DE4401131C2 - Laser zur Erzeugung schmalbandiger und abstimmbarer Emission - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser, insbesondere einen Excimer­ laser, zur Erzeugung schmalbandiger, abstimmbarer Laseremissi­ on, mit einem Resonator, der einen Rückspiegel, ein laserakti­ ves Medium und einen Frontspiegel aufweist.

In der Forschung und auch in der industriellen Anwendung werden häufig Laser gefordert, die schmalbandig (d. h. in einem klei­ nen Frequenzintervall) emittieren, wobei die Wellenlänge der Laseremission auch abstimmbar sein soll.

Ein Laserresonator besteht üblicherweise aus einem Rückspiegel, einem laseraktiven Medium und einem Frontspiegel. Das laserak­ tive Medium ist diejenige Substanz, in der die Strahlung auf­ grund einer sogenannten Besetzungsinversion verstärkt wird.

Bei einem Excimerlaser ist das laseraktive Medium ein durch Gasentladung erzeugtes Plasma. Die emittierte Strahlung liegt im UV-Bereich.

Insbesondere werden Excimerlaser auch für die sogenannte DUV- Lithographie verwendet (in der Halbleitertechnik; D steht für Deep, tief). Dort kommen insbesondere zum Einsatz KrF-Excimer­ laser, die bei 248 nm emittieren. Allerdings ist für die DUV- Lithographie eine sehr schmalbandige Emission des Lasers erfor­ derlich.

Die Erzeugung schmalbandiger Laseremission wirft insbesondere bei Excimerlasern eine Reihe technischer Probleme auf, insbe­ sondere wenn Bandbreiten im Bereich 1 pm gefordert werden. Diese Probleme sind vor allem dadurch bedingt, daß bei Verwen­ dung von Beugungsgittern und (in geringerem Maße) von Etalons zur Erzeugung wellenlängenabstimmbarer Laserstrahlung die Band­ breite proportional der genutzten Entladungsbreite ist. Unter der sogenannten Entladungsbreite (bei einem Gasentladungslaser, insbesondere einem Excimerlaser) versteht man die in der Dis­ persionsebene des Abstimmelementes liegende Ausdehnung des Ent­ ladungsquerschnittes senkrecht zur Resonatorachse. Die passive Bandbreite (BW) des Resonators ergibt sich in hinreichender Näherung aus der Formel BW = DISP.S.RL. Dabei ist DISP die Dispersion des wellenlängenselektierenden Rückspiegels (übli­ cherweise eine Kombination aus einem Beugungsgitter und einem Prismenstrahlaufweiter), also bekanntlich der Quotient aus dem Winkelintervall und dem Wellenlängenintervall. S ist die ge­ nutzte Entladungsbreite des Lasermediums und RL ist die soge­ nannte Resonatorlänge, also der Abstand zwischen Rückspiegel und Frontspiegel. Bei einem Excimerlaser beträgt die Entla­ dungsbreite typischerweise wenige mm, z. B. 2 mm bei einer neuen Entladungsröhre. Der herkömmliche Rückspiegel aus Gitter und gegebenenfalls Strahlaufweiter bildet mit einem im Resona­ tor angeordneten Spalt einen Spektrographen der Länge RL. Typische Werte für die Resonatorlänge RL sind 1,2 m. Längere Resonatoren verringern die Zahl der Resonatorumläufe während der natürlichen Lebensdauer der Besetzungsinversion zu sehr. Eine Dispersion DISP im Bereich von 0,3 mrad/pm liegt im Be­ reich des typischen, ohne daß extrem kostspielige Gitter und Strahlaufweiterkomponenten verwendet werden müssen. Die Reso­ natorllänge RL und die Dispersion DISP können also aus physi­ kalischen und technischen Gründen nicht wesentlich gesteigert werden. Mit einer herkömmlichen Anordnung kann die Schmal­ bandigkeit der Laseremission daher nur durch eine Verringerung der Breite S erreicht werden. Hier entsteht aber ein Problem: Für eine passive Bandbreite von 2 pm ist die nutzbare Entla­ dungsbreite S aufgrund der oben angegebenen Beziehung bereits auf ca. 1 mm begrenzt. Die aktive Bandbreite der Laserstrahlung ist bei einem Excimerlaser, bei dem nur wenige Resonatorumläufe stattfinden, nur geringfügig kleiner als die passive Bandbreite entsprechend der oben genannten Formel. In der Praxis können höchstens um den Faktor 2 höhere Entladungsbreiten genutzt werden.

Für herkömmliche Anordnungen zur Erzeugung schmalbandiger Emis­ sion folgt daraus:

• 1. Die Nutzungsdauer der Entladungsröhre ist aufgrund des sogenannten Elektrodenabbrandes (auch Elektrodenerosion ge­ nannt) stark reduziert. Der Elektrodenabbrand (also die Ver­ änderung der Form der Gasentladungselektroden durch physika­ lische und chemische Prozesse bei der Excimerlasergasentladung) führt zu einer Verbreiterung der genutzten Entladungsbreite des Lasermediums. Dabei wird die Anregungsleistung zunehmend Be­ reichen außerhalb der engen Nutzungsbreite (S) des Laserme­ diums zugeführt. Der Wirkungsgrad des Lasers nimmt ab und die damit einhergehende Reduzierung der Laserleistung kann nur in begrenztem Maße durch eine Steigerung der Anregungsleistung kompensiert werden, was aber wiederum den Nachteil hat, daß der Elektrodenabbrand beschleunigt wird.
• 2. Die Entnahme der Laserleistung über eine relativ kleine Entladungsbreite führt zu einer Strahlungsleistungsdichte, die nahe an den Belastungsgrenzen der optischen Komponenten des Re­ sonators liegt, wodurch die Nutzungsdauer der kostspieligen Resonatoroptik erheblich verkürzt wird.

Im Stand der Technik sind Laserresonatoren bekannt, bei denen ein ausgesuchter Bereich, meist das Zentrum, des angeregten La­ sermediums als Oszillator mit möglichst höher Güte genutzt wird und die aufgrund der Divergenz, also der Aufweitung der vom Rückspiegel reflektierten Strahlung, in den nicht als Oszillator genutzten Bereich des Mediums eintretende Strahlung den Ausgangsstrahl bildet. Der Ausgangsstrahl tritt entweder durch einen vollständig transparenten Bereich des Frontspiegels aus, der nur im Oszillatorbereich einen hoch reflektierenden Belag trägt, oder der Ausgangsstrahl wird durch einen sogenannten Scaperspiegel vor dem Frontspiegel herausgelenkt. Die vorste­ henden Merkmale sind im Stand der Technik beim sogenannten "instabilen Resonator" bekannt.

Die Erfindung betrifft jedoch nicht einen instabilen Resonator. Erfindungsziel ist nicht die Erzeugung eines Laserstrahls hoher Strahlqualität oder Fokussierbarkeit.

Andererseits sind im Stand der Technik Resonatoren bekannt, bei denen (außer dem Resonatorrückspiegel) auch der Resonatorfront­ spiegel einen wellenlängenselektiven Reflexionsgrad aufweist. Dies ist unter dem Stichwort "Resonanzreflektor" bekannt. Bei solchen Lösungen wird im Stand der Technik eine Etalonplatte geringer Finesse (also kaum verspiegelt) verwendet. Bei solchen bekannten Anordnungen erlaubt das Etalon aber keine übliche Ab­ stimmung der Wellenlänge, da es genau senkrecht zur Resonator­ achse stehen muß.

Bekannte Resonatoranordnungen dieser Art sehen nicht vor, daß die in der Anschwingphase des Oszillators vom Resonatorfront­ spiegel ausgehende Strahlung möglichst schmalbandig gehalten wird, damit bei Fortsetzung des ersten Durchganges die vom Resonatorrückspiegel wellenlängenselektierte Strahlung eine möglichst hohe Leistungsdichte hat und die Besetzungsinversion des Lasermediums bereits im ersten Durchgang kräftig für den Ausgangsstrahl abgeräumt wird. Bei Excimerlasern ist aber zu beachten, daß die Lebensdauer der Besetzungsinversion relativ kurz ist, sie liegt im Bereich von 10 bis 25 ns. Die Resonator­ umlaufzeit beträgt typischerweise 6 bis 8 ns (die Lichtge­ schwindigkeit ist 3 ns/m). Die Effizienz des Lasers ist also bestimmt durch einen Wettlauf zwischen dem Abbau der Beset­ zungsinversion aufgrund des natürlichen Zerfalls einerseits und dem Abräumen der Besetzungsinversion durch stimulierte Emission andererseits. Je höher der Beitrag des ersten Durchgangs des Strahles durch das Medium zum Ausgangsstrahl im gewünschten Wellenlängenintervall ist, umso höher ist der Wirkungsgrad des Lasers.

Es sollen nun einige für das Verständnis der vorliegenden Er­ findung grundlegende physikalische Begriffe und Zusammenhänge erläutert werden.

Die spektrale Verteilung eines Laserstrahls ist durch zwei Kenngrößen gekennzeichnet, nämlich zum einen die sogenannte Zentrumswellenlänge und zum anderen die Pulsenergie pro Wellen­ längenintervall. Es versteht sich, daß die Zentrumswellenlänge und die Wellenlängenintervalle des Laserstrahls innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasermediums liegen. Unter der Ab­ stimmbarkeit eines Lasers wird die Möglichkeit verstanden, die Zentrumswellenlänge zu verschieben. Die Bandbreite eines Laser­ strahls ist das Wellenlängenintervall, in dem die Hälfte der Pulsenergie liegt. Je kleiner dieses Intervall ist, desto schmalbandiger ist die Laserstrahlung.

Wird ein Laserresonator mit Endspiegeln ausgestattet, deren Reflexionsgrad innerhalb des vom Lasermedium erfaßten Winkels wellenlängenunabhängig ist, so emittiert der Laser breitbandig mit einer für das Lasermedium charakteristischen Zentrumswel­ lenlänge und Bandbreite. Diese Werte können verändert werden, indem die Resonatorverluste wellenlängenabhängig gestaltet wer­ den. Der Resonatorverlust (also die Dämpfung der Strahlung im Resonator) ist für die Zentrumswellenlänge möglichst klein (im Idealfall 0), während die Resonatorverluste mit zunehmendem Ab­ stand der Wellenlänge von der Zentrumswellenlänge ansteigen sollen, um die Bandbreite zu reduzieren. Die Bandbreite der Strahlung wird bezüglich derjenigen Wellenlängen reduziert, bei denen keine hinreichende Verstärkung im Lasermedium beim Hin- und Rücklauf erzeugt wird.

Es ist also möglich, die optischen Komponenten eines Laserre­ sonators so zu wählen und anzuordnen, daß es zu wellenlängen­ selektiven Resonatorverlusten kommt. Mit anderen Worten, wel­ lenlängenselektive Resonatorverluste sind dann gegeben, wenn in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Resonator insgesamt selek­ tiv dämpfend wirkt.

Es sind verschiedene Möglichkeiten gegeben, in einem Laserre­ sonator wellenlängenselektive Verluste herbeizuführen. Im nach­ folgenden interessieren insbesondere die Reflexionseigenschaf­ ten eines optischen Beugungsgitters (in der sogenannten Littrow­ -Anordnung) und auch die Transmissionseigenschaften eines oder mehrerer Etalons, das bzw. die in dem Resonator vor zumindest einem der Endspiegel angeordnet sind.

Zunächst zum Beugungsgitter: Mit einem Beugungsgitter lassen sich wellenlängenselektive Verluste in einen Resonator einfüh­ ren, weil der Reflexionswinkel des Gitters bei festem Einfalls­ winkel wellenlängenabhängig ist, das Gitter also eine Dispersi­ on besitzt. Diese Dispersion führt dazu, daß die Bandbreite vom Winkelintervall bestimmt wird, innerhalb dessen die Strahlung im Lasermedium zirkulieren kann (also zwischen Rück- und Front­ spiegel hin und her geworfen wird). Strahlung mit Wellenlängen außerhalb dieses Winkelintervalls erreicht den gegenüberliegen­ den Resonatorendspiegel nicht mehr und stirbt aus (oder gelangt gar nicht mehr in das Lasermedium zurück). Es ist bekannt und üblich, die Dispersion eines Beugungsgitters dadurch zu erhö­ hen, daß ein Strahlaufweiter vorgeschaltet wird. Die Zentrums­ wellenlänge wird beim Gitter bekanntlich dadurch verändert (al­ so der Laser abgestimmt), daß das Gitter gedreht wird.

Die Dispersion des Gitters führt somit zu wellenlängenabhäng­ igen Resonatorverlusten. Das Gitter wirkt als Resonatorend­ spiegel mit wellenlängenabhängigem Reflexionsgrad, der zu wel­ lenlängenselektiven Resonatorverlusten führt.

Auch mit einem Etalon lassen sich wellenlängenselektive Resona­ torverluste erreichen: Die Transmission eines Etalons ist für eine gegebene Durchlaufrichtung der Strahlung eine periodische Funktion der Wellenlänge. Die Periodizität heißt freier spek­ traler Bereich (FSB). Die Wellenlänge des Transmissionsmaximums wird durch Änderung des Durchlaufwinkels bei Drehung des Eta­ lons verändert. Ordnet man in einem Laserresonators vor einem Endspiegel ein Etalon an, so stellt diese Anordnung einen Re­ sonatorendspiegel mit wellenlängenabhängigem Reflexionsgrad dar, der im Transmissionsmaximum des Etalons einen hohen und daneben einen schnell abnehmenden Reflexionsgrad aufweist. So­ mit können auch mit einem Etalon wellenlängenselektive Verluste in den Resonator eingeführt werden.

Im Stand der Technik gibt es bereits Versuche, schmalbandige Laseremission dadurch zu erzeugen, daß als Rückspiegel statt der oben genannten Kombination aus Gitter und Strahlaufweiter eine Folge von Etalons verwendet wird, die in ihren FSR-Werten (FSR: Free Spectral Range) aufeinander abgestimmt werden. Eta­ lons können mit ausreichend großer Apertur bereitgestellt wer­ den, so daß die Nutzungsbreite der Entladung zunächst keine Einschränkung erfährt. Die Dispersion eines Etalons ist im Ver­ gleich zu einem Gitter um eine Größenordnung höher. Für Band­ breiten im Bereich von 1 pm und weniger reicht dies aber nicht aus, so daß divergenzbeschränkende (also die Nutzung der vollen Entladungsbreite einschränkende) Maßnahmen erforderlich sind, z. B. Blenden im Strahlengang. Weiterhin sind bei solchen An­ ordnungen Etalons hoher Finesse erforderlich, die nur mit sehr hoher Spiegelgüte der Etalonplatten erreichbar ist. Da die Eta­ lons der vollen im Resonator zirkulierenden Strahlung ausge­ setzt sind, ist ihre Lebensdauer insbesondere beim Einsatz in Lasern hoher Ausgangsleistung unbefriedigend. In solchen Anord­ nungen sind die Etalons nicht für jahrelangen Einsatz geeignet.

US-5,107,515 offenbart eine Laservorrichtung, bei der ein sich in einem Resonator ausbreitender Laserstrahl durch ein erstes Fenster des Resonators und einer dieser nachgeordneten Spaltblende auf einen Rückspiegel fällt und von diesem zurück in den Resonator reflektiert wird. Dem ersten Resonatorfenster gegenüber liegend ist ein zweites Resonatorfenster angeordnet, durch das sich in dieser Richtung in dem Resonator ausbreitendes Laserlicht austritt. Ein Teil des durch das zweite Resona­ torfenster ausgetretenen Laserlichts wird von einem bezüglich des Strahlengangs des Laserlichts geneigt angeordneten Spiegels zu einer Etalonanordnung reflektiert und breitet sich durch diese bis zu einem hinter der Etalonanordnung in Ausbreitungs­ richtung des Teils des Laserlichts angeordneten Spiegel aus. Von diesem Spiegel wird das Laserlicht zurück durch die Etalonanordnung zu dem geneigten Spiegel reflek­ tiert, von wo es in den Resonator eingespiegelt wird. Die eigentliche Auskopplung von Laserlicht erfolgt in Form des durch das zweite Resonatorfenster austretenden Laserlichts, das nicht von dem geneigten Spiegel zu der Etalonanordnung reflektiert wird.

DE 40 29 687 A1 offenbart einen Laserresonator mit einem Rückspiegel, einem laseraktiven Medium und einer zwischen dem rückseitigen Fenster des Resonators und dem Rückspiegel angeordneten rückseitigen Spaltblende. Ferner sind zwischen der rückseitigen Spaltblende und dem Rückspiegel ein Etalon und ein Strahlaufweiter angeordnet. Frontseitig ist ein Auskoppelspiegel und eine zwischen diesem und dem frontseitigen Fenster des Resonators angeordnete frontseitige Spaltblende vorhan­ den. Auskopplung von durch das frontseitige Fenster des Resonators austretendem Laserlichts erfolgt durch den Auskoppelspiegel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser, insbe­ sondere einen Excimerlaser, bereitzustellen, bei dem mit ein­ fachen Mitteln eine abstimmbare, schmalbandige Laseremission mit Bandbreiten kleiner als 1 pm bei möglichst hohem Wirkungs­ grad und hoher Ausgangsleistung ermöglicht ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Lasers sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Laserresonator zeichnet sich aus durch eine Reihe von Vorteilen:

• 1. Der die Bandbreite bestimmende Spalt im Resonator schränkt nicht mehr die nutzbare Entladungsbreite (5) des Lasermediums ein, und
• 2. die Verluste des Resonators hinsichtlich der emit­ tierten schmalbandigen Wellenlängen werden dadurch verrin­ gert, daß sowohl der Front- als auch der Rückspiegel des Resonators wellenlängenselektive Verluste im Resonator er­ zeugen.

Zum vorstehenden 1. Vorteil: In Abwandlung der üblichen Anord­ nung ist erfindungsgemäß der Frontspiegel des Resonators ein Spiegel mit 100% Reflexion. Wird vor dem Frontspiegel (gemäß dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel) eine Spalt­ blende geringer Breite angeordnet, insbesondere mit einer Brei­ te kleiner als 1 mm, und erfolgt die Auskoppelung der Laser­ strahlung nicht mehr durch den Frontspiegel, sondern davor, und zwar so, daß die außerhalb eines zentralen Bereichs des Laser­ mediums verstärkte Strahlung ausgekoppelt wird, so ergibt sich der Vorteil, daß die zur Verringerung der Bandbreite notwendige Verringerung der Spaltbreite (Verkleinerung des "Spektrografen­ spaltes") durchgeführt werden kann, ohne daß dadurch die ausge­ koppelte Laserstrahlung reduziert wird. Beispielsweise kann die Spaltbreite des vor dem Frontspiegel angeordneten Spaltes (analoge Betrachtungen können auch auf den Rückspiegel angewandt werden) bis herunter auf Werte von 0,2 mm reduziert werden und es ergeben sich auf diese Weise Bandbreiten unter­ halb 1 pm, wobei gleichzeitig eine Entladungsbreite von mehr als 5 mm ausgenutzt werden kann.

Der oben genannte zweite Vorteil, also die Verringerung der Resonatorverluste ergibt sich wie folgt:
Der Reflexionsgrad eines Beugungsgitters liegt stets unter 100%. So ist der Reflexionsgrad der besten zur Zeit erhält­ lichen Echellegitter bei einer Wellenlänge von 248 nm höchstens 50%. Der Resonator ist also bereits aufgrund der Eigenschaften dieser Komponente verlustreich. Die Verluste werden weiterhin erhöht, wenn die Strahlungsrückkoppelung durch einen teil­ reflektieren Auskoppelspiegel erfolgt. Damit der derart ver­ lustreiche Resonator stabil und mit möglichst geringen Fluktua­ tionen der Ausgangsleistung emittiert, muß die Anregung des Lasermediums hinreichend kräftig sein. Wie oben bereits erläu­ tert ist, nimmt aber mit zunehmender Nutzungsdauer der Entla­ dungsröhre eines Gasentladungslasers aufgrund der Elektro­ denerosion die Anregungsdichte und die Besetzungsinversions­ dichte ab, was schließlich dazu führt, daß die Laseremission immer stärker fluktuiert und schließlich aufhört. Wird aber erfindungsgemäß der im Stand der Technik übliche teildurch­ lässige Resonatorfrontspiegel durch einen vollständig reflek­ tierenden Spiegel ersetzt, so werden die Verluste des Resona­ tors verringert und ein sicherer Laserbetrieb bei geringerer Anregungsdichte möglich. Dies kann tatsächlich experimentell beobachtet werden: Die sogenannte Laserschwelle, also der Wert, bei dem der Resonator anschwingt und die erste stimulierte Emission beobachtet wird, sinkt und die erfindungsgemäße Ent­ ladungsröhre kann bei schmalbandiger Emission zwei bis viermal länger genutzt werden, als eine herkömmliche Anordnung.

Auch hinsichtlich des Einsatzes weiterer Maßnahmen zur Reduk­ tion der Bandbreite, insbesondere mittels Etalons im Resonator, ist die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft hinsichtlich der Vermeidung von Resonatorverlusten. Aufgrund der oben erläuter­ ten Beschränkung der mit einem Beugungsgitter erreichbaren Dispersion ist für die weitere Reduzierung der Bandbreite der emittierten Strahlung der Einsatz eines Etalons im Resonator geboten. Üblicherweise wird das Etalon im Stand der Technik in das Abstimmelement integriert, also vor dem Beugungsgitter an­ geordnet, oder im Strahlaufweiter positioniert. Das Einbringen eines Etalons in das Abstimmelement erhöht dessen Verluste um etwa den Faktor 2 mit der Folge, daß die aus dem Abstimmelement austretende Strahlung eine geringere Pulsenergie aufweist und in einen Wertebereich absinkt, in dem die Energie der ausgekop­ pelten Laserstrahlung empfindlich von der Pulsenergie der aus dem Abstimmelement austretenden Strahlung abhängt. Der Einfluß der Einsatzverluste eines Etalons wird spürbar geringer, wenn es nicht im Rückspiegel (also im Abstimmelement) angeordnet wird, sondern am Frontspiegel. Dies ist mit einer erfindungsge­ mäßen Resonatoranordnung möglich (vgl. Fig. 1).

Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung zeigt eine herkömmliche Reso­ natorkonfiguration mit Auskoppelung durch den Frontspiegel (14a). In einer solchen Konfiguration würde das Etalon im Aus­ gangsstrahl angeordnet, also einer sehr hohen Leistungsdichte ausgesetzt sein mit der Folge einer raschen Zerstörung der die Finesse des Etalons bestimmenden Spiegelschichten und die Aus­ gangsleistung des Lasers würde entsprechend geschwächt. Die erfindungsgemäße Resonatorkonfiguration erlaubt hingegen eine Anordnung des Etalons (Fig. 1) nicht im Ausgangsstrahl, sondern nur im Rückkoppelungszweig der Oszillatorstrahlung, so daß das Etalon nicht mit der gesamten Ausgangsleistung des Lasers bela­ stet wird.

Die Reduzierung der Resonatorverluste hinsichtlich der auszu­ koppelnden schmalbandigen Strahlung wird weiterhin bei einer erfindungsgemäßen Resonatorausbildung auch wie folgt gefördert: Bei Excimerlasern führt die hohe Kleinsignalstärkung dazu, daß die Verstärkung beim Durchgang durch das angeregte Lasermedium in Sättigung geht, was bedeutet, daß die aus dem Medium austretende Strahlung ab einem bestimmten Leistungsniveau der in das angeregte Lasermedium eintretenden Strahlung immer weniger von dem Leistungsniveau der eintretenden Strahlung abhängt und einem Sättigungswert zustrebt. Es ist nun einsehbar, daß eine Aufteilung der für die Bandbreiteneinengung notwendigen Ver­ luste auf beide Resonatorspiegel insofern vorteilhaft ist, als bei jedem auf den Verlust folgenden Durchgang (durch das Laser­ medium) wieder Strahlung bis in den Sättigungsbereich aufgebaut werden kann. Sind hingegen die Verluste (asymmetrisch) einsei­ tig in einem Endspiegel des Resonators (z. B. im Rückspiegel) konzentriert, so würde die vom anderen Endspiegel (z. B. vom Frontspiegel) kommende Strahlung während des Durchgangs durch das Lasermedium in Sättigung gehen und im Rückspiegel extrem stark abgeschwächt und somit beim Austritt aus dem Rückspiegel auf ein Intensitätsniveau sinken, bei dem die Besetzungsinver­ sion im Lasermedium weniger stark abgeräumt wird. Eine geringe­ re Leistung und u. U. auch eine drastische Zunahme der Lei­ stungsfluktuationen der ausgekoppelten Strahlungen wären die Folge.

Vorteilhaft ist es, dem Etalon einen Strahlaufweiter vorzu­ schalten, damit zum einen die Strahlungsleistungsdichte (am Etalon) verringert wird und zum anderen die aufgrund der Fines­ sebandbreite erzielbare Bandbreiteneinengung der emittierten Laserstrahlung vollständig erreicht wird, wie nachfolgend näher ausgeführt ist.

Die mit einem Etalon erzielbare Bandbreiteneinengung wird ei­ nerseits durch die sogenannte Finesse bestimmt und andererseits durch die Divergenz der das Etalon durchsetzenden Strahlung. Ist die Finessebandbreite nicht groß gegen die Divergenzband­ breite, so wird die Wirkung des Etalons gemindert. Diese For­ derung wird dadurch erfüllt, daß die Strahlung vor dem Etalon ausreichend aufgeweitet wird. Dies ist besonders vorteilhaft in der erfindungsgemäßen Ausbildung möglich, die wegen einer nur geringen Entladungsbreite eine hohe Aufweitung der Strahlung erlaubt.

Schließlich hat die erfindungsgemäße Ausbildung des Resonator­ frontspiegels mit einem wellenlängenselektiven, die Bandbreite einengenden Element zur Folge, daß bereits beim Anschwingen des Lasers die Ausbildung einer breitbandigen Strahlung unterdrückt wird. Bei einem herkömmlichen Resonator gemäß Fig. 5 ist die vom Frontspiegel ausgehende Strahlung zu Beginn der Emission breitbandig. Es wird die in der Besetzungsinversion des Laser­ mediums gespeicherte Energie in Strahlung mit nicht erwünschten Wellenlängen umgewandelt, die im wellenlängenselektierenden Rückspiegel als Verlust "vernichtet" wird und so zu einer uner­ wünschten Belastung der optischen Komponenten führt. Wenn aber erfindungsgemäß ein Resonatorfrontspiegel mit einem wellenlän­ genselektiven Element versehen wird (wie beispielsweise einem Etalon vor einem 100%-Spiegel), wird im Resonator von Anbeginn nur Strahlung mit eingeschränkter Bandbreite verstärkt und der Wirkungsgrad des Lasers steigt aufgrund einer besseren Ausnut­ zung der im Lasermedium als Besetzungsinversion gespeicherten Energie. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter als (wie bei Ex­ cimerlasern) aufgrund der kurzen Lebensdauer der Besetzungsin­ version im Lasermedium die Laserstrahlung nur während weniger Resonatorumläufe entsteht und der erste Umlauf bereits einen wesentlichen Beitrag zur Gesamtausgangsleistung liefert.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von Excimerlasern mit schmalbandig abstimmbarer Laseremission anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Excimerlasers mit schmalbandig abstimmbarer Emission, das eine Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispieles dar­ stellt;

Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab; und

Fig. 3 einen Laserresonator gemäß dem Stand der Technik.

Der Laserresonator 10 gemäß Fig. 1 weist in her­ kömmlicher Weise als Rückspiegel 12 eine Kombination aus einem Reflexionsgitter und einem Strahlaufweiter auf. Zum Einsatz kann z. B. kommen ein Echellegitter mit 600 Strich/mm, das in 11. Ordnung reflektiert und somit eine wirksame Gitterkonstante von 6600 Strichen/mm aufweist. Ein solches Gitter hat einen Gitterwirkungsgrad bis zu 50% bei 248 nm. Die Dispersion bei einer Wellenlänge von 248 nm beträgt 0,012 mrad/pm. Dieser Wert wird durch einen Strahlaufweiter, der vor dem Gitter angeordnet ist, um einen Faktor 27 angehoben. Als Strahlaufweiter wird in bekannter Weise ein achromatischer Prismenstrahlaufweiter ver­ wendet, wobei die eindimensionale Aufweitung in der Disper­ sionsebene liegt. In Fig. 1 ist das System aus Strahlaufweiter und Reflexionsgitter nicht im einzelnen dargestellt, da es als solches zum Stand der Technik gehört. Dieses System bildet den Rückspiegel 12.

Weiterhin weist der in Fig. 1 dargestellte Laserresonator 10 einen Frontspiegel 14 auf, der hier total reflektierend ist, also einen Reflexionsgrad R von 100% hat. Der Laserstrahl wird also nicht über den Frontspiegel 14 aus dem Resonator 10 ausge­ koppelt.

Vielmehr wird der Laserstrahl an einer Spaltblende 22 ausgekop­ pelt, die auf ihrer dem Lasermedium 16 zugekehrten Seite ver­ spiegelt ist. Der Spalt 24 ist sehr viel schmaler als ein Spalt 20 in einer Spaltblende 18 vor dem Rückspiegel 12. Beim Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Breite des Spaltes 24 kleiner, insbeson­ dere deutlich kleiner als 1 mm. Die durch den Spalt 24 durchtretende Strahlung wird vom Frontspiegel 14 total reflektiert und zur Verstärkung in das Lasermedium 16 zurückgeworfen. Die ausgekoppelte Strahlung 32, 34 hingegen hat beim letzten Durch­ gang durch das Lasermedium 16 (vom Rückspiegel 12 kommend) Ab­ schnitte des Mediums 16 durchlaufen, die außerhalb des zentra­ len Bereiches liegen. Durch den zentralen Bereich hingegen läuft die vom Frontspiegel 14 reflektierte Strahlung. Es sind also Oszillatorbereiche und Auskoppelbereiche im Lasermedium getrennt.

Desweiteren ist bei dem Laserresonator gemäß Fig. 1 zwischen der Spaltblende 22 und dem Frontspiegel 14 ein Etalon 28 mit einem vorgeschal­ teten Strahlaufweiter 26 angeordnet. Der Strahlaufweiter 26 kann in herkömmlicher Weise ein Prismenaufweiter sein. Diese beiden Teile sind in den Figuren nur schematisch angedeutet, da sie als solche dem Fachmann bekannt sind.

Die Divergenz 6 der zwischen den Resonatorspiegeln zirkulie­ renden Strahlung wird durch die Resonatorlänge RL (Spiegelab­ stand) und die Breite S_R des Spaltes 20 vor dem Rückspiegel bestimmt und ergibt sich als Θ = 0,5.S_R/RL. Für größere Winkel fällt, die aus dem Rückspiegel 12 reflektierte und vom Frontspiegel zurückgeworfene Strahlung nicht mehr durch den Spalt 20. Die Bandbreite der durch den Rückspiegel 12 als Abstimmelement definierten Strahlung wird fast ausschließlich bestimmt durch die Breite des Spaltes 20. Die Bandbreite BW ergibt sich als das Produkt aus der vorstehend genannten Divergenz und der Dispersion des Abstimmelementes solange die Breite des Spaltes 20 groß ist im Vergleich zur Breite SF eines weiteren Spaltes 24 in einer Blende 22, die gemäß Fig. 1 zwi­ schen dem laseraktiven Medium 16 und dem Frontspiegel 14 an­ geordnet ist (BW = Θ.DIS; S_R < S_F).

Die Breite S_F des Spaltes 24 in der Blende 22 wird nach fol­ genden Gesichtspunkten bestimmt. Die minimale Breite ergibt sich durch die Forderung, daß der Beugungswinkel am Spalt nicht größer sein sollte als die Divergenz Θ. Es soll gelten S_F < λ/Θ.

Da andererseits aufgrund der obigen Ausführungen die Spaltbrei­ te S_R des Spaltes 20 kleiner ist als 2,5 mm und da weiterhin die Resonatorlänge RL etwa 1200 mm beträgt, ergibt sich, daß die Spaltbreite S_F des Spaltes 24 größer sein sollte als etwa 0,2 mm. Die obere Grenze der Spaltbreite ergibt sich daraus, daß die Energie der zwischen den Spiegeln zirkulierenden Strah­ lung proportional der Spaltbreite ist und auch daraus, daß die Ausgangsstrahlung möglichst nur eine kleine Lücke im Zentrum aufweisen sollte. Die Praxis zeigt, daß Spaltbreiten S_F mög­ lichst nicht viel größer sein sollten als 0,7 mm.

Wie oben dargestellt ist, ist die Spaltbreite S_F, des Spaltes 24 klein gegen die Spaltbreite S_R des Spaltes 20.

Die aus dem als Abstimmelement dienenden Rückspiegel 12 austre­ tende Strahlung kann beliebig große Winkel aufspannen.

Die emittierte Ausgangsstrahlung ist in Fig. 1 mit den Bezugszeichen 33, 34 versehen.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die emittierte Strahlung (Laseremis­ sion) aus zwei Teilstrahlen 32, 34, die jeweils auf gegenüber­ liegenden Seiten der Spaltspiegelblende 22 reflektiert worden sind.

Fig. 2 zeigt eine Gestaltung der Spaltspiegelblende 22 so, daß die ausgekoppelten Teilstrahlen Randstrahlen 32a und 34a der Teilstrahlen 32, 34 einander überlagern, also keine Lücke im Strahl entsteht. Hierzu sind die beiden Hälften 22a, 22b der Blende 22 so gegeneinander versetzt, daß die vorderseitigen, ebenen Reflexionsflächen einen Abstand "B" haben. Beträgt die Spaltbreite in einer Projektion senkrecht zur Vorderfläche der Blende 22 "A" und fällt die Strahlung unter einen Winkel α auf die Blende, dann gilt B = A.tanα, die ausgekoppelten Rand­ strahlen 32a und 34a überlagern sich, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die ausgekoppelte Strahlung enthält also trotz des Spaltes 24 keinen zentralen Dunkelstreifen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein Etalon mit einem Strahlaufweiter vorgesehen, um frontspiegelseitig einen wellen­ längenselektierenden Verlust im Resonator (10) einzubringen. Die Auskoppelung der Strahlung 32, 34 erfolgt wellenlängenunab­ hängig an der Spaltspiegelblende 22. Diese bevorzugte Ausbil­ dung des Resonators kann abgewandelt werden. Beispielsweise kann das Etalon oder die Kombination aus Etalon und Strahl­ aufweiter durch ein Beugungsgitter bzw. eine Kombination aus Beugungsgitter und Strahlaufweiter ersetzt werden. Auch kann rückspiegelseitig das Beugungsgitter (gegebenenfalls mit Strahlaufweiter) ersetzt werden durch ein Etalon oder eine Kombination aus Etalon und Strahlaufweiter.

Der Vorteil der Anordnung des wellenlängenselektiven Elementes am Frontspiegel gemäß Fig. 1 liegt darin, daß bereits beim er­ sten Durchgang in der sogenannten Resonatoranschwingphase Strahlung erzeugt wird, die nicht mehr breitbandig sondern spektral eingeengt ist. Folglich wird der Wirkungsgrad des wellenlängenselektiven Rückspiegels 12 um denjenigen Faktor erhöht, um den die auf ihn treffende Strahlung spektral einge­ engt ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 mit einem Etalon 28 wird der Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Resona­ tor, bei dem das Etalon im Rückspiegel 12 angeordnet ist, um einen Faktor erhöht, der bis zum 1,4fachen der Finesse des Etalons beträgt. Entsprechend sinkt auch die Strahlungsbela­ stung des Abstimmelementes bezogen auf seine Ausgangsleistung. Experimente haben gezeigt, daß im Vergleich zu einer herkömmli­ chen Anordnung die Belastung des Abstimmelementes im Rückspie­ gel 12 in der Anschwingphase um einen entsprechenden Faktor sinkt und während des gesamten Laserpulses um bis zu dem Faktor 2 geringer ist.

Weiterhin erfährt das laseraktive Medium 16 in der Anschwing­ phase des Laserpulses einen um diesen Faktor geringeren Abbau der Besetzungsinversion, so daß das Medium auch im nachfolgen­ den Durchgang der Strahlung noch einen Beitrag zur Verstärkung leisten kann. Messungen zeigen eine Leistungssteigerung um bis zu 20% im Vergleich zu einem herkömmlichen Resonator, bei dem ein Etalon im Abstimmelement des Rückspiegels eingebaut ist und der Frontspiegel breitbandig reflektiert.

Claims (12)

1. Laser, insbesondere Excimerlaser, zur Erzeugung schmalban­ diger, abstimmbarer Laseremission, mit einem Resonator, der einen Rückspiegel (12), ein laseraktives Medium (16) und einen Frontspiegel (14) aufweist, und mit Spaltblenden (18, 22) im Resonator als Raumfilter dadurch gekennzeichnet, daß rückspiegelseitig und frontspiegelseitig des laseraktiven Mediums (16) jeweils wellenlängenselektive Mittel (12 bzw. 26, 28) angeordnet sind, die zusammenwirkend mit den Spalt­ blenden jeweils aufeinander abgestimmte wellenlängenselek­ tive Verluste im Resonator erzeugen, und daß die Auskoppe­ lung des Laserstrahls (32, 34) vor dem Resonatorrückspiegel (12) oder dem Resonatorfrontspiegel (14) so erfolgt, daß die außerhalb eines für die nachfolgend reflektierte Strah­ lung wirksamen Verstärkungsbereiches des laseraktiven Mediums (16) verstärkte Strahlung ausgekoppelt wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden (18, 22) eine Spaltbreite kleiner als 1 mm haben.

3. Laser nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltblenden (18, 22) einstellbar sind.

4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskoppelung des Laserstrahls (32, 34) mittels einer der Spaltblenden (22) erfolgt.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Winkelintervall, in welches jeder Resonatorendspiegel (12, 14) in das Lasermedium (16) wirksam zurückreflektiert, zu beiden Seiten der optischen Achse (30) des Resonators jeweils durch die Spaltblenden (18, 22) begrenzt ist.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorrückspiegel (12) und/oder der Resonatorfront­ spiegel (14) ein drehbares Reflexionsgitter oder jeweils eine Kombination aus einem drehbaren Reflexionsgitter mit einem vorgeschalteten Prismenstrahlaufweiter sind.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorfrontspiegel und/oder der Resonatorrückspiegel breitbandig total reflektierende Spiegel sind, vor denen jeweils ein Fabry-Perot-Etalon angeordnet ist.

8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Endspiegel des Resonators ein drehbares Reflexionsgit­ ter, gegebenenfalls mit einem Strahlaufweiter, und der an­ dere Endspiegel des Resonators eine Kombination aus einem Spiegel und einem Etalon ist.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Seite des laseraktiven Mediums ein Etalon (28) mit Strahlaufweiter (26) als wellenlängenselektives Mittel angeordnet ist.

10. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsstrahl (32, 34) des Lasers zwischen dem laser­ aktiven Medium (16) und dem Frontspiegel (14) aus dem Reso­ nator (10) ausgekoppelt wird.

11. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskoppelung ein geneigt zur Resonatorachse (30) ange­ ordneter Spiegel (22) verwendet wird, der auf der Resona­ torachse für die Laserstrahlung durchlässig ist, insbeson­ dere mittels eines Spaltes (24).

12. Laser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltspiegel (22) so geformt und in bezug auf die Reso­ natorachse (30) angeordnet ist, daß an seinen Backen (22a, 22b) reflektierte und ausgekoppelte Teilstrahlen (32a, 34a) sich zumindest teilweise überlagern.