DE102009039957A1

DE102009039957A1 - Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite

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Publication number: DE102009039957A1
Application number: DE102009039957A
Authority: DE
Inventors: Markus Deubel; Anton Lengel; Oliver GLÖCKL; Ingrid Schuster
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Eine optische Vorrichtung (12) zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts einer Laserlichtquelle (10) weist ein Strahlaufweitungsmodul (18), das einen darauf einfallenden Lichtstrahl (14) in einer Aufweitungsrichtung (x) quer zur Ausbreitungsrichtung (z) aufweitet, ein wellenlängenselektives Element (24), und eine Aperturblende (32) auf, die einen durch einen Rand (36) begrenzten Durchlassbereich (34) aufweist. Zumindest der in Aufweitungsrichtung (x) befindliche Rand (36) des Durchlassbereichs der Aperturblende weist eine solche Struktur auf, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl (14) in der Aufweitungsrichtung (x) zumindest reduziert sind. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Aperturblende (32) so im Strahlengang des Lichtstrahls (14) angeordnet, dass ebenfalls beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl (14) in Aufweitungsrichtung (x) zumindest reduziert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlaufweitungsmodul, das einen darauf einfallenden Lichtstrahl in einer Aufweitungsrichtung quer zur Ausbreitungsrichtung aufweitet, mit einem wellenlängenselektiven Element, und mit einer Aperturblende, die einen durch einen Rand begrenzten Durchlassbereich aufweist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laserlichtquelle.
Eine optische Vorrichtung und eine Laserlichtquelle der eingangs genannten Art sind durch ihre Verwendung allgemein bekannt.
Eine optische Vorrichtung der eingangs genannten Art wird als Bandbreiteneinengungsmodul allgemein in Laserlichtquellen verwendet, die für die Halbleiterlithographie oder für die Lasermaterialbearbeitung verwendet werden. Für die Halbleiterlithographie werden insbesondere Excimer-Laser verwendet, die eine natürliche Bandbreite von etwa 0,5 nm aufweisen. Für die Verwendung solcher Laserlichtquellen in bestimmten Prozessen in der Halbleiterlithographie ist diese Bandbreite zu groß. Deshalb kommen in Laserlichtquellen, die als Lichtquelle für die Halbleiterlithographie verwendet werden, sogenannte Bandbreiteneinengungsmodule zum Einsatz, die die Bandbreite reduzieren.
Mit einem Bandbreiteneinengungsmodul soll es nicht nur möglich sein, die spektrale Bandbreite des Laserlichts zu reduzieren, sondern es soll mit dem Bandbreiteneinengungsmodul auch eine variable Einstellung der Bandbreite ermöglicht werden. Je nach Einsatzfall in der Halbleiterlithographie werden kleinere oder größere Bandbreiten benötigt. Aus diesem Grund ist eine variable Einstellbarkeit der spektralen Bandbreite des Laserlichts wünschenswert.
Allgemein weist ein Bandbreiteneinengungsmodul eine Aperturblende, ein Strahlaufweitungsmodul sowie ein wellenlängenselektives Element, beispielsweise ein Reflexionsgitter, auf. Wenn dass wellenlängenselektive Element ein Reflexionsgitter ist, ersetzt dieses üblicherweise einen der beiden Endspiegel des Laserresonators. In das Bandbreiteneinengungsmodul einfallendes Laserlicht wird über das wellenlängenselektive Element nur dann durch die Aperturblende zurück in den Resonator reflektiert, wenn die Wellenlänge des Laserlichts die Gittergleichung erfüllt. Welche Wellenlänge zurück in den Resonator reflektiert wird, hängt davon ab, unter welchen Winkeln das Licht auf das wellenlängenselektive Element fällt. Je größer die Winkelverteilung des einfallenden Lichts ist, desto größer ist die Breite der Wellenlängenverteilung und damit die spektrale Bandbreite des Nutzstrahls, der den Laserresonator verlässt. Die Erzeugung von Laserstrahlung mit kleiner Bandbreite erfordert daher eine kleine Winkelverteilung (schmales Winkelspektrum) innerhalb des Laserstrahls.
Eine kleine Winkelverteilung innerhalb des Laserstrahls lässt sich dadurch erreichen, dass der aus dem Laserresonator in das Bandbreiteneinengungsmodul einfallende Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlaufweitungsmoduls quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls aufgeweitet wird. Eine größere Strahlaufweitung führt demnach zu einer kleineren spektralen Bandbreite des Laserlichts. Die Aufweitung des Laserstrahls kann dabei das 20- bis 60-fache des in das Bandbreiteneinengungsmodul einfallenden Laserstrahls betragen. Hierdurch können spektrale Bandbreiten des Laserstrahls von wenigen 100 fm erreicht werden. Eine größere Strahlaufweitung führt demnach zu einer kleineren spektralen Bandbreite des Laserlichts.
Wie bereits erwähnt, ist es je nach Anwendungsfall erforderlich, die spektrale Bandbreite des Laserlichts künstlich zu erhöhen oder zu verringern. Bei einem Bandbreiteneinengungsmodul, das ein Strahlaufweitungsmodul mit einem oder mehreren Prismen aufweist, kann dies durch Drehung zumindest eines der Prismen realisiert werden, um die Strahlaufweitung zu reduzieren oder zu erhöhen und dadurch die spektrale Bandbreite zu erhöhen oder zu verringern.
Im Idealfall besteht zwischen der spektralen Bandbreite und dem Kehrwert der Strahlaufweitung ein linearer Zusammenhang. Dieser eigentliche lineare Zusammenhang kann jedoch durch die Qualität der Wellenfrontpasse der im Bandbreiteneinengungsmodul verbauten Optik gestört sein. Weisen die optischen Elemente des Strahlaufweitungsmoduls und/oder das wellenlängenselektive Element keine ausreichende Ebenheit auf, so werden durch die dadurch verursachten Unebenheiten der Wellenfront zusätzliche Winkel in das Winkelspektrum des Lichts eingeführt, die am wellenlängenselektiven Element in verschiedene Zentralwellenlängen übersetzt werden und zu einer erhöhten spektralen Bandbreite des Laserlichts führen.
Die Veränderung der Strahlaufweitung des Lichtstrahls mittels des Strahlaufweitungsmoduls zur Veränderung der spektralen Bandbreite hat in diesem Zusammenhang zur Folge, dass sich der ausgeleuchtete Bereich der Optik, d. h. der optischen Elemente des Bandbreiteneinengungsmoduls, und damit die effektiv für die spektrale Bandbreite relevante Wellenfront ändert. Dabei kann es vorkommen, dass trotz Verkleinerung der Strahlaufweitung die spektrale Bandbreite nicht größer, sondern kleiner wird, wenn in dem nun kleineren ausgeleuchteten Bereich der optischen Elemente des Bandbreiteneinengungsmoduls die Wellenfront deutlich besser ist als in dem bei größerer Strahlaufweitung ausgeleuchteten großen Bereich.
Inhomogenitäten der Wellenfront führen demnach dazu, dass der Zusammenhang von Bandbreite zum Kehrwert der Strahlaufweitung nicht mehr linear ist, sondern von dem idealen linearen Verlauf teilweise nach oben und teilweise nach unten abweicht. Ein linearer Zusammenhang zwischen der Bandbreite und dem Kehrwert der Strahlaufweitung ist jedoch wünschenswert, wenn beispielsweise ein Regelalgorithmus für die Einstellung der spektralen Bandbreite implementiert werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts einer Laserlichtquelle dahingehend weiterzubilden, dass ein Zusammenhang zwischen der spektralen Bandbreite und dem Kehrwert der Strahlaufweitung erreicht wird, der dem idealen linearen Zusammenhang so nahe wie möglich kommt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten optischen Vorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass zumindest der in Aufweitungsrichtung befindliche Rand des Durchlassbereichs der Aperturblende eine solche Struktur aufweist, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in der Aufweitungsrichtung zumindest reduziert sind.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der negative Einfluss von Wellenfront-Inhomogenitäten auf die Abhängigkeit der spektralen Bandbreite von der Strahlaufweitung zusätzlich durch die Beugung des Lichtstrahls an der Aperturblende des Bandbreiteneinengungsmoduls verstärkt wird. Die Beugung des Lichtstrahls am in Aufweitungsrichtung befindlichen Rand des Durchlassbereichs der Aperturblende führt zu lokalen Intensitätsüberhöhungen des Laserlichts, insbesonde re an den in der Aufweitungsrichtung äußeren Enden des Lichtstrahls. Diese lokalen Intensitätsmaxima wandern bei Änderung der Strahlaufweitung über die Optik. Wenn die lokalen Intensitätsmaxima auf eine Stelle, beispielsweise des wellenlängenselektiven Elements fallen, an der die Wellenfrontpasse besonders schlecht ist, so trägt diese Stelle bzw. dieser Bereich besonders stark zur spektralen Bandbreite bei. Mit anderen Worten wird die Abweichung des Zusammenhangs aus spektraler Bandbreite und Strahlaufweitung vom erwünschten linearen Verhalten durch Beugungseffekte an der Aperturblende noch verstärkt. Die Erfindung beruht gemäß diesem Aspekt nun auf dem Konzept, Beugungsfiguren bzw. Interferenzkontraste in der Intensitätsverteilung des Lichts im Lichtstrahl durch eine geeignete Struktur der Aperurblende so weit wie möglich zu reduzieren. Die Abweichung vom idealen linearen Zusammenhang zwischen Bandbreite und dem Kehrwert der Strahlaufweitung durch Verringerung beugungsinduzierter Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl wird auf diese Weise verringert. Werden die optischen Elemente der optischen Vorrichtung mit einer hochqualitativen Passe gefertigt, kann der lineare Zusammenhang so gut wie möglich erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Struktur des Randes des Durchlassbereichs eine von einer geraden Linie abweichende Linie.
In dieser Ausgestaltung weist der Rand des Durchlassbereichs in Richtung senkrecht zur Aufweitungsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls Bereiche mit unterschiedlicher Breite in Aufweitungsrichtung auf. Da die Position der Beugungsmaxima von der lokalen Breite der Apertur abhängig ist, entstehen entsprechende Beugungsmuster mit unterschiedlichen Positionen der Beugungsmaxima, die sich im Mittel über die Erstreckung des Durchlassbereich senkrecht zur Aufweitungsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung sowie bedingt durch die Divergenz des Laserstrahls in dieser Richtung überlagern, wodurch das Beugungsmuster ausgemittelt wird.
Die vorstehend genannte Struktur kann periodisch oder auch aperiodisch sein.
In konstruktiv einfachen Ausgestaltungen weist die Struktur Zacken oder Wellen auf.
Die vorstehend genannten Maßnahmen haben allesamt den Vorteil einer konstruktiv einfachen Realisierung der Aperturblende, um beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in der Aufweitungsrichtung zu reduzieren.
Die Zacken oder Wellen können sinusförmig, sägezahnförmig usw. ausgebildet sein.
Die Amplitude und Form der Struktur kann dabei auf die gewünschte Mittelungswirkung optimiert werden.
Alternativ oder kumulativ zur Ausgestaltung des Rands des Durchlassbereichs mit einer ”geometrischen” Struktur kann die Struktur in Aufweitungsrichtung eine von außen nach innen stetig zunehmende Durchlässigkeit aufweisen.
Auch diese Maßnahme ist wirksam, um beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in der Aufweitungsrichtung zu reduzieren. Mit dieser Maßnahme weist der Durchlassbereich der Aperturblende einen ”weichen” Rand auf, an dem der Lichtstrahl nicht oder kaum gebeugt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Maßnahme weist die Struktur des Rands des Durchlassbereichs einen Film oder eine Schicht mit von außen nach innen zunehmender Transmission und/oder abnehmender Dicke auf.
In diesem fall nimmt die Transmission kontinuierlich vom maximalen Wert im Inneren des Durchlassbereichs auf den Wert des umgebenden Films oder der umgebenden Schicht bis auf Null ab.
Beispielsweise kann die Aperturblende durch eine CaF₂-Platte gebildet sein, auf der eine Aluminiumschicht aufgedampft ist, wobei eine Lücke in der Aluminiumschicht den Durchlassbereich der Aperturblende definiert, und die Schichtdicke ausgehend von der Lücke sukzessive nach außen hin zunimmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist zusätzlich ein in einer Richtung senkrecht zur Aufweitungsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung befindlicher Rand des Durchlassbereichs eine solche Struktur auf, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in dieser Richtung zumindest näherungsweise reduziert sind.
Mit dieser Maßnahme wird vorteilhafterweise auch das Beugungsmuster in Richtung senkrecht zur Aufweitungsrichtung und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unterdrückt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Aperturblende so im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in Aufweitungsrichtung zumindest reduziert sind.
Der Grundgedanke dieses Aspekts der Erfindung besteht darin, den Einfluss beugungsinduzierter Inhomogenitäten auf den Zusammenhang zwischen Strahlaufweitung und spektraler Bandbreite durch eine bestimmte Positionierung der Aperturblende im Strahlengang des Lichtstrahls zu reduzieren. Dieser Aspekt der Erfindung beruht auf dem Konzept, die durch Beugung an der Aperturblende verursachte Winkelaufspreizung des Lichtstrahls so gering wie möglich zu halten.
Eine in diesem Sinne geeignete Position der Aperturblende ist in einer bevorzugten Ausgestaltung im Aufweitungsmodul, und noch weiter bevorzugt ist die Aperturblende zwischen dem Strahlaufweitungsmodul und dem wellenlängenselektiven Element angeordnet.
Je näher die Aperturblende am wellenlängenselektiven Element angeordnet ist, desto weniger machen sich am wellenlängenselektiven Element beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung negativ bemerkbar, weil die Winkelaufspreizung durch die Beugung dann dort noch sehr gering ist.
Zusätzlich kommt bei einer Positionierung der Aperturblende nahe am wellenlängenselektiven Element vorteilhafterweise zum Tragen, dass der Durchlassbereich der Aperturblende in Aufweitungsrichtung, wenn diese im aufgeweiteten Lichtstrahl steht, größer ist als wenn die Aperturblende als Eintrittsapertur vor dem Strahlaufweitungsmodul angeordnet ist, wodurch Beugungseffekte aufgrund des größeren Durchlassbereichs ebenfalls reduziert sind.
Der Durchlassbereich der Aperturblende ist zumindest im Fall, dass sie im aufgeweiteten Strahlengang angeordnet ist, im Querschnitt vorzugsweise verstellbar, um den Durchlassbereich an die jeweils eingestellte Aufweitung anzupassen.
Es versteht sich, dass der zweite Aspekt der Positionierung der Aperturblende mit dem ersten Aspekt der strukturellen Ausgestaltung der Aperturblende miteinander kombinierbar ist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die 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 Laserlichtquelle ausschnittsweise im Bereich einer optischen Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des von der Laserlichtquelle erzeugten Lichts;
2 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen spektraler Bandbreite und dem Kehrwert der Strahlaufweitung im Idealfall und im Fall einer nicht optimalen Wellenfrontpasse zeigt;
3 eine Aperturblende gemäß dem Stand der Technik;
4 ein Diagramm, das die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls an der Position eines wellenlängenselektiven Elements der Vorrichtung in 1 in Aufweitungsrichtung zeigt, wenn die Aperturblende in 3 verwendet wird;
5 eine Aperturblende zur Verwendung in der Vorrichtung in 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
6 ein Diagramm, das neben der Intensitätsverteilung gemäß 4 eine Intensitätsverteilung des Lichtstrahls an der Position des wellenlängenselektiven Elements der Vorrichtung in 1 bei Verwendung der Aperturblende gemäß 5 zeigt;
7 eine Aperturblende zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
8 ein Diagramm, das neben der Intensitätsverteilung gemäß 4 eine Intensitätsverteilung des Lichtstrahls an der Position des wellenlängenselektiven Elements der Vorrichtung in 1 bei Verwendung der Aperturblende gemäß 7 zeigt; und
9 eine Laserlichtquelle ausschnittsweise im Bereich einer optischen Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts der Laserlichtquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In 1 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Laserlichtquelle ausschnittsweise dargestellt. Der dargestellte Ausschnitt bezieht sich auf eine zur Laserlichtquelle gehörende optische Vorrichtung 12 zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite eines von der Laserlichtquelle 10 erzeugten Lichtstrahls 14. Die optische Vorrichtung 12 bildet dabei den einen Endspiegel des Laserresonators der Laserlichtquelle 10, während ein weiterer Endspiegel 16 als Auskoppelspiegel dient und entsprechend teildurchlässig ausgebildet ist. Das laseraktive Medium der Laserlichtquelle 10 ist hier nicht dargestellt.
Die optische Vorrichtung 12 weist ein Strahlaufweitungsmodul 18 auf, das den Lichtstrahl 14 in einer Aufweitungsrichtung, die entlang einer Achse 20 orientiert ist, die in 1 mit x bezeichnet ist, senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung, die entlang einer Achse 22 orientiert ist, die in 1 mit z bezeichnet ist, aufweitet.
Das Strahlaufweitungsmodul 18 kann ein Prisma oder mehrere Prismen aufweisen, wobei die Strahlaufweitung durch Drehen eines oder mehrerer der Prismen um eine Achse senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung z erfolgt. Ausgangsseitig des Strahlaufweitungsmoduls 18 weist der Lichtstrahl 14 somit einen größeren Querschnitt auf als eingangsseitig des Strahlaufweitungsmoduls 18, wie in 1 dargestellt ist.
Die optische Vorrichtung 12 zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts des Lichtstrahls 14 weist weiterhin ein wellenlängenselektives Element 24 auf, das beispielsweise ein Reflexionsgitter, insbesondere ein Echelle-Gitter in Littrow-Anordnung ist. Im Falle der Ausgestaltung des wellenlängenselektiven Elements 24 als Reflexionsgitter in Littrow-Anordnung wird eine sehr hohe Ordnung von dem wellenlängenselektiven Element 24 retroreflektiert und läuft dann wieder durch das Strahlaufweitungsmodul 18 bis zu dem zweiten Endspiegel 16, wie mit einem Doppelpfeil 26 in 1 veranschaulicht ist.
Das wellenlängenselektive Element 24 reflektiert nur solche Wellenlängen des Laserstrahls 14 zurück zum zweiten Endspiegel 16, die die Gittergleichung erfüllen. Welche Wellenlängen zurück zu dem zweiten Endspiegel 16 reflektiert werden, hängt davon ab, unter welchen Winkeln das Licht des Laserstrahls 14 auf das wellenlängenselektive Element 24 fällt. Je größer das Winkelspektrum des auf das wellenlängenselektive Element 24 einfallenden Lichts des Laserstrahls 14 ist, desto größer ist die Breite der Wellenlängenverteilung und damit die spektrale Bandbreite des aus dem zweiten Spiegel 16 ausgekoppelten Lichtstrahls 14, der als Nutzstrahl den Laserresonator verlässt. Die Laserlichtquelle 10 erzeugt einen Lichtstrahl 14 mit kleiner spektraler Bandbreite, wenn die Winkelverteilung bzw. das Winkelspektrum des auf das wellenlängenselektive Element 24 einfallenden Lichtstrahls 14 klein ist, und eine entsprechend größere spektrale Bandbreite, wenn die Winkelverteilung entsprechend größer ist.
Die Winkelverteilung des Lichtstrahls 14 kann durch Verändern der Strahlaufweitung durch das Strahlaufweitungsmodul 18 verkleinert bzw. vergrößert werden, wobei eine Vergrößerung der Strahlaufweitung eine Verkleinerung des Winkelspektrums und umgekehrt bewirkt.
2 zeigt den Zusammenhang zwischen der spektralen Bandbreite und dem Kehrwert der Strahlaufweitung.
Eine Kurve 28 zeigt den idealen Verlauf der Abhängigkeit der spektralen Bandbreite von dem Kehrwert der Strahlaufweitung. Dieser ideale Verlauf ist linear.
Dieser ideale Verlauf kann jedoch nur erreicht werden, wenn die optische Qualität nahezu aller in der optischen Vorrichtung 10 verbauten optischen Elemente, insbesondere der optischen Elemente des Strahlaufweitungsmoduls 18 und des wellen längenselektiven Elements 24, optimal ist. Ist die Qualität, beispielsweise die Oberflächenpasse der optischen Elemente nicht optimal, beispielsweise durch Unebenheiten der Passe, führt dies zu Unebenheiten der Wellenfront des Lichtstrahls 14, wodurch zusätzliche Winkel in das Winkelspektrum des Lichtstrahls 14 eingeführt werden, die am wellenlängenselektiven Element 24 in verschiedene Zentralwellenlängen übersetzt werden und zu einer erhöhten spektralen Bandbreite führen. Durch die Veränderung der Strahlaufweitung mittels des Strahlaufweitungsmoduls 14 ändert sich zwangsläufig der ausgeleuchtete Bereich der optischen Elemente und damit die effektiv für die spektrale Bandbreite relevante Wellenfront. Dabei kann es vorkommen, dass trotz Verkleinerung der Strahlaufweitung die spektrale Bandbreite nicht größer, sondern kleiner wird, wenn in dem nun kleineren ausgeleuchteten Bereich der optischen Elemente die Wellenfront deutlich besser ist als in dem bei großer Strahlaufweitung ausgeleuchteten großen Bereich der Optik.
Dieser Sachverhalt ist in 2 beispielhaft mit einer Kurve 30 veranschaulicht. Die Kurve 30 weist einen Verlauf auf, der von der idealen Kurve 28 teilweise nach oben, teilweise nach unten abweicht.
Dieser Zusammenhang zwischen spektraler Bandbreite und Strahlaufweitung wird noch durch den nachfolgend beschriebenen Einfluss eines weiteren optischen Elements der optischen Vorrichtung 12 in 1 verstärkt, und zwar durch eine Aperturblende 32, die in 1 vor dem Eingang des Lichtstrahls 14 in das Strahlaufweitungsmodul 18 angeordnet ist.
Die Aperturblende 32 weist einen Durchlassbereich 34 auf, der durch einen Rand 36 begrenzt ist. In 1 ist nur der Rand 36 in Richtung der x-Achse zu sehen, also der Rand in Aufweitungsrichtung.
In 3 ist eine Aperturblende 32' dargestellt, wie sie im Stand der Technik verwendet wird. Die Aperturblende 32 weist einen Durchlassbereich 34' auf, der durch einen Rand 36' begrenzt ist, wobei der Rand 36' einen Randabschnitt 36'a und 36'b auf weist, die den Lichtstrahl 14 in x-Richtung begrenzen. Weitere Randabschnitte 36'c und 36'd begrenzen den Lichtstrahl 14 zusätzlich in einer Richtung senkrecht zur x-Richtung (Aufweitungsrichtung) und senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung z, wobei diese Richtung in 3 entlang einer Achse 38 orientiert ist, die mit y bezeichnet ist.
Der Rand 36' des Durchlassbereichs 34' gemäß 3 ist hier rechteckig ausgebildet, insbesondere sind die Randabschnitte 36'a und 36'b geradlinig ausgebildet. Die Transmission der Aperturblende 32' geht von einer Transmission von 100% im Durchlassbereich 34' am Rand 36' unstetig auf eine Transmission von 0% in einem äußeren Bereich 40' der Aperturblende 32' über.
Der durch die Aperturblende 32' hindurchtretende Lichtstrahl 14 wird in Aufweitungsrichtung x gesehen an den Randabschnitten 36'a und 36'b gebeugt.
Dabei entsteht ein Beugungsmuster, das zu Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in der Aufweitungsrichtung x führt.
In 4 ist die Intensitätsverteilung des Lichts des Lichtstrahls 14 an der Position des wellenlängenselektiven Elements 24 in der Aufweitungsrichtung x dargestellt.
Wie aus 4 hervorgeht, führt die Beugung des Lichtstrahls 14 an den Randabschnitten 36'a und 36'b zu starken Intensitätsüberhöhungen im Lichtstrahl 14, wobei die Intensitätsüberhöhungen am äußeren Rand des Lichtstrahls 14 in Aufweitungsrichtung x gesehen besonders stark ausgeprägt sind. Bei Änderung der Strahlaufweitung mittels des Strahlaufweitungsmoduls 18 wandern die einzelnen Intensitätsmaxima über die in der optischen Vorrichtung 12 verbauten optischen Elemente. Wenn die Intensitätsmaxima auf eine Stelle eines optischen Elements, beispielsweise des wellenlängenselektiven Elements 24 fallen, an der die Oberflächenpasse unzureichend ist, so trägt diese Stelle dann besonders viel zur spektralen Bandbreite bei.
Dadurch wird die Abweichung des Zusammenhangs zwischen spektraler Bandbreite und Strahlaufweitung von der idealen Kurve in 2 noch weiter verstärkt.
Die Intensitätsschwankungen aufgrund der Beugung an der Aperturblende 32' führen außerdem zu einer lokal variierenden Strahlungsbelastung der optischen Elemente 12. Insbesondere ist die Strahlungsbelastung in den Beugungsmaxima am Rand des Strahls (siehe 4) deutlich höher als im Flächenmittel, was zu einer lokal beschleunigten Degradation der optischen Elemente führen kann.
Um die beugungsinduzierten Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl 14 zumindest in der Aufweitungsrichtung x zu reduzieren, werden nachfolgend geeignete Konfigurationen der Aperturblende 32 beschrieben, die in 5 und 7 dargestellt sind.
5 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel eine Aperturblende 32₁ , die als Aperturblende 32 in 1 verwendet werden kann, die so ausgebildet ist, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl 14 zumindest in der Aufweitungsrichtung x, vorzugsweise auch in der dazu senkrechten Richtung y zumindest reduziert sind.
Die Aperturblende 32₁ weist einen Durchlassbereich 34₁ auf, der von einem Rand 36₁ begrenzt ist, der durch Randabschnitte 36₁a, 36₁b, 36₁c und 36₁d begrenzt ist.
Der Rand 36₁ des Durchlassbereichs 34₁ weist zur Reduzierung beugungsinduzierter Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl 14 sowohl in der Aufweitungsrichtung x als auch in der dazu senkrechten Richtung y eine von der geradlinigen Ausgestaltung des Rands 36' in 3 abweichende Struktur auf. Diese Struktur kann Zacken oder Wellen aufweisen, wobei die Zacken oder Wellen eine periodische oder aperiodische Anordnung bilden. Eine solche Struktur kann sinusförmig, sägezahnförmig oder auf beliebige andere vergleichbare Weise gestaltet sein.
Aufgrund der Struktur des Rands 36₁ des Durchlassbereichs 34₁ variiert die Breite des Durchlassbereichs 34₁ in y-Richtung, wodurch sich eine Vielzahl von Beugungsmustern mit unterschiedlicher Position der Beugungsmaxima ergeben, die sich über die y-Richtung gesehen, auch bedingt durch die Divergenz des Lichtstrahls 14 in y-Richtung überlagern und gegenseitig ausmitteln.
Dieser Ausmittelungseffekt ist in 6 dargestellt.
In 6 ist zum einen mit einer Kurve 42 die Intensitätsverteilung an der Position des wellenlängenselektiven Elements 24 in Aufweitungsrichtung x gesehen dargestellt, wie sie durch die Aperturblende 32' gemäß dem Stand der Technik erzeugt wird. Mit einer Kurve 44 in 6 ist die in y-Richtung gemittelte Intensitätsverteilung des Lichts des Lichtstrahls 14 an der Position des wellenlängenselektiven Elements 24 dargestellt, wie sie sich bei Verwendung der Aperturblende 36₁ ergibt. Es ist zu erkennen, dass die Intensitätsverteilung gemäß Kurve 44 gegenüber der Intensitätsverteilung gemäß Kurve 42 geglättet ist, insbesondere sind die starken randseitigen Intensitätsüberhöhungen deutlich reduziert.
Eine Unterdrückung von beugungsinduzierten Inhomogenitäten in y-Richtung kann erreicht werden, wenn auch die Randabschnitte 36₁c und 36₁d, wie in 5 dargestellt ist, mit einer von einer geraden Linie abweichenden Struktur versehen sind, wobei die Struktur in gleicher Weise wie die Struktur der Randabschnitte 36₁a und 36₁b ausgestaltet sein kann.
Die Amplitude und Form der jeweiligen Struktur kann jeweils auf den gewünschten Mittelungseffekt der Ausmittelung der Vielzahl von entstehenden Beugungsmustern optimiert werden.
In 7 ist eine weitere Ausgestaltung einer Aperturblende 32₂ dargestellt, bei der die Maßnahmen zur Reduzierung beugungsinduzierter Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl 14 auf folgende Weise erzielt werden.
Die Aperturblende 32₂ weist einen Durchlassbereich 34₂ auf, in dem die Transmission 100% beträgt. Der Durchlassbereich 34₂ ist von einem Rand 36₂ begrenzt, der im Unterschied zu dem Rand 36₁ in 5 nicht als ”harter” Rand ausgebildet ist, sondern als ”weicher” Rand. Ein solcher ”weicher” Rand ist dadurch realisiert, dass der Rand 36₂ eine von außen nach innen stetig zunehmende Durchlässigkeit bzw. Transmission aufweist. Der Rand 36₂ ist somit nicht durch eine scharfe Linie realisiert, sondern besitzt in der Aufweitungsrichtung x eine gewisse Erstreckung, über die die Transmission stetig von innen nach außen abnimmt. Im äußeren Bereich 40₂ beträgt die Transmission der Aperturblende 32₂ 0% und nimmt über die Erstreckung des Rands 36₂ von 0%, ausgehend vom äußeren Bereich 40₂ , stetig auf 100% zu.
Der Rand 36₂ des Durchlassbereichs 34₂ kann dabei durch einen Film oder eine Schicht mit von außen nach innen zunehmender Transmission und/oder abnehmender Dicke gebildet sein. Beispielsweise kann die Aperturblende 32₂ durch eine Platte, beispielsweise CaF₂-Platte gebildet sein, auf der beispielsweise eine Aluminiumschicht aufgedampft ist, wobei im Durchlassbereich 34₂ diese Schicht nicht vorhanden ist, sondern in Aufweitungsrichtung x an inneren Enden 37₂a und 37₂b mit einer minimalen Schichtdicke von nahezu 0 beginnt und deren Schichtdicke ausgehend von den Enden 37₂a und 37₂b nach außen stetig zunimmt, bis die Transmission der Schicht im äußeren Bereich 40₂ auf 0% abgesunken ist.
Die Randabschnitte 36₂c und 36₂d können auf gleiche Weise ausgestaltet sein.
In 8 ist die Wirkung der Aperturblende 32₂ dargestellt.
Zusätzlich zur Kurve 42, die die Intensitätsverteilung an der Position des wellenlängenselektiven Elements 24 bei Verwendung der Aperturblende 32' in der Aufweitungsrichtung x zeigt, ist in 8 mit einer Kurve 46 die Intensitätsverteilung bei Verwendung der Aperturblende 32₂ gemäß 7 dargestellt. Auch hier zeigt sich eine deutliche Glättung der Intensitätsverteilung, insbesondere an den Rändern des Lichtstrahls 14 in x-Richtung gesehen.
Während in 1 die Aperturblende 32 als Eintrittsapertur vor dem Strahlaufweitungsmodul 18, also im aufgeweiteten Lichtstrahl 14 angeordnet ist, was bei Verwendung der Aperturblende 32₁ oder 32₂ bereits eine deutliche Reduzierung abträglicher Beugungseffekte auf den Zusammenhang zwischen spektraler Bandbreite und Strahlaufweitung bewirkt, ist in 9 ein gegenüber 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel in 1 lediglich durch die Position der Aperturblende 32 unterscheidet. Bei der optischen Vorrichtung 12 gemäß 8 befindet sich die Aperturblende 32 im aufgeweiteten Lichtstrahl 14, und zwar genauer zwischen dem Strahlaufweitungsmodul 18 und dem wellenlängenselektiven Element 24.
Zum einen ist bei einer Positionierung der Aperturblende 32 im aufgeweiteten Lichtstrahl 14 der Durchlassbereich 34 der Aperturblende 32 sehr viel größer, als wenn die Aperturblende 32 im nicht aufgeweiteten Lichtstrahl 14 vor dem Strahlaufweitungsmodul 18 angeordnet ist, wodurch bereits Beugungseffekte aufgrund des größeren Durchlassbereichs 34 verringert werden. Durch die kleinere Beabstandung der Aperturblende 32 von dem wellenlängenselektiven Element 24 ist aber auch die durch den Rand 36 des Durchlassbereichs 34 verursachte Winkelaufspreizung des Lichtstrahls 14 am wellenlängenselektiven Element 24 geringer. Hierdurch werden beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung des Lichts im Lichtstrahl 14 am wellenlängenselektiven Element 24 bereits deutlich verringert. Auf eine Aperturblende im nicht aufgeweiteten Lichtstrahl 14, also vor dem Strahlaufweitungsmodul 18, sollte daher gänzlich verzichtet werden. Im Fall der Positionierung der Aperturblende 32 gemäß 8 kann auch die Aperturblende 32 verwendet werden, wobei jedoch vorzugsweise an dieser Position die Aperturblende 32₁ oder 32₂ verwendet wird.
Die Aperturblende 32 kann auch im Strahlaufweitungsmodul 18 angeordnet sein, beispielsweise zwischen den optischen Elementen, die das Strahlaufweitungsmodul 18 bilden.
Wenn die Blende 32 im aufgeweiteten Lichtstrahl 14 angeordnet ist, kann es vorzugsweise vorgesehen sein, den Durchlassbereich 34 der Aperturblende 32 im Querschnitt verstellbar auszugestalten, um den Durchlassbereich an die eingestellte Aufweitung anpassen zu können.

Claims

Optische Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlaufweitungsmodul (18), das einen darauf einfallenden Lichtstrahl (14) in einer Aufweitungsrichtung (x) quer zur Ausbreitungsrichtung (z) aufweitet, mit einem wellenlängenselektiven Element (24), und mit einer Aperturblende (32; 32₁ ; 32₂ ), die einen durch einen Rand (36; 36₁ ; 36₂ ) begrenzten Durchlassbereich (34; 34₁ ; 34₂ ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der in Aufweitungsrichtung (x) befindliche Rand (36₁a, b; 36₂a, b) des Durchlassbereichs (34₁ ; 34₂ ) der Aperturblende (32₁ ; 32₂ ) eine solche Struktur aufweist, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl (14) in der Aufweitungsrichtung (x) zumindest reduziert sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Rands (36₁ ) des Durchlassbereichs (34₁ ) eine von einer geraden Linie abweichende Linie ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur periodisch ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur aperiodisch ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur Zacken oder Wellen aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Rands (36₂a, b) des Durchlassbereichs in Aufweitungsrichtung (x) eine von außen nach innen stetig zunehmende Durchlässigkeit aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur des Rands (36₂ ) des Durchlassbereichs (34₂ ) einen Film oder eine Schicht mit von außen nach innen zunehmender Transmission und/oder abnehmender Dicke aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein in einer Richtung senkrecht zur Aufweitungsrichtung (x) und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z) befindlicher Rand (36₁c, d; 36₂c, d) des Durchlassbereichs (34₁ ; 34₂ ) eine solche Struktur aufweist, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl in dieser Richtung (y) zumindest näherungsweise reduziert sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende (32) im Aufweitungsmodul angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende (32) zwischen dem Strahlaufweitungsmodul (18) und dem wellenlängenselektiven Element (24) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung zur variablen Einstellung der spektralen Bandbreite des Lichts einer Laserlichtquelle, mit einem Strahlaufweitungsmodul (18), das einen darauf einfallenden Lichtstrahl (14) in einer Aufweitungsrichtung (x) quer zur Ausbreitungsrichtung (z) aufweitet, mit einem wellenlängenselektiven Element (24), und mit einer Aperturblende (32); die zumindest in der Aufweitungsrichtung (x) einen durch einen Rand (36) begrenzten Durchlassbereich (34) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende (32) so im Strahlengang des Lichtstrahls (14) angeordnet ist, dass beugungsinduzierte Inhomogenitäten in der Intensitätsverteilung im Lichtstrahl (14) in Aufweitungsrichtung (x) zumindest reduziert sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende (32) im Aufweitungsmodul (18) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblende (32) zwischen dem Strahlaufweitungsmodul (18) und dem wellenlängenselektiven Element (24) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassbereich (34) der Aperturblende (32) im Querschnitt verstellbar ist.
Laserlichtquelle, gekennzeichnet durch eine optische Vorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.