CN115459035A - 抑制寄生振荡的激光放大装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抑制寄生振荡的激光放大装置，包括：n段非光学连续的气体通道，其内壁设置有噪声光吸收层；每段气体通道的两端设置有窗口镜，窗口镜的偏置角度与激光传输光路成布鲁斯特角；气体通道内设置有放电管，在气体通道外侧设置有放电电极，放电电极与放电管平行对应设置；相邻两段气体通道通过气体循环管道连接；隔离器设置在相邻两段气体通道之间，用于抑制噪声振荡；反射镜设置在激光传输光路上，用于改变激光的传输方向。本发明能够有效消除MOPA系统的寄生振荡，防止单台放大器自身产生的寄生振荡，有效降低了激光放大器起振可能性，并可以通过改变气体通道的数量提升寄生振荡的阈值，提高输出功率的稳定性和系统安全性。

Description

抑制寄生振荡的激光放大装置
技术领域
本发明涉及极紫外光刻技术领域，具体提供一种抑制寄生振荡的激光放大装置。
背景技术
目前能实现工业化的光刻技术中，最先进的技术路线是LPP-EUV(Laser ProducedPlasma-Extreme Ultraviolet)，即激光等离子体路线的极紫外光刻，LPP-EUV技术使用的主泵浦激光是高重频、短脉冲、高功率的CO2激光，目前CO2激光至EUV光转移效率最高达到了5％以上，而该CO2激光只能使用主振荡功率放大(MOPA，Master Oscillator PowerAmplifier)。
对短脉冲的CO2激光进行放大一般采用快轴流CO2激光放大器。在快轴流CO2激光放大器的增益区内，除了目标种子光在提取增益，还存在各类噪声光，尤其是自发辐射光对反转粒子数进行消耗。随着快轴流CO2激光器泵浦功率的进一步提升，放大器内的反转粒子数积累到一定程度后，容易因自发辐射光放大的闭合回路形成寄生振荡，当自发辐射光放大或寄生振荡消耗的反转粒子数占比较高时，放大器增益急剧减少，由于自发辐射光放大或寄生振荡与目标种子光的时间空间特性存在巨大差异，造成目标种子光增益降低并可能对放大器和振荡器造成不可逆损伤。
寄生振荡一般是由于自发辐射光放大结合闭合回路形成的，是一种无序的振荡光，而自发辐射光放大初始产生时功率非常低，属于小信号噪声光，只有满足起振条件时才能形成振荡并造成危害，因此寄生振荡起振阈值和放大器的增益长度积相关，只有小信号增益长度超过寄生振荡起振阈值时才会引起振荡，一般MOPA系统是在放大器级间使用隔离装置。但随着LPP-EUV光刻机对光源功率需求的进一步提升，激光主放大器的增益长度积进一步增大，单台放大器的小信号噪声光的放大能力有可能超过MOPA系统的起振阈值，此时即便在两台放大器之间插入隔离器，单台激光放大器本身也有可能形成寄生振荡。
现有技术中一般在MOPA系统中使用各类级间隔离器来抑制噪声光的反向传输，如在1.06μm固体和光纤激光放大器中常用的法拉第隔离器，一般情况下可以起到较好的噪声光隔离作用。然而，寄生振荡起振阈值一般与增益长度积相关，对于万瓦量级的快轴流CO2激光放大器，其增益长度积较大，即使单台放大器也有可能独立产生自发辐射光放大或寄生振荡，因此需要在放大器本身的设计和应用阶段采取措施抑制自发辐射光放大或寄生振荡。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种抑制寄生振荡的激光放大结构，主要将现有放大器串联整条气体通道替换为多段气体通道，每段气体通道包含多段串联的放电管，在相邻的气体通道间设置噪声光隔离装置，如SF6吸收池等，在不降低放大能力的情况下降低了寄生振荡的可能性。
本发明提供的抑制寄生振荡的激光放大装置，包括风机、换热器和气体循环管道，还包括：
反射镜，其设置在激光传输光路上，用于改变激光的传输方向；
n段非光学连续的气体通道，n为大于1的整数，其内壁设置有噪声光吸收层；每段气体通道的两端设置有窗口镜，窗口镜的偏置角度与激光传输光路成布鲁斯特角；气体通道内设置有放电管，在气体通道外侧设置有放电电极，放电电极与放电管平行对应设置；相邻两段气体通道通过气体循环管道连接；
隔离器，其设置在相邻两段气体通道之间，用于抑制噪声振荡。
优选的，放电管的内壁也设置有噪声光吸收层。
优选的，每段气体通道还包括用于连接气体循环管道的进气口和出气口。
优选的，气体通道采用非金属管，气体通道的内部为循环流动的激光工作气体，经放电后可产生用于放大的激光增益。
优选的，隔离器采用SF6可饱和吸收隔离器、法拉第隔离器或偏振隔离器。
优选的，进气口采用螺旋状的湍流发生结构。
优选的，出光口采用圆滑内壁结构。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明能够有效消除MOPA系统的寄生振荡，防止单台放大器自身产生的寄生振荡，有效降低了激光放大器起振可能性，并可以通过改变气体通道的数量提升寄生振荡的阈值，提高了输出功率的稳定性和系统安全性。
本发明对激光放大器的整体改动较小，在有效提升寄生振荡抑制能力的前提下，降低了改装成本。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的抑制寄生振荡的快轴流CO2激光放大装置的示意图；
图2是根据本发明实施例提供的单段气体通道的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的气体通道的侧视简图。
其中的附图标记包括：增益发生模块1、反射镜11、气体通道12、放电管121、放电电极122、窗口镜123、噪声光吸收层124、进气口125、出气口126、隔离器13、气体循环模块2、风机21、换热器22、气体循环管道23、种子激光器或前级放大器3、下级放大器或靶材4、气体流动方向5、激光6。
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。
由于激光器产生的高重频、高光束质量的短脉冲激光6的功率较低，由多级放大器进行功率放大。在放大过程中，放大的目的是使激光6提取放大器的增益、有效消耗放大器的反转粒子数，但在现有的激光放大装置中存在其它噪声光消耗放大器的反转粒子数，主要包括：自发辐射光放大、相邻激光脉冲之间的小信号噪声以及各类光学元器件的激光反向传输。各类噪声光在传输过程中，无论是否形成振荡输出，都会与激光6竞争反转粒子数，当自发辐射光放大消耗的反转粒子数较多时不能忽略自发辐射光放大带来的影响，甚至会形成闭合回路振荡。
将各类噪声光形成的寄生振荡阈值定义为T，由于噪声光一般为小信号噪声光放大或其产生的振荡，一般的寄生振荡主要与放大器总增益长度积g0L相关，若增益长度积超过阈值T则会引起寄生振荡，其中g0为放大器中每段放电管的小信号增益系数，L表示放大光程，T表示寄生振荡阈值，i表示放电管的数量。
为了保证MOPA系统的稳定运行，需满足：
Figure BDA0003891173970000041
其中，M表示小信号噪声光放大能力。
对于现有的MOPA系统，设起振阈值为8，即小信号噪声光放大能力M需小于8，设单台快轴流CO2激光放大器的增益长度积为6，两台放大器使用时的总增益长度积为12，会引起寄生振荡，此时需要在两级放大器之间插入噪声光抑制装置，即设置光学隔离器抑制小信号噪声光的放大，使得小信号噪声光放大能力M值小于8。但随着LPP-EUV光刻机对光源功率需求的提升，快轴流CO2激光主放大器的增益长度积逐渐增大，单台放大器的小信号噪声光的放大能力M将超过8，M设为10，此时在两台放大器之间插入隔离器，单台激光放大器本身仍产生寄生振荡。
基于上述问题，本发明提出了抑制寄生振荡的激光放大装置，本发明可应用在现有的不同波段的典型激光放大系统中，本实施例以CO2激光主振荡功率放大系统(MOPA)中的抑制寄生振荡的快轴流CO2激光放大装置为例进行阐述。
需要说明的是：快轴流CO2激光放大器的结构较复杂，本实施例仅阐述与现有的射频快轴流CO2激光器存在较大差异的结构，其它系统或单元未做明显改动，也不在本实施例中体现，如：激光和气体状态监测系统、激光射频电源与匹配网络、直流电源、显示系统、控制系统、配气单元、放大器壳体等。
图1示出了根据本发明实施例提供的抑制寄生振荡的快轴流CO2激光放大装置。
如图1所示，抑制寄生振荡的快轴流CO2激光放大装置与现有的射频快轴流CO2激光器相似，主要区别在于对气体通道12进行分段设计，相邻每段气体通道之间插入隔离器13。抑制寄生振荡的快轴流CO2激光放大装置主要包括：增益发生模块1和气体循环模块2，种子激光器或前级放大器3和下级放大器或靶材4为现有技术，在此处不做详细描述。
气体循环模块2主要由风机21、换热器22和气体循环管道23串联构成，风机21是气体循环流动的动力装置，可以是罗茨风机、磁悬浮风机等，用于保证工作气体满足最低流量要求。换热器22搭配水冷机使用，用于对循环的工作气体降温。气体循环管道23采用石英或陶瓷非金属材料或波纹管等金属材料，用于工作气体的循环流动，工作气体的流动方向如气体流动方向5。
增益发生模块1用于产生增益，对入射激光起到功率放大的作用，增益发生模块1具体包括：反射镜11、4个气体通道12和3个隔离器13，气体通道12采用石英、玻璃或陶瓷等非金属管，气体通道12的内部为循环流动的激光工作气体，经放电后可产生用于放大的激光增益。
反射镜11设置在激光6的传输光路上，采用反射波长为10.6μm的高反镜，反射镜11的材质需耐高温，可采用硅、铜、金刚石等材料，反射镜11用于改变激光6的传输方向。反射镜11的数量取决于放大光路的折叠程数。抑制寄生振荡的快轴流CO2激光放大装置与现有的射频快轴流CO2激光器相似，主要区别在于对气体通道12进行分段设计，相邻两段气体通道12之间插入隔离器13。
图2示出了根据本发明实施例提供的单段气体通道的结构。
图3示出了根据本发明实施例提供的气体通道的侧视结构。
如图2、图3所示，为解决现有的MOPA系统中反向传输的噪声光，每段气体通道12的两端设置有窗口镜123，窗口镜123的偏置角度与激光6的传输光路成布鲁斯特角，将窗口镜123的偏置为布鲁斯特角具有如下效果：
1)防止噪声光的反向传输，即沿着入射光路返回上级结构。
2)防止两片窗口镜123形成激光振荡；
3)消除入射激光6中偏振态不一致的杂散光。
为抑制各类小信号噪声光，在放电管121内和气体管道12的内壁涂覆10.6μm的非金属吸收材料形成噪声光吸收层124，防止各类小信号噪声光由全反射引发的自发辐射光放大，抑制各类小信号噪声经多次反射传输后对反转粒子数造成大量的损耗和激光振荡；噪声光吸收层124采用非金属、耐高热、稳定性好的材料，采用非金属材料是为了保证放电管121的放电功能，金属材料会对射频放电产生消极影响，采用耐高热材料是由于在放电过程中会产生较高温度，需保证涂覆材料具备抗高热能力。
气体通道12内设置有4段串联的放电管121，放电管121采用玻璃或石英材质，放电管121的内部为CO2激光放大器轴向流动的工作气体；在气体通道12外侧设置有放电电极122，放电电极122与放电管121平行对应设置，放电电极122附着在放电管121的外壁上，与射频电源及匹配网络相连，起到射频放电终端的作用，对放电管121的内部的工作气体进行放电，使得放电管121的内部工作气体产生激光增益；气体通道12上还设置有进气口125和出气口126，进气口125采用螺旋状的湍流发生结构，出气口126采用圆滑内壁结构，相邻两段气体通道12通过气体循环管道23、进气口125和出气口126连接。
3个隔离器13设置在相邻两段气体通道12之间，采用SF6可饱和吸收隔离器、法拉第隔离器或偏振隔离器，用于抑制噪声光的反向传输和噪声隔离，进而抑制噪声振荡。
本实施例中将现有的MOPA系统中的光学连续的气体通道分割成了4段非光学连续的气体通道12，在每两段气体通道12之间插入隔离器13。隔离器13对小信号噪声光的吸收能力为2，三个隔离器13的小信号噪声光吸收能力即为6，单台快轴流CO2激光放大器的小信号噪声光放大能力M为10-6＝4，M小于寄生振荡起振阈值8，不满足起振条件，因此被较好地抑制了寄生振荡，可保证MOPA系统的安全和稳定性，本发明的小信号噪声光放大能力的计算式如下：
Figure BDA0003891173970000071
其中，j表示放大器内部隔离器13的数量，α0表示隔离器13的小信号吸收系数，l表示隔离器13的通光光程。
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 (7)

1.一种抑制寄生振荡的激光放大装置，包括风机、换热器和气体循环管道，其特征在于，还包括：
反射镜，其设置在激光传输光路上，用于改变激光的传输方向；
n段非光学连续的气体通道，n为大于1的整数，其内壁设置有噪声光吸收层；每段所述气体通道的两端设置有窗口镜，所述窗口镜的偏置角度与激光传输光路成布鲁斯特角；所述气体通道内设置有放电管，在所述气体通道外侧设置有放电电极，所述放电电极与所述放电管平行对应设置；相邻两段所述气体通道通过所述气体循环管道连接；
隔离器，其设置在相邻两段所述气体通道之间，用于抑制噪声振荡。
2.如权利要求1所述的抑制寄生振荡的激光放大装置，其特征在于，所述放电管的内壁也设置有所述噪声光吸收层。
3.如权利要求1所述的抑制寄生振荡的激光放大装置，其特征在于，每段所述气体通道还包括用于连接所述气体循环管道的进气口和出气口。
4.如权利要求1所述的抑制寄生振荡的激光放大装置，其特征在于，所述气体通道采用非金属管，所述气体通道的内部为循环流动的工作气体，经放电后可产生用于放大的激光增益。
5.如权利要求1所述的抑制寄生振荡的激光放大装置，其特征在于，所述隔离器采用SF6可饱和吸收隔离器、法拉第隔离器或偏振隔离器。
6.如权利要求3所述的抑制寄生振荡的激光放大装置，其特征在于，所述进气口采用螺旋状的湍流发生结构。
7.如权利要求3所述的抑制寄生振荡的激光放大装置，其特征在于，所述出光口采用圆滑内壁结构。
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