CN113708200A - 一种266nm深紫外激光发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种266nm深紫外激光发生装置，包括：基频激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组；其中，所述基频激光器发出的1064nm基频激光依次经过所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组得到266nm深紫外激光；所述棱镜组包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜和第二棱镜为等腰三角形棱镜，呈布氏角区间内的角度设置，所述布氏角区间为布氏角‑5°至布氏角+5°的角度区间。本发明266nm深紫外激光发生装置走离小、效率高、工艺难度低、成本较低、优化了光斑圆度。

Description

一种266nm深紫外激光发生装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种266nm深紫外激光发生装置。

背景技术

266nm深紫外固体激光器常用于晶圆缺陷的在线监测设备，目前，得到266nm深紫外激光较常见的是通过两次倍频实现，现有的266nm深紫外激光获取方式单一、走离大、效率低、工艺复杂、成本较高，光斑圆度不好，难以满足应用需求。因此，亟需提出一种走离小、效率高、工艺难度低、成本较低、光斑圆度优化的266nm深紫外激光发生装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述问题，本发明的主要目的在于提供一种266nm深紫外激光发生装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种266nm深紫外激光发生装置，包括：

基频激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组；其中，所述基频激光器发出的1064nm基频激光依次经过所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组得到266nm深紫外激光；

所述棱镜组包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜和第二棱镜为等腰三角形棱镜，呈布氏角区间内的角度设置，所述布氏角区间为布氏角-5°至布氏角+5°的角度区间。

进一步的，所述二倍频晶体、三倍频晶体及四倍频晶体设置在瑞利范围内，且接近束腰设置。

进一步的，所述的266nm深紫外激光发生装置还包括：

波片体和偏振片，设置在所述基频激光器与所述二倍频晶体之间，通过所述波片体与偏振片组合选偏。

进一步的，通过移动所述四倍频晶体，利用采样反馈电动自调整方式进行功率反馈。

进一步的，所述基频激光的光斑发散角介于1.1～1.4mrad之间。

进一步的，所述二倍频晶体用于接收所述1064nm基频激光，并输出532nm二倍频激光以及1064nm基频激光；

所述三倍频晶体用于接收所述二倍频晶体输出的所述532nm二倍频激光和1064nm基频激光，将所述二倍频激光和基频激光进行和频得到355nm三倍频激光，并输出355nm三倍频激光、532nm二倍频激光以及1064nm基频激光；

所述四倍频晶体用于接收所述三倍频晶体输出的所述355nm三倍频激光和1064nm基频激光，将所述三倍频激光和基频激光进行和频得到266nm四倍频激光，并输出266nm四倍频激光、355nm三倍频激光以及1064nm基频激光。

进一步的，所述的266nm深紫外激光发生装置还包括：

二向色片，设置在所述三倍频晶体与所述四倍频晶体之间的，用于滤除所述三倍频晶体输出的所述532nm二倍频激光。

进一步的，所述的266nm深紫外激光发生装置还包括：扩束镜；其中，所述棱镜组用于将所述四倍频晶体输出的266nm四倍频激光、355nm三倍频激光以及1064nm基频激光分开，所述扩束镜用于扩束输出266nm四倍频激光。

进一步的，所述第一棱镜和第二棱镜呈布氏角区间内的角度设置即所述第一棱镜和第二棱镜表面的入射光呈布鲁斯特角区间入射，入射角介于布氏角-5°至布氏角+5°之间。

进一步的，所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体为LBO晶体，所述二倍频晶体温度设置为149℃，所述三倍频晶体温度设置为50℃。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种266nm深紫外激光发生装置至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明266nm深紫外激光发生装置，第一棱镜和第二棱镜呈接近布氏角度设置，通过棱镜的接近布氏角设置，优化了光斑的圆度。利用棱镜的接近布氏角设置和全反射特点来进行分束，棱镜不容易损伤，减少了激光的损耗，避免了二向色片镀膜不可靠问题。

(2)本发明266nm深紫外激光发生装置包括基频激光器、二倍频晶体、三倍频晶体及四倍频晶体，利用基频激光进行二倍频后，再直接和频出三倍频，三倍频产生的355nm激光与基频和频，得到266nm激光。本发明利用三倍频与基频和频走离小，效率高，工艺难度低，成本较低。

(3)通过波片与偏振片组合选偏，有利于控制输出功率。

(4)所述二倍频晶体、三倍频晶体及四倍频晶体设置在瑞利范围内，利用瑞利范围对后续的匹配，使光的利用率高，稳定性好。

(5)通过移动所述四倍频晶体，利用采样反馈电动自调整方式进行功率反馈，当发现输出功率下降时(四倍频损伤时，进行功率反馈)，将四倍频晶体移动一个位置，通过采样反馈电动自调整方式来实现，即可对四倍频进行移点处理，由此提升了整机使用寿命。

(6)所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体为LBO晶体，工艺简单可靠，降低了成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明实施例266nm深紫外激光发生装置结构示意图。

<符号说明>

1-波片体、2-偏振片、3-二倍频晶体、4-三倍频晶体、5-二向色片、6-四倍频晶体、7-棱镜组、8-扩束镜、71,72-棱镜

具体实施方式

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。

本发明提出一种266nm深紫外激光发生装置，包括：基频激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组；其中，所述基频激光器发出的1064nm基频激光依次经过所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组得到266nm深紫外激光；所述棱镜组包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜和第二棱镜为等腰三角形棱镜，呈布氏角区间内的角度设置，所述布氏角区间为布氏角-5°至布氏角+5°的角度区间。

所述第一棱镜和第二棱镜呈布氏角区间内的角度设置，即接近布氏角设置，也即所述第一棱镜和第二棱镜配置为使其表面的入射光呈布鲁斯特角区间入射，入射角介于布氏角-5°至布氏角+5°之间，θB-5°≤θi≤θB+5°，tanθB＝n2/n1，θB为布鲁斯特角(简称布氏角)，θi为入射角，n2为棱镜介质的折射率，n1为空气介质的折射率。

相较于现有的通过两次倍频实现266nm深紫外激光，三倍频在市场上已经有成熟工艺和稳定产品，本发明利用三倍频与基频和频走离小，效率高，工艺难度低，成本较低。而且，通过棱镜的布氏角设置，优化了光斑的圆度。

具体的，所述二倍频晶体用于接收所述1064nm基频激光，并输出532nm二倍频激光以及1064nm基频激光；所述三倍频晶体用于接收所述二倍频晶体输出的所述532nm二倍频激光和1064nm基频激光，将所述二倍频激光和基频激光进行和频得到355nm三倍频激光，并输出355nm三倍频激光、532nm二倍频激光以及1064nm基频激光；所述四倍频晶体用于接收所述三倍频晶体输出的所述355nm三倍频激光和1064nm基频激光，将所述三倍频激光和基频激光进行和频得到266nm四倍频激光，并输出266nm四倍频激光、355nm三倍频激光以及1064nm基频激光。

进一步的，所述的266nm深紫外激光发生装置还包括：波片体和偏振片，设置在所述基频激光器与所述二倍频晶体之间，通过所述波片体与偏振片组合选偏。

更进一步的，所述的266nm深紫外激光发生装置还包括：二向色片，设置在所述三倍频晶体与所述四倍频晶体之间的，用于滤除所述三倍频晶体输出的所述532nm二倍频激光，保留所述三倍频晶体输出的所述1064nm基频激光和355nm三倍频激光；棱镜组和扩束镜，用于将所述四倍频晶体输出的266nm四倍频激光、355nm三倍频激光以及1064nm基频激光分开，并扩束输出266nm四倍频激光。

优选的，所述二倍频晶体、三倍频晶体及四倍频晶体设置在瑞利范围内，且接近束腰设置，即从晶体的中心起瑞利距离的一倍。利用瑞利范围对后续的匹配，使光的利用率高，稳定性高。

本发明可通过移动所述四倍频晶体，利用采样反馈电动自调整方式进行功率反馈，当发现输出功率下降时(四倍频损伤时，进行功率反馈)，将四倍频晶体移动一个位置(即移点方式)，通过采样反馈电动自调整方式来实现，即可对四倍频进行移点处理，由此提升了整机使用寿命。

下面结合附图1详细介绍本发明实施例266nm深紫外激光发生装置。本实施例提出一种新的266nm深紫外激光实现方式，概括而言，利用长瑞利范围的基频激光进行二倍频后，再直接和频出三倍频，采用三倍频产生的355nm激光与基频和频，由此得到266nm激光。

具体而言，如图1所示，所述266nm深紫外激光发生装置包括，基频激光器(未图示)、波片体1、偏振片2、二倍频晶体3、三倍频晶体4、二向色片5、四倍频晶体6、棱镜组7及扩束镜8。

1、基频激光器的选择

基频激光器采用固体皮秒激光器，前端固体皮秒激光器能够提供的指标参数如下表1所示。

表1前端固体激光器相应参数

关键参数	指标要求
		输出波长	1064nm
偏振方向	线偏振
		重复频率	1MHz～2MHz
脉冲宽度	15±3ps
		光束质量(M<sup>2</sup>)	＜1.2
光斑发散角	＜1.4mrad

2、二倍频激光的产生

本发明实施例使用LBO晶体进行二三四倍频的和频设计，LBO是一种性能优良的非线性光学晶体，具有光学损伤阈值较高，非线性系数适中，化学性能稳定，机械硬度高，产品适用范围广等特点。

当使用LBO进行二倍频时，这里使用LBO晶体的I类相位匹配，温度设置为149℃，以使基频光和倍频光经过LBO晶体后没有走离。

当温度为149℃时，相应晶体的角度公差和接受角范围都非常大，这样对激光具有非常大的包容性，晶体具有非常高的倍频效率。

在设计光路时，考虑到各个晶体接受角限制，采用高光束质量，小发散角的基频激光，本发明实施例采用光束质量高的大口径基频激光，发散角控制在1.1～1.4mrad之间。利用瑞利范围对后续的匹配，使光的利用率高，稳定性高。

当使用适当长度的晶体时整体输出532nm激光转化效率在40％～50％，满足后级匹配功率，并不追求532nm输出功率，而是关注后级的效率，可以通过调节晶体温度来在一定范围内控制相应倍频效率。

3、三倍频激光的产生

利用1064nm基频光和532nm倍频光进行和频可以得到354.7nm的三倍频激光。

由于LBO晶体的高可靠性，所以和频354.7nm激光仍然使用LBO晶体。由于前级是无走离的基频光和倍频光，这里直接将两束光入射到LBO晶体中就可以实现两束光的和频。

当使用LBO进行三倍频和频时，使用晶体的II类相位匹配，温度设置到50℃，主要目的在于防止晶体潮解。

532nm激光在晶体中的走离为9.49mrad，相应走离不是很大，对和频效率影响有限，而354.7nm激光和1064nm激光共线，且没有走离，这样可以保证354.7nm激光的光束质量。使用适当长度的晶体，紫外的出光效率受重频，脉宽，前级注入功率及自身温度角度控制的影响，可在20％～40％之间选择，剩余基频光很多，可以通过调节晶体温度来在一定范围内控制相应和频效率。

4、四倍频激光的产生

依然使用LBO做和频晶体。利用基频光锐利范围长，无走离的特点，把1064nm基频激光与355nm激光和频。266nm激光在晶体中的走离为16.2mrad，相应走离不是很大，这样可以保证266nm激光的光束质量。晶体接受角(与晶体的长度，材质，温度，切割角度，波长有关，为一理论值)比较大，容易获得更高功率的266nm紫外的出光功率。从时间走离来看，1064nm和355nm激光时域差距约为3ps，相对于10～14ps脉宽而言比较小，可忽略影响。从空间走离来看，由于1064nm光斑较大，可保证和频效率不受影响，也可以忽略。

5、总体布局设计

整体采用大口径准直1064nm基频激光器经一次二倍频，一次三倍频一次四倍频即可得到266nm激光。具体的，1064nm基频激光器，通过电动转台来调整波片，与偏振片配合控制输出功率，即通过波片偏振片组合选偏，1064nm基频光进入二倍频晶体产生532nm激光，因二倍频晶体为高温晶体，保证了1064nm激光和532nm激光无走离输出，两种激光再进入三倍频晶体和频出355nm激光，此时出射激光中1064nm激光和355nm激光无相对走离，再通过二向色片滤去532nm激光，保留1064nm激光和355nm激光进入四倍频晶体和频，产生出266nm激光。通过棱镜将三种光分开，扩束后只输出266nm激光，其它激光均为垃圾光处理掉。为提升整机使用寿命，可对四倍频进行移点处理，当发现输出功率下降时(四倍频损伤时，进行功率反馈)，将四倍频晶体移动一个位置，通过采样反馈电动自调整方式来实现。所述二倍频晶体，三倍频晶体及四倍频晶体设置在瑞利范围内，尽量靠近束腰摆放。

本实施例棱镜组7包括棱镜71和棱镜72，棱镜71和棱镜72可以是两个等腰三角形棱镜，两个棱镜的底角相对(调整光线路径)，呈接近布氏角度摆放(在正负5度内调整)，通过棱镜的角度设计对光斑的圆度进行优化。棱镜71和棱镜72的两个底角可以接触也可以不接触，只需接近布氏角摆放即可。

采用本实施例结构，综合走离效应相对较小，容易得到较高光束质量的266nm激光；利用准直高斯光的长瑞利范围的特点，保证了进入各级晶体的激光均在接受角范围内，以提升前级激光利用率；非线性晶体都选用较为成熟的LBO晶体，工艺简单可靠，虽然与选用CLBO相比增加了一次和频过程，但由于LBO晶体价格便宜，降低了总成本；而且使用棱镜的布氏角和全反射特点来进行分束，棱镜不容易损伤，并减少了激光的损耗，避免了二向色片镀膜不可靠问题；通过二向色片滤除532nm激光，进一步消除了无用光带来的干扰因素，提升了可靠性。

至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

当然，根据实际需要，本发明还可以包含其他的部分，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中发明的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

再者，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

此外，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。说明书中示例的各个实施例中的技术特征在无冲突的前提下可以进行自由组合形成新的方案，另外每个权利要求可以单独作为一个实施例或者各个权利要求中的技术特征可以进行组合作为新的实施例，且在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中未绘示或描述的元件或实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

除非存在技术障碍或矛盾，本发明的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本发明的保护范围中。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本发明的限制。

虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，包括：

基频激光器、二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组；其中，所述基频激光器发出的1064nm基频激光依次经过所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体及棱镜组得到266nm深紫外激光；

所述棱镜组包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜和第二棱镜为等腰三角形棱镜，呈布氏角区间内的角度设置，所述布氏角区间为布氏角-5°至布氏角+5°的角度区间。

2.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，所述二倍频晶体、三倍频晶体及四倍频晶体设置在瑞利范围内，且接近束腰设置。

3.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，还包括：

波片体和偏振片，设置在所述基频激光器与所述二倍频晶体之间，通过所述波片体与偏振片组合选偏。

4.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，通过移动所述四倍频晶体，利用采样反馈电动自调整方式进行功率反馈。

5.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，所述基频激光的光斑发散角介于1.1～1.4mrad之间。

6.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，所述二倍频晶体用于接收所述1064nm基频激光，并输出532nm二倍频激光以及1064nm基频激光；

所述三倍频晶体用于接收所述二倍频晶体输出的所述532nm二倍频激光和1064nm基频激光，将所述二倍频激光和基频激光进行和频得到355nm三倍频激光，并输出355nm三倍频激光、532nm二倍频激光以及1064nm基频激光；

所述四倍频晶体用于接收所述三倍频晶体输出的所述355nm三倍频激光和1064nm基频激光，将所述三倍频激光和基频激光进行和频得到266nm四倍频激光，并输出266nm四倍频激光、355nm三倍频激光以及1064nm基频激光。

7.根据权利要求6所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，还包括：

二向色片，设置在所述三倍频晶体与所述四倍频晶体之间的，用于滤除所述三倍频晶体输出的所述532nm二倍频激光。

8.根据权利要求7所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，还包括：扩束镜；其中，所述棱镜组用于将所述四倍频晶体输出的266nm四倍频激光、355nm三倍频激光以及1064nm基频激光分开，所述扩束镜用于扩束输出266nm四倍频激光。

9.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，所述第一棱镜和第二棱镜呈布氏角区间内的角度设置即所述第一棱镜和第二棱镜表面的入射光呈布鲁斯特角区间入射，入射角介于布氏角-5°至布氏角+5°之间。

10.根据权利要求1所述的266nm深紫外激光发生装置，其特征在于，所述二倍频晶体、三倍频晶体、四倍频晶体为LBO晶体，所述二倍频晶体温度设置为149℃，所述三倍频晶体温度设置为50℃。

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