TWI780475B - 基於光子晶體光纖之寬頻光源的模式控制 - Google Patents

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朗諾 法藍西斯克斯 赫曼 修格斯
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Abstract

本發明揭示一種用於控制一寬頻光源之一輸出模式的模式控制系統及方法，該寬頻光源包含一光子晶體光纖(PCF)。該模式控制系統包含：至少一個偵測單元，其經組態以量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以產生量測資料；及一處理單元，其經組態以根據該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度。基於該評估，該模式控制系統經組態以產生用於最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的一控制信號。該等泵耦合條件與一泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之一光纖芯之耦合相關。

Description

基於光子晶體光纖之寬頻光源的模式控制
本發明係關於基於光子晶體光纖之寬頻輻射產生器之模式控制，且特定言之此寬頻輻射產生器關於製造積體電路之度量衡應用之模式控制。
微影裝置為經建構以將所要圖案施加至基板上之機器。微影裝置可用於例如積體電路(IC)製造中。微影裝置可例如將圖案化器件(例如遮罩)處之圖案(通常亦稱為「設計佈局」或「設計」)投影至設置於基板(例如晶圓)上的輻射敏感材料(抗蝕劑)層上。
為了將圖案投影至基板上，微影裝置可使用電磁輻射。此輻射之波長判定可形成於基板上的特徵之最小大小。當前使用之典型波長為365 nm (i線)、248 nm、193 nm及13.5 nm。相比於使用例如具有193 nm之波長之輻射的微影裝置，使用具有介於4至20 nm之範圍內之波長(例如6.7 nm或13.5 nm)的極紫外線(EUV)輻射之微影裝置可用於在基板上形成較小特徵。
低k1 微影可用於處理尺寸小於微影裝置之典型解析度極限的特徵。在此程序中，可將解析度公式表示為CD = k1 ×λ/NA，其中λ為所使用輻射之波長，NA為微影裝置中之投影光學器件之數值孔徑，CD為「臨界尺寸」(通常為所印刷之最小特徵大小，但在此情況下為半間距)，且k1 為經驗解析度因數。一般而言，k1 愈小，則愈難以在基板上再生類似於由電路設計者規劃之形狀及尺寸以便達成特定電功能性及效能的圖案。為了克服此等困難，可將複雜微調步驟應用於微影投影裝置及/或設計佈局。此等步驟包括例如(但不限於) NA之最佳化、自訂照明方案、相移圖案化器件之使用、設計佈局之各種最佳化，諸如設計佈局中之光學近接校正(OPC，有時亦被稱作「光學及程序校正」)，或通常被定義為「解析度增強技術(RET)」之其他方法。替代地，用於控制微影裝置之穩定性的緊密控制環路可用以改良在低k1下之圖案的再生。
度量衡工具用於IC製造程序之許多態樣，例如作為用於在曝光之前適當定位基板之對準工具，量測基板之表面拓樸之調平工具，例如用於在程序控制中檢測/量測曝光及/或蝕刻產品之基於聚焦控制及散射量測之工具。在每一情況下，需要輻射源。出於各種原因(包括量測穩定性及準確度)，寬頻或白光輻射源愈來愈多地用於此類度量衡應用。將需要改良用於寬頻輻射產生之現有器件。
在本發明之一第一態樣中，提供模式控制系統，該模式控制系統經組態以用於控制包含一光子晶體光纖(PCF)之一寬頻光源的一輸出模式，該模式控制系統包含：至少一個偵測單元，其經組態以量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以產生量測資料；及一處理單元，其經組態以根據該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度；其中基於該評估，該模式控制系統經組態以產生用於最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的一控制信號；該等泵耦合條件與一泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之一光纖芯之耦合相關。
在本發明之一第二態樣中，提供一種包含一光子晶體光纖之一寬頻光源的模式控制方法，該方法包含：量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以獲得量測資料；根據該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度；及產生用以最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的一控制信號；該等泵耦合條件與一泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之一光纖芯的耦合相關。
本發明之其他態樣包含一寬頻光源及度量衡器件，其包含該第一態樣之該模式控制系統。
在本發明之文件中，術語「輻射」及「光束」用以涵蓋所有類型之電磁輻射，包括紫外輻射(例如具有365、248、193、157或126 nm之波長)及極紫外輻射(EUV，例如具有在約5至100 nm之範圍內之波長)。
如本文中所採用之術語「倍縮光罩」、「遮罩」或「圖案化器件」可廣泛地解釋為係指可用於向入射光束賦予經圖案化橫截面之通用圖案化器件，經圖案化橫截面對應於待在基板的目標部分中產生之圖案。在此上下文中亦可使用術語「光閥」。除經典遮罩(透射或反射、二元、相移、混合式等)以外，其他此類圖案化器件之實例包括可程式化鏡面陣列及可程式化LCD陣列。
圖1示意性地描繪微影裝置LA。微影裝置LA包括：照明系統(亦稱為照明器) IL，其經組態以調節輻射光束B (例如UV輻射、DUV輻射或EUV輻射)；遮罩支撐件(例如遮罩台) MT，其經建構以支撐圖案化器件(例如遮罩) MA且連接至經組態以根據某些參數來準確地定位圖案化器件MA之第一定位器PM；基板支撐件(例如晶圓台) WT，其經建構以固持基板(例如抗蝕劑塗佈晶圓) W且連接至經組態以根據某些參數來準確地定位基板支撐件之第二定位器PW；及投影系統(例如折射投影透鏡系統) PS，其經組態以將由圖案化器件MA賦予至輻射光束B之圖案投影至基板W之目標部分C (例如包含一或多個晶粒)上。
在操作中，照明系統IL例如經由光束遞送系統BD自輻射源SO接收輻射光束。照明系統IL可包括用於導引、塑形或控制輻射的各種類型之光學組件，諸如折射、反射、磁性、電磁、靜電及/或其他類型之光學組件或其任何組合。照明器IL可用於調節輻射光束B，以在圖案化器件MA之平面處在其橫截面中具有所要空間及角強度分佈。
本文所使用之術語「投影系統」PS應被廣泛地解譯為涵蓋適於所使用之曝光輻射或適於諸如浸漬液體之使用或真空之使用之其他因素的各種類型之投影系統，包括折射、反射、反射折射、合成、磁性、電磁及/或靜電光學系統或其任何組合。可認為本文中對術語「投影透鏡」之任何使用皆與更一般術語「投影系統」PS同義。
微影裝置LA可屬於一種類型，其中基板之至少一部分可由具有相對較高折射率之例如水之液體覆蓋，以便填充投影系統PS與基板W之間的空間--此亦稱為浸潤式微影。在以引用之方式併入本文中的US6952253中給出關於浸潤技術之更多資訊。
微影裝置LA亦可屬於具有兩個或更多個基板支撐件WT (又名「雙載物台」)之類型。在此「多載物台」機器中，可並行地使用基板支撐件WT，且/或可在位於基板支撐件WT中之一者上的基板W上進行準備基板W之後續曝光的步驟，同時將另一基板支撐件WT上之另一基板W用於在另一基板W上曝光圖案。
除基板支撐件WT以外，微影裝置LA可包含量測載物台。量測載物台經配置以固持感測器及/或清潔器件。感測器可經配置以量測投影系統PS之特性或輻射光束B之特性。量測載物台可固持多個感測器。清潔器件可經配置以清潔微影裝置之部分，例如投影系統PS之一部分或提供浸潤液體之系統的一部分。量測載物台可在基板支撐件WT遠離投影系統PS時在投影系統PS下移動。
在操作中，輻射光束B入射於固持在遮罩支撐件MT上之圖案化器件(例如遮罩) MA上，且藉由呈現於圖案化器件MA上之圖案(設計佈局)進行圖案化。在已橫穿遮罩MA的情況下，輻射光束B穿過投影系統PS，投影系統PS將該輻射光束聚焦至基板W之目標部分C上。藉助於第二定位器PW及位置量測系統IF，可準確地移動基板支撐件WT，例如以便在輻射光束B之路徑中將不同目標部分C定位於聚焦且對準之位置處。類似地，第一定位器PM及可能地另一位置感測器(其未在圖1中明確地描繪)可用於相對於輻射光束B之路徑來準確地定位圖案化器件MA。可使用遮罩對準標記M1、M2及基板對準標記P1、P2來對準圖案化器件MA及基板W。儘管如所說明之基板對準標記P1、P2佔據專用目標部分，但其可位於目標部分之間的空間中。在基板對準標記P1、P2位於目標部分C之間時，該等基板對準標記P1、P2被稱為切割道對準標記。
如圖2中所展示，微影裝置LA可形成微影單元LC (有時亦被稱作微影製造單元(lithocell)或微影叢集((litho)cluster))之部分，微影單元LC通常亦包括用以對基板W執行曝光前程序及曝光後程序之裝置。習知地，此等裝置包括用以沈積抗蝕劑層之旋塗器SC、用以顯影經曝光抗蝕劑之顯影器DE、例如用於調節基板W之溫度(例如，用於調節抗蝕劑層中之溶劑)的冷卻板CH及烘烤板BK。基板處置器或自動機RO自輸入/輸出埠I/O1、I/O2拾取基板W，在不同程序裝置之間移動該等基板且將基板W遞送至微影裝置LA之裝載匣LB。微影單元中通常亦統稱為塗佈顯影系統(track)之器件通常處於塗佈顯影系統控制單元TCU之控制下，該塗佈顯影系統控制單元TCU自身可由監督控制系統SCS控制，該監督控制系統SCS亦可例如經由微影控制單元LACU來控制微影裝置LA。
為正確且一致地曝光由微影裝置LA曝光之基板W，需要檢測基板以量測經圖案化結構之特性，諸如後續層之間的疊對誤差、線厚度、臨界尺寸(CD)等。出於此目的，微影單元LC中可包括檢測工具(未展示)。若偵測到誤差，則可例如對後續基板之曝光或對待對基板W執行之其他處理步驟進行調整，尤其係在同一批量或批次之其他基板W仍待曝光或處理之前進行檢驗的情況下。
亦可被稱作度量衡裝置之檢測裝置用於判定基板W之特性，且尤其判定不同基板W之特性如何變化或與同一基板W之不同層相關聯之特性在不同層間如何變化。檢測裝置可替代地經建構以識別基板W上之缺陷，且可例如為微影單元LC之部分，或可整合至微影裝置LA中，或可甚至為獨立器件。檢測裝置可量測潛影(曝光之後在抗蝕劑層中之影像)上之特性，或半潛影(曝光後烘烤步驟PEB之後在抗蝕劑層中之影像)上之特性，或經顯影抗蝕劑影像(其中已移除抗蝕劑之曝光部分或未曝光部分)上之特性，或甚至經蝕刻影像(在諸如蝕刻之圖案轉印步驟之後)上之特性。
典型地，微影裝置LA中之圖案化程序為在處理中之最關鍵步驟中的一者，其需要基板W上之結構之尺寸標定及置放的高準確度。為確保此高準確度，可將三個系統組合於所謂的「整體」控制環境中，如圖3中示意性地描繪。此等系統中之一者為微影裝置LA，其(實際上)連接至度量衡工具MT (第二系統)且連接至電腦系統CL (第三系統)。此「整體」環境之關鍵在於最佳化此等三個系統之間的合作以增強總體程序窗且提供緊密控制環路，從而確保由微影裝置LA執行之圖案化保持在程序窗內。程序窗定義程序參數(例如，劑量、聚焦、疊對)之範圍，特定製造程序產生該範圍內之定義結果(例如，功能性半導體器件)--通常允許微影程序或圖案化程序中之程序參數在該範圍內變化。
電腦系統CL可使用待圖案化之設計佈局(之一部分)以預測使用哪種解析度增強技術且執行計算微影模擬及計算以判定哪種遮罩佈局及微影裝置設定達成圖案化程序之最大總體程序窗(由第一標度SC1中之雙箭頭在圖3中描繪)。典型地，解析度增強技術經配置以匹配微影裝置LA之圖案化可能性。電腦系統CL亦可用於偵測微影裝置LA當前正在程序窗內何處操作(例如，使用來自度量衡工具MT之輸入)以預測歸因於例如次佳處理是否可存在缺陷(在圖3中由第二標度SC2中之指向「0」之箭頭描繪)。
度量衡工具MT可將輸入提供至電腦系統CL以實現準確模擬及預測，且可將回饋提供至微影裝置LA以識別例如在微影裝置LA之校準狀態下的可能漂移(在圖3中由第三標度SC3中之多個箭頭描繪)。
在微影程序中，需要頻繁地對所產生結構進行量測，例如用於程序控制及驗證。用以進行此量測之工具通常被稱為度量衡工具MT。用於進行此類量測之不同類型的度量衡工具MT為吾人所知，包括掃描電子顯微鏡或各種形式之散射計度量衡工具MT。散射計為多功能儀器，其允許藉由在光瞳或與散射計之接物鏡之光瞳共軛的平面中具有感測器來量測微影程序之參數，量測通常被稱作以光瞳為基礎之量測，或藉由在影像平面或與影像平面共軛之平面中具有感測器來量測微影程序之參數，在此情況下量測通常被稱作以影像或場為基礎之量測。以全文引用之方式併入本文中之專利申請案US20100328655、US2011102753A1、US20120044470A、US20110249244、US20110026032或EP1,628,164A中進一步描述此類散射計及相關聯之量測技術。前述散射計可使用來自軟x射線及對近IR波長範圍可見的光來量測光柵。
在第一實施例中，散射計MT係角度解析散射計。在此散射計中，重建構方法可應用於經量測信號以重建構或計算光柵之特性。此重建構可例如由模擬散射輻射與目標結構之數學模型之相互作用且比較模擬結果與量測之結果所引起。調整數學模型之參數，直至經模擬相互作用產生與自真實目標觀測到之繞射圖案類似的繞射圖案為止。
在第二實施例中，散射計MT為光譜散射計MT。在此光譜散射計MT中，由輻射源發射之輻射經導向至目標上且來自目標之反射或散射輻射經導向至光譜儀偵測器上，該光譜儀偵測器量測鏡面反射輻射之光譜(亦即依據波長而變化之強度的量測)。根據此資料，可例如藉由嚴密耦合波分析及非線性廻歸或藉由與經模擬光譜庫比較來重建構產生偵測到之光譜的目標之結構或輪廓。
在第三實施例中，散射計MT為橢圓量測散射計。橢圓量測散射計允許藉由量測針對每一偏振狀態之散射輻射來判定微影程序的參數。此度量衡裝置藉由在度量衡裝置之照明區段中使用例如適當偏振濾光器來發射偏振光(諸如線性、圓形或橢圓)。適用於度量衡裝置之源亦可提供偏振輻射。現有橢圓量測散射計之各種實施例描述於以全文引用之方式併入本文中之美國專利申請案11/451,599、11/708,678、12/256,780、12/486,449、12/920,968、12/922,587、13/000,229、13/033,135、13/533,110及13/891,410中。
圖4中描繪度量衡裝置，諸如散射計。該度量衡裝置包含將輻射投影至基板W上之寬頻(白光)輻射投影儀2。將反射或散射輻射傳遞至光譜儀偵測器4，該光譜儀偵測器4量測鏡面反射輻射之光譜6 (亦即，依據波長而變化之強度之量測)。根據此資料，可藉由處理單元PU (例如，藉由嚴密耦合波分析及非線性廻歸，或藉由與如圖3之底部處所展示之經模擬光譜庫比較)來重建構產生偵測到之光譜的結構或輪廓8。一般而言，對於重建構，結構之一般形式係已知的，且根據用來製造結構之程序的知識來假定一些參數，使得結構之僅幾個參數自散射量測資料判定。此類散射計可經組態為正入射散射計或斜入射散射計。
經由量測度量衡目標之微影參數的整體量測品質係至少部分地由用以量測此微影參數之量測配方來判定。術語「基板量測配方」可包括量測自身之一或多個參數、經量測之一或多個圖案的一或多個參數，或兩者。舉例而言，若用於基板量測配方中之量測為以繞射為基礎之光學量測，則量測之參數中之一或多者可包括輻射之波長、輻射之偏振、輻射相對於基板之入射角、輻射相對於基板上之圖案之定向等。用以選擇量測配方的準則中之一者可例如為量測參數中之一者對於處理變化的靈敏度。更多實例描述於以全文引用之方式併入本文中之美國專利申請案US2016-0161863及公開之美國專利申請案US 2016/0370717A1中。
用於IC製造之另一類型的度量衡工具為構形量測系統、位階感測器或高度感測器。此類工具可整合於微影裝置中，用於量測基板(或晶圓)之頂部表面的構形。基板之構形的映射(亦稱為高度圖)可由指示依據在基板上之位置而變化的基板之高度的此等量測產生。此高度圖隨後可用以在將圖案轉印於基板上期間校正基板之位置，以便在基板上之恰當聚焦位置中提供圖案化器件之空中影像。將理解，「高度」在此上下文中係指相對於基板大體上在平面外之尺寸(亦稱為Z軸)。典型地，位階或高度感測器在固定位置(相對於其自身光學系統)處執行量測，且基板與位階或高度感測器之光學系統之間的相對移動引起跨基板之位置處之高度量測。
圖5中示意性地展示此項技術中已知的位階或高度感測器LS之一實例，該圖5僅說明操作原理。在此實例中，位階感測器包含光學系統，該光學系統包括投影單元LSP及偵測單元LSD。投影單元LSP包含提供輻射光束LSB之輻射源LSO，該輻射光束LSB由投影單元LSP之投影光柵PGR賦予。輻射源LSO可為例如窄頻或寬頻光源(諸如超連續光譜光源)，偏振或非偏振、脈衝或連續(諸如偏振或非偏振雷射光束)。輻射源LSO可包括具有不同顏色或波長範圍之複數個輻射源，諸如複數個LED。位階感測器LS之輻射源LSO不限於可見光輻射，但可另外地或可替代地涵蓋UV及/或IR輻射及適合於自基板之表面反射的任何波長範圍。
投影光柵PGR為包含週期性結構的週期性光柵，該週期性結構產生具有週期性變化強度之輻射光束BE1。具有週期性變化強度之輻射光束BE1經導向基板W上的量測位置MLO，該輻射光束BE1具有0度與90度之間，通常70度與80度之間的相對於與入射基板表面垂直的軸線(Z軸)的入射角ANG。在量測位置MLO處，圖案化輻射光束BE1由基板W反射(由箭頭BE2指示)且經導向偵測單元LSD。
為了判定量測位置MLO處之高度位階，位階感測器進一步包含偵測系統，該偵測系統包含偵測光柵DGR、偵測器DET及用於處理偵測器DET之輸出信號的處理單元(未展示)。偵測光柵DGR可與投影光柵PGR一致。偵測器DET產生偵測器輸出信號，該偵測器輸出信號指示所接收之光，例如指示所接收之光的強度，諸如光偵測器，或表示所接收之強度的空間分佈，諸如相機。偵測器DET可包含一或多個偵測器類型之任何組合。
藉助於三角量測技術，可判定量測位置MLO處之高度位階。偵測到的高度位階通常與如藉由偵測器DET所量測之信號強度相關，該信號強度具有尤其視投影光柵PGR之設計及(傾斜)入射角ANG而定之週期性。
投影單元LSP及/或偵測單元LSD可沿投影光柵PGR與偵測光柵DGR之間的圖案化輻射光束之路徑(未展示)而包括其他光學元件，諸如透鏡及/或鏡面。
在實施例中，可省略偵測光柵DGR，且可將偵測器DET置放於偵測光柵DGR所在的位置處。此組態提供投影光柵PGR之影像的更直接偵測。
為有效地覆蓋基板W之表面，位階感測器LS可經組態以將參考光束陣列BE1投影至基板W之表面上，藉此產生覆蓋較大量測範圍的量測區域MLO或光斑陣列。
例如在皆以引用之方式併入的US7265364及US7646471中揭示一般類型之各種高度感測器。在以引用之方式併入的US2010233600A1中揭示使用UV輻射代替可見或紅外輻射之高度感測器。在以引用之方式併入的WO2016102127A1中，描述使用多元件偵測器來偵測及識別光柵影像之位置而無需偵測光柵的緊湊型高度感測器。
用於IC製造之另一種類型之度量衡工具為對準感測器。因此，微影裝置之效能的關鍵態樣能夠相對於置於先前層中(藉由相同裝置或不同微影裝置)之特徵恰當且準確地置放經施加圖案。為此目的，基板具備一或多組標記或目標。每一標記為稍後可使用位置感測器(通常為光學位置感測器)量測其位置之結構。位置感測器可稱為「對準感測器」，且標記可稱為「對準標記」。
微影裝置可包括可藉以準確地量測設置於基板上之對準標記之位置的一或多個(例如複數個)對準感測器。對準(或位置)感測器可使用光學現象，諸如繞射及干涉，以自形成於基板上之對準標記獲得位置資訊。用於當前微影裝置中之對準感測器的一實例係基於如US6961116中所描述之自參考干涉計。已開發出位置感測器之各種增強及修改，例如如US2015261097A1中所揭示。所有此等公開案之內容以引用之方式併入本文中。
圖6為諸如例如US6961116中所描述且以引用之方式併入的已知對準感測器AS之一實施例的示意性方塊圖。輻射源RSO提供具有一或多個波長之輻射光束RB，該輻射光束RB藉由轉向光學器件轉向至標記(諸如位於基板W上之標記AM)上作為照明光點SP。在此實例中，轉向光學器件包含光點鏡面SM及物鏡OL。照明標記AM之照明光點SP之直徑可略小於標記自身之寬度。
經對準標記AM繞射之輻射(在此實例中經由物鏡OL)經準直成資訊攜載光束IB。術語「繞射」意欲包括來自標記之零級繞射(其可稱為反射)。例如上文所提及之US6961116中所揭示之類型的自參考干涉計SRI以自身干涉光束IB，其後光束由光偵測器PD接收。可包括額外光學器件(未展示)以在由輻射源RSO產生多於一個波長之情況下提供單獨光束。光偵測器可為單個元件，或其視需要可包含數個像素。光偵測器可包含感測器陣列。
在此實例中包含光點鏡面SM之轉向光學器件亦可用以阻擋自標記反射之零階輻射，以使得資訊攜載光束IB僅包含來自標記AM之高階繞射輻射(此對於量測並非必需的，但提高信雜比)。
將強度信號SI供應至處理單元PU。藉由區塊SRI中進行之光學處理與在單元PU中進行之演算處理的組合，輸出基板相對於參考框架之X位置及Y位置的值。
所說明類型之單個量測僅將標記之位置固定在對應於該標記之一個間距的某一範圍內。結合此量測來使用較粗略量測技術，以識別正弦波之哪一週期為含有經標記位置之週期。可在不同波長下重複較粗略及/或較精細層級之同一程序，以用於提高準確度及/或用於穩固地偵測標記，而無關於製成標記之材料及供標記提供於上方及/或下方之材料。可光學地多工及解多工該等波長以便同時處理該等波長，及/或可藉由分時或分頻來多工該等波長。
在此實例中，對準感測器及光點SP保持靜止，而基板W移動。因此，對準感測器可剛性且準確地安裝至參考框架，同時在與基板W之移動方向相反之方向上有效地掃描標記AM。在此移動中，藉由將基板W安裝於基板支撐件上且基板定位系統控制基板支撐件之移動來控制基板W。基板支撐件位置感測器(例如干涉計)量測基板支撐件之位置(未展示)。在一實施例中，一或多個(對準)標記設置於基板支撐件上。對設置於基板支撐件上之標記之位置的量測允許校準如由位置感測器所判定之基板支撐件的位置(例如相對於對準系統所連接之框架)。對設置於基板上之對準標記之位置的量測允許判定基板相對於基板支撐件之位置。
對於光學半導體度量衡，檢測應用通常為較佳的，諸如在前述度量衡工具中之任一者中，輸出相干輻射之亮光源同時覆蓋寬波長範圍(例如自UV至IR)。此寬頻光源可有助於藉由允許在相同設定/系統中對具有不同材料特徵之晶圓進行光學檢測而無需任何硬體改變(例如改變光源以便具有特定波長)來提高應用之可撓性及穩固性。允許針對特定應用來最佳化波長亦意謂可進一步增大量測之準確度。
氣體雷射可用於此等應用中，該等氣體雷射係基於氣體放電效應以同時發射多個波長。然而，與氣體雷射相關聯的諸如高強度不穩定性及低空間不相干性之內在問題可能使其不合適。可替代地，來自具有不同波長之多個雷射(例如固態雷射)的輸出可在空間上經組合為度量衡或檢測系統之光學路徑以便提供多波長源。隨所要波長之數目而增加的複雜度及高實施成本阻止將此解決方案廣泛使用。相比之下，基於光纖之寬頻或白光雷射(亦稱為超連續光譜雷射)能夠發射具有高空間相干性及寬光譜覆蓋度(例如自UV至IR)的輻射，且因此為極引人注目且實用的選擇方案。
空芯光子晶體光纖(HC-PCF)為一種特殊類型之光纖，其包含中央空芯區及包圍空芯之內部包層結構，其兩者皆沿整個光纖軸向延伸。光導引機構經內部包層波導結構啟用，該內部包層波導結構可包含例如薄壁玻璃元件。輻射因此經顯著約束於空芯內部，且沿呈橫向芯模式之形式的光纖傳播。
可對多種類型之HC-PCF進行工程改造，每種基於不同物理導引機制。兩個此類HC-PCF包括：空芯光子帶隙光纖(HC-PBF)及空芯反諧振反射光纖(HC-ARF)。
HC-PCF包含經流體填充之中空通道，以使得其擁有用於各種光導引應用之所得所需特徵；該等應用例如使用HC-PBF進行高功率光束遞送及使用HC-ARF進行基於氣體之白光產生(或超連續光譜產生)。關於HC-PCF之設計及製造的細節可見於以引用之方式併入本文中之美國專利US2004175085 (針對HC-PBF)及歐洲專利申請案EP3136143A1 (針對HC-ARF)。HC-PBF經組態以經由光子帶隙效應提供較低損失但較窄頻寬光導引，該光子帶隙效應由包圍中央空芯之包層結構建立。然而，HC-ARF經工程改造以經由來自包層的光之反諧振反射而明顯加寬透射頻寬。
圖7以橫截面圖形式描繪兩種熟知類型之HC-ARF。圖7(a)展示Kagome光纖，其包含呈其包層CLA限定中空光纖芯FCO形式之Kagome晶格結構。此配置可由一或多個外部塗層OCO包圍。圖7(b)展示單環或旋轉光纖，其中空芯區FCO經形成且由一層非接觸環CLA包圍。
對於基於氣體之白光產生，HC-ARF可包含於氣室內，該氣室經設計成例如在高達數十巴(例如3至100巴之間)之壓力下操作。當由具有充足峰值功率之超短泵雷射脈衝泵送時，充氣HC-ARF可充當光學頻率轉換器。自超短泵雷射脈衝至寬頻雷射脈衝之頻率轉換係由充氣光纖內部之分散及非線性光學程序之複雜相互作用來實現的。經轉換雷射脈衝主要以橫向芯模式之形式限制於空芯內，且經引導至光纖末端。由光纖支援之橫向芯模式可描述為經線性偏振(LP)模式。在LP標記中，LP模式稱為LPmn ，其中m及n下標為表示特定模式之方位及徑向級之整數。基諧模式為LP01 模式。輻射之部分(例如高階橫向芯模式或特定波長)可經由內部包層波導結構自空芯洩漏，且在其沿光纖傳播期間經歷較強衰減。HC-ARF之芯區及包層區可經組態使得高階芯模式與高階包層模式相位匹配。以此方式，高階芯模式可與隨後衰減或經抑制之高階包層模式共振耦合。以此方式，可在寬光譜範圍中獲得低損失且有效的單一橫向模式透射。
沿PCF (諸如HC-PCF)透射之雷射脈衝的時空透射特徵(例如其頻譜振幅及相位)可經由調節泵雷射參數、填充氣體參數、光纖參數及泵耦合條件而經改變及調諧。該等透射特徵可包括以下中之一或多者：輸出功率、輸出模式輪廓、輸出時間輪廓、輸出時間輪廓之寬度(或輸出脈衝寬度)、輸出光譜輪廓及輸出光譜輪廓之頻寬(或輸出光譜頻寬)。該等泵雷射參數可包括以下中之一或多者：泵波長、泵脈衝能量、泵脈衝寬度、泵脈衝重複率。該等光纖參數可包括以下中之一或多者：光纖長度、空芯之大小及形狀、包層結構之大小及形狀、包圍空芯之壁的厚度。該等填充氣體參數可包括以下中之一或多者：氣體類型、氣體壓力及氣體溫度。判定泵雷射光束耦合至光纖芯中之程度如何之該等泵耦合條件可包括以下中之一或多者：泵雷射光束相對於光纖芯之角度偏移、泵雷射光束相對於光纖芯之橫向偏移及泵雷射光束與光纖芯之間的模式匹配。泵雷射光束與光纖芯之間的該模式匹配可藉由諸如泵雷射光束之光束直徑、泵雷射光束之發散、空芯之直徑及空芯之NA的參數來判定。
HC-PCF之填充氣體可為諸如氦(Helium)、氖(Neon)、氬(Argon)、氪(Krypton)及氙(Xenon)之惰性氣體；諸如氫、氘及氮之拉曼活性氣體(Raman active gas)；或諸如氬/氫混合物、氙/氘混合物、氪/氮混合物或氮/氫混合物之氣體混合物。視填充氣體之類型而定，非線性光學程序可包括調變不穩定性(MI)、孤立子分裂、克爾效應(Kerr effect)、拉曼效應(Raman effect)及分散波產生，其詳細內容描述於WO2018/127266A1及US9160137B1中(兩者皆特此以引用之方式併入)。由於可藉由改變氣室壓力來調諧填充氣體之分散，因此可調整所產生之寬頻脈衝動力學及相關光譜展寬特徵，以便最佳化頻率轉換。所產生之寬頻雷射輸出可覆蓋自UV (例如，＜200 nm)至中IR (例如，＞2000 nm)之波長。
當應用於半導體度量衡及對準應用時，諸如應用於前述度量衡工具中任一者中時，需要基於HC-PCF之寬頻光源之輸出輻射的橫向模式為基諧橫向模式，亦即LP01 。換言之，具有高或最大化模式純度(定義為基諧橫向模式之功率與總輸出功率之間的比率)之寬頻雷射光束通常為較佳的。此係由於基諧橫向模式具有比高階模式(HOM)之透射損失顯著更低之經由PCF (例如，HC-PCF)的透射損失。因此，若將所有泵光耦合至光纖之基諧橫向模式中，則其將為更功率高效的。此外，HOM之存在使模式品質及寬頻輸出之強度穩定性劣化。在需要高斯光束輪廓(Gaussian beam profile)之多種應用中，具有不良模式純度之寬頻輸出將在透射期間隨著將例如藉由空間濾光移除輸出之HOM內容而經歷明顯功率損失。強度穩定性之劣化產生高量測雜訊及不良量測一致性。
圖8示意性說明例示性基於HC-PCF之寬頻光源800。準直泵雷射光束811 (以特定重複率包含泵脈衝串)係自泵雷射810輸出且用作輸入雷射光束以在HC-PCF 841中產生寬頻輻射。準直泵雷射光束之傳播係由一或多個光束轉向組件(例如，形成光束遞送系統之部分) (此處描繪為兩個轉向鏡面820及821)控制且經導引穿過聚焦透鏡830。聚焦透鏡產生模式匹配至HC-PCF 841之光纖芯的泵雷射光束之適合的焦點。經聚焦泵雷射光束在經耦合至HC-PCF 841之芯之前投射穿過輸入光學窗842。具有特定光纖長度之HC-PCF 841可採用參考圖7之Kagome設計或單環設計。替代地，可使用其他光纖設計(未展示)，諸如實芯設計、抑制耦合設計、內擺線芯Kagome及嵌套管狀設計。在此實例中，整個HC-PCF 841包含於以特定壓力或壓力分佈填充有工作氣體或混合氣體之單一密閉氣室840中。在經耦合至充氣HC-PCF中之後，泵雷射脈衝沿其經歷明顯光譜加寬之光纖傳播。隨後經由輸出光學窗843自氣室840排出所得寬頻雷射脈衝880。接著藉由準直透鏡831將寬頻雷射光束880準直至適合之光束大小。
為藉由工作氣體填充HC-PCF，氣室可與加壓氣體供應器或儲集器(未展示)連通。氣室之壁及窗的內表面封閉腔室。氣室之軸平行於HC-PCF之軸。
泵脈衝持續時間可經選定以大於10fs，且更具體言之在10fs至100ps、10fs至30ps或10fs至1ps之範圍內。泵波長可選自可見狀態、近IR狀態或中IR狀態。泵雷射脈衝可具有數百赫茲(Hz)、數千赫茲(kHz)或數兆赫茲(MHz)之重複頻率。特定言之，重複率可經選定在100 kHz至100 MHz之範圍內，諸如100 kHz、500 kHz、1 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz、30 MHz、40 MHz。
泵雷射光束相對於HC-PCF之對準可包含兩個主要步驟，亦即粗糙對準及精細對準。以足夠低泵脈衝能量或泵功率執行粗糙對準以防止對HC-PCF之損害。此步驟將確保泵光束經正確地耦合至HC-PCF之空芯中且在HC-PCF之前部(或輸入)琢面處激勵橫向芯模式。在無粗糙對準之情況下，在高功率泵雷射光束之中心撞擊HC-PCF之包層壁時，可能出現損害。一旦橫向芯模式經激勵且透射效率(定義為光纖輸出功率與光纖輸入功率之間的比率)在低功率位準下經最大化，則開始高功率位準下之精細對準。同樣，精細對準之目的為進一步最大化透射效率。然而，在此習知最佳化方法中，經最大化透射效率(亦即，給定輸入功率下之經最大化輸出功率)不一定對應於最高模式純度。換言之，甚至在透射效率經最佳化之後，HOM內容仍可存在於寬頻光源的輸出中。此不一致之主要原因為泵雷射光束之橫向光束輪廓通常不完美，亦即M2 ＞1。因此，無論將總體透射效率最佳化之程度如何，將一直激勵HOM。
粗糙對準及精細對準兩者(例如，作為泵耦合最佳化之部分)可藉由以下中之一或多者實現：1)移動光束遞送系統中之至少一個光束轉向組件(表示為圖8及多個後續圖式中之兩個轉向鏡面，但此為純粹例示性光束遞送系統)；2)移動氣室及3)移動聚焦透鏡(若可獲得)。一或多個光束轉向組件或轉向鏡面可由動態鏡面安裝件固持，可經由諸如壓電致動器之致動器來手動及/或電動地調節該等動態鏡面安裝件。鏡面可藉由任何適合之固定配置固定，諸如(例如)將其背表面之一部分直接黏附至鏡面安裝件或藉由使用固定螺釘。可將氣室安裝在包含一或多個(例如，壓電)載物台之載物台模組上。載物台模組可提供具有多個自由度(例如六個自由度)之移動。另外或替代地，泵雷射光束相對於HC-PCF之對準亦可藉由將一或多個額外光學組件插入至泵雷射光束之光束路徑(例如，作為光束遞送系統之部分或以其他方式)來達成。此類光學組件可包含例如可產生輸入泵雷射光束之所需移動(角度及/或橫向)之兩個或更多個(可旋轉)光楔或任何其他光學組件。此等對準策略及方法中之任何一或多者可用於本文所描述之方法的泵耦合最佳化中。
為達成泵雷射光束與光纖芯之間的良好模式匹配，泵雷射光束可在進入光纖中之前由光學元件(例如，透鏡)聚焦，透鏡特性為經聚焦泵雷射光束之發散及直徑與光纖芯之數值孔徑(NA)及模場直徑良好匹配。由於當輸入泵雷射光束經固定時，經聚焦泵雷射光束之特徵係藉由透鏡判定的，因此不同HC-PCF可具有不同光纖特徵且因此可能需要不同聚焦透鏡以用於最佳模式匹配。類似地，當HC-PCF之特徵經固定時，例如具有不同光束直徑或光束發散之不同泵雷射光束可能需要不同聚焦透鏡以保持經聚焦光束直徑相同。
HOM之存在使模式品質及寬頻輸出之強度穩定性劣化。模式純度跨完整輸出光譜之不一致性導致波長相依輸出效能，若此寬頻光源用於前述度量衡工具中任一者，則其將不利地影響度量衡資料之可靠性及可重複性。典型地，當一或多個泵耦合條件未經最佳化時，觸發HOM。在寬頻光源之模式純度跨完整輸出光譜範圍經完全最佳化之一些情形中，HOM仍可在某些運行時間量之後出現在輸出處。操作期間之HOM的出現係由例如誘導泵耦合條件劣化之熱及/或振動漂移引起。
返回參看圖8中之寬頻光源的例示性設定，少量入射泵雷射光束可經由光束轉向組件(諸如轉向鏡面)之反射表面洩漏且入射於組件安裝機制上。此泵漏可加熱安裝機制且改變其條件。舉例而言，此加熱可導致用於將組件黏合至安裝機制之黏著劑軟化，導致組件且因此泵雷射光束相對於HC-PCF之較小未對準。由於基於HC-PCF之寬頻光源為對準敏感性的，因此泵雷射光束相對於HC-PCF之未對準可明顯劣化泵雷射光束至光纖芯中之耦合條件，導致HOM產生及/或寬頻輸出之模式純度劣化。泵雷射光束之未對準及/或對準變化亦可由其他因素誘發，諸如環境溫度振盪或外部振動。以類似方式，HC-PCF之熱及/或振動漂移亦導致HOM出現及/或寬頻輸出之模式純度劣化。
因此，非常需要在寬頻光源之操作期間最佳化及/或穩定寬頻輸出，特定言之LP01 模式。因此提出用於解決與基於PCF之寬頻光源相關聯的上文提及之模式純度問題的模式控制方法及裝置。
圖9說明根據一實施例之所提出模式控制系統的操作程序。在步驟910處，量測寬頻輸出光束之一或多個參數。此一或多個光束參數(亦即，寬頻輸出光束之參數)指示相對於基諧模式純度之輸出效能。在步驟920處，處理經量測資料。在步驟930處，藉由遵循預定準則集來評估經處理資料。步驟910至930之細節很大程度上視經監測光束參數及/或硬體設定而定且下文將描述此等步驟之更詳細實例。根據此類評估之結果，將在步驟940處產生控制信號。在步驟950處，控制信號用於控制寬頻光源之一或多個組件。寬頻光源之此等組件的控制最佳化泵耦合條件，使得就基諧橫向模式LP01 而言之模式純度經最大化。
可以各種方式達成泵耦合條件之最佳化。改良將泵雷射耦合至PCF中之任何方法可經使用且可藉由泵光束相對於PCF (例如，經由光束轉向組件或以其他方式)之移動，PCF相對於泵光束之移動或兩者組合的移動；或替代或另外地藉由改變任何干預光學組件(諸如聚焦組件)之位置或組態來實現。此可經執行，同時監測參考光束(且因此輸出光束)以確保模式純度經最佳化。因而，該方法可在封閉環路操作中實施，使得可連續地監測且最佳化寬頻輸出之橫向模式的改變。視經監測的光束參數之類型而定，可使用不同偵測機制，該等偵測機制中之每一者可能需要一或多個不同量測器件或組件。
圖10示意性地說明根據本發明之第一實施例的配備有用於光源之基諧橫向模式LP01 之最佳化及穩定化的模式控制系統1000的寬頻光源。在此實施例中，寬頻光源基本上類似於圖8中所說明之例示性光源800。為簡潔起見，在剩餘圖式中，等效組件及特徵可配備有相同附圖標號替代個別地描述(例如，圖8中之標記811、圖10中之1011、圖11中之1111等皆描述泵雷射光束)。
如圖10中所說明，主寬頻輸出光束1080之部分由光束分光器1051 (其視情況可包含於偵測單元1050內)之前表面反射且用作參考光束1081。應注意，光束分光器1051不應造成參考光束之任何空間及光譜畸變，使得參考光束1081及主寬頻輸出光束1080被視為享有相同光束特徵。參考光束1081由模式控制系統1000使用用於寬頻光源之基諧橫向模式LP01 的最佳化及穩定化。模式控制系統1000包含偵測單元1050、處理單元1060及控制單元1070。偵測單元1050量測寬頻輸出之一或多個參數。接著將所得量測資料發送至處理單元1060以進行資料處理及評估。基於該評估之結果，控制信號經產生且由控制單元1070使用來相應地控制一或多個光束控制系統組件。此類光束控制系統組件可包含例如一或多個光束遞送或光束轉向組件(例如，轉向鏡面1020、1021或其致動器)，移動氣室1040之致動器或載物台、移動(視情況存在之)聚焦透鏡1030的致動器及/或改變絕對偏振角度(例如，偏振維持HC-PCF，且需要光之偏振的某一絕對定向)之致動器(諸如，旋轉偏振器)。可以連續或定期方式執行資料量測及評估。
在第一實施例中，偵測單元包含帶通濾光器1052及諸如功率量測器件1053之照明量測器件(例如，功率計)，該照明量測器件經配置以使得功率量測器件1053量測濾光器之通帶的光譜範圍中之寬頻輸出的功率。視情況，帶通濾光器1052配置可具有可變通帶配置。以此方式，可獲得複數個光譜範圍中所量測之複數個功率值，每一功率值對應於每一帶通濾光器之每一光譜範圍。此可藉由將帶通濾光器1052連同一或多個不同帶通濾光器一起安裝在濾光器輪上來實現，使得在特定光譜範圍中完成功率量測(其與圖9之方法的步驟910一致)時，濾光器輪可旋轉，以便啟用不同帶通濾光器。可設想獲得可變帶通特徵之其他配置，包括例如提供串聯之可移動高通且可移動低通連續可變濾光器。
接著將來自功率量測器件1053之經量測功率值及用於該等量測之帶通濾光器的光譜資訊發送至處理單元1060以計算一或多個光譜參數值，諸如功率譜密度(PSD)或能譜密度值(此與圖9之方法的步驟920一致)。隨後藉由遵循某一準則集在處理單元1060中評估經計算PSD值(此與圖9之方法的步驟930一致)。處理單元1060可包含經組態以處理經量測資料且隨後對經處理資料執行評估之處理器。替代地或另外，可直接對經量測功率值執行評估。
在資料評估期間，可將經計算PSD值與對應光譜範圍中之參考PSD值進行比較，且基於該比較產生偏差值集合；其中偏差值包含經計算PSD值相對於參考PSD值之偏差程度的量測。參考PSD值可對應於指示最佳輸出之寬頻輸出光束的模式純度。可針對對應光譜範圍之預定偏差臨限值集合來評估偏差值集合，以便判定寬頻光源之泵耦合條件是否為可接受的。可將預定偏差臨限值設定成在例如參考PSD值之5%至25%範圍內之百分比(例如，參考PSD值之5%、10%、15%或20%)。若偏差值指示不可接受之泵耦合條件，使得寬頻輸出之模式純度為次佳的，則相應地產生及/或改變控制信號(此與圖9之方法的步驟940一致)。基於控制信號，控制單元1070將命令一或多個組件，以便改良/最佳化泵耦合條件且最大化寬頻輸出之模式純度(此與圖9之方法的步驟950一致)。
現將描述用於最佳化泵耦合條件之若干特定且僅為例示性的方法，其中控制單元1070 (或處理單元1060)可命令兩個光束轉向組件(例如，轉向鏡面1020、1121)在水平方向及豎直方向兩者上增量掃描。水平方向經定義為平行於光學台平面，且豎直方向經定義為垂直於台平面。此掃描實施適用於本文中所描述之所有實施例，但經監測的光束參數可不同於隨後實施例(如將顯而易見)。
在第一此類特定掃描實施中，此掃描可藉由以下來執行：在曲折或Z形路徑上掃描該等鏡面中之第一者(例如，鏡面1020)：例如可命令掃描以下序列之重複：在x方向上之所需範圍及y方向上之單一移動的第一遞增掃描，重複以覆蓋y方向上之所需範圍。當第一鏡面1020正在掃描時，第二鏡面1021保持在其原始位置中。每一遞增移動之後，進行量測，例如功率量測。以此方式，產生預定區域中之功率映圖及/或經計算PSD映圖。基於該(該等)映圖，第一鏡面之位置經最佳化且第二鏡面(例如1021)將開始以相同方式掃描。在鏡面掃描結束時，第二鏡面之位置亦將經最佳化。
在上文提及之掃描常式中，兩個鏡面經解耦。當一個鏡面正在掃描時，假定另一鏡面保持在最佳位置中。因此當兩個鏡面已自其各別最佳位置漂移時，此類配置並不理想。因而，在第二掃描實施中，可執行兩個或更多個光束轉向組件(例如，鏡面1020、1021)之共同最佳化。此特定實施可包含第一鏡面，例如在x方向上之預定範圍中進行增量移動的鏡面1020；隨後第二鏡面，例如掃描藉由x方向上之所需範圍及y方向上之所需範圍判定的完整區域的鏡面1021。當藉由第二鏡面之區域掃描完成時，第一鏡面在相同方向上進行另一遞增移動且第二鏡面執行另一區域掃描。此動作經重複直至第一鏡面達到x方向上之所需範圍的末端，當其在y方向上增量移動且在x方向上執行另一增量掃描時為止。當第一鏡面已掃描藉由x方向及y方向上之預定範圍判定的完整區域時，完整鏡面掃描程序完成。因而，將藉由第二鏡面產生第一鏡面之每一位置的功率映圖及/或經計算PSD映圖，且因而以此方式判定之最佳鏡面位置應為更準確的。
替代地或除控制(例如，掃描)一或多個光束轉向組件之外，寬頻光源之輸出模式純度的進一步最佳化可藉由控制(例如，增量掃描)氣室1040之位置來達成。氣室移動可藉由載物台模組來實現，且可包含一或多個方向上之橫向及/或角移動。此外，在一實施例中，可將聚焦透鏡1030安裝在允許透鏡根據一或多個自由度來移動的壓電載物台或載物台模組上。此類透鏡移動可進一步最佳化寬頻輸出1080之模式純度。
在另一實施例中，提供一種總成，其包含用於接收且改性輻射之光學元件、用於接收經改性輻射之接收元件及封閉接收元件之氣體環境，其中該總成進一步包含控制元件，該控制元件經組態以依賴於氣體環境之特性，藉由調節所接收輻射之改性或調節光學元件與接收元件之間的距離來穩定光學元件與接收元件之間的匹配條件。
在一實例中，光學元件可為聚焦透鏡1030且接收元件可為非線性光學元件，諸如非線性晶體或空芯光纖HC-PCF 1041。輻射可由(單色)泵雷射產生，由光學元件1030聚焦(改性)且由封閉於氣室1040內之接收元件1041接收。氣室1040可經組態以允許調節氣體環境之某些特性，諸如壓力、溫度及/或氣體組合物。典型地，氣體環境之調節之目標為獲得產生寬頻光之非線性光學程序的所需回應，例如調節寬頻光之波長光譜。然而，該等特性之變化(通常為氣體環境之溫度及壓力)可對光學元件1030與接收元件1041之間的匹配條件，諸如與將輻射耦合至HC-PCF 1041中之效率相關聯的焦點匹配條件具有直接影響。在氣體環境之特性為壓力及溫度變化之情況下，基礎物理原理允許估計焦點匹配條件之對應變化。氣體之折射率『n』視根據等式1(EQ[1])之氣體的壓力P及溫度T而定：
Figure 02_image001
EQ[1] P0及T0為參考壓力及溫度值，C1、C2、B1、B2為氣體之賽爾麥爾(Sellmeier)係數，且λ為泵雷射光之波長。
因折射率之該改變所致的泵雷射光相對於光纖1041之入口的焦點位置變化可藉由總成之基礎光學分析(特定言之，光學元件之功率及光學元件與接收元件之間的距離)來判定。舉例而言，在1um波長泵雷射源之情況下，氙氣體填充之15至17巴的壓力改變將使折射率增加大致0.0015。針對典型總成設計使用簡單光學模型，可判定此使得焦點偏移20至30 um。
由於該壓力及/或溫度變化誘導之聚焦變化可能不利於泵雷射光至光纖1041中之耦合效率。因此，此可經轉譯為光纖1041內產生的寬頻光之減小功率。因此需要提供聚焦控制構件，例如藉由併入控制元件(諸如致動器)，基於氣體環境之特性的可獲得資訊提供聚焦控制。
光學元件1030及/或氣室1040可經組態以允許泵雷射光相對於接收元件HC-PCF 1041之入口的可變聚焦。舉例而言，聚焦透鏡1030及/或氣室1040可為可藉由控制元件沿接收元件HC-PCF 1041之光軸(縱向方向)在某一範圍內移動。替代地，聚焦透鏡可包含具有可變光功率之光學表面(透鏡) (例如，透鏡/光學表面可藉由控制元件變形)或可為可藉由控制元件相對於彼此移動的透鏡(元件)。
進一步提出藉由感測構件週期性地量測氣體之壓力及/或溫度，判定氣體之折射率的對應改變且隨後判定因折射率的該改變所致的泵雷射光相對於接收元件1041之入口的焦點位置的變化。
在一實施例中，總成包含聚焦控制系統，該聚焦控制系統使用壓力及/或溫度量測值作為輸入且輸出對應於耦接至聚焦透鏡1030及/或氣室1040之一或多個控制元件(致動器)之控制信號的值。控制信號可經組態以提供焦點位置改變，該焦點位置改變至少部分地補償泵雷射光相對於光纖1041之入口的焦點位置的所判定變化。一或多個致動器可沿光軸來移動聚焦透鏡1030及/或氣室1040。一或多個致動器可定位包含於聚焦透鏡1030內之透鏡(元件)，以便引起焦點位置改變。一或多個致動器可使包含於聚焦透鏡1030內之光學表面或透鏡(元件)變形，以便引起焦點位置改變。替代地，一或多個致動器可控制定位於氣室之光路徑上游中的另一光學元件(未展示)之位置及/或光功率以引起焦點位置改變。
聚焦控制系統可包含基於該等壓力及/或溫度量測值、壓力及/或溫度之參考值、泵雷射光之波長及氣體之組合物及/或對應於氣體之賽爾麥爾係數而判定氣體之折射率變化的功能性。
聚焦控制系統可包含基於氣體之折射率的所判定變化及用於將泵雷射光耦合至光纖1041中之光學元件的特性及位置之知識而判定泵雷射光相對於光纖1041之入口的焦點位置的變化的功能性。
如本文中所描述之聚焦控制系統允許回應於氣體之變化條件(例如：溫度、壓力、氣體組合物)的自動化聚焦調節，確保泵雷射光至光纖1041中之高效耦合。因此，聚焦控制系統增加由光纖1041遞送之寬頻光之功率的穩定化。
替代地，寬頻光之功率在光纖1041之輸出處經週期性地量測且替代或除壓力及/或溫度量測讀出之外使用以提供針對一或多個致動器之控制信號。替代地，判定光纖之輸出處的功率與光纖之入口處的功率之間的比率。所判定比率可用於提供針對一或多個致動器之控制信號。
圖11說明第二實施例。在此實施例中，偵測單元包含空間濾光器1152，其可包含(例如)氣孔或單一模式光纖；及功率量測器件1153。類似於第一實施例，藉由光束分光器1151朝向寬頻輸出光束引導參考光束1181。空間濾光器1152經組態以移除寬頻輸出之HOM內容，使得僅量測且監測基諧橫向模式。由於基諧橫向模式及HOM具有不同發散角度及模式場直徑，因此可僅將輸出光束之基諧模式高效地耦合至單一模式光纖中且HOM不經耦合至單一模式光纖中或經導引至功率計進行功率量測。以類似方式，具有經謹慎選擇大小之氣孔僅允許透射基諧橫向模式且因此有效地移除輸出光束之HOM。
經空間濾光之後，藉由置放在偵測單元中之空間濾光器後方的功率量測器件1153來量測基諧橫向模式LP01 之功率。一或多個其他帶通濾光器(未展示)或其他濾光器配置可用於選擇一或多個所需光譜範圍用於功率量測。當一或多個泵耦合條件為次佳時，基諧橫向模式下之輸出功率開始下降。一旦基諧模式之功率降至低於預定功率臨限值，則控制信號經產生及/或改變且發送至控制單元1170。控制單元1170將啟動最佳化常式(例如，如上所述)以最佳化泵耦合條件，使得基諧橫向模式下之輸出功率充分增大(高於臨限值)，其指示改良的輸出模式純度。
應注意，功率下降可部分由準直透鏡1131及/或其他下游光學組件，諸如圖11中所說明之光束分光器1151的熱及/或振動漂移造成。因此，偵測單元1150中之一或多個光束對準量測器件(未展示)從而連續地或間歇地監測準直輸出光束1180及參考光束1181之位置。當證實準直輸出光束1180及/或參考光束1181之位置已漂移時，空間濾光器1152之位置可因此經最佳化以補償該漂移。
根據第三實施例，如圖12中所說明，偵測單元1250包含光束形狀量測器件1253 (更通常為光束形狀及/或大小量測器件)，該光束形狀量測器件1253量測入射參考光束1281之各種(例如，遠場)形狀/大小參數，諸如直徑/半徑、橢圓率、質心位置等中之一或多者。舉例而言，光束形狀量測器件1253可為掃描狹縫光束測繪器或CCD相機。一或多個其他帶通濾光器可用於選擇一或多個所需光譜範圍用於光束輪廓量測。由於HC-PCF 1241之基諧橫向模式具有高斯或近高斯場分佈且HOM具有非高斯場分佈，因此諸如橢圓率及光束直徑之光束形狀參數可用於(分別地或組合地)評估基諧模式純度。一旦量測，則將光束形狀參數發送至處理單元1260以進行資料處理及評估。若量測光束橢圓率經評估大於預定橢圓率臨限值，則寬頻輸出光束1280之模式純度經證實為次佳的。舉例而言，橢圓率臨限值可經設定成1.04與1.20之間的範圍內之值。替代地或另外，評估可包含將經量測光束直徑與使用HC-PCF 1241及準直透鏡1231之相關參數計算的準直高斯光束之參考值進行比較。若經量測光束直徑與參考光束直徑之間的差大於某一臨限值，則寬頻輸出光束1280之模式純度經證實為次佳的。在一實施例中，大小及橢圓率兩者經量測且針對各別臨限值評估為此等參數中之一者單獨並不一直完全指示模式純度。替代地或另外，此方法可監測光束之拉格爾-高斯(Laguerre-Gaussian)模式形狀且將此等形狀擬合至指示模式純度之拉格爾-高斯多項式(或以其他方式)。替代地或另外，可以類似方式監測且擬合任尼克(Zernike)多項式形狀。一旦次佳模式純度經證實，則藉由處理單元1260產生及/或改變控制信號且發送至控制單元1270用於泵耦合最佳化常式。
在一替代性實施例中，光學透鏡1252可包含於偵測單元內以將HC-PCF 1241之末端琢面成像至光束形狀量測器件1253上。相較於上文所述的評估輸出模式之遠場分佈的第三實施例實例，此實例替代地使用HC-PCF輸出之近場分佈進行模式評估。類似地，針對理論及/或經驗值來評估近場分佈之橢圓率及直徑。在一些情況下，以實驗方式導出之經驗值可能更可靠。
根據第四實施例，如圖13中所說明，偵測單元1350包含光譜量測配置；具體言之為：多模光纖1352及光譜量測器件(例如，光學分光計或光譜分析儀) 1353。多模光纖1352之一端經置放至光束路徑中且用於接收參考光束1381的至少一部分。多模光纖之另一端光學連接至經組態以分析參考光束1381之光譜特徵的光譜量測器件1353。參考光束1381之強度可由中性密度(ND)濾光器(未展示)衰減/控制以避免光纖琢面之損害及/或光譜量測器件之飽和。在一不同實施例中，可能不需要多模光纖1352。參考光束可經自由空間耦合至光譜量測器件中。
類似於將經量測光譜參數值(在彼情況下，PSD值)與對應光譜範圍中之參考值進行比較之第一實施例，在此實施例中，可將光譜參數值(例如，經量測光譜)與當已知寬頻輸出光束之模式純度為最佳時可獲得的參考光譜進行比較。視量測光譜與參考光譜之間的差程度而定，將產生控制信號且執行泵耦合最佳化。
在另一實施例中，如圖14中所說明，例如藉由多模光纖1452收集經由光纖包層洩漏之輻射1481。可僅自可剝離外塗層之HC-PCF 1441之區段，例如在HC-PCF 1441之末端區段處或附近(例如，輸出末端處或附近)收集此輻射1481。接著將經收集洩漏輻射1481導引至光譜量測器件1453以進行光譜量測。HC-PCF中之高階光纖芯模式在其沿光纖傳播時將經歷較基諧LP01 芯模式更高之限制損失。因此，在模式純度已劣化或為次佳的情況下，更多功率將經由包層結構洩漏，產生經量測光譜之增大幅值。因此，經量測光譜之幅值可用於評估寬頻輸出之模式純度是否為最佳的(例如，藉由與臨限值進行比較)。若模式純度經確認為次佳的，則將藉由處理單元產生控制信號且將藉由控制單元啟動泵耦合最佳化常式。
除基於改良耦合(基於功率或能量度量值或光束形狀度量值)之實施例之外，可量測經發射輻射之其他參數，諸如偏振吸光度及/或偏振角度。請注意，此等隨後參數無法根據自光纖之包層發射的光束或光直接量測，且僅可自來自光束分光器之副軸的光束或光部分地量測。
上述泵耦合最佳化方法主要關於泵雷射光束相對於HC-PCF之對準的精細對準態樣。現將描述主要針對粗糙對準之改良。應注意，上文泵耦合最佳化方法之方案空間與下文中論述之改良可能重疊。舉例而言，上文論述之泵耦合最佳化方法亦可具有對於粗糙對準之益處，且下文中論述之改良亦可提供一些精細對準。所提出方法及裝置使用一或多個適合之偵測器(例如，光電二極體及/或光功率計)來監測HC-PCF包層，且更具體言之徑向逸出HC-PCF之光。此實施例中之概念類似於相對於圖14所描述之精細對準(模式純度評估)的概念。可瞭解，前述實施例中之任一者的方法可獨立地或與上文所揭示之實施例中之任一者組合使用，在後一情況下，使得前述實施例中之任一者用於初始粗糙對準且前述實施例中之任一者隨後(亦即當粗糙地對準時)用於精細對準。請注意，所論述之粗糙對準亦可用於光束必須相對於光子晶體光纖之實芯對準之方案，該光子晶體光纖具有圍繞固體材料之芯的包層區域。
圖15(a)示意性地描繪根據此實施例之粗糙對準配置CA。粗糙對準配置CA包含光學元件(在此實例中為正透鏡POL)以將光束LB聚焦至HC-PCF之輸入表面INS上。如同在圖7之實例中，HC-PCF具有(中空)光纖芯FCO及包圍光纖芯FCO之內部包層波導結構(光纖包層CLA)。輸入表面INS定界HC-PCF之一端且經組態以接收光束LB，以便將光束LB之至少一部分耦合至光纖芯FCO中。
應注意，光學元件可為任何類型之光學元件且不必受限於正透鏡POL。舉例而言，光學元件可為離軸抛物面鏡。粗糙對準配置CA進一步包含配置於HC-PCF之光纖包層CLA附近或上之偵測器，諸如光感測器PHS。光感測器PHS此處經實施為光電二極體，但可為任何其他類型之光或其他電磁能量的感測器。光感測器PHS經配置以使得其可自在輸入表面INS處耦合至光纖包層CLA中之光束LB接收光。光感測器PHS進一步經組態以輸出代表由光感測器接收之光的量的信號SI，使得輸出信號SI代表耦合至光纖包層CLA中之光的量。因此，光感測器量測因光束LB與光纖芯FCO未對準所致而存在的散射至光纖包層CLA之外的光。視情況，可能在光感測器PHS之前存在光學濾光器，以濾除非所需波長/偏振及/或減小光量(例如，減小至二極體之動態範圍內)。
圖15(b)藉由省略光學元件POL且聚焦於HC-PCF之自由端來更詳細地描繪圖15(a)之粗糙對準配置CA，其中輸入表面INS接收光束LB。在圖15(b)中，可清晰看出光束LB並不與光纖芯FCO完全對準且因此光束LB之一部分經耦合至光纖芯FCO中且光束LB之另一部分經耦合至光纖包層CLA中。
在先前技術系統中，量測光束LB與光纖芯FCO之間的未對準通常藉由光纖子取樣量測，其中耦合至光纖芯FCO中之光的量係藉由改變(例如損害) HC-PCF以分接滯留在光纖芯FCO內部之光的一部分且將此部分引導至偵測器或感測器來量測。然而，此導致透射損失且可造成光譜改變及/或偏振吸光比改變。
在此實施例中，提出量測耦合至光纖包層CLA中之光並非耦合至光纖芯中之光。在圖15(b)之右側，展示具有在HC-PCF左側之光束LB的輸入表面INS。HC-PCF下方展示描繪當光束LB在X方向上自HC-PCF之左側移動至HC-PCF之右側時的輸出信號In之圖式，但此處應注意，可藉由以其他自由度移動獲得類似圖式。光束LB經展示開始大部分入射在光纖包層CLA外部，對應於對準位置AL1 (光束LB之各別配置的特定說明，光纖芯FCO及光纖包層CLA展示在每一值的正下方)。在對準位置Al2 處，光束LB大部分入射於光纖包層CLA上，導致輸出信號In之值增大。隨後，光束LB將入射至光纖芯FCO，導致輸出信號In的值減小；此對應於最佳對準位置ALB 。最後，光束LB將入射於光纖包層CLA上，同樣導致對準位置AL3 處之輸出信號In的值增大。因此，當輸出信號In處於第一最大值Inmax1 與第二最大值Inmax2 之間的最小值Inmin 時，當光束LB經最大耦合至光纖包層CLA中時，獲得光束LB與光纖芯FCO之間的最佳對準。
此處應注意，最小值Inmin 不必為零值。最小值Inmin 之非零值可為極可能或甚至有可能特定言之用於粗糙對準階段，例如，如實際上可始終存在自芯散射之某一位階的光。信號Inmin 亦可在寬頻光源之操作期間用於監測系統及/或對準及/或光纖之健康。
亦應瞭解，任何掃描將實際上為跨輸入表面INS之2維掃描。因而，模型將為如圖15(c)中所說明之三維模型，其展示類似於圖15(b)之2維曲線的三維模型，及其三個不同偏移橫截面(此處最大值經展示為在所有方向上相等，但此可能並非如此，如圖15(b)中所展示)。掃描演算法將因此旨在找到對應於X/Y平面上之所有方向上的最大值之間的共同最小值之位置。
粗糙對準策略可基於量測輸出信號及用於控制光束相對於HC-PCF之輸入琢面的位置之控制器的控制信號來在回饋環路中操作，從而找到此最小值Inmin 。此方法可能使用搜尋演算法，該搜尋演算法自動地搜尋輸入光束是否相對於中空HC-PCF之輸入充分對準。此方法可包含螺旋形掃描以找到由最大值限定之區域(例如，形成環形區)，且找到此區域內之最小值。
圖16示意性地描繪另一粗糙對準配置CA。圖16在左側及右側分別展示HC-PCF之側視圖及圍繞HC-PCF配置之光感測器PHS (或其他偵測器)的正視圖。HC-PCF包含中空光纖芯及包圍光纖芯之光纖包層，如其他圖式中所描繪，但此處未明確展示。HC-PCF進一步包含輸入表面INS，該輸入表面INS經組態以在HC-PCF的一端接收光束以便將該光束之至少一部分耦合至光纖芯中。光感測器PHS經配置以自在輸入表面INS處耦合至光纖包層中之光束接收光，其中光感測器經組態以輸出代表由光感測器接收之光的量的信號。
光感測器PHS可具有能夠偵測落入個別多個單獨區域之光的量的多個單獨區域。若具有多個單獨區域之此光感測器PHS經配置以圍繞HC-PCF，則可獲得相對於自光纖包層輸出特定光量之方向之資訊。此方向性資訊可用於操控光束對準至視所偵測到之方向性資訊而定的方向中。
在圖16之實施例中，光感測器PHS配置於輸入表面INS附近的光纖包層上。光感測器PHS繞HC-PCF之縱向軸線LAF在HC-PCF之徑向方向RAD上延伸超過角度α，在此情況下，該角度α大於180度，甚至大於270度，且幾乎為360度。此實施例可有利地用於增大雜訊比，就增大的角度α而論，光感測器PHS接收更多的光。
圖17示意性地描繪另一粗糙對準配置CA。圖17之粗糙對準配置類似於圖16之粗糙對準配置且此處僅描繪前視圖以解釋兩個實施例之間的主要不同。主要不同為：在圖16之實施例中，粗糙對準配置CA包含各自具有相同功能之兩個光感測器，亦即第一光感測器PHS1及第二光感測器PHS2。如所見，第一光感測器PHS1及第二光感測器PHS2經設置沿HC-PCF之外周大體均勻地分佈在徑向方向RAD上，其中每一光感測器分別繞HC-PCF之縱向軸線LAF在HC-PCF之徑向方向RAD上延伸超過角度α及β，該等角度小於180度，但較佳地大於90度。
第一光感測器PHS1提供第一輸出信號In1，且第二光感測器PHS2提供第二輸出信號In2。可以與圖15及圖16之實施例的光感測器PHS之輸出信號In類似之方式使用信號In1及信號In2之組合。然而，此配置之優勢為接收信號In1及信號In2兩者之控制單元亦可判定信號In1及信號In2之線性或權重不同，其可用於判定在哪一方向上光束需要位移或傾斜以將光束與光纖芯對準。
儘管未展示，但可設想在一實施例中，三個或更多個光感測器可沿光纖之外周經設置且大體徑向均勻地分佈，其中每一光感測器繞光纖之縱向軸線在光纖之徑向方向上延伸超過小於360/n度(其中n為光感測器的量)之角度(例如在三個光感測器的情況下小於120度之角度)。
在圖17中所描繪之配置的變化中，第二光感測器PHS2可經與僅單一光感測器PHS1組合使用之鏡面元件置換。鏡面元件朝向光感測器PHS1反射在輸入表面處耦合至光纖包層中之光。其結果為可改良雜訊比。鏡面元件不必配置於光纖上，但可替代地以其距離圍繞光纖配置。鏡面元件亦可伴有一或多個其他鏡面元件，該一或多個其他鏡面元件皆經組態以將耦合至光纖包層中之光朝向光感測器PHS1反射。
此粗糙對準配置之優勢為在例如因代替組件或漂移所致之未對準之後，可將光耦合至光纖之芯中，可線上進行該耦合而不必改變或斷開系統。
圖18示意性地描繪可用於實際控制粗糙對準配置及/或如本文所揭示之精細對準實施例中之任一者中之輸入面上之光束的具有特定光束轉向配置或光學操控單元OMU之光學系統OS。
光學系統OS包含光源LIS及光學操控單元OMU。光源LIS使用光纖HC-PCF及輸出連接器OC將光束LB提供至光學操控單元OMU，該輸出連接器OC可包含準直器以將準直光束LB提供至光學操控單元OMU。光源LIS可為白光源或超連續光譜源。
光學操控單元OMU包含經組態以接收輸出連接器OC之輸入器件ID。應瞭解，已高度示意性描繪輸入器件ID及輸出連接器OC，但彼兩種組件可包含允許輸出連接器OC為可拆卸地但穩固地連接至輸入器件ID，允許替代輸出連接器OC或斷開輸出連接器OC且隨後再次連接輸出連接器OC之特徵。
光學操控單元OMU進一步包含經組態以操控光束LB之一或多個光學元件。將光束引導至濾光器單元FU之鏡面MI經描繪為圖18中之此類光學元件的一實例，該濾光器單元FU經組態以對通過濾光器單元FU之光束進行濾光。濾光可包含光束之光譜濾光、偏振濾光及/或總體衰減。
此處提及濾光器單元之存在並不意謂其他光學元件亦不具有濾光功能，例如呈反射或透射帶通濾光器形式。因此，鏡面MI可具有此替代或其他濾光功能。
在此實施例中，光束傾斜調節器TA經設置於濾光器單元FU之下游以調節光束LB之傳播方向。光束傾斜調節器TA包含串聯配置之第一楔形稜鏡WP1及第二楔形稜鏡WP2，其中每一楔形稜鏡WP1、WP2包含各別傾斜致動器A1、A2以繞其各別光軸旋轉對應楔形稜鏡WP1、WP2，在圖18中，其主要在X方向上延伸。傾斜致動器A1、A2為傾斜致動系統之部分。
在此實施例中，提供光束位移器件DD，其經配置於光束傾斜調節器TA之下游以使光束LB位移。光束位移器件DD包含平面平行板PP及位移致動系統，該位移致動系統使用致動器A3關於第一軸且使用致動器A4繞第二軸旋轉平面平行板PP，該第一軸及第二軸大體上彼此垂直且垂直於光束之傳播方向。當光束LB之傳播方向大體上在X方向上時，第一軸可例如大體上平行於Y方向且第二軸可例如大體上平行於Z方向。
光學操控單元OMU進一步包含連接至傾斜致動系統(A1、A2)之控制單元CU及位移致動系統(A3、A4)，以便調節光束之傳播方向且使光束位移以便將光束LB朝向輸入連接器INC引導。輸入連接器INC經容納於光學操控單元OMU之輸出器件OD中且可包含將光耦合至光纖HC-PCF中之耦合器件。類似於輸入器件ID及輸出連接器OC，輸出器件ID及輸入連接器INC在此處經高度示意性地描繪且因此可包含允許其穩固地且可能可拆卸地彼此連接，允許輸入連接器INC經新型或不同輸入連接器INC置換或斷開連接且再次連接(例如用於維護)之特徵。
如在此實例中，光纖HC-PCF可包含使用連接器CON彼此連接之第一光纖部分及第二光纖部分。連接器CON或光纖HC-PCF可經組態以將通過連接器CON之光的一部分，較佳地一小部分引導至偵測器DE判定光纖HC-PCF中之光束的光強度，該光強度為藉由輸入連接器INC之耦合器件耦合至光纖中之光量的量測。
因此，光纖HC-PCF中之光束的所判定光強度可用於操作控制單元CU來控制傾斜致動系統直至輸入連接器INC接收光束為止。在一實施例中，控制單元CU可經組態以控制傾斜致動系統，使得光束沿螺旋形圖案移動，在此情況下，在Z-Y平面中，以便找到待由輸入連接器INC接收之光束的所需傳播方向之第一估計值，且隨後傾斜致動系統及/或位移致動系統經控制以圍繞第一估計值移動經操控光束以便找到光束之所需傳播方向及/或位移的改良的第一估計值。在螺旋形圖案中移動光束可藉由以不同角度速度旋轉兩個楔形稜鏡WP1、WP2來實現。第一估計值及第二估計值可均為粗糙對準估計值，其中本文中另外揭示之精細對準策略應用於精細對準。替代地，第一估計值可與粗糙對準相關且第二估計值可與最終對準相關。在後一實例中，精細對準可依賴於本文中所描述之其他量測策略中之一者。
根據另一實施例，提供時序控制系統，其經組態以用於控制基於HC-PCF之寬頻光源的泵雷射脈衝及/或寬頻輸出脈衝之時序。雷射脈衝之時序控制通常為需要雷射脈衝相對於時序基準之精確時間位置的應用所需的且通常使用例如基於微處理器或微控制器之技術來達成。典型先前技術時序控制系統可包含一或多個微處理器、中央處理單元(CPU)及記憶體單元。當基於此微處理器之時序控制系統用於控制基於HC-PCF之寬頻光源的時序時，泵雷射脈衝、寬頻輸出脈衝及來自一或多個光學用戶端(例如光學感測器)的所產生信號的時序可經判定及/或同步化。然而，使用先前技術時序控制系統來控制基於HC-PCF之寬頻光源的時序具有許多技術挑戰或缺點。首先，基於HC-PCF之光源包含通常遠離彼此定位之多個組件。舉例而言，將泵雷射(通常包含晶種雷射、前置放大器、脈衝伸展器、功率推進器及脈衝壓縮器)連接至可定位在超過10公尺遠之超連續光譜光纖。此等組件之間(例如晶種雷射與超連續光譜光纖之間)的連通可導致不可忽略的時間延遲。第二，泵雷射之時序由於其複雜的光學架構(例如，包含晶種雷射、前置放大器、脈衝伸展器、功率推進器及脈衝壓縮器之光學系統)而為複雜的。因此，泵雷射之每一組件將對泵雷射脈衝之時序具有影響。寬頻輸出脈衝之時序由於產生具有不同時序之不同波長的脈衝內組延遲分散而亦為複雜的。彼等複雜時序對時序控制系統之效能(例如，時序準確度)施加迫切需求且通常由複雜控制架構履行。此外，來自光學用戶端(例如光學感測器)中之每一者的所產生信號需要在可由其他組件之其他控制單元使用之前經處理。為滿足此要求，先前技術時序控制系統通常配備有信號處理功能性，藉此產生甚至更複雜的控制架構。
上文所提及缺點造成任何兩個組件(例如晶種雷射與用於監測超連續光譜輸出之光學用戶端中之一者)之間的時間延遲之準確預測及/或模型化的困難。儘管藉由時序控制系統判定之時間延遲可針對量測資料進行校準，使得可校正時序誤差，然而，此方法由於基於HC-PCF光源之雷射脈衝過短而不能準確量測而並不實際用於基於HC-PCF之光源。為獲得最佳可能時序效能，需要經組態以在預定界限內操作之外延控制韌體及/或軟體外延控制韌體及/或軟體連同基於複雜微處理器之硬體一起使得完整時序控制系統過度複雜且昂貴。由於基於韌體或軟體之控制系統更易於誤差，因此其花費大量時間及精力來使其穩固。
根據本發明之一不同態樣，下文描述之實施例提供對於上述問題之更佳解決方案。以下實施例較先前技術時序控制系統之明顯優勢為避免使用微處理器或類似技術。
圖19示意性說明根據一實施例之經組態以用於時序控制基於HC-PCF之寬頻光源的時序控制系統。參看圖19，時序控制系統可包含經組態以偵測或監測氣室1940之壓力改變的壓力感測器1944 (例如，極高速壓力感測器)。在此實施例中，可藉由連接至氣室壁1946之內側的支撐結構1945來將壓力感測器1944固持在HC-PCF 1941之輸出端附近。在一些不同實施例中，可將壓力感測器1944安裝在氣室壁1946之內側正上方。氣體感測器1944可經由以密封方式穿過氣室壁1946之一或多個信號電纜而與外部器件連通或經由饋通連接器連接至外部電纜。
繼續參看圖19，藉由聚焦透鏡1930聚焦包含泵雷射脈衝串1912之泵雷射光束1911。經聚焦泵雷射光束1911在耦合至HC-PCF 1941之芯中之前穿過氣室1940的輸入窗1942。在沿光纖傳播時，每一泵雷射脈衝1912經由上述非線性光學程序光譜地加寬成寬頻輸出脈衝1982。在離開氣室1940之後，藉由準直透鏡1931使包含寬頻輸出脈衝串1982之寬頻輸出光束1980準直。自非線性程序開始起，泵雷射脈衝1912之光譜頻寬持續增大(例如，光譜變寬)直至光譜加寬之脈衝離開光纖為止。一旦離開光纖，寬頻輸出脈衝1982可在離開氣室1940之輸出窗1943之前在氣室1940內部行進較短距離。當進入氣室1940中時，寬頻輸出脈衝1982在氣室1940內部產生壓力波。此壓力波之幅值可受多個因素影響，諸如氣室1940之操作條件(例如，氣室壓力、氣體類型)及寬頻輸出脈衝1982之雷射參數(例如，脈衝能量、脈衝光譜、脈衝寬度)。壓力波(時間上)改變氣室1940之內部壓力分佈。壓力感測器1944之位置處的所得壓力改變係藉由壓力感測器偵測且隨後由壓力感測器1944轉換為電信號。在一些實施例中，電信號可用作指示產生寬頻輸出脈衝1982之時序的輸出脈衝觸發信號。另外或替代地，可將此電信號發送至寬頻光源之處理單元1060、1160、1260、1360、1460及/或控制單元1070、1170、1270、1370、1470，使得可實現不同功能性，例如輸出寬頻脈衝突發。
應注意，當泵雷射脈衝在耦合至HC-PCF 1941之前進入氣室1940中時，亦產生壓力波。因此，在一些實施例中，泵雷射脈衝1911進入氣室1940中之時序亦可使用同一壓力感測器1944及/或例如鄰近於輸入窗1942定位的其他壓力感測器(未展示)來判定。
結合寬頻輸出脈衝1982之時序，可判定泵雷射脈衝1911與寬頻輸出脈衝1982之間的相對時間延遲。應注意，由於寬頻輸出脈衝1982與泵雷射脈衝1911本質上同步(以固定時間關係)，因此寬頻輸出脈衝1982之電信號因此亦與泵雷射脈衝1911之電信號同步。兩個脈衝串(亦即，泵雷射脈衝串及寬頻輸出脈衝串)在時間上偏移達上述時間延遲的量。在一些其他實施例中，時序控制系統可進一步包含經組態以調節或最小化兩個脈衝串之間的時間延遲之可調節光學延遲線。
可瞭解，上文關於圖19所描述之方法可獨立地或與本文中揭示之其他實施例中之任一者組合使用。當組合使用時，基於模式純度之實施例可用於初始對準(粗糙及/或精細)且前述實施例中任一者隨後(亦即當光源經正確地對準時)用於時序控制。
對於一些度量衡或檢測工具，諸如上述基於散射術之度量衡工具，度量衡工具之效能可很大程度上受工具之照明輻射的偏振特性影響。此類偏振特性可包括偏振吸光比(PER)或偏振品質、偏振穩定性及主要經線性偏振光之定向等。PER經定義為通常稱作橫向電(TE)及橫向磁(TM)之兩種垂直偏振之功率比率且通常用於表徵線性偏振良好程度。偏振穩定性用於表徵隨著時間推移可維持偏振狀態穩定之程度。由於組件老化及/或移動，照明輻射之偏振將隨著時間推移而改變，從而導致偏振旋轉及/或PER劣化。若具有不良PER之照明光束用於偏振敏感性度量衡工具(例如散射計)中，則非所需偏振方向上之光功率將不會有助於量測且可甚至造成背景散射，藉此減小偵測信號雜訊比(SNR)。此外，由於所需偏振方向上僅光功率用於量測，因此度量衡工具之功率效率較低。類似地，若具有不穩定偏振之照明光束用於(例如)散射計中，則所接收偏振之變化通常引起晶圓級處之功率波動，損害度量衡工具之保真度。因此，需要使用能夠提供良好偏振穩定性之照明源。
當基於HC-PCF之寬頻光源(諸如圖10至圖14中所描述之彼等寬頻光源)用作例如散射計中之照明源時，需要具有良好PER之線性偏振寬頻輸出光束。由於寬頻輸出光束主要自泵雷射光束繼承偏振特性，因此可使用具有良好PER之線性偏振泵雷射光束。對於完美製得且直式HC-PCF (在無應力的情況下安裝)，期望寬頻輸出光束之PER不依賴於輸入(泵)偏振方向。然而，研究已發現當經由HC-PCF耦合低泵功率(亦即，HC-PCF中未出現光譜變寬)時，透射泵雷射光束之PER隨著輸入(泵)偏振方向週期性地變化。此藉由以下事實解釋：HC-PCF之略微不對稱將引起較小光學雙折射，藉此有效地使光纖成為具有快軸及慢軸之長偏振延遲器(或波板)。HC-PCF之略微不對稱性可能因製造公差及/或安裝誘導之光纖應力所致。製造公差可導致HC-PCF之結構性芯直徑之波動，藉此有效地使得芯變為輕微橢圓形。因此，正交輸入偏振可看見不同的峰下標(亦即，形成快及慢軸)且經歷不同的衰減。當泵雷射光束之偏振方向與光纖之快或慢軸匹配時，維持泵光束之偏振保真度。然而，當泵雷射光束之偏振方向與光纖之快或慢軸之間存在不匹配時，經透射泵雷射光束之PER將劣化。
因此，為獲得具有高PER之線性偏振寬頻輸出光束，有必要將泵雷射光束之偏振方向與光纖之較佳雙折射軸準確對準。對於工業化雷射產物，泵雷射光束之偏振方向在工廠建造期間經完全最佳化。泵雷射光束之偏振方向的控制/最佳化通常在低功率位準下且使用偏振控制器件(例如半波片HWP)達成，在HC-PCF中耦合中之前，該偏振控制器件可位於泵雷射光束之光束路徑中。當泵雷射光束之偏振方向經HWP旋轉時，藉由偏振計量測傳播穿過光纖之後的泵雷射光束之PER。然而，不論何時置換關鍵組件(例如，氣室或HC-PCF)，例如出於維護或修復之目的，需要重新最佳化泵雷射光束相對於較佳光纖軸之偏振方向。此意謂將需要偏振計來表徵且證實重新最佳化期間及之後的雷射PER。另外，定製設計加工亦可用於存取及/或控制某些組件，例如經封裝雷射產物中之HWP。儘管可能預先表徵HC-PCF之軸定向且使用此類資訊將光纖之絕對旋轉對準，但泵偏振之任何改變仍可引起輸出PER之劣化。因此，偏振計仍將用作例如永久性產物中診斷以監測由經透射泵雷射光束之PER表明的泵偏振之穩定性。偏振計為昂貴且大型診斷性器件。為每一基於HC-PCF之寬頻雷射源裝備偏振計增大成本且強加對於雷射產物之佔據面積的限制。
根據本發明之不同態樣，提出一種解決上述問題之方法。所提出方法係基於以下發現：當線性偏振輻射光束傳播穿過具有非對稱峰折射率輪廓之波導結構(例如具有(輕微)橢圓形橫截面之光纖)時，輸出光束之PER與輸出功率很大程度上相關。因此，可使用光纖輸出處量測的功率來間接評估或推斷泵雷射光束之偏振與光纖之較佳軸的對準之良好程度。若泵光束之偏振方向與較佳光纖軸之間的角度偏移與光纖輸出處之功率之間的關係為已知的，則亦可使用光纖輸出處量測的功率來判定光纖輸入處的泵光束之偏振方向與較佳光纖軸之間的角度偏移。由於功率量測器件為最常見診斷性設備且較偏振計便宜許多，因此該方法由於其避免偏振計之需要而優於先前技術方法。
輸出功率與PER之相關性可藉由HC-PCF之結構性特徵解釋：基諧導引模式(LP01 )之峰指數及衰減可藉由以下估算：
Figure 02_image003
及
Figure 02_image005
其中，u 01 為第一種類J0 之貝塞爾(Bessel)函數的第1個零，λ 為波長且D 為內接芯直徑。因而，亦可以此方式監測模式純度。
圖20示意性說明根據一不同實施例之經組態以用於偏振控制基於HC-PCF之寬頻光源的偏振控制系統。參看圖20，偏振控制系統可包含用於控制泵雷射光束2011之偏振的HWP 2029。可將HWP 2029置放在泵雷射2010與氣室2040之輸入窗2042之間的任何位置。在泵聚焦透鏡2030用於將泵雷射光束2011聚焦至HC-PCF 2041之芯中之情況下，較佳地係將HWP 2029置放在聚焦透鏡2030之前，此係由於此可避免HWP 2029受到具有更高峰強度之聚焦雷射光束之潛在破壞。
在一實施例中，偏振控制系統可進一步包含置放於輸出光束2080之光束路徑上，較佳地準直透鏡2031之後以避免可能性損害之光束分光器2051。光束分光器2051可分離輸出光束2080之部分且可將其反射至偵測單元2050中用於診斷性目的。自光束分光器2051反射之輸出光束2080之部分可標記為參考光束2081。偵測單元2050可包含功率量測器件2053，諸如量測參考光束2081之功率的功率計。在由功率量測器件2053接收之前，參考光束2081可穿過用於自參考光束2081之光譜選擇所需波長範圍的一或多個光學濾光器2052。應注意，除對輸出光束2080施加功率分流比以外，光束分光器2051對參考光束2081之光學特性的影響可忽略不計。
在一些實施例中，偏振控制系統可在高功率或能量狀態下操作，其中泵雷射功率/能量較高且泵脈衝之橫穿光纖之後將經歷明顯光譜變寬。在一些其他實施例中，偏振控制系統可在低功率/能量狀態下操作，其中泵雷射功率/能量較低且泵脈衝在橫穿光纖時將不會經歷光譜變寬。當在低功率狀態下操作時，輸出光束2080具有與泵雷射光束之光譜大體上相同的光譜。由於泵雷射光束通常具有窄頻光譜，因此可能不需要光譜濾光且因此可能不使用光學濾光器2052。相比之下，當在高功率狀態下操作時，輸出光束2080具有較泵雷射光束之光譜明顯更寬的寬頻光譜。在此情況下，可需要光譜濾光以僅量測所需光譜範圍中之功率且因此可使用一或多個光學濾光器2052。在一些實施例中，可移除光束分光器2051且可將偵測單元2050置放於輸出光束2080之光束路徑上，使得功率量測器件2053接收完整輸出光束2080。
繼續參看圖20，偏振控制系統可進一步包含處理單元2060及控制單元2070。功率量測器件2053量測參考光束2081之功率且隨後產生功率信號。可將所產生功率信號發送至處理所接收功率信號(例如，以預定方式)之處理單元2060。接著，可將經處理功率信號發送至控制單元2070，該控制單元2070基於經處理功率信號來產生對應控制信號。控制單元2070可包含用於儲存經處理資料的記憶體單元。最後，控制信號可用於對HWP 2029進行適合之調節。應注意，處理單元2060及控制單元2070並不必須為單獨單元，但替代地可經整合至執行由處理單元2060及控制單元2070執行的所有任務之一個處理及控制單元(未展示)中。
如上文所提及，偏振控制系統可用於在至少兩個情境(例如組件替代及長期偏振穩定性)中最佳化泵雷射光束相對於HC-PCF之較佳軸的偏振方向。偏振控制系統可以兩種不同常式操作。在關鍵組件(例如氣室2040)經置換之情境中，需要重新最佳化泵雷射光束2011之偏振方向從而匹配新型光纖2041之較佳軸。在一些實施例中，此可藉由將HWP 2029旋轉一個整圈或360º來達成。在其他實施例中，HWP 2029可經旋轉超過360º，諸如540º、720º、900º或1080º。在一些實施例中，可將HWP 2029安裝在例如使HWP 2029旋轉較小增量之機動旋轉安裝台上。視解析度要求而定，每一增量步驟可對應於較小旋轉角度，諸如1º/步驟、2º/步驟、5º/步驟或10º/步驟。
參看圖20，在最佳化程序期間，控制單元2070將控制信號發送至HWP 2029，從而命令該HWP 2029進行旋轉任務，例如以5º步長(或72步驟)增量旋轉360º。每一旋轉步驟之後，藉由功率量測器件，例如功率計量測參考光束2081之功率。藉由處理處理單元2060，例如藉由求平均值及/或濾光來處理由功率量測器件2053產生的功率信號。可將經處理功率信號發送至控制單元2070，其中針對HWP 2029之當前角位將功率值保存在例如記憶體單元中。在旋轉任務(亦即以5º步長旋轉360º)結束時，將產生並儲存具有72對功率及角度值之資料表。基於資料，可經由例如資料之內插法來判定輸出光束2080 (或參考光束2081)之功率與HWP 2029之角位之間的關係。參考現有PER-功率相關性曲線(其指示每一功率最小值對應於PER最大值)，可將功率-角度關係轉換為PER-角度關係，可根據該PER-角度關係來判定能夠得到最大PER (或最小功率)之最佳HWP位置。
在將監測及/或維持長期PER穩定性之情形中，可藉由功率量測器件2053連續地或間歇地量測/取樣輸出光束2080或參考光束2081之功率。應注意，假定在可監測及/或維持長期PER穩定性之前，已可獲得寬頻光源之功率-角度關係。由功率量測器件2053產生之功率信號可在發送至控制單元2070之前由處理單元2060處理，例如跨多個取樣點求平均值。在接收經處理功率信號之後，控制單元2070可將經處理功率信號與預定功率臨限值進行比較。若功率信號高於功率臨限值，則控制單元2070可能不產生任何控制信號。然而，若功率信號低於功率臨限值，則產生控制信號。控制信號可命令HWP 2029進行對應旋轉任務。在一些實施例中，旋轉任務可包含HWP之完整360º旋轉，諸如上文所述的實例。替代地，在其他實施例中，旋轉任務可包含圍繞HWP 2029之當前角位的較小角度旋轉。當輸出光束2080或參考光束2081之PER (由經量測功率表明)經最佳化時，可判定HWP 2029之新角位。控制單元2070接著可藉由記憶體中之新角位(若可獲得)更新設定角位。遵循彼程序，偏振控制系統繼續監測長期PER穩定性。
由於輸出光束2080或參考光束2081之功率可指示模式純度，因此此章節之方法可用於本文中所描述之模式控制系統中。
應注意，功率量測器件2053之數量、位置及類型不受限於已描述的數量、位置及類型。在一些實施例中，可將『小型』功率量測器件置放於HC-PCF光纖之輸出端附近，使得可量測光纖尖端處之散射光的功率。由於光纖尖端處之散射光的功率與寬頻輸出光束之功率以線性方式成比例，因此用於PER最佳化之上述方法仍保持有效。在一些實施例中，微型器件可包含多模式光纖及功率計。可將氣室2040或HC-PCF 2041中之一或兩者安裝在機動旋轉載物台上且HWP 2029可具有固定角位。以此方式，代替旋轉HWP 2029用於PER最佳化，氣室2040或HC-PCF 2041或兩者可經旋轉以最小化泵偏振方向與光纖之一個軸之間的角度差且因此最大化輸出光束2080之PER。
可瞭解，前述實施例中之任一者的方法可獨立地或與上文所揭示之其他實施例中之任一者組合使用，在後一情況下，作為模式控制系統之部分及/或使得前述實施例中之任一者用於初始對準(粗糙及/或精細)。另外或替代地，可隨後(亦即當光源經正確地對準時)使用另一實施例以後續偏振最佳化。當獨立地使用時，上述實施例並不限於應用於基於HC-PCF之寬頻光源，而是可用於判定及/或最佳化泵雷射光束之偏振方向與標稱地圓柱塑形之波導的光學平面之間的相對角度。
應注意，基於HC-PCF之寬頻光源之組態並不限於所說明或描述之特定配置，且可實施不同組態。舉例而言，泵雷射1010、1110、1210、1310、1410可經組態以輸出彙集泵雷射光束，代替其腰部具有與光纖芯匹配之良好模式的準直泵雷射光束1011、1111、1211、1311、1411。在此情況下，並不需要聚焦透鏡1030、1130、1230、1330、1430。光束遞送系統可與所說明之兩個或更多個轉向鏡面1020、1120、1220、1320、1420、1021、1121、1221、1321、1421之特定實例不同。替代地或另外，此等鏡面中之至少一者可包含彎曲表面及/或所提供的另一聚焦光束遞送組件，該另一聚焦光束遞送組件具有經謹慎選擇以在不使用聚焦透鏡1030、1130、1230、1330、1430的情況下形成模式匹配泵光點之曲率半徑(ROC)。根據一不同實施例，輸入光學窗1042、1142、1242、1342、1442可經聚焦透鏡1030、1130、1230、1330、1430置換及/或輸出光學窗1043、1143、1243、1343、1443可經準直透鏡1031、1131、1231、1331、1431置換。在此類配置中，兩個透鏡與兩個光纖端之間的距離經選定使得良好維持模式匹配條件。以此方式經組態之寬頻光源更緊湊，但可撓性較小。在另一實施例中，氣室1040、1140、1240、1340、1440可由多個子室組成；且HC-PCF 1041、1141、1241、1341、1441可部分或完全地包含於子室中。光束分光器1051、1151、1251、1351、1451可位於各別偵測單元1050、1150、1250、1350、1450之外部並非如所說明的內部。處理單元1060、1160、1260、1360、1460及控制單元1070、1170、1270、1370、1470未必為單獨實體且可包含具有單一處理器之單一單元以進行處理及控制功能。
儘管上文所提及之實施例中之任一者足以獨立地執行寬頻光源之模式最佳化，但一些實施例可彼此互補且因此可組合以提高模式控制系統之總體效能。舉例而言，在一實施例中，用於第三實施例之光束形狀量測器件1253可經添加至第一實施例之偵測單元1050 (包含帶通濾光器1052及功率量測器件1053)或與其組合。以此方式，可藉由光束量測器件1253直接監測寬頻輸出光束之橫向模式輪廓，同時由功率量測器件1053量測輸出PSD。由於寬頻光源之功率及/或光譜輪廓可能隨著時間推移逐漸劣化(例如，由泵二極體老化引起)，因此即使模式純度保持不變，PSD值仍可對應地下降。因此，添加光束量測器件允許模式控制系統快速驗證任何減小的PSD值是否係由模式劣化或組件老化誘導之功率劣化所引起，且因此即使其為後一情況，仍可防止模式控制系統進入最佳化死亡環路。此外，需要定期更新參考PSD值以反映組件老化誘導之功率劣化。使用光束量測器件1053確保當模式純度為最佳時，可定期維護且更新參考PSD值。
因而，偵測單元1050、1150、1250、1350、1450或其中之組件中之兩者或更多者中之任一者可組合使用以偵測且評估相同參考光束或單獨參考光束(例如，如藉由輸出光束上之多個分束器產生)。
在後續經編號條項中揭示其他實施例： 1. 一種模式控制系統，其經組態以用於控制寬頻光源之輸出模式，該寬頻光源包含光子晶體光纖(PCF)，模式控制系統包含： 至少一個偵測單元，其經組態以量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以產生量測資料；及 處理單元，其經組態以根據該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度； 其中基於評估，模式控制系統經組態以產生用於最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的控制信號；該等泵耦合條件與泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖芯的耦合相關。 2. 如條項1之模式控制系統，其中該輸出輻射之該一或多個參數包含指示該寬頻光源之模式純度的一或多個參數。 3. 如條項1或2之模式控制系統，其中藉由偵測單元偵測之自該寬頻光源發出之該輻射包含自光子晶體光纖之輸出端發出的輸出輻射。 4. 如條項3之模式控制系統，其包含光束分光器，該光束分光器經定位以自由光子晶體光纖發出的主要輸出光束分離參考光束，藉由偵測單元偵測之該輸出輻射包含該參考光束。 5. 如任一前述條項之模式控制系統，其中該至少一個偵測單元包含光譜量測配置，該光譜量測配置可操作以量測輸出輻射之一或多個光譜參數值作為該量測資料。 6. 如條項5之模式控制系統，其中該等光譜參數值包含輸出輻射之經量測光譜的一或多個參數。 7. 如條項5或6之模式控制系統，其中該光譜量測配置包含光譜量測器件及多模式光纖，該多模式光纖可操作以將自該寬頻光源發出之該輻射的該至少一部分導引至該光譜量測器件。 8. 如任一前述條項之模式控制系統，其中該偵測單元包含：一或多個帶通濾光器，該一或多個帶通濾光器中之每一者可操作以選擇該輸出輻射之各別光譜範圍；及照明量測器件，其可操作以偵測指示該經濾光輻射之功率的照明參數，該量測資料包含及/或源自於指示功率之該照明參數。 9. 如條項5或6之模式控制系統，其中該量測資料包含一或多個光譜範圍中之功率頻譜密度或能量頻譜密度值，該量測資料源自於指示功率之該照明參數。 10.    如任一前述條項之模式控制系統，其中該偵測單元包含：空間濾光器，其可操作以自輸出輻射濾除除基諧模式以外的高階模式；及照明量測器件，其可操作以偵測指示該經濾光輻射之功率的照明參數，該量測資料包含及/或源自於指示功率之該照明參數。 11.    如條項10之模式控制系統，其中該空間濾光器包含單一模式光纖或氣孔。 12.    如任一前述條項之模式控制系統，其進一步包含： 可變偏振配置，其可操作以可控制地組態自該寬頻光源發出之該輻射的偏振特性； 其中該偵測單元包含照明量測器件，該照明量測器件可操作以偵測指示依據輸入偏振角度而變化的自該寬頻光源發出之該輻射之功率的照明參數，該量測資料包含及/或源自於指示功率之該照明參數；且該模式控制系統進一步可操作以藉由改變相對於光子晶體光纖之光纖軸的由該可變偏振器施加之偏振角度來最佳化該一或多個泵耦合條件，從而最佳化自該寬頻光源發出之該輻射的泵偏振條件。 13.    如條項12之模式控制系統，其中可變偏振配置包含以下中之一或兩者： 可變偏振器，其可操作以改變該泵雷射光束相對於光子晶體光纖之偏振角度，及/或 致動器，其可操作以改變該光子晶體光纖圍繞其光軸之角度。 14.    如任一前述條項之模式控制系統，其中該偵測單元包含光束形狀及/或大小量測器件，該光束形狀及/或大小量測器件可操作以量測與光束之形狀及/或大小相關的該輸出輻射之一或多個光束特徵，該量測資料包含及/或源自於與光束之形狀及/或大小相關的該輸出輻射之該等光束特徵。 15.    如條項14之模式控制系統，其中與光束之形狀及/或大小相關的該輸出輻射之該等光束特徵包含以下中之一或多者：光束橢圓率、光束直徑、拉格爾-高斯模式形狀或任尼克多項式形狀。 16.    如任一前述條項之模式控制系統，其中其經組態以使得藉由偵測單元量測之自該寬頻光源發出之輻射的該一或多個參數包含自該光子晶體光纖之光纖包層發出之洩漏輻射。 17.    如任一前述條項之模式控制系統，其包含用以致動寬頻光源之一或多個組件的移動的一或多個致動器；其中該控制信號可操作以控制該等致動器中之一或多者。 18.    如條項17之模式控制系統，其進一步包含控制單元，該控制單元經組態以自該處理單元接收該控制信號且控制該一或多個致動器。 19.    如條項17或18之模式控制系統，其中該一或多個致動器可操作以藉由最佳化以下中之一或多者來最佳化一或多個泵耦合條件： 泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖芯的角度偏移； 泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖芯的橫向偏移； 泵雷射光束之光束直徑； 絕對偏振角度；及 泵雷射光束之發散。 20.    如條項17、18或19之模式控制系統，其中該一或多個致動器包含以下中之一或多者： 至少一個致動器，其用於至少一個光束轉向組件或其支撐件； 至少一個致動器，其用於光子晶體光纖之氣室或其支撐件； 至少一個致動器，其用於將泵雷射光束聚焦至光子晶體光纖之光纖芯上的聚焦透鏡。 21.    如任一前述條項之模式控制系統，其中該處理單元可操作以藉由將自該寬頻光源發出之輻射的該一或多個參數中之每一者與指示最佳或可接受之模式純度的等效臨限參數值進行比較來評估量測資料。 22.    如任一前述條項之模式控制系統，其中該光子晶體光纖包含空芯光子晶體光纖(HC-PCF)。 23.    如任一前述條項之模式控制系統，其中該寬頻光源之該輸出輻射包含200nm至2000nm之波長範圍或此範圍內之子範圍。 24.    如任一前述條項之模式控制系統，其中模式純度描述基諧橫向模式之功率與總輸出功率之間的比率。 25.    如任一前述條項之模式控制系統，其中經組態以產生用於最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的控制信號之該模式控制系統包含： 經組態以產生用於最佳化一或多個泵耦合條件之控制信號，從而最大化模式純度。 26.    如任一前述條項之模式控制系統，其包含至少一個偵測器，該偵測器用於偵測洩漏輻射且可在初始粗糙泵耦合操作中操作以相對於光子晶體光纖之光纖芯來粗糙地耦合泵雷射光束，該粗糙泵耦合操作包含在掃描該光子晶體光纖之輸入琢面上之泵雷射光束期間，量測自該光子晶體光纖之光纖包層發出的洩漏輻射；且 基於經量測洩漏輻射來判定泵雷射光束是否與該光子晶體光纖粗糙地對準。 27.    如條項26之模式控制系統，其中判定泵雷射光束是否粗糙地對準包含將經量測洩漏輻射之最小值定位在經量測洩漏輻射之至少兩個最大值之間。 28.    如條項26或27之模式控制系統，其中判定泵雷射光束是否粗糙地對準包含將經量測洩漏輻射之最小值定位在經量測洩漏輻射之最大值的周圍環形區內部。 29.    如條項26、27或28之模式控制系統，其中至少一個偵測器包含圍繞光纖包層徑向間隔開的複數個偵測器。 30.    如條項29之模式控制系統，其中每一偵測器繞光子晶體光纖之縱向軸線在光子晶體光纖之徑向方向上延伸超過小於360/n度之角度，其中n為偵測器之量。 31.    如條項26至28中任一項之模式控制系統，其中至少一個偵測器包含至少一對偵測器及鏡面，每一偵測器及鏡面位於圍繞光纖包層之徑向相對的位置處。 32.    如條項26至31中任一項之模式控制系統，其中泵雷射光束光束之掃描包含在輸入琢面上沿螺旋形路徑之掃描。 33.    如任一前述條項之模式控制系統，其進一步包含用於掃描該光束之光學操控單元，該光學操控單元包含： -  一或多個光學元件，其經組態以操控光束； -  光束傾斜調節器，其調節光束之傳播方向；及 -  控制單元，其控制光束傾斜調節器以便將傳播方向設定為朝向光子晶體光纖。 34.    如條項35之模式控制系統，其中光束傾斜調節器包含串聯配置的至少兩個楔形稜鏡及傾斜致動系統，且 其中傾斜致動系統可由控制單元控制以繞其各別光軸獨立地旋轉楔形稜鏡。 35. 如條項33或34之模式控制系統，其中光學操控單元進一步包含使光束位移之光束位移器件，其中光束位移器件包含平面平行板及位移致動系統，該位移致動系統可由控制單元控制以繞大體上垂直於光束之傳播方向的第一軸來旋轉平面平行板，其中較佳地位移致動系統進一步為可控制的以繞大體上垂直於光束之傳播方向及第一軸的第二軸來旋轉平面平行板，且其中較佳地光束位移器件包含第二平面平行板，且位移致動系統可由控制單元控制以繞大體上垂直於光束之傳播方向及第一軸的第二軸來旋轉第二平面平行板。 36.    一種時序控制系統，其經組態以用於判定包含光子晶體光纖(PCF)之寬頻光源的時序，時序控制系統包含： 至少一個壓力感測器，其經組態以偵測包圍該光子晶體光纖之氣體環境的壓力改變，且根據壓力改變輸出至少一個電信號，其中該至少一個電信號用於判定該寬頻光源之至少一個脈衝的時序。 37.    如條項36之時序控制系統，其中該寬頻光源之該至少一個脈衝包含該光子晶體光纖內產生的寬頻脈衝且引起該壓力改變。 38.    如條項36之時序控制系統，其中該寬頻光源之該至少一個脈衝包含經組態以耦合至該光子晶體光纖中且引起該壓力改變之泵脈衝。 39.    如條項36至38中任一項之時序控制系統，其中該光子晶體光纖包含空芯光子晶體光纖(HC-PCF)。 40.    如條項36至39中任一項之時序控制系統，其中該至少一個電信號經組態為用於以下中之至少一者的觸發信號：該泵脈衝或該寬頻脈衝。 41.    一種寬頻光源器件，其包含以下中之一或兩者： 如條項1至35中任一項之模式控制系統；及/或 如條項36至40中任一項之時序控制系統。 42.    一種度量衡器件，其包含如條項41之寬頻光源器件。 43.    如條項42之度量衡器件，其包含散射計度量衡裝置、位階感測器或對準感測器。 44.    一種包含光子晶體光纖之寬頻光源的模式控制方法，該方法包含： 量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以獲得量測資料； 根據該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度；及 產生最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的控制信號；該等泵耦合條件與泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖芯的耦合相關。 45.    如條項44之方法，其中該輸出輻射之該一或多個參數包含指示該寬頻光源之模式純度的一或多個參數。 46.    如條項44或45之方法，其中藉由偵測單元偵測的自該寬頻光源發出之該輻射包含自光子晶體光纖之輸出端發出的輸出輻射。 47.    如條項46之方法，其包含自由光子晶體光纖發出之主要輸出光束分離參考光束，該量測來自該參考光束之一或多個參數。 48.    如條項44至47中任一項之方法，其中該量測步驟包含量測輸出輻射之一或多個光譜參數值以獲得該量測資料。 49.    如條項48之方法，其中該等光譜參數值包含一或多個光譜範圍中之功率頻譜密度值。 50.    如條項48或49之方法，其包含對自該寬頻光源發出之該輻射進行帶通濾光且量測指示該經濾光輻射之功率的照明參數。 51.    如條項44至50中任一項之方法，其中該包含自該寬頻光源發出之該輻射空間濾除除基諧模式以外的高階模式且量測指示該經濾光輻射之功率的照明參數。 52.    如條項44至51中任一項之方法，其中該量測步驟包含量測與光束之形狀及/或大小相關的該輸出輻射之一或多個光束特徵以獲得該量測資料。 53.    如條項52之方法，其中與光束之形狀及/或大小相關的該輸出輻射之該等光束特徵包含以下中之一或多者：光束橢圓率、光束直徑、拉格爾-高斯模式形狀或任尼克多項式形狀。 54.    如條項44至53中任一項之方法，其中該量測步驟包含量測自該光子晶體光纖之光纖包層發出之洩漏輻射以獲得該量測資料。 55.    如條項44至54中任一項之方法，其包含基於控制信號來致動寬頻光源之一或多個組件的移動，從而最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件。 56.    如條項55之方法，其中該一或多個致動器可操作以藉由最佳化以下中之一或多者來最佳化一或多個泵耦合條件： 泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖芯的角度偏移； 泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖芯的橫向偏移； 泵雷射光束之光束直徑； 絕對偏振角度；及 泵雷射光束之發散。 57.    如條項55或56之方法，其中該一或多個致動器包含以下中之一或多者： 至少一個致動器，其用於至少一個光束轉向組件或其支撐件； 至少一個致動器，其用於光子晶體光纖之氣室或其支撐件； 至少一個致動器，其用於將泵雷射光束聚焦至光子晶體光纖之光纖芯上的聚焦透鏡。 58.    如條項44至57中任一項之方法，其中該評估步驟包含將自該寬頻光源發出之輻射的該一或多個參數中之每一者與指示最佳或可接受之模式純度的等效臨限參數值進行比較。 59.    如條項44至58中任一項之方法，其中該光子晶體光纖包含空芯光子晶體光纖(HC-PCF)。 60.    如條項44至59中任一項之方法，其中模式純度描述基諧橫向模式之功率與總輸出功率之間的比率。 61.    如條項44至60中任一項之方法，其中該產生用於最佳化一或多個泵耦合條件之控制信號最佳化一或多個泵耦合條件以最大化模式純度。 62.    如條項44至61中任一項之方法，其包含相對於光子晶體光纖之光纖芯粗糙地耦合泵雷射光束之初始粗糙泵耦合步驟，該粗糙泵耦合步驟包含在掃描該光子晶體光纖之輸入琢面上的泵雷射光束期間量測自該光子晶體光纖之光纖包層發出之洩漏輻射；及基於經量測洩漏輻射來判定泵雷射光束是否與該光子晶體光纖粗糙地對準。 63.    如條項62之方法，其中判定泵雷射光束是否粗糙地對準包含將經量測洩漏輻射之最小值定位在經量測洩漏輻射之至少兩個最大值之間。 64.    如條項62或63之方法，其中判定泵雷射光束是否粗糙地對準包含將經量測洩漏輻射之最小值定位在經量測洩漏輻射之最大值的周圍環形區內部。 65.    如條項62至64中任一項之方法，其中泵雷射光束光束之掃描包含在輸入琢面上沿螺旋形路徑之掃描。 66.    一種執行粗糙泵耦合步驟以相對於光子晶體光纖之光纖芯粗糙地耦合泵雷射光束之方法，該粗糙泵耦合步驟包含在該光子晶體光纖之輸入琢面上的泵雷射光束之掃描期間量測自該光子晶體光纖之光纖包層發出的洩漏輻射；及基於經量測洩漏輻射來判定泵雷射光束是否與該光子晶體光纖粗糙地對準。 67.    如條項66之方法，其中判定泵雷射光束是否粗糙地對準包含將經量測洩漏輻射之最小值定位在經量測洩漏輻射之至少兩個最大值之間。 68.    如條項66或67之方法，其中判定泵雷射光束是否粗糙地對準包含將經量測洩漏輻射之最小值定位在經量測洩漏輻射之最大值的周圍環形區內部。 69.    如條項66至68中任一項之方法，其中泵雷射光束光束之掃描包含在輸入琢面上沿螺旋形路徑之掃描。 70.    一種用於判定描述輻射相對於波導之光學平面的偏振角度之偏振參數的經最佳化值的方法，該方法包含： 獲得該偏振角度與指示已遍歷波導之輻射功率的功率參數之間的關係； 獲得該功率參數之值，及 根據該功率參數之該值及該關係來判定偏振參數之該經最佳化值。 71.    如條項70之方法，其中該波導包含光子晶體光纖或空芯光子晶體光纖。 72.    如前述條項70或71之方法，其中該判定步驟包含將經最佳化值判定為對應於該功率參數之最小值的值。 73.    如前述條項70至72中任一項之方法，其包含： 改變複數個角位置之間的該輻射之偏振； 獲得該功率參數之複數個值，每一值對應於該等角位置中之一者；及 選擇偏振參數之經最佳化值作為對應於該功率參數之該複數個值中之至少一個最小值的值。 74.    如條項73之方法，其中該改變該輻射之該偏振包含旋轉以下中之任何一或多者：偏振器器件、發射該輻射之光源或該標稱圓柱地塑形之波導。 75.    一種偏振控制系統，其經組態以用於控制包含波導之寬頻光源的輸出偏振，偏振控制系統包含： 至少一個偵測單元，其經組態以量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以產生量測資料；及 處理單元，其經組態以根據該量測資料推斷自該寬頻光源發出之該輻射的偏振特性； 其中基於評估，偏振控制系統經組態以產生用於最佳化該寬頻光源之泵偏振條件的控制信號；該等泵偏振條件與泵雷射光束相對於光子晶體光纖之光纖軸的耦合相關。 76.    如條項75之偏振控制系統，其中該波導包含光子晶體光纖或空芯光子晶體光纖。 77.    如條項75或76之偏振控制系統，其包含用於改變該寬頻光源相對於光子晶體光纖之光纖軸的泵偏振條件的可變偏振器器件。 78.    如條項75至77中任一項之偏振控制系統，其中該偏振器器件包含可旋轉半波片。 79.    如條項75至78中任一項之偏振控制系統，其中該偵測單元包含功率量測器件，且輻射之該一或多個參數包含功率。 80.    如條項75至79中任一項之偏振控制系統，其包含用以在該偵測單元之前選擇一或多個所需波長的光學濾光器。 81.    如條項75至80中任一項之偏振控制系統，其包含用於收集自該寬頻光源發出之該輻射之一部分的量測分支。 82.    一種總成，其包含： -  光學元件，其用於接收且改性輻射； -  接收元件，其用於接收經改性輻射；及 -  氣體環境，其用於封閉接收元件， 其中總成進一步包含控制元件，該控制元件經組態以依賴於氣體環境之特性，藉由調節經接收輻射之改性或調節光學元件與接收元件之間的距離來穩定光學元件與接收元件之間的匹配條件。 83.    如條項82之總成，其中輻射大體上為單色的，光學元件為經組態以將經聚焦單色光提供至元件之聚焦元件，且其中元件為經組態以用於將經聚焦且單色的輻射轉換成寬頻輻射之非線性元件。 84.    如條項83之總成，其中非線性元件為嵌入於氣體環境中之非線性光纖。 85.    如條項84之總成，其中氣體環境之特性為氣體之溫度、壓力或組合物。 86.    如條項85之總成，其中控制元件包含致動器，該致動器經組態以沿非線性光纖之光軸相對於非線性光纖來可變地定位聚焦元件。 87.    如條項85之總成，其中控制元件包含經組態以可變地調節聚焦元件之光功率的致動器。 88.    如條項84至87中任一項之總成，其中匹配條件與將經聚焦單色光耦合至非線性光纖中之效率相關聯。 89.    如條項85至87中任一項之總成，其中控制元件進一步包含處理器，該處理器經組態以接收與氣體之溫度、壓力或組合物相關聯的量測值。 90.    如條項89之總成，其中處理器經組態以判定氣體之折射率的變化。 91.    如條項90之總成，其中處理器經進一步組態以基於定位於非線性光纖之光路徑上游中之光學元件的知識來判定焦點位置變化。 92.    如條項89至91中任一項之總成，其進一步包含感測器，該感測器經組態以量測氣體環境之特性。 93.    一種總成，其包含： -  光學元件，其用於接收且改性輻射；及 -  接收元件，其用於接收經改性輻射， 其中總成進一步包含控制元件，該控制元件經組態以依賴於封閉接收元件之氣體環境之特性，藉由調節經接收輻射之改性或調節光學元件與接收元件之間的距離來穩定光學元件與接收元件之間的匹配條件。 94.    一種總成，其包含： -  光學元件，其用於接收且改性輻射；及 -  接收元件，其用於接收經改性輻射， 其中總成進一步包含控制元件，該控制元件經組態以基於接收元件之出口處判定的光功率，藉由調節經接收輻射之改性或調節光學元件與接收元件之間的距離來穩定光學元件與接收元件之間的匹配條件。 95.    如條項94之總成，其中調節係進一步基於接收元件之入口處判定的光功率。 96.    如條項95之總成，其中調節係基於i)接收元件之出口處判定的光功率與ii)接收元件之入口處判定的光功率之間的比率。
儘管所有上文提及的實例及本發明之實施例與基於HC-PCF之寬頻光源組合，但本發明同樣適合於基於SC-PCF之寬頻光源的模式控制。在一不同實施例中，模式控制系統之偵測單元量測基於SC-PCF之寬頻光源的寬頻輸出光束之一或多個參數。此類參數應能夠指示基於SC-PCF之寬頻光源的輸出模式之效能。在處理單元中處理經量測資料且隨後評估經處理資料。視評估的結果而定，產生回饋信號(或控制信號)且發送至模式控制系統之控制單元。最後，控制單元接收控制信號且控制基於SC-PCF之寬頻光源的有源組件，使得光源之泵耦合條件經改良且基於SC-PCF之光源的輸出模式純度經最佳化。
儘管可在本文中特定地參考在IC製造中微影裝置之使用，但應理解，本文中所描述之微影裝置可具有其他應用。可能的其他應用包括製造整合式光學系統、用於磁域記憶體之導引及偵測圖案、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭等。
儘管可在本文中特定地參考在微影裝置之內容背景下之本發明的實施例，但本發明之實施例可用於其他裝置中。本發明之實施例可形成遮罩檢測裝置、度量衡裝置或量測或處理諸如晶圓(或其他基板)或遮罩(或其他圖案化器件)之目標的任何裝置之部分。此等裝置可一般被稱為微影工具。此類微影工具可使用真空條件或環境(非真空)條件。
儘管上文可能已經特定地參考在光學微影之內容背景下對本發明之實施例的使用，但應瞭解，在內容背景允許的情況下，本發明不限於光學微影，且可用於其他應用(例如壓印微影)中。
儘管上文已描述本發明之特定實施例，但將瞭解，可以與所描述不同之其他方式來實踐本發明。以上描述意欲為說明性，而非限制性的。因此，對於熟習此項技術者而言將顯而易見，可在不脫離下文所陳述之申請專利範圍之範疇的情況下對如所描述之本發明進行修改。
2:寬頻(白光)輻射投影儀 4:光譜儀偵測器 6:光譜 8:結構/剖面 800:寬頻光源 810:泵雷射 811:準直泵雷射光束 820:轉向鏡面 821:轉向鏡面 830:聚焦透鏡 831:準直透鏡 840:氣室 841:HC-PCF 842:輸入光學窗 843:輸出光學窗 880:寬頻雷射脈衝 910:步驟 920:步驟 930:步驟 940:步驟 950:步驟 1000:模式控制系統 1010:泵雷射 1011:泵雷射光束 1020:轉向鏡面 1021:轉向鏡面 1030:聚焦透鏡 1031:準直透鏡 1040:氣室 1041:接收元件/HC-PCF 1042:輸入光學窗 1043:輸出光學窗 1050:偵測單元 1051:光束分光器 1052:帶通濾光器 1053:功率量測器件 1060:處理單元 1070:控制單元 1080:主寬頻輸出光束 1081:參考光束 1110:泵雷射 1111:泵雷射光束 1120:轉向鏡面 1121:轉向鏡面 1130:聚焦透鏡 1131:準直透鏡 1140:氣室 1141:HC-PCF 1142:輸入光學窗 1143:輸出光學窗 1150:偵測單元 1151:光束分光器 1152:空間濾光器 1153:功率量測器件 1160:處理單元 1170:控制單元 1180:準直輸出光束 1181:參考光束 1210:泵雷射 1211:泵雷射光束 1220:轉向鏡面 1221:轉向鏡面 1230:聚焦透鏡 1231:準直透鏡 1240:氣室 1241:HC-PCF 1242:輸入光學窗 1243:輸出光學窗 1250:偵測單元 1251:光束分光器 1252:光學透鏡 1253:光束形狀量測器件 1260:處理單元 1270:控制單元 1280:寬頻輸出光束 1281:入射參考光束 1310:泵雷射 1311:泵雷射光束 1320:轉向鏡面 1321:轉向鏡面 1330:聚焦透鏡 1331:準直透鏡 1340:氣室 1341:HC-PCF 1342:輸入光學窗 1343:輸出光學窗 1350:偵測單元 1351:光束分光器 1352:多模光纖 1353:光譜量測器件 1360:處理單元 1370:控制單元 1381:參考光束 1410:泵雷射 1411:泵雷射光束 1420:轉向鏡面 1421:轉向鏡面 1430:聚焦透鏡 1431:準直透鏡 1440:氣室 1441:HC-PCF 1442:輸入光學窗 1443:輸出光學窗 1450:偵測單元 1451:光束分光器 1452:多模光纖 1453:光譜量測器件 1460:處理單元 1470:控制單元 1481:輻射 1911:泵雷射光束 1912:泵雷射脈衝 1930:聚焦透鏡 1931:準直透鏡 1940:氣室 1941:HC-PCF 1942:輸入窗 1943:輸出窗 1944:壓力感測器 1945:支撐結構 1946:氣室壁 1980:寬頻輸出光束 1982:寬頻輸出脈衝 2010:泵雷射 2011:泵雷射光束 2029:HWP 2030:聚焦透鏡 2031:準直透鏡 2040:氣室 2041:HC-PCF 2042:輸入窗 2050:偵測單元 2051:光束分光器 2052:光學濾光器 2053:功率量測器件 2060:處理單元 2070:控制單元 2080:輸出光束 2081:參考光束 A1:傾斜致動器 A2:傾斜致動器 A3:位移致動系統 A4:位移致動系統 AL1 :對準位置 Al2 :對準位置 AL3 :對準位置 ALB :最佳對準位置 AM:標記 ANG:入射角 AS:對準感測器 B:輻射光束 BD:光束遞送系統 BE1:輻射光束 BE2:箭頭 BK:烘烤板 C:目標部分 CA:粗糙對準配置 CH:冷卻板 CL:電腦系統 CLA:包層 CON:連接器 CU:控制單元 DD:位移器件 DE:顯影器/偵測器 DET:偵測器 DGR:光柵 FCO:中空光纖芯 FU:濾光器單元 IB:資訊攜載光束 IF:位置量測系統 IL:照明系統/照明器 In:輸出信號 In1:第一輸出信號 In2:第二輸出信號 Inmax1 :第一最大值 Inmax2 :第二最大值 Inmin :最小值 INC:輸入連接器 INS:輸入表面 I/O1:輸入/輸出埠 I/O2:輸入/輸出埠 LA:微影裝置 LACU:微影控制單元 LAF:縱向軸線 LB:光束 LC:微影單元 ID:輸入器件 LIS:光源 LS:位階或高度感測器 LSB:輻射光束 LSD:偵測單元 LSO:輻射源 LSP:投影單元 MA:圖案化器件 MI:鏡面 MLO:量測位置 MT:遮罩支撐件/度量衡工具/散射計 M1:遮罩對準標記 M2:遮罩對準標記 OC:輸出連接器 OCO:塗層 OD:輸出器件 OL:物鏡 OMU:光學操控單元 OS:光學系統 PD:光偵測器 PEB:曝光後烘烤步驟 PGR:投影光柵 PHS:光感測器 PHS1:第一光感測器 PHS2:第二光感測器 PM:第一定位器 POL:正透鏡 PP:平面平行板 PS:投影系統 PU:處理單元 PW:第二定位器 P1:基板對準標記 P2:基板對準標記 RAD:徑向方向 RB:輻射光束 RO:自動機 RSO:輻射源 SC:旋塗器 SC1:第一標度 SC2:第二標度 SC3:第三標度 SCS:監督控制系統 SI:強度信號 SM:光點鏡面 SO:輻射源 SP:照明光點 SRI:區塊 TA:光束傾斜調節器 TCU:塗佈顯影系統控制單元 W:基板 WP1:第一楔形稜鏡 WP2:第二楔形稜鏡 WT:基板支撐件
現將參看隨附示意性圖式僅藉助於實例來描述本發明之實施例，在該等圖式中： -  圖1描繪微影裝置之示意性綜述； -  圖2描繪微影單元之示意性綜述； -  圖3描繪整體微影之示意圖，其表示最佳化半導體製造之三種關鍵技術之間的合作； -  圖4描繪可包含根據本發明之實施例的輻射源之用作度量衡器件的散射量測裝置之示意性綜述； -  圖5描繪根據本發明之實施例的可包含輻射源之位階感測器裝置的示意性綜述； -  圖6描繪根據本發明之實施例的可包含輻射源之對準感測器裝置的示意性綜述； -  圖7示意性地描繪用於白光產生之兩種HC-PCF設計(包括(a) Kagome設計及(b)單環設計)的橫向橫截面； -  圖8示意性地描繪例示性基於充氣HC-PCF之寬頻光源器件； -  圖9為描述根據本發明之一實施例的模式控制系統之操作程序的流程圖。 -  圖10示意性地描繪根據本發明之第一實施例的配備有用於光源之基諧橫向模式LP01 之最佳化及穩定化的模式控制系統的寬頻光源。 -  圖11示意性地描繪根據本發明之第二實施例的配備有用於光源之基諧橫向模式LP01 之最佳化及穩定化的模式控制系統的寬頻光源。 -  圖12示意性地描繪根據本發明之第三實施例的配備有用於光源之基諧橫向模式LP01 之最佳化及穩定化的模式控制系統的寬頻光源。 -  圖13示意性地描繪根據本發明之第四實施例的配備有用於光源之基諧橫向模式LP01 之最佳化及穩定化的模式控制系統的寬頻光源。 -  圖14示意性地描繪根據本發明之不同實施例的配備有用於光源之基諧橫向模式LP01 之最佳化及穩定化的模式控制系統的寬頻光源； -  圖15 (包含圖15(a)、圖15(b)及圖15(c))示意性地描繪用於粗糙對準之根據第一實施例的粗糙對準配置； -  圖16示意性地描繪用於粗糙對準之根據第二實施例的粗糙對準配置； -  圖17示意性地描繪用於粗糙對準之根據第三實施例的粗糙對準配置；及 -  圖18示意性地描繪相應可至少用於圖15至圖17中所描繪之粗糙對準配置中之特定光學操控單元。 -  圖19示意性地描繪根據一實施例之配備有用於寬頻光源之脈衝時序的控制及判定之特定時序控制系統的寬頻光源。 -  圖20示意性地描繪根據一實施例之配備有用於寬頻光源之輸出偏振之最佳化及穩定化的特定偏振控制系統的寬頻光源。
1000:模式控制系統
1010:泵雷射
1011:泵雷射光束
1020:轉向鏡面
1021:轉向鏡面
1030:聚焦透鏡
1031:準直透鏡
1040:氣室
1041:接收元件/HC-PCF
1042:輸入光學窗
1043:輸出光學窗
1050:偵測單元
1051:光束分光器
1052:帶通濾光器
1053:功率量測器件
1060:處理單元
1070:控制單元
1080:主寬頻輸出光束
1081:參考光束

Claims (14)

  1. 一種模式控制系統，其經組態以用於控制一寬頻光源之一輸出模式，該寬頻光源包含一光子晶體光纖(PCF)，該模式控制系統包含：至少一個偵測單元，其經組態以量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以產生量測資料；及一處理單元，其經組態以從該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度(mode purity)，其中模式純度描述基諧橫向模式(fundamental transverse mode)之功率與總輸出功率之間的一比率；其中基於該評估，該模式控制系統經組態以產生用於最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件(pump coupling conditions)的一控制信號；該等泵耦合條件與一泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之一光纖芯(fiber core)的耦合相關。
  2. 如請求項1之模式控制系統，其中輸出輻射之該一或多個參數包含指示該寬頻光源之模式純度的一或多個參數。
  3. 如請求項1或2之模式控制系統，其中藉由該偵測單元偵測之自該寬頻光源發出的該輻射包含自該光子晶體光纖之一輸出端發出的輸出輻射。
  4. 如請求項3之模式控制系統，其包含一光束分光器，該光束分光器經定位以自由該光子晶體光纖發出的一主要輸出光束分離一參考光束，藉由該偵測單元偵測之該輸出輻射包含該參考光束。
  5. 如請求項1或2之模式控制系統，其中該至少一個偵測單元包含一光譜量測配置，該光譜量測配置可操作以量測該輸出輻射之一或多個光譜參數值作為該量測資料，且其中，視情況，該等光譜參數值包含該輸出輻射之一經量測光譜的一或多個參數。
  6. 如請求項1或2之模式控制系統，其中該偵測單元包含：一或多個帶通濾光器，該一或多個帶通濾光器中之每一者可操作以選擇該輸出輻射之一各別光譜範圍；及一照明量測器件，其可操作以偵測指示經濾光輻射之功率的一照明參數，該量測資料包含及/或源自於指示功率之該照明參數。
  7. 如請求項5之模式控制系統，其中該量測資料包含一或多個光譜範圍中之一功率光譜密度或能量光譜密度值，該量測資料源自於指示功率之該照明參數。
  8. 如請求項1或2之模式控制系統，其中該偵測單元包含：一空間濾光器，其可操作以自輸出輻射濾除除一基諧模式以外的高階模式；及一照明量測器件，其可操作以偵測指示該經濾光輻射之功率的一照明參數，該量測資料包含及/或源自於指示功率之該照明參數。
  9. 如請求項1或2之模式控制系統，其中該偵測單元包含一光束形狀及/ 或大小量測器件，該光束形狀及/或大小量測器件可操作以量測與該光束之該形狀及/或大小相關的該輸出輻射之一或多個光束特徵，該量測資料包含及/或源自於與該光束之該形狀及/或大小相關的該輸出輻射之該等光束特徵，且其中，視情況，與該光束之該形狀及/或大小相關的該輸出輻射之該等光束特徵包含以下中之一或多者：光束橢圓率、光束直徑、拉格爾-高斯(Laguerre-Gaussian)模式形狀或任尼克(Zernike)多項式形狀。
  10. 如請求項1或2之模式控制系統，其中其經組態使得藉由該偵測單元量測之自該寬頻光源發出的輻射之該一或多個參數包含自該光子晶體光纖之光纖包層發出的洩漏輻射。
  11. 如請求項1或2之模式控制系統，其包含用以致動該寬頻光源之一或多個組件的移動的一或多個致動器；其中該控制信號可操作以控制該等致動器中之一或多者，且其中，視情況，該一或多個致動器可操作以藉由最佳化以下中之一或多者來最佳化一或多個泵耦合條件：該泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之該光纖芯的角度偏移；該泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之該光纖芯的橫向偏移；該泵雷射光束之光束直徑；絕對偏振角度；及該泵雷射光束之發散。
  12. 一種寬頻光源器件，其包含如請求項1至11中任一項之模式控制系統。
  13. 一種度量衡器件，其包含如請求項12之寬頻光源器件。
  14. 一種包含一光子晶體光纖之一寬頻光源的模式控制方法，該方法包含：量測自該寬頻光源發出之輻射的一或多個參數以獲得量測資料；從該量測資料評估自該寬頻光源發出之該輻射的模式純度，其中模式純度描述基諧橫向模式之功率與總輸出功率之間的一比率；及產生用以最佳化該寬頻光源之一或多個泵耦合條件的一控制信號；該等泵耦合條件與一泵雷射光束相對於該光子晶體光纖之一光纖芯的耦合相關。
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