反射第一波长激光的第一波长激光增益模块、用于增益并按照原光路反射第二波长激光的第二波长激光增益模块；

入射激光依次通过激光镜、电光调Q模块和色散棱镜；第一波长激光增益模块和第二波长激光增益模块分别排布在色散棱镜的第一波长激光的色散方向和色散棱镜的第二波长激光的色散方向处；色散棱镜为等腰棱镜，入射激光的光路平行于色散棱镜的底边。

优选地，电光调Q模块包括：用于将入射激光起偏成线偏振激光的起偏器、用于动态改变入射激光的偏振态的电光普克尔盒、用于对入射激光进行检偏的检偏器；检偏器的中轴线与起偏器的中轴线正交；入射激光依次通过起偏器、电光普克尔盒和检偏器。

优选地，起偏器为薄膜偏振片，相对于入射激光的光路成布氏角放置，反射S偏振光，透射P偏振光；检偏器为薄膜偏振片，相对于入射激光的光路成布氏角放置，透射S偏振光，反射P偏振光。

优选地，第一波长激光增益模块包括：用于反射第一波长激光的第一反射镜、用于增益第一波长激光的第一波长激光增益管、用于将第一反射镜反射出的第一波长激光反射到第一波长激光增益管内的第二反射镜、用于将增益后的第一波长激光按照原光路反射回去的第一全反射镜；第一波长激光增益管为全外腔式且两端由窗口镜密封。

优选地，第二波长激光增益模块包括：用于反射第二波长激光的第三反射镜、用于增益第二波长激光的第二波长激光增益管、用于将第三反射镜反射出的第二波长激光反射到第二波长激光增益管内的第四反射镜、用于将增益后的第二波长激光按照原光路反射回去的第二全反射镜；第二波长激光增益管为全外腔式且两端由窗口镜密封。

优选地，第一波长激光增益管和第二波长激光增益管为直流放电激光增益管，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜分别为角度可调的平面反射镜。

优选地，第一波长激光增益管和第二波长激光增益管为射频波导激光增益管，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜分别为角度可调的凹面反射镜。

优选地，第一全反射镜和第二全反射镜为凹面全反射镜，反射率大于99％。

优选地，激光镜根据第一波长激光和第二波长激光的波长镀有半透半反膜。

本发明提出的双波长激光共轴输出方法，包括如下步骤：

S1、入射激光通过激光镜入射到电光调Q模块中，电光调Q模块将入射激光转变为线偏振激光并改变入射激光的偏振态，然后将入射激光投射到色散棱镜上；

S2、色散棱镜将入射激光分离成两个波长不同的第一波长激光和第二波长激光，然后将第一波长激光和第二波长激光分别投射到第一波长激光增益模块和第二波长激光增益模块内；

S3、第一波长激光增益模块增益第一波长激光，并按照原光路将增益后的第一波长激光反射到色散棱镜上；第二波长激光增益模块增益第二波长激光，并按照原光路将增益后的第二波长激光反射到色散棱镜上；

S4、第一波长激光和第二波长激光通过色散棱镜合并成双波长激光，双波长激光依次通过电光调Q模块和激光镜来共轴输出；其中，电光调Q模块和激光镜将双波长激光中的第一波长激光和第二波长激光的偏振态、光轴以及光束质量保持一致。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本发明解决了现阶段可调谐CO₂激光器无法同时输出双波长的难题，提升EUV光刻光源中双波长CO₂激光在MOPA系统中的功率提取效率；

2、本发明解决了现阶段腔外合束双波长CO₂激光合束精度差、光束质量下降的难题，有效提升双波长CO₂激光光束质量、偏振度、传输方向的一致性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的双波长激光共轴输出系统的具体结构示意图；

图2是根据本发明实施例的色散棱镜对入射激光的色散的示意图；

图3是根据本发明实施例的双波长激光共轴输出方法的流程图。

其中的附图标记包括：电光调Q模块Ⅰ、第一波长激光增益模块Ⅱ、第二波长激光增益模块Ⅲ、激光镜1、起偏器2、电光普克尔盒3、检偏器4、色散棱镜5、第一反射镜6、第二反射镜7、第一波长激光增益管8、第一全反射镜9、第三反射镜10、第四反射镜11、第二波长激光增益管12、第二全反射镜13。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面结合图1到图3对本发明的具体工作方式进行详细说明：

本发明提出一种双波长激光共轴输出系统与方法，其中双波长激光共轴输出系统，包括：激光镜1、电光调Q模块Ⅰ、色散棱镜5、第一波长激光增益模块Ⅱ、第二波长激光增益模块Ⅲ；

第一波长激光增益模块Ⅱ和第二波长激光增益模块Ⅲ分别排布在色散棱镜5的第一波长激光的色散方向和色散棱镜的第二波长激光的色散方向处；色散棱镜5为等腰棱镜，入射激光的光路平行于色散棱镜5的底边。

入射激光依次通过激光镜1、电光调Q模块Ⅰ和色散棱镜5，再经由色散棱镜5分离成第一波长激光和第二波长激光，第一波长激光和第二波长激光分别被第一波长激光增益模块Ⅱ和第二波长激光增益模块Ⅲ增益并按照原光路反射回到色散棱镜5处，通过色散棱镜5合并成双波长激光，最后双波长激光依次通过电光调Q模块Ⅰ和激光镜1来实现共轴输出。

激光镜1用于通过入射激光且输出共轴的双波长激光。激光镜1根据第一波长激光和第二波长激光的波长镀有半透半反膜。在本发明的一个实施例中，激光镜1采用ZnSe平面透镜，兼顾双波长激光的谐振，在9-11μm谱段镀半透半反膜，反射率为70％-90％。

电光调Q模块Ⅰ用于对入射激光进行脉冲调制，将入射激光转变为线偏振激光并改变入射激光的偏振态。电光调Q模块Ⅰ包括：起偏器2、电光普克尔盒3、检偏器4；

入射激光依次通过起偏器2、电光普克尔盒3和检偏器4。

起偏器2用于将入射激光起偏成线偏振激光。起偏器2为薄膜偏振片，相对于入射激光的光路成布氏角(67.8°)放置，反射S偏振光，透射P偏振光；

电光普克尔盒3的功能是动态改变入射激光的偏振态。当电光普克尔盒3不加电压时，通过它的入射激光的偏振态不改变，当其加上1/2波电压时，通过它的入射激光的偏振态旋转180°。在本发明的一个实施例中，电光普克尔盒3采用碲化镉晶体，有效通光孔径为9mm，偏振消光比大于500：1,其响应时间超快(约7ns),半波电压约8kV。

检偏器4用于对入射激光检偏。检偏器4为薄膜偏振片，相对于入射激光的光路成布氏角(67.8°)放置，透射S偏振光，反射P偏振光。检偏器4的中轴线与起偏器2的中轴线正交，只允许经过电光普克尔盒3改变偏振态后的入射激光通过。

在电光普克尔盒3不加电压时，由于起偏器2和检偏器4正交设置，电光调Q模块Ⅰ的腔内损耗极大，入射激光无法谐振输出，此时第一波长激光增益模块Ⅱ和第二波长激光增益模块Ⅲ内积累大量反转粒子数；在电光普克尔盒3加电压的瞬间，它将经起偏器2后的入射激光光束偏振态旋转180°，可通过检偏器4进行谐振，此时第一波长激光增益模块Ⅱ和第二波长激光增益模块Ⅲ内积累的大量反转粒子数以短脉冲的形式谐振输出。

色散棱镜5用于将入射激光分离成第一波长激光和第二波长激光。如图2所示，设色散棱镜5的底角为b，入射激光相对于入射面的法线以入射角a进入色散棱镜5，其出射激光相对于入射光的偏离角为c：

n₁为大气折射率，n₂为色散棱镜5的折射率。

运用上述偏离角c的计算公式，可以计算不同波长激光的偏离角，根据计算出的偏离角来分别调整第一反射镜6和第三反射镜10与色散棱镜5的距离，保证输出的双波长激光偏离的距离大于20mm，从而实现双波长激光共轴同时输出。

在本发明的一个实施例中，色散棱镜5采用ZnSe材料的等腰棱镜。在CO₂激光波段，ZnSe材料的色散棱镜5对应不同波长激光的折射率分别为n₂＝2.4100@9.4μm和n₂＝2.4028@10.6μm；色散棱镜5的底角b取75°，则入射角a为15°；由上述公式计算得出，当入射激光平行于色散棱镜底边入射时，波长分别为9.4μm和10.59μm的第一波长激光和第二波长激光的偏离角c分别为60.993°和61.8776°；在色散棱镜3距离为300mm处，第一波长激光和第二波长激光的偏离的距离为20.26mm，因此有足够的空间安装第一波长激光增益模块Ⅱ和第二波长激光增益模块Ⅲ。

第一波长激光增益模块Ⅱ用于增益第一波长激光并按照原光路反射第一波长激光。如图1所示，第一波长激光增益模块Ⅱ包括：第一反射镜6、第二反射镜7、第一波长激光增益管8、第一全反射镜9。

第一反射镜6用于反射第一波长激光。

第二反射镜7用于将第一反射镜6反射出的第一波长激光反射到第一波长激光增益管8内。

第一波长激光增益管8用于增益第一波长激光。第一波长激光增益管8为全外腔式且两端由高透的窗口镜密封。

第一全反射镜9用于将增益后的第一波长激光按照原光路反射回去。

第二波长激光增益模块Ⅲ用于增益第二波长激光并按照原光路反射第二波长激光。如图1所示，第二波长激光增益模块Ⅲ包括：第三反射镜10、第四反射镜11、第二波长激光增益管12、第二全反射镜13。

第三反射镜10用于反射第二波长激光。

第四反射镜11用于将第三反射镜10反射出的第二波长激光反射到第二波长激光增益管12内。

第二波长激光增益管12用于增益第二波长激光。第二波长激光增益管12为全外腔式且两端由高透的窗口镜密封。

第二全反射镜13用于将增益后的第二波长激光按照原光路反射回去。

当第一波长激光增益管8和第二波长激光增益管12为直流放电激光增益管时，第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜10和第四反射镜11分别为角度可调的平面反射镜。

当第一波长激光增益管8和第二波长激光增益管12为射频波导激光增益管时，第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜10和第四反射镜11分别为角度可调的凹面反射镜。

第一全反射镜9和第二全反射镜13为凹面全反射镜，反射率大于99％。第一全反射镜9与激光镜1组成第一波长激光的稳定谐振腔；第二全反射镜13与激光镜1组成第二波长激光的稳定谐振腔。

在本发明的一个实施例中，第一波长激光增益管8为波长是10.59μm的第一波长激光提供增益；第一波长激光增益管8采用孔径12mm的直流放电激光增益管；第二波长激光增益管12为波长是9.40μm的第二波长激光提供增益；第二波长激光增益管12也采用孔径12mm的直流放电激光增益管。

在本发明的一个实施例中，第一全反射镜9采用曲率半径为4m且反射率＞99％的凹面全反射镜；第一全反射镜9与激光镜1组成波长为10.59μm的第一波长激光的稳定谐振腔；第二全反射镜13采用曲率半径为4m且反射率＞99％的凹面全反射镜；第二全反射镜13与激光镜1组成波长为9.40μm的第二波长激光的稳定谐振腔。

如图3所示，本发明提出的双波长激光共轴输出方法，包括如下步骤：

S1、入射激光通过激光镜1入射到电光调Q模块Ⅰ中，电光调Q模块Ⅰ将入射激光转变为线偏振激光并改变入射激光的偏振态，然后将入射激光投射到色散棱镜5上；

S2、色散棱镜5将入射激光分离成两个波长不同的第一波长激光和第二波长激光，然后将第一波长激光和第二波长激光分别投射到第一波长激光增益模块Ⅱ和第二波长激光增益模块Ⅲ内；

S3、第一波长激光增益模块Ⅱ增益第一波长激光，并按照原光路将增益后的第一波长激光反射到色散棱镜5上；第二波长激光增益模块Ⅲ增益第二波长激光，并按照原光路将增益后的第二波长激光反射到色散棱镜5上；

S4、第一波长激光和第二波长激光通过色散棱镜5合并成双波长激光，双波长激光依次通过电光调Q模块Ⅰ和激光镜1来共轴输出；其中，电光调Q模块Ⅰ和激光镜1将双波长激光中的第一波长激光和第二波长激光的偏振态、光轴以及光束质量保持一致。

综上所述，本发明提出的双波长激光共轴输出系统与方法，解决了现有双波长激光高精度合束困难、合束后的双波长激光与放大器耦合损耗大，不利于激光高效放大的难题。本发明提出采用色散棱镜5将入射激光分成第一波长激光和第二波长激光的方法，每一束激光对应一个独立的激光增益管，解决了单支增益管增益弱以及谱线竞争力差难以谐振输出的难题；并且由于第一波长激光和第二波长激光共用电光调Q模块Ⅰ和激光镜1，因此第一波长激光和第二波长激光的光轴、偏振态和光束质量一致；本发明实现了双波长激光共轴同时输出，提升EUV光刻光源中双波长CO₂激光在MOPA系统中的功率提取效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双波长激光共轴输出系统，其特征在于，包括：用于透过入射激光且输出共轴的双波长激光的激光镜、用于将所述入射激光转变为线偏振激光并动态改变所述入射激光偏振态的电光调Q模块、用于将所述入射激光分离成第一波长激光和第二波长激光的色散棱镜、用于增益并按照原光路反射所述第一波长激光的第一波长激光增益模块、用于增益并按照原光路反射所述第二波长激光的第二波长激光增益模块；

所述入射激光依次通过所述激光镜、所述电光调Q模块和所述色散棱镜；所述第一波长激光增益模块和所述第二波长激光增益模块分别排布在所述色散棱镜的第一波长激光的色散方向和所述色散棱镜的第二波长激光的色散方向处；所述色散棱镜为等腰棱镜，所述入射激光的光路平行于所述色散棱镜的底边。

2.如权利要求1所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述电光调Q模块包括：用于将所述入射激光起偏成线偏振激光的起偏器、用于动态改变所述入射激光的偏振态的电光普克尔盒、用于对所述入射激光进行检偏的检偏器；所述检偏器的中轴线与所述起偏器的中轴线正交；所述入射激光依次通过所述起偏器、所述电光普克尔盒和所述检偏器。

3.如权利要求2所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述起偏器为薄膜偏振片，相对于所述入射激光的光路成布氏角放置，反射S偏振光，透射P偏振光；所述检偏器为薄膜偏振片，相对于所述入射激光的光路成布氏角放置，透射所述S偏振光，反射所述P偏振光。

4.如权利要求1所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述第一波长激光增益模块包括：用于反射所述第一波长激光的第一反射镜、用于增益所述第一波长激光的第一波长激光增益管、用于将所述第一反射镜反射出的所述第一波长激光反射到所述第一波长激光增益管内的第二反射镜、用于将增益后的所述第一波长激光按照原光路反射回去的第一全反射镜；所述第一波长激光增益管为全外腔式且两端由窗口镜密封。

5.如权利要求4所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述第二波长激光增益模块包括：用于反射所述第二波长激光的第三反射镜、用于增益所述第二波长激光的第二波长激光增益管、用于将所述第三反射镜反射出的所述第二波长激光反射到所述第二波长激光增益管内的第四反射镜、用于将增益后的所述第二波长激光按照原光路反射回去的第二全反射镜；所述第二波长激光增益管为全外腔式且两端由窗口镜密封。

6.如权利要求5所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述第一波长激光增益管和所述第二波长激光增益管为直流放电激光增益管，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别为角度可调的平面反射镜。

7.如权利要求5所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述第一波长激光增益管和所述第二波长激光增益管为射频波导激光增益管，所述第一反射镜、所述第二反射镜、所述第三反射镜和所述第四反射镜分别为角度可调的凹面反射镜。

8.如权利要求5所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述第一全反射镜和所述第二全反射镜为凹面全反射镜，反射率大于99％。

9.如权利要求1所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，所述激光镜根据所述第一波长激光和所述第二波长激光的波长镀有半透半反膜。

10.一种双波长激光共轴输出方法，其应用如权利要求1至9中任意一项所述的双波长激光共轴输出系统，其特征在于，包括如下步骤：

S1、所述入射激光通过所述激光镜入射到所述电光调Q模块中，所述电光调Q模块将所述入射激光转变为线偏振激光并改变所述入射激光的偏振态，然后将所述入射激光投射到所述色散棱镜上；

S2、所述色散棱镜将所述入射激光分离成两个波长不同的所述第一波长激光和所述第二波长激光，然后将所述第一波长激光和所述第二波长激光分别投射到所述第一波长激光增益模块和所述第二波长激光增益模块内；

S3、所述第一波长激光增益模块增益所述第一波长激光，并按照原光路将增益后的所述第一波长激光反射到所述色散棱镜上；所述第二波长激光增益模块增益所述第二波长激光，并按照原光路将增益后的所述第二波长激光反射到所述色散棱镜上；

S4、所述第一波长激光和所述第二波长激光通过所述色散棱镜合并成双波长激光，所述双波长激光依次通过所述电光调Q模块和所述激光镜来共轴输出；其中，所述电光调Q模块和所述激光镜将所述双波长激光中的所述第一波长激光和所述第二波长激光的偏振态、光轴以及光束质量保持一致。

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