CN115459042A - 混合模式的激光放大装置 - Google Patents

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张冉冉
潘其坤
郭劲
陈飞
赵崇霄
于德洋
孙俊杰
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Abstract

本发明提供一种混合模式的激光放大装置，包括：N个分频单元、合束单元和放大单元；分频单元包括：激光器、分光镜、第一反射镜、第一延时器、相位波片、第二反射镜和第一偏振合束器；合束单元包括：合束衍射光栅和隔离器；放大单元主要采用激光放大器。本发明通过对种子光进行分频、多波长合束和混合偏振态的处理，有效提升了激光在放大过程中的放大能力和提取效率，有效提升了高重频、短脉冲激光的输出功率，进而提升了LPP‑EUV光源的功率。

Description

混合模式的激光放大装置
技术领域
本发明涉及极紫外光刻技术领域，具体提供一种混合模式的激光放大装置。
背景技术
在极紫外光刻领域，目前最主流最先进的技术是LPP-EUV光刻技术，即激光产生等离子体的极紫外光刻技术，具有转化效率高和功率稳定的优势。而产生满足EUV光刻需求的CO2激光依赖于主振荡功率放大的技术路线，即主振荡器产生功率较低但光束质量较好的种子光，经多级放大器进行功率放大。
目前增大CO2激光输出功率的方法有如下两种：
1、提升CO2激光放大器的增益和放大能力。
2、提升激光在放大器中的提取能力。
进一步提升放大器的功率水平、增大放大器增益，这一方法存在诸多弊端，如经济成本会大大增加，功率大幅度提升也会出现技术瓶颈。所以在放大器功率不变的情况下提升种子光在放大器内的提取能力成为重要研究方向。目前主流的方法还是增大放大器的功率水平和增益，对如何提升提取效率的相关报道则较少。
目前功率最高的CO2激光放大器功率可达到万瓦甚至数十万瓦量级，如何提升放大器的增益则是主振荡功率放大体制(MOPA)的CO2激光领域的一个核心难题。
根据F-N方程，增大对激光的提取效率等效于提升增益和饱和光强，对提升CO2激光输出功率具有积极意义。
现在的诸多CO2激光放大技术中，为了尽可能提升提取效率，采取了种子光与激光放大器增益匹配的方法，尽可能的利用CO2激光放大器的增益能力，然而在种子光方面所采取的方案则相对单一，种子光一般是线偏振、单波长、固定频率，提取能力相对有限，例如ASML公司的种子光频率为50kHz，还未达到充分利用放大器时域增益能力的极限。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种混合模式的激光放大装置及方法，主要通过对种子光进行分频、多波长合束和混合偏振态的处理，有效提升了激光在放大过程中的放大能力和提取效率，有效提升了高重频、短脉冲激光的输出功率，进而提升了LPP-EUV光源的功率。
本发明提供的混合模式的激光放大装置，包括：N个分频单元、合束单元和放大单元，其中N为大于1的整数；
分频单元包括：
激光器，其用于产生种子光，N个分频单元的激光器产生的N束种子光仅波长不同；
分光镜，其设置在激光器的出光光路上，用于将种子光分为两束，即第一种子光和第二种子光；
在第一种子光的光路上依次设置有：第一反射镜、第一延时器、相位波片和第二反射镜；第一延时器用于将第一种子光进行延时；相位波片用于改变第一种子光的偏振态；
第一偏振合束器，其用于将第一种子光和第二种子光进行同轴合束，得到合束种子光；
合束单元包括：
合束衍射光栅，用于将N束合束种子光合束为传播方向相同的混波种子光；
隔离器，其设置在混波种子光的光路上，用于抑制小信号噪声光和反向噪声光；
放大单元包括：
激光放大器，其用于，为混波种子光提供增益和反转粒子，将其进行放大并输出放大激光。
优选的，混合模式的激光放大装置还包括合频单元，用于当输出的所述放大激光的频率需要恢复为原频率时，将所述放大激光通过所述合频单元输出为原频率的放大激光。
优选的，合频单元包括：
偏振分束器，其用于将放大激光进行偏振分光，形成第一放大种子光和第二放大种子光，此时第一放大种子光和第二放大种子光的频率均恢复为原频率；
在第一放大种子光的光路上依次设置有：第三反射镜、第二延时器和第四反射镜；第二延时器用于将第一放大种子光进行延时；
第二偏振合束器，其用于将第一放大种子光和第二放大种子光进行同轴合束，得到原频率放大激光。
优选的，种子光的重复频率为50～100kHz，脉冲宽度为10～15ns，光束质量因子M2小于1.3。
优选的，激光器采用电光腔倒空CO2激光器或QCL激光器。
优选的，分光镜采用镀膜的ZnSe半透半反镜。
优选的，合束衍射光栅采用透射式光栅或反射式光栅。
优选的，相位波片采用1/2波片。
优选的，激光放大器采用板条波导CO2激光放大器、射频快轴流CO2激光放大器或横流CO2激光放大器。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1、本发明通过对种子光进行分频，对多种波长的种子光进行合束和混合偏振态等方式，有效提升了激光在放大过程中的放大能力和提取效率，有效提升了高重频、短脉冲激光的输出功率，提升了LPP-EUV光源的输出功率。
2、相较于直接提升放大器增益的方法，本发明能降低激光MOPA系统的搭建、运营和维护等成本。
3、本发明具有灵活性强、激光利用率高等优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的分频单元的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的合束单元的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的放大单元和合频单元的结构示意图。
其中的附图标记包括：
分频单元1、激光器11、分光镜12、第一反射镜13、第一延时器14、相位波片15、第二反射镜16、第一偏振合束器17；
合束单元2、合束衍射光栅21、隔离器22；
放大单元3；
合频单元4、偏振分束器41、第三反射镜42、第二延时器43、第四反射镜44、第二偏振合束器45；
种子光5、第一种子光5-1、第二种子光5-2、已延时的s偏振态第一种子光5-3、已延时的p偏振态第一种子光5-4、合束种子光5-5、混波种子光5-6、放大激光5-7、第一放大种子光5-8、第二放大种子光5-9、延时的第一放大种子光5-10、原频率的放大激光5-11。
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。
本实施例针对提升短脉冲CO2激光种子光的提取效率，提供了一种混合模式的激光放大装置，其按照功能划分为：分频单元1、合束单元2、放大单元3和合频单元4。
图1示出了根据本发明实施例提供的分频单元的结构。
分频单元1包括：分频单元1、激光器11、分光镜12、第一反射镜13、第一延时器14、相位波片15、第二反射镜16和第一偏振合束器17。
激光器11采用电光腔倒空CO2激光器，此外还可以采用QCL激光器或其它体制的长波激光器。在工作过程中，激光器11产生高重频、短脉冲的CO2种子光5，种子光5的脉冲形式需满足LPP-EUV光源的主泵浦CO2激光要求。种子光5的重复频率为100kHz，脉冲宽度为10ns，光束质量M2<1.3，平均功率为100W，偏振态为s偏振态。本实施例中，取N＝3，即三个分频单元1，三个分频单元1输出的种子光5分别为：波长为10P(18)的种子光的分频单元，波长为10P(20)的种子光的分频单元；波长为10P(22)的种子光的分频单元，三个分频单元1输出的种子光5属于同一振动跃迁能级(10P)的不同转动能级(18、20、22)，三个分频单元1输出的种子光5除了波长存在差异，其它的参数均相同。
分光镜12采用镀膜的ZnSe半透半反镜，此外也可采用其它基底的半透半反镜，种子光5被分光镜12反射的部分光束形成第一种子光5-1，种子光5透射穿过分光镜12的部分光束形成第二种子光5-2。
第一种子光5-1进入第一种子光5-1的传输光路，第二种子光5-2继续传输射入第一偏振合束器17。第一种子光5-1的传输光路上一次设置有：第一反射镜13、第一延时器14、相位波片15和第二反射镜16。
第一反射镜13和第二反射镜16均采用高反射镜，反射率大于99.5％。第一种子光5-1被第一反射镜13反射，改变传输方向进入第一延时器14。
第一延时器14采用多程反射的方式增大第一种子光5-1的传输时间，起到延时作用。
相位波片15采用1/2波片，用于将已延时的s偏振态第一种子光5-3变化为已延时的p偏振态第一种子光5-4，再被第二反射镜16反射进入第一偏振合束器17。
第一偏振合束器17采用棱镜体制的偏振分束器，此外也可采用薄膜偏振片，选取标准为：损伤阈值大于入射光。第一偏振合束器17将已延时的p偏振态第一种子光5-4和第二种子光5-2进行同轴合束，此时第二种子光5-2仍为s偏振态，且未进行延时处理，两束分光之间的总延时为初始脉冲时间周期的一半，在进行延时设计时，需要考虑到光程的影响，使得光程差时间和延时器产生的延时时间之和等于初始脉冲时间周期的一半。
种子光5经分频单元1的分光、延时、改变偏振态、偏振合束等处理后形成合束种子光5-5。合束种子光5-5的重复频率为200kHz，相邻脉冲的偏振态是互相正交的，即是偏振态和p偏振态相互交错，峰值功率降为种子光5的一半，忽略传输损耗平均功率为100W。
图2示出了根据本发明实施例提供的合束单元的结构。
如图2所示，合束单元2包括：合束衍射光栅21和隔离器22。
根据衍射分光原理，三束不同波长的合束种子光5-5按照设计角度进入合束衍射光栅21的同一位置，由不同角度入射的光束合并为传播方向相同的光束，即混波种子光5-6，根据衍射分光原理进行衍射角度的选择，衍射分光原理如下：
dsinθ＝kλ；
其中d为光栅常数，θ为衍射角，k为衍射级次，λ为激光波长。
混波种子光5-6再经过隔离器22，隔离器22采用一级长波激光隔离器，具体可采用法拉第隔离器、可饱和吸收隔离器或偏振隔离器，隔离器22用于抑制小信号噪声光和反向噪声光传输，保障放大系统的安全性和输出功率的稳定性。
图3示出了根据本发明实施例提供的放大单元和合频单元的结构。
如图3所示，经过隔离器22后的混波种子光5-6传输至放大单元3。放大单元3采用CO2激光放大器，此外还可以采用板条波导CO2激光放大器、射频快轴流CO2激光放大器或横流CO2激光放大器等。混波种子光5-6进入CO2激光放大器后，提取增益并消耗反转粒子数，由于经过多波长、混合偏振和分频等的过程，提取效率得到了有效提升。此时需求的输出激光不需要恢复至原频率，则不需要进行额外的操作，可以直接输出放大激光5-7。如需要将放大激光5-7恢复至原频率，则将放大激光5-7射入合频单元4中。
合频单元4包括：偏振分束器41、第三反射镜42、第二延时器43、第四反射镜44和第二偏振合束器45。
放大激光5-7进入偏振分束器41后，分束为第一放大种子光5-8和第二放大种子光5-9，偏振分束器41采用棱镜体制的偏振分束器，此外也可采用薄膜偏振片，选取标准应满足损伤阈值大于入射激光。由于放大激光5-7是由不同偏振态的激光合束形成的，不同偏振态的激光是时域交替的，因此放大激光5-7经过偏振分束器41后，频率由200kHz变为100kHz，且第一放大种子光5-8和第二放大种子光5-9的偏振态是互相正交的，p偏振态的第二放大种子光5-9沿着原方向继续传输，而s偏振态的第一放大种子光5-8首先经过第三反射镜42进行传输方向的改变，再经过第二延时器43进行延时处理，再经过第四反射镜44反射，延时的第一放大种子光5-10与p偏振态的第二放大种子光5-9进入第二偏振合束器45，进行同轴合束，即原频率的放大激光5-11，原频率的放大激光5-11可用于后续放大系统或光刻系统。
综上所述，s偏振态、单线、100kHz的CO2种子激光经过分频、合束、放大与合频处理后，完成了在放大过程中混合放大的目的，即在放大过程中是以倍频200kHz、多线、混合偏振态在放大器中得到放大，放大效率和提取效率得到了有效提升。
需要说明的是，本发明也可用于其他波段的MOPA系统。
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 (9)

1.一种混合模式的激光放大装置，其特征在于，包括：N个分频单元、合束单元和放大单元，其中N为大于1的整数；
所述分频单元包括：
激光器，其用于产生种子光，N个所述分频单元的激光器产生的N束种子光仅波长不同；
分光镜，其设置在所述激光器的出光光路上，用于将种子光分为两束，即第一种子光和第二种子光，所述第一种子光和所述第二种子光的偏振态相互正交；
在所述第一种子光的光路上依次设置有：第一反射镜、第一延时器、相位波片和第二反射镜；所述第一延时器用于将所述第一种子光进行延时；所述相位波片用于改变所述第一种子光的偏振态；
第一偏振合束器，其用于将所述第一种子光和所述第二种子光进行同轴合束，得到合束种子光；
所述合束单元包括：
合束衍射光栅，用于将N束所述合束种子光合束为传播方向相同的混波种子光；
隔离器，其设置在所述混波种子光的光路上，用于抑制小信号噪声光和反向噪声光；
所述放大单元包括：
激光放大器，其用于为所述混波种子光提供增益和反转粒子，将所述混波种子光进行放大并输出放大激光。
2.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，还包括合频单元，用于当输出的所述放大激光的频率需要恢复为原频率时，将所述放大激光通过所述合频单元输出为原频率的放大激光。
3.如权利要求2所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述合频单元包括：
偏振分束器，其用于将所述放大激光进行偏振分光，形成第一放大种子光和第二放大种子光，此时所述第一放大种子光和所述第二放大种子光的频率均恢复为原频率；
在所述第一放大种子光的光路上依次设置有：第三反射镜、第二延时器和第四反射镜；所述第二延时器用于将所述第一放大种子光进行延时；
第二偏振合束器，其用于将所述第一放大种子光和所述第二放大种子光进行同轴合束，得到原频率放大激光。
4.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述种子光的重复频率为50～100kHz，脉冲宽度为10～15ns，光束质量因子M2小于1.3。
5.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述激光器采用电光腔倒空CO2激光器或QCL激光器。
6.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述分光镜采用镀膜的ZnSe半透半反镜。
7.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述合束衍射光栅采用透射式光栅或反射式光栅。
8.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述相位波片采用1/2波片。
9.如权利要求1所述的混合模式的激光放大装置，其特征在于，所述激光放大器采用板条波导CO2激光放大器、射频快轴流CO2激光放大器或横流CO2激光放大器。
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