棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于：該擴(kuò)束系統(tǒng)由2個以上結(jié)構(gòu)相同的直角棱鏡構(gòu)成，入射光束從所述的直角棱鏡的斜面入射，稱為入射斜面，出射光束垂直于同一直角棱鏡的直角面，稱為出射直角面，所有直角棱鏡的頂角α相同且滿足下列公式：，式中，n1、n2分別為激光在入射介質(zhì)和直角棱鏡中的折射率。本發(fā)明可以實現(xiàn)任意的擴(kuò)束倍數(shù)，而不受直角棱鏡原材料大小的限制。具有耗材少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。相同規(guī)格的直角棱鏡利于批量化生產(chǎn)，可以顯著減少加工的周期和成本。
【專利說明】棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及平行光的擴(kuò)束，特別是一種棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)。主要用于平行光的擴(kuò)束，如 準(zhǔn)分子激光器或染料激光器的線寬壓窄模塊中。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可W使激光達(dá)到任意的 擴(kuò)束倍數(shù)，而不受直角棱鏡原材料大小的限制。另外還具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。

【背景技術(shù)】
[0002] 光刻用的窄線寬準(zhǔn)分子激光器一般使用棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)與中階梯光柵組合進(jìn)行線 寬壓窄。棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)對激光水平方向的擴(kuò)束。由于光刻機(jī)的線寬與擴(kuò)束倍 數(shù)成反比關(guān)系，因此為了得到窄的線寬，技術(shù)人員通過多個棱鏡組合的方式追求盡量大的 擴(kuò)束倍數(shù)。在先技術(shù)中扣S5978409，CN101581866B等]一般都使用S個或者四個棱鏡實現(xiàn) 20?30倍的擴(kuò)束倍數(shù)。該些棱鏡的尺寸隨光的擴(kuò)束傳輸依次增大，擴(kuò)束系統(tǒng)末端的大棱 鏡尺寸一般都在100mm W上。本【技術(shù)領(lǐng)域】中，棱鏡的材料一般選用紫外高透的融石英或者 氣化巧光學(xué)材料制成，但是大尺寸的光學(xué)材料制造困難，產(chǎn)量有限，因此價格非常昂貴。另 夕F，在先技術(shù)中使用多個不同規(guī)格的直角棱鏡，拋光時須設(shè)計不同的加工夾具，加工周期和 成本都比較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)。該棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)可W使用低成本、小 尺寸直角棱鏡組合獲得高擴(kuò)束倍數(shù)，克服在先技術(shù)依賴大尺寸棱鏡，價格高昂的不足。本 發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)主要用于平行光的擴(kuò)束，如準(zhǔn)分子激光器或染料激光器的線寬壓窄模塊 中。特點(diǎn)是可W使激光達(dá)到任意的擴(kuò)束倍數(shù)，而不受棱鏡原材料大小的限制。另外還具有 耗材少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。相同規(guī)格的直角棱鏡利于批量化生產(chǎn)，可W顯著減少加工的周期和 成本。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下；
[0005] 一種棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于；該擴(kuò)束系統(tǒng)由2個W上結(jié)構(gòu)相同的直角棱鏡構(gòu) 成，入射光束從所述的直角棱鏡的斜面入射，稱為入射斜面，出射光束垂直于同一直角棱鏡 的直角面，稱為出射直角面，所有直角棱鏡的頂角a相同且滿足下列公式；
[0006] a = arcsin(-xsin(91) n2
[0007] 式中，nl、n2分別為激光在入射介質(zhì)和直角棱鏡中的折射率。
[000引所述的直角棱鏡分組，每個分組的直角棱鏡的斜面首尾相連成直線排列。
[0009] 所述直角棱鏡的入射斜面和出射直角面拋光，而另一個直角面不拋光。
[0010] 所述直角棱鏡的入射斜面和出射直角面鍛有入射激光波長的增透膜。
[0011] 所述直角棱鏡對激光的透過率大于50%。
[0012] 所述的直角棱鏡由直角棱鏡切割成的直角梯形棱鏡替代。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0014] 本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)。主要用在準(zhǔn)分子激光器或染料激光器的線寬壓窄模塊中。 本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)是，通過增加直角棱鏡的數(shù)量可W使激光達(dá)到任意的擴(kuò)束倍數(shù)，而不受 棱鏡原材料大小的限制。另外還具有耗材少、成本低的優(yōu)點(diǎn)。相同規(guī)格的直角棱鏡利于批 量化生產(chǎn)，可W顯著減少加工的周期和成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)實施例1的示意圖
[0016] 圖2為本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)實施例2示意圖
[0017] 圖3為本發(fā)明實施例3直角梯形棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)示意圖 [001引 圖中；
[0019] rl-入射光束；r2-出射光束；il-直角棱鏡的斜面；12、i3-直角棱鏡的直角 面；P1-第一分組；P2-第二分組；P3-第S分組；P4-第四分組；E1-第一直角梯形棱鏡； E2-第二直角梯形棱鏡

【具體實施方式】
[0020] 首先闡述本發(fā)明中所用直角棱鏡的設(shè)計方法，主要說明棱鏡頂角的確定方法。要 光束垂直于棱鏡的直角面出射，則該直角棱鏡的頂角可W通過光束入射角計算得知。請參 閱圖1，圖1為本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)實施例1的示意圖。
[0021] 根據(jù)光折射定律：
[002引 nlXsine 1 = n2Xsin日2 (1)其中，0 1、0 2分別為入射角和折射角，nl、n2為 常數(shù)，分別表示空氣和棱鏡對激光的折射率。
[0023] 而對于垂直出射的情況，折射角與棱鏡的頂角a相同。
[0024] 0 2 =曰 似
[0025] 所W棱鏡的頂角由下式計算：
[0026] a = arcsin(-xsin6^1) (3) ?2
[0027] 單個直角棱鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為；
[0028] = ^ (4) COS 0\ cos 餅
[0029] 接下來說明本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)的工作原理。
[0030] 圖1為本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)實施例1的示意圖，由4個相同規(guī)格的直角棱鏡組成。 所有棱鏡的斜面首尾相連，沿X方向排列成直線。入射光束rl從直角棱鏡的斜面il入射， 出射光束r2垂直于直角面12。所有直角棱鏡的頂角a相同，入射角0 1相同，折射角0 2 相同。
[0031] 實例中直角棱鏡選用紫外融石英材料（n2 = 1. 56, nl = 1. 00)，入射角0 1為72 度時，根據(jù)（3)、（4)式可得頂角a為37. 56度，可W達(dá)到2. 565的擴(kuò)束倍數(shù)。直角棱鏡的 規(guī)格為
[003引 A = 50. 00mm，B = 39. 64mm，C = 30. 48mm，H = 30mm 妨其中 A、B、C 分別為直 角棱鏡的斜邊和兩個直角邊長，H為直角棱鏡厚度。
[0033] 由圖1中可W看到，本棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)可W實現(xiàn)對光束的擴(kuò)束。
[0034] 下面說明本發(fā)明公開的方案相對于在先技術(shù)降低成本的原因。
[0035] 本實例中用到4個結(jié)構(gòu)完全相同的直角棱鏡。每個直角棱鏡的體積為Vi，則棱鏡 擴(kuò)束系統(tǒng)共需紫外融石英的凈體積為：
[0036] F幻= (K)x4 = (竺皆每 x//)x4 ^白）
[0037] 在先技術(shù)（如US5978409等）中，可W使用一塊大的直角棱鏡實現(xiàn)與本實例中相 同的擴(kuò)束倍數(shù)。但是所需紫外融石英的凈體積為：
[003引 巧=(4x")x(4xC)x^ (7) 2
[0039] 二者的體積比巧=瓷^ = 1/4 (8) VO
[0040] 也就是說，在達(dá)到相同的擴(kuò)束倍數(shù)的前提下，本發(fā)明中公開的技術(shù)方案耗用的材 料只有在先技術(shù)的1/4。大大節(jié)省了擴(kuò)束器的材料成本。對于擴(kuò)束倍數(shù)越大，本發(fā)明中技術(shù) 方案的成本優(yōu)勢越明顯。另外，對于在先技術(shù)中使用不同規(guī)格的直角棱鏡，必然會設(shè)及到不 同的加工夾具。本例中多個相同規(guī)格的小尺寸直角棱鏡組合使用，可W顯著降低加工的周 期和成本。
[0041] 下面說明利用本發(fā)明棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)實現(xiàn)43倍W上激光擴(kuò)束。本發(fā)明實施例2,如 圖2所示。
[0042] 圖2中用了 7個完全相同的直角棱鏡實現(xiàn)激光擴(kuò)束，所有直角棱鏡的頂角、S邊尺 寸、高度等規(guī)格均與（5)式中的尺寸相同。其中分為4個分組。第一分組P1包括一個直角 棱鏡，第二分組P2包括一個直角棱鏡，第S分組P3包括兩個直角棱鏡，第四分組P4包括S 個直角棱鏡。
[0043] 四個分組的入射角度都相同，均為72度。如前所述，單個直角棱鏡實現(xiàn)的擴(kuò)束倍 數(shù)為Mi = 2. 565倍，則四個分組總的擴(kuò)束倍數(shù)為M = (Mi) 4= (2. 565) 4= 43. 29倍。
[0044] 如果需要設(shè)計更大倍數(shù)的擴(kuò)束系統(tǒng)，只需要按本發(fā)明中的技術(shù)方案增加分組中直 角棱鏡的個數(shù)。擴(kuò)束系統(tǒng)后端的子系統(tǒng)不受限于棱鏡材料的尺寸。要實現(xiàn)任意倍數(shù)的擴(kuò)束 倍數(shù)，只需在本發(fā)明的技術(shù)方案基礎(chǔ)上，入射光束或出射光束處添加既定口徑的光闊即可 實現(xiàn)，在此不再寶述。
[0045] 基于本發(fā)明的技術(shù)方案和直角棱鏡設(shè)計方法，加W改進(jìn)，可W設(shè)計出外觀不局限 于直角棱鏡的光學(xué)擴(kuò)束系統(tǒng)，也應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。下面舉例說明。
[0046] 本發(fā)明實施例3,圖3中使用4個結(jié)構(gòu)相同的直角梯形棱鏡實現(xiàn)光學(xué)擴(kuò)束。該直角 梯形棱鏡由圖1中說明的直角棱鏡沿出射光束r2方向截掉頂角加工而成。所有直角梯形 鏡的斜面首尾相連，沿同一方向排列。其優(yōu)點(diǎn)是可W把相鄰的直角梯形鏡的相鄰面，如圖3 中第一直角梯形鏡E1的底面和第二直角梯形鏡E2的頂面，用膠水粘連，使擴(kuò)束系統(tǒng)具有更 好的穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1. 一種棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于：該擴(kuò)束系統(tǒng)由2個以上結(jié)構(gòu)相同的直角棱鏡構(gòu)成， 入射光束（rl)從所述的直角棱鏡的斜面（il)入射，稱為入射斜面，出射光束（r2)垂直于 同一直角棱鏡的直角面（i2)，稱為出射直角面，所有直角棱鏡的頂角a相同且滿足下列公 式：
式中，nl、n2分別為激光在入射介質(zhì)和直角棱鏡中的折射率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述的直角棱鏡分組，每個分組 的直角棱鏡的斜面首尾相連成直線排列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述的直角棱鏡的入射斜面和出 射直角面拋光，而另一個直角面不拋光。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述直角棱鏡的入射斜面和出射 直角面鍍有入射激光波長的增透膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述直角棱鏡對激光的透過率大 于 50%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的棱鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于所述的直角棱鏡由直 角棱鏡切割成的直角梯形棱鏡替代。
【文檔編號】G02B27/09GK104503090SQ201410806115
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月19日
【發(fā)明者】袁志軍, 張海波, 周軍, 耿立明, 姜麗媛, 魏運(yùn)榮 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所