DE112006003003T5

DE112006003003T5 - CO2-Laser mit gütegeschalteter Injektionsverriegelung und mit gütegeschalteter Resonatorspeicherung zur Erzeugung extremer UV-Strahlung

Info

Publication number: DE112006003003T5
Application number: DE112006003003T
Authority: DE
Inventors: Robert East Hampton Henschke; Joel Tolland Fontanella; Anthony J. West Hartford Demaria
Original assignee: Coherent Inc
Current assignee: Coherent Inc
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: WO2007047705A1; JP2009512229A; DE112006003003B4; US20070091973A1; US7327769B2

Abstract

Lasersystem umfassend:
einen lokalen Oszillator, der einen Referenzlaserstrahl mit einer festen Ausgangsfrequenz erzeugt;
einen Laser, der eine Resonanzkavität umfasst, die durch zumindest zwei Spiegel festgelegt ist, wobei einer der Spiegel mit einem Positionscontroller gekoppelt ist zum Einstellen der Position eines Spiegels, um die Länge der Kavität zu steuern, wobei der Laser einen Q-Switch umfasst, der wiederholt aktiviert wird, um die Kavität zwischen einem Zustand mit hohem Verlust und einem Zustand mit geringem Verlust zu ändern, wodurch Impulse der zu erzeugenden Laserstrahlung entstehen;
eine Optik zum Lenken des Referenzlaserstrahls in die Resonanzkavität des Lasers;
einen Detektor zum Überwachen der Intensität der von dem Laser erzeugten Impulse; und
einen Steuerschaltkreis, der den Ausgang des Detektors erhält und die Anstiegszeit des von dem Laser emittierten Laserimpulses nach jeder Aktivierung des Q-Switches überwacht und ein Steuersignal erzeugt, das dem Positionscontroller zugeführt wird, um den Spiegel in eine Position zu...

Description

Zulieferer photolithographischer Geräte für die Halbleiterindustrie sind aktiv mit der Durchführung von Forschungs- und Entwicklungsprogrammen beschäftigt, die auf die Verwendung von Oszillator/Verstärkersystemen basierend auf Q-switched (QS) oder Q-switched cavity dumped (QSCD) CO₂ Laser gerichtet sind, die als optische Pumpquelle bei der Erzeugung extremer Ultraviolettstrahlung (EUV-Strahlung) durch Plasmaerzeugung verwendet werden. Diese Vorgehensweise ist deshalb gewählt worden, da diese Laser eine Ausgangsleistung mit einer Leistungsspitze aufweisen, die größer oder gleich ein 1 kW für Q-switched (QS) Laser und ungefähr 10 kW für Q-switched cavity dumped (QSCD) Laser ist. Diese Laser besitzen eine kurze Impulsdauer, die beispielsweise bei QS Laser 0,1 bis 2 Millisekunden und bei QSCD Laser 10 bis 30 ns beträgt. Diese Laser besitzen ebenso angemessene durchschnittliche Oszillatorausgangsleistungen, die im single-mode Betrieb beispielsweise in der Größenordnung von ungefähr 20 bis 50 W liegen, und sie besitzen des Weiteren hohe Impulsfrequenzen, die beispielsweise größer oder gleich 100 kHz betragen. Diese Laser können im single-mode betrieben werden und sind im Vergleich zu Festkörperlaserquelien unter Umständen relativ kostengünstig. Ausgangsleistungen von mehr als 35 kW sind mit CO₂-Gasfluss-Lasern erzielt worden, die für Hochleistungsverstärkerapplikationen geeignet sind.
Eine weitere Applikation für QS und QSCD CO₂ Laser besteht bei Fernsensiersystemen („remote sensing systems"), bei denen die kohärente Laser-Radar(LADAR)-Technologie zum Einsatz kommt, bei der Bereichs- und Dopplerinformationen von Interesse sind.
Gegenwärtige QS und QSCD CO₂ Laser haben zeitabhängige Impulsspitzenleistungen und einen signifikanten, sich von Impuls zu Impuls ändernden Einschaltzeitjitter. Die Schwankungen der Impulsamplitude und des Einschaltzeitjitters treten vorwiegend aufgrund von Statistiken auf, die im Zusammenhang mit denjenigen Laserimpulsen stehen, die aus dem Rauschen, der Verschiebung der Axialmoden des Resonators über der CO₂ Verstärkungskurve, die mit der Temperatur oszilliert, als auch aus den Variationen der Entladung entstehen. Diese Probleme treten ebenso bei Festkörperlasern auf. In QS oder QSCD CO₂ Laser ändert sich während des Q-switching Prozesses die Laserwellenlänge von Impuls zu Impuls zur nächst höchsten Verstärkungslinie, die Teil der zahlreichen Rotationslinien des CO₂ Moleküls ist. Es wird davon ausgegangen, dass diese Linienänderung („line switching") vorwiegend dadurch entsteht, dass sich die Axialmoden des Laserresonators mit der Änderung der Temperatur sowie der Entladung über die Schwingungs/Rotationslinien der CO₂ Moleküle verschieben. Während des Laserbetriebs besitzen diese Linien unterschiedliche Besetzungsinversionsdichten (das heißt Verstärkung). Diese Frequenzumschaltung von Impuls zu Impuls trägt ebenso dazu bei, dass bei gegenwärtigen QS und QSCD CO₂ Laser die Spitzenimpulsleistung und die Impulsbreite nicht konstant ist und es einen impulsabhängigen Zeitjitter gibt. Diese impulsabhängigen Variationen, die in existierenden Systemen vorhanden sind, können zu Änderungen der Systemperformance dahingehend führen, dass sich der Betrag an erzeugter tiefer Ultraviolettstrahlung für photolithographische Applikationen, der maximal erfassbare Bereich von Laser-Radar-Systemen sowie die Genauigkeit, mit der die Geschwindigkeit eines Zielobjekts mit heterodynen CO₂ Laser-Radar-Systemen gemessen werden kann, ändert. Solche Variationen der Systemperformance sind allerdings nicht tolerierbar.
Zusammenfassung der Erfindung
Um diese Nachteile anzugehen, ist die vorliegende Erfindung speziell auch Q-switched oder Q-switched cavity dumped Laser hoher Leistung und hoher Frequenz gerichtet, die einen Ausgang aufweisen, der von Impuls zu Impuls sehr stabil ist. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein CW Referenzoszillator mit geringer Leistung vorgesehen, der derart ausgebildet ist, dass er einen Ausgangsstrahl mit stabiler Frequenz zum Seeden des Q-switched Lasers erzeugt. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Referenzoszillator ein Gitter zur Wellenlängenselektion und eine Rückkoppelungsschleife zum Fixieren („locking") der Frequenz des Ausgangsstrahls.
Der Strahl des Referenzoszillators wird in die Kavität des Q-switched Lasers gerichtet. Dieser Strahl seedet den Ausgang des Q-switched Lasers. Der Q-switched Laser umfasst ebenso einen Rückkoppelungs- bzw. Regelschaltkreis, der den Q-switched Ausgangsstrahl überwacht und ein Steuersignal an einen PZT sendet, der mit einem der Resonatorspiegel verbunden ist, um so die Länge der Resonatorkavität zu steuern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der PZT gedithert und der Rückkoppelungsschaltkreis überwacht die Spitzenleistung des Lasers.
Bei einer stabileren Ausführungsform umfasst der Rückkoppelungsschaltkreis einen Kavität-Aufbauzeit („cavity build up time") (CBUT) Sensierschaltkreis. Dieser Schaltkreis überwacht diejenige Zeitspanne, die zum Aufbau einer Laseroszillation innerhalb der Kavität bis zu einem vorbestimmten Pegel benötigt wird. Die kürzeste Zeitspanne entspricht der Spitze der Verstärkungskurve des Lasers, an der die Verstärkung am größten ist. Befindet sich ein vorgegebener Ausgangsimpuls nicht in der Linienmitte, so ist seine Anstiegszeit kürzer als die eines idealen Impulses, was wiederum dazu führt, dass der Zeitsensierschaltkreis ein Steuersignal ausgibt, das dazu verwendet wird, den Resonatorspiegel in eine Richtung näher zur optimalen Position zu bewegen, an der Lasing bei der Linienmitte stattfindet. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst der Rückkoppelungsschaltkreis einen Hillclimbing-Servo und einen niederfrequenten elektronischen Ditheroszillator, um den PZT zu steuern.
Weitere Aufgaben und Vorteile werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen deutlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Q-switched Lasers, der mit dem Ausgang eines Referenzoszillators „injection locked" ist, der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
2 ist ein schematisches Diagramm des Lasersystems der 1, in der zusätzliche Details gezeigt sind.
3a–3d sind Schaubilder, die die Funktionsweise des Kavität-Aufbauzeit (CBUT) Sensierschaltkreises der vorliegenden Erfindung darstellen.
4 ist ein Schaubild, das den Ausgang eines Lasers darstellt, bei dem kein „injection locking" verwendet wird.
5 ist ein Schaubild ähnlich der 4, das allerdings den Ausgang eines Lasers darstellt, der das „injection locking" der vorliegenden Erfindung verwendet.
6 ist ein Schaubild, das den Ausgang eines Lasers darstellt, der kein „injection locking" verwendet und das das Vorhandensein mehrerer longitudinaler Modi zeigt.
7 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform eines Q-switched Lasersystems, das entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist und das einen CBUT-Schaltkreis und nur einen Ditheroszillator verwendet.
8 ist ein schematisches Diagramm einer noch weiteren Ausführungsform eines Q-switched Lasersystems, das entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist und das zwei Ditheroszillatoren verwendet, allerdings keinen CBUT-Schaltkreis umfasst.
Detaillierte Beschreibung
Systeme und Verfahren, die entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, können diese und andere Unzulänglichkeiten in existierenden Lasersystemen beseitigen. Wenngleich die Ausführungsformen hier in Bezug auf CO₂ Lasersysteme beschrieben werden, so ist zu erkennen, dass die hier umfassten Vorteile und Lösungen gleichermaßen auf andere QS- und/oder QSCD Laser, wie zum Beispiel Festkörperlaser, angewendet werden können.
Bei Systemen entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen kann ein CO₂ Laserreferenzoszillator (RO) zum Einsatz kommen, bei dem ein bekanntes Verfahren angewendet wird, um die Ausgangsfrequenz des RO Lasers auf das Maximum der Laserlinie zu fixieren („lock"). Dieses locking kann bei einer Ausführungsform durch die Verwendung einer geeigneten Elektronik geschehen, um einen PZT Transducer anzutreiben, auf dem einer der Laserspiegel befestigt ist. Die Laserlinie des RO kann durch ein innerhalb der Kavität befindliches optisches Gitter ausgewählt werden, oder indem die Wellenlänge selektierende Dünnfilmbeschichtungen auf den Resonatorspiegeln verwendet werden. Ein Gitter ist besonders wünschenswert, falls die auszuwählende Wellenlänge sich in der Nähe der höchsten Verstärkungslinie befindet (10,6 μm).
Die Ausgangsstrahlung des RO wird in einen QS oder QSCD CO₂ Laser eingekoppelt („injected"). In dieser Beschreibung wird der QS oder QSCD Laser gelegentlich als der Transmitter bezeichnet. Die eingekoppelte Strahlung kann den Aufbau der Strahlung innerhalb der Transmitterkavität seeden, um so die Oszillationsfrequenz des Transmitters an die Frequenz des wellenlängenselektierten und frequenzstabilisierten RO anzupassen. Zusätzlich kann die eingekoppelte Strahlung den Impulsjitter deutlich verringern, der dann auftreten kann, wenn sich ein Impuls aus dem Rauschen aufbauen kann. Ein elektronischer Regelschaltkreis kann ebenso verwendet werden, um eine axiale Mode der Transmitterkavität bei der Linienmitte zu fixieren, die der eingekoppelten Frequenz des RO entspricht. Ein ein diskriminantes („discriminant") Signal vorsehender elektronischer Schaltkreis kann verwendet werden, der die Aufbauzeitverzögerung der Laserimpulse verwendet, wie im Anschluss beschrieben wird.
Dieser neue Schaltkreis kann ebenso in QS oder QSCD Festkörperlaser eingesetzt werden.
Wird die Laserkavität auf die Linienmitte getunt, kann die Verstärkung des Transmitters den höchsten Wert annehmen, wodurch die Aufbauzeit der Impulse innerhalb der Kavität den kürzesten Wert einnimmt. Wird die Laserkavität nicht auf die Linienmitte getunt, kann die Verstärkung niedriger sein und die Kavitätaufbauzeit länger sein. Diese Änderung der Aufbauzeit der Impulse innerhalb des QS oder des QSCD Transmitters kann dazu verwendet werden, ein Signal einem Hillclimbing-Rückkoppelungsschaltkreis zuzuführen, der die Länge der Transmitterkavität bei einem Wert hält, bei dem der Transmitter am Maximum der gleichen Laserlinie oszillieren kann, die in die Transmitterkavität durch den RO eingekoppelt wird. Die Einkopplung von einem frequenzstabilen Dauerstrich (cw)-RO in einen QS oder QSCD Lasertransmitter ist aus dem Stand der Technik bekannt, und es erscheint so, als dass die aktive Fixierung der Frequenz einer axialen Mode eines QS oder QSCD Transmitters auf die Linienmitte während des Einkopplungsprozesses nicht zuvor berichtet worden ist. Sowohl die Einkoppelung von einem RO für die Zwecke der Verringerung des Impulsjitters in QS oder QSCD Laser, und zwar über den Jitter, der dann auftritt, wenn sich die Laseroszillation aus dem Rauschen aufbaut, als auch die Verwendung der Kavität-Aufbauzeitinformation als diskriminantes Signal in einem Hillclimbing-Rückkoppelungsschaltkreis sowie die Art und Weise, wie der Schaltkreis implementiert wird, kann von Bedeutung sein.
Aufgrund ihrer pulsierenden Natur kann die Verwendung von QS oder QSCD Merkmalen in einem Transmitter zur Komplexität des Frequenzsteuerungsaufbaus des Transmitters beitragen. Die Physik des QS oder QSCD Prozesses (das heißt, es existiert ein pulsierendes Signal anstelle eines cw-Signals) kann die Effektivität eines Hillclimbing-Servoschaltkreises verringern, der gewöhnlich dazu verwendet wird, die Frequenz des Ausgangs von cw-Lasern auf die Linienmitte zu fixieren. Die hohen Verstärkungsbedingungen, die in QS oder QSCD Lasern existieren, können ebenso Auswirkungen auf das Ausgangsverhalten dieser Laser haben. Diese Effekte können durch multiple Etalon-Resonanzen hervorgerufen werden, die normalerweise bei Lasern mit niedrigerer Verstärkung keine Rolle spielen, oder in Lasern, die keine zusätzlichen optischen und/oder elektro-optischen Komponenten aufweisen, welche in die Rückkoppelungskavität des Lasers eingefügt sind. Diese Etalon-Resonanzeffekte können besonders stark in QS oder QSCD Lasern ausgebildet sein, die eine große Verstärkung aufgrund der Physik des QS oder QSCD Prozesses besitzen. Durch den Bedarf eines großen Verstärkungsbereichs, um Impulse mit hoher Leistungsspitze zu erhalten, wird die Verstärkung weiter erhöht, wodurch die Schwierigkeiten, die im Zusammenhang mit diesen Etalon-Effekten stehen, verschlimmert werden. Diese Effekte können dann häufiger auftreten, wenn der optische Resonator mehrfach gefaltete („folded") Verstärkungsbereiche aufweist (das heißt gefaltete Verstärkungskanäle in Wellenleiter-Laserkonfigurationen oder in gefalteten Laserkonfigurationen, bei denen der Gauß'sche Mode im Freiraum begrenzt ist). Techniken können dazu verwendet werden, die Länge des Lasergehäuses auf eine akzeptable Abmessung zu verkürzen. Die Faltspiegel können diejenige Streustrahlung, die an den Spiegeln gestreut wird, zurück in die Laserrückkoppelungskavität einkoppeln, was zu Etalon-Problemen bei hohen Laserverstärkungsbedingungen führen kann.
Zusätzliche Resonanzen innerhalb der Laserkavität, die von diesen Etalons verursacht werden, können dazu führen, dass ein monotonisches, amplitude-diskriminantes Signal nur schwer erhalten wird, welches normalerweise dafür gebraucht wird, um die Oszillation des Transmitters bei der Linienmitte durch die Verwendung eines elektronischen Rückkoppelungsschaltkreises zu fixieren, insbesondere dann, wenn kein Signal in den Transmitter eingekoppelt wird. Der Ansatz mit einem monotonischen amplitude-diskriminanten Signal kann sich das wohlbekannte Konzept des Ditherings eines Transducers (zum Beispiel eines PZTs) zu eigen machen, bei dem eine horizontale periodische Kolbenbewegung verwendet wird, um einen der Resonanzspiegel des Lasers anzutreiben. Die Amplitude des AC-geditherten Signals kann durch einen Hillclimbing-Rückkoppelungsschaltkreis minimiert werden, indem ebenso der Ditheringfrequenz ein langsam variierendes Signal überlagert wird. Das überlagerte Signal kann bei der Bewegung des Ditheringspiegels und auf diese Weise bei der Verschiebung eines der Axialmoden der Laserkavität in die Linienmitte behilflich sein. Falls störende optische Resonanzen zusätzlich zu den fundamentalen Resonanzen der Axialmode des Resonators aufgrund der Etalon-Effekte auftreten, kann ein diskriminantes Signal, das von einer Amplitudenvariation des Laserausgangs abhängt, die aus einem anderen („differing")/translatierenden Laserresonatorspiegel herrührt, nicht zuverlässig dazu verwendet werden, um die Frequenz der Laserausgangsstrahlung beständig auf die Frequenz der Strahlung, die von dem RO Laser eingekoppelt wird, zu fixieren.
Diese Etalon-Resonanzen können den Hillclimbing-Rückkoppelungsschaltkreis „verwirren". Um dieses Verwirrungsproblem im Laserbetrieb mit hoher Verstärkung zu vermeiden, kann ein diskriminantes Signal verwendet werden, das auf der Minimierung der Schwankungen der Aufbauzeit zwischen dem Zeitpunkt, zu dem ein Spannungssignal dem EO Kristall zugeführt wird, um den QS Transmitter einzuschalten, und dem tatsächlichen Zeitpunkt, zu dem die QS oder QSCD Impulse beginnen zu oszillieren, beruht. Der Ditheringspiegel kann dazu verwendet werden, der Variation der Aufbauzeit zwischen den Impulsen eine geringfügige periodische Zeitvariation zu verleihen. Die Phase dieser periodischen Zeitvariation relativ zu dem Dithersignal kann sich um 180° ändern, wenn die Frequenz der Kavität auf eine Frequenz von oberhalb der RO-Frequenz auf eine Frequenz unterhalb der RO-Frequenz geändert wird. Ein elektronischer Kavitätaufbauzeit (CBUT)-Rückkoppelungsschaltkreis kann dieses AC-Signal mit niedriger Frequenz erfassen und ein Signal dem Hillclimbingschaltkreis zuführen, der wiederum dem Transducer ein Signal zuführt, um den Resonatorspiegel zu translatieren. Der Resonatorspiegel kann derart translatiert werden, so dass die oszillierende Ausgangsfrequenz des Transmitters auf die Linienmitte gebracht wird, wo sowohl das AC-Signal als auch die Aufbauzeitverschiebung minimiert sind. Die minimale Aufbauzeitverschiebung kann bei der Frequenz auftreten, die dem Maximum der Verstärkungskurve des Transmitters entspricht, wo die Verstärkung am höchsten ist, und die ebenso mit der Frequenz des eingekoppelten Signals von dem RO übereinstimmt.
Im Hinblick auf QS oder QSCD Laser, die ein eingekoppeltes Signal und hinreichend niedrigere Verstärkungen aufweisen, sodass Etalon-Effekte kein signifikantes Problem darstellen, kann der Transmitter den gleichen elektronischen Hillclimbing-Rückkoppelungsansatz verwenden, der bei CW betriebenen ROs verwendet wird, um eine Axialmode des Laserresonators auf das Maximum der Verstärkungskurve zu positionieren und dort zu halten. Dieser Ansatz mag weniger robust sein als der CBUT-Schaltkreisansatz, er kann allerdings den Vorteil geringer Kosten mit sich bringen, da ein langsamerer Detektor verwendet werden kann und es keinen CBUT-Schaltkreis gibt. Folglich kann dieser Ansatz dort Vorteile mit sich bringen, wo die Kosten eine entscheidende Rolle spielen.
QS oder QSCD Laser oszillieren oftmals von Impuls zu Impuls bei unterschiedlichen Rotationslinien. Diese unterschiedlichen Linien können unterschiedliche Verstärkungen besitzen, die zusätzlich zu Variationen der Ausgangsfrequenz zu Impulsvariationen in Bezug auf die Amplitude, Anstiegszeit, Impulsbreite sowie Impulsjitter führen. Fügt man ein optisches Gitter in den QS oder QSCD Laser ein, um so den Laser dazu zu bringen, dass er bei der gleichen Rotationslinie oszilliert, kann die Zuverlässigkeit des Lasers in Mitleidenschaft gezogen werden aufgrund des niedrigeren optischen Schädigunggrenzwerts („damage threshold") des optischen Gitters im Vergleich zu den anderen optischen Komponenten, die innerhalb der Kavität angeordnet sind (aufgrund des hohen optischen Flusses, der innerhalb der Resonatoren von QS oder QSCD Laser existiert). Der Lasertransmitter kann ebenso eine niedrigere Ausgangsleistung haben aufgrund des höheren optischen Verlustes, der durch das optische Gitter im Vergleich zu den anderen optischen Komponenten, die in die Kavität eingefügt sind, verursacht wird.
Eine Ausführungsform geht die Probleme hinsichtlich der geringen Zuverlässigkeit und des höheren optischen Verlustes an, die durch das Einfügen eines Gitters in die Resonanzkavität eines RO Lasers mit geringer Leistung anstelle eines Transmitters mit hoher Leistung entstehen. Der Ausgang des frequenzstabilisierten RO Lasers kann dann in den QS oder QSCD Transmitterlaser eingekoppelt werden. Da der RO ein Laser mit geringer Leistung ist, spielt die Effizienz keine bedeutende Rolle. Die Tatsache, dass der RO eine geringere Leistung als der Transmitter besitzt, kann ebenso dabei helfen, eine optische Schädigung des Gitters zu vermeiden.
Die maximale Abweichung der relativen Maximalamplitude der QS Impulse eines Lasers, der einen Wellenleiter mit einer Länge von ungefähr 250 cm aufweist (wie zum Beispiel der QS Laser, der in dem US-Patent Nr. 6,784,399 beschrieben ist, das am 31. August 2004 erteilt wurde und das unter Bezugnahme hierin enthalten ist), beträgt ungefähr +/– 9,7%. In dem gleichen Laser beträgt die maximale Abweichung der Halbwertsbreite der Impulse +/– 2,3%. Durch die Verwendung wellenlängenselektierender Beschichtungen auf den Spiegeln des Lasers des Patents 6,784,399 , um den 9R24 Übergang zu begünstigen (der eine Ausgangswellenlänge von ungefähr 9,3 um besitzt, die für eine höhere Absorption in Kunststoffmaterialien ausgewählt ist), entspricht der 9R24 Übergang dem stärksten Übergang. Oszillationen von den Linien 9R20, 2R18 und 9R22 waren jedoch ebenso vorhanden. Für EUV und LADAR Applikationen sind solche Frequenzsprünge im allgemeinen nicht tolerierbar und entsprechende Korrekturen können notwendig sein.
Der „five pass" QS CO₂ Laser des Patents 6,784,399 , oder des US-Patents 6,697,408 , die hier unter Bezugnahme enthalten sind, kann durch Oszillationen bei multi-longitudinalen Modi gekennzeichnet werden. Der multi-longitudinale Modebetrieb ist möglich, da das Verstärkungsmedium innerhalb eines spezifischen Rotationsübergangs nicht perfekt homogen verbreitert ist, und da die Kopplung der Rotationsmanigfaltigkeit am oberen Niveau durch einen spezifischen Rotationsübergang eine endliche Zeitkonstante besitzt. Zusätzlich, wie voranstehend erläutert wurde, liegen viele CO₂ Schwingungs-/Rotationslinien beim Q-switching Betrieb weit oberhalb des Schwellenwerts. Während die Impulsbreite, Amplitude, Frequenz und der Impulszeitjitter für die meisten gegenwärtigen Materialbearbeitungsapplikationen tolerierbar sind, so können sie bei heterodynen Laser-Radar-Systemen oder bei den meisten Applikationen zur Erzeugung von EUV-Strahlung nicht tolerierbar sein. Diese QS und QSCD Laserimpulsvariationen können mit zunehmender Verstärkung (das heißt Länge) des Lasers zunehmen, um höhere Spitzenleistungs-/Energieimpulse zu erhalten. Der Vollständigkeit halber beträgt bei einer Ausführungsform die Linienbreite der CO₂ Verstärkungslinie bei einem Druck von 60 bis 70 Torr ungefähr 300 MHz und die homogene Linienbreite ungefähr 70 MHz.
1 ist ein Systemblockdiagramm eines QS oder QSCD CO₂ Lasers 10 entsprechend einer Ausführungsform. Das gleiche Diagramm kann auf andere Lasersysteme als dem hier beschriebenen CO₂ Laser angewendet werden. Dieser beispielhafte Laser verwendet einen CW RF-angeregten CO₂ Referenzoszillator (RO) 12. Die Spiegel M₁ und M₂ leiten jeweils einen kleinen Teil des RO Ausgangs auf einen langsamen Detektor 14 um. Das Frequenzverhalten des langsamen Detektors kann hinreichend dafür sein, eine Variation der Laseramplitude zu erfassen, die durch das niederfrequente Dithering des Resonatorspiegels durch den PZT 16 hervorgerufen wird. Die Ditherfrequenz beträgt bei dieser Ausführungsform gewöhnlich 100 Hz bis 1,1 kHz.
Der Ausgang des Detektors 14 kann einem Vorverstärker 18 zugeführt werden, der wiederum ein Steuersignal dem elektronischen Hillclimbing (AC)-Rückkoppelungsschaltkreis 20 bereitstellen kann. Ein solcher Schaltkreis ist, zum Beispiel, in den 9 bis 11 der US-Patentveröffentlichung Nr. 2005/0157762 gezeigt und beschrieben, die unter Bezugnahme hier enthalten ist. Der AC-Schaltkreis kann dazu verwendet werden, ein langsam variierendes Signal einem elektronischen Treiberschaltkreis 24 zuzuführen. Dieses Signal kann den Ditheringtransducer 16 so weit translatieren, bis das diskriminante AC-Frequenzsignal auf dem von dem Detektor 14 erfassten Laserstrahl minimiert ist. Das minimierte AC-Frequenzsignal kann dann auftreten, wenn der Laser bei der Linienmitte oszilliert, wo die Steigung der Verstärkungskurve am geringsten ist. Als Teil des Hillclimbing-Rückkoppelungsschaltkreises kann ein Lock-in-Verstärker verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis des AC Signals auf aus dem Stand der Technik bekannte Weise zu verbessern. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird dem PZT Treiber 24 ebenso ein Ditheringsignal von dem Ditheroszillator 25 zugeführt.
Die Spiegel M₃, M₄, M₅ und M₆ können den Ausgangsstrahl des RO durch eine Modenanpassungsoptik (MMO) 26 umleiten. Die MMO Anordnung 26 kann zur effizienten Einkopplung der RO Strahlung in die Kavität des QS oder QSCD CO₂ Lasertransmitters 30, der eine höhere durchschnittliche Leistung aufweist, verwendet werden. Der im Anschluss nicht weiter beschriebene QS und QSCD Betrieb eines CO₂ Lasers ist in dem US-Patent Nr. 6,697,408 beschrieben, das hier unter Bezugnahme enthalten ist. Ein sehr kleiner Teil (das heißt 1% oder weniger) des Ausgangs des QS oder QSCD Lasers kann durch die Spiegel M₇ und M₈ zu einem schnellen Detektor 40 umgeleitet werden, dessen Ausgang dem elektronischen Kavitätaufbauzeit (CBUT)-Schaltkreissensor 42 zugeführt wird. Das Frequenzverhalten des schnellen Detektors kann hinreichend dafür sein, der Anstiegszeit der QS Impulse zu folgen. Der CBUT-Sensor 42 kann ein Signal dem HC-Servo 44 zuführen, der wiederum den Dithering-Transducer, der auf einem der Spiegel der QS oder QSCD Lasertransmitterkavität angeordnet ist, so weit zu bewegen, bis eine axiale Mode sich in der Linienmitte befindet. Der PZT Transducer 48 kann durch die Signale angetrieben werden, die der CBUT-Sensor dem HC-Servoschaltkreis (einschließlich dem Dither-Oszillator 46) und anschließend dem PZT Treiber 50 bereitstellt, um eine axiale Mode der Transmitterkavität auf die Spitze der Laserlinie, an der die maximale Laserverstärkung auftritt, sowie dort, wo der Laserimpuls mit der schnellsten Anstiegszeit, der von der CBUT erfasst wird, auftritt, zu positionieren. Das CBUT diskriminante Signal hängt hier nicht von der Amplitude der QS oder QSCD Impulse ab.
Der Operator des QS oder QSCD Systems kann digitale Signalbefehle einem Controller 54 zuführen, der wiederum Signale dem Hochspannungstreiber 56 des Lasers zuführt, die den elektro-optischen Modulator 58 ein- und ausschalten können. Durch Einsatz dieser Maßnahmen kann die QS oder QSCD Impulsfolge des Transmitters, die sich durch M₇ fortpflanzt, die Frequenzstabilität des RO aufweisen (das heißt ≤ 0,5 MHz), und kann so eine deutlich verbesserte (gleichmäßige) Impulsamplitude, Impulsbreiten und einen geringen Anfangszeit-Impulsjitter aufweisen, die normalerweise bei LADAR-Systemen oder Systemen, bei denen EUV-Strahlung durch Plasma erzeugt wird, erforderlich sind.
Ein detaillierteres Diagramm eines RO und des zugehörigen QS oder QSCD Lasergehäuses ist bei einer Ausführungsform in 2 gezeigt, in der gleiche Bezugszeichen für ähnliche Teile verwendet werden. Dieser RO 12 ist ein CO₂ Laser mit geringer Leistung und einem internen Gitter (G), das zur Selektion der Ausgangswellenlänge des Lasers verwendet wird. Da der RO ein Laser mit geringer Leistung ist, spielt die Effizienz keine signifikante Rolle. Eine dreifaltige Wellenleiterkonfiguration ist dargestellt, wie zum Beispiel das luftgekühlte, abgedichtete GEM-30-Modell, das von der Coherent Inc. aus Santa Clara, CA erhältlich ist. Eine Konfiguration mit einem Durchlauf oder einem doppelten Durchlauf kann ebenso akzeptabel sein. Während ein CO₂ Laser mit Wellenleiter gezeigt ist, kann ebenso ein optischer Resonator mit Gauß'schem Modus im Freiraum oder eine ähnliche Vorrichtung verwendet werden. Der Ausgang des RO 12 kann durch eine Modenanpassungsoptik (MMO) 26 verlaufen, um die Modeneinkopplung von dem RO in den QS oder den QSCD Transmitter zu maximieren.
Bei der Ausführungsform der 2 findet rein beispielhaft die Einkopplung der Strahlung von dem RO in den Lasertransmitter 30 an der Oberseite von einem der drei Wellenleiterkanäle statt, die unter einem Winkel in Bezug auf den Ausgangskoppelungsspiegel (MC) angeordnet sind. Die Einkoppelung geschieht durch einen geringfügig durchlässigen, mit einem Dünnfilm beschichteten ZnSe Spiegel (PM), der ein Reflektionsvermögen von ungefähr 99% (1% Transmission) aufweist. Eine gezeigte optische Blende 60 kann dazu verwendet werden, um die von dem Transmitter reflektierte Strahlung zu absorbieren. Ein Wellenleiterlaser mit einem siebenfach gefalteten Kanal ist als Beispiel dargestellt. Es ist ebenso denkbar, eine größere oder kleinere Anzahl von gefalteten Wellenleiterkanälen oder gefaltete Konfigurationen mit im Freiraum begrenzten Gauß'schem Modus zu verwenden. Der QS oder QSCD Transmitter ist mit zwei länglich ausgebildeten Strahlfaltspiegeln 62, 63 dargestellt, die zwei Reflektions"stöße" ermöglichen, um die Anzahl der Resonatorspiegel, die justiert werden müssen, zu verringern. Ein mit einem Dünnfilm beschichtetes Antireflektionsfenster 64, wie zum Beispiel ZnSe, kann verwendet werden, um den EO Modulbehälter vom übrigen Teil des Lasergehäuses zu trennen. Diese Maßnahme kann dazu verwendet werden, um ein Teilvakuum innerhalb des Lasergehäuses aufrechtzuerhalten, während die Laserstrahlung in und aus dem elektro-optischen Modul (EOM)-Behälter gelangen kann. Um zu verhindern, dass Verunreinigungen in das EO Modul gelangen, kann der EO Behälter mit sauberem, trockenem Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff, gefüllt werden. In dem EOM kann ein elektro-optischer Kristall 58, beispielsweise CdTe, ein Dünnfilmpolarisator (TFP) 66 sowie ein reflektierender Phasenverzögerer (RPR) 67, wie er beispielsweise in dem US-Patent Nr. 6,697,408 beschrieben ist, das hier wie voranstehend erwähnt enthalten ist, untergebracht sein.
Wird der Transmitter der 2 als QS Laser betrieben, wird der Ausgang, wie gezeigt, von dem optischen, teilweise reflektierenden ZnSe Auskoppelspiegel M_c erhalten. Wird der Transmitter als QSCD Laser betrieben, kann der Ausgang von dem Dünnfilmpolarisator erhalten werden, wobei M_c durch einen totalreflektierenden Spiegel ersetzt ist. Der Ausgang für den optionalen QSCE Betrieb ist der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die Prinzipien des Betriebs für QS und QSCD Laser sind in dem voranstehend erwähnten US-Patent Nr. 6,697,498 beschrieben und werden im Anschluss nicht weiter erörtert. Die relativ große Anzahl von innerhalb der Kavität be findlichen optischen Komponenten, die in dem Zweilasersystem der 2 oder sogar nur in dem Transmitter enthalten sind, verdeutlichen die Fülle von Situationen, in denen Etalon-Resonanzen erzeugt werden können. In diesen Situationen wird der Erhalt eines AC-diskriminanten Signals mit ausreichender Amplitude als Funktion des Dithering-Laserresonatorspiegels gestört. Mit zunehmender Verstärkung des Transmitters kann die Handhabung von Etalon-Effekten erschwert werden, und es kann möglicherweise ein Ansatz notwendig werden, der nicht von einer Amplitudendiskriminanten abhängt, um die Einkoppelung des Lasertransmitters bei der RO-Laserfrequenz zu fixieren.
Zusätzlich zu den voranstehend erwähnten Effekten, die zu einem Problem der Impulsjitterzeit führen können, können die im Zusammenhang mit demjenigen Laserimpuls, der aus dem Rauschen entsteht, stehenden Statistiken zu dem größtmöglichen Impulsjittervariationsproblem führen. Die eingekoppelte Strahlung von dem RO kann dieses große Laserimpulsjitterproblem lösen, wenn der Impuls sich aus dem Rauschen aufbauen kann.
Beschreibung des Betriebs eines CBUT Sensors
Die 3 sieht eine physikalische Erklärung für die Prinzipien des Betriebs eines CBUT Schaltkreises gemäß einer Ausführungsform vor. Zu einer gegebenen Anfangszeit t₀ ergeht ein Befehl, den EOM durch den Controller einzuschalten, beispielsweise durch den Controller der 1 oder 2, und eine große Spannung wird quer über den EO Kristall (siehe 3A) angelegt, wodurch der Resonator von einem Zustand mit hohem Verlust in einen Zustand mit geringem Verlust umgeschaltet wird. Ungefähr gleichzeitig wird ein linear von der Zeit abhängiger Spannungsanstieg innerhalb des CBUT Schaltkreises erzeugt, wie beispielsweise in 3B gezeigt ist. Zu einem Zeitpunkt kurz nach t₀ würde der Q-switched Laserimpuls normalerweise beginnen, sich aus der spontanen Emission (das heißt Rauschen) innerhalb der Laserkavität aufzubauen. Die Aufbauzeit des Impulses kann primär durch diesen relativ geringen statistischen Aspekt des verstärkten spontanen Emissionsprozesses bestimmt werden. In weitaus geringerem Ausmaß kann diese Aufbauzeit ebenso von der Position der Axialmode beeinflusst sein, die als erstes in Bezug auf die Spitze der Verstärkungskurve zu oszillieren beginnt. Die eingekoppelte Strahlung von dem RO Laser kann den Aufbauzeitjitter deutlich verringern, da die Aufbauzeit durch die stimulierte Emission (das heißt Verstärkung) der eingekoppelten Strahlung, und nicht durch die sehr viel geringere verstärkte spontane Emission gesteuert wird. Die eingekoppelte RO Strahlung kann ebenso eine Art Zwangsfunktion dahingehend vorsehen, dass der Transmitter mit der gleichen Frequenz wie der RO oszilliert.
Die Kavität-Aufbauzeit kann vorwiegend durch die Verstärkungseigenschaften des Transmitters bestimmt werden. Eine höhere Verstärkung kann zu einer kürzeren Aufbauzeit führen (und umgekehrt). Die kürzeste Aufbauzeit kann dann auftreten, wenn eine der axialen Resonatormoden des Transmitters mit der Spitze der Verstärkungskurve übereinstimmt (dort, wo die Verstärkung am größten ist). In 3C entspricht dies dem Impuls P₁. Über einen angemessenen Bereich eingekoppelter Leistungen können so größere Leistungen, die von dem RO eingekoppelt werden, zu kürzeren Anstiegszeiten und einem geringeren CBUT Jitter führen.
Der CBUT Schaltkreis kann ebenso eine Schwellenwertspannung V_t auswählen, wie in 3C gezeigt ist. Liegt das Signal des Detektors 40 oberhalb V_t, wie zum Beispiel zu Zeitpunkt t₁, kann aus dem Spannungsanstieg eine Spannung V₁ erhalten werden. Liegt die Axialmode des Transmitters außerhalb der Linienmitte der Verstärkungskurve, kann jedoch einer der Impulse P₂ oder P₃ entstehen (und nicht P₁). In diesem Fall wird die Schwellenwertspannung V_t bis zu einem späteren Zeitpunkt während des Anstieges des Stromes in dem CBUT durch den Spannungsanstieg nicht überschritten, was zu einer Zunahme der Spannungen V₂ bzw. V₃ führt (wie in 3B gezeigt ist). In diesem Falle müsste der Transmitter mit der Frequenz ν_±1 oder ν_±2, anstelle mit ν₀ an der Spitze der Verstärkungskurve, oszillieren, wie in 3D dargestellt ist. Im Hinblick auf die Impulse P₂ und P₃ wird V_t jeweils zu den Zeitpunkten t₂ und t₃ erreicht/überschritten und die Spannungen V₂ und V₃ werden aus dem linearen Spannungsanstieg erhalten. Aufgrund des Ditherings des Spiegels durch den Ditheroszillator können diese Spannungen eine zeitabhängige AC-Ditherfrequenz geringer Amplitude aufweisen. Dieser Spannungsdither kann von einem Lock-in-Verstärker innerhalb des HC Schaltkreises erfasst werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Treten diese auf, können die Spannungen V₃, V₂ und V₁ dem Hillclimbing-Servoschaltkreis zugeführt werden. Der HC-Servo kann ein schwach variierendes Signal vorsehen, um so den Dithering-PZT-Transducer und den daran angebrachten Spiegel zu translatieren, und zwar in eine Position, an der die Eingangsspannung von dem CBUT Schaltkreis sich bei einem Minimum befindet (das heißt bei dem Wert V₁ in diesem Beispiel). Dies stellt eine Bedingung dar, bei der die CBUT Verzögerung, Δt, minimiert ist (das heißt, bei Δt = t₁ – t₀ in 3C) oder die Verstärkung (G_m) in 3D maximiert ist. Es gibt zahlreiche Ansätze für die elektronische Implementierung, um die in den 3A bis 3D dargestellten Funktionen zu erzielen, die dem Fachmann auf dem Gebiet der elektronischen Schaltung- bzw. Schaltkreistechnik bekannt sind. Folglich werden solche Einzelheiten im Anschluss nicht näher erläutert.
Es wird darauf hingewiesen, dass es in diesem Schaltkreis mehrere Q-switch Zyklen dauern kann, bis der Laser auf eine Weise angetrieben wird, dass die Ausgangsfrequenz bei der Seedfrequenz fixiert ist. Wie voranstehend erwähnt, dient dieser Schaltkreis jedoch zur Verwendung in Laser, die sehr hohe Wiederholfrequenzen (100 kHz oder größer) aufweisen, so dass das Frequenzlocking innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne und innerhalb einer typischen Aufwärmzeit des Lasers auftritt.
Experimentelle Daten
4 stellt eine exemplarische Oszilloskoplinie (obere Kurve) für eine ~2400V Rechteckspannung mit ungefähr 624 ns Dauer dar, die an den EO Kristall durch zum Beispiel den EO-Treiber des „seven-pass" Transmitterlasers angelegt werden kann, der in Bezug auf die 2 beschrieben wurde. Etwas weniger als 500 ns später, wie anhand der unteren Kurve in der 4 zu sehen ist, baut sich der Q-switched Impuls des Transmitters aus dem spontanen Emissionsgeräusch auf, wenn keine Strahlung von dem RO in den Transmitter eingekoppelt wird, und ohne dass der CBUT Schaltkreis in Betrieb ist. In diesem Fall, wenn die Hochspannung nach ungefähr 624 ns abgeschaltet wird, kann das hintere Ende des Q-switched Impulses abgeschnitten werden, und ergibt, wie gezeigt, einen Impuls mit einer Halbwertsbreite von 125 ns. Der Impuls hätte schmäler oder breiter sein können, abhängig von der Breite des Hochspannungsimpulses.
5 stellt wiederum eine beispielhafte Oszilloskoplinie für einen ~2400V Rechteckimpuls dar, der an den EO Kristall des „seven-pass" Transmitters angelegt wird, wobei die Spannungsdauer wieder ~624 ns beträgt. Wird Strahlung von dem RO in den Transmitter eingekoppelt und der CBUT Schaltkreis aktiviert, erscheint der Q-switched Impuls sehr viel früher, und zwar ungefähr 300 ns nach der Aktivierung des EO Kristalls. Das lange Auslaufende, das normalerweise beim Q-switching Betrieb eines CO₂ Lasers beobachtet wird, ist abgeschnitten (das heißt abgetrennt), wenn keine Spannung an dem EO Kristall anliegt. Diese abgeschnittene Strahlung wird aus der Transmitterkavität durch den TFP ausgegeben oder „cavity dumped". Dieser Strahlungsausgabeprozess kann der gleiche Prozess sein, wie er beim QSCD Betrieb des Transmitters auftritt. Im QSCD Fall kann der teilweise reflektierende Spiegel Mc des QS Transmitters, wie in 2 gezeigt, durch einen stark reflektierenden Spiegel ersetzt werden. Wenngleich in den 4 und 5 nicht dargestellt, zeigt die freilau fende QS-Impulsfolge ohne Einkopplung und CBUT-Steuerung einen Impulsjitter zwischen ungefähr 50 und 100 ns. Mit Einkopplung und CBUT-Steuerung würde der gemessene Jitter um ungefähr 3 bis 10 ns verringert sein. Dies stellt eine Verbesserung um eine Größenordnung dar.
Der freilaufende QS Transmitter kann bei multiplen longitudinalen Moden gleichzeitig betrieben werden. 6 stellt einen Q-switched Impuls ohne Einkopplung und CBUT Steuerung dar, der eine Oszillation bei multiplen axialen Moden zeigt. Die Frequenz der Amplitudenvariation, die in dem Laserimpuls der 6 gezeigt ist, beträgt ungefähr 47 MHz und entspricht der Schwebung zweier longitudinaler Modi der Resonatorkavität des Transmitters. Mit Einkopplung und CBUT-Steuerung wird keine Modulation beobachtet, die durch zwei oszillierende axiale Moden der Laserkavität entstehen, wie in dem Impuls der 6 gezeigt ist. Des Weiteren können diese wünschenswerten Eigenschaften beibehalten werden, da der RO über einen Bereich von Rotationslinien durch manuelles Neigen des Gitters des RO Lasers getunt wurde. Das Neigen des Gitters kann technisch dadurch ausgeführt werden, dass er durch ein elektrisches Signal angetrieben wird. Die Fähigkeit, auf effiziente Weise die oszillierende Rotationslinie des Q-switched Lasers zu variieren, kann für das „remote sensing" von großer Bedeutung sein, genauso wie für die Minimierung der atmosphärischen Absorption, wenn die CO₂ Laserstrahlung über lange Distanzen durch die Atmosphäre verläuft (wie es beim „remote sensing"/LADAR-Applikationen der Fall ist).
Ausführungsform mit einem Ditheroszillator
Die 7 stellt ein QS oder QSCD System 102 entsprechend einer weiteren Ausführungsform dar. Dieses System verwendet einen Oszillator 104 mit lediglich einem geditherten Spiegel, anstellen von zwei separaten Oszillatoren, wie sie beispielsweise in dem System der 2 gezeigt sind. Der einzige geditherte Spiegeloszillator kann bei dem RO verwendet werden. Wird lediglich ein geditherter elektronischer Oszillator in dem Injection-Lasersystem verwendet, kann der auf den Transducer ausgeübte Antrieb derart erhöht werden, dass die Exkursion des Dither innerhalb des RO erhöht ist. Die Exkursion kann derart erhöht sein, dass das AC-diskriminante Signal, das von diesem erzeugt wird, von dem CBUT Schaltkreissensor und dem Hillclimbing-Rückkoppelungsschaltkreis des Transmitters erfassbar ist. Ein Vorteil des Systems der 7 besteht darin, dass durch die Verwendung von nur einem geditherten Oszillators die Kosten verringert werden. Ein potenzieller Nachteil besteht darin, dass die lasergeditherte Frequenzvariation größer ausfällt, die von dem Oszillator erhalten wird. Eine größere geditherte Frequenzexkursionsausgabe des Transmitters kann bei einem EUV-System akzeptabel sein, sie kann allerdings bei einem LADAR-System nicht akzeptabel sein.
Alternatives Injection QS oder QSCD Lasersystem
Ein System 110 gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie es in dem Blockdiagrammbeispiel der 8 gezeigt ist, kann einen ähnlichen Nutzen für den CBUT Sensorschaltkreis bringen. Dieses System verwendet lediglich einen Hillclimbing-Schaltkreis in dem Transmitter, und keinen CBUT Schaltkreis. Solch ein System kann auch auf einen Transmitter mit kleinerer Verstärkung anwendbar sein, wobei das Augenmerk auf der Verringerung von Etalon-Effekten in einem „injection-locked" Lasersystem, die durch die innerhalb der Kavität befindlichen optischen Komponenten entstehen, und auf einer größeren, in den Transmitter eingekoppelten Leistung liegt. Der Referenzoszillator (RO) 12 in 8 kann der gleiche sein wie in 2. Die Ausgangsstrahlung von dem RO kann in den QS oder QSCD Transmitter eingekoppelt werden, wie voranstehend beschrieben wurde. Ein Transmitter mit geringerer Verstärkung und einer kürzeren Verstärkungslänge und weniger gefalteten optischen Wellenleitern, beispielsweise 3 oder 5 anstelle von 7 oder mehr, kann verwendet werden. Die Verringerung der Etalon-Effekte kann allerdings genau beobachtet werden. Des Weiteren kann mehr Strahlung von dem RO in den Transmitter „injected" oder eingekoppelt werden, beispielsweise ein paar Prozent anstelle von einem Prozent oder weniger, die in dem System verwendet wird. Unter Verwendung dieser Richtlinien erreicht man nahezu die Performance des Systems der 2, das den CBUT Sensor 42 der 2 verwendet. In Hinblick auf Applikationen, die keine lange Verstärkungslänge benötigen, beispielsweise Applikationen, bei denen Transmitter mit geringerer Leistung erforderlich sind, kann man ohne den CBUT Sensorschaltkreis und mit lediglich einer elektronischen Hillclimbing-Rückkoppelungsschlaufe um den Transmitter zurechtkommen. Dies erspart die Kosten für einen schnellen Detektor, da ein langsamer IR-Detektor ausreichend sein kann. Es erspart ebenso die Kosten für den CBUT Schaltkreis. Ein potenzieller Nachteil des Systems der 8 besteht darin, dass ein solches System möglicherweise nicht so robust wie das System der 2 ist. Es kann ebenso wünschenswert sein, dass die Leistung des Transmitters zur Verringerung der benötigten Laserverstärkung so groß wie möglich ist, um den erwünschten Betrag an Impulsleistung auf dem Target zu erzielen. Laserverstärker sind normalerweise weniger effizient und kostenintensiver als Oszillatoren. Verstärker erfordern ebenso normalerweise kostenintensive Isolatoren, welche die Selbstoszillation verhindern. Die Selbstoszillation stammt, zum Beispiel, von der optischen Rückkopplung von dem Target zurück durch den Verstärker und in den Transmitter/Oszillator. Solch eine Rückkopplung kann den Transmitter/Oszillator ernsthaft beschädigen, falls keine Isolatoren verwendet werden.
Es sollte erkannt werden, dass sich dem Fachmann eine Anzahl von Abwandlungen der voranstehend angegebenen Ausführungsformen anhand der voranstehenden Beschreibung erschließen. Entsprechend ist die Erfindung nicht auf diese spezifischen Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie sie hier gezeigt und beschrieben sind, beschränkt. Der Bereich der Erfindung wird stattdessen durch die im Anschluss folgenden Ansprüche sowie deren Äquivalente bestimmt.
Zusammenfassung
Ein CO₂-Laserreferenzoszillator (RO) kann einen „Q-switched" (QS) oder „Q-switched cavity dumped" (QSCD) CO₂-Laser (10) mit Injection-Seeding versehen, wobei die Ausgangsfrequenz des RO (12)-Lasers auf die Spitze der Laserlinie durch den Einsatz einer geeigneten Elektronik fixiert („locked") wird, um einen der Resonatorspiegel des Referenzoszillators (12) zu dithern. Diese eingekoppelte Strahlung seedet diejenige Strahlung, die innerhalb der Q-switched Laserkavität aufgebaut wird, sodass die Oszillationsfrequenz die Wellenlänge der eingekoppelten Strahlung begünstigt. Ein elektronischer Regelschaltkreis kann dazu verwendet werden, eine axiale Mode des Q-switched Lasers auf die Linienmitte zu fixieren. Die Änderung der Aufbauzeit der Impulse innerhalb des QS-Lasers kann dazu verwendet werden, um die Länge der Kavität bei einem Wert einzustellen, bei dem eine Oszillation bei der Spitze der in den QS-Laser eingekoppelten Laserlinie ermöglicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6784399 [0027, 0027, 0028]
- US 6697408 [0028, 0031, 0034]
- US 6697498 [0035]

Claims

Lasersystem umfassend: einen lokalen Oszillator, der einen Referenzlaserstrahl mit einer festen Ausgangsfrequenz erzeugt; einen Laser, der eine Resonanzkavität umfasst, die durch zumindest zwei Spiegel festgelegt ist, wobei einer der Spiegel mit einem Positionscontroller gekoppelt ist zum Einstellen der Position eines Spiegels, um die Länge der Kavität zu steuern, wobei der Laser einen Q-Switch umfasst, der wiederholt aktiviert wird, um die Kavität zwischen einem Zustand mit hohem Verlust und einem Zustand mit geringem Verlust zu ändern, wodurch Impulse der zu erzeugenden Laserstrahlung entstehen; eine Optik zum Lenken des Referenzlaserstrahls in die Resonanzkavität des Lasers; einen Detektor zum Überwachen der Intensität der von dem Laser erzeugten Impulse; und einen Steuerschaltkreis, der den Ausgang des Detektors erhält und die Anstiegszeit des von dem Laser emittierten Laserimpulses nach jeder Aktivierung des Q-Switches überwacht und ein Steuersignal erzeugt, das dem Positionscontroller zugeführt wird, um den Spiegel in eine Position zu bewegen, in der die Anstiegszeit der detektierten Impulse minimiert ist und dadurch die Ausgangsfrequenz des Lasers auf die Frequenz des lokalen Oszillators fixiert („locked") wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem der Steuerschaltkreis einen Kavität-Aufbauzeit-Sensierschaltkreis umfasst, wobei der Zeitsensierschaltkreis einen zunehmenden Spannungsanstieg und einen einem Punkt auf dem Spannungsanstieg entsprechenden Spannungssignalausgang erzeugt, wenn die Intensität der von dem Detektor gemessenen Impulse einen vorbestimmten Schwellenwert kreuzt.
Lasersystem nach Anspruch 2, wobei der Spannungssignalausgang des Zeitsensierschaltkreises von dem Steuerschaltkreis dazu verwendet wird, das dem Positionscontroller zugeführte Steuersignal zu bestimmen.
Lasersystem nach Anspruch 3, des weiteren umfassend einen Hillclimbing-Schaltkreis, der den Spannungssignalausgang des Zeitsensierschaltkreises erhält und das dem Positionscontroller zugeführte Steuersignal bestimmt.
Lasersystem nach Anspruch 4, bei dem der Positionscontroller mit einem Dithering-Signal zum Dithering der Position des einen Spiegels versehen wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem der Positionscontroller mit einem Dithering-Signal zum Dithering der Position des einen Spiegels versehen wird.
Lasersystem nach Anspruch 6, bei dem der Steuerschaltkreis einen Hillclimbing-Schaltkreis umfasst, der den Ausgang des Detektors erhält und das dem Positionscontroller zugeführte Steuersignal bestimmt.
Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem der Laser ein Kohlenstoffdioxidlaser ist.
Lasersystem nach Anspruch 8, bei dem der Q-Switch mit einer Wiederholfrequenz von mehr als 100 kHz betrieben wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem der lokale Oszillator einen Rückkoppelungsschaltkreis umfasst zum Fixieren der Ausgangsfrequenz des Referenzstrahls.
Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem der lokale Oszillator ein Gitter umfasst zum Auswählen einer bestimmten Ausgangsfrequenz des Referenzstrahls.
Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem der Laser „Q-switched” und „cavity dumped" wird.
Lasersystem, umfassend: einen lokalen CO₂ Oszillator, der einen Referenzlaserstrahl mit einer festen Ausgangsfrequenz erzeugt; einen CO₂-Laser, der eine Resonanzkavität umfasst, die durch mindestens zwei Spiegel festgelegt ist, wobei einer der Spiegel mit einem Positionscontroller gekoppelt ist zum Einstellen der Position des einen Spiegels, um so die Länge der Kavität zu steuern, und wobei der Laser einen Q-Switch umfasst, der wiederholt aktiviert wird, um die Kavität zwischen einem Zustand mit hohem Verlust und einem Zustand mit geringem Verlust zu ändern, wodurch Impulse der zu erzeugenden Laserstrahlung entstehen; eine Optik zum Lenken des Referenzlaserstrahls in die Resonanzkavität des Lasers; einen Detektor zum Überwachen der Intensität der von dem Laser erzeugten Impulse; und einen Steuerschaltkreis, der den Ausgang des Detektors erhält, wobei der Steuerschaltkreis einen Kavität-Aufbauzeit-Sensierschaltkreis umfasst, und wobei der Zeitsensierschaltkreis einen zunehmenden Spannungsanstieg und einen einem Punkt auf dem Spannungsanstieg entsprechenden Spannungssignalausgang erzeugt, wenn die Intensität des von dem Detektor gemessenen Impulses einen vorbestimmten Schwellenwert kreuzt, und wobei der Steuerschaltkreis ferner einen Hillclimbing-Schaltkreis umfasst, der den Spannungssignalausgang des Zeitsensierschaltkreises erhält, und wobei der Hillclimbing-Schaltkreis ein Steuersignal auf Grundlage des Spannungssignalausgangs erzeugt und ein Dither-Signal umfasst, und wobei das Steuersignal dem Positionscontroller zugeführt wird, um den einen Spiegel in eine Position zu bewegen, in der die Zeit minimiert ist, wenn die überwachte Intensität des Impulses den vorbestimmten Schwellenwert kreuzt, um die Ausgangsfrequenz des Lasers auf die Frequenz des lokalen Oszillators zu fixieren.
Laser nach Anspruch 13, bei dem der Q-Switch mit einer Wiederholfrequenz von mehr als 100 kHz betrieben wird.
Lasersystem nach Anspruch 13, bei dem der lokale Oszillator einen Rückkoppelungsschaltkreis umfasst zum Fixieren der Ausgangsfrequenz des Referenzstrahls.
Lasersystem nach Anspruch 13, bei dem der lokale Oszillator ein Gitter umfasst zum Auswählen einer bestimmten Ausgangsfrequenz des Referenzstrahls.
Lasersystem nach Anspruch 13, bei dem Laser „Q-switched" und „cavity dumped" wird.
Lasersystem, umfassend: einen lokalen CO₂ Oszillator, der einen Referenzlaserstrahl erzeugt, wobei der lokale Oszillator einen Rückkoppelungsschaltkreis umfasst zum Fixieren der Ausgangsfrequenz des Referenzlaserstrahls, und wobei der lokale Oszillator ferner ein Gitter umfasst zum Auswählen einer bestimmten Ausgangsfrequenz; einen CO₂-Laser, der eine Resonanzkavität umfasst, die durch mindestens zwei Spiegel festgelegt ist, und wobei einer der Spiegel mit einem Positionscontroller gekoppelt ist zum Einstellen der Position des einen Spiegels, um so die Länge der Kavität zu steuern, und wobei der Laser einen Q-Switch umfasst, der wiederholt aktiviert wird, um die Kavität zwischen einem Zustand mit hohem Verlust und einem Zustand mit geringem Verlust zu ändern, wodurch Impulse der zu erzeugenden La serstrahlung entstehen, und wobei der Q-Switch mit einer Frequenz von mindestens 100 kHz betrieben wird; eine Optik zum Lenken des Referenzlaserstrahls in die Resonanzkavität des Lasers; einen Detektor zum Überwachen der Intensität der von dem Laser erzeugten Impulse; und einen Steuerschaltkreis, der den Ausgang des Detektors erhält, wobei der Steuerschaltkreis einen Kavität-Aufbauzeit-Sensierschaltkreis umfasst, wobei der Zeitsensierschaltkreis einen zunehmenden Spannungsanstieg und einen einem Punkt auf dem Spannungsanstieg entsprechenden Spannungssignalausgang erzeugt, wenn die Intensität des von dem Detektor gemessenen Impulses einen vorbestimmten Schwellenwert kreuzt, und wobei der Steuerschaltkreis ferner einen Hillclimbing-Schaltkreis umfasst, der den Spannungssignalausgang des Zeitsensierschaltkreises erhält, und wobei der Hillclimbing-Schaltkreis ein Steuersignal auf Grundlage des Spannungssignalausgangs erzeugt und ein Dither-Signal umfasst, und wobei das Steuersignal dem Positionscontroller zugeführt wird, um den einen Spiegel in eine Position zu bewegen, in der die Zeit minimiert ist, wenn die überwachte Intensität des Impulses den vorbestimmten Schwellenwert kreuzt, um so die Ausgangsfrequenz des Lasers auf die Frequenz des lokalen Oszillators zu fixieren.
Lasersystem nach Anspruch 18, bei dem der Laser „Q-switched" und „cavity dumped" wird.