JPH02285688A - Saturable absorption filter for krf laser - Google Patents

Saturable absorption filter for krf laser

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JPH02285688A
JPH02285688A JP10702389A JP10702389A JPH02285688A JP H02285688 A JPH02285688 A JP H02285688A JP 10702389 A JP10702389 A JP 10702389A JP 10702389 A JP10702389 A JP 10702389A JP H02285688 A JPH02285688 A JP H02285688A
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laser
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pulse
absorption
saturable absorption
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Hajime Nishioka
西岡 一
Kenichi Ueda
憲一 植田
Hideaki Kuranishi
英明 倉西
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Abstract

PURPOSE:To make a saturable absorption filter transparent in a low energy density to a short-pulse laser beam and to contrive to enable the filter to possess a large attenuation factor to ASE by using an acridine solution for the saturable absorption filter. CONSTITUTION:An acridine solution is used for a filter. This acridine is shown by a molecular formula, C13H9N, and has a structure shown by the formula. At this time, a short pulse of 44ps (100muJ), for example, which is outputted from a dye laser 2, is converted its wavelength from a visible wavelength to an ultraviolet length by a wavelength converter 3 to turn into a pulse (3muJ) of 30ps and this pulse of the ultraviolet wavelength of 30ps is made to pass through a filter SA when being amplified two times by a KrF laser amplifier 4, whereby a short pulse (20mJ) of 10ps or lower can be generated. Moreover, if the filter is inserted in a multistage amplifying path, noise light ASE generated at the preceding-stage part of the amplifier 4 is inflicted an absorption loss more than a gain, which is amplified by each amplifier, by the filter.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、248nmの波長を有するエキシマレーザ−
としてのKrFレーザー用の可飽和吸収フィルタに関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an excimer laser having a wavelength of 248 nm.
This invention relates to a saturable absorption filter for KrF lasers.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

エキシマレーザ−は、広い利得帯域を持っており、短パ
ルスレーザ−増幅媒質として有効に動作すると共に、気
体レーザーであるため固体レーザーや色素レーザーで問
題となる自己位相変調等が生し難く、また、レーザー媒
質の大型化、冷却が容易である等の利点を有している。
Excimer lasers have a wide gain band and operate effectively as a short-pulse laser amplification medium, and because they are gas lasers, they are less prone to self-phase modulation, which is a problem with solid-state lasers and dye lasers. , the laser medium has advantages such as large-sized laser medium and easy cooling.

このエキシマレーザ−の内、KrFレーザーArFレー
ザーは解離状態を呈する基底状態(下準位)を持ってお
り、パルス幅がフェムト秒(fs)の超短パルス領域ま
で効率の高いエネルギーを弓き出すことが可能であり、
特にKrFレーザーは、色素レーザーと同様に高利得で
ありながら飽和エネルギー密度が低いためにレーデ−増
幅器は容易に飽和に達し、低い入力エネルギー領域に於
いても容易にエネルギーを引き出すことが可能である。
Among these excimer lasers, KrF laser and ArF laser have a ground state (lower level) that exhibits a dissociated state, and emit highly efficient energy up to an ultra-short pulse region with a pulse width of femtoseconds (fs). It is possible to
In particular, KrF lasers, like dye lasers, have a high gain but a low saturation energy density, so the Radey amplifier easily reaches saturation and can easily extract energy even in the low input energy region. .

このようなKrFレーザーにおいては、複雑な衝突反応
を辿ってレーザー励起状態(上準位)のKrFエキシマ
を生成するための時間は10ナノ秒(ns)以上必要で
あるが、その励起状態の実効寿命は数ナノ秒と短く、こ
の実効寿命(吸収回復時間)よりも遥かに長い時間で励
起する。
In such a KrF laser, it takes more than 10 nanoseconds (ns) to follow a complicated collision reaction and generate a KrF excimer in the laser excited state (upper level). The lifetime is short, a few nanoseconds, and the excitation takes much longer than this effective lifetime (absorption recovery time).

従って、短パルスレーザ−の増幅器では、短パルスレー
ザ−光が入射する前に、励起状態の寿命が来て基底状態
に遷移すると自然放出光を発し、この自然放出光をその
起源とする雑音光が増幅され、高利得の条件下ではA 
S E (Amplified 5pontaneou
s Emission)と呼ばれる強い雑音光を発生し
てしまう。
Therefore, in short-pulse laser amplifiers, spontaneous emission light is emitted when the excited state reaches the end of its lifetime and transitions to the ground state before the short-pulse laser light enters, and noise light originating from this spontaneous emission light is generated. is amplified, and under high gain conditions A
S E (Amplified 5 pontaneou
This results in the generation of strong optical noise called s emission.

一般に、短パルスレーザ−の増幅器では、増幅利得は入
力光強度の関数であり励起時間のほとんどにおいて小信
号利得になっているので、高い光強度のレーザー光は容
易に飽和を示すがASEはそのパルス幅がKrFエキシ
マの実効寿命よりも充分長いので小信号利得のまま定常
増幅され、高い光強度のレーザー光は相対的に低い光強
度のASEに比べて増幅利得が低くなる(第10図参照
)。
Generally, in short-pulse laser amplifiers, the amplification gain is a function of the input light intensity and is a small signal gain during most of the pumping time, so laser light with high light intensity easily shows saturation, but ASE does not Since the pulse width is sufficiently longer than the effective life of the KrF excimer, the laser beam is constantly amplified with a small signal gain, and the amplification gain of the laser beam with high optical intensity is lower than that of ASE with relatively low optical intensity (see Figure 10). ).

このため、増幅の過程でレーザー光と雑音光であるAS
Eとの比率、即ちレーザー増幅器のS/N比は低下する
一方であり、特に高利得のKrFレーザーでは、入射部
のASE成分が極めて低レベルでも、象、速にASEが
大きくなってしまう結果となる。
For this reason, during the amplification process, the laser light and the AS, which is noise light,
The ratio with E, that is, the S/N ratio of laser amplifiers, continues to decrease, and especially in high-gain KrF lasers, even if the ASE component at the input part is at an extremely low level, the ASE increases rapidly. becomes.

このような増幅過程におけるS/N比の低下を除去する
ためには、空間フィルタでは解決できず、不平等な増幅
を補償する損失、即ち不平等吸収を行う媒体が必要であ
り、この不平等な吸収媒体として、入射光強度が低い雑
音光ASHには大きな吸収損失を与えレーザー光のよう
に強い光に対しては実質的に透明になるような可飽和吸
収フィルタ(可飽和吸収体)が従来より用いられている
In order to eliminate such a decrease in the S/N ratio in the amplification process, a medium that absorbs the loss that cannot be solved by a spatial filter and compensates for the unequal amplification, that is, the unequal absorption, is required. As an absorption medium, there is a saturable absorption filter (saturable absorber) that causes a large absorption loss for noise light ASH with low incident light intensity and becomes substantially transparent for strong light such as laser light. Traditionally used.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかしながら、これまでは可視領域の色素レザーなどで
は良質な特性をもった可飽和吸収フィルタが用いられて
いるものの、紫外域においては可飽和吸収媒質の残留吸
収が非常に大きく、或いは残留吸収が小さくても飽和に
要するレーザーエネルギーが大きく (従って入力光エ
ネルギーが小さいものに対してはフィルタとして作用セ
ず)、KrFレーザー用として未だ実用となる可飽和吸
収フィルタは開発されていない。
However, although saturable absorption filters with good characteristics have been used for pigmented lasers in the visible region, in the ultraviolet region the residual absorption of the saturable absorption medium is either very large or small. However, the laser energy required for saturation is large (therefore, it does not function as a filter for those with small input optical energy), and a saturable absorption filter that can be put to practical use for KrF lasers has not yet been developed.

従って、レーザー増幅器の利得を下げてASEレヘルを
減少さゼているのが現状である。
Therefore, the current situation is to reduce the ASE level by lowering the gain of the laser amplifier.

このため、依然としてレーザー光に対して数%のASE
は残留し、また、KrFレーデ−本来の利点である高利
得特性を生かすことができなかった。
For this reason, there is still a few percent of ASE for laser light.
remained, and the high gain characteristic, which is the original advantage of the KrF radar, could not be utilized.

また、吸収飽和に要するエネルギーが大きいフィルタを
KrFレーザーに使用すると、吸収飽和のために必要な
光強度では例えば2光子吸収が起こってしまい、通常用
いている光学素子や溶媒自身が不透明になるなど、実用
上問題があった。
Furthermore, if a filter that requires a large amount of energy for absorption saturation is used for a KrF laser, the light intensity required for absorption saturation will result in, for example, two-photon absorption, which may cause the normally used optical elements or solvent itself to become opaque. , there were practical problems.

従って、本発明は、短パルスレーザ−光に対して低いエ
ネルギー密度で透明となり、ASEに対して大きな減衰
率を有するKrFレーザー用の可飽和吸収フィルタを実
現することを目的とする。
Therefore, it is an object of the present invention to realize a saturable absorption filter for a KrF laser that is transparent to short-pulse laser light at a low energy density and has a large attenuation rate for ASE.

〔課題を解決するための手段及び作用〕まず、雑音光A
S、Eを抑制し、レーザーパルスを増幅するために必要
な可飽和吸収フィルタの条件について考察する。
[Means and actions for solving the problem] First, noise light A
Consider the conditions for a saturable absorption filter necessary to suppress S and E and amplify the laser pulse.

ASEは小信号利得で増幅されるが、レーザー増幅器の
入力に増幅器の小信号利得に等しい小信号減衰率を持っ
た可飽和吸収体を挿入すれば、ASEの増幅を全く許さ
ずレーザーパルスを増幅することが可能である。即ち、 go ・I、−α。・L、    (+)である。ここ
で、go、α。は増幅器の小信号利得係数、可飽和吸収
フィルタの小信号吸収係数であり、■7、L、は増幅器
の利得長、可飽和吸収フ= 4 ィルタの吸収長である。
ASE is amplified with small signal gain, but if a saturable absorber with a small signal attenuation rate equal to the small signal gain of the amplifier is inserted at the input of the laser amplifier, the laser pulse can be amplified without allowing any amplification of ASE. It is possible to do so. That is, go ·I, -α.・L, (+). Here, go, α. are the small signal gain coefficient of the amplifier and the small signal absorption coefficient of the saturable absorption filter, and 7, L are the gain length of the amplifier and the absorption length of the saturable absorption filter.

一方、可飽和吸収フィルタは、レーザーパルスに対して
実際に照射可能な光強度領域で透明になる必要がある。
On the other hand, a saturable absorption filter needs to be transparent in a light intensity range that can actually be irradiated with a laser pulse.

可飽和吸収フィルタの励起状態緩和時間が、レーザーパ
ルスに対して十分短いと仮定した場合、可飽和吸収フィ
ルタを透明にするのに必要なエネルギー密度E、は、飽
和吸収体の飽和エネルギー密度(フルーエンス)、小信
号透過率をそれぞれE s a、α。・■7とした場合
に、Eb=E、、・α0−LIl  (2)E s a
三hν/σ3(3) で与えられる。ここでσaは、可飽和吸収フィルタの吸
収断面積である。
Assuming that the excited state relaxation time of the saturable absorption filter is sufficiently short with respect to the laser pulse, the energy density E required to make the saturable absorption filter transparent is equal to the saturation energy density (fluence) of the saturable absorber. ) and the small signal transmittance as E s a and α, respectively.・■ When set to 7, Eb=E, ・α0−LIl (2) E s a
It is given by 3hν/σ3(3). Here, σa is the absorption cross section of the saturable absorption filter.

また、2光子吸収、非線形屈折率等の制限から、可飽和
吸収フィルタに照射可能な最大レーザー光強度は10G
W/cm”のオーダーであるので、パルス幅としてIp
sを仮定すれば、可飽和吸収フィルタに照射可能なエネ
ルギー密度は、10mJ/cm2である。
Also, due to limitations such as two-photon absorption and nonlinear refractive index, the maximum laser light intensity that can be irradiated to the saturable absorption filter is 10G.
Since it is on the order of "W/cm", the pulse width is Ip
Assuming that s, the energy density that can be irradiated to the saturable absorption filter is 10 mJ/cm2.

KrFレーザー増幅器の典型的な小信号利得g。Typical small signal gain g of a KrF laser amplifier.

Lは4〜10程度であるので、αo−L=10、E、 
−10mJ/cm2を式(2)に代入すれば、KrFレ
ーザー用の可飽和吸収フィルタとして実用可能な飽和エ
ネルギー密度E smは、 F+ と計算できる。この飽和エネルギー密度を満足する吸収
断面積は、式(3)よりa m = 8 X 10−1
6cm2と求められる。これは、KrFエキシマの誘導
放出断面積の3倍以上に相当する大きな値である。
Since L is about 4 to 10, αo−L=10, E,
By substituting -10 mJ/cm2 into equation (2), the saturation energy density E sm that can be practically used as a saturable absorption filter for KrF laser can be calculated as F+. The absorption cross section that satisfies this saturation energy density is given by formula (3) as m = 8 x 10-1
It is calculated as 6cm2. This is a large value equivalent to more than three times the stimulated emission cross section of KrF excimer.

一方、可飽和吸収フィルタの良否を決定する残留吸収は
、芳香族化合物の場合、励起準位からの吸収が支配的で
あり、その化合物の基底状態の吸収断面積σ。2と励起
状態の吸収断面積σ17の比、「5σ02/σ11 で飽和特性の良否が評価される。この励起状態からの吸
収断面積σ1、は、レーザー光を可飽和吸収フィルタに
照射して初めて測定可能な定数であり、計算や基底状態
の吸収断面積から直接水めることは困難である。
On the other hand, in the case of aromatic compounds, the residual absorption that determines the quality of a saturable absorption filter is dominated by absorption from the excited level, and the absorption cross section of the ground state of the compound σ. The quality of saturation characteristics is evaluated by the ratio of absorption cross section σ17 from the excited state to 5σ02/σ11. It is a measurable constant, and it is difficult to determine it directly from calculations or the absorption cross section of the ground state.

この理由から、未知のσI11に対して大きな「値を期
待するためには、基底状態の吸収断面積σ。2の大きな
媒質を候補とし、r値を実測することが有効な手段であ
る。この方法は上記の低い飽和エネルギーを得るための
条件とも一致する。
For this reason, in order to expect a large value for the unknown σI11, an effective means is to select a medium with a large ground state absorption cross section σ.2 and actually measure the r value. The method is also consistent with the conditions for obtaining low saturation energy mentioned above.

以上の考察から、KrFエキシマレーザ−波長において
l Q−” cm2以上の大きな吸収断面積を持つ媒質
を候補として選びその特性を評価した。
Based on the above considerations, a medium having a large absorption cross section of lQ-''cm2 or more at the KrF excimer laser wavelength was selected as a candidate and its characteristics were evaluated.

ここで、3環芳香族は、25Onm付近に強い吸収帯を
持っており、KrFレーザー用可飽和吸収体の有力候補
である。特に、アントラセンに代表される線型系列3環
芳香族は、第1図に示すように、非線形系列(フェナン
トレン)に比べ高く鋭い吸収ピークを持っているが、ア
ントラセンの吸収ピークは、252nmと長波長側に存
在していたので、レーザー波長248.5nm付近に吸
収ピークを持つ以下の表1に示す吸収体を有力候補とし
て測定を行った。
Here, three-ring aromatics have a strong absorption band around 25 Onm and are promising candidates for saturable absorbers for KrF lasers. In particular, the linear series three-ring aromatic represented by anthracene has a higher and sharper absorption peak than the nonlinear series (phenanthrene), as shown in Figure 1, but the absorption peak of anthracene has a long wavelength of 252 nm. Therefore, the absorber shown in Table 1 below, which has an absorption peak near the laser wavelength of 248.5 nm, was used as a promising candidate for measurement.

表1 また、これらの吸収体についてそれぞれ吸収断面積を測
定した結果が下記の表2に示されている。
Table 1 The absorption cross-sectional area of each of these absorbers was measured and the results are shown in Table 2 below.

表2 <(r値が大きく)且つ吸収断面積が大きい媒質は、ア
クリジン溶液であることが分かった。
Table 2 It was found that the medium with a large r value and a large absorption cross section was an acridine solution.

このようなアクリジン溶液(メタノール溶液)の吸収ス
ペクトルが第2図に示されており、ローダミン6G色素
レーザー用の可飽和色素DODCI (エタノール溶液
)及びXeClレーザー用の可飽和吸収体BBQ (ジ
オキサン溶液)と比較すると、アクリジン溶液は、BB
Qより墨かに大きな基底状態の吸収断面積6. 8 X
 10−16cm”を有し、その吸収特性はDODCI
にほぼ匹敵することが示されている。
The absorption spectra of such an acridine solution (methanol solution) are shown in Figure 2, and include the saturable dye DODCI (ethanol solution) for rhodamine 6G dye lasers and the saturable absorber BBQ (dioxane solution) for XeCl lasers. Compared to the acridine solution, the BB
Ground state absorption cross section is significantly larger than Q6. 8 X
10-16 cm” and its absorption characteristics are DODCI
It has been shown that it is almost comparable to

このアクリジンは、分子式Cl5H9Nで表され、なる
構造を有するものである。
This acridine is represented by the molecular formula Cl5H9N and has the following structure.

これらの表1.2から、248.5nmのKrFレーザ
ー波長に於て最も飽和エネルギーが小さ実際にパルスK
rFレーザー光をアクリジンン容液の可飽和吸収フィル
タに照射して、飽和エネルギー密度及び実効寿命を測定
した。
From Table 1.2, it can be seen that the KrF laser wavelength of 248.5 nm has the smallest saturation energy and is actually the pulse K.
The saturable absorption filter of the acridine solution was irradiated with rF laser light to measure the saturation energy density and effective lifetime.

この測定系が第3図に示されており、■は308nmの
波長で発振するXeCl!、レーザー、2はこの308
 nmの出力波長により励起され497nmの波長で発
振する色素レーザー、3は色素レーザー2からの可視領
域の出力波長を紫外領域の248nmの波長に変換する
波長変換器(SHG−非線形光学結晶β−B a B2
04 )4は248nmの波長を増幅するKrFレーザ
ー増幅器、5は2つのレンズとアパーチャで構成しプラ
ズマ発生を避けるために真空排気した空間フィルタ、S
Aは可飽和吸収フィルタ、6.7は出力レーザーエネル
ギーを測定するためのカロリメータ、そして8は透過エ
ネルギーを測定するためのフォトダイオードである。
This measurement system is shown in Figure 3, where ■ indicates XeCl! which oscillates at a wavelength of 308 nm! , laser, 2 is this 308
3 is a wavelength converter (SHG - nonlinear optical crystal β-B) that converts the output wavelength in the visible region from the dye laser 2 to a wavelength in the ultraviolet region of 248 nm. a B2
04) 4 is a KrF laser amplifier that amplifies the wavelength of 248 nm, 5 is a spatial filter consisting of two lenses and an aperture and evacuated to avoid plasma generation, S
A is a saturable absorption filter, 6.7 is a calorimeter for measuring output laser energy, and 8 is a photodiode for measuring transmitted energy.

このような測定系を用いて得たアクリジン・メタノール
溶液の入力エネルギー密度に対するエネルギー透過率の
変化(飽和特性)が第4図に示されており、図中、点線
部分Aは小さな入力エネルギー密度に対して透過率が悪
く不透明に近いことを示し、点線部分Bは大きなエネル
ギー密度に対して透過率が良く透明に近い飽和状態に在
るところを示している。
The change in energy transmittance (saturation characteristic) with respect to the input energy density of the acridine methanol solution obtained using such a measurement system is shown in Figure 4. On the other hand, the dotted line portion B shows that the transmittance is poor and almost opaque, and the dotted line portion B shows a saturated state where the transmittance is good and almost transparent for a large energy density.

即ち、入力エネルギー密度2 mJ/cm2以−1−で
顕著な飽和を示し、20 mJ/cm2で0.21まで
透過率は増加している。但し、これ以上の入力エネルギ
ー密度では飽和は鈍り最大透過率は0.42となってい
る。
That is, significant saturation is exhibited at an input energy density of 2 mJ/cm2 or higher, and the transmittance increases to 0.21 at 20 mJ/cm2. However, if the input energy density is higher than this, the saturation becomes dull and the maximum transmittance becomes 0.42.

この飽和特性に基づいて飽和エネルギーを求めると、吸
収断面積の最も大きなアクリジン溶液の飽和エネルギー
は第4図の実験データを解析することにより1.2mJ
/cm2を得た。これば、非常に小さく優秀な可飽和吸
収体であることが分かった。これは、上述のように、集
光エネルギーの上限を10mJ/cm2と仮定した場合
、1段当たりの増幅器の小信号利得をg。−L=8.3
まで増加させても、ASEを全く成長させずにレーザー
パルスを増幅できることを意味している。これまでの増
幅システムでは、ASHの増幅を抑えるためにg。−L
<4程度に利得を制限し且つ、レーザーエネルギーに対
し数%のASEを容認していた事を考慮すれば、この可
飽和吸収フィルタは非常に有効であることを示している
When calculating the saturation energy based on this saturation characteristic, the saturation energy of the acridine solution with the largest absorption cross section is found to be 1.2 mJ by analyzing the experimental data shown in Figure 4.
/cm2 was obtained. This was found to be a very small and excellent saturable absorber. As mentioned above, assuming that the upper limit of the focused energy is 10 mJ/cm2, this means that the small signal gain of the amplifier per stage is g. -L=8.3
This means that the laser pulse can be amplified without any growth of ASE even if it is increased to . In conventional amplification systems, g is used to suppress ASH amplification. -L
Considering that the gain is limited to <4 and that an ASE of several percent relative to the laser energy is allowed, this saturable absorption filter is shown to be very effective.

次に、実効寿命(吸収回復時間)は、レーザーパルス透
過後のASEの抑制特性を決める重要なパラメータであ
る。
Next, the effective lifetime (absorption recovery time) is an important parameter that determines the ASE suppression characteristics after laser pulse transmission.

第5図はアクリジン・メタノール溶液の吸収回復を示す
。吸収回復は図中(a)に示す0.4nsと(b)((
b)は(a)の延長部分を示す)に示す]15nsの2
つの時定数を持つ。0.4nsの寿命は、KrFの利得
回復時間に比べて充分小さく、利得の回復と共に減衰率
を回復して有効にASEを抑制できる。
FIG. 5 shows absorption recovery of acridine/methanol solution. Absorption recovery is 0.4 ns shown in (a) and (b) ((
b) shows an extension of (a)) ] 15 ns 2
It has two time constants. The lifetime of 0.4 ns is sufficiently smaller than the gain recovery time of KrF, and the attenuation rate can be recovered along with the gain recovery to effectively suppress ASE.

このような実効寿命はKrFエキシマの寿命にほぼ等し
く利得の回復とともに減衰率を回復して有効にASEを
抑制できることになる。
Such an effective life is approximately equal to the life of a KrF excimer, and as the gain is restored, the attenuation rate is restored and ASE can be effectively suppressed.

一方、理想的な可飽和吸収フィルタは、式(2)に相当
するエネルギーを吸収した場合には完全に透明になる。
On the other hand, an ideal saturable absorption filter becomes completely transparent when it absorbs energy corresponding to equation (2).

しかしながら、これら色素の可飽和吸収体では、励起準
位からの再吸収を生じるが、一般に、励起準位からの吸
収断面積σ1アは、基底状態からの吸収断面積σ。2よ
り小さく、また、励起単位の緩和時間も短いために、こ
の励起準位からの吸収は非飽和吸収になる場合が多い。
However, in the saturable absorbers of these dyes, reabsorption occurs from the excited level, but generally the absorption cross section from the excited level σ1a is equal to the absorption cross section from the ground state σ. 2 and the relaxation time of the excitation unit is also short, so absorption from this excited level is often non-saturated absorption.

ここでは、吸収の非飽和成分を実測し、パルス幅20p
sのKrFレーザー光を100mJ/cm2のエネルギ
ー密度で照射して小信号透過率に対する透過率の変化を
測定した。
Here, the unsaturated component of absorption was actually measured, and the pulse width was 20p.
A KrF laser beam of 100 mJ/cm2 was irradiated with an energy density of 100 mJ/cm2, and the change in transmittance with respect to the small signal transmittance was measured.

この測定結果が第6図に示されており、横軸の小信号透
過率はアクリジンの濃度と等価であり、小信号透過率−
10°は溶媒のみを示している。
The measurement results are shown in Figure 6, where the small signal transmittance on the horizontal axis is equivalent to the concentration of acridine, and the small signal transmittance -
10° indicates only the solvent.

基底状態の非飽和特性は定常光の場合で傾きは1であり
、レーザー光による励起状態の飽和特性の傾きは0.1
6であった。
The unsaturated characteristic of the ground state has a slope of 1 in the case of steady light, and the slope of the saturated characteristic of the excited state by laser light is 0.1.
It was 6.

測定に使用したパルス幅は、励起準位の実効寿命(0,
4ns)より十分短いので、非飽和吸収は、励起準位か
らの吸収とみなすことができる。
The pulse width used in the measurement was determined by the effective lifetime of the excited level (0,
4 ns), so non-saturated absorption can be regarded as absorption from an excited level.

基底状態と励起状態の吸収断面積の比を上記のように「
と置けば、この「は小信号透過率T。と透過率T。との
対数比であるので、 「ミσ。2/σI、l−110,16=6.25  (
5)であることが分かった。この「値は、XeC1用に
開発された吸収体の「−3,5よりも大きく、非飽和吸
収成分も十分小さいことが分かった。
The ratio of the absorption cross sections of the ground state and excited state is expressed as ``
, this " is the logarithmic ratio of the small signal transmittance T. and the transmittance T., so "Miσ.2/σI, l-110,16=6.25 (
5). It was found that this value is larger than -3.5 of the absorber developed for XeC1, and that the non-saturated absorption component is also sufficiently small.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以」二のように、本発明に係るKrFレーザー用の可飽
和吸収フィルタに用いられるアクリジン溶液の測定結果
をまとめると、下記の表3のようになる。
As described below, the measurement results of the acridine solution used in the saturable absorption filter for KrF lasers according to the present invention are summarized as shown in Table 3 below.

表3 アクリジンはこれらの溶媒の他、上述の如く、エチレン
グリコール、シクロヘキサンなどにも良く溶解し、いず
れも同様の優秀な可飽和吸収特性を示す。
Table 3 In addition to these solvents, acridine is also well soluble in ethylene glycol, cyclohexane, etc. as mentioned above, and both exhibit similar excellent saturable absorption properties.

また、アクリジン溶液のKrFレーザー用可飽和吸収フ
ィルタはローダミン6G色素レーザー用可飽和色素DO
DCIと同等の特性を持つので、従来の色素レーザーで
行われてきた可飽和吸収体応用技術のKrFレーザーへ
の応用を可能にする。
In addition, the saturable absorption filter for KrF laser using acridine solution is the saturated dye DO for rhodamine 6G dye laser.
Since it has the same characteristics as DCI, it makes it possible to apply saturable absorber application technology that has been used with conventional dye lasers to KrF lasers.

例えば、モードロツタによる長短繰り返しパルスの発生
、飽和増幅器におけるパルス圧縮増幅、短パルス増幅に
おける雑音光除去である。
Examples include generation of long and short repetitive pulses using a mode rotor, pulse compression amplification in a saturating amplifier, and optical noise removal in short pulse amplification.

また、雑音光ASEによるプリパルスを防止した超短パ
ルスは、高分子加工などにおける超精密加工を熱的損傷
なしに行うことが出来るなど実用価値は高い。
In addition, the ultrashort pulse that prevents pre-pulses caused by noise light ASE has high practical value, such as being able to perform ultraprecision machining in polymer machining and the like without thermal damage.

〔実 施 例〕〔Example〕

第7図は本発明による可飽和吸収フィルタをKrFレー
ザー装置に組み込んで短パルス増幅装置を形成したもの
で、これによりASEの抑圧特性を測定した。
FIG. 7 shows a short pulse amplification device formed by incorporating the saturable absorption filter according to the present invention into a KrF laser device, and the ASE suppression characteristics were measured using this device.

この測定においては、第3図の測定系と同様に短パルス
紫外線を発生させるため、短共振器型のXeClレーザ
ー1とモードロツタ色素レーザー2とを用い、非線形光
学結晶3により248nmの紫外光を得た。そして、レ
ーザー増幅器には、放電励起KrFレーザー増幅器を2
パス増幅器として用いた。
In this measurement, in order to generate short pulse ultraviolet rays as in the measurement system shown in Fig. 3, a short cavity type XeCl laser 1 and a mode rotator dye laser 2 are used, and 248 nm ultraviolet light is obtained by a nonlinear optical crystal 3. Ta. The laser amplifier includes two discharge-pumped KrF laser amplifiers.
Used as a pass amplifier.

そして、ここに用いた可飽和吸収フィルタSAの実施例
が第8回に示されており、同図(a)の場合では、吸収
長1cmの紫外線を透過する石英ガラス11の中に例え
ば9.56X10−6モル/lのアクリジン・メタノー
ル溶液を入れて透明セルとしたちのであり、同図(b)
の場合′には、このアクリジン・メタノール溶液を厚さ
150μmのノズルジエント噴射器として用いている。
An example of the saturable absorption filter SA used here is shown in Part 8, and in the case of FIG. 8(a), for example, 9. A transparent cell was prepared by adding 56 x 10-6 mol/l of acridine/methanol solution, as shown in Figure (b).
In case ', this acridine methanol solution is used as a nozzle jet injector with a thickness of 150 μm.

前者の場合は低濃度で大口径ビームに用いられ、後者は
高濃度溶液を用いるときに使い分けられる。
The former is used for low-concentration, large-diameter beams, and the latter is used when using high-concentration solutions.

第9図は、実際にストリークカメラ(図示せず)を用い
て測定した増幅によるパルス波形の変化であり、同図(
a)〜(e)の波形は第7図の同じ符号で示した箇所の
パルス波形を示している。
Figure 9 shows the change in pulse waveform due to amplification actually measured using a streak camera (not shown).
Waveforms a) to (e) show pulse waveforms at locations indicated by the same reference numerals in FIG.

この波形図から分かるように、色素レーザー2から出力
される44ps(100μJ)の短パルスを波長変換器
3で可視波長から紫外波長に波長変換して5opsのパ
ルス(3μJ )にし、この紫外波長の30psのパル
スをKrFレーザー増幅器4で2回増幅する際に本発明
の可飽和吸収フィルタSAを通すことにより、10ps
以下の短パルス(20mJ)を発生することができる。
As can be seen from this waveform diagram, the wavelength converter 3 converts the short pulse of 44 ps (100 μJ) output from the dye laser 2 from visible wavelength to ultraviolet wavelength, converting it into a 5 ops pulse (3 μJ). When a 30 ps pulse is amplified twice by the KrF laser amplifier 4, the 10 ps pulse is passed through the saturable absorption filter SA of the present invention.
The following short pulses (20 mJ) can be generated.

このように、可飽和吸収フィルタを含まないこのような
多段増幅システムでは、利得飽和のために増幅が進むに
つれて高い利得を感しる雑音光ASBはレーザーパルス
よりも象、速に成長しレーザの品質が低下して行くが、
可飽和吸収フィルタを、多段増幅経路に挿入すると、レ
ーザー増幅器の前段部分で発生した雑音光ASEは、各
増幅器で増幅された利得以上の吸収損失を可飽和吸収フ
ィルタによって受け、ps領領域おけるKrFレーザー
のモード同期発振やパルス圧縮が可能となり、KrFレ
ーザー本来の特長である高利得増幅器を用いたシステム
構成により、短パルスKrFレーザーシステムのより高
出力化・短パルス化が期待できる。
In this way, in such a multistage amplification system that does not include a saturable absorption filter, the noise light ASB, which perceives a higher gain as the amplification progresses due to gain saturation, grows faster than the laser pulse, and the laser Although the quality is decreasing,
When a saturable absorption filter is inserted into a multistage amplification path, the optical noise ASE generated in the front stage of the laser amplifier receives an absorption loss greater than the gain amplified by each amplifier by the saturable absorption filter, and the KrF in the ps region Mode-locked oscillation and pulse compression of the laser become possible, and a system configuration that uses a high-gain amplifier, which is an inherent feature of KrF lasers, can be expected to lead to higher output and shorter pulses in short-pulse KrF laser systems.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、3環芳香族の波長に対する吸収断面積の特性
を示すグラフ図、 第2図は、本発明の可飽和吸収フィルタに用いるアクリ
ジン溶液を含む可飽和色素の吸収スペクトルを示すグラ
フ図、 第3図は、本発明の可飽和吸収フィルタの測定系を示す
ブロック図、 第4図は、アクリジン溶液の入力エネルギー密度対透過
率のグラフ図、 第5図は、アクリジン溶液の透過率の時間変化を示すグ
ラフ図、 第6図は、小信号透過率に対する透過率の変化を測定し
たグラフ図、 第7図は、本発明の可飽和吸収フィルタを組み込んだK
rFレーザー装置の実施例を示す図、第8図は、本発明
に用いる可飽和吸収フィルタの実施例を示す図、 第9図は、第7図において本発明によるパルスの圧縮過
程を示す波形図、 第10図は、レーザーパルスと雑音光A S Eとの関
係を説明するための波形図、である。 図中、SAは可飽和吸収フィルタ、4はKrFレーザー
増幅器をそれぞれ示し、同一符号は同−又は相当部分を
示す。
Figure 1 is a graph showing the absorption cross section characteristics of three-ring aromatics with respect to wavelength. Figure 2 is a graph showing the absorption spectrum of a saturated dye containing an acridine solution used in the saturable absorption filter of the present invention. , Fig. 3 is a block diagram showing the measurement system of the saturable absorption filter of the present invention, Fig. 4 is a graph of the input energy density versus transmittance of the acridine solution, and Fig. 5 is a graph of the transmittance of the acridine solution. Figure 6 is a graph showing changes in transmittance over time; Figure 6 is a graph showing changes in transmittance with respect to small signal transmittance; Figure 7 is a graph showing changes in transmittance with respect to small signal transmittance;
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of the rF laser device, FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of the saturable absorption filter used in the present invention, and FIG. 9 is a waveform diagram showing the pulse compression process according to the present invention in FIG. 7. , FIG. 10 is a waveform diagram for explaining the relationship between the laser pulse and the noise light ASE. In the figure, SA indicates a saturable absorption filter, 4 indicates a KrF laser amplifier, and the same reference numerals indicate the same or equivalent parts.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] アクリジン溶液を用いたことを特徴とするKrFレーザ
ー用の可飽和吸収フィルタ。
A saturable absorption filter for KrF laser, characterized by using an acridine solution.
JP10702389A 1989-04-26 1989-04-26 Saturable absorption filter for KrF laser Expired - Lifetime JPH0642572B2 (en)

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