CN114430875A - 基于光子晶体光纤的宽带光源的模式控制 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于控制包括光子晶体光纤(PCF)的宽带光源的输出模式的模式控制系统和方法。模式控制系统包括：至少一个检测单元，被配置为测量从宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以生成测量数据；和处理单元，被配置为通过所述测量数据评估从宽带光源发射的所述辐射的模式纯度。基于所述评估，所述模式控制系统被配置为生成用于优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件的控制信号。所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于所述光子晶体光纤的光纤芯部的所述耦合相关。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年9月2日提交的EP申请19194974.2和于2019年12月11日提交的EP申请19215183.5和于2020年1月20日提交的EP申请20152635.7和于2020年3月26日提交的EP申请20165824.2的优先权，这些都通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及基于光子晶体光纤的宽带辐射发生器的模式控制，具体地涉及与集成电路制造中的量测应用相关的这种宽带辐射发生器。
背景技术
光刻设备是被构造为将期望的图案施加到衬底上的机器。光刻设备可以被用于例如集成电路(IC)的制造中。光刻设备可以例如在图案形成装置(例如掩模)处将图案(通常也称为“设计布局”或“设计”)投影到设置在衬底(例如晶片)上的辐射敏感材料(抗蚀剂)层上。
为了将图案投影到衬底上，光刻设备可以使用电磁辐射。该辐射的波长确定了可以被形成在衬底上的特征的最小尺寸。当前使用的典型波长是365nm(i线)、248nm、193nm和13.5nm。与使用例如波长为193nm的辐射的光刻设备相比，使用波长在4至20nm范围内(例如6.7nm或13.5nm)的极紫外(EUV)辐射的光刻设备可以被用于在衬底上形成更小的特征。
低k1光刻可以被用于处理尺寸小于光刻设备的经典分辨率极限的特征。在这种过程中，分辨率公式可以被表达为CD＝k1×λ/NA，其中λ是所采用的辐射波长，NA是光刻设备中的投影光学器件的数值孔径，CD是“临界尺寸”(通常打印的最小特征尺寸，但在这种情况下是半间距)，并且k1是经验分辨率因子。通常，k1越小，就越难在衬底上再现与电路设计者计划的形状和尺寸类似的图案，以实现特定电气功能性和性能。为了克服这些困难，复杂的微调步骤可以被应用于光刻投影设备和/或设计布局。例如，这些包括但不限于NA的优化、定制照射方案、相移图案形成装置的使用、设计布局中的诸如光学邻近效应校正(OPC，有时也称为“光学和过程校正”)等设计布局的各种优化或者通常定义为“分辨率增强技术”(RET)的其他方法。备选地，用于控制光刻设备的稳定性的紧密控制环可以被用于改进低k1下的图案的再现。
量测工具被用于IC制造过程的许多方面，例如作为用于在曝光之前正确定位衬底的对准工具、用于测量衬底表面拓扑的调平工具、例如用于在过程控制中检查/测量曝光和/或蚀刻的产品的聚焦控制和基于散射测量的工具。在每种情况下，都需要辐射源。出于各种原因，包括测量稳健性和准确性，宽带或白光辐射源越来越多地被用于这种量测应用。期望改进用于宽带辐射生成的现有装置。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供了一种模式控制系统，被配置用于控制包括光子晶体光纤(PCF)的宽带光源的输出模式，该模式控制系统包括：至少一个检测单元，被配置为测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以生成测量数据；以及处理单元，被配置为通过所述测量数据评估从所述宽带光源发射的所述辐射的模式纯度；其中基于评估，模式控制系统被配置为生成控制信号以优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件；所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的耦合相关。
在本发明的第二方面中，提供了一种包括光子晶体光纤的宽带光源的模式控制方法，该方法包括：测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以获得测量数据；通过所述测量数据评估从所述宽带光源发射的所述辐射的模式纯度；以及生成控制信号以优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件；所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的耦合相关。
本发明的其他方面包括宽带光源和量测装置，其包括第一方面的模式控制系统。
附图说明
本发明的实施例现在将参照所附示意图仅通过示例描述，其中：
-图1描绘了光刻设备的示意性概述；
-图2描绘了光刻单元的示意性概述；
-图3描绘了整体光刻的示意性表示，表示了三种关键技术之间的协作以优化半导体制造；
-图4描绘了用作量测装置的散射测量设备的示意性概述，其可以包括根据本发明的实施例的辐射源；
-图5描绘了水平传感器设备的示意性概述，其可以包括根据本发明的实施例的辐射源；
-图6描绘了对准传感器设备的示意性概述，其可以包括根据本发明的实施例的辐射源；
-图7示意性地描绘了用于白光生成的两种HC-PCF设计的横截面，包括(a)Kagome设计和(b)单环设计；
-图8示意性地描绘了示例性充气的基于HC-PCF的宽带光源装置；
-图9是描述了根据本发明的实施例的模式控制系统的操作程序的流程图。
-图10示意性地描绘了根据本发明的第一实施例的配备有模式控制系统的宽带光源，用于优化和稳定光源的基本横向模式LP01。
-图11示意性地描绘了根据本发明的第二实施例的配备有模式控制系统的宽带光源，用于优化和稳定光源的基本横向模式LP01。
-图12示意性地描绘了根据本发明的第三实施例的配备有模式控制系统的宽带光源，用于优化和稳定光源的基本横向模式LP01。
-图13示意性地描绘了根据本发明的第四实施例的配备有模式控制系统的宽带光源，用于优化和稳定光源的基本横向模式LP01。
-图14示意性地描绘了根据本发明的不同实施例的配备有模式控制系统的宽带光源，用于优化和稳定光源的基本横向模式LP01；
-图15示意性地描绘了根据用于粗糙对准的第一实施例的粗糙对准布置；
-图16示意性地描绘了根据用于粗糙对准的第二实施例的粗糙对准布置；
-图17示意性地描绘了根据用于粗糙对准的第三实施例的粗糙对准布置；以及
-图18示意性地描绘了根据可用于至少图15至17中描绘的粗糙对准布置的特定光学操纵单元。
-图19示意性地描绘了根据实施例的配备有特定定时控制系统的宽带光源，用于控制和确定宽带光源的脉冲定时。
-图20示意性地描绘了根据实施例的配备有特定偏振控制系统的宽带光源，用于优化和稳定宽带光源的输出偏振。
具体实施方式
在本文档中，术语“辐射”和“束”被用于涵盖所有类型的电磁辐射，包括紫外辐射(例如波长为365、248、193、157或126nm)和EUV(极紫外辐射，例如波长在约5至100nm的范围内)。
本文中采用的术语“掩模版”、“掩模”或“图案形成装置”可以被广义地解释为指代通用图案形成装置，其可以被用于向传入的辐射束赋予图案化的横截面，对应于将在衬底的目标部分中创建的图案。在该上下文中，术语“光阀”也可以被使用。除了经典的掩模(透射或反射的、二进制的、相移的、混合的等)以外，其他这种图案形成装置的示例还包括可编程反射镜阵列和可编程LCD阵列。
图1示意性地描绘了光刻设备LA。光刻设备LA包括被配置为调节辐射束B(例如UV辐射、DUV辐射或EUV辐射)的照射系统(也称为照射器)IL、被构造为支撑图案形成装置(例如掩模)MA并且连接至第一定位器PM(被配置为根据某些参数准确地定位图案形成装置MA)的掩模支撑件(例如掩模台)MT、被构造为保持衬底(例如抗蚀剂涂覆的晶片)W并且连接至第二定位器PW(被配置为根据某些参数准确地定位衬底支撑件)的衬底支撑件(例如晶片台)WT以及被配置为将通过图案形成装置MA赋予辐射束B的图案投影到衬底W的目标部分C(例如包括一个或多个管芯)上的投影系统(例如折射投影透镜系统)PS。
在操作中，照射系统IL从辐射源SO(例如经由束递送系统BD)接收辐射束。照射系统IL可以包括各种类型的光学部件，诸如折射、反射、磁性、电磁、静电和/或其他类型的光学部件或其任何组合，以用于导向、整形和/或控制辐射。照射器IL可以被用于调节辐射束B，以使在其横截面中在图案形成装置MA的平面处具有期望的空间和角强度分布。
本文使用的术语“投影系统”PS应该被广义地解释为涵盖各种类型的投影系统，包括折射、反射、反射折射、变形、磁性、电磁和/或静电光学系统或其任何组合，以适合于所使用的曝光辐射和/或其他因素(诸如使用浸没液或使用真空)。本文中对术语“投影透镜”的任何使用可以被认为与更通用的术语“投影系统”PS同义。
光刻设备LA可以是其中衬底的至少一部分可以被具有相对较高的折射率的液体(例如水)覆盖的类型，以填充投影系统PS和衬底W之间的空间，这也被称为浸没式光刻。关于浸没技术的更多信息在US6952253中给出，其通过引用并入本文。
光刻设备LA也可以是具有两个或多个衬底支撑件WT的类型(也称为“双工作台”)。在这种“多工作台”机器中，衬底支撑件WT可以被并行使用，和/或准备随后曝光衬底W的步骤可以对位于衬底支撑件WT中的一个衬底支撑件WT上的衬底W执行，而其他衬底支撑件WT上的另一衬底W被用于在其他衬底W上曝光图案。
除了衬底支撑件WT之外，光刻设备LA可以包括测量工作台。测量工作台被布置为保持传感器和/或清理装置。传感器可以被布置为测量投影系统PS的性质或辐射束B的性质。测量工作台可以保持多个传感器。清理装置可以被布置为清理光刻设备的一部分，例如投影系统PS的一部分或提供浸没液的系统的一部分。当衬底支撑件WT远离投影系统PS时，测量工作台可以在投影系统PS下方移动。
在操作中，辐射束B入射到图案形成装置(例如掩模MA)上，其被保持在掩模支撑件MT上，并且通过在图案形成装置MA上存在的图案(设计布局)来图案化。在遍历掩模MA后，辐射束B穿过投影系统PS，该投影系统PS将束聚焦到衬底W的目标部分C上。借助于第二定位器PW和位置测量系统IF，衬底支撑件WT可以被准确地移动，例如以便在聚焦和对准位置处将不同的目标部分C定位在辐射束B的路径中。类似地，第一定位器PM和可能的另一位置传感器(未在图1中明确描绘)可以被用于相对于辐射束B的路径准确地定位图案形成装置MA。图案形成装置MA和衬底W可以使用掩模对准标记M1、M2和衬底对准标记P1、P2来对准。尽管所图示的衬底对准标记P1、P2占用了专用目标部分，但是它们可以位于目标部分之间的空间中。当衬底对准标记P1、P2位于目标部分C之间时，这些被称为划道对准标记。
如图2所示，光刻设备LA可以形成光刻单元LC的一部分，该光刻单元LC有时也称为光刻单元或(光刻单元)集群，其通常还包括在衬底W上执行曝光前和曝光后过程的设备。常规来说，这些包括用于沉积抗蚀剂层的旋涂器SC、使曝光的抗蚀剂显影的显影器DE、例如用于调节衬底W的温度(例如用于调节抗蚀剂层中的溶剂)的激冷板CH和烘烤板BK。衬底处置器或机器人RO从输入/输出端口I/O1、I/O2拾取衬底W，在不同的过程设备之间移动它们，并且将衬底W递送给光刻设备LA的进料台LB。光刻单元中的装置(通常也被统称为轨道)通常受轨道控制单元TCU的控制，该轨道控制单元TCU本身可以由监督控制系统SCS控制，该监督控制系统SCS也可以控制光刻设备LA，例如经由光刻控制单元LACU。
为了使由光刻设备LA曝光的衬底W正确且一致地曝光，期望检查衬底以测量图案化结构的性质，诸如后续层之间的重叠误差、线厚度、临界尺寸(CD)等。为此目的，检查工具(未示出)可能被包括在光刻单元LC中。如果误差被检测到，则例如调整可以对后续衬底的曝光或要在衬底W上执行的其他处理步骤进行，特别是如果检查在同一批次或批量的其他衬底W仍然要被曝光或处理之前完成。
检查设备(也可以被称为量测设备)被用于确定衬底W的性质，特别是不同衬底W的性质如何变化，或与同一衬底W的不同层相关联的性质如何在层间发生变化。检查设备可以备选地被构造为标识衬底W上的缺陷，并且例如可以是光刻单元LC的一部分，或者可以被集成到光刻设备LA中，甚或可以是独立的装置。检查设备可以测量潜像(曝光后抗蚀剂层中的图像)或半潜影(曝光后烘烤步骤PEB后抗蚀剂层中的图像)或显影后的抗蚀剂图像(其中抗蚀剂的曝光或未曝光部分已经被移除)上的性质，甚或已蚀刻图像(在诸如蚀刻等图案转印步骤之后)上的性质。
通常，光刻设备LA中的图案化过程是处理中最关键的步骤中的一个步骤，它需要衬底W上的结构的高准确性的尺寸确定和放置。为了确保这种高准确性，三个系统可以被组合到所谓的“整体”控制环境中，如图3中示意性地描绘的。这些系统中的一个系统是光刻设备LA，它(实际上)被连接至量测工具MET(第二系统)和计算机系统CL(第三系统)。这种“整体”环境的关键是优化这三个系统之间的协作以增强整个过程窗口，并且提供紧密控制环以确保由光刻设备LA执行的图案化停留在过程窗口内。过程窗口限定了过程参数范围(例如剂量、聚焦、重叠)，在该过程参数范围内，具体的制造过程会产生限定的结果(例如功能半导体装置)，典型地在该过程参数范围内，光刻过程或图案化过程中的过程参数被允许变化。
计算机系统CL可以使用要被图案化的设计布局(的一部分)，以预测要使用的分辨率增强技术，并且执行计算光刻模拟和计算以确定哪些掩模布局和光刻设备设置实现了图案化过程的最大总体过程窗口(在图3中由第一标尺SC1中的双箭头描绘)。典型地，分辨率增强技术被布置为匹配光刻设备LA的图案化可能性。计算机系统CL还可以被用于检测光刻设备LA当前正在过程窗口内何处操作(例如使用来自量测工具MT的输入)，以预测是否由于例如次优处理而可能存在缺陷(在图3中由第二标尺SC2中指向“0”的箭头描绘)。
量测工具MT可以向计算机系统CL提供输入以实现准确的模拟和预测，并且可以向光刻设备LA提供反馈以标识可能的漂移，例如在光刻设备LA的校准状态(在图3中由第三标尺SC3中的多个箭头描绘)下。
在光刻过程中，期望对所创建的结构进行频繁测量，例如以进行过程控制和验证。进行这种测量的工具典型地被称为量测工具MT。用于进行这种测量的不同类型的量测工具MT是已知的，包括扫描电子显微镜或各种形式的散射仪量测工具MT。散射仪是多功能仪器，其通过将传感器置于散射仪物镜的光瞳或与光瞳的共轭平面中(这些测量通常称为基于光瞳的测量)或者通过将传感器置于图像平面或与图像平面共轭的平面中(在这种情况下，这些测量通常被称为基于图像或场的测量)来允许测量光刻过程的参数。这种散射仪和关联的测量技术在专利申请US20100328655、US2011102753A1、US20120044470A、US20110249244、US20110026032或EP1,628,164A中进一步描述，其通过引用全部并入本文。上述散射仪可以使用来自软x射线并且对于近IR波长范围可见的光来测量光栅。
在第一实施例中，散射仪MT是角分辨散射仪。在这种散射仪中，重构方法可以被应用于所测量的信号以重构或计算光栅的性质。例如，这种重构可以通过模拟散射辐射与目标结构的数学模型的相互作用并且将模拟结果与测量结果进行比较来进行。数学模型的参数被调整，直到模拟的相互作用产生类似于从实际目标观察到的衍射图案为止。
在第二实施例中，散射仪MT是光谱散射仪MT。在这种光谱散射仪MT中，由辐射源发射的辐射被导向到目标上，并且来自目标的反射或散射辐射被导向到光谱仪检测器，该光谱仪检测器测量镜面反射辐射的光谱(即，根据波长测量强度)。通过该数据，例如通过严格耦合波分析和非线性回归或通过与模拟的光谱库进行比较，产生检测到的光谱的目标的结构或轮廓可以被重构。
在第三实施例中，散射仪MT是椭偏散射仪。椭偏散射仪允许通过测量针对每个偏振态的散射辐射来确定光刻过程的参数。这种量测设备通过在量测设备的照射区段中使用例如适当的偏振滤光器来发射偏振光(诸如线性的、圆形的或椭圆形的)。适合于量测设备的源也可以提供偏振辐射。现有椭偏散射仪的各种实施例在美国专利申请11/451,599、11/708,678、12/256,780、12/486,449、12/920,968、12/922,587、13/000,229、13/033,135、13/533,110和13/891,410中描述，其通过引用全部并入本文。
诸如散射仪等量测设备在图4中描绘。它包括将辐射投影到衬底W上的宽带(白光)辐射投影仪2。反射或散射的辐射被传递到光谱仪检测器4，该光谱仪检测器4测量镜面反射辐射的光谱6(即，根据波长测量强度)。通过该数据，例如通过严格耦合波分析和非线性回归或通过与图3的底部所示的模拟光谱库进行比较，产生检测到的光谱的结构或轮廓8可以由处理单元PU重构。通常，针对重构，该结构的一般形式是已知的，并且一些参数通过该结构被制造的过程的知识假设，仅有该结构的几个参数要从散射测量数据确定。这种散射仪可以被配置为正入射散射仪或斜入射散射仪。
经由量测目标的测量的光刻参数的总体测量质量至少部分地由用于测量该光刻参数的测量方案确定。术语“衬底测量方案”可以包括测量本身的一个或多个参数、被测量的一个或多个图案的一个或多个参数或两者。例如，如果在衬底测量方案中使用的测量是基于衍射的光学测量，则测量的一个或多个参数可以包括辐射的波长、辐射的偏振、相对于衬底的辐射入射角、相对于衬底上的图案的辐射定向等。选择测量方案的标准中的一个标准可以是例如测量参数中的一个测量参数对处理变化的敏感性。更多示例在美国专利申请US2016-0161863和发布的美国专利申请US 2016/0370717A1中描述，其通过引用全部并入本文。
IC制造中使用的另一类型的量测工具是形貌测量系统、水平传感器或高度传感器。这种工具可以被集成在光刻设备中，用于测量衬底(或晶片)的顶表面的形貌。衬底的形貌的地图(也称为高度图)可以从这些测量生成，其根据在衬底上的位置指示衬底的高度。该高度图随后可以被用于在将图案转印到衬底上期间校正衬底的位置，以便在衬底上的适当聚焦的位置中提供图案形成装置的航空图像。要理解，在该上下文中，“高度”是指对于衬底明显在平面之外的尺寸(也称为Z轴)。典型地，水平或高度传感器在固定位置(相对于其自己的光学系统)执行测量，并且衬底与水平或高度传感器的光学系统之间的相对移动导致在整个衬底上的位置处进行高度测量。
本领域中已知的水平或高度传感器LS的示例在图5中示意性地示出，图5仅图示了操作原理。在该示例中，水平传感器包括光学系统，该光学系统包括投影单元LSP和检测单元LSD。投影单元LSP包括辐射源LSO，该辐射源LSO提供由投影单元LSP的投影光栅PGR施加的辐射束LSB。辐射源LSO可以是例如窄带或宽带辐射源(诸如超连续谱光源)、偏振的或非偏振的、脉冲的或连续的，诸如偏振或非偏振激光束。辐射源LSO可以包括具有不同颜色或波长范围的多个辐射源，诸如多个LED。水平传感器LS的辐射源LSO不限于可见辐射，而是可以附加地或备选地涵盖UV和/或IR辐射以及适合于从衬底表面反射的任何波长范围。
投影光栅PGR是包括周期性结构的周期性光栅，该周期性结构导致辐射束BE1具有周期性变化的强度。强度周期性变化的辐射束BE1被导向衬底W上的测量位置MLO，具有相对于与入射衬底表面垂直的轴(Z轴)入射角ANG，入射角ANG在0度与90度之间，通常在70度与80度之间。在测量位置MLO处，图案化的辐射束BE1由衬底W反射(由箭头BE2指示)，并且被导向检测单元LSD。
为了确定测量位置MLO处的高度水平，水平传感器还包括检测系统，该检测系统包括检测光栅DGR、检测器DET和用于处理检测器DET的输出信号的处理单元(未示出)。检测光栅DGR可以与投影光栅PGR相同。检测器DET产生检测器输出信号，该检测器输出信号指示接收到的光(例如(诸如光电检测器)指示接收到的光的强度)或者表示接收到的强度的空间分布(诸如相机)。检测器DET可以包括一种或多种检测器类型的任何组合。
借助于三角测量技术，测量位置MLO处的高度水平可以被确定。检测到的高度水平典型地与由检测器DET测量的信号强度相关，该信号强度具有周期性，该周期性尤其取决于投影光栅PGR的设计和(倾斜)入射角ANG。
投影单元LSP和/或检测单元LSD可以包括沿着投影光栅PGR和检测光栅DGR(未示出)之间的图案化的辐射束的路径的其他光学元件，诸如透镜和/或反射镜。
在实施例中，检测光栅DGR可以被省略，并且检测器DET可以被放置在检测光栅DGR所在的位置。这种配置提供了对投影光栅PGR的图像的更直接的检测。
为了有效地覆盖衬底W的表面，水平传感器LS可以被配置为将参考束BE1的阵列投影到衬底W的表面上，从而生成测量区域MLO或覆盖更大测量范围的光斑的阵列。
例如，一般类型的各种高度传感器在US7265364和US7646471中公开，两者均通过引用并入本文。使用UV辐射而不是可见辐射或红外辐射的高度传感器在US2010233600A1中公开，其通过引用并入本文。在WO2016102127A1(其通过引用并入本文)中，紧凑型高度传感器被描述，其使用多元件检测器来检测和识别光栅图像的位置，而不需要检测光栅。
IC制造中使用的另一类型的量测工具是对准传感器。因此，光刻设备的性能的关键方面是能够关于在先前层中(通过相同的设备或不同的光刻设备)铺设的特征正确且准确地放置所施加的图案。为此目的，衬底被提供有标记或目标的一个或多个集合。每个标记都是一种结构，其位置可以在稍后时间使用位置传感器(通常是光学位置传感器)进行测量。位置传感器可以被称为“对准传感器”，并且标记可以被称为“对准标记”。
光刻设备可以包括一个或多个(例如多个)对准传感器，通过该对准传感器，设置在衬底上的对准标记的位置可以被准确地测量。对准(或位置)传感器可以使用光学现象，诸如衍射和干涉，以从在衬底上形成的对准标记获得位置信息。当前光刻设备中使用的对准传感器的示例基于US6961116中描述的自参考干涉仪。例如，如US2015261097A1中所公开的，位置传感器的各种增强和修改已经被开发。所有这些出版物的内容均通过引用并入本文。
图6是诸如例如在US6961116(其通过引用并入本文)中描述的已知对准传感器AS的实施例的示意性框图。辐射源RSO提供一种或多种波长的辐射束RB，该辐射束RB通过将光学器件转向到标记(诸如位于衬底W上的标记AM)上作为照射光斑SP而被转向。在该示例中，转向光学器件包括斑点反射镜SM和物镜OL。标记AM被照射的照射光斑SP的直径可以比标记本身的宽度稍小。
由对准标记AM衍射的辐射被准直(在该示例中，经由物镜OL)到信息承载束IB中。术语“衍射”旨在包括来自标记的零级衍射(可以被称为反射)。自参考干涉仪SRI(例如上面提及的US6961116中公开的类型)使束IB与其本身干涉，此后束由光电检测器PD接收。在多于一个波长由辐射源RSO创建的情况下，附加的光学器件(未示出)可以被包括在内以提供单独的束。如果需要，则光电检测器可以是单个元件，或者它可以包括若干像素。光电检测器可以包括传感器阵列。
在该示例中包括斑点反射镜SM的转向光学器件还可以用于阻挡从标记反射的零级辐射，使得信息承载束IB仅包括来自标记AM的高阶衍射辐射(这对测量不是必不可少的，但提高了信噪比)。
强度信号SI被供应给处理单元PU。通过块SRI中的光学处理和单元PU中的计算处理的组合，衬底上相对于参考框架的X和Y位置的值被输出。
所图示类型的单个测量仅将标记的位置固定在与标记的一个间距相对应的特定范围内。粗糙测量技术与这种测量结合使用，以标识正弦波的哪个周期是包含所标记位置的周期。相同的过程可以在不同的波长下以更粗糙和/或更精细的级别重复，以便提高准确性和/或稳健地检测标记，而不考虑制成标记的材料以及设置标记的位置上和/或下方的材料。波长可以被光学地复用和解复用，以便被同时处理，和/或它们可以通过时分或频分复用。
在该示例中，对准传感器和斑点SP保持静止，而衬底W在移动。对准传感器因此可以被刚性且准确地安装至参考框架，同时在与衬底W的移动方向相反的方向上有效地扫描标记AM。衬底W在该移动中通过其安装在衬底支撑件和衬底定位系统(控制衬底支撑件的移动)上来控制。衬底支撑件位置传感器(例如干涉仪)测量衬底支撑件(未示出)的位置。在实施例中，一个或多个(对准)标记被设置在衬底支撑件上。测量设置在衬底支撑件上的标记的位置允许由位置传感器确定的衬底支撑件的位置被校准(例如相对于对准系统所连接的框架)。对设置在衬底上的对准标记的位置的测量允许衬底相对于衬底支撑件的位置被确定。
针对光学半导体量测、检查应用，诸如在任何上述量测工具中，输出相干辐射、同时覆盖宽波长范围(例如从UV到IR)的明亮光源通常是优选的。通过允许具有不同材料特性的晶片在相同的设置/系统中被光学检查而无需任何硬件变化(例如改变光源以便具有特定波长)，这种宽带光源可以帮助提高应用的灵活性和稳健性。允许波长针对具体应用优化还意味着测量准确性可以被进一步提高。
基于气体放电效应同时发射多个波长的气体激光器可以被用于这些应用。然而，与气体激光器相关联的固有问题(诸如高强度不稳定性和低空间不相干性)可能使其不适合。备选地，来自具有不同波长的多个激光器(例如固态激光器)的输出可以在空间上被组合到量测或检查系统的光学路径中，以提供多波长源。随着期望波长数量的增加，复杂性和高实施成本防止了这种解决方案的广泛使用。相比之下，基于光纤的宽带或白光激光器(也称为超连续谱激光器)能够发射具有高空间相干性和宽光谱覆盖范围的辐射，例如从UV到IR，因此是一种非常有吸引力和实用的选项。
中空芯部光子晶体光纤(HC-PCF)是一种特殊类型的光纤，它包括中心中空芯部区域和包围中空芯部的内部包层结构，两者都沿整个光纤轴向延伸。光导机制由内部包层波导结构实现，该结构可以包括例如薄壁玻璃元件。因此，辐射主要被限制在中空芯部内，并且以横向芯模式的形式沿着光纤传播。
多种类型的HC-PCF可以被设计，分别基于不同的物理引导机制。两种这样的HC-PCF包括：中空芯部光子带隙光纤(HC-PBF)和中空芯部反谐振反射光纤(HC-ARF)。
HC-PCF包括填充有流体的中空通道，因此它们具有针对多种光导应用期望的特性；例如使用HC-PBF的高功率束递送和使用HC-ARF的基于气体的白光生成(或超连续谱生成)。关于HC-PCF的设计和制造的细节可以在美国专利US2004175085(用于HC-PBF)和欧洲专利申请EP3136143A1(用于HC-ARF)中找到，它们通过引用并入本文。HC-PBF被配置为经由本文中心中空芯部的包层结构所建立的光子带隙效应提供低损耗但窄带宽的光导。然而，HC-ARF被设计为经由来自包层的光的反谐振反射显著加宽传输带宽。
图7在横截面中描绘了两种众所周知类型的HC-ARF。图7(a)示出了Kagome光纤，包括Kagome晶格结构作为其包层CLA，限定中空光纤芯部FCO。这种布置可以被一个或多个外部涂层OCO包围。图7(b)示出了单环或左轮光纤，其中中空芯部区域FCO被形成并且被一层非接触环CLA包围。
针对基于气体的白光生成，HC-ARF可以被包括在气室内，该气室被设计为在例如高达几十巴(例如在3至100巴之间)的压力下操作。当被具有足够峰值功率的超短泵浦激光脉冲泵浦时，充气的HC-ARF可以充当光学频率转换器。从超短泵浦激光脉冲到宽带激光脉冲的频率转换是通过充气光纤内部的色散和非线性光学过程的复杂相互作用实现的。转换后的激光脉冲主要以横向芯模式的形式限制在中空芯部内，并且被引导至光纤端部。由光纤支持的横向芯模式可以被描述为线性偏振(LP)模式。在LP表示法中，LP模式被称为LPmn，其中m和n下标是表示特定模式的方位角和径向顺序的整数。基本模式是LP01模式。部分辐射(例如高阶横向芯模式或特定波长)可能会通过内部包层波导结构从中空芯部泄漏，并且在其沿着光纤传播期间经历强烈衰减。HC-ARF的芯部区域和包层区域可以被配置为使得高阶芯模式与高阶包层模式相位匹配。通过这种方式，高阶芯模式可以与随后被衰减或抑制的高阶包层模式共振耦合。通过这种方式，低损耗和有效的单横向模式传输可以在宽光谱范围内获得。
激光脉冲的时空传输特性(例如其沿着PCF(诸如HC-PCF)传输的光谱幅度和相位)能够通过调整泵浦激光参数、填充气体参数、光纤参数和泵浦耦合条件来改变和调谐。所述传输特性可以包括以下一项或多项：输出功率、输出模式轮廓、输出时间轮廓、输出时间轮廓的宽度(或输出脉冲宽度)、输出光谱轮廓和输出光谱轮廓的带宽(或输出光谱带宽)。所述泵浦激光参数可以包括以下一项或多项：泵浦波长、泵浦脉冲能量、泵浦脉冲宽度、泵浦脉冲重复率。所述泵浦参数可以包括以下一项或多项：光纤长度、中空芯部的尺寸和形状、包层结构的尺寸和形状、包围中空芯部的壁的厚度。所述填充气体参数可以包括以下一项或多项：气体类型、气体压力和气体温度。确定泵浦激光束被耦合到光纤芯部中的程度的所述泵浦耦合条件可以包括以下一项或多项：泵浦激光束相对于光纤芯部的角偏移、泵浦激光束相对于光纤芯部的横向偏移、泵浦激光束和光纤芯部之间的模式匹配。泵浦激光束与光纤芯部之间的所述模式匹配可以由诸如泵浦激光束的束直径、泵浦激光束的发散度、中空芯部直径和中空芯部NA等参数确定。
HC-PCF的填充气体可以是惰性气体(诸如氦气、氖气、氩气、氪气和氙气)、拉曼活性气体(诸如氢气、氘气和氮气)或气体混合物(诸如氩气/氢气混合物、氙气/氘气混合物、氪气/氮气混合物或氮气/氢气混合物)。取决于填充气体的类型，非线性光学过程可以包括调制不稳定性(MI)、孤子裂变、克尔效应、拉曼效应和色散波生成，其细节在WO2018/127266A1和US9160137B1中描述(两者均通过引用并入本文)。由于填充气体的色散可以通过改变气室压力来调谐，因此所生成的宽带脉冲动力学和关联的光谱加宽特性可以被调整，以优化频率转换。所生成的宽带激光输出可以覆盖从UV(例如<200nm)到中IR(例如>2000nm)的波长。
当应用于半导体量测和对准应用时，诸如在任何上述量测工具中，期望基于HC-PCF的宽带光源的输出辐射的横向模式是基本横向模式，即，LP01。换言之，具有高或最大化模式纯度的宽带激光束通常是优选的，其被限定为基本横向模式中的功率与总输出功率之间的比率。这是因为基本横向模式通过PCF(例如HC-PCF)的传输损耗比高阶模式(HOM)低得多的事实。因此，如果所有泵浦光都被耦合到光纤的基本横向模式中，则功率效率更高。此外，HOM的存在降低了宽带输出的模式质量和强度稳定性。在期望高斯束轮廓的许多应用中，模式纯度较差的宽带输出将经历显著的功率损耗，因为输出的HOM内容将在传输期间移除，例如通过空间滤波。强度稳定性的降低导致测量噪声高和测量一致性差。
图8示意性地图示了示例性的基于HC-PCF的宽带光源800。准直的泵浦激光束811(包括具有特定重复率的泵浦脉冲串)从泵浦激光器810输出，并且被用作输入激光束以生成HC-PCF 841中的宽带辐射。准直的泵浦激光束的传播由一个或多个束转向部件(例如形成束递送系统的一部分)控制，此处描绘为两个转向反射镜820和821，并且被导向穿过聚焦透镜830。聚焦透镜创建泵浦激光器的合适聚焦，其与HC-PCF 841的芯模式匹配。聚焦的泵浦激光束在耦合到HC-PCF841的光纤芯部中之前通过输入光学窗口842传输。具有特定光纤长度的HC-PCF 841可以采用参照图7的Kagome设计或单环设计。备选地，其他光纤设计(未示出)可以被使用，诸如实芯设计、抑制耦合设计、内摆线芯Kagome和嵌套管状设计。在该示例中，整个HC-PCF 841被包括在单个耐压气室840中，该气室840填充有处于特定压力或具有压力分布的工作气体或气体混合物。在耦合到充气的HC-PCF后，泵浦激光脉冲沿着光纤传播，其中它们经历了显著的光谱加宽。所得的宽带激光脉冲880随后经由输出光学窗口843从气室840释放。宽带激光束880然后由准直透镜831准直至合适的束尺寸。
为了用工作气体填充HC-PCF，气室可以与加压气体供应或储存器(未示出)连通。气室的壁和窗口的内表面封闭腔体。气室的轴平行于HC-PCF的轴。
泵浦脉冲持续时间可以被选择为大于10fs，更具体地在以下范围内：10fs到100ps、10fs到30ps或10fs到1ps。泵浦波长可以选自可见光区、近IR光区或中IR光区。泵浦激光脉冲可以具有数百赫兹(Hz)、千赫兹(kHz)或兆赫兹(MHz)的重复频率。具体地，重复率可以被选择在100kHz至100MHz的范围内，诸如100kHz、500kHz、1MHz、5MHz、10MHz、20MHz、30MHz、40MHz。
泵浦激光束相对于HC-PCF的对准可以包括两个主要步骤，即，粗糙对准和精细对准。粗糙对准在足够低的泵浦脉冲能量或泵浦功率下执行，以防止损坏HC-PCF。该步骤是为了确保泵浦束被正确耦合到HC-PCF的中空芯部中，并且横向芯模式在HC-PCF的前(或输入)琢面激发。如果没有粗糙对准，当高功率泵浦激光束的中心撞击HC-PCF的包层壁时，可能会发生损坏。一旦横向芯模式被激发并且传输效率(限定为光纤输出功率与光纤输入功率之间的比率)在低功率电平下最大化，则高功率电平下的精细对准被开始。再次，精细对准的目的是进一步最大化传输效率。然而，在这种常规的优化方法中，最大化的传输效率(即，在给定输入功率下的最大化输出功率)不一定对应于最高模式纯度。换言之，即使在传输效率被优化之后，宽带光源的输出中仍然可以存在HOM内容。这种差异的主要原因是泵浦激光束的横向束轮廓通常不完美，即，M2>1。因此，无论总体传输效率被优化得多么好，HOM总是会被激发。
粗糙对准和精细对准(例如作为泵浦耦合优化的一部分)都可以通过以下一项或多项来实现：1)束递送系统中的至少一个束转向部件的移动(在图8和许多后续附图中表示为两个转向反射镜，但是这只是示例性的束递送系统)；2)气室的移动，以及3)聚焦透镜的移动(如果可用的话)。一个或多个束转向部件或转向反射镜可以由运动反射镜座保持，该运动反射镜座可以经由诸如压电致动器等致动器手动和/或电动调整。反射镜可以通过任何合适的固定布置来固定，诸如例如将其后表面的一部分直接粘附至镜座上或通过使用固定螺钉。气室可以被安装在包括一个或多个(例如压电)工作台的工作台模块上。工作台模块可以提供具有多个自由度的移动，例如六个自由度。附加地或备选地，泵浦激光束相对于HC-PCF的对准也可以通过将一个或多个额外的光学部件插入到泵浦激光束的束路径中来实现(例如作为束递送系统或其他的一部分)。这种光学部件可以包括例如两个或多个(可旋转的)光楔或可以生成输入泵浦激光束的期望移动(角移动和/或横向移动)的任何其他光学部件。这些对准策略和方法中的任何一种或多种可以被用于本文描述的方法的泵浦耦合优化。
为了在泵浦激光束和光纤芯部之间实现良好的模式匹配，泵浦激光束在进入光纤之前可以通过光学元件(例如透镜)聚焦，透镜性质使得发散度和聚焦泵浦激光束的直径与光纤芯部的数值孔径(NA)和模场直径非常匹配。由于聚焦泵浦激光束的特性是在输入泵浦激光束固定时由透镜确定的，因此不同的HC-PCF可能具有不同的光纤特性，因此可能需要不同的聚焦透镜以实现最优模式匹配。类似地，当HC-PCF的特性固定时，不同的泵浦激光束(例如具有不同的束直径或束发散度)可能需要不同的聚焦透镜来保持聚焦束直径相同。
HOM的存在降低了宽带输出的模式质量以及强度稳定性。整个输出光谱中模式纯度的不一致会导致与波长相关的输出性能，如果这种宽带光源在任何上述量测工具中使用，这将对量测数据的可靠性和可重复性产生负面影响。通常，当一个或多个泵浦耦合条件未被优化时，HOM会被触发。在宽带光源的模式纯度在整个输出光谱范围内得到充分优化的一些场景中，经过一定量的运行时间后，HOM仍可能会出现在输出处。HOM在操作期间的出现是由例如热和/或振动漂移引起的泵浦耦合条件退化引起的。
返回参照图8中的宽带光源的示例性设置，少量的入射泵浦激光束可以通过诸如转向反射镜等束转向部件的反射表面泄漏，并且入射到部件安装机制上。这种泵浦泄漏可能会加热安装机制，并且改变其条件。例如，这种加热可能会导致用于将部件粘合至安装机制的粘合剂软化，从而导致部件较小的未对准，从而导致泵浦激光束相对于HC-PCF的未对准。由于基于HC-PCF的宽带光源对对准敏感，泵浦激光束相对于HC-PCF的未对准可能会使泵浦激光束进入光纤芯部的耦合条件显著退化，从而导致生成HOM和/或宽带输出的模式纯度的降低。泵浦激光束的未对准和/或对准变化也可能由其他因素引起，诸如环境温度振荡或外部振动。通过类似的方式，HC-PCF的热和/或振动漂移也导致HOM的出现和/或宽带输出的模式纯度的降低。
因此，强烈期望在宽带光源的操作期间优化和/或稳定宽带输出，特别是LP01模式。因此提出了一种模式控制方法和设备，用于解决与基于PCF的宽带光源相关联的上述模式纯度问题。
图9图示了根据实施例的所提出的模式控制系统的操作程序。在步骤910中，宽带输出束的一个或多个参数被测量。这种一个或多个束参数(即，宽带输出束的参数)指示关于基本模式纯度的输出性能。在步骤920中，测量数据被处理。在步骤930中，处理后的数据通过遵循预定义的标准集合来评估。步骤910到930的细节很大程度上取决于被监测的(多个)束参数和/或硬件设置，并且这些步骤的更详细的示例将在下面描述。根据这种评估的结果，控制信号将在步骤940中生成。在步骤950中，控制信号被用于控制宽带光源的一个或多个部件。宽带光源的这种部件的控制优化了泵浦耦合条件，使得就基本横向模式LP01而言的模式纯度被最大化。
泵浦耦合条件的优化可以通过多种方式实现。改进泵浦激光器耦合到PCF中的任何方法可以被使用，并且可以通过相对于PCF移动泵浦束(例如经由束转向部件或其他方式)、相对于泵浦束移动PCF或两者组合移动来实现；或者备选地或附加地通过改变任何介入光学部件(诸如聚焦部件)的位置或配置。这可以在监测参考束(以及输出束)的同时执行，以确保模式纯度被优化。因此，该方法可以在闭环操作中实施，使得宽带输出的横向模式变化可以被连续监测和优化。取决于所监测的束参数的类型，不同的检测机制可以被使用，其中的每一个都可能需要一个或多个不同的测量装置或部件。
图10示意性地图示了根据本发明的第一实施例的配备有模式控制系统1000的宽带光源，用于优化和稳定光源的基本横向模式LP01。在该实施例中，宽带光源实质上类似于图8中图示的示例性光源800。为了简洁起见，等效部件和特征可以在剩余附图中用相似的附图标记提供，而不是单独描述(例如图8中的标签811、图10中的1011、图11中的1111等都描述了泵浦激光束)。
如图10所图示的，主要宽带输出束1080的一部分被分束器1051(其可选地可以被包括在检测单元1050内)的前表面反射，并且被用作参考束1081。要注意的是，分束器1051不应对参考束造成任何空间和光谱失真，使得参考束1081和主要宽带输出束1080被认为共享相同的束特性。参考束1081由模式控制系统1000使用以优化和稳定宽带光源的基本横向模式LP01。模式控制系统1000包括检测单元1050、处理单元1060和控制单元1070。检测单元1050测量宽带输出的一个或多个参数。然后所得的测量数据被发送给处理单元1060进行数据处理和评估。基于所述评估的结果，控制信号由控制单元1070生成和使用，以相应地控制一个或多个束控制系统部件。这种束控制系统部件可以包括例如一个或多个束递送或束转向部件(例如转向反射镜1020、1021或其致动器)、移动气室1040的致动器或工作台、移动(可选)聚焦透镜1030的致动器和/或致动器，诸如更改绝对偏振角的旋转偏振器(例如在HC-PCF维持偏振的情况下，并且期望光的偏振的某个绝对定向)。数据测量和评估可以以连续或周期性的方式执行。
在第一实施例中，检测单元包括带通滤波器1052和诸如功率测量装置1053等照射测量装置(例如功率计)，功率测量装置1053被布置为使得功率测量装置1053测量滤波器的通带光谱范围中的宽带输出的功率。可选地，带通滤波器1052布置可以具有可变通带布置。通过这种方式，在多个光谱范围内测量的多个功率值可以被获得，每个功率值对应于每个带通滤波器的每个光谱范围。这可以通过将带通滤波器1052与一个或多个不同的带通滤波器一起安装在滤波器轮上来实现，使得在完成特定光谱范围内的功率测量(其对应于图9的方法的步骤910)时，滤波器轮可以被旋转，以启用不同的带通滤波器。获得可变带通特性的其他布置可以被设想，包括例如提供串联的可移动高通和可移动低通连续可变滤波器。
来自功率测量装置1053的测量功率值和测量中使用的(多个)带通滤波器的光谱信息然后被发送给处理单元1060，以计算一个或多个光谱参数值，诸如功率谱密度(PSD)或能谱密度值(这对应于图9的方法的步骤920)。计算的PSD值随后在处理单元1060中通过遵循某个标准集合来评估(这对应于图9的方法的步骤930)。处理单元1060可以包括处理器，其被配置为处理测量的数据并且随后对处理的数据执行评估。备选地或附加地，评估可以直接对测量的功率值执行。
在数据评估期间，计算出的PSD值可以与对应光谱范围内的参考PSD值进行比较，并且基于比较，偏差值集合被生成；其中偏差值包括计算的PSD值相对于参考PSD值的偏差程度的度量。参考PSD值可以对应于指示最优输出的宽带输出束的模式纯度。偏差值集合可以针对对应光谱范围的预定义偏差阈值集合评估，以确定宽带光源的泵浦耦合条件是否可接受。预定义偏差阈值可以被设置为例如参考PSD值的5％到25％(例如参考PSD值的5％、10％、15％或20％)范围内的百分比。如果偏差值指示不可接受的泵浦耦合条件使得宽带输出的模式纯度次优，则控制信号被生成和/或相应地改变(这对应于图9的方法的步骤940)。基于控制信号，控制单元1070将命令一个或多个部件以改进/优化泵浦耦合条件，并且最大化宽带输出的模式纯度(这对应于图9的方法的步骤950)。
用于优化泵浦耦合条件的几个具体且纯粹示例性的方法现在将被描述，其中控制单元1070(或处理单元1060)可以命令两个束转向部件(例如转向反射镜1020、1121)在水平和竖直方向上进行增量扫描。水平方向被限定为平行于光学平台平面，并且竖直方向被限定为垂直于平台平面。该扫描实施方式适用于本文描述的所有实施例，尽管被监测的(多个)束参数对于稍后的实施例可能不同(如将显而易见的)。
在第一个这种具体扫描实施方式中，该扫描可以通过以曲折或之字形路径扫描所述反射镜中的第一反射镜(例如反射镜1020)来执行：例如，它可以被命令以扫描以下序列的重复：在x方向上的期望范围内进行第一次增量扫描，并且在y方向上进行单次移动，重复以覆盖y方向上的期望范围。在第一反射镜1020扫描时，第二反射镜1021被维持在其原始位置。在每次增量移动之后，都会进行测量，例如功率测量。通过这种方式，预限定区域中的功率图和/或计算的PSD图被生成。基于(多个)地图，第一反射镜的位置被优化，并且第二反射镜(例如1021)将以相同的方式开始扫描。在反射镜扫描结束时，第二反射镜的位置也会被优化。
在上述扫描例程中，两个反射镜是解耦的。当一个反射镜正在扫描时，另一反射镜被假设维持在最优位置。因此，当两个反射镜都从它们相应的最优位置漂移时，这种布置并不理想。因此，在第二扫描实施方式中，两个或多个束转向部件(例如反射镜1020、1021)的共同优化可以被执行。该具体实施方式可以包括第一反射镜(例如反射镜1020)在x方向上的预限定范围内进行增量移动，然后是第二反射镜(例如反射镜1021)扫描由x方向上的期望范围和y方向上的期望范围确定的整个区域。当第二反射镜完成区域扫描时，第一反射镜在同一方向上进行另一增量移动，并且第二反射镜执行另一区域扫描。这被重复，直到第一反射镜在x方向上到达期望范围的末端，此时它在y方向上增量移动并且在x方向上执行另一增量扫描。当第一反射镜扫描了由x和y方向上的预限定范围确定的整个区域时，完整的反射镜扫描过程就完成了。因此，功率图和/或计算的PSD图将由第二反射镜针对第一反射镜的每个位置生成，并且因此，以这种方式确定的最优反射镜位置应该更准确。
备选地，或除了控制(例如扫描)一个或多个束转向部件之外，宽带光源的输出模式纯度的进一步优化可以通过控制(例如增量扫描)气室1040的位置来实现。气室移动可以由工作台模块实现，并且可以包括在一个或多个方向上的横向和/或角移动。此外，在实施例中，聚焦透镜1030可以被安装在允许透镜根据一个或多个自由度移动的压电工作台或工作台模块上。这种透镜移动可以进一步优化宽带输出1080的模式纯度。
在另一实施例中，提供了一种组件，包括用于接收和修改辐射的光学元件、用于接收修改后的辐射的接收元件以及封闭该接收元件的气体环境，其中该组件还包括控制元件，该控制元件被配置为通过根据气体环境的性质调整接收辐射的修改或调整光学元件和接收元件之间的距离来稳定光学元件和接收元件之间的匹配条件。
在示例中，光学元件可以是聚焦透镜1030，并且接收元件是非线性光学元件，诸如非线性晶体或者中中空芯部光纤HC-PCF 1041。辐射可以由(单色)泵浦激光器生成，由光学元件1030聚焦(修改)，并且由封闭在气室1040内的接收元件1041接收。气室1040可以被配置为允许调整气体环境的某些性质，诸如压力、温度和/或气体组成。通常，气体环境的调整旨在获得生成宽带光的非线性光学过程的期望响应，例如调整宽带光的波长光谱。然而，所述性质(通常是气体环境的温度和压力)的变化可能对光学元件1030和接收元件1041之间的匹配条件有直接影响，诸如与将辐射耦合到HC-PCF 1041中的效率相关联的聚焦匹配条件。如果气体环境的性质是压力和温度变化，则基础物理原理允许估计聚焦匹配条件的对应变化。根据方程1(EQ[1])，气体的折射率‘n’取决于气体的压力P和温度T：
P0和T0是参考压力和温度值，C1、C2、B1、B2是气体的Sellmeier系数，并且λ是泵浦激光的波长。
由于所述折射率的变化导致的泵浦激光相对于光纤1041入口的聚焦位置变化可以通过组件的基础光学分析(特别是光学元件的功率以及光学元件与接收元件之间的距离)来确定。例如，在1um波长泵浦激光源的情况下，氙气填充的压力从15巴变化到17巴将导致折射率增加大约0.0015。对典型的组件设计使用简单的光学模型，可以确定这会导致20至30um的聚焦偏移。
如所述，压力和/或温度变化引起的聚焦变化可能对泵浦激光到光纤1041中的耦合效率有害。这可能会转化为光纤1041内生成的宽带光的功率降低。因此，期望提供聚焦控制部件，例如通过结合控制元件，诸如致动器，基于气体环境性质的可用信息提供聚焦控制。
光学元件1030和/或气室1040可以被配置为允许泵浦激光相对于接收元件HC-PCF1041的入口可变聚焦。例如，聚焦透镜1030和/或气室1040可以由控制元件沿着接收元件HC-PCF 1041的光轴(纵向方向)在一定范围内移动。备选地，聚焦透镜可以包括具有可变光焦度的光学表面(透镜)(例如可以通过控制元件变形的透镜/光学表面)或可以通过控制元件相对于彼此移动的透镜(元件)。
还提出通过感测部件周期性地测量气体的压力和/或温度，确定气体折射率的对应变化，随后确定由于折射率的所述变化泵浦激光相对于接收元件1041的入口的聚焦位置的变化。
在实施例中，组件包括使用压力和/或温度测量值作为输入并且输出与用于耦合至聚焦透镜1030和/或气室1040的一个或多个控制元件(致动器)的控制信号相对应的值的聚焦控制系统。控制信号可以被配置为提供聚焦位置变化，其至少部分地补偿确定的泵浦激光相对于光纤1041的入口的聚焦位置变化。一个或多个致动器可以沿着光轴移动聚焦透镜1030和/或气室1040。一个或多个致动器可以定位聚焦透镜1030内所包括的透镜(元件)，诸如以引起聚焦位置变化。一个或多个致动器可以使聚焦透镜1030内所包括的光学表面或透镜(元件)变形，从而引起聚焦位置变化。备选地，一个或多个致动器可以控制位于气室上游的光路中的附加光学元件(未示出)的位置和/或光焦度，以引起聚焦位置变化。
聚焦控制系统可以包括基于所述压力和/或温度测量值、压力和/或温度的参考值、泵浦激光的波长和气体的组成和/或与气体相对应的Sellmeier系数确定气体的折射率变化的功能。
聚焦控制系统可以包括基于所确定的气体折射率的变化和对用于将泵浦激光耦合到光纤1041中的光学元件的性质和位置的了解来确定泵浦激光相对于光纤1041的入口的聚焦位置变化的功能性。
本文描述的聚焦控制系统允许响应于气体的变化条件(例如：温度、压力、气体组成)进行自动聚焦调整，确保泵浦激光有效地耦合到光纤1041中。因此，聚焦控制系统增加了由光纤1041递送的宽带光的功率的稳定。
备选地，宽带光的功率在光纤1041的输出处周期性地测量，并且作为压力和/或温度测量读数的替代或附加使用来为一个或多个致动器提供控制信号。备选地，光纤输出处的功率与光纤入口处的功率之间的比率被确定。所确定的比率可以被用于为一个或多个致动器提供控制信号。
图11图示了第二实施例。在该实施例中，检测单元包括空间滤波器1152(其可以包括(例如)针孔或单模光纤)以及功率测量装置1153。类似于第一实施例，参考束1181由分束器1151导向宽带输出束。空间滤波器1152被配置为移除宽带输出的HOM内容，使得仅基本横向模式被测量和监测。由于基本横向模式和HOM具有不同的发散角和模场直径，因此只有输出束的基本模式可以被有效地耦合到单模光纤中，并且HOM要么不被耦合到单模光纤中，要么不被引导到用于功率测量的功率计。以类似的方式，尺寸精心选择的针孔仅允许基本横向模式被传输，从而有效地移除输出束的HOM。
在被空间滤波之后，基本横向模式LP01中的功率由置于检测单元中的空间滤波器之后的功率测量装置1153测量。一个或多个附加带通滤波器(未示出)或其他滤波器布置可以被用于选择一个或多个期望光谱范围以用于功率测量。当一个或多个泵浦耦合条件是次优的时，基本横向模式的输出功率开始下降。一旦基本模式中的功率下降到预限定功率阈值以下，控制信号被生成和/或改变并且被发送给控制单元1170。控制单元1170将激活优化例程(例如如上所述)以优化泵浦耦合条件，使得基本横向模式的输出功率充分增加(高于阈值)，指示输出模式纯度的提高。
应该注意的是，功率下降可能部分由准直透镜1131和/或其他下游光学部件(诸如图11所图示的分束器1151)的热和/或振动漂移引起。因此，检测单元1150中的一个或多个束对准测量装置(未示出)以连续或间歇地监测准直输出束1180和参考束1181的位置。当准直输出束1180和/或参考束1181的位置被确认已经漂移时，空间滤波器1152的位置可以被相应地优化以补偿漂移。
根据第三实施例，如图12所图示的，检测单元1250包括测量入射参考束1281的各种(例如远场)形状/尺寸参数的束形状测量装置1253(更一般地，束形状和/或尺寸测量装置)，诸如直径/半径、椭圆率、质心位置等中的一个或多个。例如，束形状测量装置1253可以是扫描狭缝束分析仪或CCD相机。一个或多个附加带通滤波器可以被用于选择一个或多个期望光谱范围以用于束轮廓测量。由于HC-PCF 1241的基本横向模式具有高斯或近高斯场分布，并且HOM具有非高斯场分布，因此诸如椭圆率和束直径等束形状参数可以被(单独或组合)使用来评估基本模式纯度。一旦测量，波束形状参数被发送给处理单元1260用于数据处理和评估。如果评估测量的束椭圆率大于预限定的椭圆率阈值，则宽带输出束1280的模式纯度确认是次优的。例如，椭圆率阈值可以被设置为在1.04和1.20之间的范围内的值。备选地或另外，评估可以包括将测量的束直径与使用HC-PCF 1241和准直透镜1231的相关参数计算的准直高斯束的参考值进行比较。如果测量的束直径和参考束直径之间的差异大于某个阈值，则宽带输出束1280的模式纯度被确认为次优。在实施例中，尺寸和椭圆率都针对相应阈值进行测量和评估，因为这些参数中的一个参数并不总是单独地完全指示模式纯度。备选地或另外，这种方法可以监测束的拉盖尔高斯模式形状，并且将这些拟合到指示模式纯度(或其他)的拉盖尔高斯多项式。备选地或另外，泽尼克多项式形状可以以类似的方式监测和拟合。一旦次优模式纯度被确认，控制信号由处理单元1260生成和/或改变并且发送给控制单元1270用于泵浦耦合优化例程。
在替代实施例中，光学透镜1252可以被包括在检测单元内，以将HC-PCF 1241的端面成像到束形状测量装置1253上。与输出模式的远场分布被评估的上述第三实施例示例相比，该示例改为使用HC-PCF输出的近场分布进行模式评估。类似地，近场分布的椭圆率和直径根据理论和/或经验值评估。在一些情况下，通过实验得出的经验值可能更可靠。
根据第四实施例，如图13所图示的，检测单元1350包括光谱测量布置；具体地：多模光纤1352和光谱测量装置(例如光谱仪或光谱分析器)1353。多模光纤1352的一端被放置在束路径中，并且用于接收参考束1381的至少一部分。多模光纤的另一端被光学连接至光谱测量装置1353，该光谱测量装置1353被配置为分析参考束1381的光谱特性。参考束1381的强度可以由中性密度(ND)滤波器(未示出)衰减/控制，以避免光纤琢面的损坏和/或光谱测量装置的饱和。在不同的实施例中，可能不需要多模光纤1352。参考束可以被自由空间耦合到光谱测量装置中。
与测量的光谱参数值(在那种情况下为PSD值)与对应光谱范围内的参考值进行比较的第一实施例类似，在该实施例中，光谱参数值(例如测量的光谱)可以与参考光谱进行比较，该参考光谱可以在宽带输出束的模式纯度已知最优时获取。取决于测量光谱和参考光谱之间的差异程度，控制信号将被生成，并且泵浦耦合优化被执行。
在另一实施例中，如图14所图示的，通过光纤包层泄漏的辐射1481例如由多模光纤1452收集。该辐射1481可以仅从HC-PCF 1441的区段收集，例如在HC-PCF 1441的末端区段处或附近(例如在输出端处或附近)，其中外部涂层可以被剥离。然后收集的泄漏辐射1481被引导至光谱测量装置1453用于光谱测量。HC-PCF中的高阶光光纤芯部模在沿着光纤传播时将经历比基本LP01芯模式更高的限制损耗。因此，在模式纯度被降低或次优的情况下，更多的功率将通过包层结构泄漏，从而导致测量光谱的幅度增加。因此，测量光谱的幅度可以被用于评价宽带输出的模式纯度是否最优(例如通过与阈值比较)。如果模式纯度被证明是次优的，则控制信号将由处理单元生成，并且泵浦耦合优化例程将由控制单元激活。
除了基于功率或能量指标或束形状指标来改进耦合的实施例之外，发射辐射的其他参数可以被测量，诸如偏振消光和/或偏振角。请注意，后面的这些参数无法直接从束或从光纤包层发射的光中测量，并且只能从束或来自分束器的第二轴的光中部分测量。
以上泵浦耦合优化方法主要涉及泵浦激光束相对于HC-PCF对准的精细对准方面。主要用于粗糙对准的改进现在将被描述。要注意的是，以上泵浦耦合优化方法的解空间与下文讨论的改进可能重叠。例如，上面讨论的泵浦耦合优化方法也可能具有粗糙对准的益处，并且下文讨论的改进也可以提供一些精细对准。所提出的方法和设备使用一个或多个合适的检测器(例如光电二极管和/或光焦度计)来监测HC-PCF包层，更具体地，监测径向逃离HC-PCF的光。该实施例中的概念与关于图14描述的精细对准(模式纯度评估)的概念类似。可以了解的是，任何前述实施例的方法可以独立于上面公开的任何实施例或与其组合使用，在后一种情况下，使得任何前述实施例被用于初始粗糙对准，并且任何前述实施例随后(即，当粗糙对准时)被用于精细对准。请注意，所讨论的粗糙对准也可以被用于束必须相对于光子晶体光纤的实芯对准的方案，该光子晶体光纤在固体材料的光纤芯部周围具有包层区域。
图15(a)示意性地描绘了根据这种实施例的粗糙对准布置CA。粗糙对准布置CA包括光学元件，在该示例中为正透镜POL，以将光束LB聚焦到HC-PCF的输入表面INS上。与图7的示例一样，HC-PCF具有(中空)光纤芯部FCO和绕光纤芯部FCO的内部包层波导结构(光纤包层CLA)。输入表面INS界定HC-PCF的一端，并且被配置为接收光束LB以便将光束LB的至少一部分耦合到光纤芯部FCO中。
要注意的是，光学元件可以是任何类型的光学元件，并且不必被限于正透镜POL。例如，光学元件可以是离轴抛物面反射镜。粗糙对准布置CA还包括布置在HC-PCF的光纤包层CLA附近或上的检测器，诸如光电传感器PHS。光电传感器PHS在此处被实施为光电二极管，但可以是任何其他类型的光或其他电磁能传感器。光电传感器PHS被布置为使得它可以接收来自光束LB的光，该光束LB在输入表面INS处被耦合到光纤包层CLA中。光电传感器PHS还被配置为输出代表由光电传感器接收的光量的信号SI，使得输出信号SI代表耦合到光纤包层CLA中的光量。因此，光电传感器测量由于光束LB和光纤芯部FCO的未对准而出现的从光纤包层CLA散射出来的光。可选地，在光电传感器PHS之前可以有光学滤波器，以对不需要的波长/偏振进行滤波和/或减少光量(例如在二极管的动态范围内)。
图15(b)通过省略光学元件POL并且聚焦在HC-PCF的自由端更详细地描绘了图15(a)的粗糙对准布置CA，其中输入表面INS接收光束LB。在图15(b)中，可以清楚地看到光束LB没有与光纤芯部FCO完全对准，因此一部分光束LB被耦合到光纤芯部FCO中，并且另一部分光束LB被耦合到光纤包层CLA中。
在现有技术的系统中，测量光束LB和光纤芯部FCO之间的未对准通常通过光纤分接来测量，其中耦合到光纤芯部FCO中的光量通过更改(例如损坏)HC-PCF来测量，以分接滞留在光纤芯部FCO内部的一部分光，并且将这部分导向检测器或传感器。然而，这会导致传输损耗，并且可能会引起光谱变化和/或偏振消光比的变化。
在该实施例中，提出测量耦合到光纤包层CLA中的光而不是耦合到光纤芯部中的光。在图15(b)的右侧，输入表面INS被示出为光束LB在HC-PCF左侧上。在HC-PCF下方，描绘了当光束LB从HC-PCF的左侧沿着X方向移动到HC-PCF的右侧时的输出信号In的图表被示出，但此处要注意的是，类似的图表可以通过在其他自由度上移动来获得。光束LB被示出为大部分开始入射到光纤包层CLA外部，对应于对准位置AL1(光束LB、光纤芯部FCO和光纤包层CLA的相应布置的具体图示直接被示出在每个值的下方)。在对准位置Al2处，光束LB大部分入射到光纤包层CLA上，导致输出信号In的值增大。随后光束LB将入射到光纤芯部FCO，导致输出信号In的值减小；这对应于最佳对准位置ALB。最后，光束LB将被再次入射到光纤包层CLA上，导致对准位置AL3处的输出信号In的值增大。因此，当光束LB被最大程度地耦合到光纤包层CLA中时，当输出信号In处于第一最大值Inmax1和第二最大值Inmax2之间的最小值Inmin时，光束LB和光纤芯部FCO之间的最佳对准被获得。
此处要注意，最小值Inmin不一定是零值。最小值Inmin的非零值非常有可能甚或很有可能，特别是对于粗糙对准阶段，例如因为实际上可能总是存在从芯部散射的一定水平的光。信号Inmin也可以在宽带光源的操作期间用于监测系统和/或对准和/或光纤的健康。
还应该了解的是，任何扫描事实上都是在输入表面INS上的二维扫描。因此，该模型将是图15(c)所图示的三维模型，该三维模型示出了类似于图15(b)的二维曲线图的三维模型以及其三个不同的偏移横截面(此处最大值在所有方向上都示出为相等，尽管情况可能并非如此，如图15(b)所示)。因此，扫描算法将旨在找到对应于X/Y平面上的所有方向的最大值之间的共同最小值的位置。
粗糙对准策略可以基于测量的输出信号和控制器的控制信号在反馈回路中操作，控制器控制束相对于HC-PCF的输入琢面的位置，以便找到该最小值Inmin。这种方法可以使用自动搜索输入束是否相对于中空HC-PCF的输入充分对准的搜索算法。这种方法可以包括螺旋扫描以找到以最大值为界的区域(例如形成环形区域)，并且找到该区域内的最小值。
图16示意性地描绘了进一步的粗糙对准布置CA。图16分别在左侧和右侧示出了HC-PCF和布置在HC-PCF周围的光电传感器PHS(或其他检测器)的侧视图和前视图。HC-PCF包括中空光纤芯部和绕光纤芯部的光纤包层，如其他附图所描绘的，但此处未明确示出。HC-PCF还包括输入表面INS，其被配置在HC-PCF的一端以接收束，以便将束的至少一部分耦合到光纤芯部中。光电传感器PHS被布置为接收来自在输入表面INS处耦合到光纤包层中的束的光，其中光电传感器被配置为输出代表由光电传感器接收的光量的信号。
光电传感器PHS可以具有多个单独的区域，这些区域能够检测落在单独的多个单独区域上的光量。如果具有多个单独区域的这种光电传感器PHS被布置在HC-PCF周围，则关于特定量的光从光纤包层输出的方向的信息可以被获得。该方向信息可以被用于将束的对准转向到取决于检测到的方向信息的方向。
在图16的实施例中，光电传感器PHS被布置在靠近输入表面INS的光纤包层上。光电传感器PHS绕HC-PCF的纵轴LAF在HC-PCF的径向方向RAD上延伸角度α，在这种情况下大于180度，甚至大于270度，并且几乎是360度。这种实施例可以被有利地用于增加信噪比，因为针对增加的角度α，更多的光被光电传感器PHS接收。
图17示意性地描绘了另一粗糙对准布置CA。图17的粗糙对准布置类似于图16的布置，并且此处仅前视图被描绘以解释两个实施例之间的主要差异。主要差异在于，在图16的实施例中，粗糙对准布置CA包括两个光电传感器，即，第一光电传感器PHS1和第二光电传感器PHS2，分别具有相同的功能。第一光电传感器PHS1和第二光电传感器PHS2被设置为沿着HC-PCF的圆周在径向方向RAD上看基本均匀分布，其中每个光电传感器绕HC-PCF的纵轴LAF在HC-PCF的径向方向RAD上分别延伸角度α和β，这些角度小于180度，但优选地大于90度。
第一光电传感器PHS1提供第一输出信号In1，并且第二光电传感器PHS2提供第二输出信号In2。信号In1和In2的组合可以以与图15和16的实施例的光电传感器PHS的输出信号In类似的方式被使用。然而，该布置的优点是接收信号In1和In2的控制单元也可以确定信号In1和In2的线性差或加权差，其可以被用于确定束需要在哪个方向上位移或倾斜以将束与光纤芯部对准。
尽管未示出，可以设想在实施例中，三个或多个光电传感器可以被提供并且沿着光纤的圆周基本径向地均匀分布，其中每个光电传感器绕光纤的纵轴在光纤的径向方向上延伸小于360/n度的角度，其中n是光电传感器的数量，例如在三个光电传感器的情况下角度小于120度。
在图17所描绘的布置的变型中，第二光电传感器PHS2可以由仅与单个光电传感器PHS1组合使用的反射镜元件代替。反射镜元件朝着光电传感器PHS1反射耦合到输入表面处的光纤包层中的光。作为其结果，信噪比可以被提高。反射镜元件不必被布置在光纤上，而是可以替代地布置在光纤周围一定距离处。反射镜元件还可以伴随有一个或多个其他反射镜元件，这些反射镜元件都被被配置为朝着光电传感器PHS1反射耦合到光纤包层中的光。
这种粗糙对准布置的优点是光可以在未对准后耦合到光纤的芯部中，例如由于更换部件或漂移，这种耦合可以在行内完成，而无需改变或断开系统。
图18示意性地描绘了具有特定束转向布置或光学操纵单元OMU的光学系统OS，该光学系统OS可用于在粗糙对准布置中和/或在本文公开的任何精细对准实施例中对输入琢面上的束进行实际控制。
光学系统OS包括光源LIS和光学操纵单元OMU。光源LIS使用光纤HC-PCF和输出连接器OC向光学操纵单元OMU提供光束LB，该输出连接器OC可以包括准直器以向光学操纵单元OMU提供准直光束LB。光源LIS可以是白光源或超连续谱源。
光学操纵单元OMU包括被配置为接收输出连接器OC的输入装置ID。要了解的是，输入装置ID和输出连接器OC已经被高度示意性地描绘，但是这两个部件可以包括允许输出连接器OC可释放但刚性连接至输入装置ID的特征，从而允许更换输出连接器OC或断开输出连接器OC，随后再次连接输出连接器OC。
光学操纵单元OMU还包括一个或多个光学元件，被配置为操纵光束LB。在图18中作为这种光学元件的示例描绘的是反射镜MI，该反射镜MI将光束导向滤波器单元FU，该滤波器单元FU被配置为对通过滤波器单元FU的光束进行滤波。滤波可以包括光谱滤波、偏振滤波和/或光束的总体衰减。
此处提及的是，滤波器单元的存在并不意味着其他光学元件可能也不具备滤波功能，例如以反射或透射带通滤波器的形式。因此，反射镜MI可以具有这种替代或附加滤波功能。
在该实施例中，在滤波器单元FU的下游提供有光束倾斜调整器TA，以调整光束LB的传播方向。光束倾斜调整器TA包括串联布置的第一楔形棱镜WP1和第二楔形棱镜WP2，其中每个楔形棱镜WP1、WP2包括相应的倾斜致动器A1、A2，以使对应的楔形棱镜WP1、WP2绕它们相应的光学轴旋转，其在图18中主要沿着X方向延伸。倾斜致动器A1、A2是倾斜致动系统的一部分。
在该实施例中，设置在光束倾斜调整器TA的下游，光束位移装置DD被提供以位移光束LB。光束位移装置DD包括平行平面板PP和位移致动系统，该位移致动系统使用致动器A3绕第一轴并且使用致动器A4绕第二轴旋转平行平面板PP，该第一轴和第二轴基本上垂直于彼此以及束的传播方向。由于光束LB的传播方向基本上在X方向，第一轴例如可以基本上平行于Y方向，并且第二轴例如可以基本上平行于Z方向。
光学操纵单元OMU还包括连接至倾斜致动系统(A1、A2)和位移致动系统(A3、A4)的控制单元CU，以调整光束的传播方向并且位移光束以将光束LB导向输入连接器INC。输入连接器INC在光学操纵单元OMU的输出装置OD中接收，并且可以包括耦合装置以将光耦合到光纤HC-PCF中。与输入装置ID和输出连接器OC类似，输出装置ID和输入连接器INC在此处高度示意性地描绘，因此可以包括允许它们刚性地并且可能可释放地相互连接的特征，从而允许输入连接器INC用新的或不同的输入连接器INC更换或断开连接并且再次连接，例如用于维护。
如在该示例中，光纤HC-PCF可以包括使用连接器CON彼此连接的第一光纤部分和第二光纤部分。连接器CON或光纤HC-PCF可以被配置为将通过连接器CON的光的一部分(优选地一小部分)导向检测器DE，以确定光纤HC-PCF中的光束的光强度，该光强度是通过输入连接器INC的耦合装置耦合到光纤中的光量的度量。
因此，光纤HC-PCF中所确定的光束的光强可以被用于操作控制单元CU以控制倾斜致动系统，直到光束被输入连接器INC接收。在实施例中，控制单元CU可以被配置为控制倾斜致动系统，使得光束沿着螺旋图案移动，在这种情况下是在Z-Y平面中，以便找到要由输入连接器INC接收的光束的期望传播方向的第一估计，随后倾斜致动系统和/或位移致动系统被控制以绕第一估计移动被操纵的光束，以便找到光束的期望传播方向和/或位移的改进的第一估计。以螺旋图案移动光束可以通过以不同的角速度旋转两个楔形棱镜WP1、WP2来实现。第一估计和第二估计都可以是粗糙对准估计，而本文另外公开的精细对准策略被应用于精细对准。备选地，第一估计可以与粗糙对准相关，并且第二估计可以与最终对准相关。在后一示例中，精细对准可以依赖于本文描述的其他测量策略中的一个测量策略。
根据另一实施例，提供了一种定时控制系统，其被配置用于控制泵浦激光脉冲和/或基于HC-PCF的宽带光源的宽带输出脉冲的定时。激光脉冲的定时控制在需要激光脉冲相对于定时参考的精确时间位置的应用中通常是合乎需要的，并且通常使用例如基于微处理器或微控制器的技术来实现。典型的现有技术定时控制系统可以包括一个或多个微处理器、中央处理单元(CPU)和存储器单元。当这种基于微处理器的定时控制系统被用于控制基于HC-PCF的宽带光源的定时时，泵浦激光脉冲、宽带输出脉冲的定时和来自一个或多个光学客户端(例如光学传感器)的生成信号可以被确定和/或同步。然而，使用现有技术的定时控制系统来控制基于HC-PCF的宽带光源的定时具有许多技术挑战或缺陷。首先，基于HC-PCF的光源包括多个部件，这些部件通常彼此相距很远。例如，泵浦激光器(通常包括种子激光器、前置放大器、脉冲展宽器、功率增强器和脉冲压缩器)被连接至可能位于10米以外的超连续谱光纤。这种部件之间的通信(例如种子激光器和超连续谱光纤之间的通信)可能会导致不可忽略的时间延迟。其次，由于其复杂的光学架构(例如包括种子激光器、前置放大器、脉冲展宽器、功率增强器和脉冲压缩器的光学系统)，泵浦激光器的定时复杂。因此，泵浦激光器的每个部件都会对泵浦激光脉冲的定时产生影响。由于脉冲内群组延迟色散导致不同波长具有不同的定时，宽带输出脉冲的定时也很复杂。这些复杂的定时对定时控制系统的性能(例如定时准确性)提出了严格的要求，并且通常用复杂的控制架构来满足。此外，来自光学客户端(例如光学传感器)中的每个光学客户端的生成信号需要在被其他控制单元用于其他部件之前进行处理。为了满足该要求，现有技术的定时控制系统通常被配备有信号处理功能性，从而导致更复杂的控制架构。
上述缺点导致难以准确预测和/或建模任何两个部件之间的时间延迟，例如种子激光器和用于监测超连续谱输出的光学客户端中的一个光学客户端。尽管由定时控制系统确定的时间延迟可以根据测量数据校准，使得定时误差可以被校正，但是这种方法对于基于HC-PCF的光源并不实用，因为它们的激光脉冲太短而无法准确测量。为了获得最佳可能的定时性能，需要被配置为在预限定余量内操作的大量控制固件和/或软件。广泛的控制固件和/或软件以及复杂的基于微处理器的硬件使得整个定时控制系统过于复杂和昂贵。由于基于固件或软件的控制系统更容易出错，因此需要花费大量时间和精力才能使其稳健。
根据本公开的不同方面，下面描述的实施例为上述问题提供了更好的解决方案。与现有技术的定时控制系统相比，以下实施例的显著优点在于防止使用微处理器或类似技术。
图19示意性地图示了根据实施例的被配置用于基于HC-PCF的宽带光源的定时控制的定时控制系统。参照图19，定时控制系统可以包括压力传感器1944(例如非常高速的压力传感器)，其被配置为检测或监测气室1940的压力变化。在该实施例中，压力传感器1944可以通过支撑结构1945被保持在HC-PCF 1941的输出端附近，该支撑结构1945被连接到气室壁1946的内侧。在一些不同的实施例中，压力传感器1944可以被直接安装在气室壁1946的内侧。气体传感器1944可以经由一个或多个信号电缆与外部装置通信，这些信号电缆以密封方式穿过气室壁1946，或者经由馈通连接器连接至外部电缆。
继续参照图19，包括泵浦激光脉冲串1912的泵浦激光束1911由聚焦透镜1930聚焦。聚焦的泵浦激光束1911在耦合到HC-PCF 1941的芯部之前穿过气室1940的输入窗口1942。在沿着光纤传播时，每个泵浦激光脉冲1912经由上述非线性光学过程在光谱上加宽为宽带输出脉冲1982。在离开气室1940之后，包括宽带输出脉冲串1982的宽带输出光束1980由准直透镜1931准直。从非线性过程开始，泵浦激光脉冲1912的光谱带宽继续增加(例如光谱加宽)，直到光谱加宽的脉冲离开光纤。一旦离开光纤，宽带输出脉冲1982可以在离开气室1940的输出窗口1943之前在气室1940内行进短距离。当进入气室1940时，宽带输出脉冲1982在气室1940内生成压力波。这种压力波的幅度可能受许多因素影响，诸如气室1940的操作条件(例如气室压力、气体类型)和宽带输出脉冲1982的激光参数(例如脉冲能量、脉冲光谱、脉冲宽度)。压力波(暂时)更改气室1940的内部压力分布。压力传感器1944的位置处的所得压力变化由压力传感器检测，随后由压力传感器1944转换为电信号。在一些实施例中，电信号可以被用作输出脉冲触发信号，其指示正在生成的宽带输出脉冲1982的定时。附加地或备选地，这种电信号可以被发送给宽带光源的处理单元1060、1160、1260、1360、1460和/或控制单元1070、1170、1270、1370、1470，使得不同的功能性可以被实现，例如输出一串宽带脉冲。
要注意的是，当泵浦激光脉冲在耦合到HC-PCF 1941之前进入气室1940时，压力波也会被生成。因此，在一些实施例中，泵浦激光脉冲1911进入气室1940的定时也可以使用相同的压力传感器1944和/或例如位于输入窗口1942附近的附加压力传感器(未示出)来确定。
结合宽带输出脉冲1982的定时，泵浦激光脉冲1911和宽带输出脉冲1982之间的相对时间延迟可以被确定。要注意的是，由于宽带输出脉冲1982本质上与泵浦激光脉冲1911同步(以固定的时间关系)，因此宽带输出脉冲1982的电信号也与泵浦激光脉冲1911的电信号同步。两个脉冲串(即，泵浦激光脉冲串和宽带输出脉冲串)在时间上偏移了上述时间延迟的量。在一些其他实施例中，定时控制系统还可以包括可调整光学延迟线，其被配置为调整或最小化两个脉冲串之间的时间延迟。
可以了解的是，上面关于图19描述的方法可以独立于本文公开的任何其他实施例或与其组合使用。在组合使用的情况下，基于模式纯度的实施例可以被用于初始对准(粗糙和/或精细)以及随后用于定时控制的任何前述实施例(即，当光源被正确对准时)。
针对一些量测或检查工具，诸如上述基于散射测量的量测工具，量测工具的性能可能会受到该工具的照射辐射的偏振性质的强烈影响。这种偏振性质可以包括偏振消光比(PER)或偏振质量、偏振稳定性和主要为线偏振光的定向等。PER被限定为两个垂直偏振的功率比，通常被称为横向电(TE)和横向磁性(TM)，并且通常被用于表征线偏振的好坏。偏振稳定性被用于表征偏振状态可以随时间维持的稳定性。由于部件老化和/或移动，照射辐射的偏振会随着时间而改变，导致偏振旋转和/或PER降低。如果PER较差的照射光束在偏振敏感量测工具(例如散射仪)中使用，则不需要的偏振方向上的光焦度不会对测量产生影响，甚至可能会导致背景散射，从而降低检测信噪比(SNR)。而且，由于仅期望偏振方向上的光焦度被用于测量，因此量测工具的功率效率较低。类似地，如果具有不稳定偏振的照射光束在例如散射仪中使用，则接收到的偏振的变化通常会导致晶片级的功率波动，从而损害量测工具的保真度。因此，期望使用能够提供良好偏振稳定性的照射源。
当基于HC-PCF的宽带光源(诸如图10至14中描述的那些)被用作例如散射仪中的照射源时，需要具有良好PER的线偏振宽带输出光束。由于宽带输出光束主要继承了泵浦激光束的偏振性质，因此具有良好PER的线偏振泵浦激光束可以被使用。针对制作完美且笔直的HC-PCF，安装时没有应力，宽带输出光束的PER预计不取决于输入(泵浦)偏振方向。然而，研究发现，当通过HC-PCF耦合低泵浦功率时(即，HC-PCF中不发生光谱加宽)，透射泵浦激光束的PER随输入(泵浦)偏振方向周期性地变化。这通过以下事实来解释：HC-PCF中的轻微不对称将导致小的光学双折射，从而使光纤有效地成为具有快轴和慢轴的长偏振延迟器(或波片)。HC-PCF中的轻微不对称可能是由于制造公差和/或安装引起的光纤应力。制造公差可能会导致HC-PCF的结构芯部直径的波动，从而有效地使芯部略呈椭圆形。因此，正交输入偏振可能会看到不同的模态指数(即，形成快轴和慢轴)并且经历不同的衰减。当泵浦激光束的偏振方向与光纤的快轴或慢轴相匹配时，泵浦光束的偏振保真度得以维持。然而，在泵浦激光束的偏振方向与光纤的快轴或慢轴不匹配时，透射泵浦激光束的PER会被降低。
因此，为了获得具有高PER的线偏振宽带输出光束，需要将泵浦激光束的偏振方向与光纤的优选双折射轴准确对准。针对工业化的激光产品，泵浦激光束的偏振方向在工厂构建期间得到了充分优化。泵浦激光束的偏振方向的控制/优化通常在低功率水平下使用偏振控制装置实现，例如半波片(HWP)，该装置可以在HC-PCF中耦合之前位于泵浦激光器的光束路径中。当泵浦激光束的偏振方向被HWP旋转时，泵浦激光束在通过光纤传播后的PER是用旋光计测量的。然而，每当关键部件(例如气室或HC-PCF)被更换时，例如出于维护或维修目的，泵浦激光束相对于优选光纤轴的偏振方向需要被重新优化。这意味着在重新优化期间和之后需要使用旋光计来表征和确认激光PER。另外，定制设计的工具也可以被用于访问和/或控制(多个)某些部件，例如封装激光产品中的HWP。尽管可以预先表征HC-PCF的轴定向并且使用这种信息来对准光纤的绝对旋转，但泵浦偏振的任何变化仍可能会导致输出PER的降低。因此，旋光计仍将被例如用作永久的产品内诊断，以监测泵浦偏振的稳定性，这由透射泵浦激光束的PER表现出来。旋光计是一种昂贵且笨重的诊断装置。为每个基于HC-PCF的宽带激光源配备旋光计会增加成本，并且限制激光产品的占地面积。
根据本公开的不同方面，提出了一种解决上述问题的方法。所提出的方法基于以下发现：当线偏振辐射束通过具有不对称模态折射率分布的波导结构传播时，例如(例如具有(略微)椭圆形横截面的光纤)，输出光束的PER和输出功率密切相关。因此，可以使用在光纤输出处测量的功率来间接评估或推断泵浦激光束的偏振与光纤的优选轴对准的程度。如果泵浦光束的偏振方向和优选光纤轴之间的角偏移与光纤输出处的功率之间的关系已知，那么也可以使用在光纤输出处测量的功率来确定泵浦光束的偏振方向和光纤输入的优选光纤轴之间的角偏移。由于功率测量装置是最常见的诊断装置并且比旋光计便宜得多，因此该方法优于现有技术方法，因为它不需要旋光计。
输出功率与PER的相关性可以通过HC-PCF的结构特征来解释：基本导模(LP01)的模态指数和衰减可以通过以下近似：
其中u01是第一种类J0的贝塞尔函数的第一个零，λ是波长，并且D是内接芯部直径。因此，模式纯度也可以以这种方式监测。
图20示意性地图示了根据不同实施例的被配置用于基于HC-PCF的宽带光源的偏振控制的偏振控制系统。参照图20，偏振控制系统可以包括用于控制泵浦激光束2011的偏振的HWP 2029。HWP 2029可以被放置在泵浦激光器2010和气室2040的输入窗口2042之间的任何位置。在泵浦聚焦透镜2030被用于将泵浦激光束2011聚焦到HC-PCF 2041的芯部中的情况下，优选地将HWP 2029放置在聚焦透镜2030之前，因为这可以避免HWP 2029被具有更高峰值强度的聚焦激光束潜在地损坏。
在实施例中，偏振控制系统还可以包括分束器2051，该分束器2051被放置在输出光束2080的光束路径上，优选地在准直透镜2031之后以避免潜在的损坏。分束器2051可以分离输出光束2080的一部分，并且可以将其反射到检测单元2050中用于诊断目的。从分束器2051反射的输出光束2080的部分可以被标记为参考光束2081。检测单元2050可以包括功率测量装置2053，诸如测量参考光束2081的功率的功率计。在由功率测量装置2053接收之前，参考光束2081可以穿过一个或多个光学滤波器2052，其被用于从参考光束2081的光谱中选择期望的波长范围。要注意的是，分束器2051对参考光束2081的光学特性的影响可以忽视，而不是对输出光束2080施加功率分离比。
在一些实施例中，偏振控制系统可以在泵浦激光功率/能量高并且泵浦脉冲在遍历光纤后经历显著的光谱加宽的高功率或能量光区下操作。在一些其他实施例中，偏振控制系统可以在泵浦激光功率/能量低并且泵浦脉冲在遍历光纤时未经历光谱加宽的低功率或能量光区下操作。当在低功率光区下操作时，输出光束2080具有与泵浦激光束基本相同的光谱。由于泵浦激光束通常具有窄带光谱，光谱滤波可能不是必需的，因此光学滤波器2052可以不被使用。相反，当在高功率光区下操作时，输出光束2080具有宽带光谱，比泵浦激光束的光谱宽得多。在这种情况下，可能需要光谱滤波来仅测量期望光谱范围内的功率，因此一个或多个光学滤波器2052可以被使用。在一些实施例中，分束器2051可以被移除，并且检测单元2050可以被放置在输出光束2080的光束路径上，使得全部输出光束2080由功率测量装置2053接收。
继续参照图20，偏振控制系统还可以包括处理单元2060和控制单元2070。功率测量装置2053测量参考光束2081的功率并且随后生成功率信号。所生成的功率信号可以被发送给处理接收的功率信号的处理单元2060(例如以预限定的方式)。然后，处理后的功率信号可以被发送给控制单元2070，该控制单元2070基于处理后的功率信号生成对应的控制信号。控制单元2070可以包括用于存储处理后的数据的存储器单元。最后，控制信号可以被用于对HWP 2029进行合适的调整。要注意的是，处理单元2060和控制单元2070不必是单独的单元，而是可以被集成为一个处理和控制单元(未示出)，它执行由处理单元2060和控制单元2070执行的所有任务。
如上面提及的，偏振控制系统可以被用于在至少两种场景(例如部件更换和长期偏振稳定性)中优化泵浦激光束相对于HC-PCF的优选轴的偏振方向。偏振控制系统可以以两种不同的例程操作。在关键部件(例如气室2040)被更换的场景中，泵浦激光束2011的偏振方向需要被重新优化，以匹配新光纤2041的优选轴。在一些实施例中，这可以通过将HWP2029旋转一整圈或360°来实现。在其他实施例中，HWP 2029可以被旋转超过360°，诸如540°、720°、900°或1080°。在一些实施例中，HWP 2029可以被安装在例如以小增量旋转HWP2029的机动旋转底座上。取决于分辨率要求，每个增量步骤可以对应于小旋转角度，诸如每步1°、每步2°、每步5°或每步10°。
参照图20，在优化过程期间，控制单元2070向HWP 2029发送控制信号，以命令它进行旋转任务，例如以5°(或72步)的步长增量旋转360°。在每个旋转步骤之后，参考光束2081的功率由功率测量装置(例如功率计)测量。由功率测量装置2053生成的功率信号由处理单元2060处理，例如通过平均和/或滤波。处理后的功率信号可以被发送给控制单元2070，其中功率值相对于HWP 2029的当前角位置被保存在例如存储器单元中。在旋转任务结束时，即，步长为5°的360°旋转，具有72对功率和角度值的数据表将被生成和存储。基于数据，输出光束2080(或参考光束2081)的功率与HWP 2029的角位置之间的关系可以经由例如数据的内插来确定。参照现有的PER功率相关曲线，指示每个功率最小值对应于PER最大值，功率-角度关系可以被转换为PER-角度关系，能够给出最大PER(或最小功率)的最优HWP位置可以从中确定。
在长期PER稳定性要监测和/或维持的场景中，输出光束2080或参考光束2081的功率可以由功率测量装置2053连续或间歇测量/采样。要注意的是，假设在长期PER稳定性可以被监测和/或维持之前，宽带光源的功率-角度关系已经可用。由功率测量装置2053生成的功率信号可以在被发送给控制单元2070之前由处理单元2060处理，例如在多个采样点上进行平均。在接收到处理后的功率信号时，控制单元2070可以将处理后的功率信号与预限定的功率阈值进行比较。如果功率信号高于功率阈值，则控制单元2070可以不生成任何控制信号。然而，如果功率信号低于功率阈值，则控制信号被生成。控制信号可以命令HWP2029进行对应的旋转任务。在一些实施例中，旋转任务可以包括HWP的完整360°旋转，诸如上述示例。备选地，在其他实施例中，旋转任务可以包括绕HWP 2029的当前角位置的小角度旋转。当输出光束2080或参考光束2081的PER(由测量功率表现)被优化时，HWP 2029的新的角位置可以被确定。然后控制单元2070可以用存储器中的新的角位置(如果可用的话)来更新设置的角位置。此后，偏振控制系统继续监测长期PER稳定性。
由于输出光束2080或参考光束2081的功率可以指示模式纯度，因此该章节的方法可以被用于本文描述的模式控制系统中。
要注意的是，功率测量装置2053的数量、位置和类型不被限于已经描述的。在一些实施例中，‘微型’功率测量装置可以被放置在HC-PCF光纤的输出端附近，使得光纤尖端处的散射光功率可以被测量。由于光纤尖端处的散射光功率与宽带输出光束的功率成线性比例，因此上述PER优化方法仍然有效。在一些实施例中，微型装置可以包括多模光纤和功率计。气室2040或HC-PCF 2041中的一个或两者可以被安装在机动旋转工作台上，并且HWP2029可以具有固定的角位置。通过这种方式，代替旋转HWP 2029进行PER优化，气室2040或HC-PCF 2041或两者可以被旋转以最小化泵浦偏振方向和光纤的一个轴之间的角度差，从而最大化输出光束2080的PER。
可以了解的是，任何前述实施例的方法可以独立于上面公开的任何其他实施例或与其组合使用，在后一种情况下作为模式控制系统的一部分和/或使得任何前述实施例被用于初始对准(粗糙和/或精细)。附加地或备选地，其他实施例随后(即，当光源被正确对准时)可以被用于后续的偏振优化。当独立使用时，上述实施例不被限于应用于基于HC-PCF的宽带光源，其可以被用于确定和/或优化泵浦激光束的偏振方向与标称圆柱形波导的光学平面之间的相对角度。
应该注意的是，基于HC-PCF的宽带光源的配置不被限于图示或描述的特定布置，并且不同的配置可以被实施。例如，泵浦激光器1010、1110、1210、1310、1410可以被配置为输出会聚泵浦激光束，而不是其腰部与光纤芯部具有良好模式匹配的准直泵浦激光束1011、1111、1211、1311、1411。在这种情况下，不需要聚焦透镜1030、1130、1230、1330、1430。光束递送系统可以不同于所图示的两个或多个转向反射镜1020、1120、1220、1320、1420、1021、1121、1221、1321、1421的具体示例。备选地或另外，这些反射镜中的至少一个可以包括弯曲表面和/或提供的另一聚焦光束递送部件，其具有精心选择的曲率半径(ROC)以形成模式匹配的泵浦光斑，而无需使用聚焦透镜1030、1130、1230、1330、1430。根据不同的实施例，输入光学窗口1042、1142、1242、1342、1442可以由聚焦透镜1030、1130、1230、1330、1430代替和/或输出光学窗口1043、1143、1243、1343、1443可以由准直透镜1031、1131、1231、1331、1431代替。在这种配置中，两个透镜与两个光纤端部之间的距离被选择为使得模式匹配条件得到很好的维护。以这种方式配置的宽带光源更紧凑但灵活性较差。在另一实施例中，气室1040、1140、1240、1340、1440可以由多个子室组成；并且HC-PCF 1041、1141、1241、1341、1441可以被部分或全部包括在子室中。分束器1051、1151、1251、1351、1451可以位于相应检测单元1050、1150、1250、1350、1450的外部而不是如所图示的内部。处理单元1060、1160、1260、1360、1460和控制单元1070、1170、1270、1370、1470不一定是单独的实体，并且可以包括具有单个处理器的单个单元以执行处理和控制功能。
尽管上述实施例中的任何一个都足以独立地执行宽带光源的模式优化，但一些实施例可以相互补充，因此可以被组合以提高模式控制系统的总体性能。例如，在实施例中，在第三实施例中使用的光束形状测量装置1253可以被添加到第一实施例的检测单元1050(包括带通滤波器1052和功率测量装置1053)或与其组合。通过这种方式，宽带输出光束的横向模式轮廓可以直接由光束测量装置1253监测，而输出PSD由功率测量装置1053测量。由于宽带光源的功率和/或光谱轮廓可能会随着时间逐渐退化(例如由于泵浦二极管的老化)，即使模式纯度保持不变，PSD值也可能会对应地下降。因此，添加光束测量装置允许模式控制系统快速验证任何降低的PSD值是由模式退化还是由部件老化引起的功率退化引起的，因此防止模式控制系统进入优化死循环，如果是后者的话。此外，期望定期更新参考PSD值以反映部件老化引起的功率退化。光束测量装置1053的使用确保了参考PSD值可以在模式纯度最优时定期维持和更新。
因此，两个或多个检测单元1050、1150、1250、1350、1450或其中的部件中的任何一个可以被组合使用，检测和评估相同的参考光束或单独的参考光束(例如由多个分束器在输出光束上生成)。
其他实施例在后续带编号的条项中公开：
1.一种模式控制系统，被配置用于控制包括光子晶体光纤(PCF)的宽带光源的输出模式，该模式控制系统包括：
至少一个检测单元，被配置为测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以生成测量数据；以及
处理单元，被配置为通过所述测量数据评估从所述宽带光源发射的所述辐射的模式纯度；
其中基于评估，模式控制系统被配置为生成用于优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件的控制信号；所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的耦合相关。
2.根据条项1限定的模式控制系统，其中所述输出辐射的所述一个或多个参数包括指示所述宽带光源的模式纯度的一个或多个参数。
3.根据条项1或2限定的模式控制系统，其中由检测单元检测的从所述宽带光源发射的所述辐射包括从光子晶体光纤的输出端发射的输出辐射。
4.根据条项3限定的模式控制系统，包括分束器，所述分束器被定位为从由光子晶体光纤发射的主要输出光束中分离参考光束，由检测单元检测的所述输出辐射包括所述参考光束。
5.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述至少一个检测单元包括光谱测量布置，能够操作以测量作为所述测量数据的输出辐射的一个或多个光谱参数值。
6.根据条项5限定的模式控制系统，其中所述光谱参数值包括输出辐射的测量光谱的一个或多个参数。
7.根据条项5或6限定的模式控制系统，其中所述光谱测量布置包括光谱测量装置和多模光纤，该多模光纤能够操作以将从所述宽带光源发射的所述辐射的所述至少部分引导至所述光谱测量装置。
8.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述检测单元包括一个或多个带通滤波器；所述一个或多个带通滤波器中的每个带通滤波器能够操作以选择所述输出辐射的相应光谱范围，并且照射测量装置能够操作以检测指示所述滤波辐射的功率的照射参数，所述测量数据包括和/或源自指示功率的所述照射参数。
9.根据条项5或6限定的模式控制系统，其中所述测量数据包括源自指示功率的所述照射参数的一个或多个光谱范围内的功率谱密度或者能谱密度值。
10.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述检测单元包括：空间滤波器，所述空间滤波器能够操作以从输出辐射滤出除基本模式之外的高阶模式；以及照射测量装置，能够操作以检测指示所述滤波辐射的功率的照射参数，所述测量数据包括和/或源自指示功率的所述照射参数。
11.根据条项10限定的模式控制系统，其中所述空间滤波器包括单模光纤或针孔。
12.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，还包括：
可变偏振布置，所述可变偏振布置能够操作以可控地配置从所述宽带光源发射的所述辐射的偏振性质；
其中所述检测单元包括照射测量装置，所述照射测量装置能够操作以根据所述输入偏振角检测指示从所述宽带光源发射的所述辐射的功率的照射参数，所述测量数据包括和/或源自指示功率的所述照射参数；并且所述模式控制系统还能够操作以通过改变由所述可变偏振器相对于光子晶体光纤的光纤轴施加的偏振角来优化所述一个或多个泵浦耦合条件，从而优化从所述宽带光源发射的所述辐射的泵浦偏振条件。
13.根据条项12限定的模式控制系统，其中可变偏振布置包括以下之一或两者：
可变偏振器，能够操作以改变所述泵浦激光束相对于光子晶体光纤的偏振角，和/或
致动器，能够操作以改变所述光子晶体光纤绕其光轴的角度。
14.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述检测单元包括束形状和/或尺寸测量装置，能够操作以测量与束的形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的一个或多个束特性，所述测量数据包括和/或源自与束的形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的所述束特性。
15.根据条项14限定的模式控制系统，其中与束的形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的所述束特性包括以下一项或多项：束椭圆率、束直径、拉盖尔高斯模式形状或者泽尼克多项式形状。
16.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中被配置为使得由检测单元测量的从所述宽带光源发射的辐射的所述一个或多个参数包括从所述光子晶体光纤的光纤包层发射的泄漏辐射。
17.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，包括一个或多个致动器，所述一个或多个致动器用以致动宽带光源的一个或多个部件的移动；其中所述控制信号能够操作以控制所述致动器中的一个或多个。
18.根据条项17限定的模式控制系统，还包括控制单元，被配置为从所述处理单元接收所述控制信号并且控制所述一个或多个致动器。
19.根据条项17或18限定的模式控制系统，其中所述一个或多个致动器能够操作以通过优化以下一项或多项来优化一个或多个泵浦耦合条件：
泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的角偏移；
泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的横向偏移；
泵浦激光束的束直径；
绝对偏振角；以及
泵浦激光束的发散度。
20.根据条项17、18或19限定的模式控制系统，其中所述一个或多个致动器包括以下一项或多项：
至少一个致动器，用于至少一个束转向部件或其支撑件；
至少一个致动器，用于光子晶体光纤的气囊或其支撑件；
至少一个致动器，用于聚焦透镜以将泵浦激光束聚焦到光子晶体光纤的光纤芯部上。
21.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述处理单元能够操作以通过将从所述宽带光源发射的辐射的所述一个或多个参数中的每个参数与指示最优或可接受的模式纯度的等效阈值参数值进行比较来评估测量数据。
22.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述光子晶体光纤包括中空芯部光子晶体光纤(HC-PCF)。
23.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述宽带光源的所述输出辐射包括200nm至2000nm的波长范围或该范围内的子范围。
24.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中模式纯度描述了基本横向模式中的功率与总输出功率之间的比率。
25.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，其中所述模式控制系统被配置为生成控制信号以优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件包括：
被配置为生成控制信号以优化一个或多个泵浦耦合条件，以最大化模式纯度。
26.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，包括至少一个检测器，用于检测泄漏辐射，并且在初始粗糙泵浦耦合操作中能够操作以相对于光子晶体光纤的光纤芯部粗糙耦合泵浦激光束，所述粗糙泵浦耦合操作包括在所述光子晶体光纤的输入琢面上扫描泵浦激光束期间测量从所述光子晶体光纤的光纤包层发射的泄漏辐射；以及
基于测量的泄漏辐射确定泵浦激光束是否与所述光子晶体光纤粗糙对准。
27.根据条项26限定的模式控制系统，其中确定泵浦激光束是否被粗糙对准包括：将测量的泄漏辐射中的最小值定位在测量的泄漏辐射中的至少两个最大值之间。
28.根据条项26或27限定的模式控制系统，其中确定泵浦激光束是否被粗糙对准包括：将测量的泄漏辐射中的最小值定位在测量的泄漏辐射中的最大值的周围环形区域内。
29.根据条项26、27或28限定的模式控制系统，其中至少一个检测器包括在光纤包层周围径向地间隔开的多个检测器。
30.根据条项29限定的模式控制系统，其中每个检测器绕光子晶体光纤的纵轴在光子晶体光纤的径向方向上延伸小于360/n度的角度，其中n是检测器的数量
31.根据条项26至28限定的模式控制系统，其中至少一个检测器包括至少一对检测器和反射镜，每个检测器和反射镜被定位在光纤包层周围的径向相对位置处。
32.根据条项26至31中任一项限定的模式控制系统，其中泵浦激光束的扫描包括沿着输入琢面上的螺旋路径的扫描。
33.根据前述条项任一项限定的模式控制系统，还包括用于扫描所述光束的光学操纵单元，所述光学操纵单元包括：
-一个或多个光学元件，被配置为操纵光束；
-光束倾斜调整器，用于调整光束的传播方向；以及
-控制单元，用于控制光束倾斜调整器以朝向光子晶体光纤设置传播方向。
34.根据条项35限定的模式控制系统，其中光束倾斜调整器包括串联布置的至少两个楔形棱镜和倾斜致动系统，并且
其中倾斜致动系统能够由控制单元控制，以绕其相应光轴独立地旋转楔形棱镜。
35.根据条项33或34限定的模式控制系统，其中光学操纵单元还包括用于位移光束的光束位移装置，其中光束位移装置包括平面平行板和能够由控制单元控制的位移致动系统，以绕基本垂直于光束的传播方向的第一轴旋转平面平行板，其中优选地，位移致动系统还能够控制以绕基本垂直于光束的传播方向和第一轴的第二轴旋转平面平行板，并且其中优选地，光束位移装置包括第二平面平行板，并且位移致动系统能够由控制单元控制，以绕基本垂直于光束的传播方向和第一轴的第二轴旋转第二平面平行板。
36.一种定时控制系统，被配置用于确定包括光子晶体光纤(PCF)的宽带光源的定时，该定时控制系统包括：
至少一个压力传感器，被配置为检测所述光子晶体光纤周围的气体环境中的压力变化，并且根据压力变化输出至少一个电信号，其中所述至少一个电信号被用于确定所述宽带光源的至少一个脉冲的定时。
37.根据条项36限定的定时控制系统，其中所述宽带光源的所述至少一个脉冲包括在所述光子晶体光纤内生成并且引起所述压力变化的宽带脉冲。
38.根据条项36限定的定时控制系统，其中所述宽带光源的所述至少一个脉冲包括被配置为耦合到所述光子晶体光纤中并且引起所述压力变化的泵浦脉冲。
39.根据条项36至38中任一项限定的定时控制系统，其中所述光子晶体光纤包括中空芯部光子晶体光纤(HC-PCF)。
40.根据条项36至39中任一项限定的定时控制系统，其中所述至少一个电信号被配置为用于以下至少一项的触发信号：所述泵浦脉冲或者所述宽带脉冲。
41.一种宽带光源装置，包括以下之一或两者：
条项1至35中任一项限定的模式控制系统；和/或
条项36至40中任一项限定的定时控制系统。
42.一种量测装置，包括条项41限定的宽带光源装置。
43.根据条项42限定的量测装置，包括散射仪量测设备、水平传感器或对准传感器。
44.一种包括光子晶体光纤的宽带光源的模式控制方法，该方法包括：
测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以获得测量数据；
通过所述测量数据评估从所述宽带光源发射的所述辐射的模式纯度；以及
生成控制信号以优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件；所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的耦合相关。
45.根据条项44限定的方法，其中所述输出辐射的所述一个或多个参数包括指示所述宽带光源的模式纯度的一个或多个参数。
46.根据条项44或45限定的方法，其中由检测单元检测的从所述宽带光源发射的所述辐射包括从光子晶体光纤的输出端发射的输出辐射。
47.根据条项46限定的方法，包括从由光子晶体光纤发射的主要输出束中分离参考束，所述测量来自所述参考束的一个或多个参数。
48.根据条项44至47中任一项限定的方法，其中所述测量步骤包括测量输出辐射的一个或多个光谱参数值以获得所述测量数据。
49.根据条项48限定的方法，其中所述光谱参数值包括一个或多个光谱范围内的功率谱密度值。
50.根据条项48或49限定的方法，包括对从所述宽带光源发射的所述辐射进行带通滤波，并且测量指示所述滤波辐射的功率的照射参数。
51.根据条项44至50中任一项限定的方法，其中所述包括从所述宽带光源发射的所述辐射中空间滤出除基本模式之外的高级模式，并且测量指示所述滤波辐射的功率的照射参数。
52.根据条项44至51中任一项限定的方法，其中所述测量步骤包括测量与束的形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的一个或多个束特性以获得所述测量数据。
53.根据条项52限定的方法，其中与束的形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的所述束特性包括以下一项或多项：束椭圆率、束直径、拉盖尔高斯模式形状或者泽尼克多项式形状。
54.根据条项44至53中任一项限定的方法，其中所述测量步骤包括测量从所述光子晶体光纤的光纤包层发射的泄漏辐射以获得所述测量数据。
55.根据条项44至54中任一项限定的方法，包括基于控制信号致动宽带光源的一个或多个部件的移动，以优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件。
56.根据条项55限定的方法，其中所述一个或多个致动器能够操作以通过优化以下一项或多项来优化一个或多个泵浦耦合条件：
泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的角偏移；
泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤芯部的横向偏移；
泵浦激光束的束直径
绝对偏振角；以及
泵浦激光束的发散度。
57.根据条项55或56限定的方法，其中所述一个或多个致动器包括以下一项或多项：
至少一个致动器，用于至少一个束转向部件或其支撑件；
至少一个致动器，用于光子晶体光纤的气囊或其支撑件；
至少一个致动器，用于聚焦透镜以将泵浦激光束聚焦到光子晶体光纤的光纤芯部上。
58.根据条项44至57中任一项限定的方法，其中所述评估步骤包括将从所述宽带光源发射的辐射的所述一个或多个参数中的每个参数与指示最优或可接受的模式纯度的等效阈值参数值进行比较。
59.根据条项44至58中任一项限定的方法，其中所述光子晶体光纤包括中空芯部光子晶体光纤(HC-PCF)。
60.根据条项44至59中任一项限定的方法，其中模式纯度描述了基本横向模式中的功率与总输出功率之间的比率。
61.根据条项44至60中任一项限定的方法，其中所述生成控制信号以优化一个或多个泵浦耦合条件优化了一个或多个泵浦耦合条件以最大化模式纯度。
62.根据条项44至61中任一项限定的方法，包括初始粗糙泵浦耦合步骤以相对于光子晶体光纤的光纤芯部粗糙耦合泵浦激光束，所述粗糙泵浦耦合步骤包括在所述光子晶体光纤的输入琢面上扫描泵浦激光束期间测量从所述光子晶体光纤的光纤包层发射的泄漏辐射；以及基于测量的泄漏辐射来确定泵浦激光束是否与所述光子晶体光纤粗糙对准。
63.根据条项62限定的方法，其中确定泵浦激光束是否被粗糙对准包括：将测量的泄漏辐射中的最小值定位在测量的泄漏辐射中的至少两个最大值之间。
64.根据条项62或63限定的方法，其中确定泵浦激光束是否被粗糙对准包括：将测量的泄漏辐射中的最小值定位在测量的泄漏辐射中的最大值的周围环形区域内。
65.根据条项62至64中任一项限定的方法，其中泵浦激光束的扫描包括沿着输入琢面上的螺旋路径的扫描。
66.一种执行粗糙泵浦耦合步骤以相对于光子晶体光纤的光纤芯部粗糙耦合泵浦激光束的方法，所述粗糙泵浦耦合步骤包括在所述光子晶体光纤的输入琢面上扫描泵浦激光束期间测量从所述光子晶体光纤的光纤包层发射的泄漏辐射；以及基于测量的泄漏辐射来确定泵浦激光束是否与所述光子晶体光纤粗糙对准。
67.根据条项66限定的方法，其中确定泵浦激光束是否被粗糙对准包括：将测量的泄漏辐射中的最小值定位在测量的泄漏辐射中的至少两个最大值之间。
68.根据条项66或67限定的方法，其中确定泵浦激光束是否被粗糙对准包括：将测量的泄漏辐射中的最小值定位在测量的泄漏辐射中的最大值的周围环形区域内。
69.根据条项66至68中任一项限定的方法，其中泵浦激光束的扫描包括沿着输入琢面上的螺旋路径的扫描。
70.一种用于确定偏振参数的优化值的方法，该偏振参数描述了辐射相对于波导的光学平面的偏振角，该方法包括：
获得所述偏振角与指示遍历波导的辐射功率的功率参数之间的关系；
获得所述功率参数的值，以及
从所述功率参数的所述值和所述关系确定偏振参数的所述优化值。
71.根据条项70限定的方法，其中所述波导包括光子晶体光纤或者中空芯部光子晶体光纤。
72.根据前述条项70或71中任一项限定的方法，其中所述确定步骤包括确定与所述功率参数的最小值相对应的优化值。
73.根据前述条项70至72中任一项限定的方法，包括：
在多个角位置之间改变所述辐射的偏振；
获得所述功率参数的多个值，每个值对应于所述角位置中的一个角位置；以及
从所述功率参数的所述多个值中选择与至少一个最小值相对应的偏振参数的优化值。
74.根据条项73限定的方法，其中所述改变所述辐射的所述偏振包括旋转以下任何一项或多项：偏振器装置、发射所述辐射的光源或者所述标称圆柱形波导。
75.一种偏振控制系统，被配置用于控制包括波导的宽带光源的输出偏振，该偏振控制系统包括：
至少一个检测单元，被配置为测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以生成测量数据；以及
处理单元，被配置为通过所述测量数据推断从所述宽带光源发射的所述辐射的偏振性质；
其中基于评估，偏振控制系统被配置为生成用于优化所述宽带光源的泵浦偏振条件的控制信号；所述泵浦偏振条件与泵浦激光束相对于光子晶体光纤的光纤轴的耦合相关。
76.根据条项75限定的偏振控制系统，其中所述波导包括光子晶体光纤或者中空芯部光子晶体光纤。
77.根据条项75或76中限定的偏振控制系统，包括可变偏振器装置，用于相对于光子晶体光纤的光纤轴改变所述宽带光源的泵浦偏振条件。
78.根据条项75至77中任一项限定的偏振控制系统，其中所述偏振器装置包括可旋转半波片。
79.根据条项75至78中任一项限定的偏振控制系统，其中所述检测单元包括功率测量装置，并且辐射的所述一个或多个参数包括功率。
80.根据条项75或79中任一项限定的偏振控制系统，包括光学滤波器，以在所述检测单元之前选择一个或多个期望的波长。
81.根据条项75至80中任一项限定的偏振控制系统，包括测量支路，用于收集从所述宽带光源发射的所述辐射的一部分。
82.一种组件，包括：
光学元件，用于接收和修改辐射；
接收元件，用于接收修改后的辐射；以及
气体环境，用于封闭接收元件，
其中该组件还包括控制元件，被配置为通过调整接收到的辐射的修改或者根据气体环境的性质调整光学元件与接收元件之间的距离来稳定光学元件与接收元件之间的匹配条件。
83.根据条项82的组件，其中辐射是基本单色的，光学元件是被配置为将聚焦的单色光提供给元件的聚焦元件，并且其中该元件是被配置用于将聚焦的单色辐射转换为宽带辐射的非线性元件。
84.根据条项83的组件，其中非线性元件是嵌入气体环境的非线性光纤。
85.根据条项84的组件，其中气体环境的性质是气体的温度、压力或组成。
86.根据条项85的组件，其中控制元件包括致动器，被配置为沿着非线性光纤的光轴相对于非线性光纤可变地定位聚焦元件。
87.根据条项85的组件，其中控制元件包括致动器，被配置为可变地调整聚焦元件的光焦度。
88.根据条项84至87中任一项的组件，其中匹配条件与将聚焦的单色光耦合到非线性光纤中的效率相关联。
89.根据条项85至87中任一项的组件，其中控制元件还包括处理器，被配置为接收与气体的温度、压力或组成相关联的测量值。
90.根据条项89的组件，其中处理器被配置为确定气体的折射率的变化。
91.根据条项90的组件，其中处理器还被配置为基于定位在非线性光纤的光路上游的光学元件的知识来确定聚焦位置变化。
92.根据条项89至91中任一项的组件，还包括传感器，被配置为测量气体环境的性质。
93.一种组件，包括：
光学元件，用于接收和修改辐射；以及
接收元件，用于接收修改后的辐射，
其中该组件还包括控制元件，被配置为通过调整接收到的辐射的修改或者根据封闭接收元件的气体环境的性质调整光学元件与接收元件之间的距离来稳定光学元件与接收元件之间的匹配条件。
94.一种组件，包括：
光学元件，用于接收和修改辐射；以及
接收元件，用于接收修改后的辐射，
其中该组件还包括控制元件，被配置为通过调整接收到的辐射的修改或者基于在接收元件出口处确定的光焦度调整光学元件与接收元件之间的距离来稳定光学元件与接收元件之间的匹配条件。
95.根据条项94的组件，其中调整还基于在接收元件的入口处确定的光焦度。
96.根据条项95的组件，其中调整基于i)在接收元件的出口处确定的光焦度，以及ii)在接收元件的入口处确定的光焦度之间的比率。
尽管本发明的所有上述示例和实施例都与基于HC-PCF的宽带光源相关，但是本发明同样适用于基于SC-PCF的宽带光源的模式控制。在不同的实施例中，模式控制系统的检测单元测量基于SC-PCF的宽带光源的宽带输出束的一个或多个参数。这种参数应该能够指示基于SC-PCF的宽带光源的输出模式的性能。测量数据在处理单元中进行处理，随后处理后的数据被评估。取决于评估的结果，反馈信号(或控制信号)被生成，并且被发送给模式控制系统的控制单元。最后，控制单元接收控制信号并且控制基于SC-PCF的宽带光源的有源部件，使得光源的泵浦耦合条件被改进，并且基于SC-PCF的光源的输出模式纯度被优化。
尽管在本文中可以具体引用光刻设备在IC的制造中的使用，但是应该理解的是，本文描述的光刻设备可以具有其他应用。可能的其他应用包括集成光学系统的制造、用于磁畴存储器的引导和检测图案、平板显示器、液晶显示器(LCD)、薄膜磁头等。
尽管在本文中可以在光刻设备的上下文中具体引用本发明的实施例，但是本发明的实施例可以被用于其他设备中。本发明的实施例可以形成掩模检查设备、量测设备或者测量或处理诸如晶片(或其他衬底)或掩模(或其他图案形成装置)等物体的任何设备的一部分。这些设备通常可以被称为光刻工具。这种光刻工具可以使用真空条件或环境(非真空)条件。
尽管上面可能已经在光学光刻的上下文中具体引用本发明的实施例的使用，但是要了解，在上下文允许的情况下，本发明不被限于光学光刻，并且可以被用于其他应用中，例如压印光刻。
尽管本发明的具体实施例已经在上面描述，但是要了解的是，本发明可以以不同于所描述的方式来实践。以上描述旨在是说明性的，而不是限制性的。因此，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离下面陈述的权利要求的范围的情况下，修改可以对所描述的本发明进行。
Claims (15)
1.一种模式控制系统，被配置用于控制包括光子晶体光纤(PCF)的宽带光源的输出模式，所述模式控制系统包括：
至少一个检测单元，被配置为测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以生成测量数据；以及
处理单元，被配置为通过所述测量数据评估从所述宽带光源发射的所述辐射的模式纯度；
其中基于所述评估，所述模式控制系统被配置为生成用于优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件的控制信号；所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于所述光子晶体光纤的光纤芯部的所述耦合相关。
2.根据权利要求1所述的模式控制系统，其中所述输出辐射的所述一个或多个参数包括指示所述宽带光源的模式纯度的一个或多个参数。
3.根据权利要求1或2所述的模式控制系统，其中由所述检测单元检测的从所述宽带光源发射的所述辐射包括从所述光子晶体光纤的输出端发射的输出辐射。
4.根据权利要求3所述的模式控制系统，包括分束器，所述分束器被定位为从由所述光子晶体光纤发射的主要输出束中分离参考束，由所述检测单元检测的所述输出辐射包括所述参考束。
5.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，其中所述至少一个检测单元包括光谱测量布置，所述光谱测量布置能够操作以测量作为所述测量数据的所述输出辐射的一个或多个光谱参数值，并且
其中可选地，所述光谱参数值包括所述输出辐射的测量光谱的一个或多个参数。
6.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，其中所述检测单元包括一个或多个带通滤波器；所述一个或多个带通滤波器中的每个带通滤波器能够操作以选择所述输出辐射的相应光谱范围，并且照射测量装置能够操作以检测指示所述滤波辐射的功率的照射参数，所述测量数据包括和/或源自指示功率的所述照射参数。
7.根据权利要求5所述的模式控制系统，其中所述测量数据包括源自指示功率的所述照射参数的一个或多个光谱范围内的功率谱密度或者能谱密度值。
8.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，其中所述检测单元包括：空间滤波器，所述空间滤波器能够操作以从输出辐射滤出除基本模式之外的高阶模式；以及照射测量装置，能够操作以检测指示所述滤波辐射的功率的照射参数，所述测量数据包括和/或源自指示功率的所述照射参数。
9.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，其中所述检测单元包括束形状和/或尺寸测量装置，所述束形状和/或尺寸测量装置能够操作以测量与所述束的所述形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的一个或多个束特性，所述测量数据包括和/或源自与所述束的所述形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的所述束特性，并且
其中可选地，与所述束的所述形状和/或尺寸相关的所述输出辐射的所述束特性包括以下一项或多项：束椭圆率、束直径、拉盖尔高斯模式形状或者泽尼克多项式形状。
10.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，其中被配置为使得由所述检测单元测量的从所述宽带光源发射的辐射的所述一个或多个参数包括从所述光子晶体光纤的所述光纤包层发射的泄漏辐射。
11.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，包括一个或多个致动器，所述一个或多个致动器用以致动所述宽带光源的一个或多个部件的移动；其中所述控制信号能够操作以控制所述致动器中的一个或多个，并且
其中可选地，所述一个或多个致动器能够操作以通过优化以下一项或多项来优化一个或多个泵浦耦合条件：
所述泵浦激光束相对于所述光子晶体光纤的所述光纤芯部的角偏移；
所述泵浦激光束相对于所述光子晶体光纤的所述光纤芯部的横向偏移；
所述泵浦激光束的束直径；
绝对偏振角；以及
所述泵浦激光束的发散度。
12.根据前述权利要求任一项所述的模式控制系统，其中模式纯度描述了所述基本横向模式中的所述功率与所述总输出功率之间的比率。
13.一种宽带光源装置，包括前述权利要求任一项的模式控制系统。
14.一种量测装置，包括权利要求13所述的宽带光源装置。
15.一种包括光子晶体光纤的宽带光源的模式控制方法，所述方法包括：
测量从所述宽带光源发射的辐射的一个或多个参数以获得测量数据；
通过所述测量数据评估从所述宽带光源发射的所述辐射的模式纯度；以及
生成控制信号以优化所述宽带光源的一个或多个泵浦耦合条件；所述泵浦耦合条件与泵浦激光束相对于所述光子晶体光纤的光纤芯部的所述耦合相关。
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