DE102009020501A1

DE102009020501A1 - Bandbreiteneinengungsmoduls zur Einstellung einer spektralen Bandbreite eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102009020501A1
Application number: DE102009020501A
Authority: DE
Inventors: Markus Deubel; Anton Lengel
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2010-12-23
Also published as: US20120099612A1; WO2010127831A1; JP2012526373A

Abstract

Bandbreiteneinengungsmodul (1) zur Einstellung einer spektralen Bandbreite (Δλ) eines Laserstrahls (14) einer Laserlichtquelle (10), mit einem Strahlaufweitungsmodul (18) zur Aufweitung eines Laserstrahls quer zu einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und mit einem Reflexionsgitter, wobei ein erstes optisches Bauelement (32) des Bandbreiteneinengungsmoduls derart ausgestaltet ist, dass einer Wellenfront eines Laserstrahls eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls aufprägbar ist. Erfindungsgemäß ist das erste optische Bauelement um eine zu der ersten Achse parallele Schwenkachse (35, 43) schwenkbar ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bandbreiteneinengungsmodul zur Einstellung einer spektralen Bandbreite eines Laserstrahls einer Laserlichtquelle, das ein Strahlaufweitungsmodul zur Aufweitung eines Laserstrahls quer zu einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und ein Reflexionsgitter umfasst. Ein erstes optisches Bauelement des Bandbreiteneinengungsmoduls ist derart ausgestaltet, dass einer Wellenfront eines Laserstrahls eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls aufprägbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laserlichtquelle.
Ein Bandbreiteneinengungsmodul der eingangs genannten Art wird allgemein in Laserlichtquellen verwendet, die für die Halbleiterlithographie oder für die Lasermaterialbearbeitung verwendet werden. Für die Halbleiterlithographie werden insbesondere Excimer-Laser verwendet, die ohne zusätzliche Vorrichtung zur Bandbreiteneinengung eine spektrale Bandbreite von etwa 0,5 nm (Nanometer) aufweisen. Für die Verwendung solcher Laser als Lichtquellen in der Halbleiterlithographie ist diese Bandbreite meist zu groß. Deshalb kommen in Laser, die als Lichtquelle für die Halbleiterlithographie verwendet werden, so genannte Bandbreiteneinengungsmodule zum Einsatz, die die Bandbreite reduzieren.
Ein solches Bandbreiteneinengungsmodul besteht im Wesentlichen aus einer Eingangsapertur, einem Strahlaufweitungsmodul sowie einem Reflexionsgitter, wobei das Bandbreiteneinengungsmodul einen der beiden Endspiegel des Laserresonators ersetzt. In das Bandbreiteneinengungsmodul einfallendes Laserlicht wird über das Reflexionsgitter, das beispielsweise in Littrow-Anordnung angeordnet ist, nur dann durch die Eingangsapertur zurück in den Resonator reflektiert, wenn die Wellenlänge des Lichts die Gittergleichung erfüllt. Welche Wellenlänge zurück in den Resonator reflektiert wird, hängt davon ab, unter welchen Winkeln das Licht auf das Gitter fällt. Je größer die Winkelverteilung des einfallenden Lichts ist, desto größer ist die Breite der Wellenlängenverteilung und damit die spektrale Bandbreite des Nutzstrahls des Laserstrahls, der den Laserresonator verlässt. Die Erzeugung von Laserstrahlung mit kleiner Bandbreite erfordert daher eine kleine Winkelverteilung (schmales Winkelspektrum) innerhalb des Laserstrahls.
Eine kleinere Winkelverteilung innerhalb des Laserstrahls lässt sich dadurch erreichen, dass der aus dem Resonator in das Bandbreiteneinengungsmodul einfallende Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlaufweitungsmoduls in Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls aufgeweitet wird. Die Aufweitung des Laserstrahls kann dabei das 20- bis 50-fache des in das Bandbreiteneinengungsmodul einfallenden Laserstrahls betragen. Hierdurch können spektrale Bandbreiten des Laserstrahls von wenigen 100 fm (Femtometer) erreicht werden. Eine größere Strahlaufweitung führt demnach zu einer kleineren spektralen Bandbreite des Laserlichts.
Während für die Halbleiterlithographie Laserlicht mit einer möglichst geringen spektralen Bandbreite erwünscht ist, ist es für andere Anwendungen jedoch zuweilen erforderlich, die spektrale Bandbreite des Laserlichts künstlich zu erhöhen, beispielsweise um einen Laser, der nur eine geringe spektrale Bandbreite zur Verfügung stellt, als Lichtquelle für einen Prozess zu verwenden, der eine höhere spektrale Bandbreite des Laserlichts erfordert oder der auf Laserlicht mit größerer spektraler Bandbreite optimiert wurde.
Eine Möglichkeit, die spektrale Bandbreite künstlich zu erhöhen, besteht darin, die oben erwähnte Strahlaufweitung des Laserstrahls zu reduzieren. Bei einem Bandbreiteneinengungsmodul, das ein Strahlaufweitungsmodul mit einer Mehrzahl von Prismen aufweist, kann dies durch Drehung eines der Prismen realisiert werden, um die Strahlaufweitung zu reduzieren und dadurch die spektrale Bandbreite zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bandbreiteneinengungsmodul mit alternativen Mitteln zur Einstellung einer spektralen Bandbreite eines Laserstrahls der eingangs genannten Art anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Bandbreiteneinengungsmoduls dadurch gelöst, dass das erste optische Bauelement um eine zu der ersten Achse parallelen Schwenkachse schwenkbar ausgeführt ist.
Unter einer ”Störung einer Wellenfront” ist in diesem Zusammenhang eine Veränderung der Wellenfront eines Laserstrahls beim Durchlaufen des ersten optischen Bauelements zu verstehen. Die Veränderung erfolgt dabei derart, dass die Wellenfront nach dem Durchlaufen des ersten optischen Bauelements eine Form aufweist, die sich von der Form der Wellenfront vor dem ersten optischen Bauelement durch einen zusätzlichen Zylinderanteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls unterscheidet. Der Wellenfront ist damit eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil beziehungsweise eine Störung zweiter und/oder höherer Ordnung aufgeprägt. Die durch das erste optische Bauelement generierte Störung der Wellenfront resultiert in zusätzlich eingeführten Winkeln in einem Winkelspektrum des Laserlichts, die wiederum an dem nachgeordneten Reflexionsgitter in verschiedene Wellenlängen übersetzt werden und so zu einer erhöhten spektralen Bandbreite des Laserlichts führen. Die erste Achse kann insbesondere auch parallel zu Gitterlinien des Reflexionsgitters angeordnet sein. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine bereits vorhandene Laserlichtquelle durch Einfügen eines zusätzlichen ersten optischen Bauelements oder durch Ersetzen eines bestehenden optischen Bauelements durch ein entsprechend modifiziertes Bauelement zur gezielten Beeinflussung der spektralen Bandbreite des Laserstrahls nachgerüstet werden. Bei der Erfindung ist ferner von Vorteil, dass eine spektrale Bandbreite des Laserstrahls durch Verschwenken des ersten optischen Bauelements im Betrieb oder innerhalb einer kurzen Umrüstzeit variiert werden kann, um das so erzeugte Laserlicht für verschiedene Prozesse beispielsweise in der Halbleiterlithographie zu verwenden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das erste optische Bauelement als ein erstes Prisma des Strahlaufweitungsmoduls ausgeführt. Das erste Prisma ist dabei derart modifiziert, dass eine Störung der Wellenfront mit einem zylinderförmigen Anteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls erzeugbar ist. Wie bereits dargestellt lässt sich durch eine Schwenkung des Prismas eine Strahlaufweitung und damit eine Erhöhung der spektralen Bandbreite des Bandbreiteneinengungsmoduls erzielen. Die Schwenkachse des ersten Prismas ist dabei bevorzugt zumindest annähernd parallel zu einer Längsachse des ersten Prismas ausgerichtet. Durch eine Modifikation und Ausgestaltung des Prismas als erstes optisches Bauelement lässt sich durch das Prisma der Wellenfront eine Störung mit einem zylinderförmiger Anteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls aufprägen, die sich durch Drehung verändert, was zu einer weiteren Vergrößerung der spektralen Bandbreite des Laserstrahls beiträgt. Insgesamt ist damit ein Einstellbereich der spektralen Bandbreite vergrößert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Eintrittsfläche und/oder eine Austrittsfläche des ersten Prismas zumindest abschnittsweise als Zylinderprofil ausgestaltet. Hierdurch lässt sich der Wellenfront auf einfache Weise eine zylinderförmige Störung aufprägen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das erste optische Bauelement zumindest abschnittsweise eine zylindrische Form auf und ist zwischen Strahlaufweitungsmodul und Reflexionsgitter angeordnet. In dieser Ausgestaltungsform ist das erste optische Bauelement besonders leicht nachrüstbar beziehungsweise in den Laserstrahl einsetzbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das erste optische Bauelement als Zylinderlinse oder Zylinderspiegel ausgestaltet. Dadurch ist der Wellenfront eine zylinderförmige Störung aufprägbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein zweites optisches Bauelement des Bandbreiteneinengungsmoduls derart ausgestaltet und in dem Bandbreiteneinengungsmodul angeordnet, dass eine durch das erste optische Bauelement erzeugte Störung der Wellenfront zumindest teilweise kompensierbar ist. Die zumindest teilweise Kompensation der Störung durch das zweite optische Bauelement hat zur Folge, dass die Form der Wellenfront nach Durchlaufen des zweiten optischen Bauelements der Form der Wellenfront vor dem ersten optischen Bauelement wieder angenähert ist. Hierzu weist eine Brennweite des zweiten optischen Bauelements vorzugsweise ein umgekehrtes Vorzeichen auf wie eine Brennweite des ersten optischen Bauelements. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann die Wellenfront nach Durchlaufen des zweiten optischen Bauelements auch eine identische Form aufweisen wie vor dem ersten optischen Bauelements. Das erste optische Bauelement und das zweite optische Bauelement können dabei als zusätzliche, separate Bauelemente an beliebiger Stelle innerhalb des Bandbreiteneinengungsmoduls oder innerhalb des Strahlausweitungsmoduls angeordnet sein. Ebenso ist es jedoch auch möglich, bereits vorhandene und zu anderen Zwecken nutzbare Bauelemente des Bandbreiteneinengungsmoduls zu modifizieren, so dass mit ihrer Hilfe zusätzlich zu ihrer ursprünglichen Funktion eine Störung der Wellenfront mit einem zylinderförmigen Anteil erzeugbar (erstes optisches Bauelement) beziehungsweise zumindest teilweise wieder kompensierbar (zweites optisches Bauelement) ist. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann auch eines der beiden optischen Bauelemente als zusätzliches Bauelement und das andere optische Bauelement als Modifikation eines bestehenden Bauelements des Bandbreiteneinengungsmoduls oder des Strahlaufweitungsmoduls ausgeführt sein. Über eine Verschwenkung des ersten optischen Bauelements ist eine spektrale Bandbreite des Laserstrahls einstellbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite optische Bauelement verschieblich in dem Bandbreiteneinengungsmodul angeordnet. Je nach Ausgestaltung des zweiten optischen Bauelements ist es vorteilhaft, das zweite optische Bauelement translatorisch verschieblich und/oder rotatorisch verschieblich (also dreh- oder schwenkbar) auszugestalten. Im Falle einer Ausgestaltung des zweiten optischen Bauelements als separates, zusätzliches Bauelement kann das zweite optische Bauelement auch in den Laserstrahl einbringbar und wieder herausnehmbar ausgeführt sein. Hierbei ist von Vorteil, dass eine Kompensation der gestörten Wellenfront mit Hilfe des zweiten optischen Bauelements einstellbar ist. Damit ist eine weitere Möglichkeit gegeben, eine spektrale Bandbreite des Laserstrahls während des Betriebs oder innerhalb einer kurzen Umrüstzeit zu variieren, um das so erzeugte Laserlicht für verschiedene Prozesse beispielsweise in der Halbleiterlithographie zu verwenden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite optische Bauelement als ein zweites Prisma des Strahlaufweitungsmoduls ausgeführt. Das zweite Prisma ist dabei derart modifiziert, dass die durch das erste optische Bauelement erzeugte Störung der Wellenfront zumindest teilweise kompensierbar ist. Eine Schwenkachse des zweiten Prismas ist dabei bevorzugt zumindest annähernd parallel zu einer Längsachse des zweiten Prismas ausgerichtet. Durch die Verwendung eines zweiten Prismas des Strahlaufweitungsmoduls als zweites optisches Bauelement ist die Anzahl der insgesamt erforderlichen Bauelemente zur Realisierung der vorliegenden Erfindung verringert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine Eintrittsfläche und/oder eine Austrittsfläche des zweiten Prismas zumindest abschnittsweise als Zylinderprofil ausgestaltet ist. Hierdurch lassen sich insbesondere zylinderförmige Störungen der Wellenfront einfach und wirkungsvoll zumindest teilweise kompensieren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das zweite optische Bauelement zumindest abschnittsweise eine zylindrische Form auf und ist zwischen Strahlaufweitungsmodul und Reflexionsgitter angeordnet. In dieser Ausgestaltungsform ist das zweite optische Bauelement besonders leicht nachrüstbar beziehungsweise in den Laserstrahl einsetzbar.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite optische Bauelement als Zylinderlinse oder Zylinderspiegel ausgestaltet. Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine der Wellenfront durch das erste optische Bauelement aufgeprägte zylinderförmige Störung kompensierbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Reflexionsgitter als zweites optisches Bauelement ausgestaltet. Die durch das erste optische Bauelement generierte Störung der Wellenfront resultiert in zusätzlichen eingeführte Winkel in einem Winkelspektrum des Laserlichts, die wiederum an dem nachgeordneten Reflexionsgitter in verschiedene Wellenlängen übersetzt werden und so zu einer erhöhten spektralen Bandbreite des Laserlichts führen. Durch die Verwendung eines Reflexionsgitters, das beispielsweise in Littrow-Anordnung ausgeführt sein kann, als zweites optisches Bauelement ist die Anzahl der zur Realisierung der Erfindung erforderlichen Bauelemente reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Reflexionsgitter gekrümmt ausgeführt. Auf diese Weise lässt sich eine durch das erste optische Bauelement eingeführte zylinderförmige Störung der Wellenfront wirksam zumindest teilweise reduzieren.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe eine Krümmung des Reflexionsgitters einstellbar ist. Von Vorteil ist hierbei, dass ein Grad der Kompensation der Wellenfrontstörung und damit eine spektrale Bandbreite des Laserstrahls während des Betriebs einstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Laserlichtquelle bereitgestellt, die Licht mit einer Wellenlänge λ₀, die in einem Bereich von etwa 140 Nanometer bis etwa 380 Nanometer liegt, und mit einem Wellenlängenspektrum einer Bandbreite Δλ um die Wellenlänge λ₀ herum emittiert, wobei die Bandbreite Δλ einstellbar ist.
In bevorzugten Ausgestaltungen beträgt die Wellenlänge λ₀ etwa 157 Nanometer, etwa 193 Nanometer, etwa 248 Nanometer oder etwa 308 Nanometer.
Mit den vorstehend genannten Wellenlängen λ₀ ist die erfindungsgemäße Laserlichtquelle insbesondere zur Verwendung in der Halbleiterlithographie geeignet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Wellenlänge λ₀ etwa 351 nm. In dieser Ausgestaltung eignet sich die Laserlichtquelle insbesondere zur Verwendung in der Materialbearbeitung, insbesondere zur Kristallisation von Silizium-Wafern.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Laserlichtquelle bereitgestellt, die Licht mit einer Wellenlänge λ₀ und einem Wellenlängenspektrum einer Bandbreite Δλ um die Wellenlänge λ₀ herum mit einer Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 20 bis etwa 2000 Watt emittiert, wobei die Bandbreite Δλ einstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, in der die Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 20 bis etwa 100 Watt liegt, ist die Laserlichtquelle zur Verwendung in der Halbleiterlithographie geeignet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, in der sich die Laserlichtquelle zur Verwendung in der Materialbearbeitung, insbesondere zur Kristallisation von Silizium-Wafern eignet, liegt die Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 500 bis etwa 2000 Watt.
Erfindungsgemäß wird weiterhin eine Laserlichtquelle bereitgestellt, die Licht mit einer Wellenlänge λ₀ und mit einem Wellenlängenspektrum einer Bandbreite Δλ um die Wellenlänge λ₀ herum in Form von Lichtpulsen mit einer Leistung in einem Leistungsbereich emittiert, die im Bereich von etwa 10 Millijoule pro Puls bis etwa 500 Millijoule pro Puls liegt, wobei die Bandbreite Δλ einstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung, die sich für die Verwendung der Laserlichtquelle in der Halbleiterlithographie eignet, liegt die Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 10 mJ/Puls bis etwa 20 mJ/Puls.
Eine Ausgestaltung der Laserlichtquelle, die sich für die Materialbearbeitung, insbesondere zur Kristallisation von Silizium-Wafern eignet, erzeugt eine Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 50 Millijoule pro Puls bis etwa 5000 Millijoule pro Puls.
In allen vorstehend genannten Fällen, die auch miteinander kombinierbar sind, ist die Bandbreite Δλ in einem Bereich von etwa 100 Femtometer (fm) bis etwa 300 Femtometer, weiter bis etwa 400 Femtometer, weiter vorzugsweise bis etwa 500 Femtometer und weiter bis etwa 1000 Femtometer einstellbar.
Eine erfindungsgemäße Laserlichtquelle weist ein Bandbreiteneinengungsmodul gemäß einer oder mehrerer der vorstehend genannten Ausgestaltungen auf.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Übersichtsdarstellung eine Laserlichtquelle mit einem erfindungsgemäßen Bandbreiteneinengungsmodul;
2a) und 2b) ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bandbreiteneinengungsmoduls mit einem ersten optischen Bauelement und einem zweiten optischen Bauelement verschiedenen Arbeitsstellungen;
3a) und 3b) ein zweites Ausführungsbeispiel eines Bandbreiteneinengungsmoduls mit einem ersten optischen Bauelement und einem zweiten optischen Bauelement verschiedenen Arbeitsstellungen;
4) ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bandbreiteneinengungsmoduls;
5) ein Ausführungsbeispiel eines Prismas eines Strahlaufweitungsmoduls.
In 1 ist eine Laserlichtquelle 10 ausschnittsweise dargestellt. Die Laserlichtquelle 10 umfasst einen nicht näher dargestellten Laserresonator mit einem laseraktiven Medium und ein Bandbreiteneinengungsmodul 12, das einen Endspiegel des Laserresonators der Laserlichtquelle 10 bildet. Ein weiterer Endspiegel 16 dient als Auskoppelspiegel und ist entsprechend teildurchlässig ausgebildet.
Das Bandbreiteneinengungsmodul 12 weist ein Strahlaufweitungsmodul 18 mit einer Eingangsapertur 20 auf, das aus einem oder mehreren Prismen aufgebaut sein kann. Der Laserstrahl 14 durchläuft das Strahlaufweitungsmodul 18 und wird dabei aufgeweitet. Nach Verlassen des Strahlaufweitungsmoduls 18 weist der Laserstrahl 14 entsprechend einen größeren Querschnitt auf als vor dem Eintritt in das Strahlaufweitungsmodul 18. Nach dem Austritt aus dem Strahlaufweitungsmodul 18 weist der Laserstrahl 14 in einer ersten Raumrichtung, die nachfolgend mit y bezeichnet wird, eine erste Abmessung D_y und in einer zweiten Raumrichtung, die nachfolgend mit x bezeichnet wird, und die zur ersten Raumrichtung y senkrecht steht und in 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft, eine zweite Abmessung auf, die hier ohne Beschränkung der Allgemeinheit kleiner ist als die erste Abmessung D. Mit z ist die Raumrichtung der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 bezeichnet.
Das Bandbreiteneinengungsmodul 12 weist weiterhin ein Reflexionsgitter 28 auf, das in Littrow-Anordnung in Bezug auf den auf das Reflexionsgitter 28 einfallenden Laserstrahl 14 angeordnet ist. Durch die Littrow-Anordnung des Reflexionsgitters 28 wird eine sehr hohe Reflexionsordnung von dem Reflexionsgitter 28 retroreflektiert und läuft dann wieder durch das Strahlaufweitungsmodul 18 bis zu dem zweiten Endspiegel 16.
Das Reflexionsgitter 28 reflektiert nur solche Wellenlängen des Laserstrahls 14 zurück in das Strahlaufweitungsmodul 18, die die Gittergleichung erfüllen. Welche Wellenlängen zurück in den Resonator reflektiert werden, hängt davon ab, unter welchen Winkeln das Licht des Laserstrahls 14 auf das Reflexionsgitter 28 fällt. Je größer das Winkelspektrum des einfallenden Lichts des Laserstrahls 14 ist, desto größer ist die Breite der Wellenlängenverteilung und damit die Bandbreite des aus dem zweiten Spiegel 16 ausgekoppelten Laserstrahls, der als Nutzstrahl den Laserresonator verlässt. Die Laserlichtquelle 10 erzeugt somit einen Laserstrahl mit kleiner spektraler Bandbreite, wenn die Winkelverteilung (Winkelspektrum) des auf das Reflexionsgitter 28 einfallenden Laserstrahls 14 klein ist, und eine entsprechend größere spektrale Bandbreite, wenn die Winkelverteilung entsprechend größer ist.
Um die Winkelverteilung bzw. das Winkelspektrum des Laserstrahls zu vergrößern, weist das Bandbreiteneinengungsmodul 12 ein erstes optisches Bauelement 32 und ein zweites optisches Bauelement 33 auf, die im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 hinter dem Strahlaufweitungsmodul 18 angeordnet ist. Mit Hilfe des ersten optischen Bauelements 32 ist eine Winkelverteilung beziehungsweise ein Winkelspektrum des Laserstrahls beeinflussbar. Somit lässt sich mit dem ersten optischen Bauelement 32 eine Störung einer Wellenfront des Laserstrahls erzeugen, die wiederum mit Hilfe des zweiten optischen Bauelements 33 zumindest teilweise kompensierbar ist.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele des Bandbreiteneinengungsmoduls 12 näher beschrieben.
In 2a und 2b ist schematisch ein Ausschnitt des Bandbreiteneinengungsmoduls 12 mit einem ersten optischen Bauelement 32 und einem zweiten optischen Bauelement 33 in verschiedenen Arbeitspositionen dargestellt. Das erste optische Bauelement ist dabei als eine plankonvexe erste Zylinderlinse 32 und das zweite optische Bauelement als plankonkave zweite Zylinderlinse 33 ausgeführt. In 2a und 2b sind die Zylinderachsen der ersten Zylinderlinse 32 und der zweiten Zylinderlinse 33 parallel zueinander und parallel zu Gitterlinien des Reflexionsgitters 28 ausgerichtet.
In 2a wird der Wellenfront 38 zunächst durch die erste Zylinderlinse 32 eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil um eine Achse 35 quer zu einer optischen Achse z des Bandbreitenmoduls aufgeprägt, so dass die Wellenfront eine erste Form 38' mit einem Zylinderfehler annimmt. Die Brechkraft der ersten Zylinderlinse 32 und die Brechkraft der zweiten Zylinderlinse 33 sind in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass die durch die erste Zylinderlinse 32 erzeugte Störung der Wellenfront durch die zweite Zylinderlinse 33 in der in 2a gezeigten Stellung der Zylinderlinsen 32, 33 wieder kompensiert wird so dass eine Wellenfront in einer zweiten Form 38'' entsteht, die mit der ursprünglichen Wellenfront 38 zumindest weitgehend identisch ist.
Die in 2b gezeigte Anordnung entspricht weitgehend der aus 2a, jedoch wurde die erste Zylinderlinse 32 geringfügig um eine Schwenkachse 35, die in diesem Ausführungsbeispiel der Achse, um die der Wellenfront eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil aufgeprägt wird, entspricht, verschwenkt. Beim Durchlaufen der Anordnung gemäß 2 wird eine durch die erste Zylinderlinse 32 erzeugte Störung der Wellenfront durch die zweite Zylinderlinse 33 nur noch teilweise kompensiert, so dass die Wellenfront nach der Anordnung eine dritte Form 38''' annimmt, die sich gegenüber der zweiten Form 38'' durch einen vergrößerten Zylinderfehler auszeichnet. Somit ist eine Größe der resultierenden Wellenfrontstörung mittels einer Schwenkung der ersten Zylinderlinse 32 einstellbar, wobei die Größe des Zylinderfehlers mit steigendem Schwenkwinkel der ersten Zylinderlinse 32 zu nimmt. Trifft eine solche Wellenfront mit einer zylinderförmigen Störung in der dritten Form 38''' auf das Reflexionsgitter 28, resultiert das in einem größeren Winkelspektrum am Reflexionsgitter und damit in einer vergrößerten spektralen Bandbreite des reflektierten Laserlichts.
Von Vorteil ist darüber hinaus in diesem wie in allen nachfolgenden Ausführungsbeispielen eine Verwendung von Zylinderlinsen, die neben der Zylinderstruktur keine oder allenfalls vernachlässigbare Passefehler (Transmission) aufweisen. Zur Vermeidung von Interferenzen und Vielfachreflexen ist das Aufbringen einer Antireflexbeschichtung vorteilhaft.
In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Bandbreiteneinengungsmodul ohne zweites Bauelement ausgestaltet. Eine Kompensation einer durch das erste Bauelement eingeführten Wellenfrontstörung ist dann nicht mehr möglich. Eine Einstellung der spektralen Bandbreite ist über eine Verschwenkung des ersten Bauelements um eine Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls möglich.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind beide Zylinderlinsen schwenkbar ausgestaltet. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind die erste Zylinderlinse und die zweite Zylinderlinse so ausgeformt, dass in jeder möglichen Relativstellung der beiden Linsen zueinander eine Wellenfrontstörung mit einem zylinderförmigen Anteil erzeugbar ist, so dass keine Stellung existiert, in der eine vollständige Kompensation einer durch die erste Zylinderlinse erzeugten Wellenfrontstörung erfolgt. Es ist ferner auch möglich, die Zylinderlinsen durch andere optische Elemente, beispielsweise Zylinderspiegel, zu ersetzen.
Anhand von 3a und 3b wird im Nachfolgenden ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bandbreiteneinengungsmoduls erläutert. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das erste optische Element als erstes Prisma 40 eines Strahlaufweitungsmoduls 18 mit einer konkaven Oberfläche 41 ausgestaltet, durch das der Wellenfront 38 eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil um eine Achse quer zu einer optischen Achse z des Bandbreiteneinengungsmoduls aufprägbar ist. Eine zumindest teilweise Kompensation einer durch das erste Prisma 40 erzeugten Wellenfrontstörung ist durch eine plankonvexe zweite Zylinderlinse 33 erzielbar. In 7a sind das erste Prisma 40 und die plankonvexe zweite Zylinderlinse 33 in einer Arbeitsstellung gezeigt, in der eine Wellenfrontstörung durch die plankonvexe Zylinderlinse 33 vollständig kompensiert ist, so dass sich vor dem ersten Prisma 40 und nach der zweiten Zylinderlinse 33 jeweils plane Wellenfronten ergeben.
Eine Einstellung einer Größe der Wellenfrontstörung erfolgt durch eine Schwenkung des ersten Prismas 40 um eine Schwenkachse 43, die quer zu einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und vorzugsweise parallel zu den Gitterlinien des Reflexionsgitters 28 ausgerichtet ist. Eine entsprechende Arbeitsstellung mit einem verschwenkten ersten Prisma 40 ist in 3b dargestellt. Durch die Verschwenkung des ersten Prismas 40 ist eine Wellenfrontstörung nicht vollständig kompensiert, so dass die Wellenfront nach Durchlaufen der zweiten Zylinderlinse ein dritte Form 38''' mit einem zylinderförmigen Profil aufweist. Über den Schwenkwinkel des ersten Prismas 40 ist somit eine Ausprägung des zylinderförmigen Profils einstellbar, wodurch sich wiederum eine spektrale Bandbreite des an dem Reflexionsgitter 28 reflektierten Laserlichtstrahls beeinflussen lässt.
In 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bandbreiteneinengungsmoduls dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste optische Bauelement als erstes Prisma 40 eines Strahlaufweitungsmoduls 18 mit einer konkaven Oberfläche auf einer Seite 41 ausgeführt. Das erste Prisma 40 ist analog zum zweiten Ausführungsbeispiel um eine Schwenkachse 43 schwenkbar, die quer zu einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und vorzugsweise parallel zu den Gitterlinien des Reflexionsgitters 28 ausgerichtet ist. Das zweite optische Bauelement ist als Reflexionsgitter 28 mit einer gekrümmten reflektierenden Oberfläche 48 ausgeführt. Eine Einstellung der Bandbreite des an dem Reflexionsgitter 28 reflektierten Laserlichtstrahls ist über eine Schwenkung des ersten Prismas 40 um die Schwenkachse 43 möglich, durch die der Wellenfront ein effektiver Zylinderfehler aufgeprägt wird, der am Reflexionsgitter in eine erhöhte Bandbreite übersetzt wird. Über den Schwenkwinkel lässt sich dabei eine Größe des Zylinderfehlers und damit die Bandbreite einstellen. Von Vorteil ist bei dieser Ausführungsform die geringe Anzahl der benötigten Bauteile, um eine Einstellung der spektralen Bandbreite zu realisieren. Bevorzugt ist eine Krümmung des Reflexionsgitter 28 über geeignete Mittel einstellbar.
Ein Ausführungsbeispiel eines ersten Prismas 40 des Strahlaufweitungsmoduls 18, welches zur Modifikation einer Wellenfront geeignet ist, ist in 5 dargestellt. Das erste Prisma 40 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine konvex ausgestaltete Hypotenuse mit einem Krümmungsradius R von 10 Meter auf. In einer auf maximale Strahlaufweitung ausgelegten Arbeitsstellung des Bandbreiteneinengungsmoduls ist ein durch das erste Prisma aufgeprägter Zylinderfehler durch ein entsprechend angepasstes zweites Prisma des Strahlaufweitungsmoduls (beispielsweise mit einer konkaven Oberfläche) oder durch ein angepasstes, zum Beispiel konkav gekrümmtes Reflexionsgitter 28 oder durch ein zusätzliches zweites optisches Bauelement 33 mit einer konkaven Oberfläche im Laserstrahl zumindest teilweise kompensierbar. Durch die Schwenkung des ersten Prismas 40 wird einerseits eine Strahlaufweitung verändert und zusätzlich der Wellenfront ein Zylinderfehler aufgeprägt. Auf diese Weise lässt sich mit einer Schwenkung eine Strahlaufweitung verringern und gleichzeitig ein zusätzlicher Winkel über eine Aufprägung einer entsprechenden Wellenfrontstörung erzeugen. Auf diese Weise ist mit einer Schwenkung des ersten Prismas 40 eine größere spektrale Bandbreite erzielbar als dies mit einer Strahlaufweitung mittels eines konventionellen Prismas mit ebenen Oberflächen alleine der Fall wäre.
In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Bauelement als Prisma des Strahlaufweitungsmoduls ausgeführt, in dem sowohl eine Eintrittsfläche als auch eine Austrittsfläche mit einem zylindrischen Profil ausgestaltet sind. Beispielsweise kann die Eintrittsfläche mit einem zylindrisch konkaven Profil und die Austrittsfläche mit einem zylindrisch konvexen Profil versehen sein oder umgekehrt. In einem weiter modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Zylinderprofile der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche so gewählt, dass eine durch die Eintrittsfläche aufgeprägte zylinderförmige Störung der Wellenfront in einer erste Arbeitsstellung des Prismas durch die Austrittsfläche kompensierbar ist. Bei einer Verschwenkung des Prismas in eine zweite Arbeitsstellung ändert sich aufgrund der Brechung ein Einfallswinkel an der Eintrittsfläche stärker als ein Austrittswinkel an der Austrittsfläche, so dass eine durch die Eintrittsfläche aufgeprägte zylinderförmige Störung der Wellenfront nicht mehr im selben Maße kompensiert wird wie in der ersten Arbeitsstellung des Primas.
In allen Ausführungsbeispielen ist eine Bandbreite des Laserstrahls einstellbar, indem einer Wellenfront des Lasers entlang einer Wirkrichtung des Reflexionsgitters eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls aufgeprägt wird.
Das erste optische Bauelement 32 beziehungsweise das zweite optische Bauelement 33 ist insbesondere aus CaF₂ gefertigt, wenn die Zentralwellenlänge des Laserlichts kleiner als 200 nm ist.
Die Laserlichtquelle 10 mit variablem Einstellbereich der spektralen Bandbreite Δλ kann so ausgelegt sein, dass sie Licht mit einer Wellenlänge λ₀ in einem Bereich von etwa 140 Nanometer bis etwa 380 Nanometer emittiert, beispielsweise Licht mit einer Wellenlänge λ₀ von etwa 157 Nanometer, von etwa 193 Nanometer, etwa 248 Nanometer, etwa 308 Nanometer oder etwa 351 Nanometer.
Die Leistung des von der Laserlichtquelle 10 emittierten Lichts kann im Bereich von etwa 20 bis etwa 2000 Watt liegen, vorzugsweise im Bereich von etwa 20 bis etwa 100 Watt oder im Bereich von etwa 500 bis etwa 2000 Watt.
Die Laserlichtquelle 10 kann auch gepulstes Licht in Form von Lichtpulsen emittieren, deren Leistung im Bereich von etwa 10 Millijoule pro Puls bis etwa 500 Millijoule pro Puls liegt, vorzugsweise im Bereich von etwa 10 Millijoule pro Puls bis etwa 20 Millijoule pro Puls oder im Bereich von etwa 50 Millijoule pro Puls bis etwa 5000 Millijoule pro Puls.
Der Einstellbereich der spektralen Bandbreite Δλ kann im Bereich von etwa 100 Femtometer bis etwa 300 Femtometer, von etwa 100 Femtometer bis etwa 400 Femtometer oder sogar von etwa 100 Femtometer bis etwa 500 Femtometer oder darüber einstellbar sein.

Claims

Bandbreiteneinengungsmodul (1) zur Einstellung einer spektralen Bandbreite (Δλ) eines Laserstrahls (14) einer Laserlichtquelle (10), mit einem Strahlaufweitungsmodul (18) zur Aufweitung eines Laserstrahls quer zu einer Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und mit einem Reflexionsgitter, wobei ein erstes optisches Bauelement (32) des Bandbreiteneinengungsmoduls derart ausgestaltet ist, dass einer Wellenfront eines Laserstrahls eine Störung mit einem zylinderförmigen Anteil um eine erste Achse quer zu einer optischen Achse des Bandbreiteneinengungsmoduls aufprägbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Bauelement um eine zu der ersten Achse parallelen Schwenkachse (35, 43) schwenkbar ausgeführt ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Bauelement als ein erstes Prisma des Strahlaufweitungsmoduls ausgeführt ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsfläche und/oder eine Austrittsfläche des ersten Prismas zumindest abschnittsweise als Zylinderprofil ausgestaltet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Bauelement zumindest abschnittsweise eine zylindrische Form aufweist und zwischen Strahlaufweitungsmodul und Reflexionsgitter angeordnet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Bauelement als Zylinderlinse oder Zylinderspiegel ausgestaltet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites optisches Bauelement des Bandbreiteneinengungsmoduls derart ausgestaltet und in dem Bandbreiteneinengungsmodul angeordnet ist, dass eine durch das erste optische Bauelement erzeugte Störung der Wellenfront zumindest teilweise kompensierbar ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Bauelement verschieblich in dem Bandbreiteneinengungsmodul angeordnet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Bauelement als ein zweites Prisma des Strahlaufweitungsmoduls ausgeführt ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsfläche und/oder eine Austrittsfläche des zweiten Prismas zumindest abschnittsweise als Zylinderprofil ausgestaltet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Bauelement zumindest abschnittsweise eine zylindrische Form aufweist und zwischen Strahlaufweitungsmodul und Reflexionsgitter angeordnet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Bauelement als Zylinderlinse oder Zylinderspiegel ausgestaltet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionsgitter als zweites optisches Bauelement ausgestaltet ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionsgitter gekrümmt ist.
Bandbreiteneinengungsmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine Krümmung des Reflexionsgitters einstellbar ist.
Laserlichtquelle, mit einem Bandbreiteneinengungsmodul (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Laserlichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge (λ₀), die in einem Bereich von etwa 140 nm bis etwa 380 nm liegt, und mit einem Wellenlängenspektrum einer Bandbreite (Δλ) um die Wellenlänge (λ₀) herum emittiert, wobei die Bandbreite (Δλ) einstellbar ist.
Laserlichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge (λ₀) und einem Wellenlängenspektrum einer Bandbreite (Δλ) um die Wellenlänge (λ₀) herum mit einer Leistung in einem Leistungsbereich von etwa 20 bis etwa 2000 Watt emittiert, wobei die Bandbreite (Δλ) einstellbar ist.
Laserlichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge (λ₀) und mit einem Wellenlängenspektrum einer Bandbreite (Δλ) um die Wellenlänge (λ₀) herum in Form von Lichtpulsen mit einer Leistung in einem Leistungsbereich emittiert, die im Bereich von etwa 0,1 mJ/Puls bis etwa 500 mJ/Puls liegt, wobei die Bandbreite (Δλ) einstellbar ist.
Laserlichtquelle nach Anspruch 18, wobei die Wellenlänge (λ₀) in einem Wellenlängenbereich von etwa 140 nm bis etwa 380 nm liegt.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Bandbreite (Δλ) in einem Bereich von etwa 100 fm bis etwa 1000 fm einstellbar ist.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 15 bis 20, mit einem Bandbreiteneinengungsmodul (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.