WO2016188546A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines hochleistungs-laserstrahls und euv-strahlungserzeugungsvorrichtung damit - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung eines hochleistungs-laserstrahls und euv-strahlungserzeugungsvorrichtung damit Download PDF

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disk
laser beam
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Peter Leibinger
Rainer Flaig
Klaus Wallmeroth
Dirk Sutter
Sven-Silvius SCHAD
Alexander Killi
Christian Stolzenburg
Aleksander BUDNICKI
Tina GOTTWALD
Dominik Bauer
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Trumpf Laser Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a device for producing a
  • a device for generating a high-power laser beam in the form of a driver laser arrangement for an EUV radiation generating device has become known, for example, from US 2009/0095925 A1.
  • the driver laser arrangement described has a beam source for generating pulsed laser radiation and one or more optical amplifiers
  • the beam source of the pulsed laser radiation Amplification of the pulsed laser radiation.
  • Driver laser arrangement is used to generate so-called seed pulses, which are amplified in the or in the optical amplifiers to high laser powers of several kW, possibly of 10 kW or more.
  • the laser radiation amplified by the driver laser arrangement is transmitted via a beam guiding device
  • Focusing device supplied, which focuses the laser radiation and the laser beam in a target area.
  • the tent area becomes a target material
  • the master oscillator is configured to generate a pulsed laser beam.
  • the multipass amplifier is an amplifier with a thin, disk-shaped amplifier medium, which performs a power amplification of the pre-amplified by the fiber amplifier stages laser radiation.
  • the multipass amplifier has an optical arrangement which generates a multiple incidence of the pulsed laser radiation on the disk-shaped amplifier medium.
  • EP 1 730 822 B1 describes a hybrid laser source that is scalable to provide a high power output beam with good beam quality.
  • the laser source includes a solid state laser amplifier providing a high power output beam and an array of laser fiber amplifiers providing an input beam to the solid state laser amplifier.
  • a phase and polarization sensor is used to detect phase and polarization
  • Solid state lasers and means for controlling phase and polarization of elements of the array of laser fiber amplifiers to provide phase and polarization control through the cross section of the output beam are Solid state lasers and means for controlling phase and polarization of elements of the array of laser fiber amplifiers to provide phase and polarization control through the cross section of the output beam.
  • the invention has for its object to provide a device of the type mentioned above and an EUV radiation generating device with such a device, which is a high-power laser beam with a very high
  • a device of the type mentioned comprising: at least one amplifier chain, the amplifier chain comprising: a plurality of beam sources for generating a plurality of laser beams, a first overlay device for forming a superimposed laser beam by spatially superimposing the plurality of laser beams, and at least one solid state amplifier for amplifying the superimposed laser beam for the
  • the device for generating the laser radiation has at least one
  • Amplifier chain in which a plurality of beam sources are operated in parallel to produce a plurality of laser beams simultaneously.
  • Downstream first superposition means spatially superimposed on the laser beams to amplify the superimposed laser beam formed in the overlay in at least one solid-state amplifier and thus to form the high-power laser beam. Due to the spatial superposition, a superimposed laser beam is formed, which has a comparatively high power for the subsequent amplification.
  • a serial arrangement of several fiber amplifier stages which is followed by a final power amplifier stage in the form of a multipass amplifier, as is the case in the above-cited US 8,508,844 B2
  • the failure a single beam source not to the failure of the entire device, but reduces the beam power of the laser beam only by the proportion of
  • a beam source of the device described here may itself have several amplifiers or amplifier stages if necessary.
  • one or more of the beam sources may be fiber lasers, each consisting of multiple fiber amplifier stages.
  • a single beam source may be configured to generate a laser beam with a (mean) power of about 200W.
  • an oscillator cw ("continuous wave") or pulsed) or a laser diode (cw or modulated) can serve as a seed for the fiber amplifier stages, for producing pulsed laser radiation as desired for the generation of EUV radiation , if necessary, pulses (fs, ns, ps, ms pulse duration) can be generated from a cw laser beam by means of a modulator, which pulses are amplified together to generate pulses with pulse duration typically in fs to In the ps range, the modulator can be arranged in the oscillator. For the generation of pulses in the ns range or above, the modulator can be connected downstream of the oscillator or the laser diode. It is also possible that the device amplifies cw laser radiation and generates a cw high-power laser beam.
  • the device additionally comprises at least one second superimposing device, in particular a diffraction grating, for forming a high-power laser beam having a plurality of wavelengths by spatially superimposing a plurality of different amplifier chains
  • High-power laser beams each with different wavelengths.
  • the spatial superposition of the laser beams of the plurality of beam sources in the first interferer typically does not occur by wavelength coupling, i.
  • the laser beams generated by the beam sources of a single amplifier chain typically have the same wavelength and are spatially superimposed, without the use of spectrally sensitive optical elements, for example, angle-dispersive optical elements, in particular diffraction gratings.
  • the second overlay device is used for wavelength coupling of
  • High power laser beams generated by different amplifier chains each typically having a power of at least about 10 kW.
  • the advantage of such a device lies in its high redundancy: even if an amplifier chain fails completely, the output power drops only by 1 / n, where n denotes the number of amplifier chains. With a sufficient number of amplifier chains (e.g., n> 3), the decrease in output power may eventually be completely compensated by the other amplifier chains.
  • the device additionally comprises a
  • Polarization superposition device for forming a high-power laser beam having two polarization states by polarization superposition of two of the second superposition device and of another second
  • Overlay device generated high-power laser beams, each with different polarization states.
  • the polarization superposition device serves to superimpose two high-power laser beams, each of which has a plurality of generally identical pitch lengths, to a common high-power laser beam.
  • the device may be configured such that the high-power laser beams generated by the respective amplifier chains, which are superposed in the wavelength, each have a linear polarization.
  • provided high-power laser beams can in this case a
  • Polarization overlay done. Due to the polarization coupling, the power of the high-power laser beam generated by the device can be doubled.
  • the power of the high-power laser beam generated by the device can be doubled.
  • One or more polarization superposition devices may be arranged in front of the superimposition device or in front of the further superimposition device in order to provide a polarization superimposition of two of each
  • At least one amplifier chain preferably all amplifier chains, have at least two, typically in series, solid-state amplifiers.
  • a solid-state amplifier in particular a multipass disk laser amplifier (see above), is ideally operated in the saturation state.
  • the first solid-state amplifier typically has low gain with a gain factor of, for example, low gain laser power. not more than 4 to 5 on.
  • Festkö ppe r- strength allows further amplification with a larger amplification factor, for example in a range of values between 8 to 10.
  • a gain of well over 50 can be achieved. If four such amplifier chains are superimposed by a wavelength coupling in the further superimposition device, a high-power laser beam with a radiation power between approximately 160 kW and 200 kW results.
  • the polarization superimposing device makes it possible to superimpose two high-power laser beams of the four different wavelengths into a high-power laser beam with two polarization directions, which has a total power of between about 300 kW and about 400 kW.
  • the device makes it possible, in particular, to provide a high-power laser beam with such a power and with a high beam quality.
  • Beam quality represents the (dimensionless) diffraction factor, which is the
  • Gauss beam with the same diameter at the beam waist.
  • a Gauss beam has the
  • Diffraction factor M 2 1, 0.
  • a high-power laser beam with the above-mentioned power of more than about 400 kW can be generated, which has a diffraction factor M 2 , for example between 10 and 20, but possibly also ⁇ 10 or ⁇ 3 can.
  • an optical isolator is arranged in the beam path between or after the solid-state amplifiers.
  • the optical isolator makes it possible to prevent back reflections of the high-power laser radiation back into the beam sources.
  • an optical isolator can serve for example a Pockels cell, which is connected so that this after the occurrence of a pulse of the high-power laser beam in a subsequent in the beam path solid-state amplifier
  • a multipass disk laser amplifier is advantageous in order to enable a high pump power and thus a high overall gain in the disk laser with low seed laser power.
  • ASE spontaneous emission
  • the seed laser power to be amplified should be so high that the ASE threshold of the pump power is not reached, so that the signal to be amplified receives a sufficiently large part of the pump power introduced into the laser disk.
  • the increased seed power can be achieved directly or in the case described above via a summation of the passages through the amplifier medium (multipass).
  • the multipass disk laser amplifier is advantageously operated in the saturation state, since in this case can be expected with high efficiency.
  • the efficiency describes the relationship between the extracted signal power to the
  • Laser disc depends on the pumping power that is introduced
  • Seed performance, the number of transitions (disc passes) and the ASE boundary conditions Seed performance, the number of transitions (disc passes) and the ASE boundary conditions.
  • the design of the seed laser power and number of pulley passages will be adjusted to the overall gain needed and the desired compactness of the device.
  • a multi-stage multipass amplifier design is advantageous in order to always work in the desired state of the respective laser disk, because a multi-pass disk laser operates most efficiently in the saturation state.
  • saturation it is meant that significant gain extraction is achieved, i. that the available small signal gain is lowered to the saturated gain to the extent that an efficient operation is enabled.
  • the pump leak size ie the area of the pumped area on the laser disk
  • the saturation power is also energy from the pump leak size dependent.
  • the larger the pump leak the longer the distance perpendicular to the laser direction, which increases the mean amplification of the spontaneous emission and thus decreases the ASE threshold assuming a constant disk size.
  • Laser disk by a factor of 10 is useful, for example, a pump leak size of 5mm diameter, a seed power of 100 watts and a pump power of 2 kW (efficiency 50%) with a number of 10 disc passes.
  • the size of a respective pump leak increases between successive multipass disk laser amplifiers in the beam path, i. a first multipass disk laser amplifier ideally operates with a smaller pump leak than a second multipass disk laser amplifier following in the beam path, since the latter has a higher beam path due to its arrangement in the beam path
  • the maximum pumping power that can be introduced into the laser disk is determined by the
  • the maximum laser power of the amplifier chain can be scaled by the number of laser discs and the pump leak diameter.
  • At least a first and a second Muttipass disk laser amplifiers each have exactly one laser disk.
  • Laser disk, the Pumpfleckwholesome and the number of multiple passes can be adjusted individually for each laser disk. Depending on the required
  • Amplifier chain (s) also multipass disk laser amplifier with several
  • At least one multipass disk laser amplifier has a greater number of multiple passes than one in the beam path
  • the first and / or the second multipass disk laser amplifier has / have at least one laser disk with a curved surface, for example with a concave or possibly convexly curved surface.
  • all the laser disks of the first and / or the second disk laser amplifier have a curved surface, for example a concave or possibly convexly curved surface.
  • the curved surface is understood to be that surface of the laser disk through which the high-power laser radiation enters and exits the laser disk. Due to the curvature of the surface of the laser disk, the sensitivity of the disk laser amplifier to a misalignment can be clearly seen be reduced.
  • the laser disk typically has a constant thickness, so that the side of the laser disk facing away from the high-power laser radiation is likewise curved.
  • the surface of the laser disk is also in the
  • the deflecting mirrors which connect the high-power laser beam to produce a multi-pass can also be used
  • Curvature for example, with a concave or possibly convex curvature.
  • Amplifier chains on a synchronization device for example, to synchronize the high-power (pulsed) laser beam of the amplifier chain with the high-power laser beams of other amplifier chains, or to synchronize the time if necessary, the laser beams generated by a plurality of beam sources of an amplifier chain.
  • This is particularly advantageous or necessary if the device is to serve to produce a pulsed high-power laser beam whose pulse duration ideally should not depend on the number of amplifier chains used.
  • the synchronization device can act electronically or in the form of a control on the individual beam sources of the amplifier chain (s) in order to synchronize the laser beams generated by these temporally.
  • a respective amplifier chain may also have a delay path which serves to extend the optical path (beam path) of the high-power laser beam generated by the respective amplifier chain and which may, for example, comprise a plurality of (folding) mirrors.
  • the delay path can also be designed to generate a variable time delay.
  • the delay line can serve to provide temporal isolation against back reflections.
  • At least one amplifier chain is the first superposition means for forming a superimposed laser beam having a plurality of wavelengths by spatially superimposing a plurality of
  • the first superimposition device may comprise one or more spectrally selective optical elements, for example angle-dispersive optical elements.
  • the first superimposition device can be designed in particular as a diffraction grating.
  • the laser beams from a plurality of beam sources serving as master oscillators are spectrally combined, i. superimposed in wavelength.
  • the superimposed laser beam with the multiple wavelengths can be amplified as a superimposed cw laser beam or as a superimposed pulsed laser beam in the solid-state amplifier following in the beam path.
  • the device has a
  • Polarization superposition device for forming a superimposed laser beam having two polarization states by polarization superimposition of the superimposed laser beam generated by the first superposition device with a further, superimposed generated by a further first superposition device
  • the device has a plurality of further beam sources, which serve to generate the further laser beams, which in the other first
  • Overlay device are spectrally combined to the other superimposed laser beam.
  • the device has exactly one amplifier chain. Due to the wavelength coupling and possibly the polarization coupling, which In the beam path before or before the solid-state amplifier (s) are made, the input power that is provided to the solid-state amplifier is usually already sufficiently large to a sufficient saturation of the solid state amplifier and thus high efficiency to reach.
  • a single solid-state amplifier for example a
  • Multipass disk laser amplifier sufficient to carry out the amplification, i. it is typically not necessary to connect two or more solid state amplifiers in series.
  • the laser power of the superimposed laser beam is at, e.g. five beam sources about 10 kW, which can be increased by the polarization superposition to about 20 kW.
  • An input power of 20 kW is thus available at the solid-state amplifier, which can be amplified by the solid-state amplifier, for example by a factor of 5 to 10, so that at the output of the device or the
  • Amplifier chain an output power of about 100 kW to about 200 kW can be achieved. Because the coupled seed performance due to the
  • Wavelength coupling a small beam parameter product eg M 2 ⁇ 10 or possibly M 2 ⁇ 3
  • a basic mode operation ie M 2 ⁇ 10 or ⁇ 3 of the solid state amplifier or can be achieved.
  • Solid state amplifiers can therefore be used for operation in the fundamental mode of
  • the solid-state amplifier can be designed, for example, as a multipass disk laser amplifier.
  • the solid-state amplifier can in particular, like the solid-state amplifier in the embodiment described above
  • the first overlay device does not perform a spectral overlay.
  • the device described here has the potential for a particularly high beam quality.
  • the at least one beam source can be designed as a MOPA arrangement, ie have a so-called master oscillator (seed laser), which generates seed pulses or cw radiation and the one or more amplifier stages (power amplifier). are downstream.
  • the seed laser can be designed in different ways, for example as (eg mode-locked) fiber laser, a (eg directly modulated) diode laser or a (eg externally modulated) cw laser.
  • the amplifier (s) arranged downstream of the seed laser can be embodied in different ways, for example as a fiber amplifier, as a disk laser amplifier, etc.
  • the components used for the beam sources are basically commercially available components which are the ones described above produce described power or the beam quality described above in the form of the beam parameter product or the diffraction index.
  • the beam sources may possibly each be only one (master) oscillator, in which case the associated solid-state amplifier (power amplifier) is designed to amplify the spectrally superimposed laser beam of several beam sources.
  • the at least one beam source has at least one fiber laser and / or at least one fiber laser amplifier.
  • the optically active medium is an active, typically doped fiber, in which a Resonatorrange is formed, which is limited, for example, by two so-called fiber Bragg-G itter or in some other way end.
  • Pumping radiation can be supplied to the end of the fiber laser or the active fiber, for example via one or more laser diodes, which couple the pumping radiation into the active fiber.
  • one or more pumping fibers can be contacted with the active fiber or with a fiber containing an active fiber core to couple the pumping radiation into the active fiber.
  • a fiber laser amplifier likewise has an active fiber, to which pump radiation is supplied in addition to the laser radiation to be amplified
  • Fiber laser amplifier but no resonator section is available.
  • At least one beam source has at least one disk laser and / or at least one disk laser amplifier.
  • Disk laser can serve as a seed laser, for example.
  • high seed power (1 kW average power at a repetition rate in the region of approximately 100 kHz) is typically a cavity-dumped disk laser such laser disk laser in the resonator runs so long until it is decoupled via an electro-optical or acousto-optical modulator.
  • the pulse duration is essentially independent of the repetition rate. The minimum pulse duration is determined via the resonator length and can be extended over the decoupling time and / or the decoupling degree. Alternatively, there are others
  • Pulse shaping concepts for the generation of a pulsed laser beam possible. Also, instead of fiber lasers (small peak power, fundamental mode) or disk lasers, bar laser (small output power), slab laser or diode laser can be used, depending on which laser parameters at the end of the pulsed laser beam.
  • fiber lasers small peak power, fundamental mode
  • disk lasers bar laser (small output power)
  • slab laser or diode laser can be used, depending on which laser parameters at the end of the
  • Amplifier chain to be achieved.
  • the invention also relates to an EUV radiation generating device, comprising: a device as described above for generating a high-power laser beam, a vacuum chamber, in which a target Matertal in a target area can be introduced for generating EUV radiation, and a
  • Beam guiding device for guiding the high-power laser beam from the device in the direction of the target area.
  • laser beams are typically used, the wavelength in the infrared wavelength range at about 10.6 ⁇ (C0 2 laser radiation), since it can be generated with high laser power.
  • high-power laser radiation in other wavelength ranges, for example, at wavelengths of about 1, 0 ⁇ , as used in disk lasers or fiber lasers, are made available for an EUV radiation generating device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Apparatus for generating a high power laser beam comprising four amplifier chains each having three series-connected multi-channel disk laser amplifiers,
  • Fig. 2 is an illustration of an embodiment of a device for
  • Fig. 3 is an illustration of an EUV radiation generating device having a device for generating a high-power laser beam.
  • a device for generating a high-power laser beam In the following description of the drawings are for the same or
  • Fig. 1 shows a device 1, which is designed to generate a high-power laser beam 15 with a power p 0 of at least 10 kW, in the example shown with a power between about 300 kW and 400 kW.
  • the device 1 comprises four amplifier chains 2, 2a-c, of which in FIG. 1 a first amplifier chain 2 and a fourth amplifier chain 2c are shown in detail.
  • the four amplifier chains 2, 2a-c are constructed identically in the example shown.
  • a respective amplifier chain 2, 2a-2c has a front end 3, in which five beam sources 4a-4e are arranged in the example shown in FIG.
  • the five beam sources 4a-4e may be identical, ie of the same type, but it is also possible that the beam sources 4a-4e are of different types.
  • a beam source 4a or possibly all beam sources 4a-4e of the front end 3 can be, for example, fiber lasers, which consist of several
  • Amplifier stages exist or may have multiple amplifier stages.
  • the seed laser of the respective beam source 4a-4e in the front end 3 can be an oscillator (cw or pulsed) or a laser diode (cw or modulated) 4a-4e generates a laser beam 5a-5e, which may be a cw laser beam or a pulsed laser beam.
  • pulses can be generated by a modulator from a cw laser beam in the respective beam source 4a-4e and then amplified.
  • laser sources 4a-4e it is also possible to use other lasers, in particular solid-state lasers, for example disk lasers, which optionally have one or more amplifier stages.
  • the laser beams 5a-5e generated by the beam sources 4a-4e are pulsed laser beams 5a-5e.
  • these are delayed in a respective delay line 6a-6e, before they are spatially superimposed in a first superimposing device 7 to form a single superimposed laser beam 8.
  • the spatial superimposition takes place in the example shown by an arrangement of the laser beams 5a-5e in a bundle and, if appropriate, subsequent homogenization, i. the
  • Laser beam 8 merged with a common beam cross-section, which has a total power of about 1 kW at a diffraction coefficient SV1 2 of about 3 to about 20.
  • the beam sources 4a-4e of a respective amplifier chain 2, 2a-c typically generate laser beams 5a-5e having an identical wavelength.
  • the superposed laser beam 8 is first in a first solid-state amplifier in the form of a first multipass disk laser amplifier 9a and in an im
  • the first and second disk laser amplifier 9a, 9b each have a single laser disk 10a as a laser-active medium.
  • the superimposed laser beam 8 is in the first multipass disk laser amplifier 9a using
  • Deflection mirrors 1 1 reflected back several times to the first laser disk 10a, so that the superimposed laser beam 8, the laser disk 10a and the laser-active medium of the first multipass disk laser amplifier 9a accordingly several times.
  • the superimposed laser beam 8 passes through the second multipass disk laser amplifier 9b also several times, with adapted, in the example shown smaller number of It will be understood that in FIG. 1, to simplify the illustration, a number of passes through the multi-pass disk laser amplifiers 9a, 9b are shown, which is typically smaller than in reality, and the laser beam 8 is a multi-pass disk laser. Repeater 9a, 9b in more than, for example, ten, twenty or thirty passes through.
  • the laser-active medium of the respective laser disk 0a may, for example, be Yb: YAG or Nd: YAG.
  • the superimposed laser beam 8 leaves the second slice laser amplifier 9b amplified by a factor of typically between about four and five, i. the radiant power of the
  • the superposed laser beam 8 at the outlet of the second disk laser amplifier 9a is for example about 4 kW to about 5 kW.
  • Laser beam 8 after amplification in the first and second disk laser amplifiers 9a, 9b is still between about 10 and about 20.
  • 9b shows a curved, in the example shown, a concavely curved surface 12a, which faces the superimposed laser beam 8.
  • Laser disc 10a as well as a possibly provided on the respective deflecting mirrors 1 1 (not shown) curved, for example, concave or possibly convex curved reflective surface serve to improve the misalignment sensitivity of the first disk laser amplifier 9.
  • the respective deflecting mirrors 1 1 not shown
  • curved for example, concave or possibly convex curved reflective surface
  • reflective surface 12a through which the laser beam 8 enters and exits the laser disc 10a : have, for example, a concave curvature.
  • the third disk laser amplifier 13 (“power amplifier") is designed as a multipass disk laser amplifier, ie the superposed laser beam 8 is deflected at deflecting mirrors 1 1 and passes through a respective laser disk 10a-10d several times, in the example shown for reasons of clarity two times, as shown in the first and second disk laser amplifiers 9a, 9b
  • the laser disks 10a-10d each have a curved surface 12a-12d, which is concavely curved in the example shown. Also in the third disk laser amplifier 13 may possibly also the
  • Deflection mirror 1 1 have a curved, for example, a concave or possibly convex curved reflective surface.
  • the third disk laser amplifier 13 has a larger one in this example
  • Disk laser amplifier 13 may be, for example, about ten, i. the superposed laser beam 8 is amplified in the third disk laser amplifier 13 to a power of about 40 kW to about 50 kW.
  • the gain in the third disk laser amplifier 13 can be made so that no significant
  • Diffraction factor M 2 between about 10 and about 20 on. The higher extracted
  • Power of the third disk laser amplifier 13 with respect to the first and second disk laser amplifiers 9a, 9b is realized by the higher number of four laser disks 10a-10d compared to the number of one laser disk 10a in each of the first and second disk laser amplifiers 9a, 9b ,
  • the multi-stage amplifier structure described here with two multipass disk laser amplifiers 9a, 9b. 13 is advantageous for being in the ideal state, i. to operate in the saturation state of the respective laser discs 10a-d.
  • Disk laser amplifier 9a can operate with a smaller output power and with a smaller pump leak than the second disk laser amplifier 9b, so that a high amplification factor can be achieved in the first disk laser amplifier 9a.
  • Disk laser amplifiers 13 receive greater input power and therefore can operate with a larger pump leak without exceeding the ASE threshold. As a result of the larger pump leak, more pumphead radiation can be introduced into the respective laser disks 10a-10d of the second or the third multipass disk laser amplifier 9b, 13. Between the second disk laser amplifier 9b and the third disk laser amplifier 13, an optical isolator 14 can be arranged, which is formed in the example shown as Pockels cell and the back reflection of
  • optical isolators can possibly also be arranged between the individual beam sources 4a-4e and the first superposition device 7 or at other locations in the beam path of the superimposed laser beam 8, for example after the third disk laser amplifier 13.
  • the superimposed, amplified laser beam 8, the ibber laser amplifier 13 at the output of the third and thus at the output of the first amplifier chain 2 is present and having a first wavelength ⁇ , with three other superimposed laser beams 8a, 8b, 8c, of the three others
  • Amplifier chains 2a-2c are generated and may have a second to fourth wavelength A 2 to ⁇ 4 , spatially superimposed or spectrally combined by means of a second superposition device 16 in the form of a diffraction grating, so that a single high-power laser beam 17 with the four Wavelength ⁇ to ⁇ 4 is formed.
  • the three further amplifier chains 2a-2c have beam sources 4a-4e, which are designed to generate laser beams 5a-5e whose wavelengths ⁇ 2 to ⁇ 4 are of the wavelength ⁇ of the superimposed laser beam 8 of the first
  • Distortion chain 2 differ, which, for example, by a suitable
  • Wavelength stabilization can be achieved.
  • the device 1 has a polarization superimposition device 18 for forming a high-power laser beam 15 with two polarization states, which in the example shown is designed as a polarizer and has a high reflectivity for a first polarization direction (eg s-polarization) and a high transmission for a second polarization direction (FIG. eg p-polarization).
  • the high-power laser beam 17 formed by the second superposition device 16 is linearly polarized and has an electric field strength vector which is aligned perpendicular to the plane of incidence on the polarizer forming the polarization superimposition device 18 (s-polarization).
  • Another high-power laser beam 17a which is formed by a further second superposition device 16a, has an electric field strength vector, which is aligned parallel to the plane of incidence on the polarization superimposing device 18 forming polarizer (p-polarization).
  • the further second superimposition device 16a is designed like the second superimposing device 16 and serves for the spectral superimposition of four further superimposed laser beams (not shown) which are produced by four further amplifier chains (not shown), like the four amplifier chains 2 shown in FIG , 2a-c are constructed.
  • a high-power laser beam 15 may be formed, which has a power of eg between about 300 kW and 400 kW at a beam quality or at a diffraction index M 2 between about 10 and about 20.
  • the device 1 shown in Fig. 1 also has the advantage that it has a high degree of redundancy: even in the event that a complete amplifier chain 2, 2a-c or a complete further amplifier chain fails, reduces the performance of
  • High-power laser beam 15 only by 1/8, which possibly by increasing the
  • a synchronization device 6 shown in FIG. 1 can be used which is electronically, i. in the form of a controller, to the respective ones
  • Beam sources 4a-4e acts. It is additionally or optionally also possible to provide an optical delay path in the amplifier chains 2, 2a-c, which is arranged in the beam path of the superimposed laser beam 8, 8b-c, for example at the output of a respective amplifier chain 2, 2a-c in front of Transition to the second superposition device 16, to effect a temporal isolation of back reflections.
  • the structure of the amplifier chains 2, 2a-c shown in FIG. 1 is to be understood as an example only and both the number of disk laser amplifiers of the respective amplifier chain 2, 2a-c and the number of laser disks of a respective disk laser amplifier of the structure shown in Fig. 1 may differ.
  • a multipass amplifier with several disks for a total laser power of about 40-50 kW and a diffraction factor M 2 between about 10 and 20, whose average extracted power per disk is, for example,> 4 kW.
  • the number of disk passes should be kept as low as possible in order to keep the multipass disk laser amplifier compact and the number of components that can produce losses , as low as possible.
  • Disk laser amplifier with two laser discs 10a, 10b and, for example, thirty-two passages per laser disc 10a, 10b are realized. On this disk laser amplifier can be in the beam path, a second
  • Disk laser amplifier 13 with four laser disks 10a-d and sixteen
  • Fig. 2 shows an embodiment of a device 1, which also has a
  • the device 1 shown in FIG. 2 initially differs from the device 1 of FIG. 1 in that it has only a single amplifier chain 2.
  • the first superimposing device 7 of the spatial superposition device 1 shown in FIG. 2 is formed by spectrally combining laser beams 5a-5e having five different ones
  • Wavelengths ⁇ , ..., ⁇ 5 have.
  • the first wavelength is, for example ⁇ at 1029 nm
  • the fifth wavelength ⁇ 5 at 1031, 0 nm ie the five wavelengths ⁇ , ..., ⁇ 5 have a spectral distance of 0.5 nm to each other.
  • the beam sources 4a-4e each have one in the example shown
  • wavelength-stabilized disk laser 20 i. one
  • Disk laser in which outside or within a Resonatorabitess more typical Way a diffraction grating is arranged to provide a feedback signa! with the wavelength ⁇ - ⁇ , ..., ⁇ 5 stabilized by the respective beam source 4a-4e.
  • the beam sources 4a-4e may also include one or more disk laser amplifiers 20a.
  • Fig. 2 Five in Fig. 2 below illustrated other beam sources 4a'-4e 'generate five additional laser beams 5a'-5e' with five wavelengths ⁇ - ⁇ , ..., ⁇ 5, the ⁇ - ⁇ , with the wavelengths ..., ⁇ 5 of the five laser beams 5a-5e generated by the beam sources 4a-4e shown in FIG. 2 above.
  • the five further beam sources 4a'-4e 'each have a wavelength-stabilized one
  • Fiber laser 20 may each have a disk laser 20, as is the case with the five beam sources 4a-4e shown in Fig. 2 above. It is understood that both the beam sources 4a-4e and the further beam sources 4a'-4e 'can each have a wavelength-stabilized fiber laser 20' or optionally a laser of a different type which can generate a sufficiently large radiation power, for example bar laser, Slab laser or diode laser.
  • the further laser beams 5a'-5e 'generated by the further beam sources 4a'-4e' are spectrally combined or spatially superimposed in a further first superposition device 7a, which, like the first superimposition device 7, is designed as a diffraction grating and form a further superimposed one Laser beam 8a.
  • Overlay 7a is formed in one
  • Polarization superposition device 18 superimposed on a high-power laser beam 15.
  • the two superimposed laser beams 8, 8a meet, as in FIG. 2, with two different polarization states s, p on a polarizer, which forms the polarization superimposing device 18, ie transmits the superimposed laser beam 8 and reflects the further superimposed laser beam 8a, so that they jointly produce the high power Laser beam 15 form.
  • a respective beam source 4a-4e of the device 1 or a respective further beam source 4a'-4e 'of the device 1 are for generating a laser beam 5a-5e or a further laser beam 5a'-5e' with an output of approximately 2 kW each formed (diffraction factor M 2 approximately 1, 5).
  • High-power laser beam 15 generates, which has a radiant power of approximately 20 kW at substantially unchanged diffraction index M 2 .
  • High power laser beam 15 is amplified in a multi-pass disk laser amplifier 13, which is like the third multipass disk laser amplifier 13 of the embodiment shown in FIG. 1 and has four laser disks 10a-10d.
  • Multipass disk laser amplifier 13 are operated in saturation, so that a high efficiency of the gain can be achieved. For this reason, the multipass disk laser amplifier 13 amplifies the high power laser beam 8 by a factor of five to ten, leaving the device 1
  • High-power laser beam 15 reaches a power of about 100 kW to about 200 kW.
  • the spectral combination is performed before amplification in the multipass disk laser amplifier 13, so that the multipass disk laser amplifier 13 is a master oscillator for the beam sources 4a-4e and for the other beam sources 4a'-4e 'forms.
  • Modification of the beam quality or the diffraction factor M 2 by the multi-pass disk laser amplifier 13 depends on the output power of the high-power laser beam 15: For example, about 20 kW, possibly up to about 50 kW basic mode radiation can be generated, ie the diffraction factor M 2 is about M 2 ⁇ 2 or M 2 ⁇ 3.
  • Both the device 1 shown in FIG. 1 and in FIG. 2 can be used to generate a pulsed high-power laser beam 15 or to generate a cw beam.
  • High-power laser beam 15 are used, depending on whether the beam sources 4a-4e and the other beam sources 4a'-4e 'for generating pulsed or cw laser beams 5a-5e, 5a'-5e l are formed.
  • first cw- Laser radiation are generated, which is subsequently converted by a suitable modulator, such as a Pockels cell in pulsed laser radiation.
  • a device 1, which is designed to generate a pulsed high-power laser beam 15, can be used in an EUV radiation generating device 21, which will be described in more detail below with reference to FIG.
  • the EUV radiation generating device 1 has a driver laser device in the form of the device 21 of FIG. 1 or of FIG. 2, a beam guiding device 23 (beam guiding chamber) and a vacuum chamber 24.
  • a focusing means in the form of a focusing lens 26 is arranged to focus the high-power laser beam 15 in a target area B.
  • the EUV radiation generating device 21 shown in Fig. 3 substantially corresponds to the structure described in US 2011/0140008 A1, which is incorporated herein by reference.
  • the representation of measuring devices for monitoring the beam path of the high-power laser beam 15 has been omitted for reasons of clarity.
  • the high-power laser beam 15 is deflected via a plurality of deflecting mirrors 27 to 31 of the beam-guiding chamber 23 and another deflecting mirror 32 in the vacuum chamber 24 to the focusing lens 26, which the high-power laser beam 15 in the target area B. focused on the tin is arranged as a target material 33.
  • the target material 33 is hit by the focused high-power laser beam 15 and thereby transferred into a plasma state, which serves to generate EUV radiation 34.
  • the target material 33 is supplied to the target area B by means of a supply device (not shown) which guides the target material 33 along a predetermined path crossing the target area B.
  • a supply device not shown
  • the device 35 has a first mirror 36 and a second mirror 37.
  • the high power laser beam 15 collimated on the first mirror 36 is reflected by a convex curved surface of the first mirror 36 as a high power divergent laser beam 15 and impinges on the second mirror 37 having a second, concavely curved reflecting surface on which High-power laser beam 15 is reflected and the device 35 leaves as a collimated high-power laser beam 15 with increased beam diameter.
  • the first mirror 36 and the second mirror 37 are designed as off-axis parabolic mirrors, ie the two reflecting surfaces of the mirrors 36, 37 each form an off-axis segment of an (elliptical)
  • Paraboloid Paraboloid.
  • the term "off-axis" means that the reflective surfaces do not include the axis of rotation of the paraboloid (and thus also not the apex of the paraboloid)
  • the first mirror 36 and the second mirror 37 may also have a different geometry, eg, be spherically curved Alternatively, the first mirror 36 may have a concavely curved surface and the second mirror 37 may have a convexly curved surface.
  • a high-power laser beam 15 is used to generate the EUV radiation 34 whose wavelength differs from that of conventional EUV radiation.
  • Radiation generating devices is not in the infrared wavelength range by about 10.6 prn, but at lower wavelengths, for example in a
  • Wavelength range around 1 pm (see above). This is possible because the device 1 generates a high-power laser beam 15 with a sufficiently high power of more than about 100 kW in the examples shown, which has a beam quality or a diffraction factor M 2 which is sufficiently low for the present application is and is less than about 20 to 30, for example. It is understood that the device 1 described above can also be used advantageously in other optical systems in which a high-power laser beam 15 with a high radiation power and a good beam quality is required, for example in laser welding.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines Hochleistungs- Laserstrahls (15) mit einer Leistung von mindestens 10 kW, umfassend: mindestens eine Verstärkerkette (2, 2a-c), die Verstärkerkette (2, 2a-c) umfassend: eine Mehrzahl von Strahlquellen (4a-4e) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Laserstrahlen (5a-5e), eine erste Überlagerungseinrichtung (7) zur Bildung eines überlagerten Laserstrahls (8) durch räumliche Überlagerung der Mehrzahl von Laserstrahlen (5a- 4e), sowie mindestens einen Festkörper-Verstärker (9, 13) zur Verstärkung des überlagerten Laserstrahls (8) für die Erzeugung des Hochleistungs-Laserstrahls (15). Die Erfindung betrifft auch eine EUV-Strahtungserzeugungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung (1).

Description

Anmelder:
TRUMPF Laser GmbH
Aichhaider Straße 39
D-78713 Schramberg Vertreter:
Kohler Schmid Möbus
Patentanwälte PartG mbB
Ruppmannstr. 27
D-70565 Stuttgart
Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochleistunqs-Laserstrahls und EUV-
Strahlungserzeuqungsvorrichtung damit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
Hochleistungs-Laserstrahls mit einer Leistung von mindestens 10 kW sowie eine EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung, welche eine solche Vorrichtung aufweist.
Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls in Form einer Treiberlaseranordnung für eine EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung ist beispielsweise aus der US 2009/0095925 A1 bekannt geworden. Die dort
beschriebene Treiberlaseranordnung weist eine Strahlquelle zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung und einen oder mehrere optische Verstärker zur
Verstärkung der gepulsten Laserstrahlung auf. Die Strahlquelle der
Treiberlaseranordnung dient zur Erzeugung von so genannten Seed-Pulsen, die in dem bzw. in den optischen Verstärkern auf hohe Laserleistungen von mehreren kW, ggf. von 10 kW oder darüber verstärkt werden. Die von der Treiberlaseranordnung verstärkte Laserstrahlung wird über eine Strahlführungseinrichtung einer
Fokussiereinrichtung zugeführt, welche die Laserstrahlung bzw. den Laserstrahl in einem Zielbereich fokussiert. In dem Ztelbereich wird ein Target- Material
bereitgestellt, welches bei der Bestrahlung mit dem Laserstrahl in einen Plasma- Zustand übergeht und hierbei EUV-Strahlung emittiert.
Bei der Erzeugung von cw-,.continuous-wave" oder gepulster Hochleistungs- Laserstrahlung mit Hilfe von einem oder von mehreren Verstärkern besteht grundsätzlich das Problem, dass die Erhöhung der Laserleistung bei der Verstärkung typischer Weise mit einer Verringerung der Strahlqualität der Laserstrahlung, genauer gesagt des Strahlparameterprodukts der Laserstrahlung, einhergeht. Zudem ist die maximal mögliche Verstärkung der Laserstrahlung beispielsweise in einem Faserverstärker durch nichtlineare Effekte begrenzt.
Aus der US 8,508,844 B2 ist eine hybride Faser-MOPA(„Master-Oszillator-Power- Amplifier")-Anordnung bekannt geworden, welche mehrere in Reihe geschaltete
Faser- Verstärker-Stufen mit einer abschließenden Leistungsverstärker-Stufe in Form eines Multipass-Verstärkers aufweist. Der Master-Oszillator ist ausgebildet, einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen. Bei dem Multipass-Verstärker handelt es sich um einen Verstärker mit einem dünnen, scheibenförmigen Verstärkermedium, welches eine Leistungsverstärkung der von den Faser- Verstärker-Stufen vorverstärkten Laserstrahlung vornimmt. Der Multipass-Verstärker weist eine optische Anordnung auf, welche einen mehrfachen Einfall der gepulsten Laserstrahlung auf das scheibenförmige Verstärkermedium erzeugt. In der EP 1 730 822 B1 ist eine Hybridlaserquelle beschrieben, die skalierbar ist, um einen Ausgangsstrahl hoher Leistung mit guter Strahlqualität bereitzustellen. Die Laserquelle umfasst einen Festkörperlaser-Verstärker, der einen Ausgangsstrahl hoher Leistung bereitstellt, sowie eine Anordnung von Laserfaserverst rkern, die einen Eingangsstrahl für den Festkörperlaser-Verstärker bereitstellen. Ein Phasen- und Polarisationssensor dient zum Erfassen von Phasen- und
Polarisationsvariationen in einem Querschnitt des Ausgangsstrahls vor dem
Festkörperlaser und es sind Mittel zum Steuern von Phase und Polarisation von Elementen der Anordnung von Laserfaserverstärkern zum Erzielen einer Phasen- und Polarisationssteuerung durch den Querschnitt des Ausgangsstrahls vorhanden.
In dem Artikel„Pulsed Operation of a high average power Yb:YAG thin-disk multipass amplifier" von M. Schulz et al., Optics Express, Vol. 20, No. 5, 2012 sind ein im Burst-Betrieb operierender Multipass-Scheibenlaser- Verstärker sowie Verfahren zur Unterdrückung von parasitärer verstärkter spontaner Emission ("amplified
spontaneous emission", ASE) beschrieben. Während eines Bursts wird eine besonders hohe durchschnittliche Leistung erzeugt.
In dem Artikel„Thin-Disk Yb:YAG Oscillator-Amplifier Laser, ASE, and Effective Yb YAG Lifetime" von A. Antognini et al. wird ein Yb:YAG Laser beschrieben, der aus einem gütegeschalteten Oszillator und einem Multipass- Verstärker gebildet ist. In dem Artikel werden u.a. Messungen der thermischen Linse der Laserscheibe sowie von ASE-Effekten dargestellt. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie eine EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung mit einer solchen Vorrichtung bereitzustellen, welche einen Hochleistungs-Laserstrahl mit einer sehr hohen
Leistung bei gleichzeitig guter Strahlqualität erzeugen können.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, umfassend: mindestens eine Verstärkerkette, die Verstärkerkette umfassend: eine Mehrzahl von Strahlquellen zur Erzeugung einer Mehrzahl von Laserstrahlen, eine erste Überlagerungseinrichtung zur Bildung eines überlagerten Laserstrahls durch räumliche Überlagerung der Mehrzahl von Laserstrahlen, sowie mindestens einen Festkörper- Verstärker zur Verstärkung des überlagerten Laserstrahls für die
Erzeugung des Hochleistungs-Laserstrahls.
Die Vorrichtung zur Erzeugung der Laserstrahlung weist mindestens eine
Verstärkerkette auf, in der mehrere Strahlquellen parallel betrieben werden, um mehrere Laserstrahlen gleichzeitig zu erzeugen. Eine den Strahlquellen
nachgelagerte erste Überlagerungseinrichtung überlagert die Laserstrahlen räumlich, um den bei der Überlagerung gebildeten überlagerten Laserstrahl in mindestens einem Festkörper- Verstärker zu verstärken und auf diese Weise den Hochleistungs- Laserstrahl zu bilden. Durch die räumliche Überlagerung wird ein überlagerter Laserstrahl gebildet, der für die nachfolgende Verstärkung eine vergleichsweise hohe Leistung aufweist. Im Gegensatz zu einer seriellen Anordnung von mehreren Faser- Verstärker-Stufen, denen eine abschließende Leistungsverstärker-Stufe in Form eines Multipass-Verstärkers nachgeschaltet ist, wie dies in der eingangs zitierten US 8,508,844 B2 der Fall ist, führt bei der hier beschriebenen Vorrichtung der Ausfall einer einzelnen Strahlquelle nicht zum Ausfall der gesamten Vorrichtung, vielmehr reduziert sich die Strahlleistung des Laserstrahls nur um den Anteil der
Strahlleistung, der von der ausgefallenen Strahlquelle erzeugt wird.
Eine Strahlquelle der hier beschriebenen Vorrichtung kann selbst ggf. mehrere Verstärker bzw. Verstärkerstufen aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei einer oder mehreren der Strahlquellen um Faserlaser handeln, die jeweils aus mehreren Faser- Verstärkerstufen bestehen. Eine einzelne Strahlquelle kann beispielsweise ausgebildet sein, einen Laserstrahl mit einer (mittleren) Leistung von ca. 200 W zu erzeugen. Als Seed für die Faser- Verstärkerstufen kann beispielsweise ein Oszillator (cw („continuous-wave") oder gepulst) oder eine Laserdiode (cw oder moduliert) dienen. Zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung, wie sie für die Erzeugung von EUV-Strahlung gewünscht ist, können ggf, aus einem cw-Laserstrahl mittels eines Modulators Pulse (fs, ns, ps, ms-Pulsdauer) generiert werden, die gemeinsam verstärkt werden. Zur Erzeugung von Pulsen mit Pulsdauer typischer Weise im fs bis ps-Bereich kann der Modulator im Oszillator angeordnet sein. Für die Erzeugung von Pulsen im ns-Bereich oder darüber kann der Modulator dem Oszillator bzw. der Laserdiode nachgeschaltet sein. Es ist auch möglich, dass die Vorrichtung cw- Laserstrahlung verstärkt und einen cw-Hochleistungs-Laserstrahl erzeugt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine zweite Überlagerungseinrichtung, insbesondere ein Beugungs-Gitter, zur Bildung eines Hochleistungs-Laserstrahls mit mehreren Wellenlängen durch räumliche Überlagerung mehrerer von unterschiedlichen Verstärkerketten erzeugten
Hochleistungs-Laserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen.
In dieser Ausführungsform erfolgt die räumliche Überlagerung der Laserstrahlen der mehreren Strahlquellen in der ersten Überlagerungseinrichtung typischer Weise nicht durch eine Wellenlängenkopplung, d.h. die Laserstrahlen, die von den Strahlquellen einer einzelnen Verstärkerkette erzeugt werden, weisen typischer Weise die gleiche Wellenlänge auf und werden räumlich überlagert, ohne dass hierbei spektral sensitive optische Elemente, beispielsweise winkeldispersive optische Elemente, insbesondere Beugungs-Gitter, eingesetzt werden. Die zweite Überlagerungseinrichtung dient zur Wellenlängen-Kopplung von
Hochleistungs-Laserstrahlen, die von unterschiedlichen Verstärkerketten erzeugt werden und die jeweils typischer Weise eine Leistung von mindestens ca. 10 kW aufweisen. Der Vorteil einer solchen Vorrichtung liegt in ihrer hohen Redundanz: Selbst wenn eine Verstärkerkette vollständig ausfällt, sinkt die Ausgangsleistung nur um 1/n, wobei n die Zahl der Verstärkerketten bezeichnet. Bei einer ausreichenden Anzahl von Verstärkerketten (z.B. n > 3) kann die Abnahme der Ausgangsleistung ggf. vollständig durch die anderen Verstärkerketten kompensiert werden.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine
Polarisationsüberlagerungseinrichtung zur Bildung eines Hochleistungs-Laserstrahls mit zwei Polarisationszuständen durch Polarisationsüberlagerung von zwei von der zweiten Überlagerungseinrichtung und von einer weiteren zweiten
Überlagerungseinrichtung erzeugten Hochleistungs-Laserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen. Die Polarisationsüberlagerungseinrichtung dient dazu, zwei Hochleistungs-Laserstrahlen, die jeweils mehrere in der Regel übereinstimmende Weilenlängen aufweisen, zu einem gemeinsamen Hochleistungs- Laserstrahl zu überlagern. Die Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass die von den jeweiligen Verstärkerketten erzeugten Hochleistungs-Laserstrahlen, die in der Wellenlänge überlagert werden, jeweils eine lineare Polarisation aufweisen.
Durch eine geeignete (typischer Weise orthogonale) Ausrichtung der beiden linearen Polarisationszustände der von zwei zweiten Überlagerungseinrichtungen
bereitgestellten Hochleistungs-Laserstrahlen kann in diesem Fall eine
Polarisationsüberlagerung erfolgen. Durch die Polarisationskopplung kann die Leistung des von der Vorrichtung erzeugten Hochleistungs-Laserstrahls verdoppelt werden. Gegebenenfalls kann/können an Stelle einer
Polarisationsüberlagerungseinrichtung, die nach der zweiten
Überlagerungseinrichtung bzw. nach der weiteren zweiten Überlagerungseinrichtung angeordnet ist, eine oder mehrere Polarisationsüberlagerungseinrichtungen vor der Überlagerungseinrichtung bzw. vor der weiteren Überlagerungseinrichtung angeordnet sein, um eine Polarisationsüberlagerung von jeweils zwei von
unterschiedlichen Verstärkerketten erzeugten Laserstrahlen vorzunehmen, bevor eine spektrale Überlagerung in einer zweiten Überlagerungseinrichtung erfolgt. Bei einer weiteren Ausführungsform weist mindestens eine Verstärkerkette, bevorzugt weisen alle Verstärkerketten mindestens zwei typischer Weise in Reihe zueinander angeordnete Festkörper- Verstärker auf . Ein Festkörper- Verstärker, insbesondere ein Multipass-Scheibenlaser- Verstärker (s.u.), wird idealer Weise im Sättigungszustand betrieben. Der erste Festkörper- Verstärker weist aufgrund der geringen auftreffenden Laserleistung typischer Weise eine geringe Verstärkung mit einem Verstärkungs-Faktor von z.B. nicht mehr als 4 bis 5 auf. Der zweite
Festkö rpe r- Ve rstä rke r ermöglicht eine weitere Verstärkung mit einem größeren Verstärkungs-Faktor, beispielsweise in einem Wertebereich zwischen 8 bis 10. Kann mittels einer einzelnen Strahlquelle eine (mittlere) Leistung von ca. 200 W erreicht werden und werden bei der räumlichen Überlagerung fünf der Strahlquellen überlagert, so steht ein überlagerter Laserstrahl mit einer Strahlungsleistung von ca. 1 kW für die nachfolgende Verstärkung in den beiden Festkörper- Verstärkern zur Verfügung. Durch die Hintereinanderschaltung der beiden Festkö rpe r-Ve rstä rke r kann auf diese Weise insgesamt eine Verstärkung um einen Faktor von ca. 50 erreicht werden, d.h. eine einzelne Verstärkerkette kann einen Hochleistungs- Laserstrahl mit einer Leistung von zwischen ca. 40 kW und ca. 50 kW erzeugen. Werden geeignete Maßnahmen zur Unterdrückung von Rückreflexionen
vorgenommen (optische Isolation), kann auch eine Verstärkung um einen Faktor von deutlich mehr als ca. 50 erreicht werden. Werden vier solcher Verstärkerketten in der weiteren Überlagerungseinrichtung durch eine Wellenlängenkopplung überlagert, so ergibt sich ein Hochleistungs-Laserstrahl mit einer Strahlungsleistung zwischen ca. 160 kW und 200 kW. Die Polarisationsüberlagerungseinrichtung ermöglicht es, zwei Hochleistungs-Laserstrahlen mit den vier unterschiedlichen Wellenlängen zu einem Hochleistungs-Laserstrahl mit zwei Polarisationsrichtungen zu überlagern, der eine Gesamtleistung zwischen ca. 300 kW und ca. 400 kW aufweist. Die Vorrichtung ermöglicht es insbesondere, einen Hochleistungs-Laserstrahl mit einer solchen Leistung und mit einer hohen Strahlqualität bereitzustellen. Ein Maß für die
Strahlqualität stellt die (dimensionslose) Beugungsmaßzahl dar, welche den
Divergenzwinkel eines Laserstrahls im Vergleich zur Divergenz eines idealen
Gaußstrahls mit gleichem Durchmesser an der Strahltaille bezeichnet. Je größer die (zum Strahlparameterprodukt proportionale) Beugungsmaßzahl M2 ist, desto schlechter ist der Laserstrahl zu fokussieren. Ein Gaußstrahl hat die
Beugungsmaßzahl M2 = 1 ,0. Bei der hier beschriebenen Vorrichtung kann ein Hochleistungs-Laserstrahl mit der oben angegebenen Leistung von mehr als ca. 400 kW erzeugt werden, der eine Beugungsmaßzahl M2 aufweist, die z.B. zwischen 10 und 20 liegt, aber ggf. auch < 10 oder < 3 sein kann.
Bei einer Weiterbitdung ist im Strahlweg zwischen oder nach den Festkörper- Verstärkern ein optischer Isolator angeordnet. Der optische Isolator ermöglicht es, Rückreflexionen der Hochleistungs-Laserstrahlung zurück in die Strahlquellen zu verhindern. Als optischer Isolator kann beispielsweise eine Pockels-Zelle dienen, die so geschaltet ist, dass diese nach dem Eintritt eines Pulses des Hochleistungs- Laserstrahls in einen im Strahlweg nachfolgenden Festkörper-Verstärker den
Durchtritt von Laserstrahlung zurück zu einem im Strahlweg vorausgehenden
Festkörper- Verstärker blockiert.
Bei einer Weiterbildung ist mindestens einer, bevorzugt mindestens zwei,
insbesondere sind alle Festkörper- Verstärker als Multipass-Scheibenlaser- Verstärker ausgebildet. Ein Multipass-Scheibenlaser-Verstärker ist vorteilhaft, um mit geringer Seedlaserleistung eine hohe Pumpleistung und damit eine hohe Gesamt- Verstärkung beim Scheibenlaser zu ermöglichen. Bei der Verwendung eines scheibenförmigen Lasermediums bildet sich ab einer bestimmten Pumpleistung abhängig von dem gepumpten Bereich und der Scheibengröße eine verstärkte spontane Emission (ASE) in Querrichtung innerhalb der Laserscheibe aus. Diese ASE kann zum Ausbilden einer Lasertätigkeit in der Laserscheibenebene führen, was die verfügbare Verstärkung orthogonal zur Scheibenebene begrenzt. Um dies zu verhindern, sollte die zu verstärkende Seedlaserleistung so hoch sein, dass die ASE- Schwelle der Pumpleistung nicht erreicht wird, damit das zu verstärkende Signal einen ausreichend großen Teil der in die Laserscheibe eingebrachten Pumpleistung aufnimmt. Die erhöhte Seedleistung kann direkt oder im oben beschriebenen Fall über eine Summation der Durchgänge durch das Verstärkermedium (Multipass) erreicht werden.
Der Multipass-Scheibenlaser-Verstärker wird vorteilhaft im Sättigungszustand betrieben, da in diesem Fall mit hoher Effizienz gerechnet werden kann. Die Effizienz beschreibt das Verhältnis zwischen der extrahierten Signalleistung zur in die
Laserscheibe eingebrachten Pumpleistung. Die maximale Verstärkung pro
Laserscheibe hängt von der eingebrachten Pumpleistung, der eingebrachten
Seedleistung, der Zahl der Übergänge (Scheibendurchgänge) und vo den ASE- Randbedingungen ab. Die Auslegung der Seedlaserleistung und der Zahl der Scheibendurchgänge wird an die benötigte Gesamtverstärkung und die gewünschte Kompaktheit der Vorrichtung angepasst.
Ein mehrstufiger Multipass-Verstärkeraufbau ist vorteilhaft, um stets im gewünschten Zustand der jeweiligen Laserscheibe zu arbeiten,denn ein Multipass-Scheibenlaser arbeitet am effizientesten im Sättigungszustand. Unter dem Sättigungszustand wird verstanden, dass eine signifikante Gewinnextraktion erreicht wird, d.h. dass der zur Verfügung stehende Kleinsignalgewinn auf den gesättigten Gewinn in dem Maße abgesenkt wird, dass ein effizienter Betrieb ermöglicht wird.
Vorteilhafterweise kann auch die Pumpfleckgröße, d.h. die Fläche des gepumpten Bereichs auf der Laserscheibe, an die zu extrahierende Leistung/Energie angepasst werden. Allerdings ist auch die SättigungsleistungAenergie von der Pumpfleckgröße abhängig. Je größer der Pumpfleck, desto länger ist die Wegstrecke senkrecht zur Laserrichtung, wodurch sich die mittlere Verstärkung der spontanen Emission erhöht und somit die ASE-Schwelle unter Annahme einer konstanten Scheibengröße abnimmt. Für eine extrahierte Leistung von 1 kW und eine Verstärkung pro
Laserscheibe um einen Faktor 10 ist beispielsweise eine Pumpfleckgröße von 5mm Durchmesser, eine Seedleistung von 100 Watt und eine Pumpleistung von 2 kW (Effizienz 50%) bei einer Anzahl von 10 Scheibendurchgängen sinnvoll.
Vorteilhafter Weise nimmt die Größe eines jeweiligen Pumpflecks zwischen im Strahlweg aufeinander folgenden Multipass-Scheibenlaser- Verstärkern zu, d.h. ein erster Multipass-Scheibenlaser- Verstärker arbeitet idealer Weise mit einem kleineren Pumpfleck als ein im Strahlweg nachfolgender zweiter Multipass-Scheibenlaser- Verstärker, da letzterer aufgrund seiner Anordnung im Strahlweg eine höhere
Eingangs-Seedleistung als der erste Scheibenlaser- Verstärker aufweist. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es erforderlich, die Signalintensität im Laserkristall eines jeweiligen Scheibenlaser- Verstärkers so hoch zu halten, dass die ASE-Schwelle nicht erreicht wird, wobei die ASE-Schwelle mit zunehmender Pumpfleckgröße abnimmt. Bei höherer Absolutleistung (bedingt durch die höhere Seedleistung) ist die kumulierte Signalintensität in der Laserscheibe auch bei größerem
Pumpfleckdurchmesser in der Regel so hoch, dass auch bei skaliertem, d.h.
vergrößertem Pumpfleck die ASE-Schwelle nicht erreicht wird.
Die maximal in die Laserscheibe einbringbare Pumpleistung ist durch die
Pumpfleckfläche bzw. durch den maximal zulässigen Wärmestrom/Fläche bestimmt und skaliert mit dem Quadrat des Pumpfleckdurchmessers. Da bei dem zweiten Multipass-Scheibenlaser- Verstärker mit einem größeren Pumpfleck gearbeitet werden kann, ist es z.B. möglich mehr Pumpleistung in das aktive Medium
einzubringen. Daher kann bei gleich vielen Scheibendurchgängen mittels des zweiten Multipass-Scheibenlaser- Verstärkers mehr über die Pumpleistung in das Lasermedium eingebrachte Leistung/Energie extrahiert werden. Über die Anzahl der Laserscheiben und den Pumpfleckdurchmesser kann die maximale Laserleistung der Verstärkerkette skaliert werden.
Bei einer weiteren Weiterbildung weisen mindestens ein erster und ein zweiter Muttipass-Scheibenlaser- Verstärker jeweils genau eine Laserscheibe auf. Durch die Verwendung von Multipass-Scheibenlaser- Verstärkern mit jeweils einer
Laserscheibe können die Pumpfleckgröße und die Anzahl der Mehrfachdurchgänge individuell für jede Laserscheibe eingestellt werden. Je nach benötigter
Gesamtleistung und Seed-Ausgangsleistung wird die Anzahl der Multipass- Scheibenlaser- Verstärkereinheiten bestimmt. Es versteht sich, dass die
Verstärkerkette(n) auch Multipass-Scheibenlaser- Verstärker mit mehreren
Laserscheiben aufweisen können. Die Verwendung von mehreren Laserscheiben ist vorteilhaft, um eine höhere Leistung extrahieren zu können als dies bei einem Scheibenlaser- Verstärker mit nur einer Laserscheibe der Fall ist.
Bei einer Weiterbildung weist mindestens ein Multipass-Scheibenlaser-Verstärker eine größere Anzahl an Mehrfachdurchgängen auf als ein im Strahlweg
(insbesondere unmittelbar) nachfolgender Multipass-Scheibenlaser-Verstärker. In diesem Fall nimmt die Anzahl an Mehrfachdurchgängen mit zunehmender
Entfernung von den Strahlquellen bzw. von den Seed-Quellen ab. Bei einer sequentiellen Abfolge der Verstärkerscheiben (wobei jede Scheibe mit eigenem Multipass ausgestattet ist) ist es vorteilhaft, die Zahl der Scheibenübergänge der jeweils vorliegenden Seedleistung und Pumpleistung anzupassen. Wenn von einer konstanten Pumpfleckgröße und einer konstanten extrahierten Leistung pro Scheibe ausgegangen wird, ist es günstig, im Verlauf einer Verstärkerkette die Zahl der Scheibenübergänge zu reduzieren, um die kummulierte Signalintensität in der jeweiligen Laserscheibe konstant zu halten. Bei einer weiteren Ausführungsform weist/weisen der erste und/oder der zweite Multipass-Scheibenlaser- Verstärker mindestens eine Laserscheibe mit einer gekrümmten Oberfläche, beispielsweise mit einer konkav oder ggf. konvex gekrümmten Oberfläche auf. Insbesondere weisen alle Laserscheiben des ersten und/oder des zweiten Scheibenlaser- Verstärkers eine gekrümmte Oberfläche, beispielsweise eine konkav oder ggf. konvex gekrümmte Oberfläche auf. Unter der gekrümmten Oberfläche wird diejenige Oberfläche der Laserscheibe verstanden, durch welche die Hochleistungs-Laserstrahlung in die Laserscheibe ein- und auch wieder austritt. Durch die Krümmung der Oberfläche der Laserscheibe kann die Empfindlichkeit des Scheibenlaser- Verstärkers gegenüber einer Dejustage deutlich reduziert werden. Typischer Weise weist die Laserscheibe eine konstante Dicke auf, so dass die der Hochleistungs-Laserstrahlung abgewandte Seite der Laserscheibe ebenfalls gekrümmt ist. Die Oberfläche der Laserscheibe ist auch im
ausgeschalteten Zustand des Scheibenla ser-Ve rstä rke rs gekrümmt, d.h. die beispielsweise konkave oder ggf. konvexe Krümmung entsteht nicht erst während des Betriebs des Scheibenlaser- Verstärkers aufgrund einer thermischen Linse.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung einer Laserscheibe mit einer gekrümmten Oberfläche können auch die Umlenkspiegel, welche den Hochleistungs-Laserstrahl zur Erzeugung von Mehrfachdurchgängen („Multipass") zu einer jeweiligen
Laserscheibe zurück reflektieren, eine reflektierende Oberfläche mit einer
Krümmung, beispielsweise mit einer konkaven oder ggf. konvexen Krümmung aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist mindestens eine der mehreren
Verstärkerketten eine Synchronisationseinrichtung auf, beispielsweise um den (gepulsten) Hochleistungs-Laserstrahl der Verstärkerkette mit den Hochleistungs- Laserstrahlen der anderen Verstärkerketten zeitlich zu synchronisieren, oder um ggf. die von mehreren Strahlquellen einer Verstärkerkette erzeugten Laserstrahlen zeitlich zu synchronisieren. Dies ist insbesondere vorteilhaft bzw. erforderlich, wenn die Vorrichtung dazu dienen soll, einen gepulsten Hochleistungs-Laserstrahl zu erzeugen, dessen Pulsdauer idealer Weise nicht von der Zahl der verwendeten Verstärkerketten abhängen soll. Die Synchronisationseinrichtung kann elektronisch bzw. in Form einer Steuerung auf die einzelnen Strahlquellen der Verstärkerkette(n) einwirken, um die von diesen erzeugten Laserstrahlen zeitlich zu synchronisieren.
Gegebenenfalls kann eine jeweilige Verstärkerkette auch eine Verzögerungsstrecke aufweisen, die zur Verlängerung des optischen Wegs (Strahlwegs) des von der jeweiligen Verstärkerkette erzeugten Hochleistungs-Laserstrahls dient und die beispielsweise mehrere (Faltungs-)Spiegel aufweisen kann. Gegebenenfalls kann die Verzögerungsstrecke auch zur Erzeugung einer variablen zeitlichen Verzögerung ausgebildet sein. Die Verzögerungsstrecke kann dazu dienen, eine zeitliche Isolation gegen Rückreflexionen zu schaffen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist bei mindestens einer Verstärkerkette die erste Überlagerungseinrichtung zur Bildung eines überlagerten Laserstrahls mit mehreren Wellenlängen durch räumliche Überlagerung mehrerer von
unterschiedlichen Strahlquellen erzeugten Laserstrahlen mit jeweils
unterschiedlichen Wellenlängen ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform werden die von den Strahlquelien erzeugten Laserstrahlen bei der räumlichen Überlagerung spektral kombiniert. Die erste Überlagerungseinrichtung kann eines oder mehrere spektral selektive optische Elemente aufweisen, beispielsweise winkeldispersive optische Elemente. Die erste Überlagerungseinrichtung kann insbesondere als Beugungs-Gitter ausgebildet sein.
Bei dieser Ausführungsform werden die Laserstrahlen von mehreren Strahlquellen, die als Master-Oszillatoren (z.B. in Form von (wellenlängenstabilisierten) Faserlasern oder Scheibenlasern) dienen, spektral kombiniert, d.h. in der Wellenlänge überlagert. In Abhängigkeit vom verwendeten Oszillator bzw. von der verwendeten Strahlquelle kann der überlagerte Laserstrahl mit den mehreren Wellenlängen als überlagerter cw-Laserstrahl oder als überlagerter gepulster Laserstrahl in dem im Strahlweg nachfolgenden Festkörper-Verstärker verstärkt werden.
Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine
Polarisationsüberlagerungseinrichtung zur Bildung eines überlagerten Laserstrahls mit zwei Polarisationszuständen durch Polarisationsüberlagerung des von der ersten Überlagerungseinrichtung erzeugten überlagerten Laserstrahls mit einem weiteren, von einer weiteren ersten Überlagerungseinrichtung erzeugten überlagerten
Laserstrahl auf, wobei die weitere erste Überlagerungseinhchtung zur Bildung des weiteren überlagerten Laserstrahls mit mehreren Wellenlängen durch räumliche Überlagerung mehrerer von unterschiedlichen weiteren Strahlquellen erzeugten Laserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen ausgebildet ist. In diesem Fall weist die Vorrichtung eine Mehrzahl von weiteren Strahlquellen auf, die zur Erzeugung der weiteren Laserstrahlen dienen, die in der weiteren ersten
Überlagerungseinrichtung zu dem weiteren überlagerten Laserstrahl spektral kombiniert werden.
Bei einer weiteren Weiterbildung weist die Vorrichtung genau eine Verstärkerkette auf. Aufgrund der Wellenlängenkopplung und ggf. der Polarisationskopplung, welche im Strahlweg vor dem bzw. vor den Festkörper-Verstärker(n) vorgenommen werden, ist die Eingangsleistung, die an dem Festkörper-Verstärker bereitgestellt wird, in der Regel bereits ausreichend groß, um eine ausreichende Sättigung des Festkörper- Verstärkers und somit eine hohe Effizienz zu erreichen. Insbesondere ist in diesem Fall typischer Weise ein einziger Festkörper- Verstärker, beispielsweise ein
Multipass-Scheibenlaser- Verstärker, ausreichend, um die Verstärkung vorzunehmen, d.h. es ist typischer Weise nicht erforderlich, zwei oder mehr Festkörper- Verstärker in Reihe zu schalten. Geht man beispielsweise von einer Oszillator-Leistung von 2 kW pro Strahlquelle (beispielsweise Faserlasern oder Scheibenlasern) aus, so beträgt die Laserleistung des überlagerten Laserstrahls bei z.B. fünf Strahlquellen ca. 10 kW, was durch die Polarisationsüberlagerung auf ca. 20 kW erhöht werden kann. An dem Festkörper- Verstärker steht somit eine Eingangsleistung von 20 kW zur Verfügung, welche von dem Festkö rper- Ve rstä rke r beispielsweise um einen Faktor 5 bis 10 verstärkt werden kann, so dass am Ausgang der Vorrichtung bzw. der
Verstärkerkette eine Ausgangsleistung von ca. 100 kW bis ca. 200 kW erreicht werden kann. Da die eingekoppelte Seedleistung aufgrund der
Wellenlängenkopplung ein kleines Strahlparameterprodukt (z.B. M2 < 10 oder ggf. M2 < 3) aufweist, kann bei dieser Weiterbildung ein grundmodiger Betrieb (d.h. M2 < 10 oder < 3) des bzw. der Festkörper-Verstärker erreicht werden. Der bzw. die
Festkörper- Verstärker können daher für einen Betrieb im Grundmode der
Laserstrahlung ausgelegt werden.
Der Festkörper- Verstärker kann beispielsweise als Multipass-Scheibenlaser- Verstärker ausgebildet sein. Der Festkörper- Verstärker kann insbesondere wie die Festkörper- Verstärker bei der weiter oben beschriebenen Ausführungsform
ausgebildet sein, bei welcher die erste Überlagerungseinrichtung keine spektrale Überlagerung vornimmt. Bei der hier beschriebenen Verwendung einer einzigen Verstärkerkette erfolgt insbesondere keine räumliche Überlagerung nach der letzten (bzw. einzigen) Verstärkerstufe, so dass die hier beschriebene Vorrichtung das Potenzial für eine besonders hohe Strahlqualität aufweist.
Die mindestens eine Strahlquelle kann als MOPA-Anordnung ausgebildet sein, d.h. einen so genannten Master Oszillator (Seed-Laser) aufweisen, der Seed-Pulse oder cw-Strahlung erzeugt und dem eine oder mehrere Verstärkerstufen (Power Amplifier) nachgeschaltet sind. Der Seed-Laser kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise als (z.B. modengekoppelter) Faserlaser, ein (z.B. direkt modulierter) Dioden-Laser oder ein (z.B. extern modulierter) cw-Laser. Der bzw. die dem Seed-Laser nachgeordneten Verstärker können auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Faser-Verstärker, als Scheibenlaser-Verstärker, etc. Bei den für die Strahlquellen verwendeten Komponenten handelt es sich grundsätzlich um kommerziell erhältliche Komponenten, welche die weiter oben beschriebene Leistung bzw. die weiter oben beschriebene Strahlqualität in Form des Strahlparameterprodukts bzw. der Beugungsmesszahl erzeugen. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei den Strahlquellen ggf. jeweils nur um einen (Master-)Oszillator handeln, wobei in diesem Fall der zugehörige Festkörper- Verstärker (Power amplifier) ausgebildet ist, den spektral überlagerten Laserstrahl mehrerer Strahlquellen zu verstärken.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die mindestens eine Strahlquelle mindestens einen Faserlaser und/oder mindestens einen Faserlaser-Verstärker auf. Bei einem Faserlaser ist das optisch aktive Medium eine aktive, typischer Weise dotierte Faser, in der eine Resonatorstrecke gebildet ist, die beispielsweise durch zwei so genannte Faser-Bragg-G itter oder auf andere Weise endseitig begrenzt wird. Dem Faserlaser bzw. der aktiven Faser kann endseitig Pumpstrahlung zugeführt werden, beispielsweise über eine oder mehrere Laser-Dioden, die Pumpstrahlung in die aktive Faser einkoppeln. Auch können eine oder mehrere Pumpfasern mit der aktiven Faser oder mit einer Faser, die einen aktiven Faserkern enthält, in Kontakt gebracht werden, um die Pumpstrahlung in die aktive Faser einzukoppeln. Ein Faserlaser- Verstärker weist ebenfalls eine aktive Faser auf, der neben der zu verstärkenden Laserstrahlung auch Pumpstrahlung zugeführt wird, in dem
Faserlaser- Verstärker ist aber keine Resonatorstrecke vorhanden.
Bei einer Ausführungsform weist mindestens eine Strahlquelle mindestens einen Scheibenlaser und/oder mindestens einen Scheibenlaser- Verstärker auf. Der
Scheibenlaser kann beispielsweise als Seed-Laser dienen. Bei einem Scheibenlaser, der in einer Strahlquelle eingesetzt wird, handelt es sich bei hoher Seedleistung (1 kW mittlere Leistung bei einer Repetitionsrate im Bereich von ca. 100 kHz) typischerweise um einen so genannten„cavity dumped" Scheibenlaser. Bei einem solchen Scheibenlaser läuft die Laserenergie im Resonator so lange um, bis sie über einen elektrooptischen oder akustooptischen Modulator ausgekoppelt wird. Dabei ist die Pulsdauer im Wesentlichen unabhängig von der Repetitionsrate. Die minimale Pulsdauer ist über die Resonatorlänge festgelegt und kann über die Auskoppeldauer und/oder den Auskoppelgrad verlängert werden. Alternativ sind auch andere
Pulsformungskonzepte für die Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls möglich. Auch können anstelle von Faserlasern (kleine Peakleistungen, Grundmode) oder Scheibenlasern Stablaser (kleine Ausgangsleistung), Slablaser oder Diodenlaser eingesetzt werden, je nachdem, welche Laserparameter am Ende der
Verstärkerkette erreicht werden sollen.
Die Erfindung betrifft auch eine EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung, umfassend: eine Vorrichtung wie weiter oben beschrieben zur Erzeugung eines Hochleistungs- Laserstrahls, eine Vakuum-Kammer, in der zur Erzeugung von EUV-Strahlung ein Target-Matertal in einem Zielbereich einbringbar ist, sowie eine
Strahlführungseinrichtung zur Führung des Hochleistungs-Laserstrahls von der Vorrichtung in Richtung auf den Zielbereich. Bei herkömmlichen EUV- Strahlungserzeugungsvorrichtungen werden typischer Weise Laserstrahlen verwendet, deren Wellenlänge im infraroten Wellenlängenbereich bei ca. 10,6 μηι (C02-Laserstrahlung) liegt, da diese mit hoher Laserleistung erzeugt werden kann. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung kann Hochleistungs-Laserstrahlung auch in anderen Wellenlängenbereichen, beispielsweise bei Wellenlängen um ca. 1 ,0 μητι, wie sie bei Scheibenlasern bzw. bei Faserlasern verwendet wird, für eine EUV- Strahlungserzeugungsvorrichtung nutzbar gemacht werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie- ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls, die vier Verstärkerketten mit jeweils drei in Reihe geschalteten Multipass- Scheibenlaser-Verstärkern aufweist,
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur
Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls, die eine einzige Verstärkerkette und einen einzigen Multipass-Scheibenlaser- Verstärker aufweist, sowie
Fig. 3 eine Darstellung einer EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung, welche eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls aufweist. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 , die zur Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls 15 mit einer Leistung p0 von mindestens 10 kW, im gezeigten Beispiel mit einer Leistung zwischen ca. 300 kW und 400 kW ausgelegt ist. Die Vorrichtung 1 umfasst vier Verstärkerketten 2, 2a-c, von denen in Fig. 1 eine erste Verstärkerkette 2 und eine vierte Verstärkerkette 2c im Detail dargestellt sind. Die vier Verstärkerketten 2, 2a-c sind im gezeigten Beispiel identisch aufgebaut. Eine jeweilige Verstärkerkette 2, 2a-2c weist ein Front End 3 auf, in dem bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel fünf Strahlquellen 4a-4e angeordnet sind. Die fünf Strahlquellen 4a-4e können identisch sein, d.h. vom gleichen Typ, es ist aber auch möglich, dass die Strahlquellen 4a-4e von unterschiedlichem Typ sind.
Bei einer Strahlquelle 4a oder ggf. bei allen Strahlquellen 4a-4e des Front Ends 3 kann es sich beispielsweise um Faserlaser handeln, die aus mehreren
Verstärkerstufen bestehen bzw. mehrere Verstärkerstufen aufweisen können. In Fig. 1 ist beispielhaft ein solcher Faserlaser- Verstärker 20" dargestellt. Als Seed-Laser der jeweiligen Strahlquelle 4a-4e im Front End 3 kann ein Oszillator (cw oder gepulst) oder eine Laserdiode (cw oder moduliert) dienen. Eine jeweilige Strahlquelle 4a-4e erzeugt einen Laserstrahl 5a-5e, bei dem es sich um einen cw- Laserstrahl oder um einen gepulsten Laserstrahl handeln kann. Zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls 5a-5e können aus einem cw-Laserstrahl in der jeweiligen Strahlquelle 4a-4e durch einen Modulator Pulse generiert und anschließend verstärkt werden. Als Strahlquellen 4a-4e können auch andere Laser, insbesondere Festkörper-Laser, beispielsweise Scheibenlaser, dienen, die ggf. eine oder mehrere Verstärker-Stufen aufweisen.
Mit einer einzelnen Strahlquelle 4a-4e des Front Ends 3 kann beispielsweise eine Leistung im Bereich von 200 W erreicht werden. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei den Laserstrahlen 5a-5e, die von den Strahlquellen 4a-4e erzeugt werden, um gepulste Laserstrahlen 5a-5e. Zur zeitlichen Synchrontsierung der gepulsten Laserstrahlen 5a-5e werden diese in einer jeweiligen Verzögerungsstrecke 6a-6e verzögert, bevor diese in einer ersten Überiagerungseinrichtung 7 zu einem einzelnen überlagerten Laserstrahl 8 räumlich überlagert werden. Die räumliche Überlagerung erfolgt im gezeigten Beispiel durch eine Anordnung der Laserstrahlen 5a-5e in einem Bündel und ggf. nachfolgender Homogenisierung, d.h. die
Strahlquerschnitte der Laserstrahlen 5a-5e werden zu einem überlagerten
Laserstrahl 8 mit einem gemeinsamen Strahlquerschnitt zusammengeführt, der eine Leistung von insgesamt ca. 1 kW bei einer Beugungsmaßzahl SV12 von ca. 3 bis ca. 20 aufweist. Die Strahlquellen 4a-4e einer jeweiligen Verstärkerkette 2, 2a-c erzeugen typischer Weise Laserstrahlen 5a-5e, die eine identische Wellenlänge aufweisen.
Der überlagerte Laserstrahl 8 wird zunächst in einem ersten Festkörper- Verstärker in Form eines ersten Multipass-Scheibenlaser-Verstärkers 9a und in einem im
Strahlweg unmittelbar nachfolgenden zweiten Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 9b verstärkt, Der erste und zweite Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b weisen jeweils eine einzige Laserscheibe 10a als laseraktives Medium auf. Der überlagerte Laserstrahl 8 wird in dem ersten Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 9a mit Hilfe von
Umlenkspiegeln 1 1 mehrmals zur ersten Laserscheibe 10a zurück reflektiert, so dass der überlagerte Laserstrahl 8 die Laserscheibe 10a bzw. das laseraktive Medium des ersten Multipass-Scheibenlaser- Verstärkers 9a entsprechend mehrmals. Der überlagerte Laserstrahl 8 durchläuft den zweiten Multipass-Scheibenlaser-Verstärker 9b ebenfalls mehrmals, mit angepasster, im gezeigen Beispiel kleinerer Zahl der Durchgänge Es versteht sich, dass in Fig. 1 zur Vereinfachung der Darstellung eine Anzahl von Durchgängen durch die Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b gezeigt ist, die typischer Weise kleiner ist als in der Realität und dass der Laserstrahl 8 einen Multipass-Scheibenlaser-Verstärker 9a, 9b in mehr als z.B. zehn, zwanzig oder dreißig Durchgängen durchlaufen kann.
Bei dem laseraktiven Medium der jeweiligen Laserscheibe 0a kann es sich beispielsweise um Yb:YAG oder um Nd:YAG handeln. Der überlagerte Laserstrahl 8 verläset den zweiten Scheibenlaser- Verstärker 9b um einen Faktor von typischer Weise zwischen ca. vier und fünf verstärkt, d.h. die Strahlungsleistung des
überlagerten Laserstrahls 8 am Austritt des zweiten Scheibenlaser- Verstärkers 9a liegt beispielsweise bei ca. 4 kW bis ca. 5 kW. Die Beugungsmaßzahl M2 des
Laserstrahls 8 nach der Verstärkung in dem ersten und zweiten Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b liegt nach wie vor zwischen ca. 10 und ca. 20.
Im gezeigten Beispiel weist die jeweilige Laserscheibe 0a des ersten und zweiten Scheibenlaser- Verstärkers 9a. 9b eine gekrümmte, im gezeigten Beispiel eine konkav gekrümmte Oberfläche 12a auf, die dem überlagerten Laserstrahl 8 zugewandt ist. Die gekrümmte reflektierende Oberfläche 12a der jeweiligen
Laserscheibe 10a kann ebenso wie eine ggf. an den jeweiligen Umlenkspiegeln 1 1 vorgesehene (nicht gezeigte) gekrümmte, beispielsweise konkav oder ggf. konvex gekrümmte reflektierende Oberfläche dazu dienen, die Dejustage-Empfindlichkeit des ersten Scheibenlaser- Verstärkers 9 zu verbessern. Alternativ kann die
reflektierende Oberfläche 12a, durch welche der Laserstrahl 8 in die Laserscheibe 10a eintritt und wieder austritt: eine beispielsweise konkave Krümmung aufweisen.
Im Strahlweg des überlagerten Laserstrahls 8 ist auf den ersten und zweiten
Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b folgend ein dritter Scheibenlaser- Verstärker 13 angeordnet, der im gezeigten Beispiel eine Anzahl von vier Laserscheiben 0a-10d aufweist. Auch der dritte Scheibenlaser- Verstärker 13 („Power amplifier") ist als Multipass-Scheibenlaser- Verstärker ausgebildet, d.h. der überlagerte Laserstrahl 8 wird an Umlenkspiegeln 1 1 umgelenkt und durchläuft eine jeweilige Laserscheibe 10a-10d mehrmals, im gezeigten Beispiel aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils zwei Mal. Wie bei dem ersten und zweiten Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b weisen auch bei dem dritten Scheibenlaser- Verstärker 13 die Laserscheiben 10a-10d jeweils eine gekrümmte Oberfläche 12a-12d auf, die im gezeigten Beispiel konkav gekrümmt ist. Auch bei dem dritten Scheibenlaser-Verstärker 13 können ggf. auch die
Umlenkspiegel 1 1 eine gekrümmte, beispielsweise eine konkav oder ggf. konvex gekrümmte reflektierende Oberfläche aufweisen.
Der dritte Scheibenlaser-Verstärker 13 weist in diesem Beispiel eine größere
Gesamt-Verstärkung als die Gesamt- Verstärkung des ersten und zweiten
Scheibenlaser- Verstärkers 9a, 9b auf. Der Verstärkungsfaktor des dritten
Scheibenlaser- Verstärkers 13 kann beispielsweise bei ca. zehn liegen, d.h. der überlagerte Laserstrahl 8 wird in dem dritten Scheibenlaser- Verstärker 13 auf eine Leistung von ca. 40 kW bis ca. 50 kW verstärkt. Auch die Verstärkung in dem dritten Scheibenlaser- Verstärker 13 kann so erfolgen, dass keine wesentliche
Verschlechterung der Strahlqualität des überlagerten Laserstrahls 8 erfolgt d.h.
dieser weist am Ausgang des zweiten Scheibenlaser- Verstärkers 13 eine
Beugungsmaßzahl M2 zwischen ca. 10 und ca. 20 auf. Die höhere extrahierte
Leistung des dritten Scheibenlaser- Verstärkers 13 gegenüber dem ersten und zweiten Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b wird durch die höhere Anzahl von vier Laserscheiben 10a-10d gegenüber der Anzahl von jeweils einer Laserscheibe 10a in dem ersten bzw. zweiten Scheibenlaser- Verstärker 9a, 9b realisiert.
Der hier beschriebene mehrstufige Verstärkeraufbau mit zwei Multipass- Scheibenlaser- Verstärkern 9a, 9b. 13 ist vorteilhaft, um im Idealzustand, d.h. im Sättigungszustand der jeweiligen Laserscheiben 10a-d zu arbeiten. Der erste
Scheibenlaser- Verstärker 9a kann mit einer kleineren Ausgangsleistung und mit einem kleineren Pumpfleck arbeiten als der zweite Scheibenlaser- Verstärker 9b, so dass in dem ersten Scheibenlaser- Verstärker 9a ein hoher Verstärkungsfaktor erreicht werden kann. Der zweite Scheibenlaser- Verstärker 9b und der dritte
Scheibenlaser- Verstärker 13 erhalten eine größere Eingangsleistung und können daher mit einem größeren Pumpfleck arbeiten, ohne dass die ASE-Schwelle überschritten wird. Durch den größeren Pumpfleck kann mehr Pummpstrahlung in die jeweiligen Laserscheiben 10a-10d des zweiten bzw. des dritten Multipass- Scheibenlaser- Verstärkers 9b, 13 eingebracht werden. Zwischen dem zweiten Scheibenlaser-Verstärker 9b und dem dritten Scheibenlaser- Verstärker 13 kann ein optischer Isolator 14 angeordnet werden, der im gezeigten Beispiel als Pockels-Zelle ausgebildet ist und der eine Rückreflexion von
Laserstrahlung von dem dritten Scheibenlaser- Verstärker 13 in den ersten und zweiten Scheibenlaser-Verstärker 9a, 9b und von dort in das Front End 3 bzw. in die dort vorhandenen Strahlquellen 4a-4e verhindert. Es versteht sich, dass optische Isolatoren ggf. auch zwischen den einzelnen Strahlquellen 4a-4e und der ersten Überlagerungseinrichtung 7 oder an anderen Stellen im Strahlengang des überlagerten Laserstrahls 8 angeordnet sein können, beispielsweise nach dem dritten Scheibenlaser-Verstärker 13.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 wird der überlagerte, verstärkte Laserstrahl 8, der am Ausgang des dritten S che ibenlaser- Verstärkers 13 und somit am Ausgang der ersten Verstärkerkette 2 vorliegt und der eine erste Wellenlänge λι aufweist, mit drei weiteren überlagerten Laserstrahlen 8a, 8b, 8c, die von den drei weiteren
Verstärkerketten 2a-2c erzeugt werden und die eine zweite bis vierte Wellenlänge A2 bis λ4 aufweisen können, mittels einer zweiten Überlagerungseinrichtung 16 in Form eines Beugungs-Gitters räumlich überlagert bzw. spektral kombiniert, so dass ein einziger Hochleistungs-Laserstrahl 17 mit den vier Wellenlängen λι bis λ4 gebildet wird. Die drei weiteren Verstärkerketten 2a-2c weisen Strahlquellen 4a-4e auf, die zur Erzeugung von Laserstrahlen 5a-5e ausgebildet sind, deren Wellenlängen λ2 bis λ4 sich von der Wellenlänge λι des überlagerten Laserstrahls 8 der ersten
Verst rkerkette 2 unterscheiden, was beispielsweise durch eine geeignete
Wellenlängenstabilisierung erreicht werden kann.
Die Vorrichtung 1 weist eine Polarisationsüberlagerungseinrichtung 18 zur Bildung eines Hochleistungs-Laserstrahls 15 mit zwei Polarisationszuständen auf, die im gezeigten Beispiel als Polarisator ausgebildet ist und eine hohe Reflektivität für eine erste Polarisationsrichtung (z.B. s-Polarisation) und eine hohe Transmission für eine zweite Polarisationsrichtung (z.B. p-Polarisation) aufweist. Der von der zweiten Überlagerungseinrichtung 16 gebildete Hochleistungs-Laserstrahf 17 ist linear polarisiert und weist einen elektrischen Feld stärke vektor auf, der senkrecht zur Einfallsebene auf den die Polarisationsüberlagerungseinrichtung 18 bildenden Polarisator ausgerichtet ist (s-Polarisation). Ein weiterer Hochleistungs-Laserstrahl 17a, der von einer weiteren zweiten Überlagerungseinrichtung 16a gebildet wird, weist einen elektrischen Feldstärkevektor auf, der parallel zur Einfallsebene auf den die Polarisationsüberlagerungseinrichtung 18 bildenden Polarisator ausgerichtet ist (p-Polarisation). Die weitere zweite Überlagerungseinrichtung 16a ist wie die zweite Überlagerungseinrichtung 16 ausgebildet und dient der spektralen Überlagerung von vier weiteren (nicht gezeigten) überlagerten Laserstrahlen, die von vier weiteren (nicht gezeigten) Verstärkerketten erzeugt werden, die wie die in Fig. 1 gezeigten vier Verstärkerketten 2, 2a-c aufgebaut sind. Bei der beispielhaft in Fig. 1 gezeigten spektralen Kopplung von vier überlagerten Laserstrahlen 8, 8a-c in Kombination mit der Überlagerung der beiden
Polarisationsrichtungen s, p kann ein Hochleistungs-Laserstrahl 15 gebildet werden, der eine Leistung von z.B. zwischen ca. 300 kW und 400 kW bei einer Strahlqualität bzw. bei einer Beugungsmaßzahl M2 zwischen ca. 10 und ca. 20 aufweist. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 hat zudem den Vorteil, dass sie eine hohe Redundanz aufweist: Auch für den Fall, dass eine komplette Verstärkerkette 2, 2a-c bzw. eine komplette weitere Verstärkerkette ausfällt, reduziert sich die Leistung des
Hochleistungs-Laserstrahls 15 nur um 1 /8, was ggf. durch eine Erhöhung der
Verstärkung der anderen Verstärkerketten kompensiert werden kann.
Zur zeitlichen Synchronisation der einzelnen Verstärkerketten 2, 2a-c bzw. der von diesen erzeugten Pulse kann eine in Fig. 1 gezeigten Synchronisationseinrichtung 6 dienen, welche elektronisch, d.h. in Form einer Steuerung, auf die jeweiligen
Strahlquellen 4a-4e einwirkt. Es ist zusätzlich oder ggf. alternativ auch möglich, in den Verstärkerketten 2, 2a-c eine optische Verzögerungsstrecke vorzusehen, die im Strahlengang des überlagerten Laserstrahls 8, 8b-c angeordnet ist, beispielsweise am Ausgang einer jeweiligen Verstärkerkette 2, 2a-c vor dem Übergang zur zweiten Überlagerungseinrichtung 16, um eine zeitliche Isolation von Rückreflexionen zu bewirken.
Es versteht sich, dass der in Fig. 1 gezeigte Aufbau der Verstärkerketten 2, 2a-c lediglich beispielhaft zu verstehen ist und sowohl die Anzahl der Scheibenlaser- Verstärker der jeweiligen Verstärkerkette 2, 2a-c sowie die Anzahl der Laserscheiben eines jeweiligen Scheibenlaser- Verstärkers von dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau abweichen können. Beispielsweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für eine Gesamtlaserleistung von ca. 40-50 kW und einer Beugungsmaßzahl M2 zwischen ca. 10 und 20 einen Multipass-Verstärker mit mehreren Scheiben einzusetzen, deren mittlere extrahierte Leistung pro Scheibe z.B. > 4 kW beträgt. Es ist dabei zu beachten, dass die Anzahl der Scheibendurchgänge (unter der Randbedingung ausreichender Gewinnsättigung für effizienten Betrieb) so gering wie möglich gehalten werden soll, damit der Multipass-Scheibenlaser- Verstärker kompakt gehalten werden kann und die Anzahl der Komponenten, welche Verluste erzeugen können, so gering wie möglich ist.
Alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau der Verstärkerketten 2, 2a-c kann an Stelle des ersten und zweiten Scheibenlaser- Verstärkers 9a, 9b ein einzelner
Scheibenlaser-Verstärker mit zwei Laserscheiben 10a, 10b und beispielsweise zweiunddreißig Übergängen bzw. Durchgängen pro Laserscheibe 10a, 10b realisiert werden. Auf diesen Scheibenlaser- Verstärker kann im Strahlweg ein zweiter
Scheibenlaser-Verstärker 13 mit vier Laserscheiben 10a-d und sechzehn
Übergängen bzw. Durchgängen pro Laserscheibe 10a-d folgen.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 , die ebenfalls einen
Hochleistungs-Laserstrahl 15 mit einer Leistung p0 von mehr als 10 kW, genauer gesagt mit ca. 100 kW, erzeugt. Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 1 unterscheidet sich von der Vorrichtung 1 von Fig. 1 zunächst dadurch, dass diese lediglich eine einzige Verstärkerkette 2 aufweist. Zudem ist die erste Überlagerungseinrichtung 7 der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung 1 zur räumlichen Überlagerung durch spektrale Kombination von Laserstrahlen 5a-5e ausgebildet, die fünf unterschiedliche
Wellenlängen λι , ... , λ5 aufweisen. Im gezeigten Beispiel liegt die erste Wellenlänge beispielsweise λι bei 1029 nm, die zweite Wellenlänge λ2 bei 029,5 nm, die dritte Wellenlänge λ3 bei 1030,0 nm, die vierte Wellenlänge λ4 bei 1030,5 nm und die fünfte Wellenlänge λ5 bei 1031 ,0 nm, d.h. die fünf Wellenlängen λι, ... , λ5 weisen einen spektralen Abstand von jeweils 0,5 nm zueinander auf.
Die Strahlquellen 4a-4e weisen im gezeigten Beispiel jeweils einen
wellenlängenstabilisierten Scheibenlaser 20 (Oszillator) auf, d.h. einen
Scheibenlaser, in dem außerhalb oder innerhalb eines Resonatorabschnitts typischer Weise ein Beugungs-Gitter angeordnet ist, um ein Feedback-Signa! mit der von der jeweiligen Strahlquelle 4a-4e stabilisierten Wellenlänge λ-ι , ... , λ5 zu erzeugen. Die Strahlquellen 4a-4e können auch einen oder mehrere Scheibenlaser-Verstärker 20a aufweisen. Die erste Überlagerungseinrichtung 7, bei der es sich im gezeigten Beispiel ebenfalls um ein Beugungs-Gitter handelt, überlagert die von den fünf Strahlquellen 4a-4e erzeugten Laserstrahlen 5a-5e und erzeugt durch spektrale Kombination einen überlagerten Laserstrahl 8 mit fünf Wellenlängen λ-ι, ... , λ5.
Fünf in Fig. 2 unten dargestellte weitere Strahlquellen 4a'-4e' erzeugen fünf weitere Laserstrahlen 5a'-5e' mit fünf Wellenlängen λ-ι , ... , λ5, die mit den Wellenlängen λ-ι , ... , λ5 der fünf Laserstrahlen 5a-5e übereinstimmen, die von den in Fig. 2 oben dargestellten Strahlquellen 4a-4e erzeugt werden. Im gezeigten Beispiel weisen die fünf weiteren Strahlquellen 4a'-4e' jeweils einen wellenlängenstabilisierten
Faserlaser 20' auf, es versteht sich aber, dass die fünf weiteren Strahlquellen 4a'-4e' alternativ jeweils einen Scheibenlaser 20 aufweisen können, wie dies bei den fünf in Fig. 2 oben dargestellten Strahlquellen 4a-4e der Fall ist. Es versteht sich, dass sowohl die Strahlquellen 4a-4e als auch die weiteren Strahlquellen 4a'-4e' jeweils einen wellenlängenstabilisierten Faserlaser 20' oder ggf. einen Laser von einem anderen Typ aufweisen können, der eine ausreichend große Strahlungsleistung erzeugen kann, beispielsweise Stablaser, Slablaser oder Diodenlaser.
Die von den weiteren Strahlquellen 4a'-4e' erzeugten weiteren Laserstrahlen 5a'-5e' werden in einer weiteren ersten Überlagerungseinrichtung 7a, die wie die erste Überlagerungseinrichtung 7 als Beugungs-Gitter ausgebildet ist, spektral kombiniert bzw. räumlich überlagert und bilden einen weiteren überlagerten Laserstrahl 8a. Der überlagerte Laserstrahl 8, der von der ersten Überlagerungseinrichtung 7 gebildet wird und der weitere überlagerte Laserstrahl 8a, der von der weiteren
Überlagerungseinrichtung 7a gebildet wird, werden in einer
Polarisationsüberlagerungseinrichtung 18 zu einem Hochleistungs-Laserstrahl 15 überlagert. Die beiden überlagerten Laserstrahlen 8, 8a treffen wie in Fig. 2 mit zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen s, p auf einen Polarisator, welcher die Polarisationsüberlagerungseinrichtung 18 bildet, d.h. den überlagerten Laserstrahl 8 transmittiert und den weiteren überlagerten Laserstrahl 8a reflektiert, so dass diese gemeinsam den Hochleistungs-Laserstrahl 15 bilden. Eine jeweilige Strahlquelle 4a-4e der Vorrichtung 1 bzw. eine jeweilige weitere Strahlquelle 4a'-4e' der Vorrichtung 1 sind zur Erzeugung eines Laserstrahls 5a-5e bzw. eines weiteren Laserstrahls 5a'-5e' mit einer Leistung von jeweils ca. 2 kW ausgebildet (Beugungsmaßzahl M2 ca. 1 ,5). Durch die Überlagerung der fünf Laserstrahlen 5a-5e und der fünf weiteren Laserstrahlen 5a'-5e' wird ein
Hochleistungs-Laserstrahl 15 erzeugt, der bei im Wesentlichen unveränderter Beugungsmaßzahl M2 eine Strahlungsleistung von ca. 20 kW aufweist. Der
Hochleistungs-Laserstrahl 15 wird in einem Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 13 verstärkt, der wie der dritte Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 13 des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ausgebildet ist und vier Laserscheiben 10a-10d aufweist.
Aufgrund der hohen Eingangsleistung von mehr als ca. 15-20 kW kann der
Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 13 in der Sättigung betrieben werden, so dass eine hohe Effizienz der Verstärkung erreicht werden kann. Aus diesem Grund verstärkt der Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 13 den Hochleistungs-Laserstrahl 8 um einen Faktor Fünf bis Zehn, so dass der die Vorrichtung 1 verlassende
Hochleistungs-Laserstrahl 15 eine Leistung von ca. 100 kW bis ca. 200 kW erreicht. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die spektrale Kombination vor der Verstärkung in dem Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 13 vorgenommen, so dass der Multipass-Scheibenlaser- Verstärker 13 einen Master-Oszillator für die Strahlquellen 4a -4e bzw. für die weiteren Strahlquellen 4a'-4e' bildet. Die
Veränderung der Strahlqualität bzw. der Beugungsmaßzahl M2 durch den Multipass- Scheibenlaser- Verstärker 13 hängt von der Ausgangsleistung des Hochleistungs- Laserstrahls 15 ab: Bis z.B. ca. 20 kW, ggf. bis ca. 50 kW kann Grundmodestrahlung erzeugt werden, d.h. die Beugungsmaßzahl M2 liegt bei ca. M2 < 2 oder M2 < 3.
Sowohl die in Fig. 1 als auch die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 1 kann zur Erzeugung eines gepulsten Hochleistungs-Laserstrahls 15 oder zur Erzeugung eines cw-
Hochleistungs-Laserstrahls 15 dienen, je nachdem, ob die Strahlquellen 4a-4e bzw. die weiteren Strahlquellen 4a'-4e' zur Erzeugung von gepulsten bzw. von cw- Laserstrahlen 5a-5e, 5a'-5el ausgebildet sind. Gegebenenfalls kann in den jeweiligen Strahlquellen 4a-4e bzw. in den weiteren Strahlquellen 4a'-4e' zunächst cw- Laserstrahlung erzeugt werden, die nachfolgend durch einen geeigneten Modulator, z.B. eine Pockels-Zelle, in gepulste Laserstrahlung umgewandelt wird.
Eine Vorrichtung 1 , welche zur Erzeugung eines gepulsten Hochleistungs- Laserstrahls 15 ausgebildet ist, kann in einer EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung 21 verwendet werden, die nachfolgend anhand von Fig. 3 näher beschrieben wird. Die EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung 1 weist eine Treiberlasereinrichtung in Form der Vorrichtung 21 von Fig. 1 oder von Fig. 2, eine Strahlführungseinrichtung 23 (Strahlführungs-Kammer) sowie eine Vakuum-Kammer 24 auf. In einer in der Vakuum-Kammer 24 gebildeten Vakuum-Umgebung ist eine Fokussiereinrichtung in Form einer Fokussierlinse 26 angeordnet, um den Hochleistungs-Laserstrahl 15 in einem Zielbereich B zu fokussieren. Die in Fig. 3 gezeigte EUV- Strahlungserzeugungsvorrichtung 21 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau, wie er in der US 2011/0140008 A1 beschrieben ist, die durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird. Auf die Darstellung von Messeinrichtungen zur Überwachung des Strahlengangs des Hochleistungs-Laserstrahls 15 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Von der Vorrichtung 1 wird der Hochleistungs-Laserstrahl 15 über eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 27 bis 31 der Strahlführungs-Kammer 23 sowie einen weiteren Umlenkspiegel 32 in der Vakuum-Kammer 24 auf die Fokussierlinse 26 umgelenkt, welche den Hochleistungs-Laserstrahl 15 in dem Zielbereich B fokussiert, an dem Zinn als Target-Material 33 angeordnet ist. Das Target-Material 33 wird von dem fokussierten Hochleistungs-Laserstrahl 15 getroffen und hierbei in einen Plasma-Zustand übergeführt, der zur Erzeugung von EUV-Strahlung 34 dient. Das Target-Material 33 wird dem Zielbereich B mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Bereitstellungseinrichtung zugeführt, welche das Target- Material 33 entlang eines vorgegebenen Pfades führt, der den Zielbereich B kreuzt. Für Details der Bereitstellung des Ziel-Materials sei ebenfalls auf die US
201 1/0140008 A1 verwiesen.
In einem Strahlführungs-Raum der Strahlführungs-Kammer 23 ist eine Einrichtung 35 zur Vergrößerung des Strahldurchmessers des Hochleistungs-Laserstrahls 15 angeordnet. Die Einrichtung 35 weist einen ersten Spiegel 36 und einen zweiten Spiegel 37 auf. Der auf den ersten Spiegel 36 kollimiert einfallende Hochleistungs- Laserstrahl 15 wird von einer konvex gekrümmten Oberfläche des ersten Spiegels 36 als divergenter Hochleistungs-Laserstrahl 15 reflektiert und trifft auf den zweiten Spiegel 37, der eine zweite, konkav gekrümmte reflektierende Oberfläche aufweist, an welcher der Hochleistungs-Laserstrahl 15 reflektiert wird und die Einrichtung 35 als kollimierter Hochleistungs-Laserstrahl 15 mit vergrößertem Strahidurchmesser verlässt. Im gezeigten Beispiel sind der erste Spiegel 36 und der zweite Spiegel 37 als Off-Axis Parabolspiegel ausgebildet, d.h. die beiden reflektierenden Oberflächen der Spiegel 36, 37 bilden jeweils ein Off-Axis Segment eines (elliptischen)
Paraboloids. Der Begriff„Off-Axis" bedeutet, dass die reflektierenden Oberflächen nicht die Rotationsachse des Paraboloids (und damit auch nicht den Scheitelpunkt des Paraboloids) enthalten. Der erste Spiegel 36 und der zweite Spiegel 37 können auch eine andere Geometrie aufweisen, z.B. sphärisch gekrümmt sein. Alternativ kann der erste Spiegel 36 eine konkav gekrümmte Oberfläche und der zweite Spiegel 37 eine konvex gekrümmte Oberfläche aufweisen.
Bei der in Fig. 3 gezeigten EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung 21 wird ein Hochleistungs-Laserstrahl 15 zur Erzeugung der EUV-Strahlung 34 genutzt, dessen Wellenlänge anders als bei herkömmlichen EUV-
Strahlungserzeugungsvorrichtungen nicht im infraroten Wellenlängenbereich um ca. 10,6 prn liegt, sondern bei geringeren Wellenlängen, beispielsweise in einem
Wellenlängenbereich um ca. 1 pm (s.o.). Dies ist möglich, da die Vorrichtung 1 einen Hochleistungs-Laserstrahl 15 mit einer ausreichend großen Leistung von in den gezeigten Beispielen jeweils mehr als ca. 100 kW erzeugt, der eine Strahlqualität bzw. eine Beugungsmaßzahl M2 aufweist, die für die vorliegende Anwendung ausreichend gering ist und z.B. bei weniger als ca. 20 bis 30 liegt. Es versteht sich, dass die weiter oben beschriebene Vorrichtung 1 auch bei anderen optischen Systemen vorteilhaft eingesetzt werden kann, bei denen ein Hochleistungs- Laserstrahl 15 mit einer hohen Strahlungsleistung und einer guten Strahlqualität benötigt wird, beispielsweise beim Laserschweißen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls (15) mit einer Leistung (p0) von mindestens 10 kW, umfassend:
mindestens eine Verstärkerkette (2, 2a-c), die Verstärkerkette (2, 2a-c) umfassend:
eine Mehrzahl von Strahlquellen (4a-4e) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Laserstrahlen (5a-5e),
eine erste Überlagerungseinrichtung (7) zur Bildung eines überlagerten
Laserstrahls (8) durch räumliche Überlagerung der Mehrzahl von Laserstrahlen (5a-4e), sowie
mindestens einen Festkörper- Verstärker (9, 13) zur Verstärkung des überlagerten Laserstrahls (8) für die Erzeugung des Hochleistungs-Laserstrahls (15).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , weiter umfassend: mindestens eine zweite
Überlagerungseinrichtung (16) zur Bildung eines Hochleistungs-Laserstrahls (17) mit mehreren Wellenlängen (λ-ι, λ2, λ3, λ4) durch räumliche Überlagerung mehrerer von unterschiedlichen Verstärkerketten (2, 2a-c) erzeugten
Hochleistungs-Laserstrahlen (8, 8a-c), die jeweils unterschiedliche Wellenlängen (λι , λ2, λ3, λ4) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend:
eine Polahsationsüberlagerungseinrichtung (18) zur Bildung eines Hochleistungs- Laserstrahls (15) mit zwei Polarisationszuständen (s, p) durch
Polarisationsüberlagerung von zwei von der zweiten Überlagerungseinrichtung (18) und von einer weiteren zweiten Überlagerungseinrichtung (18a) erzeugten Hochleistungs-Laserstrahlen (17, 17a) mit unterschiedlichen
Polarisationszuständen (s, p).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens eine Verstärkerkette (2, 2a-c), bevorzugt alle Verstärkerketten (2, 2a-c), mindestens zwei Festkörper-Verstärker (9a, 9b, 13) aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher im Strahlweg zwischen oder nach den Fest kö rpe r- Ve rstä rke rn (9a, 9b, 13) ein optischer Isolator (14) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher mindestens ein, bevorzugt mindestens zwei Festkörper- Verstärker als Multipass-Scheibenlaser- Verstärker (9a, 9b, 13) ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher mindestens ein erster und ein zweiter Multipass-Scheibenlaser- Verstärker (9a, 9b) jeweils genau eine Laserscheibe (10a) aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher mindestens ein Multipass- Scheibenlaser-Verstärker (9a) eine größere Anzahl von Mehrfachdurchgängen aufweist als ein im Strahlweg nachfolgender Multipass-Scheibenlaser-Verstärker
(9b).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welcher mindestens ein
Multipass-Scheibenlaser- Verstärker (9a, 9b, 13) mindestens eine Laserscheibe (10a-10d) mit einer gekrümmten Oberfläche (12a-12d) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine der Verstärkerketten (2) mindestens eine Synchronisationseinrichtung (6) aufweist. . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 10, bei weicher bei mindestens einer Verstärkerkette (2) die erste
Überlagerungseinrichtung (7) zur Bildung eines überlagerten Laserstrahls (8) mit mehreren Wellenlängen (λ-ι , ... , λ5) durch räumliche Überlagerung mehrerer von unterschiedlichen Strahlquellen (4a-4e) erzeugten Laserstrahlen (5a-5e) mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen (λι, ... , λ5) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , weiter umfassend:
eine Polarisationsüberlagerungseinrichtung (18) zur Bildung eines überlagerten Laserstrahls (15) mit zwei Polarisationszuständen (s, p) durch
Polarisationsüberlagerung des von der ersten Überlagerungseinrichtung (7) erzeugten überlagerten Laserstrahls (8) mit einem weiteren, von einer weiteren ersten Überlagerungseinrichtung (7a) erzeugten überlagerten Laserstrahl (8a).
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, welche genau eine Verstärkerkette (2) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Strahlquelle (4a-4e) mindestens einen Faserlaser (20') und/oder mindestens einen Faserlaser-Verstärker (20") aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Strahlquelle (4a-4e) mindestens einen Scheibenlaser (20) und/oder mindestens einen Scheibenlaser- Verstärker (20a) aufweist.
16. EUV-Strahlungserzeugungsvorrichtung (21 ), umfassend:
eine Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung eines Hochleistungs-Laserstrahls (15),
eine Vakuum-Kammer (24), in der zur Erzeugung von EUV-Strahlung (34) ein Target-Material (33) in einem Zielbereich (B) einbringbar ist, sowie
eine Strahlführungseinrichtung (23) zur Führung des Hochleistungs-Laserstrahls (15) von der Vorrichtung (1 ) in Richtung auf den Zielbereich (B).
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