TWI805120B - 基於空芯光子晶體纖維之寬帶輻射產生器，及相關的度量衡器件及方法 - Google Patents
基於空芯光子晶體纖維之寬帶輻射產生器，及相關的度量衡器件及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本發明提供一種寬帶光源器件，其經組態以用於在接收泵浦輻射時產生一寬帶輸出輻射，該寬帶光源器件包含：一空芯光子晶體纖維(HC-PCF)，其包含具有相對於該HC-PCF之一或多個主部分變化的該HC-PCF之至少一個結構參數的至少一個結構上變化之部分，其中該至少一個結構上變化之部分包含位於沿該HC-PCF之長度之一位置下游的至少一第一結構上變化之部分，其中該泵浦輻射將藉由一調變不穩定性主導之非線性光學程序而光譜擴展，且其中該至少一個結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射包含紫外線區中之波長。
Description
本發明係關於一種基於空芯光子晶體纖維之寬帶輻射產生器，且特定而言，係關於與積體電路製造中之度量衡應用有關的此寬帶輻射產生器。
微影裝置為經建構以將所要圖案塗覆至基板上之機器。微影裝置可用於例如積體電路(integrated circuit，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(常常亦稱為「設計佈局」或「設計」)投影至提供於基板(例如，晶圓)上之一層輻射敏感材料(抗蝕劑)上。
為了將圖案投影至基板上，微影裝置可使用電磁輻射。此輻射之波長決定可形成於基板上之特徵的最小大小。當前在使用中之典型波長係365nm(i線)、248nm、193nm及13.5nm。相比於使用例如具有193nm之波長之輻射的微影裝置，使用具有介於4nm至20nm之範圍內之波長(例如6.7nm或13.5nm)之極紫外線(EUV)輻射的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，可將解析度公式表達為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」(通常為經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之嚴格控制環路可用於改良在低k1下之圖案之再生。
度量衡工具用於IC製造程序之許多態樣中，例如作為用於在曝光之前適當定位基板的對準工具、用以量測基板之表面拓樸的調平工具、用於例如在程序控制中檢測/量測經曝光及/或經蝕刻產品之基於聚焦控制及散射量測的工具。在每一情況下，皆需要輻射源。出於包括量測魯棒性及準確度之各種原因，寬帶或白光輻射源逐漸用於此類度量衡應用。將需要對現存器件進行改良以用於寬帶輻射產生。
在本發明之一第一態樣中，提供一種寬帶光源器件，其經組態以用於在接收泵浦輻射時產生一寬帶輸出輻射，該寬帶光源器件包含：一空芯光子晶體纖維(HC-PCF)，其包含具有相對於該HC-PCF之一或多個主部分變化的該HC-PCF之至少一個結構參數的至少一個結構上變化之部分，其中該至少一個結構上變化之部分包含位於沿該HC-PCF之長度
之一位置下游的至少一第一結構上變化之部分，其中該泵浦輻射將藉由一調變不穩定性主導之非線性光學程序而光譜擴展，且其中該至少一個結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射包含紫外線區中之波長。
在本發明之一第二態樣中，提供一種方法，其最佳化至少一第一結構上變化之部分沿一空芯光子晶體纖維(HC-PCF)之一長度的一位置，使得在由輸入輻射激勵之後自該HC-PCF產生之寬帶輸出輻射包含紫外線區中之波長，其中該最佳化包含：判定沿該HC-PCF之該長度的一位置，在該位置處，該泵浦輻射將藉由一調變不穩定性主導之非線性光學程序而光譜擴展；及在所判定位置下游定位該第一結構上變化之部分。
本發明之其他態樣包含度量衡器件，該度量衡器件包含第一態樣之寬帶光源器件。
2:寬帶輻射投影儀
4:光譜儀偵測器
6:基板
10:光譜
21:管狀毛細管
2100:電腦系統
2102:匯流排
2104:處理器
2105:處理器
2106:主記憶體
2108:唯讀記憶體
2110:儲存器件
2112:顯示器
2114:輸入器件
2116:游標控制件
2118:通信介面
2120:網路鏈路
2122:區域網路
2124:主機電腦
2126:網際網路服務提供者
2128:網際網路
2130:伺服器
AM:標記
ANG:入射角
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
CAP:毛細管
CC:毛細管空腔
CH:冷卻板
CL:電腦系統
CW:中心腰部區段
CW1:第一中心腰部區段
CW2:第二中心腰部區段
CW11:中心腰部區段
d:直徑
D1:第一核心直徑
D1':第一核心直徑
D2:第二核心直徑
D2':第二核心直徑
D3:第三核心直徑
D3':第三核心直徑
D4:第四核心直徑
D4':第四核心直徑
D6':第六核心直徑
D7':第七核心直徑
D8':第八核心直徑
D11:第一空芯直徑
D12:第二空芯直徑
D13:第三空芯直徑
D21:第一空芯直徑
D22:第二空芯直徑
DE:顯影器
DET:偵測器
DGR:偵測光柵
DTF:雙腰部空芯光纖
F11:第一纖維琢面
FCD:纖芯直徑
FF:第一纖維琢面
FF':第一纖維琢面
FF11:第一纖維琢面
FF22:第一纖維琢面
FU:第一非錐形區段
I/O1:輸入/輸出埠
I/O2:輸入/輸出埠
IB:資訊攜載光束
IE:輸入端
IL:照射系統
IRD:輸入輻射
L1:第一長度
L1':第一長度
L2:第二長度
L2':第二長度
L3:第三長度
L3':第三長度
L4:第四長度
L4':第四長度
L5:第五長度
L5':第五長度
L6':第六長度
L7':第七長度
L8':第八長度
L11:第一長度
L12:第二長度
L13:第三長度
L21:第一長度
L22:第二長度
L9':第九長度
LA:微影裝置
LACU:微影控制單元
LB:裝載區
LC:微影單元
LS:位準或高度感測器
LSB:輻射光束
LSD:偵測單元
LSO:輻射源
LSP:投影單元
M1:遮罩對準標記
M2:遮罩對準標記
MA:圖案化器件
MLO:量測區域/量測位置
MT:散射計/度量衡工具
OE:輸出端
OF:光纖
OL:物鏡
ORD:寬帶輸出輻射
OSP:輸出光譜
PEB:曝光後烘烤步驟
P_REF:功率轉移曲線
P_SW1:功率轉移曲線
P_SW2:功率轉移曲線
P1:基板對準標記
P2:基板對準標記
PD:光偵測器
PGR:投影光柵
PM:第一定位器
PRS:泵浦輻射源
PS:投影系統
PSD:功率譜密度
PU:處理單元
PW:第二定位器
RB:輻射光束
RDS:輻射源
RO:機器人
RSO:輻射源
RSV:儲集器
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
SF:第二纖維琢面
SF':第二纖維琢面
SF11:第二纖維琢面
SF22:第二纖維琢面
SI:強度信號
SM:光點鏡面
SO:輻射源
SP:照明光點/支撐部分
SP_REF:光譜
SP_SW:光譜
SP1:第一輸出光譜
SP2:第二輸出光譜
SP3:第三輸出光譜
SRI:自參考干涉計
ST:支撐管
STF:單腰部空芯光纖
STF':錐形光纖
SU:第二非錐形區段
T:遮罩支撐件
TCU:塗佈顯影系統控制單元
TD:漸細區段
TD1:第一漸細區段
TD2:第二漸細區段
TD11:漸細區段
TD22:漸細區段
TG22:錐形梯度
TOF1:單腰部空芯光纖
TOF2:單腰部空芯光纖
TP:腰部區
TP':腰部區
TP1:減小直徑區
TP2:減小直徑區
TP11:腰部區
TP22:錐形
TU:漸粗區段
TU1:第一漸粗區段
TU2:第二漸粗區段
TW1:第一透明窗
TW2:第二透明窗
USP:未最佳化之輸出光譜
UT1:第一非錐形區段
UT2:第二非錐形區段
UT3:第三非錐形區段
UT11:均勻區段
UT22:均勻區段
W:基板
WM:工作介質
WP:壁部分
WT:基板支撐件
現在將參考隨附示意性圖式而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性圖示，其表示最佳化半導體製造之三種關鍵技術之間的協作；- 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準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為可在橫向平面中(亦即，垂直於光纖之軸線)形成根據一實施例之輻射源之部分的空芯光纖的示意性橫截面圖；- 圖8描繪用於提供寬帶輸出輻射之根據一實施例之輻射源的示意性表示；- 圖9之(a)及(b)示意性地描繪用於超連續光譜產生之空芯光子晶體纖維(HC-PCF)設計之實例的橫向橫截面；- 圖10為點擴散功率譜密度(PSD)相對於波長λ之曲線圖，其描繪分別自具有30μm核心直徑之纖維、具有20μm核心直徑之纖維及在較低壓力下操作的具有30μm核心直徑之纖維產生的三個輸出光譜之模擬；- 圖11之(a)示意性地描繪經組態以用於產生具有平滑光譜輪廓及擴展短波長邊緣之寬帶輸出輻射的單腰部空芯光纖；- 圖11之(b)示意性地描繪圖11中所展示之單腰部空芯光纖之另一組態，其中該單腰部區不包含中心腰部區段；- 圖12之(a)展示相對於沿用於模擬之纖維長度之位置P的波長λ能量(或信號sig(dB))譜密度曲線圖，其描繪單腰部空芯光纖(例如，如圖11之(b)中所展示)內之輸入輻射之脈衝的光譜演進包含腰部區，該腰部區在沿纖維長度之最佳化位置處開始(例如，漸細區段開始)；- 圖12之(b)展示與圖12之(a)的曲線圖等效之曲線圖，其用於在腰部區處於未最佳化位置處時模擬圖11之(b)中所展示之單腰部空芯光纖內的輻射脈衝之光譜演進；亦即，其中MI主導之光譜增寬始於錐形；- 圖13展示輻射源之兩個輸出光譜的具有分別與圖12之(a)及圖12之
(b)中所展示之模擬相同之參數的模擬；- 圖14之(a)示意性地描繪纖芯直徑如何沿著經由針對短波長擴展之模擬及輸出輻射之平衡光譜輪廓而最佳化的實例單腰部空芯光纖之長度變化；- 圖14之(b)展示分別自非錐形空芯光纖及單腰部空芯光纖(例如，如圖14之(a)中所展示)發射之兩個經量測輸出光譜；- 圖14之(c)展示三個量測之功率轉移曲線，其描述對於不同空芯光纖(例如，均勻空芯光纖及錐形空芯光纖)且在不同操作條件(例如，不同泵浦脈衝重複率)下，整合式輸出功率如何隨輸入泵浦脈衝能量改變；- 圖15示意性地描繪經組態以用於產生具有平滑光譜輪廓及擴展短波長邊緣之寬帶輸出輻射的雙腰部空芯光纖；- 圖16之(a)展示與圖12之曲線圖等效之曲線圖，其用於模擬具有兩個腰部區(例如，如圖15中所展示)之錐形空芯光纖內的輻射脈衝之光譜演進，其中施加第一腰部區以控制調變不穩定性程序且施加第二腰部區以控制分散性波產生；- 圖16之(b)展示輻射源之輸出光譜的具有與圖16之(a)中所展示之模擬相同之參數的模擬；- 圖17示意性地描繪根據一實施例的經組態用於分散性波之孤立子捕獲的替代性單腰部空芯光纖；- 圖18之(a)及圖18之(b)分別展示模擬之兩個光譜圖，其描述在傳播通過均勻空芯光纖達70cm之距離及110cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈；- 圖18之(c)及圖18之(d)展示模擬之兩個光譜圖，其描繪在傳播通過
單腰部空芯光纖(例如，如圖17中所展示)之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈；- 圖19示意性地描繪根據一實施例的經組態用於分散性波之孤立子捕獲的另一替代性單腰部空芯光纖；- 圖20之(a)及圖20之(b)分別展示模擬之兩個光譜圖，其描述在傳播通過均勻空芯光纖達27cm之距離及42cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈；- 圖20之(c)及圖20之(d)分別展示模擬之兩個光譜圖，其描述在傳播通過均勻空芯光纖(例如，如圖19中所展示)達27cm之距離及42cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈；且- 圖21描繪用於控制寬帶輻射源之電腦系統的方塊圖。
在本文檔中，術語「輻射」及「光束」用以涵蓋所有類型的電磁輻射，包括紫外輻射(例如具有365、248、193、157或126nm之波長)及極紫外光輻射(extreme ultra-violet radiation，EUV，例如具有介於約5至100nm之範圍內的波長)。
如本文中所採用之術語「倍縮光罩」、「遮罩」或「圖案化器件」可廣泛地解釋為指代可用於向入射輻射光束賦予經圖案化橫截面之通用圖案化器件，該經圖案化橫截面對應於待在基板之目標部分中產生的圖案。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。該微影裝置LA包括：照明
系統(亦被稱作照明器)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)T，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該圖案化器件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，照射系統IL例如經由光束遞送系統BD自輻射源SO接收輻射光束。照射系統IL可包括用於引導、塑形及/或控制輻射之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之空間及角強度分佈。
本文所使用之術語「投影系統」PS應被廣泛地解釋為涵蓋適於所使用之曝光輻射及/或適於諸如浸潤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」之任何使用與更一般之術語「投影系統」PS同義。
微影裝置LA可屬於一種類型，其中基板的至少一部分可由具有相對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。
微影裝置可屬於具有兩個或多於兩個基板支撐件WT(亦稱
為「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，及/或可對位於基板支撐件WT中之一者上的基板W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用於在該另一基板W上曝光圖案。
除基板支撐件WT以外，微影裝置LA亦可包含量測載物台。該量測載物台經組態以固持感測器及/或清潔器件。感測器可經配置以量測投影系統PS之屬性或輻射光束B之屬性。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之部分或提供浸潤液體之系統之部分。當基板支撐件WT遠離投影系統PS時，量測載物台可在投影系統PS之下移動。
在操作中，輻射光束B入射於固持在遮罩支撐件T上之圖案化器件(例如，遮罩)MA上，且藉由存在於圖案化器件MA上之圖案(設計佈局)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，該投影系統PS將光束聚焦於基板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，例如以便在聚焦卻對準之位置處在輻射光束B之路徑中定位不同目標部分C。類似地，第一定位器PM及可能之另一位置感測器(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，但其可定位於目標部分之間的空間中。當基板對準標記P1、P2位於目標部分C之間時，將該等基板對準標記P1、P2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
被稱作微影單元(lithocell)或微影(litho)叢集)之部分，該微影單元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，此等包括沈積抗蝕劑層之旋塗器SC、顯影經曝光之抗蝕劑的顯影器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。基板處置器或機器人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基板W且將基板W遞送至微影裝置LA之裝載區LB。微影單元中常常亦統稱為塗佈顯影系統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自身可受到監督控制系統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。
為了正確且一致地曝光由微影裝置LA曝光之基板W，合乎需要的係檢測基板以量測經圖案化結構之屬性，諸如後續層之間的疊對誤差、線厚度、臨界尺寸(CD)等等。出於此目的，可在微影單元LC中包括檢測工具(未展示)。若偵測到誤差，則可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例如調整，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測的情況下尤其如此。
亦可被稱作度量衡裝置之檢測裝置用於判定基板W之屬性，且尤其判定不同基板W之屬性如何變化或與同一基板W之不同層相關聯之屬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(在曝光之後在抗蝕劑層中之影像)上之屬性，或半潛影(在曝光後烘烤步驟PEB之後在抗蝕劑層中之影像)上之屬性，或經顯影抗蝕劑影像(其中抗蝕劑之曝光部分或未曝光部分已
被移除)上之屬性，或甚至經蝕刻影像(在諸如蝕刻之圖案轉印步驟之後)上之屬性。
典型地，微影裝置LA中之圖案化程序係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。為了確保此高準確度，可將三個系統組合於如圖3中示意性地描繪之所謂的「整體」控制環境中。此等系統中之一者係微影裝置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嚴格控制迴路，以確保由微影裝置LA執行之圖案化保持在程序窗內。程序窗定義一系列程序參數(例如劑量、焦點、疊對)，在該等程序參數內，特定製造程序產生經定義結果(例如功能性半導體器件)--通常在該經定義結果內，允許微影程序或圖案化程序中之程序參數變化。
電腦系統CL可使用待圖案化之設計佈局(之部分)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(在圖3中藉由第一標度SC1中之雙箭頭描繪)。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亦可用以偵測微影裝置LA當前正在程序窗內之何處操作(例如使用來自度量衡工具MT之輸入)以預測是否可能存在歸因於例如次佳處理的缺陷(由第二標度SC2中指向「0」之箭頭描繪於圖3中)。
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，例如以用於程序控制及驗證。用以進行此類量測之工具通常稱為度量衡工具MT。用於進行此類量測之不同類型之度量衡工具MT已為吾人所知，包括掃描電子顯微鏡或各種形式之散射計度量衡工具MT。散射計為多功能器具，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為角解析散射計。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屬性。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彼等結果而引起。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(亦即隨波長而變之強度之量測)。自此資料，可例如藉由嚴密耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis)及非線性回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之參數。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。
在散射計MT之一個實施例中，散射計MT適用於藉由量測反射光譜及/或偵測組態中之不對稱性(該不對稱性與疊對之範圍有關)來量測兩個未對準光柵或週期性結構之疊對。可將兩個(通常重疊)光柵結構應用於兩個不同層(未必為連續層)中，且該兩個光柵結構可形成為實質上處於晶圓上之相同位置。散射計可具有如例如在共同擁有之專利申請案EP1,628,164A中所描述之對稱偵測組態，使得任何不對稱性為可明確區別的。此提供用以量測光柵中之未對準的直接方式。可在全文係以引用方式併入本文中之PCT專利申請公開案第WO 2011/012624號或美國專利申請案第US 20160161863號中找到關於含有作為目標之週期性結構之兩個層之間的疊對誤差經由該等週期性結構之不對稱性予以量測的另外實例。
其他所關注參數可為焦點及劑量。可藉由如以全文引用的方式併入本文中之美國專利申請案US2011-0249244中所描述之散射術(或替代地藉由掃描電子顯微法)同時判定焦點及劑量。可使用具有針對焦點能量矩陣(FEM，亦稱為焦點曝光矩陣)中之每一點的臨界尺寸及側壁角量測之獨特組合的單一結構。若臨界尺寸及側壁角之此等唯一組合為可獲得
的，則可根據此等量測唯一地判定聚焦及劑量值。
度量衡目標可為藉由微影程序主要在抗蝕劑中形成且亦在例如蝕刻程序之後形成之複合光柵的集合。通常，光柵中之結構之間距及線寬很大程度上取決於量測光學器件(尤其光學器件之NA)以能夠捕獲來自度量衡目標之繞射階。如較早所指示，繞射信號可用於判定兩個層之間的移位(亦稱為『疊對』)或可用於重建構如由微影程序產生的原始光柵之至少一部分。此重建構可用於提供微影程序之品質的導引，且可用於控制微影程序之至少一部分。目標可具有經組態以模仿目標中之設計佈局之功能性部分的尺寸之較小子分段。歸因於此子分段，目標將表現得更類似於設計佈局之功能性部分，使得總體程序參數量測與設計佈局之功能性部分更佳地相似。可在填充不足模式中或在填充過度模式中量測目標。在填充不足模式下，量測光束產生小於總體目標之光點。在填充過度模式中，量測光束產生大於總體目標之光點。在此填充過度模式中，亦有可能同時量測不同目標，藉此同時判定不同處理參數。
使用特定目標之微影參數之總體量測品質至少部分地由用於量測此微影參數的量測配方來判定。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之一或多個參數，或此兩者。舉例而言，若用於基板量測配方中之量測為基於繞射的光學量測，則量測之參數中的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的定向等。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敏感度。在以全文引用方式併入本文中之美國專利申請案US2016-0161863及已公開之美國專利申請案US 2016/0370717A1中描述更多實例。
圖4中描繪度量衡裝置，諸如散射計。該散射計包含將輻射投影至基板6上之寬帶(白光)輻射投影儀2。將經反射或經散射輻射傳遞至光譜儀偵測器4，該光譜儀偵測器量測鏡面反射輻射之光譜10(亦即，依據波長變化的之強度之量測)。自此資料，可由處理單元PU重建構引起經偵測光譜之結構或輪廓，例如，藉由嚴密耦合波分析及非線性回歸，或藉由與圖3之底部處所展示之經模擬光譜庫的比較。一般而言，對於重建構，結構之一般形式係已知的，且根據用於製造結構之程序之知識來假定一些參數，從而僅留下結構之幾個參數以待根據散射量測資料予以判定。此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於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之一或多個參數，或此兩者。舉例而言，若用於基板量測配方中之量測為基於繞射的光學量測，則量測之參數中的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的定向等。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敏感度。更多實例描述於以全文引用之方式併入本文中的美國專利申請案US2016/0161863及公開的美國專利申請案US 2016/0370717A1中。
用於IC製造中之另一種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)之頂部表面之構形。基板之構形的映圖(亦被稱作高度圖)可由指示依據基板上之位置而變的基板之高度的此等量測產生。此高度圖隨後可用於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的空中影像。應理解，「高度」在此內容背景中係指相對於基板大致在平面之外的尺寸(亦稱為Z軸)。通常，位準或高度感測器在固定位置(相對於其自身光學系統)處進行量測，且基板與位準或高度感測器之光學系統之間的相對移動引起跨越基板之位置處的高度量測。
圖5中示意性地展示如此項技術中已知之位準或高度感測器LS之實例，其僅說明操作原理。在此實例中，位準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可為例如窄帶或寬帶光源，諸如超連續譜光源，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。位準感測器LS之輻射源LSO不限於可見光輻射，但可另外地或替代地涵蓋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為包含引起具有週期性變化強度之輻射光束BE1之週期性結構的週期性光柵。具有週期性變化強度之輻射光束BE1經導向基板W上之量測位置MLO，該輻射光束具有0度與90度之間，通常70度與80度之間的相對於垂直於入射基板表面之軸線(Z軸)的入射角ANG。在量測位置MLO處，經圖案化輻射光束BE1由基板W反射(由箭頭BE2指示)且經引導朝向偵測單元LSD。
為了判定量測位置MLO處之高度位準，位準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相同。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之強度，諸如光偵測器，或表示所接收之強度之空間分佈，諸如攝影機。偵測器DET可包含一或多種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處之高度位準。偵測到之高度位準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取決於投影光柵PGR之設計及(傾斜)入射角ANG的週期性。
投影單元LSP及/或偵測單元LSD可沿著投影光柵PGR與偵測光柵DGR之間的經圖案化輻射光束之路徑包括其他光學元件，諸如透鏡及/或鏡面(未展示)。
在一實施例中，可省略偵測光柵DGR，且可將偵測器DET置放於安置偵測光柵DGR之位置處。此類組態提供投影光柵PGR之影像之較直接偵測。
為了有效地覆蓋基板W之表面，位準感測器LS可經組態以將量測光束BE1之陣列投影至基板W之表面上，藉此產生覆蓋較大量測範圍之量測區域MLO或光點的陣列。
例如在兩者以引用方式併入的US7265364及US7646471中揭示一般類型之各種高度感測器。使用UV輻射代替可見或紅外輻射之高度感測器揭示於以引用之方式併入的US2010233600A1中。在以引用方式併入的WO2016102127A1中，描述使用多元件偵測器來偵測及辨識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製造中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為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通常為光學位置感測器之位置感測器來量測位置的結構。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提供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)感測器可使用諸如繞射及干涉之光學現象，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係以引用之方式併入本文中。
圖6為諸如在例如US6961116中所描述且以引用之方式併入之已知對準感測器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。藉以照明標記AM之照明光點SP之直徑可稍微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階繞射(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，或其視需要可包含多個像素。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，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而輸出基板相對於參考框架之X位置及Y位置的值。
所說明類型之單一量測僅將標記之位置固定於對應於該標記之一個節距的某一範圍內。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之移動方向相對之方向上有效地掃描標記AM。在此移動中藉由基板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。
上文所提及之度量衡工具MT(諸如散射計、構形量測系統或位置量測系統)可使用源自輻射源之輻射來進行量測。藉由度量衡工具使用之輻射之屬性可影響可執行之量測的類型及品質。對於一些應用，使用多個輻射頻率來量測基板可為有利的，例如可使用寬帶輻射。多個不同頻率可能夠在不干涉其他頻率或最少干涉其他頻率之情況下傳播、輻照及散射開度量衡目標。因此，可例如使用不同頻率來同時獲得更多度量衡資料。不同輻射頻率亦可能夠查詢及發現度量衡目標之不同屬性。寬帶輻射可用於諸如位準感測器、對準標記量測系統、散射量測工具或檢測工具之度量衡系統MT中。寬帶輻射源可為超連續光譜源。
例如超連續光譜輻射之高品質寬帶輻射可能難以產生。用於產生寬帶輻射之一種方法可為例如利用非線性高階效應來增寬高功率窄頻帶或單頻輸入輻射。輸入輻射(其可使用雷射來產生)可被稱作泵浦輻射。替代地，輸入輻射可被稱作種子輻射。為獲得用於增寬效應之高功率輻射，可將輻射約束至小區域中以使得達成很大程度上經局域化的高強度輻射。在彼等區域中，輻射可與增寬結構及/或形成非線性媒體之材料相互作用以便形成寬帶輸出輻射。在高強度輻射區域中，不同材料及/或結構可用於藉由提供合適的非線性媒體來實現及/或改良輻射增寬。
在一些實施中，在光子晶體纖維(PCF)中產生寬帶輸出輻射。在若干實施例中，此光子晶體纖維在其纖芯周圍具有微結構，其輔助限制穿過纖芯中之纖維的輻射。纖芯可由具有非線性屬性且當高強度泵浦輻射透射穿過纖芯時能夠產生寬帶輻射之固體材料製成。儘管在固體核心光子晶體纖維中產生寬帶輻射為可實行的，但使用固體材料可存在幾個缺
點。舉例而言，若在固體核心中產生UV輻射，則此輻射可不存在於光纖之輸出光譜中，因為輻射由大多數固體材料吸收。
在一些實施中，如下文參看圖8進一步論述，用於增寬輸入輻射之方法及裝置可使用光纖用於限制輸入輻射且用於將輸入輻射增寬以輸出寬帶輻射。該纖維可為空芯纖維，且可包含用以在纖維中達成輻射之有效引導及限制的內部結構。該纖維可為空芯光子晶體纖維(hollow core photonic crystal fiber；HC-PCF)，其尤其適合於主要在纖維之空芯內部進行強輻射限制，從而達成高輻射強度。纖維之空芯可經氣體填充，該氣體充當用於增寬輸入輻射之增寬介質。此類纖維及氣體配置可用於產生超連續光譜輻射源。纖維之輻射輸入可為電磁輻射，例如在紅外光譜、可見光譜、UV光譜及極UV光譜中之一或多者中的輻射。輸出輻射可由寬帶輻射組成或包含寬帶輻射，該寬帶輻射在本文中可被稱作白光。
一些實施例係關於包含光纖之此寬帶輻射源之新穎設計。該光纖為空芯光子晶體纖維(HC-PCF)。特定而言，該光纖可為包含用於限制輻射之反共振結構之類型的空芯光子晶體纖維。包含反共振結構之此類纖維在此項技術中已知為反共振纖維、管狀纖維、單環纖維、負曲率纖維或抑制耦合纖維。此類纖維之各種不同設計在此項技術中已知。替代地，光纖可為光子帶隙纖維(HC-PBF，例如Kagome纖維)。
可工程設計多種類型之HC-PCF，每種基於不同物理導引機制。兩個此類HC-PCF包括：空芯光子帶隙纖維(HC-PBF)及空芯反共振反射纖維(HC-ARF)。HC-PCF之設計及製造上之細節可見於以引用之方式併入本文中之美國專利US2004/015085A1(針對HC-PBF)及國際PCT專利申請案WO2017/032454A1(針對空芯反共振反射纖維)中。圖9之(a)展
示包含Kagome晶格結構之Kagome纖維。
現將參看圖7描述用於輻射源中之光纖的實例，該圖為橫向平面中光纖OF之示意性橫截面圖。類似於圖7之纖維之實際實例的其他實施例揭示於WO2017/032454A1中。
光纖OF可包含細長主體，光纖OF在一個維度上比光纖OF之其他兩個維度相比更長。此更長維度可稱為軸向方向，且可限定光纖OF之軸。兩個其他維度界定可被稱作橫向平面之平面。圖7展示光纖OF在經標記為x-y平面之此橫向平面(亦即，垂直於軸線)中之橫截面。光纖OF之橫向橫截面沿著纖維軸線可為實質上恆定的。
應瞭解，光纖OF具有一定程度之可撓性，且因此，一般而言，軸線之方向沿著光纖OF之長度將不均勻。諸如光軸、橫向橫截面及其類似者之術語應理解為意謂局部光軸、局部橫向橫截面等。此外，在組件經描述為成圓柱形或管狀之情況下，此等術語應理解為涵蓋當光纖OF彎曲時可能已變形的此類形狀。
光纖OF可具有任何長度且將瞭解，光纖OF之長度可取決於應用。光纖OF可具有1cm與10m之間的長度，例如光纖OF可具有10cm與100cm之間的長度。
光纖OF包含：0空芯HC；包圍空芯HC之包層部分；及包圍且支撐包層部分之支撐部分SP。可將光纖OF視為包含具有空芯HC之主體(包含包層部分及支撐部分SP)。該包層部分包含用於導引輻射穿過空芯HC之複數個反共振元件。特定言之，複數個反共振元件經配置以約束主要在空芯HC內部傳播通過光纖OF之輻射，且經配置以沿著光纖OF導引輻射。光纖OF之空芯HC可實質上安置於光纖OF之中心區中，以使得光纖
OF之軸線亦可限定光纖OF之空芯HC之軸線。
該包層部分包含用於導引傳播穿過光纖OF之輻射的複數個反共振元件。特定而言，在此實施例中，包層部分包含六個管狀毛細管CAP之單環。管狀毛細管CAP中之每一者充當反共振元件。
毛細管CAP亦可被稱作管。在橫截面中，毛細管CAP可為圓形的，或可具有另一形狀。每一毛細管CAP包含大體上圓柱形壁部分WP，該大體上圓柱形壁部分WP至少部分地限定光纖OF之空芯HC且將空芯HC與毛細管空腔CC分離。將瞭解，壁部分WP可充當用於輻射之抗反射法布里-珀羅(Fabry-Perot)共振器，該輻射傳播通過空芯HC(且該輻射可以一掠入射角入射於壁部分WP上)。壁部分WP之厚度可為合適的，以便確保大體上增強返回空芯HC之反射，而大體上抑制進入毛細管空腔CC之透射。在一些實施例中，毛細管壁部分WP可具有在0.01μm至10.0μm之間的厚度。
應瞭解，如本文中所使用，術語包層部分意欲意謂光纖OF之用於導引傳播穿過光纖OF之輻射的部分(亦即，將該輻射約束於空芯HC內之毛細管CAP)。輻射可以橫向模式之形式受約束，從而沿纖維軸線傳播。
支撐部分大體上為管狀的且支撐包層部分之六個毛細管CAP。六個毛細管CAP均勻分佈在內部支撐部分SP之內表面周圍。六個毛細管CAP可描述為以大體上六邊形之形式安置。
毛細管CAP經配置以使得每一毛細管不與其他毛細管CAP中之任一者接觸。毛細管CAP中之每一者與內支撐部分SP接觸，且與環結構中之相鄰毛細管CAP間隔開。此配置因為可增加光纖OF之透射頻寬
(相對於例如毛細管彼此接觸之配置)而可為有益的。替代地，在一些實施例中，毛細管CAP中之每一者可與環結構中之相鄰毛細管CAP接觸。
包層部分之六個毛細管CAP以環結構安置於空芯HC周圍。毛細管CAP之環結構之內表面至少部分地界定光纖OF之空芯HC。空芯HC之直徑d(其可界定為對置毛細管之間的最小尺寸，由箭頭d指示)可在10μm與1000μm之間。空芯HC之直徑d可影響空芯HC光纖OF之模場直徑、衝擊損失、分散度、模態多元性及非線性屬性。
在此實施例中，包層部分包含毛細管CAP(其充當反共振元件)之單環配置。因此，自空芯HC之中心至光纖OF之外部的任何徑向方向上的線通過不超過一個毛細管CAP。
應瞭解，其他實施例可具備反共振元件之不同配置。此等配置可包括具有反共振元件之多個環之配置及具有嵌套式反共振元件的配置。圖9之(a)展示具有毛細管CAP之三個環的HC-PCF之實施例，該等環沿著徑向方向堆疊於彼此之上。在此實施例中，每一毛細管CAP在同一環中及不同環中均與其他毛細管接觸。此外，儘管圖7中所展示之實施例包含六個毛細管之環，但在其他實施例中，包含任何數目之反共振元件(例如4、5、6、7、8、9、10、11或12個毛細管)的一或多個環可設置於包層部分中。
圖9之(b)展示上文所論述之具有管狀毛細管之單環的HC-PCF之經修改實施例。在圖9之(b)的實例中，存在管狀毛細管21之兩個同軸環。為了固持管狀毛細管21之內部及外部環，支撐管ST可包括在HC-PCF中。支撐管可由二氧化矽製成。
圖7以及圖9之(a)及(b)之實例的管狀毛細管可具有圓形橫
截面形狀。對於管狀毛細管，其他形狀亦有可能，如橢圓或多邊形橫截面。另外，圖7以及圖9之(a)及(b)之實例的管狀毛細管之固體材料可包含如PMA之塑性材料、如二氧化矽之玻璃，或軟玻璃。
圖8描繪用於提供寬帶輸出輻射之輻射源RDS。輻射源RDS包含：脈衝式泵浦輻射源PRS或能夠產生所要長度及能量位準之短脈衝的任何其他類型之源；具有空芯HC之光纖OF(例如圖7中所展示之類型)；及安置於空芯HC內之工作介質WM(例如氣體)。儘管在圖8中輻射源RDS包含圖7中所展示之光纖OF，但在替代實施例中，可使用其他類型之空芯HC光纖OF。
脈衝式泵浦輻射源PRS經組態以提供輸入輻射IRD。光纖OF之空芯HC經配置以容納來自脈衝式泵浦輻射源PRS之輸入輻射IRD，且增寬輸入輻射IRD以提供輸出輻射ORD。工作介質WM能夠增寬所接收輸入輻射IRD之頻率範圍以便提供寬帶輸出輻射ORD。
輻射源RDS進一步包含儲集器RSV。光纖OF安置於儲集器RSV內部。儲集器RSV亦可稱為殼體、容器或氣胞。儲集器RSV經組態以含有工作介質WM。儲集器RSV可包含此項技術中已知的用於控制、調節及/或監測儲集器RSV內部之工作介質WM(其可為氣體)之組成的一或多個特徵。儲集器RSV可包含第一透明窗TW1。在使用時，光纖OF安置於儲集器RSV內部，以使得第一透明窗TW1接近於光纖OF之輸入端IE處定位。第一透明窗TW1可形成儲集器RSV之壁的部分。第一透明窗TW1可至少對於所接收輸入輻射頻率為透明的，以使得所接收輸入輻射IRD(或至少其較大部分)可耦合至位於儲集器RSV內部之光纖OF中。將瞭解，可提供用於將輸入輻射IRD耦合至光纖OF中之光學器件(未展示)。
儲集器RSV包含形成儲集器RSV之壁之部分的第二透明窗TW2。在使用時，當光纖OF安置於儲集器RSV內部時，第二透明窗TW2位於接近於光纖OF之輸出端OE處。第二透明窗TW2至少對於輻射源RDS之寬帶輸出輻射ORD之頻率可為透明的。
替代地，在另一實施例中，光纖OF之兩個對置末端可置放於不同儲集器內部。光纖OF可包含經組態以接收輸入輻射IRD之第一末端區段，及用於輸出寬帶輸出輻射ORD之第二末端區段。第一末端區段可置放於包含工作介質WM之第一儲集器內部。第二末端區段可置放於第二儲集器內部，其中第二儲集器亦可包含工作介質WM。儲集器之運作可如上文關於圖8所描述來進行。第一儲集器可包含第一透明窗，該第一透明窗經組態以對於輸入輻射IRD為透明的。第二儲集器可包含第二透明窗，該第二透明窗經組態為對於寬帶輸出輻射ORD為透明的。第一儲集器及第二儲集器亦可包含可密封開口，以准許光纖OF部分地置放於儲集器內部且部分地置放於儲集器外部，使得氣體可密封於儲集器內部。光纖OF可進一步包含不含於儲集器內部之中間區段。使用兩個單獨氣體儲集器之此配置對於其中光纖OF相對較長(例如當長度超過1m時)之實施例可為尤其便利的。將瞭解，對於使用兩個單獨氣體儲集器之此類配置，可將兩個儲集器(其可包含此項技術中已知的用於控制、調節及/或監測兩個儲集器內部之氣體之組成的一或多個特徵)視為提供用於提供光纖OF之空芯HC內工作介質WM的裝置。
在此上下文中，若窗上某一頻率之入射輻射之至少50%、75%、85%、90%、95%或99%透射通過該窗，則窗對於彼頻率可為透明的。
第一TW1及第二TW2透明窗兩者可在儲集器RSV之壁內形成氣密密封，以使得可在儲集器RSV內含有工作介質WM(其可為氣體)。應瞭解，氣體WM可在不同於儲集器RSV之環境壓力的壓力下包含於儲集器RSV內。
工作介質WM可包含：諸如氬氣、氪氣及氙氣之惰性氣體；諸如氫氣、氘氣及氮氣之拉曼(Raman)活性氣體；或諸如氬氣/氫氣混合物、氙氣/氘氣混合物、氪氣/氮氣混合物或氮氣/氫氣混合物之氣體混合物。取決於填充氣體之類型，非線性光學程序可包括調變不穩定性(MI)、孤立子自壓縮、孤立子分裂、克爾(Kerr)效應、拉曼效應及分散性波產生(DWG)，其詳細內容描述於WO2018/127266A1及US9160137B1(兩者皆特此以引用之方式併入)中。由於可藉由改變儲集器RSV中之工作介質WM壓力(亦即氣胞壓力)來調諧填充氣體之分散，因此可調整所產生之寬帶脈衝動態及相關光譜增寬特性，以便最佳化頻率轉換。
在一個實施中，工作介質WM可至少在接收用於產生寬帶輸出輻射ORD之輸入輻射IRD期間安置於空芯HC內。應瞭解，當光纖OF不接收用於產生寬帶輸出輻射之輸入輻射IRD時，氣體WM可全部或部分地不存在於空芯HC中。
為了達成頻率增寬，可需要高強度輻射。具有空芯HC光纖OF之優勢為，其可經由對傳播穿過光纖OF之輻射的強空間限制而達成高強度輻射，從而達成高局域化輻射強度。光纖OF內部之輻射強度可較高，例如歸因於高接收輸入輻射強度及/或歸因於光纖OF內部之輻射的強空間約束。空芯光纖之優勢為其可導引具有比固體核心纖維更廣之波長範圍之輻射，且特定而言，空芯光纖可導引在紫外及紅外範圍兩者中之輻
射。
使用空芯HC光纖OF之優勢可為在光纖OF內部導引之大部分輻射被限制在空芯HC中。因此，光纖OF內部之輻射之相互作用的大部分係與工作介質WM進行，該工作介質WM經設置於光纖OF之空芯HC內部。因此，可增加工作介質WM對輻射之增寬效應。
所接收輸入輻射IRD可為電磁輻射。輸入輻射IRD可作為脈衝輻射接收。舉例而言，輸入輻射IRD可包含例如由雷射產生之超快脈衝。
輸入輻射IRD可為相干輻射。輸入輻射IRD可為準直輻射，且其優勢可為促進且提高將輸入輻射IRD耦合至光纖OF中之效率。輸入輻射IRD可包含單頻或窄頻率範圍。輸入輻射IRD可由雷射產生。類似地，輸出輻射ORD可為準直及/或可為相干的。
輸出輻射ORD之寬帶範圍可為連續範圍，包含輻射頻率之連續範圍。輸出輻射ORD可包含超連續光譜輻射。連續輻射可有益於在眾多應用中使用，例如在度量衡應用中使用。舉例而言，連續頻率範圍可用以查詢大量屬性。頻率之連續範圍可例如用以判定及/或消除所量測屬性之頻率依賴性。超連續光譜輸出輻射ORD可包含例如在100nm至4000nm之波長範圍內的電磁輻射。寬帶輸出輻射ORD頻率範圍可為例如400nm至900nm、500nm至900nm或200nm至2000nm。超連續光譜輸出輻射ORD可包含白光。
由脈衝式泵浦輻射源PRS提供之輸入輻射IRD可為脈衝。輸入輻射IRD可包含在200nm與2μm之間的一或多個頻率之電磁輻射。輸入輻射IRD可例如包含具有1.03μm之波長的電磁輻射。脈衝輻射IRD之
重複率可具有1kHz至100MHz之數量級。脈衝能量可具有0.1μJ至100μJ之數量級，例如1至10μJ。輸入輻射IRD之脈衝持續時間可在10fs與10ps之間，例如300fs。輸入輻射IRD之平均功率可在100mW至數百W之間。輸入輻射IRD之平均功率可例如為20W至50W。
脈衝式泵浦輻射源PRS可為雷射。經由(泵浦)雷射參數、工作組分WM變化及光纖OF參數之調整可改變及調諧沿光纖OF透射之此類雷射脈衝之時空透射特性(例如其光譜振幅及相位)。該等時空透射特性可包括以下各者中之一或多者：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)。該等脈衝泵浦輻射源PRS參數可包括以下中之一或多者：泵浦波長、泵浦脈衝能量、泵浦脈衝寬度、泵浦脈衝重複率。該等光纖OF參數可包括以下各者中之一或多者：空芯HC之光纖長度、大小及形狀；毛細管之大小及形狀；包圍空芯HC之毛細管的壁之厚度。該等工作組分WM(例如填充氣體)參數可包括以下各者中之一或多者：氣體類型、氣體壓力及氣體溫度。
由輻射源RDS提供之寬帶輸出輻射ORD可具有至少1W之平均輸出功率。平均輸出功率可為至少5W。平均輸出功率可為至少10W。寬帶輸出輻射ORD可為脈衝式寬帶輸出輻射ORD。寬帶輸出輻射ORD可具有至少0.01mW/nm之輸出輻射的整個波長帶中之功率譜密度。寬帶輸出輻射之整個波長帶中的功率譜密度可為至少3mW/nm。
在需要寬帶輸出輻射ORD的許多應用(諸如前述度量衡應用)中，存在對於進一步擴展寬帶輸出輻射ORD的短波長邊緣(詳言之，擴展至紫外線(UV)波長區中)的增長關注。所要波長範圍可包含例如低至
400nm、低至350nm、低至300nm、低至200nm、低至100nm、低至50nm或低至10nm之波長。能夠發射具有平滑(或平坦)光譜輪廓及擴展短波長邊緣之寬帶輸出輻射ORD(例如超連續光譜或白光)的輻射源RDS在尋求較佳波長通用性及因此較大可撓性之應用中為高度合乎需要的。舉例而言，平滑且UV擴展之超連續光譜尤其適用於疊對度量衡應用，其中現有光源不能滿足使用具有較小間距大小及較高層數目之目標的持續需求。經擴展UV波長能夠解析較小目標光柵且穿透更多目標層。平滑及UV擴展之光譜輪廓亦實現不同光譜範圍之間的準確及可靠波長切換以用於不同應用或用於最佳化量測效能。
目前，已採用數種方法以進一步擴展光纖OF中所產生之寬帶輸出輻射ORD的短波長邊緣。此等方法包括a)使用較長光纖OF；b)使用具有較小核心直徑之光纖；以及c)使用較低氣體壓力。當分開或組合使用時，此類方法藉由允許UV區中滿足定相匹配條件而促進UV波長之產生。然而，此類方法具有許多缺點。舉例而言，較長空芯HC光纖OF(例如，HC-PCF)通常需要較大儲集器RSV，其導致寬帶輻射源RDS之較大實體尺寸及較高製造成本。具有大佔據面積之輻射源使得其不適合用於僅提供有限空間以容納輻射源之許多應用。降低空芯HC光纖OF之核心直徑會增加光纖中之傳播損失，從而導致較低轉換效率及非所需(例如，不平衡或峰值)光譜輪廓。另外，在抽絲塔中製造具有較小核心直徑之空芯HC光纖OF極具挑戰性，由此產生較高製造成本。減少氣體壓力會顯著地減少充氣空芯HC中之非線性，亦導致較低轉換效率及非所要(例如，不平衡或峰值)光譜輪廓。為了維持較低氣體壓力中之相同非線性位準，將需要具有較高脈衝能量之脈衝式泵浦輻射源PRS。然而，此類高脈衝能量泵浦輻
射源PRS可非常昂貴。
圖10為點擴散功率譜密度(PSD)相對於波長λ之曲線圖，其描繪分別自具有30μm核心直徑之纖維、具有20μm核心直徑之纖維及在較低壓力下操作的具有30μm核心直徑之纖維產生的三個輸出光譜之模擬。如圖10中所展示，第一輸出光譜SP1產生於具有30μm之核心直徑的第一HC-PCF，且在25.7巴壓力下填充有氪氣工作介質。輸入輻射IRD之脈衝能量及脈衝重複率分別為5.3μJ及5MHz。第二輸出光譜SP2產生於具有20μm之核心直徑的第二HC-PCF中，且在25.7巴之相同壓力下填充有相同工作介質氪氣。輸入輻射IRD之脈衝能量及脈衝重複率分別為2.4μJ及10.6MHz。第三輸出光譜SP3產生於第一HC-PCF中，但在較低壓力(亦即，低於25.7巴)下填充有同一工作介質。輸入輻射IRD之脈衝能量及脈衝重複率分別為9.7μJ及2.7MHz。在模擬中，當脈衝能量改變時，脈衝重複率相應地被調整以便維持輸入輻射IRD之恆定平均功率。
相比於第一輸出光譜SP1，第二輸出光譜SP2及第三輸出光譜SP3兩者包含位於短波長側處大約350nm之尖銳譜峰。由於泵浦功率之相當大部分經轉換成尖銳譜峰，因此其他光區中之光譜分量(例如，可見區及近IR區)的PSD極低。對於需要平滑寬帶光譜之許多應用(例如，基於散射量測之度量衡應用)，此類不平衡或峰值光譜輪廓可成問題且不可靠。舉例而言，在度量衡應用中，當運用選自圖10中之第二輸出光譜SP2或第三輸出光譜SP3之UV光譜帶(例如，介於300nm與400nm之間的範圍內)照明樣本時，量測資料將對光譜之小改變極敏感。尖銳譜峰之小移位可引起樣本上之顯著波長及/或強度變化，從而又可導致不可靠的量測資料(例如，大量量測誤差、不具有可重複性)。
如上文所描述，存在涉及產生寬帶輸出輻射ORD(例如，超連續光譜或白光)之許多非線性光學程序。哪些非線性光學程序相比於其他程序具有較明顯光譜增寬效應將取決於如何設定操作參數。舉例而言，藉由選擇泵浦波長及/或光纖以使得泵浦脈衝在正常分散區(正群速分散(group velocity dispersion；GVD))中傳播通過纖維，自相位調變為主導非線性光學程序且負責泵浦脈衝之光譜擴展。然而，在大多數情況下，由脈衝式泵浦輻射源PRS提供之輸入輻射IRD之光譜增寬係由需要泵浦脈衝在異常分散區(負GVD)中之光纖OF中傳播的孤立子動力學驅動。此係因為，在異常分散區中，Kerr非線性及分散之效應相對於彼此起作用。當發射成具有異常色散之光纖(例如，HC-PCF)的泵浦脈衝之脈衝參數並不精確地匹配孤立子之脈衝參數時，泵浦脈衝將以某一孤立子階數及分散性波演進成孤立子脈衝。
眾所周知，孤立子分裂及調變不穩定性(MI)係用於孤立子驅動寬帶輻射產生中之光譜增寬的兩個主要機制。兩個機制之間的區別在於：孤立子分裂程序係與低孤立子階數相關聯，而MI程序係與高孤立子階數相關聯。MI為物理程序，其係指非線性分散介質中之強窄帶(相比於MI調變頻率)泵浦脈衝之光譜旁頻帶之自發生長。MI通常出現在異常分散工作狀態中；然而，若滿足某些要求，則MI亦可出現在正常分散區中，例如，存在高階分散。在MI程序期間，存在於脈衝之電場(或包絡)中(例如，歸因於量子波動)的微小擾動係在存在Kerr非線性的情況下以指數方式放大。放大之量係藉由MI增益判定。在此MI程序期間，時間脈衝包絡分裂成複數個短時間子結構或基本孤立子。平行於此情形，在峰值泵浦波長之兩側處對稱地產生光譜旁頻帶，從而引起連續增寬之光譜輪廓。
調變頻率表達為：
且對應MI週期由以下給出：
其中γ指示非線性係數，P指示泵浦功率，且β 2指示纖維傳播常數。為了主導MI程序，泵浦脈衝應充分長於MI週期T MI 。然而，不可能單獨自泵浦脈衝持續時間告知孤立子分裂程序抑或MI程序將為用於寬帶輻射產生中之光譜擴展的主導機制。此係因為泵浦脈衝持續時間隨泵浦峰值功率而縮放，該泵浦峰值功率影響非線性係數且因此影響調變週期。
對於具有脈衝持續時間τ之給定泵浦脈衝，等效孤立子階數N係由以下給出：
在方程[1]中，對於N=1，孤立子係基本孤立子。具有N>1之所有其他孤立子係高階孤立子。如上文所描述，對於MI程序為主導光譜增寬機制，泵浦脈衝需要充分長於MI週期T MI (或τ 0>>T MI )。已發現，光譜增寬通常在N>>20時藉由MI程序主導，而光譜增寬通常在N<<20時藉由孤立子分裂主導。因此，對於使用MI程序之配置，需要產生具有高孤立子階數N之輸入輻射IRD。此外，如自方程[3]可見，輸入輻射IRD之孤立子階數係與輸入輻射IRD之脈衝持續時間τ 0成比例。因此，對於MI程序佔優勢之典型先前技術配置，輸入輻射IRD之脈衝持續時間τ 0通常範圍介於100飛秒(fs)至10皮秒(ps)，且脈衝能量範圍介於1微焦耳(μJ)至20μJ。
應注意，諸如拉曼程序之其他非線性光學程序亦可有助於非線性光譜擴展。拉曼程序具有對該氣體介質之類型的依賴性。舉例而
言，在寬帶輸出輻射ORD產生於填充有惰性氣體或混合氣體(例如，氬氣、氪氣及氙氣)的HC-ARF中的情況下，MI為用於在不存在拉曼效應時光譜增寬泵浦脈衝的主導程序。類似地，在寬帶輸出輻射ORD產生於填充有拉曼活性氣體或混合氣體(例如，氫氣、氘氣及氮氣)之HC-ARF中的情況下，若泵浦脈衝近似或短於主導(亦即，較高增益)分子振盪之振盪時間，則MI仍為主導程序，而拉曼效應不大主導且導致泵浦脈衝光譜質心之紅移。然而，當泵浦脈衝長於主導拉曼活性模式之振盪時間時，拉曼效應發揮主導作用。拉曼效應誘發孤立子自頻移及孤立子碰撞。已發現，拉曼程序與MI程序之間的相互作用可產生寬帶輸出輻射ORD之經擴展長波長邊緣。
除初始泵浦啟動程序之外，亦可在後續非線性光學程序期間產生分散性波。舉例而言，可在孤立子受纖維中之局部損失干擾或受轉變為具有經修改參數之纖維干擾時而形成分散性波。當所產生之分散性波相位匹配以及與孤立子光譜重疊時，孤立子能量將部分地傳送至分散性波。由於分散性波形成於具有自孤立子移位之波長的正常分散區中，因此可將分散性波產生(DWG)用於短波長擴展。為了分散性波的高效產生，孤立子需要具有相對較寬光譜且接近光纖OF之零分散波長傳播。
返回參考圖10，本發明人已發現，第二輸出光譜SP2及第三輸出光譜SP3兩者中之尖銳譜值主要由DWG以不可控方式產生。因此，為了擴展寬帶輸出輻射之短波長邊緣同時維持平滑光譜輪廓，提議較佳地控制前述各種非線性光學程序。所提出之方法及器件旨在產生諸如第一輸出光譜SP1之輸出光譜。特定言之，此輸出光譜可使得其與所關注之寬波長範圍內之平均值相差不超過75%、50%、40%或30%(就PSD而
言)，例如，範圍包含在10nm至400nm之間的下限及在1000nm至3000nm之間的上限，400nm至1000nm之間的範圍、400nm至2000nm之間的範圍，或200nm至2000nm之間的範圍。另外或替代地，此輸出光譜可使得其不包含PSD大於2×、3×、4×或5×用於光譜之平均PSD的任何峰值。
在本發明中，提議方法及裝置以克服與現有方法相關聯之上述問題。實施於以下實例中之所提議方法及裝置能夠進一步將自基於空芯HC光纖OF之輻射源RDS產生的寬帶輸出輻射ORD擴展至UV區中，同時維持平衡光譜輪廓。此可藉由向空芯HC光纖OF施加一或多個腰部或減小直徑區來達成，寬帶輸出輻射ORD產生自該空芯HC光纖。向空芯HC光纖OF施加一或多個腰部之目的為在纖維中小心地操控一或多個非線性光學程序，例如MI程序及DWG之強度及起始，使得以有效且受控方式達到短波長擴展。
纖維錐形化被稱為用於修改光纖OF之局部屬性以使得可獲得不同光學特性的適用技術。纖維錐形已發現廣泛範圍之應用，諸如光通信及感測。在彼等應用中，纖維錐形用於改良光波導之間的模式匹配，用於將模式濾波提供至高階引導模式，以及用於增加非線性。由於纖維錐形減小核心直徑以及包層直徑，因此當橫越纖維錐形時，相同的泵浦脈衝將具有較高峰值強度，且因此參見較受限之纖維錐形的較高非線性。在公開案中，T.A.Birks等人，「Supercontinuum generation in tapered fibers」，光學快報(Opt.Lett.)25(19),1415(2000)，應用纖維錐形化以增加標準電信纖維中之非線性。錐形纖維之使用允許未經放大之泵浦脈衝增寬至多於兩個八波寬的光譜。
錐形纖維可包含腰部區，該腰部區包含其中纖維直徑減小
之漸細區段、具有恆定直徑之中心區段及其中纖維直徑增大至原始直徑之漸粗區段。錐形腰部區之長度可自例如幾毫米擴展至數十公分。若在纖維抽絲期間改變纖維參數，則具有例如10公尺之較長長度的錐形腰部區可為可能的。通常，藉由加熱纖維(例如，沿纖維之長度掃描熱源或氧丁烷火焰)同時平緩地在兩端施加拉力來製造錐形纖維。在伸長程序期間對加熱區域之擴展的精確控制允許產生任意錐形輪廓及腰部長度。公開案(R.Pennetta等人，「Fabrication and non-destructive characterization of tapered single-ring hollow-core photonic crystal fiber」，APL Photonics 4，056105(2019))揭示單環HC-PCF可使用標準焰流技術藉由選擇性地抽空毛細管外部之區以便平衡表面張力而錐形化。在以下實施例中，空芯HC光纖OF可以絕熱方式錐形化，使得基本模式之傳播實質上維持穿過錐形纖維。
然而，儘管較高非線性有益於增強光譜增寬效應，但本發明人已識別功率可擴展性之限制，在功率可擴展性上，錐形空芯HC光纖OF中之寬帶輻射(例如，超連續光譜)產生程序變得不穩定。不穩定超連續光譜產生藉由功率及光譜不穩定度表明。為了防止功率不穩定性，需要最佳化纖維錐形以得到具有低泵浦脈衝能量之所要光譜。
圖11示意性地說明經組態以用於產生具有平滑光譜輪廓及擴展短波長邊緣之寬帶輸出輻射的單腰部空芯光纖之兩個實例。單腰部空芯光纖可包含單一錐形腰部區TP、TP'。
在一些實施例中，如圖11之(a)中所說明，腰部區可包含在錐形區之間具有實質上恆定直徑的中心區。因而，單腰部空芯光纖STF可包含五個區段：第一非錐形區段FU、漸細區段TD、中心腰部區段CW(具
有實質上或相對恆定的直徑)、漸粗區段TU及第二非錐形區段SU。因此，單腰部區或減小直徑區可被視為包含漸細區段TD、中心腰部區段CW及漸粗區段TU之纖維部分。
對於每一區段，可存在界定例如區段長度、核心直徑及毛細管直徑之一組對應參數。具體言之，第一非錐形區段FU可包含第一長度L1、第一核心直徑D1及第一毛細管直徑(未展示)；漸細區段TD可包含第二長度L2、沿漸細區段變化(或減小)之第二核心直徑D2及沿漸細區段變化(或減小)之第二毛細管直徑(未展示)；中心腰部區段CW可包含第三長度L3、第三核心直徑D3及第三毛細管直徑(未展示)；漸粗區段TU可包含第四長度L4、第四核心直徑D4及第四毛細管直徑(未展示)；且第二非錐形區段SU可包含第五長度L5、第一核心直徑D1及第一毛細管直徑(未展示)。在漸細區段TD與中心腰部區段CW相接之位置處，第二核心直徑D2可與第三核心直徑D3相同；且第二毛細管核心直徑可與第三毛細管核心直徑相同。同樣地，在中心腰部區段CW與漸粗區段TU相接之位置處，第三核心直徑D3可與第四核心直徑D4相同；且第二毛細管核心直徑可與第四毛細管核心直徑相同。
應注意，以上提及之纖維參數為可特定地適合於錐形單環HC-ARF之實例參數。其他不同類型之光纖可包含不同或額外纖維參數。舉例而言，在一些實施例中，光纖可包含不同類型之HC-ARF，諸如Kagome纖維，其包層結構包含一組同心六邊形環。在此情況下，上文所描述之毛細管直徑可由六邊形環之兩個相對邊緣之間的距離替換。
應注意，中心腰部區段CW對於錐形光纖或錐形可並非必需的。在一些實施例中，光纖可以使得漸細區段TD緊隨有漸粗區段TU之
方式錐形化。因而，錐形光纖可不具有中心腰部區段CW，或中心腰部區段CW可顯著短使得其可被視為實際上不存在。圖11之(b)示意性地說明單腰部空芯光纖之另一組態，其中該單腰部區TP'可不包含中心腰部區段。用於圖11之(b)之實施例中之光纖OF可與圖11之(a)之實施例中之光纖OF相同。主要差異可在於圖11之(b)中所展示之錐形光纖STF'的單腰部TP'不包含中心腰部區段CW。在漸細區段TD與漸粗區段TU相接之位置(或錐形腰部位置)處，第二核心直徑D2可與第四核心直徑D4相同；且第二毛細管核心直徑(未展示)可與第四毛細管核心直徑(未展示)相同。亦應瞭解，可排除單腰部空芯光纖STF之一或多個其他區段。舉例而言，在其他實施例中，單腰部空芯光纖可不包含漸粗區段TU或任何第二非錐形區段SU。在不同實施例中，單腰部空芯光纖可不包含第一非錐形區段FU或任何漸細區段TD。
在漸細區段TD中，纖維之結構尺寸可沿單腰部空芯光纖STF、STF'之軸向方向或長度逐漸且持續地減小。舉例而言，第一核心直徑D1及第一毛細管直徑可分別逐漸減小至第二核心直徑D2及第二毛細管直徑。類似地，在漸粗區段TU中，纖維之結構尺寸可沿單腰部空芯光纖SFT、STF'之軸向方向或長度逐漸且持續地減小。舉例而言，第四核心直徑D4及第四毛細管直徑可分別逐漸且連續地增加至第一核心直徑D1及第一毛細管直徑。結構尺寸(例如核心直徑)減小或增大之速率可取決於錐形化程序，例如在錐形化期間拉動纖維之速率。
第一非錐形區段FU可為錐形中空光纖STF、STF'之輸入端，且第二非錐形區段SU可為錐形光纖STF、STF'之輸出端。第一非錐形區段FU可包含第一纖維琢面FF，且第二非錐形區段SU可包含第二纖維
琢面SF。返回參考圖8，在操作中，錐形光纖STF、STF'可由儲集器RSV完全圍封，該儲集器RSV填充有諸如惰性氣體或惰性氣體主導之混合氣體WM之合適介質。在進入儲集器RSV之後，自脈衝式泵浦輻射源PRS發射的輸入泵浦脈衝可經由第一纖維琢面FF耦合至第一非錐形區段FU中；所產生之寬帶輸出輻射ORD可隨後經由第二纖維琢面SF退出第二非錐形區段SU。應瞭解，圖8中之組態僅為實例。在不同組態中，錐形纖維可僅由儲集器RSV部分地圍封。在其他組態中，可不使用圖8中之儲集器RSV。舉例而言，可首先用惰性氣體或惰性氣體主導之混合氣體WM填充錐形光纖STF、STF'之空芯。隨後，可例如藉由將光學鏡面附接至每一纖維琢面(例如，第一纖維琢面FF及第二纖維琢面SF)來密封充氣空芯HC。因而，可排除儲集器RSV之使用。
在一些實施例中，非錐形或均勻光纖OF可包含前述HC-PCF中之一者，例如，如圖7中所說明之單環HC-ARF。當用於產生寬帶輸出輻射ORD時，單腰部空芯光纖STF、STF'可包含於圖8中所展示之寬帶輻射源RDS中。在一些具體實例中，單腰部空芯光纖STF、STF'可填充有惰性氣體或惰性氣體主導之混合物。如上文所描述，惰性氣體或惰性氣體主導之混合物可允許MI程序為用於光譜增寬之主導非線性光學程序。
圖12之(a)展示相對於沿用於模擬之纖維長度之位置P的波長λ能量(或信號sig(dB))譜密度曲線圖，其描繪單腰部空芯光纖(例如，如圖11之(b)中所展示)內之輸入輻射之脈衝的光譜演進包含腰部區，該腰部區在沿纖維長度之最佳化位置處開始(例如，漸細區段開始)。經最佳化位置可為MI主導之光譜增寬已開始之處。單腰部空芯光纖可包含於諸如例如圖8中所展示之輻射源內。白線0 GVD指示群速分散為零之波長。由
於零分散波長隨局部纖芯直徑而改變(例如，較短零分散波長對應於較小核心直徑)，因此白線0 GVD亦指示纖芯直徑沿單腰部空芯光纖STF'之長度的改變。在此特定實例模擬中，單腰部空芯光纖STF'之全長為42cm。第一非錐形區段FU、漸細區段TD、漸粗區段TU及第二非錐形區段SU之長度分別為20cm、9cm、9cm及4cm。非錐形區段FU、SU中之空芯的直徑為30μm，且在漸細區段與漸粗區段相接之位置處的空芯之最小直徑(或錐形腰部直徑)為20μm。在模擬中，漸細區段TD中的空芯之直徑被視為線性地自30μm減小至20μm，且漸粗區段TU中的空芯之直徑被視為線性地自20μm增大至30μm(此為模擬簡單起見；歸因於製造程序，錐形將不大可能具有線性變化之直徑)。
單腰部空芯光纖STF'之空芯可在25.7巴壓力下填充有工作介質氪氣。輸入輻射可包含具有5MHz之重複率及1030nm之質心波長的一連串泵浦脈衝。半高寬(FWHM)脈衝持續時間可為300fs，且脈衝能量可為5.3μJ。在朝單腰部空芯光纖STF'啟動之後，脈衝式輸入輻射(或泵浦脈衝)IRD發展為具有N=110之孤立子階數之高階孤立子。由於孤立子階數隨核心直徑改變，因此在核心直徑減小至20μm時初始孤立子階數減小至N=75。如上文所描述，泵浦脈衝之孤立子階數為可用於區分根據其藉由MI來主導光譜增寬之條件與根據其藉由孤立子分裂來主導光譜增寬之條件的便利參數。由於孤立子階數比被視為MI程序之下限的20高得多，因此在第一非錐形區段FU(或單腰部空芯光纖STF'之前20cm長度)中觀測到的光譜增寬主要歸因於MI程序。
如圖12之(a)中所展示，MI程序之起始在距離單腰部空芯光纖STF'之第一纖維琢面FF 13cm處發生。MI程序引起顯著的光譜擴
展，其推動長波長邊緣至約1600nm及短波長邊緣至約500nm。當經光譜擴展之脈衝進入至漸細區段中(亦即，在距離第一纖維琢面FF 20cm處)時，收縮核心直徑改變有助於波長移位之分散性波之高效產生的非線性光學程序之先前建立之條件。因此，獲得額外短波長擴展。此額外短波長擴展在圖12之(a)中顯而易見，其中光譜之短波長邊緣自距離第一纖維琢面FF 20cm處的約500nm擴展至距離第一纖維琢面FF 28cm處的低於300nm。最大短波長擴展在錐形腰部位置或其中漸細區段TD及漸粗區段TU相接的位置周圍達成。
錐形之位置，其被定義為漸細開始之位置，對於同時獲得最大化短波長擴展及平滑整體光譜輪廓(諸如，圖12之(a)中所展示之實例光譜輪廓)係重要的。在單腰部空芯光纖STF、STF'之情況下，可經由模擬精確地判定錐形位置。替代地或另外，可使用回截方法判定錐形位置，該回截方法可包含例如以下四個步驟：步驟1)，量測非錐形空芯光纖之(例如，長)長度下的輸出光譜及功率；步驟2)在接近輸入端之點處切割非錐形纖維；獲得縮短長度之步驟3)對非錐形纖維之縮短長度執行相同量測；及步驟4)重複步驟2)至3)直至經量測輸出光譜確認已發生MI主導之光譜增寬。未錐形纖維之對應殘餘長度可用於設定單腰部空芯光纖STF、STF'之第一非錐形區段FU的長度。因此，單錐形，或更特定言之，漸細區段TD可緊接在所判定長度之後開始。
應瞭解，操作參數之不同集合(例如，輸入輻射IRD、光纖OF、工作介質WM等之參數)可導致不同的非線性條件，且因此可需要不同的錐形參數(例如，錐形位置、逐漸減小之速率、錐形腰部等)。舉例而言，藉由一組不同操作參數，包含額外中心腰部區段CW的圖11之(a)之單
腰部空芯光纖STF可用以獲得平滑且擴展之光譜輪廓。中心腰部區段CW可進一步增強傳播脈衝可見之非線性(歸因於其較小核心直徑)，且因此可改良DWG之效率。
以單錐形錐形化之空芯光纖為用於產生具有光滑及UV擴展光譜輪廓之寬帶輸出輻射ORD的有效方法。然而，單錐形之主要功能為控制DWG之起始。對於MI程序之起始不存在控制，MI程序主要藉由提供第一非錐形區段FU之充足長度來實現。若第一非錐形區段FU之長度對於一組給定操作參數不夠長，則所得輸出光譜將不具有所要光譜輪廓。
圖12之(b)展示與圖12之(a)的曲線圖等效之曲線圖，其用於在單腰部區處於未最佳化位置處時模擬圖11之(b)中所展示之單腰部空芯光纖內的輻射脈衝之光譜演進；亦即，其中MI主導之光譜增寬始於錐形。圖12之(b)中所展示之模擬係基於與用於圖12之(a)中所展示之模擬中的錐形空芯光纖相同的錐形空芯光纖。兩個模擬之間的主要差異在於：圖12之(b)之模擬中的輸入輻射IRD之脈衝能量為2.4μJ而非5.3μJ。歸因於較低脈衝能量，第一非錐形區段FU之相同長度現不足以觸發MI程序之起始。如圖12之(b)中所展示，延遲MI主導之光譜增寬之起始直至脈衝已進入錐形區，例如，漸細區段TD及漸粗區段TU。在此實例模擬中，延遲MI程序防止DWG出現且因此產生具有峰值輪廓且缺乏短波長擴展之輸出光譜。
圖13展示輻射源之兩個輸出光譜的具有分別與圖12之(a)及圖12之(b)中所展示之模擬相同之參數的模擬。自其中空芯纖維在未最佳化之位置處錐形化的輻射源產生之未最佳化之輸出光譜USP包含與第一輸出光譜SP1(自相同但均勻的光纖產生)之光譜頻寬類似的光譜頻寬及兩個
明顯的尖峰，例如，一個約450nm且另一個約1000nm，類似於第二輸出光譜SP2。此光譜輪廓對於度量衡應用並不有利。藉由比較，自其中空芯光纖在經最佳化位置處錐形化的輻射源產生之輸出光譜OSP包含擴展短波長邊緣及較平滑光譜輪廓(或較平衡PSD輪廓)。
除上文所描述之模擬外，本發明人亦進行實驗以證明概念。圖14之(a)示意性地描繪纖芯直徑如何沿著經由針對短波長擴展之模擬及輸出輻射ORD之平衡光譜輪廓的維持而最佳化的實例單腰部空芯光纖之長度變化。應注意，圖中所展示之纖維設計僅為圖11之(a)中所展示之空芯光纖STF的一個特定實例。亦應注意，纖維設計用作用於製造纖維之目標；因此，最終或產生後纖維尺寸(例如，包含漸細區段TD、中心腰部區段CW及漸粗區段TU之腰部區之尺寸)可在製造公差範圍內略微偏離設計值。應瞭解，製造公差範圍之大小將取決於許多因素，諸如纖維錐形化之方式、用於此纖維錐形化之工具等。用於根據圖14之(a)之設計製造單腰部空芯光纖的製造公差範圍可係每一目標尺寸之約±5%、約±10%、約±15%或約±20%。
返回參考圖14之(a)，在此實例設計中，第一非錐形區段FU、漸細區段TD、漸粗區段TU及第二非錐形區段SU的長度分別為約29cm、約4cm、約2cm、約4cm及約3cm。第一非錐形區段FU或第二非錐形區段SU中的纖芯直徑FCD為約32μm。在漸縮區段TD或漸粗區段TU中，纖芯直徑FCD沿纖維長度實質上線性地改變。中心腰部區段CW中之纖芯直徑FCD為約21.5μm。在此情況下，界定為中心腰部區段CW之纖芯直徑FCD比第一非錐形區段FU或第二非錐形區段SU之纖芯直徑FCD的比率的錐形化比率經計算為約0.67。故意地選擇第一非錐形區段FU之長
度(在此情況下為約29cm)以確保對於一組給定操作參數，泵浦脈衝在進入至纖維之腰部區中之前已經歷MI主導之光譜增寬。
圖14之(b)展示分別自均勻空芯光纖及單腰部空芯光纖(例如，如圖14之(a)中所展示)發射之兩個經量測輸出光譜SP_REF、SP_SW。光譜SP_REF對應於其中針對給定空芯光纖謹慎地選擇一組操作參數之基線情形。在此特定實驗中，均勻纖維為具有32μm之核心直徑的單環HC-ARF(例如，如圖7中所說明)。填充均勻纖維之空芯的工作介質WM係由98%氬氣及2%氫氣以莫耳分數組成之氣體混合物。工作介質WM之壓力設定成40巴。脈衝式泵浦輻射PRS以1MHz之重複率發射一連串泵浦脈衝。泵浦脈衝之質心波長為約1030nm、脈衝持續時間為約300fs且脈衝能量為約4.16μJ。如圖式中可見，基線光譜具有極峰值(或並非平滑/平坦)光譜輪廓，尤其在300nm至600nm之間的波長範圍內。此類峰值光譜輪廓防止其具有任何實務用途。
相比之下，自錐形空芯光纖產生光譜SP_SW，該錐形空芯光纖係由與用於產生光譜SP_REF相同的均勻纖維(或具有相同設計的不同纖維)製成且對圖14之(a)中所展示的設計進行後處理(亦即，錐形化)。為了微調輸出光譜以便平衡短波長擴展及光譜形狀，調整泵浦脈衝能量，例如自4.16μJ增大至5.36μJ，同時使其他操作參數保持相同。自比較顯而易見，單腰部區(或單一錐形)之實施不僅進一步擴展短波長邊緣(例如自約350nm至300nm)，且亦顯著平滑化原始峰值光譜輪廓，尤其在300nm至600nm之間的波長範圍內(例如不再存在約400nm之谷值區)。
圖14之(c)展示三個量測的功率轉移曲線P_REF、P_SW1、P_SW2，其描述對於不同空芯光纖且在不同操作條件下，整合
式輸出功率如何隨輸入泵浦脈衝能量改變。特定言之，基於相同均勻空芯光纖及與用於產生圖14之(b)中所展示之光譜SP_REF之操作參數相同的操作參數(除了在此量測中故意改變的輸入泵浦脈衝能量以外)獲得功率轉移曲線P_REF。類似地，基於相同錐形空芯光纖及與用於產生圖14之(b)中所展示之光譜SP_SW之操作參數相同的操作參數(除了在此量測中故意改變之輸入泵浦脈衝能量以外)而獲得功率轉移曲線P_SW1。基於相同錐形空芯光纖及與用於產生功率轉移曲線P_SW1之操作參數相同的操作參數(除了自1MHz增大至2MHz之泵浦脈衝重複率以外)而獲得功率轉移曲線P_SW2。
此處，整合式輸出功率為遍及自纖維發射之輸出輻射ORD之某一波長範圍或整個光譜頻寬而整合的功率。如圖中可見，對於所有三個功率轉移曲線P_REF、P_SW1、P_SW2，輸出功率隨著輸入泵浦脈衝能量增加而增加，而在高能量端處無顯著滾動。此情形確認至少高達約7μJ之脈衝能量，單腰部區域之實施(或單錐形)對輻射源RDS之能量縮放能力不產生影響或產生可忽略的負面影響，其中單腰部空芯光纖用於寬帶輻射產生。功率轉移曲線P_REF與P_SW1之間的比較表明，在相同泵浦脈衝重複率(例如，1MHz)的情況下，單腰部空芯光纖產生比均勻空芯光纖低的用於產生輸出輻射ORD之泵浦能量臨限值。此外，功率轉移曲線P_SW1與P_SW2之間的比較表明，較高泵浦脈衝重複率導致較高泵浦能量臨限值及為曲線之斜率的較高斜率效率。
根據圖12之(b)中所展示之模擬，纖維錐形化有助於觸發MI程序之起始。因此，額外腰部區或減小直徑區可應用於單腰部空芯光纖STF、STF'以便較佳地提供對MI程序(例如，MI程序之起始)之主動控
制，而非依賴於在第一非錐形區段FU中被動地觸發MI程序。使用額外腰部區可有利於允許MI主導之光譜擴展開始，即使在低脈衝能量之情況下亦如此。因而，可規避與高脈衝能量相關聯之前述功率及光譜不穩定性。
圖15示意性地說明經組態以用於產生具有平滑光譜輪廓及擴展短波長邊緣之寬帶輸出輻射的雙腰部空芯光纖。雙腰部空芯光纖DTF可包含分別位於沿纖維之兩個不同位置處的第一腰部區或減小直徑區TP1及第二腰部區或減小直徑區TP2。
兩個錐形中之每一者可經組態為圖11之(a)中所展示之單一錐形(亦即，如本文中所說明，包含中心腰部區段)，圖11之(b)中所展示之單一錐形(亦即，無中心腰部區段)或此等的組合(例如，第一腰部區可具有中心腰部區段，且第二腰部區可不包含中心腰部區段，或反之亦然)。在一些實施例中，非錐形空芯光纖可包含前述HC-PCF中之一者，例如，如圖7中所說明之單環HC-ARF。當用於產生寬帶輸出輻射ORD時，圖15中所展示之雙腰部空芯光纖DTF可包含於圖8中所展示之輻射源RDS中。雙腰部空芯光纖DTF可填充有惰性氣體或惰性氣體主導之混合物。如上文所描述，惰性氣體或惰性氣體主導之混合物可允許MI程序為用於光譜增寬之主導非線性光學程序。
在圖15之實施例中，雙腰部空芯光纖DTF可包含九個區段：第一非錐形區段UT1、第一漸細區段TD1、第一中心腰部區段CW1、第一漸粗區段TU1、第二非錐形區段UT2、第二漸細區段TD2、第二中心腰部區段CW2、第二漸粗區段TU2及第三非錐形區段UT3。對於每一區段，可存在界定例如區段長度、核心直徑及毛細管直徑之一組參數。具體言之，第一非錐形區段UT1可包含第一長度L1'、第一核心直徑D1'及第一
毛細管直徑(未展示)；第一漸細區段TD1可包含第二長度L2'、沿漸細區段變化(或減小)之第二核心直徑D2'及沿漸細區段變化(或減小)之第二毛細管直徑(未展示)；第一中心腰部區段CW1可包含第三長度L3'、第三核心直徑D3'及第三毛細管直徑(未展示)；第一漸粗區段TU1可包含第四長度L4'、第四核心直徑D4'及第四毛細管直徑(未展示)；第二非錐形區段UT2可包含第五長度L5'、第一核心直徑D1'及第一毛細管直徑；第二漸細區段TD2可包含第六長度L6'、第六核心直徑D6'及第六毛細管直徑(未展示)；第二中心腰部區段CW2可包含第七長度L7'、第七核心直徑D7'及第七毛細管直徑(未展示)；第二漸粗區段可包含第八長度L8'、第八核心直徑D8'及第八毛細管直徑(未展示)；且第三非錐形區段UT3可包含第九長度L9'、第一核心直徑D1'及第一毛細管直徑。在不同實施例中，雙腰部空芯光纖DTF可包含兩個中心腰部區段CW1、CW2中之一者。在其他實施例中，雙腰部空芯光纖DTF可不包含中心腰部區段。
在一些實施例中，兩個楔形TP1、TP2可經組態以使得接近第一纖維琢面FF'之第一錐形TP1用於觸發MI程序之起始，同時位於第一錐形TP1下游且接近第二纖維琢面SF'之第二錐形TP2經組態以觸發DWG之起始。術語「下游」將描述較接近纖維之輸出端的位置，且「上游」將描述較接近纖維之輸入端的位置。可適用於單腰部空芯光纖STF、STF'的輻射源RDS之前述組態同樣適用於雙腰部空芯光纖DTF。
圖16之(a)展示與圖12之曲線圖等效之曲線圖，其用於模擬具有兩個腰部區(例如，如圖15中所展示)之所展示錐形空芯光纖內的輻射脈衝之光譜演進，其中施加第一腰部區以控制調變不穩定性程序且施加第二腰部區以控制分散性波產生。白線0 GVD指示零分散波長及纖芯直徑沿
雙腰部空芯光纖DTF之長度的改變。在此實例模擬中，雙腰部空芯光纖DTF之總長度為42cm，例如與圖11之(a)及圖11之(b)中所展示之單腰部空芯光纖STF、STF'之總長度相同。第一非錐形區段UT1、第一漸細區段TD1、第一漸粗區段TU1、第二非錐形區段UT2、第二漸細區段TD2、第二中心腰部區段CW2、第二漸粗區段TU2及第三非錐形區段UT3之長度分別為4cm、5cm、7cm、5cm、5cm、5cm、4cm、5cm及2cm。非錐形區段UT1、UT2、UT3中之空芯的直徑為30μm，且第一中心腰部區段CW1及第二中心腰部區段CW2兩者中之空芯的最小直徑(或錐形腰部直徑)為20μm。在模擬中，漸縮區段TD1、TD2中之空芯的直徑被視為自30μm線性地減小至20μm，且漸粗區段TU1、TU2中之空芯的直徑被視為自20μm線性地增大至30μm。
雙腰部空芯光纖DTF之空芯可在25.7巴壓力下填充有工作介質氪氣。輸入輻射可包含具有10.6MHz之重複率及1030nm之質心波長的一連串泵浦脈衝。半高寬(FWHM)脈衝持續時間為300fs，且脈衝能量為2.4μJ。在朝雙腰部空芯光纖DTF啟動之後，脈衝式輸入輻射(或泵浦脈衝)IRD發展為具有N=80之孤立子階數之高階孤立子。由於孤立子階數隨核心直徑改變，因此在核心直徑減小至20μm時初始孤立子階數減小至N=54。此高孤立子階數確保輸入輻射IRD在MI工作狀態中光譜增寬。
如圖16之(a)中所展示，MI程序之起始發生於第一腰部區TP1之第一漸粗區段TU1中。第一腰部區TP1使得(或至少輔助)MI主導之光譜擴展在距離第一纖維琢面FF'(或輸入纖維端)大致16cm處開始。此情形與圖12之(b)中所展示之情況形成對比，其中具有2.4μJ中之相同脈衝能量的輸入輻射IRD並不產生MI主導之光譜增寬，即使在25cm之距離處亦
如此。因此，第一腰部區TP1促進MI程序之起始。在進入第二腰部區TP2之前，顯著地增寬之輸入輻射的光譜，從而覆蓋大致450nm至1700nm之間的光譜範圍。
DWG誘發之短波長擴展在脈衝式輸入輻射IRD到達第二腰部區TP2(更特定言之，此第二腰部區之第二中心腰部區段CW2)時開始。因此，光譜之短波長邊緣自約450nm延伸降至約300nm。藉助於第一錐形腰部區，有效地獲得DWG誘發之短波長擴展。此情形同樣與圖12之(b)中所展示之情況形成對比，其中具有2.4μJ中之相同脈衝能量的輸入輻射IRD歸因於MI程序之延遲起始而甚至不提供DWG誘發之短波長擴展。
圖16之(b)展示輻射源之輸出光譜的具有與圖16之(a)中所展示之模擬相同之參數的模擬。與圖13中所展示產生的未最佳化輸出光譜USP形成對比，在相同泵浦脈衝能量之情況下，雙腰部空芯光纖DTF能夠顯著地擴展光譜DSP之短波長邊緣，同時維持更光滑的光譜輪廓(或更平衡的PSD輪廓)。
為了設計用於寬帶輻射產生之雙腰部空芯光纖DTF，因此重要的係確保最佳化第一腰部區段之位置及參數以控制MI誘發之光譜擴展之起始及強度，且最佳化第二腰部區之位置及參數以控制DWG之起始及強度。MI誘發之光譜擴展的起始可發生在與雙腰部空芯光纖DTF之第一琢面FF'相距5cm與30cm之間的位置處。舉例而言，MI起始位置可在與第一琢面FF'相距10cm至20cm之間、14cm至16cm之間、15cm至35cm之間、20cm至30cm之間，或24cm至28cm之間。若例如第一腰部區TP1之第一中心腰部區段CW1不適當長，使得分散性波在第一腰部區內產生。在此情況下，可獲得所要短波長擴展，然而，與第二輸出光譜SP2類
似，輸出光譜輪廓係不平衡的且包含尖銳UV峰值。因此，除了針對每一程序使每一腰部區最佳化之外，亦重要的係確保第一腰部區在DWG起始之前結束。在一些實施例中，第一漸粗區段TU1可位於MI程序之起始的短距離內。此短距離可在例如-10cm至10cm之間、-5cm至5cm之間、-2.5cm至2.5cm之間或-1cm至1cm之間的範圍內。
應注意，前述實施例中使用之術語「錐形」應被廣泛地解釋為光纖之一部分，其中纖維之結構性尺寸(例如，內部核心直徑、內部及/或外部毛細管直徑)沿纖維長度改變。因此，錐形可被視為光纖OF之結構上變化的部分，而光纖OF之非錐形部分可被視為包含一或多個主部分。腰部區可能未必包含所有以下三個區段：漸細區段TD、中心腰部區段CW、漸粗區段TU。應瞭解，雙腰部空芯光纖DTF僅為實例。在其他實施例中，可排除雙腰部空芯光纖DTF之一或多個區段。舉例而言，在一實施例中，雙腰部空芯光纖可不包含第三非錐形區段UT3。在不同實施例中，雙腰部空芯光纖可不包含第一非錐形區段UT1或任何第一漸細區段TD1。在此情況下，輸入輻射IRD可直接耦合至第一中心腰部區段CW1中。亦應瞭解，兩個或多於兩個腰部區可應用於空芯光纖。更多腰部區可在其有效地控制各種不同非線性光學程序時帶來額外可撓性。應注意，將兩個或多於兩個腰部區應用於空芯光纖以用於改良寬帶輻射產生不限於控制MI程序及DWG。亦可應用兩個或多於兩個腰部區來控制充氣空芯光纖中的其他非線性程序。
如以上實施例中所描述，將一或多個腰部或減小直徑區應用於藉以產生寬帶輸出輻射ORD之空芯HC光纖OF允許謹慎操控纖維中的一或多個非線性光學程序(例如，MI程序及DWG的強度及起始)，以使得
以有效且受控方式獲得短波長擴展。短波長擴展範圍或輸出光譜之短波長邊緣之位置主要藉由相關聯孤立子與分散性波之間的相位匹配條件判定。其他短波長擴展可藉由進一步減小施加至空芯HC光纖OF之腰部的大小而獲得。然而，此方法將存在限制，此係因為較小的錐形腰部大小導致減少的光學透射及增加的製造挑戰。
因此，需要具有不僅允許寬帶輸出光譜之短波長邊緣進一步擴展至UV區中而且亦避免必須進一步減小錐形腰部的方法。本發明人已識別到，分散性波之孤立子捕獲可用以擴展在空芯HC光纖OF中產生之寬帶輸出輻射ORD的短波長範圍。根據公開案，J C Travers，「Blue extension of optical fiber supercontinuum generation」，光學雜誌(Journal of Optics)，12(2010)113001，孤立子捕獲程序在異常區中之合適強的孤立子與具有相同群速但在正常分散區中之分散性波在時間上重疊時開始。在此情況下，脈衝內四波混合可使得分散性波稍微藍移且使得孤立子稍微紅移。因此，分散性波及孤立子被移位至較低群速之區中，且因此兩者均被減速。若維持孤立子與分散性波之間的時間重疊，則分散性波由孤立子捕獲同時連續地藍移。另一方面，若波長移位導致孤立子與分散性波之間的群速失配且當此群速失配足夠大時，該兩個波最終將在時間上分離且孤立子捕獲程序將停止。因此，孤立子捕獲程序可藉由匹配孤立子及分散性波之群速或藉由最小化孤立子與分散性波之間的群速失配而維持。
本發明人已意識到，在寬帶輸出輻射ORD係在具有無拉曼工作介質WM(例如，惰性氣體或氣體混合物)之未錐形或均勻空芯HC光纖OF(例如，均勻HC-PCF)中產生的情況下，孤立子具有高於分散性波之
群速，且操作參數(例如，泵浦雷射參數)經選擇以實現MI主導之光譜擴展。因而，分散性波一旦產生，則無法捕獲孤立子且因此分散性波之孤立子捕獲將不發生。
本發明人已意識到，有可能藉由將至少一個群速控制機構應用於空芯HC光纖OF來起始及維持孤立子捕獲程序，寬帶輸出輻射ORD自該空芯HC光纖OF產生。此係因為群速控制機構能夠可控制地變更孤立子及分散性波之群速以便最小化其時間分離且因此維持其時間重疊。
在一些實施例中，群速控制機構可包含至少一個具有特定錐形梯度之錐形。可謹慎地最佳化每一錐形之錐形梯度，以將孤立子及分散性波之群速變更至不同範圍。舉例而言，具有最佳化錐形梯度之錐形可相比其對分散性波更多地減緩孤立子。此可在進入錐形之前有效地補償或最小化孤立子與分散性波之間的時間分離，且因此允許其在傳播穿過纖維時維持良好的時間重疊。相比之下，圖11之(a)、圖11之(b)以及圖15中所展示之錐形或腰部區TP、TP'、TP1、TP2之主要目的為控制MI程序以及DWG之強度及起始。因此，當實施彼等錐形時，可不考慮錐形梯度對分散性波之孤立子捕獲之影響。
圖17示意性地描繪根據一實施例的經組態用於分散性波之孤立子捕獲的另一單腰部空芯光纖。如圖中所展示，單腰部空芯光纖TOF1可包含用於容許輸入輻射IRD之第一纖維琢面FF11及用於輸出寬帶輸出輻射ORD之第二纖維琢面SF11。單腰部空芯光纖TOF1可包含三個纖維區段，即具有第一長度L11之均勻或非錐形區段UT11、具有第二長度L12之漸細區段TD11及具有第三長度L13之中心腰部區段CW11。均勻區段UT11可具有沿區段之長度保持恆定的第一空芯直徑D11。相比之下，
漸細區段TD11可具有第二空芯直徑D12，其沿著區段之長度持續且實質上線性地減小。第三區段，亦即中心腰部區段CW11，可緊接在漸細區段TD11之後開始，且可具有相對於第一核心直徑D11減小但沿區段之長度保持恆定的第三空芯直徑D13。漸細區段TD11及中心腰部區段CW11可形成腰部區或錐形TP11，如以上實施例中所定義。
在此實施例中，第二空芯直徑D12可隨著預定義錐形梯度TG11而減小。錐形梯度TG11可用於描述空芯大小沿纖維之長度改變的快速程度且可定義如下：TG=△R/△L， 方程[4]
其中△R指示漸細區段TD11之任何給定部分中的空芯半徑之變化，且△L指示其內發生空芯半徑之變化△R的纖維長度。本發明人已識別出，錐形梯度可在以下範圍內，例如，在0.01μm/cm至10μm/cm之間、0.05μm/cm至5μm/cm之間、0.1μm/cm至1μm/cm之間，或0.1μm/cm至0.5μm/cm之間。
圖18之(a)及圖18之(b)為模擬之兩個光譜圖，其描述在均勻空芯光纖內分別傳播70cm及110cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈。水平軸線表示輸入輻射之光譜分量之間的時間分佈或延遲時間，而垂直軸線表示輸入輻射之光譜分佈。灰度圖之對比度在最弱能量(dB)處的黑色至最強處的白色範圍內。
在此實例模擬中，均勻空芯HC光纖OF(例如，如圖7中所說明之單環HC-ARF)可具有110cm之長度及30μm之核心直徑(或15μm之核心半徑)。位置Pos=70cm可對應於距離第一纖維琢面FF11 70cm之纖維中的位置，且位置Pos=110cm可對應於第二纖維琢面SF11之位置。空芯
HC可在25.7巴之壓力下填充有工作介質WM氪氣。脈衝式輸入輻射IRD具有150fs之泵浦脈衝持續時間τ、0.5μJ能量之脈衝能量E p 及1030nm之質心波長λ。脈衝式輸入輻射IRD可准許經由第一纖維琢面FF11進入纖維且可經由第二纖維琢面SF11離開纖維。此組態允許異常分散工作狀態中之泵浦。在朝單腰部空芯光纖TOF1啟動之後，脈衝式輸入輻射(或泵浦脈衝)IRD發展為具有N=23之孤立子階數之高階孤立子，其確保MI主導之非線性光學程序。如圖18之(a)中可見，大約580nm之分散性波與大約1380nm之孤立子之間的延遲時間小於100fs且因而其在時間上仍部分重疊。然而，在傳播40cm之另一距離之後，分散性波與孤立子之間的延遲時間增大至多於300fs。此大延遲時間導致分散性波與孤立子之間的完全時間分離且因此防止孤立子捕獲程序發生。
圖18之(c)及圖18之(d)為模擬之兩個光譜圖，其描述在單腰部空芯光纖(例如，如圖17中所展示)內分別傳播70cm之距離及110cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈。此模擬係基於已用於圖18之(a)及圖18之(b)中所展示之模擬中的相同操作參數。單腰部空芯光纖TOF1之長度可為110cm。腰部區可緊接在距離纖維之第一纖維琢面FF1170cm之後開始，且可在第二纖維琢面SF11處結束，如圖17中所展示。第一空芯直徑D11可為30μm且錐形梯度TG11可為0.2μm/cm，其在漸細區段TD11之末端處產生24μm之減小空芯直徑(例如，第三空芯直徑D13)。此減小之空芯大小可沿中心腰部區段CW11之長度保持實質上恆定。
如圖18之(c)中可見，輸入輻射IRD之時間及光譜分佈與圖18之(a)中所展示之時間及光譜分佈相同，此僅僅歸因於單腰部纖維TOF1之非錐形區段UT11具有與用於圖18之(a)中所展示之模擬中的均勻纖維(現
在展示)相同之結構尺寸(除長度之外)的事實。圖18之(d)確認，腰部區之使用以使得實質上維持分散性波與孤立子之間的良好時間重疊直至經由第二纖維琢面SF11退出纖維為止的方式減緩孤立子。良好時間重疊可對應於延遲時間，例如小於50fs、小於20fs，或小於10fs。此良好時間重疊實現分散性波之孤立子捕獲，其導致短波長邊緣自580nm(如圖18之(b)中所展示)至低於500nm(如圖18之(d)中所展示)之進一步藍移。
圖19示意性地描繪根據一實施例的經組態用於分散性波之孤立子捕獲的另一不同單腰部空芯光纖。單腰部空芯光纖TOF2可包含用於容許輸入輻射IRD之第一纖維琢面FF22及用於輸出寬帶輸出輻射ORD之第二纖維琢面SF22。纖維可僅包含兩個區段：具有第一長度L21的非錐形/均勻區段UT22，及具有第二長度L22的漸細區段TD22。均勻區段UT22可具有沿區段之長度保持恆定的第一空芯直徑D21。漸細區段TD22可具有第二空芯直徑D22，其沿著區段之長度以錐形梯度TG22持續且實質上線性地減小。漸細區段TD22可形成腰部區或錐形TP22，如以上實施例中所定義。
圖20之(a)及圖20之(b)為模擬之兩個光譜圖，其描述在均勻空芯光纖內分別傳播27cm之距離及42cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈。在此實例模擬中，均勻空芯HC光纖OF(例如，如圖7中所說明之單環HC-ARF)可具有42cm之長度及30μm之核心直徑(或15μm之核心半徑)。位置Pos=27cm可對應於距離第一纖維琢面FF22 27cm之纖維中的位置，且位置Pos=42cm可對應於第二纖維琢面SF22之位置。空芯HC可在25.7巴之壓力下填充有工作介質WM氪氣。脈衝式輸入輻射IRD具有280fs之泵浦脈衝持續時間τ、5.3μJ能量之脈衝能量E p 及
1030nm之質心波長λ。脈衝式輸入輻射IRD可准許經由第一纖維琢面FF22進入纖維且可經由第二纖維琢面SF22離開纖維。此組態允許異常分散工作狀態中之泵浦。在朝單腰部空芯光纖TOF2啟動之後，脈衝式輸入輻射(或泵浦脈衝)IRD發展為具有N=104之孤立子階數之高階孤立子，其確保MI主導之非線性光學程序。
如圖20之(a)中可見，大約400nm之分散性波與大約1800nm之孤立子之間的延遲時間小於100fs且因而其在時間上仍部分重疊。然而，在傳播15cm之另一距離之後，分散性波與孤立子之間的延遲時間增大至多於500fs。此大延遲時間再次導致分散性波與孤立子之間的完全時間分離且因此防止孤立子捕獲程序發生。
圖20之(c)及圖20之(d)為模擬之兩個光譜圖，其描述在單腰部空芯光纖(例如，如圖19中所展示)內分別傳播27cm之距離及42cm之距離之後的輸入輻射之脈衝之時間及光譜分佈。此模擬係基於已用於圖20之(a)及圖20之(b)中所展示之模擬中的相同操作參數。單腰部空芯光纖TOF2之長度可為42cm。腰部區可緊接在距離纖維之第一纖維琢面FF2227cm之後開始，且可在第二纖維琢面SF22處結束，如圖19中所展示。第一空芯直徑D21可保持恆定於30μm。錐形梯度TG22可為0.5μm/cm，其在第二纖維琢面SF22處產生15μm之減小空芯直徑(例如，第二纖維琢面SF22處之第二空芯直徑D22)。
圖20之(c)中所展示之輸入輻射IRD之時間及光譜分佈與圖20之(a)中所展示之時間及光譜分佈相同，此歸因於單腰部纖維TOF2之非錐形區段UT22具有與用於圖20之(a)中所展示之模擬中的均勻纖維(現在展示)相同之結構尺寸(除長度之外)的事實。圖20之(d)確認，腰部區之使用
以使得實質上維持分散性波與孤立子之間的時間重疊直至經由第二纖維琢面SF22退出纖維為止的方式減緩孤立子。此導致分散性波在時間上及光譜上由孤立子捕獲，其又導致短波長邊緣自400nm(如圖20之(b)中所展示)至低於300nm(如圖20之(d)中所展示)之進一步藍移。
在一些實施例中，群速控制機構可包含拉曼活性工作介質WM。拉曼活性工作介質可為包含至少一種拉曼活性氣體之填充氣體或氣體混合物。拉曼活性氣體可為例如氫氣、氘氣或氮氣。如上文所描述，本發明人已意識到，單獨的拉曼活性工作介質能夠相對於分散性波減緩孤立子，且因此允許在非錐形空芯光纖而非錐形纖維中獲得分散性波之孤立子捕獲。在一些實施例中，拉曼活性工作介質可經組態以最小化分散性波與孤立子之間的時間分離，以便確保兩者之間的良好時間重疊。良好時間重疊可對應於延遲時間，例如小於50fs、小於20fs，或小於10fs。
在不同實施例中，可一起使用兩個或多於兩個群速控制機構。舉例而言，在一實施例中，單腰部空芯光纖，諸如圖17或圖19中所展示之錐形纖維TOF1、TOF2，可填充有拉曼活性工作介質。在此情況下，纖維之腰部區及拉曼活性工作介質(例如，包含至少一個拉曼活性氣體之填充氣體或氣體混合物)可經組態以對輸入輻射IRD產生組合效應，使得分散性波與孤立子之間的時間分離最小化且維持孤立子捕獲程序。
應注意，上文所描述之經組態以用於分散性波之孤立子捕獲的單腰部空芯光纖TOF1、TOF2為非限制性實例。具有兩個或多於兩個腰部區之其他空芯光纖可同樣適用。亦應注意，單腰部空芯光纖TOF1、TOF2之單腰部區TP11、TP22可不僅經組態及定位以觸發DWG之起始，而且亦實現且維持孤立子捕獲程序。在一較佳實施例中，雙腰部空芯光纖
(例如，如圖15中所展示)可經組態以使得第一腰部區經最佳化以用於起始MI程序，而第二腰部區TP2經最佳化以用於起始DWG及孤立子捕獲程序兩者。在另一較佳實施例中，雙腰部空芯光纖可填充有拉曼活性填充氣體。使用拉曼活性填充氣體可在其開始對孤立子捕獲程序之最佳化時添加額外自由度。在其他實施例中，一或多個群速控制機構(例如，錐形空芯光纖及/或拉曼活性填充氣體)可應用於單腰部或雙腰部空芯光纖(例如，如圖11之(a)、圖11之(b)或圖15中所展示)，該單腰部或雙腰部空芯光纖經組態以用於產生具有平滑光譜輪廓及擴展短波長邊緣之寬帶輸出輻射。
圖21為說明可輔助實施本文中所揭示之方法及流程的電腦系統2100之方塊圖。電腦系統2100包括用於傳達資訊之匯流排2102或其他通信機構及與匯流排2102耦接以用於處理資訊之處理器2104(或多個處理器2104及2105)。電腦系統2100亦包括耦接至匯流排2102以用於儲存待由處理器2104執行之資訊及指令的主記憶體2106，諸如隨機存取記憶體(RAM)或其他動態儲存器件。主記憶體2106亦可用於在待由處理器2104執行之指令之執行期間儲存暫時性變數或其他中間資訊。電腦系統2100進一步包括耦接至匯流排2102以用於儲存用於處理器2104之靜態資訊及指令的唯讀記憶體(ROM)2108或其他靜態儲存器件。提供諸如磁碟或光碟之儲存器件2110，且該儲存器件2110耦接至匯流排2102以用於儲存資訊及指令。
電腦系統2100可經由匯流排2102耦接至用於向電腦使用者顯示資訊之顯示器2112，諸如，陰極射線管(CRT)或平板顯示器或觸控面板顯示器。包括文數字按鍵及其他按鍵之輸入器件2114耦接至匯流排2102以用於將資訊及命令選擇傳達至處理器2104。另一類型之使用者輸
入器件為用於將方向資訊及命令選擇傳達至處理器2104且用於控制顯示器2112上之游標移動的游標控制件2116，諸如，滑鼠、軌跡球或游標方向按鍵。此輸入器件通常具有在兩個軸線(第一軸(例如，x)及第二軸(例如，y))上之兩個自由度，從而允許該器件指定平面中之位置。觸控面板(螢幕)顯示器亦可用作輸入器件。
如本文中所描述之方法中之一或多者可由電腦系統2000回應於處理器2104執行主記憶體2106中所含有之一或多個指令的一或多個序列來執行。可將此類指令自另一電腦可讀媒體(諸如儲存器件2110)讀取至主記憶體2106中。主記憶體2106中所含之指令序列的執行促使處理器2104執行本文中所描述之程序步驟。亦可使用呈多處理配置之一或多個處理器以執行主記憶體2106中所含之指令序列。在一替代性實施例中，可代替或結合軟體指令而使用硬連線電路。因此，本文中之描述不限於硬體電路系統與軟體之任何特定組合。
如本文中所使用之術語「電腦可讀媒體」指代參與將指令提供至處理器2104以供執行之任何媒體。此媒體可呈許多形式，包括但不限於非揮發性媒體、揮發性媒體及傳輸媒體。非揮發性媒體包括例如光碟或磁碟，諸如儲存器件2110。揮發性媒體包括動態記憶體，諸如主記憶體2106。傳輸媒體包括同軸纜線、銅線及光纖，包括包含匯流排2102之電線。傳輸媒體亦可採取聲波或光波之形式，諸如，在射頻(RF)及紅外線(IR)資料通信期間產生之聲波或光波。電腦可讀媒體之常見形式包括例如軟磁碟、軟性磁碟、硬碟、磁帶、任何其他磁媒體、CD-ROM、DVD、任何其他光學媒體、打孔卡、紙帶、具有孔圖案之任何其他實體媒體、RAM、PROM及EPROM、FLASH-EPROM、任何其他記憶體晶片
或卡匣、如下文所描述之載波，或可供電腦讀取之任何其他媒體。
各種形式之電腦可讀媒體可涉及將一或多個指令之一或多個序列攜載至處理器2104以供執行。舉例而言，可初始地將該等指令承載於遠端電腦之磁碟上。遠端電腦可將指令載入至其動態記憶體中，且使用數據機經由電話線來發送指令。在電腦系統2100本端之數據機可接收電話線上之資料，且使用紅外線傳輸器將資料轉換為紅外線信號。耦接至匯流排2102之紅外線偵測器可接收紅外線信號中所攜載之資料且將資料置放於匯流排2102上。匯流排2102將資料攜載至主記憶體2106，處理器2104自該主記憶體2106擷取並執行指令。由主記憶體2106接收之指令可視情況在由處理器2104實行之前或之後儲存於儲存器件2110上。
電腦系統2100亦較佳地包括耦接至匯流排2102之通信介面2118。通信介面2118提供對網路鏈路2120之雙向資料通信耦合，該網路鏈路2120連接至區域網路2122。舉例而言，通信介面2118可為整合式服務數位網路(ISDN)卡或數據機以提供對對應類型之電話線之資料通信連接。作為另一實例，通信介面2118可為將資料通信連接提供至相容LAN的區域網路(LAN)卡。亦可實施無線鏈路。在任何此實施中，通信介面2118發送且接收攜載表示各種類型之資訊之數位資料流的電信號、電磁信號或光學信號。
網路鏈路2120通常經由一或多個網路將資料通信提供至其他資料器件。舉例而言，網路鏈路2120可經由區域網路2122而向主機電腦2124或向由網際網路服務提供者(ISP)2126操作之資料裝備提供連接。ISP 2126又經由全球封包資料通信網路(現在通常被稱作「網際網路」2128)而提供資料通信服務。區域網路2122及網際網路2128兩者皆使用攜
載數位資料串流之電信號、電磁信號或光信號。經由各種網路之信號及在網路鏈路2120上且經由通信介面2118之信號為輸送資訊的例示性形式之載波，該等信號將數位資料攜載至電腦系統2100且自電腦系統2100攜載數位資料。
電腦系統2100可經由網路、網路鏈路2120及通信介面2118發送訊息並接收資料，包括程式碼。在網際網路實例中，伺服器2130可經由網際網路2128、ISP 2126、網路2122及通信介面2118而傳輸用於應用程式之所請求程式碼。舉例而言，一種此類經下載應用程式可提供本文中所描述之技術中的一或多者。所接收程式碼可在其被接收時由處理器2104執行，及/或儲存於儲存器件2110或其他非揮發性儲存器中以供稍後執行。以此方式，電腦系統2100可獲得呈載波形式之應用程式碼。
在以下經編號條項之清單中揭示另外實施例：
1.一種寬帶光源器件，其經組態用於在接收泵浦輻射時產生寬帶輸出輻射，該寬帶光源器件包含：空芯光子晶體纖維(HC-PCF)，其包含具有相對於該HC-PCF之一或多個主部分變化的該HC-PCF之至少一個結構參數的至少一個結構上變化之部分，其中該至少一個結構上變化之部分包含位於沿該HC-PCF之長度之位置下游的至少第一結構上變化之部分，其中該泵浦輻射將已藉由調變不穩定性主導之非線性光學程序而光譜擴展，且其中該至少一個結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射包含紫外線光譜區中之波長。
2.如條項1之寬帶光源器件，其中該至少一個結構上變化之部分中之
一或多者各自包含至少一個減小直徑部分，每一該至少一個減小直徑部分包含內部核心直徑，該內部核心直徑相對於與該HC-PCF之該一或多個主部分相關聯的主內部核心直徑減小。
3.如條項2之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分中之每一減小直徑部分包含在第一方向上錐形化之第一錐形部分，使得該內部核心直徑隨著該第一錐形部分之該長度自該主內部核心直徑減小至小於該主內部核心直徑之第二內部核心直徑。
4.如條項3之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分中之一或多者包含第二錐形部分，該第二錐形部分在與該第一方向相反之方向上具有錐形，使得該內部核心直徑隨著該第二錐形部分之長度自該第二內部核心直徑增大至該主內部核心直徑。
5.如條項4之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分中之一或多者包含該第一錐形部分與該第二錐形部分之間的中心腰部區段，該中心腰部區段沿其長度具有該第二內部核心直徑。
6.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該至少一個結構上變化之部分中之一或多者各自包含該HC-PCF之內包層結構相對於該HC-PCF之該一或多個主部分的不同結構尺寸。
7.如條項6之寬帶光源器件，其中該HC-PCF之該內包層結構的該等不同結構尺寸包含不同毛細管直徑。
8.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分的開始位於沿該HC-PCF之長度的該位置下游，其中該泵浦輻射將已藉由調變不穩定性主導之非線性光學程序而光譜擴展。
9.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分
經組態以控制第二非線性光學程序。
10.如條項9之寬帶光源器件，其中該第二非線性光學程序包含分散性波產生。
11.如條項10之寬帶光源器件，其中該至少一個結構上變化之部分進一步包含位於該第一結構上變化之部分上游的第二結構上變化之部分，該第二結構上變化之部分經組態及定位以控制MI主導之非線性光學程序。
12.如條項11之寬帶光源器件，其中該第二結構上變化之部分經組態以使得該第二非線性光學程序並不開始於該第一結構上變化之部分中。
13.如條項12之寬帶光源器件，其中該第二結構上變化之部分經組態及定位以使得該分散性波產生進一步擴展該寬帶輸出輻射之短波長界限。
14.如條項10至13中任一項之寬帶光源器件，其進一步包含至少一個群速控制機構，該至少一個群速控制機構經組態以最小化皆由該MI主導之非線性光學程序產生之至少一個孤立子與至少一個分散性波之間的時間分離，使得該寬帶輸出輻射之短波長界限經由孤立子捕獲程序進一步擴展。
15.如條項14之寬帶光源器件，其中該至少一個群速控制機構包含至少一個減小直徑部分，該至少一個減小直徑部分包含以錐形梯度減小之內部核心直徑，該錐形梯度經組態以相對於該至少一個分散性波減緩該至少一個孤立子以便最小化其時間分離。
16.如條項15之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分包含於該第一結構上變化之部分內。
17.如條項15或16之寬帶光源器件，其中該錐形梯度在0.01μm/cm至10μm/cm之間的範圍內。
18.如條項14至17中任一項之寬帶光源器件，其中該至少一個群速控制機構包含拉曼活性氣體或混合氣體，該拉曼活性氣體或混合氣體經組態以填充該HC-PCF且經組態以相對於該至少一個分散性波減緩該至少一個孤立子以便最小化其時間分離。
19.一種寬帶光源器件，其經組態用於在接收泵浦輻射時產生寬帶輸出輻射，該寬帶光源器件包含：空芯光子晶體纖維(HC-PCF)，其包含至少第一結構上變化之部分及第二結構上變化之部分，其中該第一結構上變化之部分及第二結構上變化之部分中的每一者具有相對於該HC-PCF之一或多個主部分變化之該HC-PCF的至少一個結構參數，該HC-PCF之該一或多個主部分中的至少一者分離該第一結構上變化之部分與第二結構上變化之部分。
20.如條項19之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分及第二結構上變化之部分中的每一者包含至少一個減小直徑部分，每一該至少一個減小直徑部分包含內部核心直徑，該內部核心直徑相對於與該HC-PCF之該一或多個主部分相關聯的主內部核心直徑減小。
21.如條項20之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分中之每一減小直徑部分包含在第一方向上錐形化之第一錐形部分，使得該內部核心直徑隨著該第一錐形部分之該長度自該主內部核心直徑減小至小於該主內部核心直徑之第二內部核心直徑。
22.如條項21之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分中之一或多者包含第二錐形部分，該第二錐形部分在與該第一方向相反之方向
上具有錐形，使得該內部核心直徑隨著該第二錐形部分之長度自該第二內部核心直徑增大至該主內部核心直徑。
23.如條項22之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分中之一或多者包含該第一錐形部分與該第二錐形部分之間的中心腰部區段，該中心腰部區段沿其長度具有該第二內部核心直徑。
24.如條項19至23中任一項之寬帶光源器件，其中該至少一個結構上變化之部分中之一或多者各自包含該HC-PCF之內包層結構相對於該HC-PCF之該一或多個主部分的不同結構尺寸。
25.如條項24之寬帶光源器件，其中該HC-PCF之該內包層結構的該等不同結構尺寸包含不同毛細管直徑。
26.如條項25之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分及該第二結構上變化之部分各自經組態且定位以控制負責產生該寬帶輸出輻射之第一非線性光學程序及第二非線性光學程序。
27.如條項26之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該第二非線性光學程序並不開始於該第一結構上變化之部分中。
28.如條項27之寬帶光源器件，其中該第一非線性光學程序包含調變不穩定性，且該第二非線性光學程序包含分散性波產生。
29.如條項28之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該調變不穩定性光譜擴展該泵浦輻射，而該第二結構上變化之部分經組態及定位以使得該分散性波產生進一步擴展經光譜擴展之泵浦輻射的短波長邊緣。
30.如條項29之寬帶光源器件，其進一步包含至少一個群速控制機
構，該至少一個群速控制機構經組態以最小化皆由該MI主導之非線性光學程序產生之至少一個孤立子與至少一個分散性波之間的時間分離，使得該寬帶輸出輻射之短波長界限經由孤立子捕獲程序進一步擴展。
31.如條項30之寬帶光源器件，其中該至少一個群速控制機構包含至少一個減小直徑部分，每一該至少一個減小直徑部分包含內部核心直徑，該內部核心直徑隨著該至少一個減小直徑部分之長度以錐形梯度自該主內部核心直徑減小，該錐形梯度經組態以相對於該至少一個分散性波減緩該至少一個孤立子以便最小化其時間分離。
32.如條項31之寬帶光源器件，其中該至少一個減小直徑部分包含於該第二結構上變化之部分內。
33.如條項31或32之寬帶光源器件，其中該錐形梯度在0.01μm/cm至10μm/cm之間的範圍內。
34.如條項30至33中任一項之寬帶光源器件，其中該至少一個群速控制機構包含拉曼活性氣體或混合氣體，該拉曼活性氣體或混合氣體經組態以填充藉以產生該寬帶輸出輻射之該HC-PCF之空芯且經組態以相對於該至少一個分散性波減緩該至少一個孤立子以便最小化其時間分離。
35.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分及該第二結構上變化之部分進一步經組態以支援該泵浦輻射之實質上基本模式的傳播。
36.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中紫外線區中之波長包含低至300nm之波長。
37.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中紫外線區中之波長包含低至200nm之波長。
38.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該寬帶輸出輻射包含高達2000nm之波長。
39.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該寬帶輸出輻射包含高達3000nm之波長。
40.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中至少該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射之光譜的點擴散功率譜密度與所關注波長範圍之平均值相差不超過50%。
41.如條項40之寬帶光源器件，其中該所關注波長範圍至少包含400nm至1000nm之間的波長。
42.如條項40之寬帶光源器件，其中該所關注波長範圍至少包含400nm至2000nm之間的波長。
43.如條項40之寬帶光源器件，其中該所關注波長範圍至少包含200nm至2000nm之間的波長。
44.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中至少該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射之光譜的點擴散功率譜密度不包含具有比用於該光譜之平均點擴散功率譜密度大多於兩倍的點擴散功率譜密度的任何峰值。
45.如任何前述條項之寬帶光源器件，其進一步包含用於產生該泵浦輻射之泵浦輻射源。
46.如條項45之寬帶光源器件，其中該泵浦輻射源經組態以使得該泵浦輻射包含在1μJ至10μJ之間的範圍內之脈衝能量。
47.如任何前述條項之寬帶光源器件，其中該HC-PCF包含單環HC-PCF。
48.如條項19至47中任一項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分的開始位於距該HC-PCF之輸入端5cm至30cm之間的位置處。
49.如條項19至47中任一項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分的開始位於距該HC-PCF之輸入端10cm至20cm之間的位置處。
50.如條項19至47中任一項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分的開始位於距該HC-PCF之輸入端14cm至16cm之間的位置處。
51.如條項19至50中任一項之寬帶光源器件，其中該第二結構上變化之部分的開始位於距該HC-PCF之輸入端15cm至35cm之間的位置處。
52.如條項19至50中任一項之寬帶光源器件，其中該第二結構上變化之部分的開始位於距該HC-PCF之輸入端20cm至30cm之間的位置處。
53.如條項19至50中任一項之寬帶光源器件，其中該第二結構上變化之部分的開始位於距該HC-PCF之輸入端24cm至28cm之間的位置處。
54.一種度量衡器件，其包含如任何前述條項之寬帶光源器件。
55.如條項36之度量衡器件，其包含散射計度量衡裝置、位準感測器或對準感測器。
56.一種方法，其最佳化至少第一結構上變化之部分沿空芯光子晶體纖維(HC-PCF)之長度的位置，以使得在由輸入輻射激勵之後自該HC-PCF產生之寬帶輸出輻射包含紫外線區中之波長，其中該最佳化包含：判定沿該HC-PCF之該長度的位置，在該位置處，該泵浦輻射將藉由調變不穩定性主導之非線性光學程序而光譜擴展，及在所判定位置下游定位該第一結構上變化之部分。
57.如條項56之方法，其中定位步驟最佳化該第一結構上變化之部分之開始的位置。
58.如條項56或57之方法，其中判定步驟藉由模擬該HC-PCF內之該寬帶輸出輻射的產生程序來執行。
59.如條項56至58中任一項之方法，其中判定步驟藉由以下步驟執行：a)自空芯光纖之長度量測輸出光譜及功率輸出，該空芯光纖不包含結構上變化之部分；b)在接近輸入端之點處切割此長度之空芯光纖以獲得縮短長度；c)在每一縮短長度上重複步驟a)及b)直至經量測輸出光譜確認已發生調變不穩定性主導之非線性光學程序。
60.如條項56至59中任一項之方法，其中定位步驟產生包含低至300nm之波長的該寬帶輸出輻射。
61.如條項56至59中任一項之方法，其中定位步驟產生包含低至200nm之波長的該寬帶輸出輻射。
62.如條項56至61中任一項之方法，其中定位步驟產生包含高達2000nm之波長的該寬帶輸出輻射。
63.如條項56至61中任一項之方法，其中定位步驟產生包含高達3000nm之波長的該寬帶輸出輻射。
64.如條項56至63中任一項之方法，其中定位步驟使得該寬帶輸出輻射之光譜的點擴散功率譜密度與所關注波長範圍之平均值相差不超過50%。
65.如條項64之方法，其中該所關注波長範圍至少包含400nm至1000nm之間的波長。
66.如條項64之方法，其中該所關注波長範圍至少包含400nm至
2000nm之間的波長。
67.如條項64之方法，其中該所關注波長範圍至少包含200nm至2000nm之間的波長。
68.如條項56至67中任一項之方法，其中至少定位步驟使得該寬帶輸出輻射之光譜的點擴散功率譜密度不包含具有比用於該光譜之平均點擴散功率譜密度大多於兩倍的點擴散功率譜密度的任何峰值。
69.如條項56至68中任一項之方法，其中最佳化包含共同最佳化該位置及該輸入輻射之能量。
70.如條項56至69中任一項之方法，其中定位步驟最佳化該第一結構上變化之部分以控制第二非線性光學程序。
71.如條項56至70中任一項之方法，其中最佳化步驟包含最佳化第二結構上變化之部分沿該HC-PCF之長度的位置。
72.如條項71之方法，其中最佳化第二位置包含最佳化該第二結構上變化之部分的該位置以控制該MI主導之非線性光學程序。
73.如條項72之方法，其中最佳化步驟包含最佳化該第一結構上變化之部分的該位置及該第二結構上變化之部分的該位置，使得該第二非線性光學程序並不開始於該第一結構上變化之部分中。
74.如條項73之方法，其包含最佳化該第二結構上變化之部分的該位置使得該分散性波產生進一步擴展該寬帶輸出輻射之該短波長界限。
75.如條項70至74中任一項之方法，其中該第二非線性光學程序包含分散性波產生。
76.如條項56至75中任一項之方法，其中最佳化進一步包含應用至少一個群速控制機構以最小化皆由該MI主導之非線性光學程序產生之至
少一個孤立子與至少一個分散性波之間的時間分離，使得該寬帶輸出輻射之該短波長界限經由孤立子捕獲程序進一步擴展。
77.如條項76之方法，其中該至少一個群速控制機構包含至少一個減小直徑部分，該至少一個減小直徑部分包含以錐形梯度減小之內部核心直徑，該錐形梯度經組態以相對於該至少一個分散性波減緩該至少一個孤立子以便最小化其時間分離。
78.如條項77之方法，其中該至少一個減小直徑部分包含於該第一結構上變化之部分內。
79.如條項77或78之方法，其中該錐形梯度在0.01μm/cm至10μm/cm之間的範圍內。
80.如條項76至79中任一項之方法，其中該至少一個群速控制機構包含拉曼活性氣體或混合氣體，該拉曼活性氣體或混合氣體經組態以填充藉以產生該寬帶輸出輻射之該HC-PCF之空芯且經組態以相對於該至少一個分散性波減緩該至少一個孤立子以便最小化其時間分離。
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。可能其他應用包括製造整合式光學系統、用於磁疇記憶體之導引及偵測、平板顯示器、液晶顯示器(LCD)、薄膜磁頭，等等。
儘管在本文中可特定地參考在微影裝置之上下文中的本發明的實施例，但本發明的實施例可以在其他裝置中使用。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)之物件之任何裝置之部分。此等裝置可通常被稱作微影工具。此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上下文中對本發明之實施例的使用，但應瞭解，在上下文允許之情況下，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將顯而易見，可在不脫離下文所闡述之申請專利範圍之範疇的情況下對所描述之本發明進行修改。
CW:中心腰部區段
FCD:纖芯直徑
FU:第一非錐形區段
PSD:功率譜密度
SU:第二非錐形區段
TD:漸細區段
TU:漸粗區段
Claims (14)
- 一種寬帶光源器件，其經組態用於在接收泵浦輻射時產生寬帶輸出輻射，該寬帶光源器件包含：一空芯光子晶體纖維(HC-PCF)，其包含至少一第一結構上變化之部分及一第二結構上變化之部分，其中該第一結構上變化之部分及一第二結構上變化之部分中的每一者具有相對於該HC-PCF之一或多個主部分變化之該HC-PCF的至少一個結構參數，該HC-PCF之該一或多個主部分中的至少一者分離該第一結構上變化之部分與第二結構上變化之部分，其中該第一結構上變化之部分及該第二結構上變化之部分各自經組態且定位以控制負責產生該寬帶輸出輻射之一第一非線性光學程序(nonlinear optical process)及第二非線性光學程序。
- 如請求項1之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該第二非線性光學程序並不開始於該第一結構上變化之部分中。
- 如請求項2之寬帶光源器件，其中該第一非線性光學程序包含調變不穩定性，且該第二非線性光學程序包含分散性波產生。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分及該第二結構上變化之部分進一步經組態以支援該泵浦輻射之實質上基本模式的傳播。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其中至少該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射之一光譜的一點擴散功率譜密度與一所關注波長範圍之一平均值相差不超過50%。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其中至少該第一結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射之一光譜的一點擴散功率譜密度不包含任何具有比用於該光譜之一平均點擴散功率譜密度之兩倍大的一點擴散功率譜密度的峰值。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其進一步包含用於產生該泵浦輻射之一泵浦輻射源。
- 如請求項7之寬帶光源器件，其中該泵浦輻射源經組態以使得該泵浦輻射包含在1μJ至10μJ之間的範圍內之一脈衝能量。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其中該HC-PCF包含一單環HC-PCF。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其中該第一結構上變化之部分的一開始位於距該HC-PCF之一輸入端5cm至30cm之間的一位置處。
- 如請求項1至3中任一項之寬帶光源器件，其中該第二結構上變化之部分的一開始位於距該HC-PCF之一輸入端15cm至35cm之間的一位置處。
- 一種寬帶光源器件，其經組態用於在接收泵浦輻射時產生一寬帶輸出輻射，該寬帶光源器件包含：一空芯光子晶體纖維(HC-PCF)，其包含具有相對於該HC-PCF之一或多個主部分變化的該HC-PCF之至少一個結構參數的至少一個結構上變化之部分，其中該至少一個結構上變化之部分包含位於沿該HC-PCF之長度之一位置下游的至少一第一結構上變化之部分，在該位置處該泵浦輻射將已藉由一調變不穩定性主導之非線性光學程序而被光譜擴展，且其中該至少一個結構上變化之部分經組態及定位以使得該寬帶輸出輻射包含紫外線光譜區中之波長。
- 一種度量衡器件，其包含如請求項1至12中任一項之寬帶光源器件。
- 一種用於最佳化至少一第一結構上變化之部分沿一空芯光子晶體纖維(HC-PCF)之一長度的一位置之方法，以使得在由輸入輻射激勵(excitation)之後自該HC-PCF產生之寬帶輸出輻射包含紫外線區中之波長，其中該最佳化包含：判定沿該HC-PCF之該長度的一位置，在該位置處，該泵浦輻射將藉由一調變不穩定性主導之非線性光學程序而被光譜擴展，及 在該所判定位置下游定位該第一結構上變化之部分。
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| 期刊 N.Y. Joly et al. Pressure-tuned phase-matched generation of non-classical light in microstructured fibre The 23rd Opto-Electronics and Communications Conference (OECC 2018) Technical Digest 2 July 2018 Pages1-2 |
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