EP4666121A1 - Lasersystem und verfahren zur erzeugung von sekundärstrahlung durch wechselwirkung eines primärlaserstrahls mit einem targetmaterial - Google Patents

Lasersystem und verfahren zur erzeugung von sekundärstrahlung durch wechselwirkung eines primärlaserstrahls mit einem targetmaterial

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Publication number
EP4666121A1
EP4666121A1 EP24705425.7A EP24705425A EP4666121A1 EP 4666121 A1 EP4666121 A1 EP 4666121A1 EP 24705425 A EP24705425 A EP 24705425A EP 4666121 A1 EP4666121 A1 EP 4666121A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser beam
laser
focusing device
primary
raw
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24705425.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel FLAMM
Max KAHMANN
Julian Hellstern
Christoph Tillkorn
Torsten Mans
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
Publication of EP4666121A1 publication Critical patent/EP4666121A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G02B17/0605—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using two curved mirrors
    • G02B17/0621—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror using two curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements
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    • H01J2237/063—Electron sources
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    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/08—Ion sources
    • H01J2237/0815—Methods of ionisation

Definitions

  • the invention relates to a laser system for generating secondary radiation by interaction of a focused primary laser beam with a target material, comprising a laser beam source for providing a raw laser beam which has ultrashort laser pulses, a beam guiding device for forming the focused primary laser beam from the raw laser beam, wherein the focused primary laser beam is directed at a target area in order to interact with a target material arranged in the target area, wherein the beam guiding device has a beam focusing device which is designed to form the primary laser beam by focusing a laser beam entering the beam focusing device, wherein the laser beam entering the beam focusing device is based on the raw laser beam or corresponds to the raw laser beam and wherein the beam focusing device has at least two spherical mirror elements spaced apart from one another.
  • the invention further relates to a method for generating secondary radiation by interaction of a focused primary laser beam with a target material, in which the target material is arranged or is arranged in a target area, a raw laser beam is provided by means of a laser beam source, which has ultrashort laser pulses, the focused primary laser beam is formed from the raw laser beam by means of a beam guiding device, wherein the focused primary laser beam is directed at the target area and interacts with the target material arranged in the target area, wherein the beam guiding device has a beam focusing device which forms the primary laser beam by focusing a laser beam entering the beam focusing device, wherein the laser beam entering the beam focusing device is based on the raw laser beam or corresponds to the raw laser beam and wherein the beam focusing device has at least two spherical mirror elements spaced apart from one another.
  • secondary sources defined as electromagnetic radiation or particle radiation that is generated by the interaction of a primary beam source (primary laser beam) and matter (target material).
  • primary beam source primary laser beam
  • matter target material
  • the interaction mechanism ranges from nuclear reactions to beam scattering.
  • EUV Extreme ultraviolet light
  • the following secondary radiations can be generated with high-intensity lasers: electron radiation, photon/X-ray radiation, proton/ion radiation, neutron radiation and high harmonics.
  • electron radiation photon/X-ray radiation
  • proton/ion radiation proton/ion radiation
  • neutron radiation high harmonics.
  • the current state of the art is the industrialization of beam guidance and focusing, which is required to provide a primary laser beam with appropriate light field parameters and at the same time enables an industrially suitable throughput, is unresolved.
  • the raw laser beam provided by a laser beam source is usually adjusted in diameter by a transmissive telescope and then focused by off-axis parabolic mirrors onto the corresponding target for secondary beam generation.
  • Transmissive optical elements limit the peak intensity of the laser radiation due to absorption.
  • transmissive optical elements limit the scaling of the repetition rate due to difficult thermal management.
  • local phase changes can occur due to the Kerr effect, which influence the wavefront of the laser beam and deteriorate its beam quality.
  • an EUV beam generation device comprising a vacuum chamber in which a target material can be arranged at a target position for generating EUV radiation, a beam guidance chamber for guiding a laser beam from a driver laser device in the direction of the target position, an intermediate chamber which is arranged between the vacuum chamber and the beam guidance chamber, a first window which can be sealed gas-tight in the intermediate chamber for the entry of the laser beam from the beam guidance chamber, and a second window which can be sealed gas-tight in the intermediate chamber for the exit of the laser beam into the vacuum chamber.
  • an EUV light source device is known which generates EUV light by irradiating a target material with a pulsed driver laser beam.
  • the invention is based on the object of providing a laser system and method as mentioned above, which enable the generation of secondary radiation with industrial throughput, wherein the primary laser beam has the largest possible effective volume for interaction with the target material.
  • the beam focusing device has a numerical aperture between 0.001 and 0.01, provided that the primary laser beam (104) propagates in a medium with a refractive index of less than 1.01.
  • a beam focusing device with a numerical aperture in the specified range has proven to be particularly advantageous in the laser system mentioned above for generating secondary radiation.
  • Such numerical apertures enable the focusing of an incoming laser beam into a focus with a relatively large focus diameter of, for example, approx.
  • the large focus diameter of the primary laser beam enables efficient generation of higher harmonics in particular. Numerous higher harmonics of the laser frequency are observed through the interaction of a laser beam in the focus.
  • the laser system according to the invention is suitable or configured to generate secondary radiation in the form of high harmonics.
  • the beam focusing device has a numerical aperture in the above-mentioned range, provided that the primary laser beam propagates in a medium with a refractive index between exactly 1 and less than 1.01 or between exactly 1 and the refractive index of air under standard conditions.
  • the numerical aperture of the beam focusing device is proportional to the sine of an angle between a longitudinal central axis and/or a main ray of the primary laser beam and the edge rays of the primary laser beam.
  • the numerical aperture corresponds to the product of the sine of the said angle and the refractive index of the medium in which the primary laser beam propagates when the said angle is measured.
  • a laser beam is based on another laser beam is to be understood in particular to mean that the laser beam results from or is formed from the other laser beam by beam shaping and/or beam guidance.
  • the fact that the laser beam entering the beam focusing device is based on the raw laser beam means that the raw laser beam has already passed through one or more other components of the beam guiding device before entering the beam focusing device, such as a beam adjustment device and/or a beam correction device.
  • the beam focusing device is arranged in particular after a beam adaptation device and/or after a beam correction device of the beam guiding device.
  • the raw laser beam is a collimated laser beam and/or a Gaussian laser beam.
  • the primary laser beam formed from the raw laser beam has ultrashort laser pulses.
  • the primary laser beam is in particular a Gaussian laser beam.
  • the mirror elements of the beam focusing device and/or the mirror elements of a beam adjustment device of the laser system each have a reflective surface, wherein the mirror elements have a highly reflective coating to form the reflective surface, such as a dielectric coating or an "enhanced gold" coating.
  • the mirror elements can be designed as glass mirrors or metal mirrors, each with a dielectric coating, or as metal mirrors with an "enhanced gold” coating. It is also possible to design the mirror elements as glass mirrors with a metallic coating, such as an "enhanced gold” coating.
  • the mirror elements are not metal mirrors without a coating.
  • the beam guiding device is designed in particular for beam guiding and/or beam shaping of the raw laser beam in order to form the primary laser beam from the raw laser beam.
  • the mirror elements of the beam focusing device are to be understood as meaning in particular the mirror elements of the beam focusing device which contribute to adjusting the diameter of the raw laser beam.
  • the laser beam entering the beam focusing device strikes the mirror elements of the beam focusing device one after the other to form the primary laser beam.
  • the primary laser beam has a focus which is positioned on the target material and/or in the target material and/or in the region of the target material. In the focus of the The primary laser beam can provide a sufficiently high radiation intensity to interact with the target material.
  • a focus of the primary laser beam has a focus diameter between 100
  • a beam path within the beam focusing device has no focus.
  • the beam path is understood to mean in particular a beam path within the beam focusing device that is assigned to the incoming laser beam and the primary laser beam. This makes it possible to avoid particularly high intensities of laser radiation that can occur in a focus of the beam path. This makes it possible to reduce or avoid the occurrence of non-linearities in the beam path, which can be present in the focus due to the high intensities. These non-linearities can influence the wavefront of the laser beam and impair its beam quality, which means that the primary laser beam can be focused less well and the maximum achievable intensity of the laser radiation that is available for interaction with the target material is reduced.
  • the fact that the beam path has no focus means that the efficiency of generating secondary radiation can be increased. Furthermore, increased thermal stress on components of the laser system can occur near a focus of the beam path, which can also be avoided.
  • the beam focusing device is designed as a reflective optic. This means in particular that the beam focusing device is implemented using a reflective and/or reflection-based optical concept. This enables the focusing of laser beams whose laser pulses have high peak intensities.
  • the symmetry axis of the beam focusing device runs, for example, parallel to the incoming laser beam and parallel to a symmetry axis of a first spherical mirror element of the beam focusing device, which is struck by the laser beam entering it.
  • the diameter of the laser beam entering the beam focusing device is between 15 mm and 100 mm. In particular, the diameter is between 20 mm and 30 mm. This allows the primary laser beam formed from this laser beam to be focused into a focus with a relatively large focus diameter, which means that a large effective cross section is available for interaction with the target material. Furthermore, a laser beam with this diameter enables a reduction in non-linear effects that can occur, for example, on a passage element when the laser beam is coupled into a gas-tight chamber if the beam focusing device is arranged in this.
  • the beam guiding device has a beam adjustment device which is designed to adjust the diameter of the laser beam entering the beam focusing device by changing a diameter of the raw laser beam entering the beam guiding device.
  • This makes it possible to provide the laser beam entering the beam focusing device with a diameter in the advantageous range specified above.
  • the diameter of the laser beam entering the beam focusing device can thus be adjusted to an optimal diameter for the beam focusing device, in particular to form a focus with the largest possible focus diameter.
  • the raw laser beam entering the beam guidance device has a diameter of between 10 mm and 20 mm.
  • the beam adjustment device is designed in particular as a reflective optic. It can be advantageous if the beam focusing device has a first mirror element, which is hit by the laser beam entering it, and the beam focusing device has a further mirror element, from which the focused primary laser beam emanates, with at least one intermediate laser beam running between the first mirror element and the further mirror element.
  • the primary laser beam can thus be formed with a large focus diameter.
  • the first mirror element of the beam focusing device is in particular a very first mirror element onto which the laser beam entering the beam focusing device strikes.
  • the further mirror element of the beam focusing device is in particular a last mirror element of the beam focusing device, from which the primary laser beam emanates and/or is emitted.
  • a longitudinal center axis of the laser beam entering the beam focusing device and/or a longitudinal center axis of the primary laser beam and/or a longitudinal center axis of the at least one intermediate laser beam lie in the same geometric plane.
  • the at least one intermediate laser beam has no focus. This results in the advantages mentioned above.
  • these intermediate laser beams can be convergent or divergent laser beams.
  • the first mirror element which is struck by the laser beam entering the beam focusing device, is a spherical mirror element.
  • Spherical mirror elements can be manufactured in a technically simple manner with a good surface quality.
  • the additional mirror element from which the primary laser beam emanates is a spherical mirror element.
  • the first mirror element of the beam focusing device which is struck by the laser beam entering the beam focusing device, is concave.
  • the further mirror element of the beam focusing device which is struck by the laser beam entering the beam focusing device, is convex.
  • the beam focusing device has exactly two spherical mirror elements. This results in a simple structure of the beam focusing device with the smallest possible number of mirror elements, whereby the structure is also known as the Schwarzschild configuration. It enables good compensation of imaging errors of the respective mirror elements.
  • the beam focusing device has a total of exactly two mirror elements. These two mirror elements are the two spherical mirror elements. This allows the beam focusing device to be designed compactly.
  • the laser pulses of the raw laser beam and/or the primary laser beam have a pulse duration between 10 fs and 300 fs.
  • the laser pulses of the raw laser beam and/or the primary laser beam have a pulse energy between 1 mJ and 20 mJ.
  • An average power of the raw laser beam and/or the primary laser beam is, for example, between 0.5 kW and 5.0 kW, for example 1.0 kW.
  • An intensity of the primary laser beam at the focus is, for example, between 10 13 W/cm 2 and 10 15 W/cm 2 and in particular between l*10 14 W/cm 2 and 9*10 14 W/cm 2 .
  • a wavelength of the raw laser beam and/or the primary laser beam is, for example, between 500 nm and 2500 nm and preferably between 900 nm and 1100 nm, for example 1030 nm.
  • the laser system comprises the target area for arranging the target material and/or the target material.
  • a negative pressure and in particular a vacuum is formed in the target area.
  • the target area lies within a gas-tight area of the laser system.
  • the laser system has a gas-tight chamber in which the target area for arranging the target material is positioned, wherein the chamber has a passage element for coupling a laser beam into the chamber.
  • the primary laser beam is based on this laser beam or corresponds to it.
  • a negative pressure and in particular a vacuum is formed in the chamber.
  • the passage element has an anti-reflective coating, which is preferably designed as a nanotexturing and/or as a moth eye structure.
  • the beam focusing device is arranged at least partially within the chamber.
  • at least one component of the beam focusing device such as a mirror element of the beam focusing device, is positioned within the chamber.
  • the beam focusing device is arranged completely within the chamber.
  • the laser system has a shielding element which is arranged between the passage element and the target material, wherein the shielding element is designed for spatial shielding of an optical component of the laser system.
  • the shielding element is designed for spatial shielding of the passage element from the target material.
  • An optical component of the laser system is, for example, a transmissive or reflective optical element of the laser system, such as a mirror element of the beam focusing device or a beam expanding device.
  • the shielding element can be designed, for example, as a diaphragm element or as a bevel element, or can be realized by means of a fluid flow.
  • the target material arranged in the target area is in particular in a gaseous state.
  • the target material is or comprises a noble gas, such as xenon, argon, helium or krypton.
  • a noble gas such as xenon, argon, helium or krypton.
  • the beam guiding device has a beam correction device for forming a corrected laser beam from a laser beam entering the beam correction device, wherein the beam position stabilization is carried out by means of the beam correction device in order to provide the corrected laser beam with a corrected and/or stabilized beam position.
  • the beam position stabilization is carried out by means of the beam correction device in order to provide the corrected laser beam with a corrected and/or stabilized beam position.
  • the laser beam entering the beam correction device is based on the raw laser beam and/or on an adapted laser beam formed by means of a beam adaptation device of the beam guidance device.
  • the laser beam entering the beam correction device corresponds to this adapted laser beam.
  • the laser beam entering the beam focusing device corresponds to or is based on the corrected laser beam.
  • the laser system has a secondary beam guidance device for beam guidance and/or beam shaping of the secondary radiation that is generated.
  • the secondary radiation that is generated is guided by means of the secondary beam guidance device to a location at which the secondary radiation is intended to be used.
  • the beam focusing device has a numerical aperture between 0.001 and 0.01, provided that the primary laser beam (104) propagates in a medium with a refractive index of less than 1.01.
  • the method according to the invention has in particular one or more further features and/or advantages of the laser system according to the invention.
  • Advantageous embodiments have already been explained in connection with the laser system according to the invention.
  • the method according to the invention can be carried out in particular by means of the laser system according to the invention.
  • the The method according to the invention is carried out by means of the laser system according to the invention.
  • diameters of laser beams and/or focus diameters are generally defined using the method of second moments according to ISO 11146-3.
  • the fact that a first device and/or a first element of the laser system is arranged after a second device and/or a second element of the laser system means that the laser beams guided in the laser system, such as the raw laser beam and/or the laser beams based on the raw laser beam, and/or the primary laser beam, first hit the second device and/or the second element and then the first device and/or the first element.
  • the second device and/or the second element is then arranged before the first device and/or the first element.
  • This information always refers to the main propagation direction of the respective laser beams.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a laser system
  • Fig. 2 shows an embodiment of a beam adjustment device of the laser system in a cross-section parallel to the main propagation direction of laser beams guided through the beam adjustment device;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a parabolic mirror element with associated paraboloid in a cross-section parallel to the rotation axis of the paraboloid; and Fig. 4 shows an embodiment of a beam focusing device of the laser system in a cross-section parallel to the main propagation direction of laser beams guided by the beam focusing device.
  • the laser system 100 comprises a laser beam source 102, wherein a primary laser beam 104 is formed by beam shaping of a laser beam provided by this. This is directed onto a target material 106, so that secondary radiation 108 is generated by interaction of the primary laser beam 104 with the target material 106.
  • a raw laser beam 110 emerges from the laser beam source 102 during operation of the laser system 100.
  • the laser system 100 has a beam guiding device 112 which is designed to form the primary laser beam 104 from the raw laser beam 110 and to direct it onto the target material 106 and/or to focus it into the target material 106.
  • the target material 106 is arranged in a predetermined target area 114 of the laser system 100.
  • the target material 106 is or comprises a gaseous material, such as xenon, argon, helium or krypton.
  • target material 106 is continuously introduced into the target area 114 in the form of a material flow and/or fluid flow by means of a suitable conveying device (not shown), so that during operation of the laser system 100, target material 106 is continuously available there for interaction with the primary laser beam 104.
  • a negative pressure ie a pressure reduced compared to an ambient pressure, and in particular a vacuum
  • the target area 114 is located, for example, within a gas-tight region of the laser system 100.
  • the target region 114 is positioned within a gas-tight chamber 118 of the laser system 100, in which the gas-tight region and/or the suppression is formed.
  • a gas with a defined pressure and defined composition can be arranged in the target area 114 and/or the gas-tight chamber 118.
  • the chamber 118 comprises a passage element 119 through which the primary laser beam 104 enters the chamber 118.
  • the passage element 119 is made of a material that is transparent to a wavelength of the primary laser beam 104.
  • the passage element 119 is designed as a vacuum window.
  • the passage element has an anti-reflective coating, such as a nanotexturing or a moth-eye structure.
  • anti-reflective coatings are known, for example, from the scientific publication "Nanotextured optical surfaces advance laser power and reliability.” by Nole et al., Laser Focus World 50.6 (2014): 38-43.
  • the beam focusing device 126 is arranged at least partially within the chamber 118 and/or within the gas-tight region.
  • a shielding element 117 is arranged within the chamber 118, which is positioned between the passage element 119 and the target material 106, wherein the primary laser beam 104 passes through the shielding element 117.
  • the shielding element 117 has a transmission region and/or an opening for the passage of the primary laser beam 104.
  • the shielding element 117 is designed to shield the passage element 119 from the target material 106.
  • the passage element 119 is shielded from target material by means of the shielding element 117 106, which is scattered and/or distributed in the direction of the passage element 119 during operation of the laser system 100.
  • the shielding element 117 is designed as a diaphragm element and in particular as a perforated diaphragm.
  • the shielding element 117 can be designed as a bevel element or can be implemented by means of a fluid flow and in particular a gas flow.
  • the raw laser beam 110 is a pulsed laser beam which has ultrashort laser pulses (ultrashort pulse laser beam).
  • the laser pulses preferably have a pulse duration between 10 fs and 300 fs and/or a pulse energy between 1 mJ and 20 mJ.
  • a wavelength of the raw laser beam 110 is preferably between 500 nm and 2500 nm and the raw laser beam 110 preferably has an average power in the range of 0.5 kW to 5 kW.
  • the laser beam source 102 is a solid-state based ultrashort pulse laser beam source, which has, for example, a Ti:Sa or an ytterbium doped YAG amplifier.
  • the raw laser beam 110 emerging from the laser beam source 102 is in particular a collimated laser beam and/or Gaussian laser beam.
  • the beam guiding device 112 has a beam adjustment device 120, by means of which an adjusted laser beam 122 is formed by changing a diameter of a laser beam 121 entering it.
  • the raw laser beam 110 coupled out of the laser beam source 102 is coupled into the beam adjustment device 120 of the beam guiding device 112.
  • the incoming laser beam 121 thus corresponds to the raw laser beam 110 in the example shown.
  • the beam guiding device 112 in the example shown comprises a beam correction device 124 and a beam focusing device 126, through which the adjusted laser beam 122 passes.
  • the beam from the beam focusing device 126 emerging laser beam corresponds to the primary laser beam 104 intended for interaction with the target material 106.
  • a laser beam 123 entering it which in the example shown corresponds to the adjusted laser beam 122, is corrected, whereby a corrected laser beam 128 is formed.
  • the beam correction device 124 is set up to carry out beam position stabilization in order to provide the corrected laser beam 128 with a corrected and/or stabilized beam position.
  • the beam position stabilization comprises in particular a correction and/or stabilization of a location position of the corrected laser beam 128 in the near field and an angle of the corrected laser beam 128 in the far field.
  • the beam correction device 124 has one or more piezo mirrors which are controlled by means of four-quadrant photodiodes in order to stabilize the spatial position and/or the angle of the corrected laser beam 128.
  • the beam correction device 124 can be configured to carry out a wavefront correction of the incoming laser beam 123 in order to provide the corrected laser beam 128 with a wavefront that is as flat as possible.
  • Methods and devices for wavefront correction for laser beams with high intensities are known, for example, from S. Fourmaux et al., "Laser beam wavefront correction for ultra high intensities with the 200 TW laser system at the Advanced Laser Light Source,” Opt. Express 16, 11987-11994 (2008).
  • the beam focusing device 126 is designed for beam shaping and/or focusing an incoming laser beam 129, which in the example shown corresponds to the corrected laser beam 128.
  • the beam focusing device 126 is used to form the focused primary laser beam 104 directed at the target material 106 from the incoming laser beam 129.
  • the primary laser beam 104 has a focus 131 arranged on the target material 106 with a defined focus diameter, which is, for example, approximately 150 pm.
  • the focus diameter is to be understood as a transverse diameter and/or an extension of the primary laser beam 104 in the transverse direction.
  • the secondary radiation 108 is formed during operation of the laser system 100. It can be provided that the laser system 100 has a secondary beam guiding device 130, which is set up for beam guiding and/or beam shaping of the formed secondary radiation 108.
  • the primary laser beam 104 and the above-mentioned laser beams 121, 122, 123, 128, 129 are each based on the raw laser beam 110 and/or are formed by beam shaping the raw laser beam 110.
  • the raw laser beam 110 and the laser beams based on the raw laser beam 110 each propagate with a main propagation direction 132.
  • the main propagation direction 132 is a local property of a specific laser beam and is defined in particular by a direction of a Poynting vector or averaged Poynting vector associated with the laser beam.
  • the main propagation direction 132 is oriented, for example, parallel to a longitudinal center axis of the laser beam.
  • the beam adjustment device 120 is arranged in front of the beam correction device 124 and/or in front of the beam focusing device 126.
  • the beam correction device 124 is arranged, for example, in front of the beam focusing device 126 and/or between the beam adjustment device 120 and the beam focusing device 126.
  • a laser beam such as the raw laser beam 110, the primary laser beam 104 and/or the laser beams 121, 122, 123, 128, 129, is understood here to be a beam bundle which has a plurality of partial beams. These can, for example, be convergent, divergent or, in the case of a collimated laser beam, parallel to one another.
  • the laser beams each have a transverse extension and/or a transverse beam cross-section, ie an extension or a cross-section in a direction perpendicular to the main propagation direction 132.
  • FIG. 2 An embodiment of the beam adjustment device 120 is shown in Fig. 2. This has a first mirror element 134 and a second mirror element 136 spaced from the first mirror element 134.
  • the mirror elements 134, 136 are designed to expand the raw laser beam 110 or the incoming laser beam 121, i.e. to increase a diameter of the transverse beam cross section of the raw laser beam 110 or the incoming laser beam 121.
  • the laser beam 122 adjusted by means of the mirror elements 134, 136 exits the beam adjustment device 120 and is coupled into the beam correction device 124 in the example shown.
  • the incoming laser beam 121 and the adjusted laser beam 122 are each present as collimated laser beams, with the incoming laser beam 121 having a diameter di and the adjusted laser beam 122 having a diameter d2 (in Fig. 2, for example, a beam waist of the laser beams 121, 122 is indicated).
  • the diameter d2 is larger than the diameter di.
  • the diameter di, d2 is to be understood as a transverse diameter and/or a diameter of the transverse beam cross section of the laser beams 121, 122.
  • the incoming laser beam 121 and the adapted laser beam 122 each have a rotationally symmetrical and in particular circular transverse beam cross-section.
  • a diameter of this beam cross-section is the same in every spatial direction that lies in a cross-sectional plane associated with the beam cross-section.
  • the mirror elements 134, 136 of the beam adjustment device 120 are each designed as off-axis parabolic mirrors. They each have curved and reflective surfaces (see Fig. 3). In an off-axis parabolic mirror the reflecting surfaces do not contain the axis of rotation of the respective paraboloid (and thus also not the vertex of the paraboloid).
  • the mirror elements 134, 136 preferably have a highly reflective coating to form the reflective surfaces, such as a dielectric coating or an "enhanced gold" coating.
  • the mirror elements 134, 136 can be designed as glass mirrors or metal mirrors, each with a dielectric coating, or as metal mirrors with an "enhanced gold” coating. It can also be provided that the mirror elements 134, 136 are designed as glass mirrors with a metallic coating, such as an "enhanced gold" coating.
  • the mirror elements 134, 136 are not metal mirrors without a coating.
  • the incoming laser beam 121 strikes the first mirror element 134 and is reflected thereon, forming a reflected intermediate laser beam 138 which runs between the first mirror element 134 and the second mirror element 136.
  • the intermediate laser beam 138 strikes the second mirror element 136 and is reflected thereon, forming the adjusted laser beam 122 emerging from the beam adjustment device 120.
  • beam path 139 The path of the incoming laser beam 121, the adjusted laser beam 122 and the intermediate laser beam 138 in the beam adjustment device 120 is referred to herein as beam path 139.
  • the first mirror element 134 is convexly curved and the second mirror element 136 is concavely curved (with respect to a respective direction of incidence of the incoming laser beam 121 and the intermediate laser beam 138).
  • Intermediate laser beam 138 is designed as a divergent beam, ie its Beam diameter increases in the main propagation direction 132. It runs continuously as a divergent beam between the first mirror element 134 and the second mirror element 136.
  • the intermediate laser beam 138 has in particular no intermediate focus and/or no converging beam sections and/or no converging partial beams or beam portions.
  • the divergent intermediate laser beam 138 incident thereon is converted into the collimated, adjusted laser beam 132.
  • the incoming laser beam 121 has a longitudinal central axis 140
  • the intermediate laser beam 138 has a longitudinal central axis 142
  • the adapted laser beam 122 has a longitudinal central axis 144.
  • a course of the respective longitudinal central axis 140, 142, 144 corresponds to a course of a central partial beam (also referred to as the main beam or "chief ray") of the associated laser beam 121, 138, 122.
  • the longitudinal central axis 140, 142, 144 is oriented parallel to the local main propagation direction 132 of the associated laser beam 121, 138, 122.
  • the longitudinal center axis 140 of the incoming laser beam 121 and the longitudinal center axis 144 of the adjusted laser beam 122 are oriented parallel to one another, for example.
  • the longitudinal center axis 142 of the intermediate laser beam 138 is oriented perpendicular to the longitudinal center axis 140 of the incoming laser beam 121 and/or to the longitudinal center axis 144 of the adjusted laser beam 122, for example.
  • the diameter di has a value of 10.0 mm and the diameter d2 has a value of 25.0 mm.
  • a distance ds by which the first mirror element 134 and the second mirror element 136 are spaced from each other is, for example, 500 mm.
  • a distance ds between the first mirror element 134 and the second mirror element 136 is, for example, 1500 mm.
  • the distance ds corresponds to a distance between an intersection point of the longitudinal center axis 142 of the intermediate laser beam 138 with the surface of the first mirror element 134 and an intersection point of the longitudinal center axis 142 with the surface of the second mirror element 136. Consequently, the distance ds corresponds to a path length of the central partial beam (chief ray) of the intermediate laser beam 138 lying in the longitudinal center axis 142 between the first mirror element 134 and the second mirror element 136.
  • Fig. 3 The parameters relevant for describing a mirror element designed as an off-axis parabolic mirror are illustrated in Fig. 3, with the situation present in the first mirror element 134 being shown as an example. Parabolic mirror elements can be generally described using the parameters introduced below.
  • the incoming laser beam 121 strikes the first mirror element 134, whereby the intermediate laser beam 138 oriented perpendicular to the incoming laser beam 121 is formed by reflection on the surface of the first mirror element 134.
  • the reflective surface of the first mirror element 134 lies in a section of a paraboloid 146, which results from rotating a parabola 148 about an axis of rotation 150.
  • the paraboloid 146 is shown in a cross section lying in the axis of rotation 150.
  • an area of the mirror element is to be considered in which at least 99% of the power of the laser beam striking this mirror element is present.
  • the paraboloid 146 has an original focal length f par (also referred to as "parent focal length") and a reflective focal length fref ("reflective focal length").
  • the reflective focal length fref is to be understood in particular as an effective focal length with respect to the incoming laser beam 121.
  • the incoming laser beam 121 and the intermediate laser beam 138 are oriented perpendicular to one another.
  • f par 1/c
  • a distance d4 between a vertex 152 of the paraboloid 146 and the longitudinal center axis 140 of the incoming laser beam 121 corresponds to the reflective focal length fref. This distance d4 is also referred to as the "decenter" distance.
  • the first mirror element 134 and the second mirror element 136 each have different reflective focal lengths.
  • a reflective focal length fref-1 of the first mirror element has a value of 500 mm and a reflective focal length fref-2 of the second mirror element 136 has a value of 1250 mm.
  • the beam adjustment device 120 has two reflective mirror elements 134, 136. It is fundamentally possible for the beam adjustment device to have more than two reflective mirror elements.
  • the beam adjustment device 120 can also be set up or used to reduce the diameter di of the incoming laser beam 121. To do this, in the example shown in Fig. 2, the first mirror element 134 and the second mirror element 136 would have to be swapped so that the incoming laser beam 121 is first directed onto the second Mirror element 136 and the intermediate laser beam 138 then formed falls on the first mirror element 134. In this case, the magnification factor M ⁇ 1, or the beam adjustment device 120 has a reduction factor which is defined as 1/M.
  • FIG. 4 An embodiment of the beam focusing device 126 is shown in Fig. 4. This has a first mirror element 154 and a second mirror element 156 spaced apart from the first mirror element 154.
  • the mirror elements 154, 156 are designed to focus the incoming laser beam 129 in order to form the focused primary laser beam 104 directed onto the target material 106.
  • the incoming laser beam 129 is in particular a collimated laser beam and has a diameter ds which corresponds, for example, to the diameter d2 of the adjusted laser beam 122 emerging from the beam adjustment device 120.
  • the diameter ds is to be understood as a transverse diameter and/or a diameter of the transverse beam cross-section of the incoming laser beam 129.
  • the incoming laser beam 129 has a rotationally symmetrical and in particular circular transverse beam cross-section.
  • a diameter of this beam cross-section is the same in every spatial direction that lies in a cross-sectional plane associated with the beam cross-section.
  • the primary laser beam 104 emerging from the beam focusing device 126 is present as a convergent and/or focused laser beam. It is focused into the focus 131.
  • the incoming laser beam 129 has a longitudinal central axis 158 and the primary laser beam 104 has a longitudinal central axis 160, wherein the longitudinal central axis 158 and the longitudinal central axis 160 are oriented transversely to one another.
  • the longitudinal central axes 158 and 160 enclose a non-zero angle.
  • the mirror elements 154, 156 of the beam focusing device 126 are each designed as spherical mirrors. They each comprise curved and reflective surfaces which have the shape of a spherical segment.
  • the mirror elements 154, 156 preferably have a highly reflective coating to form the reflective surfaces, such as a dielectric coating or an "enhanced gold" coating.
  • the mirror elements 154, 156 can be designed as glass mirrors or metal mirrors, each with a dielectric coating, or as metal mirrors with an "enhanced gold” coating. It can also be provided that the mirror elements 154, 156 are designed as glass mirrors with a metallic coating, such as an "enhanced gold” coating. In particular, the mirror elements 154, 156 are not metal mirrors without a coating.
  • the incoming laser beam 129 strikes the first mirror element 154 and is reflected thereon, forming a reflected intermediate laser beam 162 which extends between the first mirror element 154 and the second mirror element 156.
  • the intermediate laser beam 162 strikes the second mirror element 156 and is reflected thereon, forming the focused primary laser beam 104 emerging from the beam focusing device 126.
  • a longitudinal center axis 163 of the intermediate laser beam 162 is oriented transversely to the longitudinal center axis 158 of the incoming laser beam 129 and/or to the longitudinal center axis 160 of the primary laser beam 104.
  • a course of the respective longitudinal center axis 158, 160, 163 corresponds to a course of a central partial beam (main beam or "chief ray") of the respectively assigned laser beam 129, 104, 162. Furthermore, the longitudinal center axis 158, 160, 163 is oriented parallel to the local main propagation direction 132 of the assigned laser beam 129, 104, 162. The path of the incoming laser beam 129, the primary laser beam 104 and the intermediate laser beam 162 in the beam focusing device 126 is referred to herein as beam path 164.
  • the first mirror element 154 is concavely curved and the second mirror element 156 is convexly curved (with respect to a respective direction of incidence of the incoming laser beam 129 and the intermediate laser beam 162).
  • the intermediate laser beam 162 is formed as a convergent beam. It runs continuously as a convergent beam between the first mirror element 154 and the second mirror element 156.
  • the intermediate laser beam 162 has in particular no intermediate focus and/or no diverging beam sections and/or no diverging beam components.
  • the convex second mirror element 156 By means of the convex second mirror element 156, the convergent intermediate laser beam 162 incident thereon is transformed and/or deflected into the convergent primary laser beam 104.
  • the reflective surface of the first mirror element 154 lies in a section of a spherical surface which has an axis of symmetry 166 parallel to the main propagation direction 132 and/or longitudinal center axis 158 of the incident laser beam 129.
  • This axis of symmetry 166 is referred to below as the axis of symmetry of the beam focusing device 126.
  • the axis of symmetry 166 runs through a center point (not shown) of a geometric sphere, which is assigned to the section of the spherical surface in which the surface of the first mirror element 154 lies.
  • An extension of this spherical surface assigned to the first mirror element 154 intersects the axis of symmetry 166 at a first point 168.
  • the focus 131 is positioned at a distance from the axis of symmetry 166 and/or does not lie on the axis of symmetry 166.
  • the reflective surface of the second mirror element 156 lies in a section of a spherical surface which intersects the axis of symmetry 166 at a second point 170.
  • a normal 172 of this spherical surface at the point 170 encloses a non-vanishing angle o with the axis of symmetry 166, wherein the normal 172 and the axis of symmetry 166 lie in particular in the same geometric plane.
  • the angle o is in particular oriented such that the normal 172 intersects the extension of the spherical surface assigned to the first mirror element 154 in a section between the first point 168 and the longitudinal center axis 160 of the primary laser beam 104.
  • the diameter ds of the incoming laser beam 129 has a value of 25.0 mm.
  • the first mirror element 154 has a radius of curvature of 537.9 mm and the second mirror element 156 has a radius of curvature of 39.0 mm.
  • the angle o with which the first mirror element 154 and the second mirror element 156 are tilted relative to each other, is, for example, 9.2°.
  • a distance de between the longitudinal center axis 158 of the incoming laser beam 129 and the axis of symmetry 166 is, for example, 30 mm.
  • a distance d? parallel to the axis of symmetry 166 between the first point 168 and the second point 170 is, for example, 250 mm.
  • the intermediate laser beam 162 and the primary laser beam 104 each have edge rays 174, which are defined by a maximum geometric extension of the reflective surface of the first mirror element 154. These edge rays 174 each originate from outer edges of the surface of the first mirror element 154.
  • the edge rays 174 are in particular those rays of the intermediate laser beam 162 or primary laser beam 104, which have the greatest distance from the longitudinal center axis 163 or 160 at a certain point of the longitudinal center axis 163 or 160 in a distance direction oriented perpendicular to the longitudinal center axis 163 or 160.
  • the edge rays 174 of the primary laser beam 104 form an angle 9 with its longitudinal center axis 160.
  • NA 0.002.
  • NA n*sin(0).
  • the effectively used numerical aperture is at least a factor of 2 smaller than the maximum usable numerical aperture.
  • An angle 0' between the longitudinal center axis 160 of the primary laser beam 104 and the symmetry axis 166 is, for example, 18.6°.
  • the Laser System 100 works as follows:
  • the raw laser beam 110 emerges from the laser beam source 102 and is coupled into the beam guiding device 112.
  • the raw laser beam 110 passes through the beam adjustment device 120, the beam correction device 124 and the beam focusing device 126 in succession.
  • the raw laser beam 110 is adjusted by means of the beam adjustment device 120, corrected and/or stabilized by means of the beam correction device 124 and shaped and/or focused by means of the beam focusing device 126, whereby the primary laser beam 104 is formed.
  • the focused primary laser beam 104 is directed onto the target material 106, whereby an interaction takes place between the target material 106 and the primary laser beam 104. Due to this interaction, secondary radiation 108 is formed.
  • the secondary radiation produced is electromagnetic radiation with a wavelength of approximately 13.5 nm.
  • the formed secondary radiation 108 is shaped by means of the secondary beam guiding device 130 and guided to a target at which use of the secondary radiation 108 is intended.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Erzeugung von Sekundärstrahlung (108) durch Wechselwirkung eines fokussierten Primärlaserstrahls (104) mit einem Targetmaterial (106), umfassend eine Laserstrahlquelle (102) zur Bereitstellung eines Rohlaserstrahls (110), welcher ultrakurze Laserpulse aufweist, einen Zielbereich (114) zur Anordnung des Targetmaterials (106), eine Strahlführungseinrichtung (112) zur Ausbildung des fokussierten Primärlaserstrahls (104) aus dem Rohlaserstrahl (110), wobei der fokussierte Primärlaserstrahl (104) auf den einen Zielbereich (114) gerichtet ist, um mit einem im Zielbereich (114) angeordneten Targetmaterial (106) zu wechselwirken, wobei die Strahlführungseinrichtung (112) eine Strahlfokussiereinrichtung (126) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den Primärlaserstrahl (104) durch Fokussierung eines in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretenden Laserstrahls (129) auszubilden, wobei der in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretende Laserstrahl (129) auf dem Rohlaserstrahl (110) basiert oder dem Rohlaserstrahl (110) entspricht und wobei die Strahlfokussiereinrichtung (126) mindestens zwei zueinander beabstandete sphärische Spiegelelemente (154, 156; 176, 180) aufweist. Hierbei ist es vorgesehen, dass die Strahlfokussiereinrichtung eine numerische Apertur zwischen 0,001 und 0,01 aufweist, sofern der Primärlaserstrahl (104) in einem Medium mit einem refraktiven Index von weniger als 1,01 propagiert.

Description

Lasersystem und Verfahren zur Erzeugung von Sekundärstrahlung durch Wechselwirkung eines Primärlaserstrahls mit einem Targetmaterial
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem zur Erzeugung von Sekundärstrahlung durch Wechselwirkung eines fokussierten Primärlaserstrahls mit einem Targetmaterial, umfassend eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung eines Rohlaserstrahls, welcher ultrakurze Laserpulse aufweist, eine Strahlführungseinrichtung zur Ausbildung des fokussierten Primärlaserstrahls aus dem Rohlaserstrahl, wobei der fokussierte Primärlaserstrahl auf einen Zielbereich gerichtet ist, um mit einem im Zielbereich angeordneten Targetmaterial zu wechselwirken, wobei die Strahlführungseinrichtung eine Strahlfokussiereinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den Primärlaserstrahl durch Fokussierung eines in die Strahlfokussiereinrichtung eintretenden Laserstrahls auszubilden, wobei der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl auf dem Rohlaserstrahl basiert oder dem Rohlaserstrahl entspricht und wobei die Strahlfokussiereinrichtung mindestens zwei zueinander beabstandete sphärische Spiegelelemente aufweist.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Sekundärstrahlung durch Wechselwirkung eines fokussierten Primärlaserstrahls mit einem Targetmaterial, bei dem das Targetmaterial in einem Zielbereich angeordnet wird oder angeordnet ist, mittels einer Laserstrahlquelle ein Rohlaserstrahl bereitgestellt wird, welcher ultrakurze Laserpulse aufweist, mittels einer Strahlführungseinrichtung aus dem Rohlaserstrahl der fokussierte Primärlaserstrahl ausgebildet wird, wobei der fokussierte Primärlaserstrahl auf den Zielbereich gerichtet ist und mit dem im Zielbereich angeordneten Targetmaterial wechselwirkt, wobei die Strahlführungseinrichtung eine Strahlfokussiereinrichtung aufweist, welche den Primärlaserstrahl durch Fokussierung eines in die Strahlfokussiereinrichtung eintretenden Laserstrahls ausbildet, wobei der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl auf dem Rohlaserstrahl basiert oder dem Rohlaserstrahl entspricht und wobei die Strahlfokussiereinrichtung mindestens zwei zueinander beabstandete sphärische Spiegelelemente aufweist. Die Entwicklung von Höchstintensitätslasern im wissenschaftlichen Umfeld hat in den letzten Jahrzehnten, beispielsweise durch die Erfindung der "chirp pulse amplification", große Fortschritte gemacht. Zahlreiche Lasereinrichtungen weltweit erreichen heutzutage Spitzenintensitäten bis zu 1022 W/cm2, siehe beispielsweise die wissenschaftliche Veröffentlichung Danson et al., "Petawatt and exawatt class lasers worldwide.", High Power Laser Science and Engineering 7 (2019).
Ein mögliches Anwendungsfeld dieser Höchstintensitätslaser sind Secondary Sources (siehe beispielsweise Albert et al., "2020 roadmap on plasma accelerators.", New Journal of Physics 23.3 (2021): 031101). Dies sind sogenannte sekundäre Strahlquellen, definiert als elektromagnetische Strahlung oder Partikelstrahlung, welche durch Wechselwirkung einer primären Strahlquelle (Primärlaserstrahl) und Materie (Targetmaterial) entsteht. Abhängig von der Art der primären und sekundären Strahlung reicht der Wechselwirkungsmechanismus von nuklearen Reaktionen bis hin zu Strahlstreuung.
Eine erste industrielle Anwendung einer laserinduzierten Sekundärstrahlung konnte mit der Erzeugung von EUV-Licht zur Lithographie demonstriert werden. Hierbei werden Zinntröpfchen durch einen CO2-Laserpuls ionisiert. Aus dem Plasma wird durch inverse Bremsstrahlung extrem ultraviolettes Licht (EUV) emittiert.
Mit Höchstintensitätslasern können beispielsweise die folgenden Sekundärstrahlungen erzeugt werden: Elektronenstrahlung, Photonen- / Röntgenstrahlung, Protonen- / lonenstrahlung, Neutronenstrahlung und Hohe Harmonische. Diese Strahlungsformen erlauben zahlreiche Anwendungen in der Wissenschaft, Medizin, Wehr- und Sicherheitstechnik, sowie industrielle Anwendungen, wie beispielsweise Tomographie und Metrologie in der Halbleiterindustrie. Ferner ergeben sich Anwendungen im Bereich der Energiegewinnung und Energiewirtschaft, wie z.B. Kernfusion und Denuklearisierung von Spaltungsabfall. Beispiele für relativistische Elektronenoder Neutronenstrahlung sind aus Albert et al., "Laser wakefield accelerator based light sources: potential applications and requirements.", Plasma Physics and Controlled Fusion 56.8 (2014): 084015, und Anderson et al., "Research opportunities with compact accelerator-driven neutron sources.", Physics Reports 654 (2016): 1-58), bekannt. Für eine erfolgreiche Industrialisierung dieser Anwendungen muss der Primärlaserstrahl am Ort des Targetmaterials bestimmte Lichtfeldparameter aufweisen, wobei insbesondere eine hinreichend hohe Intensität des Primärlaserstrahls sowie eine Skalierung seiner mittleren Leistung wesentlich sind.
Betreffend die Erzeugung von Sekundärstrahlungen mit Höchstintensitätslasern ist nach aktuellem Stand ist die Industrialisierung der Strahlführung und - fokussierung, welche zur Bereitstellung eines Primärlaserstrahls mit entsprechenden Lichtfeldparametern erforderlich ist und zugleich einen industrietauglichen Durchsatz ermöglicht, ungelöst. Im Stand der Technik wird der von einer Laserstrahlquelle bereitgestellte Rohlaserstrahlstrahl meist durch ein transmissives Teleskop im Durchmesser angepasst und anschließend durch off-axis Parabolspiegel auf das entsprechende Target zur Sekundärstrahlerzeugung fokussiert. Transmissive optische Elemente limitieren die Spitzenintensität der Laserstrahlung aufgrund von Absorption. Zudem limitieren transmissive optische Elemente die Skalierung der Repetitionsrate aufgrund eines schwierigen thermischen Managements. Ferner können sich im Fall hoher Spitzenintensitäten bei Durchgang eines Laserstrahls durch transmissive optische Elemente aufgrund des Kerr-Effekts lokale Phasenänderungen ergeben, welche die Wellenfront des Laserstrahls beeinflussen und dessen Strahlqualität verschlechtern.
Aus der WO 2014/044392 Al ist eine EUV-Strahlerzeugungsvorrichtung bekannt, umfassend eine Vakuum-Kammer, in der zur Erzeugung von EUV-Strahlung ein Target-Material an einer Zielposition anordenbar ist, eine Strahlführungs- Kammer zur Führung eines Laserstrahls von einer Treiberlasereinrichtung in Richtung auf die Zielposition, eine Zwischen-Kammer, die zwischen der Vakuum- Kammer und der Strahlführungs-Kammer angebracht ist, ein die Zwischen- Kammer gasdicht abschließbares erstes Fenster zum Eintritt des Laserstrahls von der Strahlführungs-Kammer, sowie ein die Zwischen-Kammer gasdicht abschließbares zweites Fenster zum Austritt des Laserstrahls in die Vakuum- Kammer. Aus der DE 10 2009 044 426 Al ist eine EUV-Lichtquelleneinrichtung bekannt, die EUV-Licht durch Bestrahlung eines Targetmaterials mit einem gepulsten Treiberlaserstrahl erzeugt.
Aus der US 2022/0206397 Al ist eine weitere EUV-Lichtquelleneinrichtung bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Lasersystem und Verfahren bereitzustellen, welche eine Erzeugung von Sekundärstrahlung mit industrietauglichem Durchsatz ermöglichen, wobei der Primärlaserstrahl ein möglichst großes Wirkvolumen zur Wechselwirkung mit dem Targetmaterial aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strahlfokussiereinrichtung eine numerische Apertur zwischen 0,001 und 0,01 aufweist, sofern der Primärlaserstrahl (104) in einem Medium mit einem refraktiven Index von weniger als 1,01 propagiert.
Eine Strahlfokussiereinrichtung mit einer numerischen Apertur im angegebenen Bereich hat sich in dem eingangs genannten Lasersystem zur Erzeugung von Sekundärstrahlung als besonders vorteilhaft erwiesen. Solche numerischen Aperturen ermöglichen die Fokussierung eines eintretenden Laserstrahls in einen Fokus mit einem relativ großen Fokusdurchmesser von beispielsweise ca.
150 pm. Dadurch lässt sich der Primärlaserstrahl mit einem großen Wirkvolumen bereitstellen, d.h. mit einem großen räumlichen Bereich, in welchem der Primärlaserstrahl mit dem Targetmaterial zur Erzeugung von Sekundärstrahlung wechselwirkt. Dies ermöglicht eine effiziente Erzeugung von Sekundärstrahlung mit hohem Durchsatz.
Der große Fokusdurchmesser des Primärlaserstrahls ermöglicht insbesondere eine effiziente Erzeugung von hohen Harmonischen (engl. "higher harmonics generation"). Hierbei werden durch Wechselwirkung eines Laserstrahls im Fokus zahlreiche höhere Harmonische der Laserfrequenz beobachtet. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Lasersystem dazu geeignet oder eingerichtet, Sekundärstrahlung in Form von hohen Harmonischen zu erzeugen.
Insbesondere weist die Strahlfokussiereinrichtung eine numerische Apertur im vorstehend genannten Bereich auf, sofern der Primärlaserstrahl in einem Medium mit einem refraktiven Index zwischen exakt 1 und weniger als 1,01 oder zwischen exakt 1 und dem refraktiven Index von Luft bei Normalbedingungen propagiert.
Die numerische Apertur der Strahlfokussiereinrichtung ist proportional zu dem Sinus eines Winkels zwischen einer Längsmittelachse und/oder eines Hauptstrahls des Primärlaserstrahls und den Randstrahlen des Primärlaserstrahls. Die numerische Apertur entspricht dem Produkt aus dem Sinus des genannten Winkels und dem refraktiven Index des Mediums, in welchem der Primärlaserstrahl bei Messung des genannten Winkels propagiert.
Darunter, dass ein Laserstrahl auf einem weiteren Laserstrahl basiert, ist vorliegend insbesondere zu verstehen, dass der Laserstrahl durch Stahlformung und/oder Strahlführung aus dem weiteren Laserstrahl resultiert oder ausgebildet ist.
Beispielsweise ist darunter, dass der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl auf dem Rohlaserstrahl basiert, zu verstehen, dass der Rohlaserstrahl vor Eintritt in die Strahlfokussiereinrichtung bereits eine oder mehrere andere Komponenten der Strahlführungseinrichtung durchlaufen hat, wie z.B. eine Strahlanpassungseinrichtung und/oder eine Strahlkorrektureinrichtung.
Die Strahlfokussiereinrichtung ist insbesondere nach einer Strahlanpassungseinrichtung und/oder nach einer Strahlkorrektureinrichtung der Strahlführungseinrichtung angeordnet.
Beispielsweise ist der Rohlaserstrahl ein kollimierter Laserstrahl und/oder ein gaußförmiger Laserstrahl. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der aus dem Rohlaserstrahl ausgebildete Primärlaserstrahl ultrakurze Laserpulse aufweist.
Der Primärlaserstrahl ist insbesondere ein gaußförmiger Laserstrahl.
Die Spiegelelemente der Strahlfokussiereinrichtung und/oder die Spiegelelemente einer Strahlanpassungseinrichtung des Lasersystems weisen insbesondere jeweils eine reflektierende Oberfläche auf, wobei die Spiegelelemente zur Ausbildung der reflektierenden Oberfläche insbesondere eine hochreflektive Beschichtung aufweisen, wie z.B. eine dielektrische Beschichtung oder eine "Enhanced Gold"-Beschichtung. Beispielsweise können die Spiegelelemente als Glasspiegel oder Metallspiegel, jeweils mit dielektrischer Beschichtung, ausgeführt sein, oder als Metallspiegel mit "Enhanced Gold"- Beschichtung. Es ist auch möglich, die Spiegelelemente als Glasspiegel mit metallischer Beschichtung, wie einer z.B. einer "Enhanced Gold"-Beschichtung, auszuführen.
Insbesondere sind die Spiegelelemente keine Metallspiegel ohne Beschichtung.
Die Strahlführungseinrichtung ist insbesondere zur Strahlführung und/oder Strahlformung des Rohlaserstrahls ausgebildet, um den Primärlaserstrahl aus dem Rohlaserstrahl auszubilden.
Unter den Spiegelelementen der Strahlfokussiereinrichtung sind vorliegend insbesondere die zur Anpassung des Durchmessers des Rohlaserstrahls beitragenden Spiegelelemente der Strahlfokussiereinrichtung zu verstehen.
Insbesondere trifft der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl zur Ausbildung des Primärlaserstrahls nacheinander auf die Spiegelelemente der Strahlfokussiereinrichtung.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Primärlaserstrahl einen Fokus aufweist, welcher auf dem Targetmaterial und/oder in dem Targetmaterial und/oder im Bereich des Targetmaterials positioniert ist. Im Fokus des Primärlaserstrahls lässt sich eine hinreichend hohe Strahlungsintensität zur Wechselwirkung mit dem Targetmaterial bereitstellen.
Günstig kann es sein, wenn ein Fokus des Primärlaserstrahls einen Fokusdurchmesser zwischen 100 |jm und 500 |jm aufweist. Es lässt sich dadurch der Fokus mit einer großen Rayleighlänge ausbilden, wodurch sich ein großes Wirkvolumen des Primärlaserstrahls zur Wechselwirkung mit dem Targetmaterial ergibt.
Günstig kann es sein, wenn ein Strahlengang innerhalb der Strahlfokussiereinrichtung keinen Fokus aufweist. Unter dem Strahlengang ist insbesondere ein dem eintretenden Laserstrahl und dem Primärlaserstrahl zugeordneter Strahlengang innerhalb der Strahlfokussiereinrichtung zu verstehen. Dies ermöglicht die Vermeidung von besonders hohen Intensitäten von Laserstrahlung, welche in einem Fokus des Strahlengangs auftreten können. Dadurch lässt sich insbesondere ein Auftreten von Nichtlinearitäten im Strahlengang verringern oder vermeiden, welche im Fokus aufgrund der hohen Intensitäten vorliegen können. Diese Nichtlinearitäten können die Wellenfront des Laserstrahls beeinflussen und dessen Strahlqualität verschlechtern, wodurch der Primärlaserstrahl weniger gut fokussiert werden kann und die maximal erreichbare Intensität der Laserstrahlung, welche zur Wechselwirkung mit dem Targetmaterial zur Verfügung steht, verringert wird. Dadurch, dass der Strahlengang keinen Fokus aufweist, lässt sich somit die Effizienz der Erzeugung von Sekundärstrahlung erhöhen. Ferner kann in der Nähe eines Fokus des Strahlengangs eine erhöhte thermische Belastung von Komponenten des Lasersystems auftreten, was somit ebenfalls vermieden werden kann.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Strahlfokussiereinrichtung als reflektive Optik ausgeführt ist. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Strahlfokussiereinrichtung mittels eines reflektiven und/oder auf Reflektion beruhenden optischen Konzepts realisiert ist. Dies ermöglicht die Fokussierung von Laserstrahlen, deren Laserpulse hohe Spitzenintensitäten aufweisen.
Die Symmetrieachse der Strahlfokussiereinrichtung verläuft beispielsweise parallel zum eintretenden Laserstrahl und parallel zu einer Symmetrieachse eines ersten sphärischen Spiegelelements der Strahlfokussiereinrichtung, auf welches der in diese eintretende Laserstrahl trifft.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Durchmesser des in die Strahlfokussiereinrichtung eintretenden Laserstrahls zwischen 15 mm und 100 mm beträgt. Insbesondere beträgt der Durchmesser zwischen 20 mm und 30 mm. Es lässt sich dadurch der aus diesem Laserstrahl ausgebildete Primärlaserstrahl in einen Fokus mit relativ großem Fokusdurchmesser fokussieren, wodurch ein großer Wirkquerschnitt zur Wechselwirkung mit dem Targetmaterial zur Verfügung steht. Ferner ermöglicht ein Laserstrahl mit diesem Durchmesser eine Verringerung von nichtlinearen Effekten, welche beispielsweise an einem Durchtrittselement bei Einkopplung des Laserstrahls in eine gasdichte Kammer auftreten können, falls die Strahlfokussiereinrichtung in dieser angeordnet ist.
Günstig kann es daher sein, wenn die Strahlführungseinrichtung eine Strahlanpassungseinrichtung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, durch Änderung eines Durchmessers des in die Strahlführungseinrichtung eintretenden Rohlaserstrahls den Durchmesser des in die Strahlfokussiereinrichtung eintretenden Laserstrahls anzupassen. Es lässt sich dadurch der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl mit einem Durchmesser im vorstehend angegebenen vorteilhaften Bereich bereitstellen. Der Durchmesser des in die Strahlfokussiereinrichtung eintretenden Laserstrahls lässt sich dadurch an einen für die Strahlfokussiereinrichtung optimalen Durchmesser anpassen, um insbesondere einen Fokus mit möglichst großem Fokusdurchmesser auszubilden.
Beispielsweise weist der in die Strahlführungseinrichtung eintretende Rohlaserstrahl einen Durchmesser zwischen 10 mm und 20 mm auf. Zur Ausbildung eines Fokus mit möglichst großem Fokusdurchmesser kann es sinnvoll sein, den Durchmesser des Strahls vor Eintritt in die Strahlfokussiereinrichtung zu vergrößern.
Die Strahlanpassungseinrichtung ist insbesondere als reflektive Optik ausgeführt. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Strahlfokussiereinrichtung ein erstes Spiegelelement aufweist, auf welches der in diese eintretende Laserstrahl trifft, und die Strahlfokussiereinrichtung ein weiteres Spiegelelement aufweist, von welchem der fokussierte Primärlaserstrahl ausgeht, wobei zwischen dem ersten Spiegelelement und dem weiteren Spiegelelement mindestens ein Zwischenlaserstrahl verläuft. Es lässt sich dadurch der Primärlaserstrahl mit großem Fokusdurchmesser ausbilden.
Das erste Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung ist insbesondere ein allererstes Spiegelelement, auf welches der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl trifft.
Das weitere Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung ist insbesondere ein letztes Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung, von welchem der Primärlaserstrahl ausgeht und/oder emittiert wird.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Längsmittelachse des in die Strahlfokussiereinrichtung eintretenden Laserstrahls und/oder eine Längsmittelachse des Primärlaserstrahls und/oder eine Längsmittelachse des mindestens einen Zwischenlaserstrahls in derselben geometrischen Ebene liegen.
Insbesondere weist der mindestens eine Zwischenlaserstrahl keinen Fokus auf. Es ergeben sich dadurch die vorstehend genannten Vorteile.
Es ist grundsätzlich möglich, dass zwischen einem ersten Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung, auf welches der eintretende Laserstrahl trifft, und einem weiteren Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung, von welchem der Primärlaserstrahl ausgeht, mehrere Zwischenlaserstrahlen vorhanden sind. Beispielsweise können diese Zwischenlaserstrahlen konvergente oder divergente Laserstrahlen sein.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das erste Spiegelelement, auf welches der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl trifft, ein sphärisches Spiegelelement ist. Sphärische Spiegelelemente lassen sich auf technisch einfache Weise mit einer guten Oberflächenqualität herstellen. Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn das weitere Spiegelelement, von welchem der Primärlaserstrahl ausgeht, ein sphärisches Spiegelelement ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das erste Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung, auf welches der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl trifft, konkav ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das weitere Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung, auf welches der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl trifft, konvex ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Strahlfokussiereinrichtung genau zwei sphärische Spiegelelemente aufweist. Es ergibt sich dadurch ein einfacher Aufbau der Strahlfokussiereinrichtung mit einer möglichst geringen Anzahl an Spiegelelementen, wobei der Aufbau auch als Schwarzschild- Konfiguration bekannt ist. Er ermöglicht eine gute Kompensation von Abbildungsfehlern der jeweiligen Spiegelelemente.
Bei einer Ausführungsform weist die Strahlfokussiereinrichtung dann insgesamt genau zwei Spiegelelemente auf. Diese zwei Spiegelelemente sind die beiden sphärischen Spiegelelemente. Dadurch lässt sich die Strahlfokussiereinrichtung kompakt ausführen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Laserpulse des Rohlaserstrahls und/oder des Primärlaserstrahls eine Pulsdauer zwischen 10 fs und 300 fs aufweisen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Laserpulse des Rohlaserstrahls und/oder des Primärlaserstrahls eine Pulsenergie zwischen 1 mJ und 20 mJ aufweisen.
Eine mittlere Leistung des Rohlaserstrahls und/oder des Primärlaserstrahls beträgt beispielsweise zwischen 0,5 kW und 5,0 kW, beispielsweise 1,0 kW. Eine Intensität des Primärlaserstrahls im Fokus beträgt beispielsweise zwischen 1013 W/cm2 und 1015 W/cm2 und insbesondere zwischen l*1014 W/cm2 und 9*1014 W/cm2.
Eine Wellenlänge des Rohlaserstrahls und/oder des Primärlaserstrahls beträgt beispielsweise zwischen 500 nm und 2500 nm und bevorzugt zwischen 900 nm und 1100 nm, beispielsweise 1030 nm.
Die genannten Parameter ermöglichen eine Erzeugung von hohen Harmonischen in technisch vorteilhafter Weise.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Lasersystem den Zielbereich zur Anordnung des Targetmaterials und/oder das Targetmaterial umfasst.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in dem Zielbereich ein Unterdrück und insbesondere ein Vakuum ausgebildet ist. Beispielsweise liegt der Zielbereich innerhalb eines gasdichten Bereichs des Lasersystems.
Es kann vorgesehen sein, dass das Lasersystem eine gasdichte Kammer aufweist, in welcher der Zielbereich zur Anordnung des Targetmaterials positioniert ist, wobei die Kammer ein Durchtrittselement zur Einkopplung eines Laserstrahls in die Kammer aufweist. Der Primärlaserstrahl basiert auf diesem Laserstrahl oder entspricht diesem. In der Kammer ist ein Unterdrück und insbesondere ein Vakuum ausgebildet.
Insbesondere weist das Durchtrittselement eine Antireflexbeschichtung auf, welche vorzugsweise als Nanotexturierung und/oder als Mottenaugenstruktur ausgebildet ist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Strahlfokussiereinrichtung zumindest teilweise innerhalb der Kammer angeordnet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass zumindest eine Komponente der Strahlfokussiereinrichtung, wie z.B. ein Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung, innerhalb der Kammer positioniert ist. Dies kann auch bedeuten, dass die Strahlfokussiereinrichtung vollständig innerhalb der Kammer angeordnet ist. Günstig kann es sein, wenn das Lasersystem ein Abschirmelement aufweist, welches zwischen dem Durchtrittselement und dem Targetmaterial angeordnet ist, wobei das Abschirmelement zur räumlichen Abschirmung einer optischen Komponente des Lasersystems eingerichtet ist. Insbesondere ist das Abschirmelement zur räumlichen Abschirmung des Durchtrittselements vor dem Targetmaterial eingerichtet. Mittels des Abschirmelements lässt sich insbesondere eine Verunreinigung der optischen Komponente bzw. des Durchtrittselements durch gestreutes Targetmaterial im Betrieb des Lasersystems verringern oder vermeiden.
Unter einer optischen Komponente des Lasersystems ist beispielsweise ein transmissives oder reflektives optisches Element des Lasersystems zu verstehen, wie z.B. ein Spiegelelement der Strahlfokussiereinrichtung oder einer Strahlaufweitungseinrichtung.
Das Abschirmelement kann beispielsweise als Blendenelement oder als Bevelelement ausgebildet sein, oder mittels eines Fluidstroms realisiert sein.
Das im Zielbereich angeordnete Targetmaterial liegt insbesondere in gasförmigem Zustand vor.
Beispielsweise ist oder umfasst das Targetmaterial ein Edelgas, wie z.B. Xenon, Argon, Helium oder Krypton.
Günstig kann es sein, wenn die Strahlführungseinrichtung eine Strahlkorrektureinrichtung zur Ausbildung eines korrigierten Laserstrahls aus einem in die Strahlkorrektureinrichtung eintretenden Laserstrahl aufweist, wobei mittels der Strahlkorrektureinrichtung eine Strahllagestabilisierung durchgeführt wird, um den korrigierten Laserstrahl mit einer korrigierten und/oder stabilisierten Strahllage bereitzustellen. Dies ermöglicht eine stabile Positionierung eines Fokus des Primärlaserstrahls, was wiederum eine stabile und störungsarme Bereitstellung von Sekundärstrahlung ermöglicht. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass mittels der Strahlkorrektureinrichtung eine Wellenfrontkorrektur des in diese eintretenden Laserstrahls durchgeführt wird, um den korrigierten Laserstrahl mit einer korrigierten Wellenfront bereitzustellen. Es lässt sich dadurch der Primärlaserstrahl mit einer erhöhten Strahlqualität bereitstellen.
Insbesondere basiert der in die Strahlkorrektureinrichtung eintretende Laserstrahl auf dem Rohlaserstrahl und/oder auf einem mittels einer Strahlanpassungseinrichtung der Strahlführungseinrichtung ausgebildeten angepassten Laserstrahl. Insbesondere entspricht der in die Strahlkorrektureinrichtung eintretende Laserstrahl diesem angepassten Laserstrahl.
Insbesondere entspricht der in die Strahlfokussiereinrichtung eintretende Laserstrahl dem korrigierten Laserstrahl oder basiert auf diesem.
Es kann vorgesehen sein, dass das Lasersystem eine Sekundärstrahlführungseinrichtung zur Strahlführung und/oder Strahlformung von ausgebildeter Sekundärstrahlung aufweist. Beispielsweise wird die ausgebildete Sekundärstrahlung mittels der Sekundär-Strahlführungseinrichtung an einen Ort geführt, an welchem eine Nutzung der Sekundärstrahlung vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß ist es bei dem eingangs genannten Verfahren vorgesehen, dass ein die Strahlfokussiereinrichtung eine numerische Apertur zwischen 0,001 und 0,01 aufweist, sofern der Primärlaserstrahl (104) in einem Medium mit einem refraktiven Index von weniger als 1,01 propagiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Lasersystems auf. Vorteilhafte Ausführungsformen wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Lasersystem erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems ausführbar. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels des erfindungsgemäßen Lasersystems ausgeführt.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldungsunterlagen sind Durchmesser von Laserstrahlen und/oder Fokusdurchmesser grundsätzlich über die Methode der zweiten Momente nach ISO 11146-3 definiert.
Darunter, dass eine erste Einrichtung und/oder ein erstes Element des Lasersystems nach einer zweiten Einrichtung und/oder einem zweiten Element des Lasersystems angeordnet ist, ist vorliegend zu verstehen, dass die in dem Lasersystem geführten Laserstrahlen, wie z.B. der Rohlaserstrahl und/oder die auf dem Rohlaserstrahl basierenden Laserstrahlen, und/oder der Primärlaserstrahl zeitlich zuerst auf die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element treffen und anschließend auf die erste Einrichtung und/oder das erste Element. Die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element ist dann vor der ersten Einrichtung und/oder dem ersten Element angeordnet. Diese Angaben sind stets auf die Haupt-Propagationsrichtung der jeweiligen Laserstrahlen zu beziehen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Lasersystems;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Strahlanpassungseinrichtung des Lasersystems in einem zur Haupt-Propagationsrichtung von durch die Strahlanpassungseinrichtung geführten Laserstrahlen parallelen Querschnitt;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines parabolischen Spiegelelements mit zugeordnetem Paraboloiden in einem zur Rotationsachse des Paraboloiden parallelen Querschnitt; und Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Strahlfokussiereinrichtung des Lasersystems in einem zur Haupt-Propagationsrichtung von durch die Strahlfokussiereinrichtung geführten Laserstrahlen parallelen Querschnitt.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems zur Erzeugung von Sekundärstrahlung ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Das Lasersystem 100 umfasst eine Laserstrahlquelle 102, wobei durch Strahlformung eines von dieser bereitgestellten Laserstrahls ein Primärlaserstrahl 104 ausgebildet wird. Dieser wird auf ein Targetmaterial 106 gerichtet, sodass durch Wechselwirkung des Primärlaserstrahls 104 mit dem Targetmaterial 106 Sekundärstrahlung 108 erzeugt wird.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel tritt im Betrieb des Lasersystems 100 ein Rohlaserstrahl 110 aus der Laserstrahlquelle 102 aus. Das Lasersystem 100 weist eine Strahlführungseinrichtung 112 auf, welche dazu eingerichtet ist, aus dem Rohlaserstrahl 110 den Primärlaserstrahl 104 auszubilden und diesen auf das Targetmaterial 106 zu richten und/oder in das Targetmaterial 106 zu fokussieren. Das Targetmaterial 106 ist in einem vorgegebenen Zielbereich 114 des Lasersystems 100 angeordnet.
Beispielsweise ist oder umfasst das Targetmaterial 106 ein gasförmiges Material, wie z.B. Xenon, Argon, Helium oder Krypton. Insbesondere wird Targetmaterial 106 mittels einer geeigneten Fördereinrichtung (nicht gezeigt) in Form eines Materialstroms und/oder Fluidstroms kontinuierlich in den Zielbereich 114 eingebracht, sodass dort im Betrieb des Lasersystems 100 Targetmaterial 106 kontinuierlich zur Wechselwirkung mit dem Primärlaserstrahl 104 zur Verfügung steht.
Es kann vorgesehen sein, dass in dem Zielbereich 114 ein Unterdrück, d.h. ein gegenüber eines Umgebungsdrucks verringerter Druck, und insbesondere ein Vakuum ausgebildet ist. Der Zielbereich 114 liegt beispielsweise innerhalb eines gasdichten Bereichs des Lasersystems 100. Beispielsweise ist der Zielbereich 114 innerhalb einer gasdichten Kammer 118 des Lasersystems 100 positioniert, in welcher der gasdichte Bereich und/oder der Unterdrück ausgebildet ist.
In dem Zielbereich 114 und/oder der gasdichten Kammer 118 kann beispielsweise ein Gas mit definiertem Druck und definierter Zusammensetzung angeordnet sein.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel umfasst die Kammer 118 ein Durchtrittselement 119, durch welches der Primärlaserstrahl 104 in die Kammer 118 eintritt. Das Durchtrittselement 119 ist aus einem für eine Wellenlänge des Primärlaserstrahls 104 transparenten Material hergestellt. Beispielsweise ist das Durchtrittselement 119 als Vakuumfenster ausgebildet.
Insbesondere weist das Durchtrittselement eine Antireflexbeschichtung, wie z.B. eine Nanotexturierung oder eine Mottenaugenstruktur auf. Derartige Antireflexbeschichtungen sind beispielsweise aus der wissenschaftlichen Veröffentlichtung "Nanotextured optical surfaces advance laser power and reliability." von Nole et al., Laser Focus World 50.6 (2014): 38-43, bekannt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlfokussiereinrichtung 126 zumindest teilweise innerhalb der Kammer 118 und/oder innerhalb des gasdichten Bereichs angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform ist innerhalb der Kammer 118 ein Abschirmelement 117 angeordnet, welches zwischen dem Durchtrittselement 119 und dem Targetmaterial 106 positioniert ist, wobei der Primärlaserstrahl 104 durch das Abschirmelement 117 hindurchtritt. Zum Durchlass des Primärlaserstrahls 104 weist das Abschirmelement 117 einen Transmissionsbereich und/oder eine Öffnung auf.
Das Abschirmelement 117 ist dazu eingerichtet, das Durchtrittselement 119 vor dem Targetmaterial 106 abzuschirmen. Beispielsweise wird das Durchtrittselement 119 mittels des Abschirmelements 117 vor Targetmaterial 106 abgeschirmt, welches im Betrieb des Lasersystems 100 in Richtung des Durchtrittselements 119 gestreut und/oder verteilt wird.
Beispielsweise ist das Abschirmelement 117 als Blendenelement und insbesondere als Lochblende ausgebildet. Alternativ hierzu kann das Abschirmelement 117 als Bevelelement ausgebildet sein oder mittels eines Fluidstroms und insbesondere Gasstroms realisiert sein.
Der Rohlaserstrahl 110 ist ein gepulster Laserstrahl, welcher ultrakurze Laserpulse aufweist (Ultrakurzpulslaserstrahl). Die Laserpulse weisen vorzugsweise eine Pulsdauer zwischen 10 fs und 300 fs und/oder eine Pulsenergie zwischen 1 mJ und 20 mJ auf. Eine Wellenlänge des Rohlaserstrahls 110 liegt bevorzugt zwischen 500 nm und 2500 nm und der Rohlaserstrahl 110 weist bevorzugt eine mittlere Leistung im Bereich von 0,5 kW bis 5 kW auf.
Beispielsweise ist die Laserstrahlquelle 102 eine festkörperbasierte Ultrakurzpulslaserstrahlquelle, welche z.B. einen Ti :Sa oder einen Ytterbium dotierten YAG-Verstärker aufweist.
Der aus der Laserstrahlquelle 102 austretende Rohlaserstrahl 110 ist insbesondere ein kollimierter Laserstrahl und/oder gaußförmiger Laserstrahl.
Die Strahlführungseinrichtung 112 weist eine Strahlanpassungseinrichtung 120 auf, mittels welcher durch Änderung eines Durchmessers eines in diese eintretenden Laserstrahls 121 ein angepasster Laserstrahl 122 ausgebildet wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird der aus der Laserstrahlquelle 102 ausgekoppelte Rohlaserstrahl 110 in die Strahlanpassungseinrichtung 120 der Strahlführungseinrichtung 112 eingekoppelt. Der eintretende Laserstrahl 121 entspricht somit bei dem gezeigten Beispiel dem Rohlaserstrahl 110.
Weiter umfasst die Strahlführungseinrichtung 112 bei dem gezeigten Beispiel eine Strahlkorrektureinrichtung 124 und eine Strahlfokussiereinrichtung 126, welche der angepasste Laserstrahl 122 durchläuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht der aus der Strahlfokussiereinrichtung 126 austretende Laserstrahl dem zur Wechselwirkung mit dem Targetmaterial 106 vorgesehenen Primärlaserstrahl 104.
Mittels der Strahlkorrektureinrichtung 124 wird ein in diese eintretender Laserstrahl 123, welcher bei dem gezeigten Beispiel dem angepassten Laserstrahl 122 entspricht, korrigiert, wobei ein korrigierter Laserstrahl 128 ausgebildet wird. Die Strahlkorrektureinrichtung 124 ist dazu eingerichtet, eine Strahllagestabilisierung durchzuführen, um den korrigierten Laserstrahl 128 mit einer korrigierten und/oder stabilisierten Strahllage bereitzustellen. Die Strahllagestabilisierung umfasst insbesondere eine Korrektur und/oder Stabilisierung einer Ortsposition des korrigierten Laserstrahls 128 im Nahfeld und eines Winkels des korrigierten Laserstrahls 128 im Fernfeld.
Beispielsweise weist die Strahlkorrektureinrichtung 124 ein oder mehrere Piezo- Spiegel auf, welche mittels Vier-Quadranten-Photodioden geregelt werden, um die Ortsposition und/oder den Winkel des korrigierten Laserstrahls 128 zu stabilisieren.
Zusätzlich kann die Strahlkorrektureinrichtung 124 dazu eingerichtet sein, eine Wellenfrontkorrektur des eintretenden Laserstrahls 123 durchzuführen, um den korrigierten Laserstrahl 128 mit einer möglichst planen Wellenfront bereitzustellen. Verfahren und Vorrichtungen zur Wellenfrontkorrektur für Laserstrahlen mit hohen Intensitäten sind beispielsweise aus S. Fourmaux et al., "Laser beam wavefront correction for ultra high intensities with the 200 TW laser system at the Advanced Laser Light Source," Opt. Express 16, 11987-11994 (2008), bekannt.
Die Strahlfokussiereinrichtung 126 ist zur Strahlformung und/oder Fokussierung eines eintretenden Laserstrahls 129 eingerichtet, welcher bei dem gezeigten Beispiel dem korrigierten Laserstrahl 128 entspricht. Mittels der Strahlfokussiereinrichtung 126 wird aus dem eintretenden Laserstrahl 129 der auf das Targetmaterial 106 gerichtete fokussierte Primärlaserstrahl 104 ausgebildet. Der Primärlaserstrahl 104 weist einen am Targetmaterial 106 angeordneten Fokus 131 mit definiertem Fokusdurchmesser auf, welcher beispielsweise ca. 150 pm beträgt. Unter dem Fokusdurchmesser ist ein transversaler Durchmesser und/oder eine Ausdehnung des Primärlaserstrahls 104 in transversaler Richtung zu verstehen.
Durch Fokussierung des Primärlaserstrahls 104 auf und/oder in das Targetmaterial 106 wird im Betrieb des Lasersystems 100 die Sekundärstrahlung 108 ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass das Lasersystem 100 eine Sekundär-Strahlführungseinrichtung 130 aufweist, welche zur Strahlführung und/oder Strahlformung der ausgebildeten Sekundärstrahlung 108 eingerichtet ist.
Der Primärlaserstrahl 104 und die vorstehend genannten Laserstrahlen 121, 122, 123, 128, 129 basieren jeweils auf dem Rohlaserstrahl 110 und/oder sind durch Strahlformung des Rohlaserstrahls 110 gebildet.
Der Rohlaserstrahl 110 und die auf dem Rohlaserstrahl 110 basierenden Laserstrahlen propagieren jeweils mit einer Haupt-Propagationsrichtung 132. Die Haupt-Propagationsrichtung 132 ist eine lokale Eigenschaft eines bestimmten Laserstrahls und ist insbesondere durch eine Richtung eines dem Laserstrahl zugeordneten Poynting-Vektors oder gemittelten Poynting-Vektors definiert. Im Fall eines kollimierten Laserstrahls ist die Haupt-Propagationsrichtung 132 beispielsweise parallel zu einer Längsmittelachse des Laserstrahls orientiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Strahlanpassungseinrichtung 120 vor der Strahlkorrektureinrichtung 124 und/oder vor der Strahlfokussiereinrichtung 126 angeordnet. Die Strahlkorrektureinrichtung 124 ist beispielsweise vor der Strahlfokussiereinrichtung 126 und/oder zwischen der Strahlanpassungseinrichtung 120 und der Strahlfokussiereinrichtung 126 angeordnet.
Unter einem Laserstrahl, wie z.B. dem Rohlaserstrahl 110, dem Primärlaserstrahl 104 und/oder den Laserstrahlen 121, 122, 123, 128, 129, ist vorliegend grundsätzlich ein Strahlenbündel zu verstehen, welches eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufweist. Diese können beispielsweise konvergent, divergent oder, im Fall eines kollimierten Laserstrahls, parallel zueinander verlaufen. Die Laserstrahlen weisen jeweils eine transversale Ausdehnung und/oder einen transversalen Strahlquerschnitt auf, d.h. eine Ausdehnung bzw. einen Querschnitt in einer zur Haupt-Propagationsrichtung 132 senkrechten Richtung.
Ein Ausführungsbeispiel der Strahlanpassungseinrichtung 120 ist in Fig. 2 gezeigt. Diese weist ein erstes Spiegelelement 134 und ein zu dem ersten Spiegelelement 134 beabstandetes zweites Spiegelelement 136 auf. Die Spiegelelemente 134, 136 sind dazu eingerichtet, den Rohlaserstrahl 110 bzw. den eintretenden Laserstrahl 121 aufzuweiten, d.h. einen Durchmesser des transversalen Strahlquerschnitts des Rohlaserstrahls 110 bzw. eintretenden Laserstrahls 121 zu vergrößern. Der mittels den Spiegelelementen 134, 136 angepasste Laserstrahl 122 tritt aus der Strahlanpassungseinrichtung 120 aus und wird bei dem gezeigten Beispiel in die Strahlkorrektureinrichtung 124 eingekoppelt.
Der eintretende Laserstrahl 121 und der angepasste Laserstrahl 122 liegen jeweils als kollimierte Laserstrahlen vor, wobei der eintretende Laserstrahl 121 einen Durchmesser di und der angepasste Laserstrahl 122 einen Durchmesser d2 aufweist (in Fig. 2 ist beispielsweise eine Strahltaille der Laserstrahlen 121, 122 angedeutet). Der Durchmesser d2 ist größer als der Durchmesser di. Unter dem Durchmesser di, d2 ist jeweils ein transversaler Durchmesser und/oder ein Durchmesser des transversalen Strahlquerschnitts der Laserstrahlen 121, 122 zu verstehen.
Insbesondere weisen der eintretende Laserstrahl 121 und der angepasste Laserstrahl 122 jeweils einen rotationssymmetrischen und insbesondere kreisförmigen transversalen Strahlquerschnitt auf. Insbesondere ist ein Durchmesser dieses Strahlquerschnitts in jeder Raumrichtung, welche in einer dem Strahlquerschnitt zugeordneten Querschnittsebene liegt, gleich.
Die Spiegelelemente 134, 136 der Strahlanpassungseinrichtung 120 sind jeweils als off-axis Parabolspiegel ausgeführt. Sie weisen jeweils gekrümmte und reflektierende Oberflächen auf (vgl. Fig. 3). Bei einem off-axis Parabolspiegel enthalten die reflektierenden Oberflächen nicht die Rotationsachse des jeweils zugeordneten Paraboloids (und damit auch nicht den Scheitelpunkt des Paraboloids).
Bevorzugt weisen die Spiegelelemente 134, 136 zur Ausbildung der reflektierenden Oberflächen eine hochreflektive Beschichtung auf, wie z.B. eine dielektrische Beschichtung oder eine "Enhanced Gold"-Beschichtung. Beispielsweise können die Spiegelelemente 134, 136 als Glasspiegel oder Metallspiegel, jeweils mit dielektrischer Beschichtung, ausgeführt sein, oder als Metallspiegel mit "Enhanced Gold"-Beschichtung. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spiegelelemente 134, 136 als Glasspiegel mit metallischer Beschichtung, wie z.B. "Enhanced Gold"-Beschichtung, ausgeführt sind.
Insbesondere sind die Spiegelelemente 134, 136 keine Metallspiegel ohne Beschichtung.
Der eintretende Laserstrahl 121 trifft auf das erste Spiegelelement 134 und wird an diesem reflektiert, wobei ein reflektierter Zwischenlaserstrahl 138 ausgebildet wird, welcher zwischen dem ersten Spiegelelement 134 und dem zweiten Spiegelelement 136 verläuft. Der Zwischenlaserstrahl 138 trifft auf das zweite Spiegelelement 136 und wird an diesem reflektiert, wobei der aus der Strahlanpassungseinrichtung 120 austretende angepasste Laserstrahl 122 ausgebildet wird.
Der Verlauf des eintretenden Laserstrahls 121, des angepassten Laserstrahls 122 und des Zwischenlaserstrahls 138 in der Strahlanpassungseinrichtung 120 wird vorliegend als Strahlengang 139 bezeichnet.
Das erste Spiegelelement 134 ist konvex gekrümmt und das zweite Spiegelelement 136 ist konkav gekrümmt (bezüglich einer jeweiligen Auftreffrichtung des eintretenden Laserstrahls 121 und des Zwischenlaserstrahl 138).
Aufgrund der konvexen Krümmung des ersten Spiegelelements 134 wird der
Zwischenlaserstrahl 138 als divergenter Strahl ausgebildet, d.h. sein Strahldurchmesser nimmt in Haupt-Propagationsrichtung 132 zu. Er verläuft zwischen dem ersten Spiegelelement 134 und dem zweiten Spiegelelement 136 durchgängig als divergenter Strahl. Der Zwischenlaserstrahl 138 weist insbesondere keinen Zwischenfokus und/oder keine konvergierenden Strahlabschnitte und/oder keine konvergierenden Teilstrahlen oder Strahlanteile auf.
Mittels des konkaven zweiten Spiegelelements 136 wird der auf dieses auftreffende divergente Zwischenlaserstrahl 138 in den kollimierten angepassten Laserstrahl 132 umgeformt.
Der eintretende Laserstrahl 121 weist eine Längsmittelachse 140 auf, der Zwischenlaserstrahl 138 weist eine Längsmittelachse 142 auf und der angepasste Laserstrahl 122 weist eine Längsmittelachse 144 auf. Ein Verlauf der jeweiligen Längsmittelachse 140, 142, 144 entspricht einem Verlauf eines zentralen Teilstrahls (auch als Hauptstrahl oder "chief ray" bezeichnet) des zugeordneten Laserstrahls 121, 138, 122. Ferner ist die Längsmittelachse 140, 142, 144 parallel zur lokalen Haupt-Propagationsrichtung 132 des zugeordneten Laserstrahls 121, 138, 122 orientiert.
Die Längsmittelachse 140 des eintretenden Laserstrahls 121 und die Längsmittelachse 144 des angepassten Laserstrahls 122 sind beispielsweise parallel zueinander orientiert. Die Längsmittelachse 142 des Zwischenlaserstrahls 138 ist beispielsweise senkrecht zur Längsmittelachse 140 des eintretenden Laserstrahls 121 und/oder zur Längsmittelachse 144 des angepassten Laserstrahl 122 orientiert.
Beispielsweise weist der Durchmesser di einen Wert von 10,0 mm auf und der Durchmesser d2 einen Wert von 25,0 mm.
Ein Abstand ds, mit welchem das erste Spiegelelement 134 und das zweite Spiegelelement 136 zueinander beabstandet sind, beträgt beispielsweise 500 mm. Ein Abstand ds zwischen dem ersten Spiegelelement 134 und dem zweiten Spiegelelement 136 beträgt beispielsweise 1500 mm. Der Abstand ds entspricht einem Abstand zwischen einem Schnittpunkt der Längsmittelachse 142 des Zwischenlaserstrahls 138 mit der Oberfläche des ersten Spiegelelements 134 und einem Schnittpunkt der Längsmittelachse 142 mit der Oberfläche des zweiten Spiegelelements 136. Folglich entspricht der Abstand ds einer Weglänge des in der Längsmittelachse 142 liegenden zentralen Teilstrahls (Hauptstrahl bzw. "chief ray") des Zwischenlaserstrahls 138 zwischen dem ersten Spiegelelement 134 und dem zweiten Spiegelelement 136.
Die zur Beschreibung eines als off-axis Parabolspiegel ausgeführten Spiegelelements relevanten Parameter sind in Fig. 3 veranschaulicht, wobei als Beispiel die beim ersten Spiegelelement 134 vorliegende Situation gezeigt ist. Mittels den nachfolgend eingeführten Parametern können parabolische Spiegelelemente allgemein beschrieben werden.
Der eintretende Laserstrahl 121 trifft auf das erste Spiegelelement 134, wobei durch Reflexion an der Oberfläche des ersten Spiegelelements 134 der zum eintretenden Laserstrahl 121 senkrecht orientierte Zwischenlaserstrahl 138 ausgebildet wird.
Die reflektierende Oberfläche des ersten Spiegelelements 134 liegt in einem Abschnitt eines Paraboloiden 146, welcher sich durch Rotation einer Parabel 148 um eine Rotationsachse 150 ergibt. Die Parabel 148 wird durch die Funktion z(x) = c/2*x2 beschrieben. In Fig. 3 ist der Paraboloid 146 in einem in der Rotationsachse 150 liegenden Querschnitt gezeigt.
Unter einem als off-axis Parabolspiegel ausgeführten Spiegelelement ist im Rahmen der Anmeldungsunterlagen ein Spiegelelement zu verstehen, dessen reflektierende Oberfläche einer Fläche entspricht, welche sich durch Rotation der Funktion z(x) = c/2*x2 ergibt, wobei Abweichungen von maximal 1 % von dieser Funktion zulässig sind. Hierbei ist ein Bereich des Spiegelelements zu betrachten, in welchem mindestens 99% der Leistung des auf dieses Spiegelelement auftreffenden Laserstrahls vorliegen. Der Paraboloid 146 weist eine Ursprungsbrennweite fpar (auch als "parent focal length" bezeichnet) und eine reflektive Brennweite fref ("reflective focal length") auf. Unter der reflektiven Brennweite fref ist insbesondere eine effektive Brennweite bezüglich des eintretenden Laserstrahls 121 zu verstehen.
Vorliegend sind der eintretende Laserstrahl 121 und der Zwischenlaserstrahl 138 senkrecht zueinander orientiert. In diesem Fall gilt fpar = 1/c und fref = l/(2c). Ferner entspricht dann ein Abstand d4 zwischen einem Scheitelpunkt 152 des Paraboloiden 146 und der Längsmittelachse 140 des eintretenden Laserstrahls 121 der reflektiven Brennweite fref. Dieser Abstand d4 wird auch als "decenter"- Abstand bezeichnet.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel weisen das erste Spiegelelement 134 und das zweite Spiegelelement 136 jeweils unterschiedliche reflektive Brennweiten auf. Beispielsweise weist eine reflektive Brennweite fref-1 des ersten Spiegelelements einen Wert von 500 mm und eine reflektive Brennweite fref-2 des zweiten Spiegelelements 136 einen Wert von 1250 mm auf.
Ein Vergrößerungsfaktor M der Strahlanpassungseinrichtung 120 entspricht im Allgemeinen einem Quotienten aus dem Durchmesser d2 des angepassten Laserstrahls 122 und dem Durchmesser di des eintretenden Laserstrahls 121. Bei dem beschriebenen Beispiel ergibt sich somit M = 25,0 mm / 10,0 mm = 2,5. Ferner gilt bei dem gezeigten Beispiel M = fref- 2 / fref-1 = 1250 mm / 500 mm = 2,5.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist die Strahlanpassungseinrichtung 120 zwei reflektive Spiegelelemente 134, 136 auf. Es ist grundsätzlich möglich, dass die Strahlanpassungseinrichtung mehr als zwei reflektive Spiegelelemente aufweist.
Es ist ersichtlich, dass die Strahlanpassungseinrichtung 120 auch dazu eingerichtet bzw. genutzt werden kann, den Durchmesser di des eintretenden Laserstrahls 121 zu verringern. Hierzu müssten bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel das erste Spiegelelement 134 und das zweite Spiegelelement 136 vertauscht werden, sodass der eintretende Laserstrahl 121 zuerst auf das zweite Spiegelelement 136 fällt und der dann ausgebildete Zwischenlaserstrahl 138 auf das erste Spiegelelement 134. In diesem Fall ist der Vergrößerungsfaktor M <1, bzw. die Strahlanpassungseinrichtung 120 weist einen Verkleinerungsfaktor auf, welcher als 1/M definiert ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Strahlfokussiereinrichtung 126 ist in Fig. 4 gezeigt. Diese weist ein erstes Spiegelelement 154 und ein zu dem ersten Spiegelelement 154 beabstandetes zweites Spiegelelement 156 auf. Die Spiegelelemente 154, 156 sind dazu eingerichtet, den eintretenden Laserstrahl 129 zu fokussieren, um den auf das Targetmaterial 106 gerichteten fokussierten Primärlaserstrahl 104 auszubilden.
Der eintretende Laserstrahl 129 liegt insbesondere als kollimierter Laserstrahl vor und weist einen Durchmesser ds auf, welcher beispielsweise dem Durchmesser d2 des aus der Strahlanpassungseinrichtung 120 austretenden angepassten Laserstrahls 122 entspricht.
Unter dem Durchmesser ds ist ein transversaler Durchmesser zu verstehen und/oder ein Durchmesser des transversalen Strahlquerschnitts des eintretenden Laserstrahls 129 zu verstehen. Insbesondere weist der eintretende Laserstrahl 129 einen rotationssymmetrischen und insbesondere kreisförmigen transversalen Strahlquerschnitt auf. Insbesondere ist ein Durchmesser dieses Strahlquerschnitts in jeder Raumrichtung, welche in einer dem Strahlquerschnitt zugeordneten Querschnittsebene liegt, gleich.
Der aus der Strahlfokussiereinrichtung 126 austretende Primärlaserstrahl 104 liegt als konvergenter und/oder fokussierter Laserstrahl vor. Er ist in den Fokus 131 fokussiert.
Der eintretende Laserstrahl 129 weist eine Längsmittelachse 158 auf und der Primärlaserstrahl 104 eine Längsmittelachse 160, wobei die Längsmittelachse 158 und die Längsmittelachse 160 quer zueinander orientiert sind. Insbesondere schließen die Längsmittelachsen 158 und 160 einen nichtverschwindenden Winkel ein. Die Spiegelelemente 154, 156 der Strahlfokussiereinrichtung 126 sind jeweils als sphärische Spiegel ausgeführt. Sie umfassen jeweils gekrümmte und reflektierende Oberflächen, welche die Form eines Kugelsegments aufweisen.
Bevorzugt weisen die Spiegelelemente 154, 156 zur Ausbildung der reflektierenden Oberflächen eine hochreflektive Beschichtung auf, wie z.B. eine dielektrische Beschichtung oder eine "Enhanced Gold"-Beschichtung. Beispielsweise können die Spiegelelemente 154, 156 als Glasspiegel oder Metallspiegel, jeweils mit dielektrischer Beschichtung, ausgeführt sein, oder als Metallspiegel mit "Enhanced Gold"-Beschichtung. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spiegelelemente 154, 156 als Glasspiegel mit metallischer Beschichtung, wie z.B. "Enhanced Gold"-Beschichtung, ausgeführt sind. Insbesondere sind die Spiegelelemente 154, 156 keine Metallspiegel ohne Beschichtung.
Der eintretende Laserstrahl 129 trifft auf das erste Spiegelelement 154 und wird an diesem reflektiert, wobei ein reflektierter Zwischenlaserstrahl 162 ausgebildet wird, welcher zwischen dem ersten Spiegelelement 154 und dem zweiten Spiegelelement 156 verläuft. Der Zwischenlaserstrahl 162 trifft auf das zweite Spiegelelement 156 und wird an diesem reflektiert, wobei der aus der Strahlfokussiereinrichtung 126 austretende fokussierte Primärlaserstrahl 104 ausgebildet wird.
Eine Längsmittelachse 163 des Zwischenlaserstrahls 162 ist quer zur Längsmittelachse 158 des eintretenden Laserstrahls 129 und/oder zur Längsmittelachse 160 des Primärlaserstrahls 104 orientiert.
Ein Verlauf der jeweiligen Längsmittelachse 158, 160, 163 entspricht einem Verlauf eines zentralen Teilstrahls (Hauptstrahl bzw. "chief ray") des jeweils zugeordneten Laserstrahls 129, 104, 162. Ferner ist die Längsmittelachse 158, 160, 163 parallel zur lokalen Haupt-Propagationsrichtung 132 des zugeordneten Laserstrahls 129, 104, 162 orientiert. Der Verlauf des eintretenden Laserstrahls 129, des Primärlaserstrahls 104 und des Zwischenlaserstrahls 162 in der Strahlfokussiereinrichtung 126 wird vorliegend als Strahlengang 164 bezeichnet.
Das erste Spiegelelement 154 ist konkav gekrümmt und das zweite Spiegelelement 156 ist konvex gekrümmt (bezüglich einer jeweiligen Auftreffrichtung des eintretenden Laserstrahls 129 und des Zwischenlaserstrahls 162).
Aufgrund der konkaven Krümmung des ersten Spiegelelements 154 wird der Zwischenlaserstrahl 162 als konvergenter Strahl ausgebildet. Er verläuft zwischen dem ersten Spiegelelement 154 und dem zweiten Spiegelelement 156 durchgängig als konvergenter Strahl. Der Zwischenlaserstrahl 162 weist insbesondere keinen Zwischenfokus und/oder keine divergierenden Strahlabschnitte und/oder keine divergierenden Strahlanteile auf.
Mittels des konvexen zweiten Spiegelelements 156 wird der auf dieses auftreffende konvergente Zwischenlaserstrahl 162 in den konvergenten Primärlaserstrahl 104 umgeformt und/oder umgelenkt.
Die reflektierende Oberfläche des ersten Spiegelelements 154 liegt in einem Abschnitt einer Kugelfläche, welche eine zur Haupt-Propagationsrichtung 132 und/oder Längsmittelachse 158 des einfallenden Laserstrahls 129 parallele Symmetrieachse 166 aufweist. Diese Symmetrieachse 166 wird im Folgenden als Symmetrieachse der Strahlfokussiereinrichtung 126 bezeichnet.
Die Symmetrieachse 166 verläuft durch einen Mittelpunkt (nicht gezeigt) einer geometrischen Kugel, welche dem Abschnitt der Kugelfläche zugeordnet ist, in welcher die Oberfläche des ersten Spiegelelements 154 liegt. Eine Verlängerung dieser dem ersten Spiegelelement 154 zugeordneten Kugelfläche schneidet die Symmetrieachse 166 in einem ersten Punkt 168. Insbesondere ist der Fokus 131 zu der Symmetrieachse 166 beabstandet positioniert und/oder liegt nicht auf der Symmetrieachse 166. Die reflektierende Oberfläche des zweiten Spiegelelements 156 liegt in einem Abschnitt einer Kugelfläche, welche die Symmetrieachse 166 in einem zweiten Punkt 170 schneidet. Eine Normale 172 dieser Kugelfläche in dem Punkt 170 schließt mit der Symmetrieachse 166 einen nichtverschwindenden Winkel o ein, wobei die Normale 172 und die Symmetrieachse 166 insbesondere in derselben geometrischen Ebene liegen.
Der Winkel o ist insbesondere derart orientiert, dass die Normale 172 die Verlängerung der dem ersten Spiegelelement 154 zugeordneten Kugelfläche in einem Abschnitt zwischen dem ersten Punkt 168 und der Längsmittelachse 160 des Primärlaserstrahls 104 schneidet.
Beispielsweise weist der Durchmesser ds des eintretenden Laserstrahls 129 einen Wert von 25,0 mm auf.
Beispielsweise weist das erste Spiegelelement 154 einen Krümmungsradius von 537,9 mm auf und das zweite Spiegelelement 156 einen Krümmungsradius von 39,0 mm.
Der Winkel o, mit welchem das erste Spiegelelement 154 und das zweite Spiegelelement 156 gegeneinander verkippt sind, beträgt beispielsweise betragsmäßig 9,2°.
Ein Abstand de zwischen der Längsmittelachse 158 des eintretenden Laserstrahls 129 und der Symmetrieachse 166 beträgt beispielsweise 30 mm.
Ein zur Symmetrieachse 166 paralleler Abstand d? zwischen dem ersten Punkt 168 und dem zweiten Punkt 170 beträgt beispielsweise 250 mm.
Der Zwischenlaserstrahl 162 und der Primärlaserstrahl 104 weisen jeweils Randstrahlen 174 auf, welche durch eine maximale geometrische Ausdehnung der reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegelelements 154 definiert sind. Diese Randstrahlen 174 gehen jeweils von äußeren Rändern der Oberfläche des ersten Spiegelelements 154 aus. Die Randstrahlen 174 sind insbesondere diejenigen Strahlen des Zwischenlaserstrahls 162 bzw. Primärlaserstrahls 104, welche an einem bestimmten Punkt der Längsmittelachse 163 bzw. 160 in einer zur Längsmittelachse 163 bzw. 160 senkrecht orientierten Abstandsrichtung zur Längsmittelachse 163 bzw. 160 den größten Abstand aufweisen.
Die Randstrahlen 174 des Primärlaserstrahls 104 schließen mit dessen Längsmittelachse 160 einen Winkel 9 ein. Eine numerische Apertur NA des Primärlaserstrahls 104 ergibt sich aus NA = n*sin(0), wobei n ein refraktiver Index eines Mediums ist, in welchem der Primärlaserstrahl 104 propagiert. Beispielsweise beträgt die numerische Apertur im Vakuum (n « 1,0) NA = 0,002.
Reale Laserstrahlen weisen eine gaußähnliche Einhüllende auf, sodass die effektiv genutzte numerische Apertur geringer sein kann als die theoretisch maximal nutzbare numerische Apertur NA, welche sich aus NA = n*sin(0) ergibt. Typischerweise ist die effektiv genutzte numerische Apertur um mindestens einen Faktor 2 kleiner als die maximal nutzbare numerische Apertur.
Ein Winkel 0' zwischen der Längsmittelachse 160 des Primärlaserstrahls 104 und der Symmetrieachse 166 beträgt beispielsweise 18,6°.
Das Lasersystem 100 funktioniert wie folgt:
Im Betrieb des Lasersystems 100 tritt aus der Laserstrahlquelle 102 der Rohlaserstrahl 110 aus und wird in die Strahlführungseinrichtung 112 eingekoppelt. Der Rohlaserstrahl 110 durchläuft nacheinander die Strahlanpassungseinrichtung 120, die Strahlkorrektureinrichtung 124 und die Strahlfokussiereinrichtung 126. Hierbei wird der Rohlaserstrahl 110 mittels der Strahlanpassungseinrichtung 120 angepasst, mittels der Strahlkorrektureinrichtung 124 korrigiert und/oder stabilisiert und mittels der Strahlfokussiereinrichtung 126 geformt und/oder fokussiert, wobei der Primärlaserstrahl 104 ausgebildet wird.
Der fokussierte Primärlaserstrahl 104 wird auf das Targetmaterial 106 gerichtet, wodurch einer Wechselwirkung zwischen dem Targetmaterial 106 und dem Primärlaserstrahl 104 stattfindet. Aufgrund dieser Wechselwirkung wird Sekundärstrahlung 108 ausgebildet. Beispielsweise ist die ausgebildete Sekundärstrahlung elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von ca. 13,5 nm.
Die ausgebildete Sekundärstrahlung 108 wird mittels der Sekundärstrahlführungseinrichtung 130 geformt und an ein Ziel geführt, an weicher eine Nutzung der Sekundärstrahlung 108 vorgesehen ist.
Bezugszeichenliste o Winkel e Winkel
0’ Winkel di Durchmesser d2 Durchmesser d3 Abstand d4 Abstand ds Durchmesser de Abstand d? Abstand fpar Ursprungsbrennweite fref reflektive Brennweite fref-1 reflektive Brennweite fref- 2 reflektive Brennweite
100 Lasersystem
102 Laserstrahlquelle
104 Primärlaserstrahl
106 Targetmaterial
108 Sekundärstrahlung
110 Rohlaserstrahl
112 Strahlführungseinrichtung
114 Zielbereich
117 Abschirmelement
118 Kammer
119 Durchtrittselement
120 Strahlanpassungseinrichtung
121 eintretender Laserstrahl
122 angepasster Laserstrahl
123 eintretender Laserstrahl
124 Strahlkorrektureinrichtung
126 Strahlfokussiereinrichtung
128 korrigierter Laserstrahl eintretender Laserstrahl
Sekundär-Strahlführungseinrichtung
Fokus
Haupt-Propagationsrichtung erstes Spiegelelement zweites Spiegelelement
Zwischenlaserstrahl
Strahlengang
Längsmittelachse
Längsmittelachse
Längsmittelachse
Paraboloid
Parabel
Rotationsachse
Scheitelpunkt erstes Spiegelelement zweites Spiegelelement
Längsmittelachse
Längsmittelachse
Zwischenlaserstrahl
Längsmittelachse
Strahlengang
Symmetrieachse erster Punkt zweiter Punkt
Normale
Randstrahl

Claims

Patentansprüche
1. Lasersystem zur Erzeugung von Sekundärstrahlung (108) durch Wechselwirkung eines fokussierten Primärlaserstrahls (104) mit einem Targetmaterial (106), umfassend
- eine Laserstrahlquelle (102) zur Bereitstellung eines Rohlaserstrahls (110), welcher ultrakurze Laserpulse aufweist,
- eine Strahlführungseinrichtung (112) zur Ausbildung des fokussierten Primärlaserstrahls (104) aus dem Rohlaserstrahl (110), wobei der fokussierte Primärlaserstrahl (104) auf einen Zielbereich (114) gerichtet ist, um mit einem im Zielbereich (114) angeordneten Targetmaterial (106) zu wechselwirken, wobei
- die Strahlführungseinrichtung (112) eine Strahlfokussiereinrichtung (126) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den Primärlaserstrahl (104) durch Fokussierung eines in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretenden Laserstrahls (129) auszubilden, wobei der in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretende Laserstrahl (129) auf dem Rohlaserstrahl (110) basiert oder dem Rohlaserstrahl (110) entspricht und wobei
- die Strahlfokussiereinrichtung (126) mindestens zwei zueinander beabstandete sphärische Spiegelelemente (154, 156; 176, 180) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfokussiereinrichtung (126) eine numerische Apertur zwischen 0,001 und 0,01 aufweist, sofern der Primärlaserstrahl (104) in einem Medium mit einem refraktiven Index von weniger als 1,01 propagiert.
2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fokus (131) des Primärlaserstrahls (104) einen Fokusdurchmesser von mindestens 100 pm und/oder höchstens 500 pm aufweist.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlengang (164) innerhalb der Strahlfokussiereinrichtung (126) keinen Fokus aufweist.
4. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser (ds) des in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretenden Laserstrahls (129) zwischen 15 mm und 100 mm und insbesondere zwischen 20 mm und 30 mm beträgt.
5. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung (112) eine Strahlanpassungseinrichtung (120) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, durch Änderung eines Durchmessers (di) des in die Strahlführungseinrichtung (112) eintretenden Rohlaserstrahls (110) den Durchmesser (ds) des in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretenden Laserstrahls (129) anzupassen.
6. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfokussiereinrichtung (126) ein erstes Spiegelelement (154; 176) aufweist, auf welches der in diese eintretende Laserstrahl (129) trifft, und dass die Strahlfokussiereinrichtung (126) ein weiteres Spiegelelement (156; 182) aufweist, von welchem der fokussierte Primärlaserstrahl (104) ausgeht, wobei zwischen dem ersten Spiegelelement (154; 176) und dem weiteren Spiegelelement (156; 182) mindestens ein Zwischenlaserstrahl (162; 184, 186, 188) verläuft.
7. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spiegelelement (154; 176), auf welches der in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretende Laserstrahl (129) trifft, ein sphärisches Spiegelelement ist, und/oder dass das weitere Spiegelelement (156; 182), von welchem der Primärlaserstrahl (104) ausgeht, ein sphärisches Spiegelelement ist.
8. Lasersystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spiegelelement (154; 176), auf welches der in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretende Laserstrahl (129) trifft, konkav ist, und/oder dass das weitere Spiegelelement (156; 182), von welchem der Primärlaserstrahl (104) ausgeht, konvex ist.
9. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse des Rohlaserstrahls (110) eine Pulsdauer zwischen 10 fs und 300 fs aufweisen, und/oder dass die Laserpulse des Rohlaserstrahls (110) eine Pulsenergie zwischen 1 mJ und 20 mJ aufweisen.
10. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge des Rohlaserstrahls (110) zwischen 500 nm und 2500 nm und bevorzugt zwischen 900 nm und 1100 nm beträgt.
11. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gasdichte Kammer (118), in welcher der Zielbereich (114) zur Anordnung des Targetmaterials (106) positioniert ist, wobei die Kammer
(118) ein Durchtrittselement (119) zur Einkopplung eines Laserstrahls in die Kammer (118) aufweist, auf welchem der Primärlaserstrahl (104) basiert oder welcher dem Primärlaserstrahl (104) entspricht, und wobei in der Kammer (118) ein Unterdrück und insbesondere ein Vakuum ausgebildet ist.
12. Lasersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchtrittselement (119) eine Antireflexbeschichtung aufweist, welche insbesondere als Nanotexturierung und/oder als Mottenaugenstruktur ausgebildet ist.
13. Lasersystem nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch ein Abschirmelement (117), welches zwischen dem Durchtrittselement (119) und dem Targetmaterial (106) angeordnet ist, wobei das Abschirmelement (117) zur räumlichen Abschirmung einer optischen Komponente des Lasersystems und insbesondere zur Abschirmung des Durchtrittselements
(119) vor dem Targetmaterial (106) eingerichtet ist.
14. Lasersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung (112) eine Strahlkorrektureinrichtung (124) zur Ausbildung eines korrigierten Laserstrahls (128) aus einem in die Strahlkorrektureinrichtung (124) eintretenden Laserstrahl (123) aufweist, wobei mittels der Strahlkorrektureinrichtung (124) eine Strahllagestabilisierung durchgeführt wird, um den korrigierten Laserstrahl (128) mit einer korrigierten und/oder stabilisierten Strahllage bereitzustellen, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Strahlkorrektureinrichtung (124) eine Wellenfrontkorrektur des in diese eintretenden Laserstrahls (123) durchgeführt wird, um den korrigierten Laserstrahl (128) mit einer korrigierten Wellenfront bereitzustellen.
15. Verfahren zur Erzeugung von Sekundärstrahlung (108) durch Wechselwirkung eines fokussierten Primärlaserstrahls (104) mit einem Targetmaterial (106), bei dem
- das Targetmaterial (106) in einem Zielbereich (114) angeordnet wird oder angeordnet ist,
- mittels einer Laserstrahlquelle (102) ein Rohlaserstrahl (110) bereitgestellt wird, welcher ultrakurze Laserpulse aufweist,
- mittels einer Strahlführungseinrichtung (112) aus dem Rohlaserstrahl (110) der fokussierte Primärlaserstrahl (104) ausgebildet wird, wobei der fokussierte Primärlaserstrahl (104) auf den Zielbereich (114) gerichtet ist und mit dem im Zielbereich (114) angeordneten Targetmaterial (106) wechselwirkt, wobei
- die Strahlführungseinrichtung (112) eine Strahlfokussiereinrichtung (126) aufweist, welche den Primärlaserstrahl (104) durch Fokussierung eines in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretenden Laserstrahls (129) ausbildet, wobei der in die Strahlfokussiereinrichtung (126) eintretende Laserstrahl (129) auf dem Rohlaserstrahl (110) basiert oder dem Rohlaserstrahl (110) entspricht und wobei
- die Strahlfokussiereinrichtung (126) mindestens zwei zueinander beabstandete sphärische Spiegelelemente (154, 156; 176, 180) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlfokussiereinrichtung (126) eine numerische Apertur zwischen 0,001 und 0,01 aufweist, sofern der Primärlaserstrahl (104) in einem Medium mit einem refraktiven Index von weniger als 1,01 propagiert.
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