CN213278686U - 一种准分子激光器光学系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种准分子激光器光学系统，包括：种子腔、能量放大腔以及第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜、第四高反射镜和第五高反射镜；第一高反射镜和第二高反射镜的表面设有垂直偏振态高反射膜层；第三高反射镜、第四高反射镜和第五高反射镜的表面设有水平偏振态高反射膜层。本申请中，偏振膜层能提高特定偏振方向的激光传输效率，在激光的传输过程中，通过设有偏振膜层的高反射镜对种子腔输出的激光(种子激光)和能量放大腔输出的激光(放大激光)进行多次提纯(提高特定偏振方向的激光传输效率)，补偿长距离光路传输过程中的退偏影响，实现最终具有高偏振度的大能量目标偏振态(水平偏振态)激光的输出。

Description

一种准分子激光器光学系统

技术领域

本申请涉及气体激光器技术领域，具体涉及一种准分子激光器光学系统。

背景技术

准分子激光器在大规模集成电路制造业及医疗等领域都具有广泛的应用。输出激光偏振态是准分子激光器的一个重要参数指标，影响后续曝光成像性能。集成电路制造业光刻领域通常要求准分子激光器具有高的偏振度，如95％甚至更高。

目前水平偏振态是准分子激光器输出激光主要的偏振态特性，水平偏振态即激光振动方向以水平面内振动为主导。此时种子腔输出的种子光就是在水平面内振动的水平偏振光占主导、在垂直面内振动的垂直偏振光为辅的部分偏振光，经过光学系统的多次反射引导种子光传输至放大腔内进行能量放大，最后激光器输出激光的偏振态仍然为水平偏振光，同时在传输过程中对种子光偏振度不断提纯，使得准分子激光器最终输出激光偏振度达到95％甚至更高。由于两个放电腔之间存在一定空间距离，同时腔内放电区较长，因此，种子光从种子腔输出直至最终放大输出，之间传输光程很长(长达数米)。长距离传输时，大气因素干扰、外界环境电磁场的影响等因素可能都会对激光偏振特性产生影响，产生激光退偏现象，导致激光偏振度降低。由于准分子激光长距离传输过程中激光退偏现象的出现，会降低输出激光偏振度，使所需要的目标偏振态激光传输效率降低。

因此，如何提高准分子激光器的激光偏振度以及激光传输效率成为亟待解决的问题。

实用新型内容

本申请的目的是提供一种准分子激光器光学系统。

本申请提供一种准分子激光器光学系统，包括：种子腔、能量放大腔以及设置在所述种子腔至所述能量放大腔的光路上的多个高反射镜；

所述多个高反射镜包括第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜、第四高反射镜和第五高反射镜；

所述种子腔与所述能量放大腔在垂直于水平面的方向上分别上下排布，所述第一高反射镜与所述种子腔位于同一水平面，所述第一高反射镜位于所述种子腔的右侧；所述第一高反射镜的中心位于所述种子腔的光轴延长线上；

所述第二高反射镜、所述第三高反射镜、所述第四高反射镜、所述第五高反射镜和所述能量放大腔位于同一水平面上，所述第二高反射镜、所述第三高反射镜和所述第四高反射镜位于所述能量放大腔的右侧，所述第五高反射镜位于所述能量放大腔的左侧；所述第四高反射镜的中心位于所述能量放大腔的光轴的延长线上；

所述第一高反射镜和所述第二高反射镜的表面设有垂直偏振态高反射膜层；所述第三高反射镜、所述第四高反射镜和所述第五高反射镜的表面设有水平偏振态高反射膜层。

在本申请的一些实施方式中，所述第一高反射镜、所述第二高反射镜、所述第三高反射镜的入射角均为45°，所述第四高反射镜、所述第五高反射镜的入射角均在44°至45°之间。

在本申请的一些实施方式中，所述第五高反射镜是由两个高反射镜成特定角度组成的双面高反射镜。

在本申请的一些实施方式中，组成第五高反射镜M5的两个高反射镜的夹角小于90°。

相较于现有技术，本申请准分子激光器光学系统，引导种子腔输出的种子激光入射至能量放大腔的多个高反射镜的表面设有偏振膜层(水平偏振态高反射膜层或垂直偏振态高反射膜层)，偏振膜层能够提高目标偏振方向的激光传输效率，从而，在激光的传输过程中，通过高反射镜对激光振荡腔输出的种子激光和能量放大腔输出的放大激光进行多次提纯(提高特定偏振方向的激光传输效率)，补偿长距离光路传输过程中的退偏影响，实现最终具有高偏振度的大能量目标偏振态(水平偏振态)激光的输出。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本申请的一些实施方式所提供的一种准分子激光器光学系统的种子腔光路的示意图；

图2示出了本申请的一些实施方式所提供的一种准分子激光器光学系统的能量放大腔光路的示意图；

其中，附图标记为：MO、种子腔；PA、能量放大腔；OC、输出耦合镜；M1、第一高反射镜；M2、第二高反射镜；M3、第三高反射镜；M4、第四高反射镜；M5、第五高反射镜。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。

另外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例提供一种准分子激光器光学系统，下面结合实施例及附图进行示例性说明。

准分子激光器种子腔输出以水平偏振态为主、垂直偏振态为辅的部分偏振光，水平偏振方向的激光为所需目标偏振光。以下实施例以水平偏振态为目标偏振态，介绍本申请的准分子激光器光学系统。

如图1至2所示，本申请的准分子激光器光学系统，可以包括：包括：种子腔MO、能量放大腔PA以及设置在种子腔MO至能量放大腔PA的光路上的多个高反射镜；

多个高反射镜包括第一高反射镜M1、第二高反射镜M2、第三高反射镜M3、第四高反射镜M4和第五高反射镜M5；

种子腔MO与能量放大腔PA在垂直于水平面的方向上分别上下排布，第一高反射镜M1与种子腔MO位于同一水平面，第一高反射镜M1位于种子腔MO的右侧；第一高反射镜M1的中心位于种子腔MO的光轴延长线上；

第二高反射镜M2、第三高反射镜M3、第四高反射镜M4、第五高反射镜M5和能量放大腔PA位于同一水平面上，第二高反射镜M2、第三高反射镜M3和第四高反射镜M4位于能量放大腔PA的右侧，第五高反射镜M5位于能量放大腔PA的左侧；第四高反射镜M4的中心位于能量放大腔PA的光轴的延长线上；

第一高反射镜M1和第二高反射镜M2的表面设有垂直偏振态高反射膜层；第三高反射镜M3、第四高反射镜M4和第五高反射镜M5的表面设有水平偏振态高反射膜层。

其中，种子腔MO，作用之一是用于对腔内光线起偏，实现腔内光线偏振态的选择，产生窄线宽、低能量的激光。激光由多个高反射传输至能量放大腔PA。

种子腔MO输出的激光基本都是特定偏振态，例如，水平偏振态、或垂直偏振态。水平偏振态就是以水平面内振动的水平偏振光(P偏振光)为主导、以垂直面内振动的垂直偏振光(S偏振光)为辅的部分偏振光，即激光中在水平面振动的偏振光占绝大比例(如90％以上)。垂直偏振态亦然。

能量放大腔PA用于对激光进行能量放大，进而实现大能量、窄线宽的高偏振度的准分子激光输出。

激光传输方式为，MO腔输出的种子激光依次经第一个高反射镜M1、第二高反射镜M2、第三高反射镜M3、第四高反射镜M4后入射至能量放大腔PA，由能量放大腔PA输出后经第五高反射镜M5反射后再次输入至能量放大腔PA，最后由能量放大腔PA输出放大激光。

本实施例中，偏振膜层提高目标偏振方向的激光传输效率，且多个反射镜上的偏振膜层对改善激光传输效率的用相同，这里的目标偏振方向是激光中的占绝大比例的偏振光的振动方向。目标偏振方向与种子腔MO输出的激光的偏振态有关，激光的目标偏振方向是指激光中占绝大比例的偏振光的振动方向。

现有技术中，多个高反射镜用于将种子腔MO输出的激光引导至能量放大腔PA，激光要经过数米长的光程传输，长距离传输过程中激光退偏影响比较突出，对激光偏振度的不利影响比较严重。相较于现有技术，本申请中准分子激光器，引导种子腔MO输出的种子激光入射至能量放大腔PA的多个高反射镜的表面设有偏振膜层(水平偏振态高反射膜层或垂直偏振态高反射膜层)，偏振膜层能够提高目标偏振方向的激光传输效率，从而，在激光的传输过程中，通过高反射镜对激光振荡腔输出的种子激光和能量放大腔PA输出的放大激光进行多次提纯(提高特定偏振方向的激光传输效率)，补偿长距离光路传输过程中的退偏影响，实现最终具有高偏振度的大能量目标偏振态(水平偏振态)激光的输出。

本实施例以水平偏振态为激光的目标偏振态，介绍偏振膜层的偏振方向。

根据每个高反射镜在光路中的光学作用，确定每个高反射镜的入射面，入射面是入射向高反射镜的光线和高反射镜的法线组成的平面，进而确定每个高反射镜表面偏振膜层的具体偏振态。具体的，若高反射镜的入射面与激光的主要振动方向所在的面(水平面为例)平行(相同)，激光的主要振动方向是指激光中占绝大多比例偏振光振动所在的面(水平偏振态激光的主要振动方向所在的面为水平面)，则高反射镜表面膜层偏振特性与主要振动方向所在的面相同，为水平偏振膜层；表面若高反射镜的入射面与激光的主要振动方向所在的面相互垂直，则高反射镜表面膜层偏振特性与主要振动方向所在的面相反，为垂直偏振膜层。

在本实施例中，建立空间坐标系，该坐标系以种子腔MO输出激光的传输方向为X轴，Z轴位于X轴所在的水平面，且与X轴垂直；Y轴位于垂直面内，与X轴和Y轴相互垂直。如图1和2中，与光路垂直的“双向箭头”和“叉”指代传输激光的主要偏振方向(“双向箭头”指代偏振方向为箭头所示方向，“叉”指代垂直纸面方向)。

从图1和2中可以看出，在不同传输位置处激光偏振方向是不同的。种子腔MO输出的激光沿X轴传输至第一高反射镜M1，第一高反射镜M1将激光反射90°后，使激光沿Y轴传输至第二高反射镜M2，第二高反射镜M2将激光反射90°后，使激光沿X轴传输至第三高反射镜M3，第三高反射镜M3将激光反射90°后，使激光沿Z轴传输至第四高反射镜M4，第四高反射镜M4将激光反射89°至90°之间某一特定角度后，入射到能量放大腔PA内进行激光能量放大；从能量放大腔PA输出的一次放大后的激光入射到第五高反射镜M5表面。第五高反射镜M5与能量放大腔PA在同一水平面内，位于能量放大腔PA的左侧。第五高反射镜M5由两面成特定夹角的高反射镜组成。入射在第五高反射镜M5表面的激光经过两次近90°的反射后，再次沿着水平面内X轴方向返回到能量放大腔PA内进行第二次能量放大。能量放大腔PA内往返两束激光在同一水平面内，具有微小夹角(<1°)。从能量放大腔PA输出的二次放大后的高能量激光直接从激光器中输出。

由于激光在多面高反射镜的引导下在水平面和垂直面等不同位面内进行转置，导致激光偏振态多次发生旋转。在此前提下，选取具有特定偏振态的元件来引导激光传输，将对改善偏振激光传输效率起到很大的作用。

根据几何光学定义可知，图1中第一高反射镜M1和第二高反射镜M2的入射面在垂直面内，而第三高反射镜M3、第四高反射镜M4和第五高反射镜M5的入射面在水平面内。从种子腔MO输出以水平偏振态为主的种子激光，当入射到入射面在垂直面内的第一高反射镜M1和第二高反射镜M2表面时，水平偏振态种子光对于第一高发射镜M1和第二高反射镜M2来讲，偏振态发生转置，变为垂直偏振光。为提高水平偏振光为主的种子光能量传输效率，结合第一高反射镜M1和第二高反射镜M2传输特性和入射角，对第一高反射镜M1和第二高反射镜M2表面镀垂直偏振高反射膜层。

对于入射面在水平面内的第三高反射镜M3、第四高反射镜M4和第五高反射镜M5，入射面与所需偏振光的振动方向相同。水平偏振态种子光入射到这三面反射镜时仍是作为水平偏振光，偏振态没有转置变化。所以为提高原水平偏振光为主的种子光能量传输效率，结合第三高反射镜M3、第四高反射镜M4和第五高反射镜M5传输特性，在第三高反射镜M3、第四高反射镜M4和第五高反射镜M5的反射面应镀水平偏振态高反射膜。在保持最终输出激光的振动方向不变的同时，不断提高所需水平偏振光传输效率。

本实施例中，激光每经过一次光路转置，水平偏振光传输效率都要高于垂直偏振光，即对水平偏振光提纯一次，进而通过整个光路传输大幅度提高所需水平偏振激光的传输效率。

进一步地，第一高反射镜M1、第二高反射镜M2、第三高反射镜M3的入射角均为45°，第四高反射镜M4、第五高反射镜M5的入射角均在44°至45°之间。

本实施例中，高反射镜的表面镀的特定偏振态高反射膜层，还要考虑入射光的入射角度、激光波段等。例如，对第一高反射镜M1和第二高反射镜M2反射镜表面镀入射激光相应激光波段、45°入射垂直偏振高反射膜层。

在本申请的一些实施方式中，第五高反射镜M5是由两个高反射镜成特定角度组成的双面高反射镜。

本实施例中，经能量放大腔PA第一程放大后的光线入射到第五高反镜M5，由于该第五高反镜是双面高反射镜，因此，在第五高反镜表面发生两次反射后返回到能量放大腔PA内进行第二程增益放大输出。经第五高反镜返回的光线在能量放大腔PA内与入射到第五高反镜表面的光线在同一水平面内，且具有一个微小的夹角，其中一条光线沿着能量放大腔PA的主放电电极中心轴线上传播，可以获得完全增益放大；另外一条光线与主放电电极中心轴线具有一定微小夹角，获得部分增益放大。

进一步地，组成第五高反射镜M5的两个高反射镜的夹角小于90°。

在本申请的一些实施方式中，准分子激光器还包括在线宽压窄模块LNM，设置在激光谐振腔MO和的第一高反射镜M1之间光路上的输出耦合镜OC，输出耦合镜OC的入光面和出光面上均设有偏振膜层。

其中，激光谐振腔MO产生的激光经输出耦合镜OC传输至第一高反射镜M1。线宽压窄模块LNM与输出耦合镜OC镜共同构成激光谐振腔(种子腔)MO的两端腔镜。经输出耦合镜OC输出后的激光定义为种子激光(或种子光)。

进一步地，输出耦合镜OC为部分反射镜，部分反射镜的偏振膜层是水平偏振态部分反射膜层。

本实施例中，输出耦合镜OC入光面与目标偏振态激光同位于水平面内，从而激光透过输出耦合镜OC过程中仍按照水平偏振光传输特性。因此，当激光的目标偏振方向为水平偏振方向时，为提高水平偏振光传输效率，可对输出耦合镜OC表面镀193nm 0°入射水平偏振态部分反射膜层。

当然，输出耦合镜OC还可采用未镀膜的镜片。

在本申请的一些实施方式中，激光谐振腔MO的两端分别设有第一窗口片，第一窗口片的摆放使穿过第一窗口片的激光的光轴与第一窗口片的法线在水平面上的投影的夹角成布儒斯特角；

和/或，能量放大腔PA的两端分别设有第二窗口片，第二窗口片的摆放使穿过第二窗口片的激光的光轴与第二窗口片的法线在水平面上的投影的夹角成布儒斯特角。

其中，第一窗口片的两透光面相平行，第二窗口片的两透光面相平行。

其中，布儒斯特角，又称偏振角，是自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件。

激光腔(包含激光谐振腔MO、能量放大腔PA)两侧窗口片采用两透光面平行的未镀膜层镜片，窗口片法线与光轴在水平面内成布儒斯特角θ来摆放，如图1中所示激光谐振腔MO两侧窗口片、图2中能量放大腔PA两侧窗口片，激光传输方向与窗口片法线成布儒斯特角，具体角度数值与选用的窗片材料有关。

本实施例中，激光谐振腔MO的作用之一是对腔内光线起偏，实现腔内光线水平偏振态(或垂直偏振态)的选择，使激光谐振腔MO输出以水平偏振态(或垂直偏振态)为主、垂直偏振态(或水平偏振态)为辅的种子光。而能量放大腔PA中采用以上设计，窗口片可实现对激光偏振度的进一步提纯。

需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种准分子激光器光学系统，包括：种子腔、能量放大腔以及设置在所述种子腔至所述能量放大腔的光路上的多个高反射镜；其特征在于，

所述多个高反射镜包括第一高反射镜、第二高反射镜、第三高反射镜、第四高反射镜和第五高反射镜；

所述种子腔与所述能量放大腔在垂直于水平面的方向上分别上下排布，所述第一高反射镜与所述种子腔位于同一水平面；所述第一高反射镜位于所述种子腔的右侧；所述第一高反射镜的中心位于所述种子腔的光轴延长线上；

所述第二高反射镜、所述第三高反射镜、所述第四高反射镜、所述第五高反射镜和所述能量放大腔位于同一水平面上；所述第二高反射镜、所述第三高反射镜和所述第四高反射镜位于所述能量放大腔的右侧，所述第五高反射镜位于所述能量放大腔的左侧；所述第四高反射镜的中心位于所述能量放大腔的光轴的延长线上；所述第二高反射镜位于第一高反射镜的正下方；

所述第一高反射镜和所述第二高反射镜的表面设有垂直偏振态高反射膜层；所述第三高反射镜、所述第四高反射镜和所述第五高反射镜的表面设有水平偏振态高反射膜层。

2.根据权利要求1所述的准分子激光器光学系统，其特征在于，所述第一高反射镜、所述第二高反射镜、所述第三高反射镜的入射角均为45°，所述第四高反射镜、所述第五高反射镜的入射角均在44°至45°之间。

3.根据权利要求1所述的准分子激光器光学系统，其特征在于，所述第五高反射镜是由两个高反射镜成特定角度组成的双面高反射镜。

4.根据权利要求3所述的准分子激光器光学系统，其特征在于，组成第五高反射镜的两个高反射镜的夹角小于90°。

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