自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，包括激光放電腔、激光輸出模塊、線(xiàn)寬壓窄模塊和寬帶反饋模塊，所述激光放電腔內(nèi)包含有工作氣體，該工作氣體在激勵(lì)源作用下能產(chǎn)生激光，輸出激光模式為放電腔中模式競(jìng)爭(zhēng)取勝的激光模式。其中所述激光放電腔、激光輸出模塊和線(xiàn)寬壓窄模塊構(gòu)成窄帶諧振腔，用于對(duì)所述工作氣體產(chǎn)生的激光進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄；所述激光放電腔、激光輸出模塊和寬帶反饋模塊構(gòu)成一個(gè)寬帶諧振腔，用于對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)勝出后的窄帶諧振腔模式進(jìn)行諧振放大輸出。本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分子激光器窄線(xiàn)寬的輸出，而且可以提高輸出激光的能量及穩(wěn)定性、縮小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，調(diào)諧方便。
【專(zhuān)利說(shuō)明】自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，特別是一種具有窄線(xiàn)寬和高能量輸出，且結(jié)構(gòu)緊湊的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模集成電路的不斷進(jìn)步，對(duì)光刻技術(shù)要求越來(lái)越高，作為光刻光源的準(zhǔn)分子激光器對(duì)光刻技術(shù)的提高有著關(guān)鍵作用。這要求準(zhǔn)分子激光同時(shí)達(dá)到窄線(xiàn)寬及大能量的輸出，但是，利用以往的激光器加線(xiàn)寬壓窄模塊的組合，窄線(xiàn)寬的輸出是以激光能量的損失為代價(jià)的(參照專(zhuān)利號(hào):us 6590921 B2 08.07.2003)。另一方面，為了得到具有較高輸出能量的窄線(xiàn)寬激光，振蕩一放大結(jié)構(gòu)的雙腔結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于準(zhǔn)分子激光器中。在這種結(jié)構(gòu)中，窄線(xiàn)寬、高脈沖能量的輸出需求被分離于雙腔實(shí)現(xiàn)，其中，振蕩腔實(shí)現(xiàn)低能量、窄線(xiàn)寬的優(yōu)質(zhì)窄線(xiàn)寬種子光輸出，放大腔對(duì)種子光進(jìn)行能量放大，如MOPO(masterosciIlator-power oscillator)結(jié)構(gòu)(參照:Wakabayashi O, Ariga T, Kumazaki T, Beamquality of a new-typeM0P0 laser system for VUV laser lithography[C].SPIE，2004，5377:1772-1780),由于這種結(jié)構(gòu)需要兩個(gè)分離的腔體，造成系統(tǒng)體積龐大，能耗較高。綜上，為了同時(shí)得到窄線(xiàn)寬、高能量且結(jié)構(gòu)緊湊的準(zhǔn)分子激光器，需要設(shè)計(jì)一種新型緊湊結(jié)構(gòu)對(duì)激光的能量和線(xiàn)寬進(jìn)行調(diào)諧，以獲得滿(mǎn)足特殊需求(例如作為環(huán)保光刻光源)的準(zhǔn)分子激光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題提出一種自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，以便在對(duì)準(zhǔn)分子激光器輸出的激光進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄且提高激光輸出能量的同時(shí)，縮小系統(tǒng)的體積，降低功耗，以滿(mǎn)足作為環(huán)保型光刻光源等應(yīng)用的需求。
[0005]( 二 )技術(shù)方案
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，包括線(xiàn)寬壓窄模塊、寬帶反饋模塊、激光放電腔和激光輸出模塊，其中，線(xiàn)寬壓窄模塊、激光放電腔和激光輸出模塊構(gòu)成窄帶諧振腔；寬帶反饋模塊、激光放電腔和激光輸出模塊構(gòu)成寬帶諧振腔。
[0007]所述激光放電腔內(nèi)包含有工作氣體，該工作氣體在激勵(lì)源作用下能產(chǎn)生激光；所述激光輸出模塊用于將經(jīng)線(xiàn)寬壓窄且能量放大的激光進(jìn)行輸出；所述寬帶諧振腔和所述窄帶諧振腔共用激光放電腔和激光輸出模塊，又通過(guò)分束元件一分為二。
[0008]所述自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)輸出激光的模式為寬帶諧振腔和窄帶諧振腔兩腔模式經(jīng)過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)后勝出的模式，品質(zhì)因子高的模式損耗小、增長(zhǎng)快，從而可抑制其余模的生長(zhǎng)，其競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程如下:在寬帶諧振腔增益曲線(xiàn)內(nèi)的各模式，其品質(zhì)因子是相似的，都從起初的噪聲狀態(tài)開(kāi)始增長(zhǎng)，若無(wú)外在因素干擾，則各模式增長(zhǎng)的速度也近似認(rèn)為是相同的，其結(jié)果是各模式同時(shí)振蕩、共同存在；而當(dāng)窄帶諧振腔把對(duì)增益曲線(xiàn)內(nèi)的某一模式加入寬帶諧振腔后，寬帶諧振腔增益曲線(xiàn)內(nèi)的這一模式的品質(zhì)因子便被提高了，由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有一定過(guò)程，所以在一定條件下，此模式可以最先超過(guò)閾值而振蕩，根據(jù)模式競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，在一定范圍內(nèi)(設(shè)窄帶諧振腔諧振波長(zhǎng)為Xi，增益介質(zhì)的增益譜峰值對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)為Aci，即Xci模的自然增益最大，則Xi模只要能抑制λ ^模則其余模式亦能抑制，故而，此范圍即為入^莫能抑制λ^模的范圍)，其余模式便可以被抑制。[0009]所述寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)大于所述窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)，從而利于窄帶諧振腔先起振，繼而利于窄帶模在模式競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)。
[0010]所述窄帶諧振腔用于對(duì)所述工作氣體產(chǎn)生的激光進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄，所述寬帶諧振腔用于對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)勝出后的窄帶諧振腔模式進(jìn)行諧振放大輸出，工作原理類(lèi)似于傳統(tǒng)MOPO腔，其中窄帶諧振腔相當(dāng)于傳統(tǒng)MOPO激光器中的MO腔，寬帶諧振腔相當(dāng)于傳統(tǒng)MOPO激光器中的PO腔。在傳統(tǒng)的放電泵浦的準(zhǔn)分子激光MOPO結(jié)構(gòu)中，MO腔與PO腔完全分離，各自獨(dú)立，兩腔的放電延時(shí)可以通過(guò)外在電觸發(fā)來(lái)調(diào)節(jié)；而在自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)中，由于兩諧振腔共用一個(gè)放電腔，所以在窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)固定的前提下，需要通過(guò)調(diào)節(jié)寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)(寬帶反饋模塊距離激光輸出模塊的長(zhǎng)度)來(lái)控制兩腔的相對(duì)放電延時(shí)，進(jìn)而使得寬帶諧振腔完成對(duì)窄帶諧振腔模式的諧振放大輸出。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述激光輸出模塊為一個(gè)輸出耦合鏡，所述激光放電腔具有兩端，所述輸出耦合鏡設(shè)置于所述激光放電腔的一端，所述線(xiàn)寬壓窄模塊和寬帶反饋模塊設(shè)置于所述激光放電腔的另一端。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述線(xiàn)寬壓窄模塊包括單個(gè)棱鏡或棱鏡組，還包括光柵，所述單個(gè)棱鏡或棱鏡組作為所述分光元件，用于接收由激光放電腔發(fā)出的激光，將該激光部分反射至所述寬帶諧振腔，且對(duì)該激光的剩余部分進(jìn)行折射與擴(kuò)束后入射到所述光柵；所述光柵用于以其閃耀角為入射角接收從單個(gè)棱鏡或棱鏡組擴(kuò)束后出射的激光，使入射到其表面上的激光發(fā)生色散效應(yīng)，并使?jié)M足光柵閃耀條件的波長(zhǎng)的激光反饋到放電腔進(jìn)行振蕩放大，實(shí)現(xiàn)窄線(xiàn)寬激光輸出。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述寬帶反饋模塊為反射鏡，用于接收由所述單個(gè)棱鏡或棱鏡組部分反射的激光，并將其原路反射回所述激光放電腔中。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，當(dāng)所述線(xiàn)寬壓窄模塊包括單個(gè)棱鏡時(shí)，該單個(gè)棱鏡的入射面對(duì)于由所述激光放電腔發(fā)出的激光的反射率15%~90%。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，當(dāng)所述線(xiàn)寬壓窄模塊包括棱鏡組時(shí)，該棱鏡組包括依次在光路上排列的多個(gè)棱鏡，其中，用于接收由所述激光放電腔發(fā)射的激光的第一個(gè)棱鏡作為所述分光元件，將該激光部分反射至所述寬帶諧振腔。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述第一個(gè)棱鏡的入射面對(duì)于由所述激光放電腔發(fā)出的激光的反射率15%~90%。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述寬帶諧振腔還可包括標(biāo)準(zhǔn)具，其用于對(duì)入射至寬帶諧振腔的激光進(jìn)行一定程度的線(xiàn)寬壓窄，并透射具有特定中心波長(zhǎng)的激光，從而在一定程度上減少寬帶諧振腔模數(shù)目，進(jìn)而減少窄帶諧振腔模的模式競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，更利于窄帶諧振腔模在模式競(jìng)爭(zhēng)中勝出。[0018]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述標(biāo)準(zhǔn)具用于直接接收由單個(gè)棱鏡或棱鏡組部分反射的激光，并將透射過(guò)的激光入射到所述反射鏡上。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實(shí)施方式】，所述標(biāo)準(zhǔn)具的線(xiàn)寬壓窄能力要低于所述線(xiàn)寬壓窄模塊，即標(biāo)準(zhǔn)具的透射激光目標(biāo)線(xiàn)寬要大于線(xiàn)寬壓窄模塊的輸出激光目標(biāo)線(xiàn)寬，其透射的中心波長(zhǎng)與窄帶諧振腔光柵所選中心波長(zhǎng)相同。
[0020](三)有益效果
[0021]本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分子激光器窄線(xiàn)寬的輸出，而且通過(guò)自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以提高輸出激光的能量及穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低，便于加工，調(diào)諧方便。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明的第二實(shí)施例的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如前所述，本發(fā)明對(duì)于自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊且可以同時(shí)調(diào)節(jié)準(zhǔn)分子激光線(xiàn)寬與輸出能量的機(jī)制，以便滿(mǎn)足某些應(yīng)用中要求準(zhǔn)分子激光器小體積，低功耗，且輸出大能量和窄線(xiàn)寬激光的要求。
[0025]本發(fā)明的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)包括線(xiàn)寬壓窄模塊、寬帶反饋模塊、激光放電腔和激光輸出模塊，其中，線(xiàn)寬壓窄模塊、激光放電腔和激光輸出模塊構(gòu)成窄帶諧振腔；寬帶反饋模塊、激光放電腔和激光輸出模塊塊構(gòu)成寬帶諧振腔；寬帶諧振腔和窄帶諧振腔共用激光放電腔和激光輸出模塊，又通過(guò)分束元件一分為二，輸出激光的模式為兩腔模式經(jīng)過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)后勝出的模式；所述寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)大于所述窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)，從而利于窄帶諧振腔模式先起振，繼而利于窄帶模在模式競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)。
[0026]窄帶諧振腔用于對(duì)所述工作氣體產(chǎn)生的激光進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄，寬帶諧振腔用于對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)勝出后的窄帶諧振腔模式進(jìn)行諧振放大輸出，其中窄帶諧振腔相當(dāng)于傳統(tǒng)MOPO激光器中的MO腔，寬帶諧振腔相當(dāng)于傳統(tǒng)MOPO激光器中的PO腔。在傳統(tǒng)的放電泵浦的準(zhǔn)分子激光MOPO腔中，MO腔與PO腔完全分離，各自獨(dú)立，兩腔的放電延時(shí)可以通過(guò)外在電觸發(fā)來(lái)調(diào)節(jié)；而在自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)中，由于兩諧振腔共用一個(gè)放電腔，所以在窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)固定的前提下，需要通過(guò)調(diào)節(jié)寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)(寬帶反饋模塊距離激光輸出模塊的長(zhǎng)度)來(lái)控制兩腔的放電延時(shí)，從而使得寬帶諧振腔完成對(duì)窄帶諧振腔模式的諧振放大輸出。
[0027]可見(jiàn)，所述窄帶諧振腔和寬帶諧振腔所構(gòu)成的準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，可以在共用一個(gè)激光放電腔和輸出I禹合模塊的前提下，實(shí)現(xiàn)窄線(xiàn)寬、大能量的激光輸出。
[0028]本發(fā)明的激光輸出模塊用于配合線(xiàn)寬壓窄模塊與寬帶反饋模塊構(gòu)成激光諧振腔，是一種準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)的耦合輸出鏡，通?？捎删哂幸欢ǚ瓷渎?40%?73% )的平鏡或透過(guò)率很高的未鍍膜平鏡構(gòu)成。[0029]本發(fā)明的線(xiàn)寬壓窄模塊用于控制激光器自然振蕩輸出的激光光譜，包括線(xiàn)寬壓窄與中心波長(zhǎng)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中所需要的激光線(xiàn)寬以及中心波長(zhǎng)的輸出，通常可由多種色散元件的組合，如棱鏡、光柵、標(biāo)準(zhǔn)具等構(gòu)成。線(xiàn)寬壓窄模塊的功能實(shí)現(xiàn)還需要激光放電腔內(nèi)部的增益介質(zhì)配合作用，增益介質(zhì)即準(zhǔn)分子激光器的工作氣體。
[0030]本發(fā)明的寬帶反饋模塊用于對(duì)寬帶激光進(jìn)行反射，通?？捎删哂幸欢ǚ瓷渎实姆瓷溏R構(gòu)成，寬帶反饋模塊的功能實(shí)現(xiàn)也需要激光放電腔內(nèi)部的增益介質(zhì)配合作用。
[0031]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]第一實(shí)施例
[0033]圖1顯示了本發(fā)明的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該第一實(shí)施例是自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)。如圖1所示，所述自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)包括準(zhǔn)分子激光放電腔1、輸出I禹合鏡2、棱鏡3、反射鏡4和光柵5。其中，輸出I禹合鏡2構(gòu)成了前述的激光輸出模塊，棱鏡3和光柵5構(gòu)成了前述的線(xiàn)寬壓窄模塊，反射鏡4構(gòu)成了前述的寬帶反饋模塊。
[0034]準(zhǔn)分子激光是指受激二聚體所產(chǎn)生的激光。當(dāng)惰性氣體和鹵素氣體按一定比例和壓力混合在一起時(shí)，在激勵(lì)源的作用下使氣體原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離。處于激發(fā)態(tài)的原子或離子很容易結(jié)合成分子，這種分子的壽命僅有幾十個(gè)納秒。當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子數(shù)遠(yuǎn)多于基態(tài)準(zhǔn)分子數(shù)，就形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。準(zhǔn)分子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)，釋放出光子，經(jīng)諧振腔振蕩發(fā)射出激光。同時(shí)稀有氣體和鹵素氣體從準(zhǔn)分子狀態(tài)迅速解離成2個(gè)原子。所述準(zhǔn)分子激光放電腔I是一個(gè)集成的模塊化的放電腔，由激勵(lì)源、工作氣體等等組成，是激光器的心臟。所述激光放電腔I利用高壓電能作為激勵(lì)源激發(fā)激光腔內(nèi)的工作物質(zhì)(如:ArF等)，從而實(shí)現(xiàn)粒子的反轉(zhuǎn)，借助諧振腔在激光放電腔I內(nèi)形成激光振蕩，向外輸出激光。因?yàn)楦邏弘娍蛇_(dá)到幾千伏特，故必須在外層用金屬板進(jìn)行嚴(yán)密屏蔽以防電流的外漏導(dǎo)致危險(xiǎn)。
[0035]激光放電腔I具有兩端，所述輸出I禹合鏡2設(shè)置于激光放電腔I的一端的出射窗口附近，如圖1中所示，輸出耦合鏡2用于配合線(xiàn)寬壓窄模塊與寬帶反饋模塊構(gòu)成激光產(chǎn)生的要素之一——諧振腔，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的激光從輸出耦合鏡2出射，通過(guò)調(diào)諧輸出耦合鏡2使其與另一端的作為線(xiàn)寬壓窄模塊的光柵5或者作為寬帶反饋模塊的反射鏡4完全平行，使得激光在他們之間可以往返振蕩。所述輸出耦合鏡2優(yōu)選為具有一定反射率的平面透鏡，反射率優(yōu)選為40%?73%，更優(yōu)選為40%?50% ;
[0036]所述棱鏡3設(shè)置于激光放電腔I的相對(duì)于輸出耦合鏡2的另一端的出射窗口附近，如圖1中所示，棱鏡3的頂角向上，激光從棱鏡3的斜邊入射，從棱鏡3的一條直角邊出射。棱鏡3 —方面充當(dāng)線(xiàn)寬壓窄模塊中一維擴(kuò)束的棱鏡，使入射到光柵5上的激光的長(zhǎng)度足夠大，進(jìn)一步促進(jìn)光柵5的色散從而加強(qiáng)其對(duì)激光中心波長(zhǎng)及線(xiàn)寬的選擇；另一方面，可作為分束元件，將其入射面反射的部分激光入射到反射鏡4上，使得激光可以在寬帶諧振腔中振蕩。棱鏡3的材料可以是紫外級(jí)熔融石英材料或紫外透光性良好的材料，如CaF2、MgF2等。棱鏡3可以是直角棱鏡或具有特殊角度的棱鏡，只要其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的擴(kuò)束作用。例如頂角為69°?74°的棱鏡。同時(shí)，光束在棱鏡3上入射面的反射率需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)，根據(jù)發(fā)明人的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施例，棱鏡3的入射面的反射率為65%?85%。
[0037]反射鏡4也設(shè)置于激光放電腔I的相對(duì)于輸出耦合鏡2的另一端的位置，如圖1中所示，其用于接收由棱鏡3的入射面反射的激光，并將其原路反射回激光放電腔I中，并與輸出耦合鏡2配合構(gòu)成寬帶諧振腔。反射鏡4優(yōu)選為反射率為90%以上的平面反射鏡。
[0038]光柵5設(shè)置于線(xiàn)寬壓窄腔的光路中的棱鏡3的后方，接收從棱鏡3擴(kuò)束后出射的激光，該激光以光柵5的閃耀角為入射角，入射到光柵5的表面上的激光發(fā)生色散效應(yīng)，由此選擇激光光譜寬度與中心波長(zhǎng)。光柵5采用LittiOw自準(zhǔn)的擺放模式，使得滿(mǎn)足光柵5閃耀條件的波長(zhǎng)激光按原路反射回去。由于光路可逆原理，從光柵5返回的激光再次入射到輸出耦合鏡2上，這樣實(shí)現(xiàn)了激光的往復(fù)振蕩。光柵5優(yōu)選為一個(gè)中階梯光柵，更優(yōu)選為L(zhǎng)ittrow光柵(對(duì)于常見(jiàn)的光柵方程d(sin a +sin β ) = ηιλ，使α = β = α Β,其中α Β為閃耀角，即為L(zhǎng)ittrow自準(zhǔn)模式的光柵)。
[0039]對(duì)于準(zhǔn)分子激光器，當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子數(shù)遠(yuǎn)多于基態(tài)準(zhǔn)分子數(shù)，就形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，準(zhǔn)分子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時(shí)，釋放出光子，經(jīng)諧振腔振蕩放大，最后成為激光出射。常見(jiàn)的準(zhǔn)分子激光器出射的激光位于紫外波段，如ArF激光器產(chǎn)生193nm激光，KrF激光器產(chǎn)生258nm激光。
[0040]對(duì)于此時(shí)可以產(chǎn)生激光的諧振腔有兩個(gè)，他們分別是由棱鏡3、光柵5構(gòu)成的線(xiàn)寬壓窄模塊，線(xiàn)寬壓窄模塊與輸出耦合鏡2、激光放電腔I構(gòu)成了窄帶諧振腔；同時(shí)，反射鏡4作為寬帶反饋模塊，激光放電腔1、輸出耦合鏡2和反射鏡4構(gòu)成了一個(gè)寬帶諧振腔。
[0041]窄帶諧振腔的工作原理是這樣的:當(dāng)激光放電腔I內(nèi)的激光入射到棱鏡3的斜邊時(shí)，從直角邊出射的光束相對(duì)于入射光擴(kuò)束倍數(shù)約為2倍左右，擴(kuò)束后的光束以光柵5的閃耀角為入射角投射到光柵5上實(shí)現(xiàn)色散，并將所選的特定波長(zhǎng)與線(xiàn)寬的光反饋到放電腔進(jìn)行振蕩放大。此時(shí)，光柵5和輸出耦合鏡2即構(gòu)成所述窄帶諧振腔，用于實(shí)現(xiàn)窄線(xiàn)寬激光輸出。
[0042]與此同時(shí)，由于棱鏡3的 反射作用，反射鏡4與輸出耦合鏡2又構(gòu)成了寬帶諧振腔。反射鏡4優(yōu)選為具有高反射率的反射鏡。由于沒(méi)有色散元件，原則上寬帶諧振腔可以對(duì)準(zhǔn)分子激光增益譜內(nèi)的所有激光都起振，但是，由于寬帶諧振腔和窄帶諧振腔共用激光放電腔I和輸出耦合鏡2，所以最終經(jīng)輸出耦合鏡2輸出的激光模式為兩諧振腔模式經(jīng)過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)后勝出的模式，其競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程如下:在寬帶諧振腔增益曲線(xiàn)內(nèi)的各模式，其品質(zhì)因子是相似的，都從起初的噪聲狀態(tài)開(kāi)始增長(zhǎng)，若無(wú)外在因素干擾，則各模式增長(zhǎng)的速度也近似認(rèn)為是相同的，其結(jié)果是各模式同時(shí)振蕩、共同存在；而當(dāng)窄帶諧振腔把對(duì)增益曲線(xiàn)內(nèi)的某一模式加入寬帶諧振腔后，寬帶諧振腔增益曲線(xiàn)內(nèi)的這一模式的品質(zhì)因子便被提高了，由于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有一定過(guò)程，所以在一定條件下，此模式可以最先超過(guò)閾值而振蕩，根據(jù)模式競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)，在一定范圍內(nèi)(設(shè)窄帶諧振腔諧振波長(zhǎng)為Xi，增益介質(zhì)的增益譜峰值對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)為λ ^，即λ ^模的自然增益最大，則Xi模只要能抑制λ ^模則其余模式亦能抑制，故而，此范圍即為入^莫能抑制λ ^模的范圍)，其余模式便可以被抑制。
[0043]為了使窄帶諧振腔模式先起振從而利于其在模式競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)，我們選擇寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)大于窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)。
[0044]窄帶諧振腔用于對(duì)所述工作氣體產(chǎn)生的激光進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄，寬帶諧振腔用于對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)勝出后的窄帶諧振腔模式進(jìn)行諧振放大輸出，其中窄帶諧振腔相當(dāng)于傳統(tǒng)MOPO激光器中的MO腔，寬帶諧振腔相當(dāng)于傳統(tǒng)MOPO激光器中的PO腔。在傳統(tǒng)放電泵浦的MOPO雙腔結(jié)構(gòu)中，MO腔與PO腔完全分離，各自獨(dú)立，兩腔的放電延時(shí)可以通過(guò)外在電觸發(fā)來(lái)調(diào)節(jié)；而在自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)中，由于兩諧振腔共用一個(gè)放電腔，所以調(diào)節(jié)方式如下:在窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)固定的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)寬帶反饋模塊距離激光輸出模塊的長(zhǎng)度來(lái)改變寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)，進(jìn)而控制兩腔的放電延時(shí)，完成寬帶諧振腔對(duì)窄帶諧振腔模式的諧振放大輸出。最終輸出具有窄線(xiàn)寬、大能量的激光。
[0045]此外，可以采用棱鏡組來(lái)代替上述實(shí)施例中的單個(gè)棱鏡3。棱鏡組中各直角棱鏡依次排列，從斜邊接收激光放電腔I出射的激光，從直角邊出射最后射至光柵5。其中棱鏡組中最靠近放電腔I的棱鏡的作用與上述實(shí)施例中的單個(gè)棱鏡3相同，用于接收由所述激光放電腔發(fā)射的激光，并將該激光部分反射至寬帶諧振腔，反射率
[0046]使用多個(gè)棱鏡構(gòu)成的棱鏡組，可以更容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)特定輸出波長(zhǎng)窄線(xiàn)寬激光輸出的要求。但由棱鏡數(shù)量的增多會(huì)增大自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)對(duì)光能量的吸收與損耗，不利于高能量激光的輸出。
[0047]第二實(shí)施例
[0048]圖2為本發(fā)明的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該第二實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)也與第一實(shí)施例相同，所不同的是在寬帶諧振腔內(nèi)增加了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具6。所謂標(biāo)準(zhǔn)具是一種多光束干涉原理制成的色散元件。在光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，法布里一拍羅干涉儀(Fabry-P6rot interferometer)是一種由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，其中兩塊玻璃板相對(duì)的內(nèi)表面都具有高反射率。法布里一珀羅干涉儀也經(jīng)常稱(chēng)作法布里一珀羅諧振腔，并且當(dāng)兩塊玻璃板間用固定長(zhǎng)度的空心間隔物來(lái)間隔固定時(shí)，它也被稱(chēng)作法布里一珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，或直接簡(jiǎn)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)具。
[0049]如圖2所示，在該實(shí)施例中，線(xiàn)寬壓窄模塊包括單個(gè)棱鏡3，但也可以由棱鏡組來(lái)替代單個(gè)棱鏡3。棱鏡3在該第二實(shí)施例中為直角棱鏡，其斜邊接收激光放電腔I出射的激光，并以該斜邊為入射面將該激光部分反射至標(biāo)準(zhǔn)具6，該激光的剩余部分在棱鏡3中折射并擴(kuò)束，并從其直角邊出射到光柵5上。
[0050]標(biāo)準(zhǔn)具6的線(xiàn)寬壓窄能力低于線(xiàn)寬壓窄模塊，即標(biāo)準(zhǔn)具6的透射激光目標(biāo)線(xiàn)寬大于線(xiàn)寬壓窄模塊的輸出激光目標(biāo)線(xiàn)寬，其透射的中心波長(zhǎng)與窄帶諧振腔光柵5所選中心波長(zhǎng)相同。
[0051]標(biāo)準(zhǔn)具6被置于寬帶諧振腔內(nèi)，用于接收由棱鏡3部分反射的激光，并對(duì)入射至寬帶諧振腔的激光進(jìn)行一定程度的線(xiàn)寬壓窄，從而在一定程度上減少寬帶諧振腔模數(shù)目，進(jìn)而減少窄帶諧振腔模的模式競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，更利于窄帶諧振腔模在模式競(jìng)爭(zhēng)中勝出及鎖定，最終易于窄線(xiàn)寬、大能量的激光輸出。
[0052]使用標(biāo)準(zhǔn)具6可以針對(duì)目標(biāo)線(xiàn)寬和中心波長(zhǎng)更穩(wěn)定地輸出，但由于它屬于一種損耗元件，置于自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)內(nèi)時(shí)也會(huì)可能會(huì)影響激光能量的提聞。
[0053]以上描述的實(shí)施例僅是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特殊實(shí)施方式，根據(jù)本發(fā)明，能量放大模塊、線(xiàn)寬壓窄模塊還可以由符合準(zhǔn)分子激光特點(diǎn)的其他光學(xué)元件構(gòu)成。各實(shí)施例中對(duì)于各光學(xué)部件的添加或刪除，所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的主旨的條件下根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行。因此上述實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍的限制，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，包括線(xiàn)寬壓窄模塊、寬帶反饋模塊、激光放電腔和激光輸出模塊，所述激光放電腔內(nèi)包含有工作氣體，該工作氣體在激勵(lì)源作用下通過(guò)諧振腔振蕩能產(chǎn)生激光；其特征在于: 所述線(xiàn)寬壓窄模塊、激光放電腔和激光輸出模塊構(gòu)成窄帶諧振腔；所述寬帶反饋模塊、激光放電腔和激光輸出模塊構(gòu)成寬帶諧振腔； 所述窄帶諧振腔用于對(duì)所述工作氣體產(chǎn)生的激光進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄，寬帶諧振腔用于對(duì)模式競(jìng)爭(zhēng)勝出后的窄帶諧振腔模式進(jìn)行諧振放大輸出； 所述激光輸出模塊用于將經(jīng)線(xiàn)寬壓窄且能量放大的激光進(jìn)行輸出； 所述寬帶諧振腔和所述窄帶諧振腔中的激光光路由分束元件一分為二，輸出激光的模式為寬帶諧振腔和所述窄帶諧振腔經(jīng)過(guò)模式競(jìng)爭(zhēng)后勝出的模式； 設(shè)窄帶諧振腔諧振波長(zhǎng)為λ i，寬帶諧振腔增益介質(zhì)的增益譜峰值對(duì)應(yīng)峰值波長(zhǎng)為λ C1，則入^莫能抑制λ ^模； 所述寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)大于所述窄帶諧振腔的腔長(zhǎng)； 所述窄帶諧振腔在腔長(zhǎng)固定的前提下，可通過(guò)調(diào)節(jié)所述寬帶諧振腔的腔長(zhǎng)來(lái)控制兩腔的放電延時(shí)，完成寬帶諧振腔對(duì)窄帶諧振腔模式的諧振放大輸出。
2.如權(quán)利 要求1所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述激光輸出模塊為一個(gè)輸出耦合鏡(2)，所述激光放電腔(I)具有兩端，所述輸出耦合鏡(2)設(shè)置于所述激光放電腔(I)的一端，所述線(xiàn)寬壓窄模塊和激光放大模塊設(shè)置于所述激光放電腔(I)的另一端。
3.如權(quán)利要求2所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述線(xiàn)寬壓窄模塊包括單個(gè)棱鏡(3)或棱鏡組，還包括光柵(5)； 所述單個(gè)棱鏡(3)或棱鏡組作為所述分光元件，用于接收由激光放電腔(I)發(fā)出的激光，將該激光部分反射至所述寬帶諧振腔，且對(duì)該激光的剩余部分進(jìn)行折射與擴(kuò)束后出射到所述光柵(5)； 所述光柵(5)用于以其閃耀角為入射角接收從單個(gè)棱鏡(3)或棱鏡組擴(kuò)束后出射的激光，使入射到其表面上的激光發(fā)生色散效應(yīng)，并使?jié)M足光柵閃耀條件的波長(zhǎng)的激光反饋回激光放電腔(I)振蕩放大。
4.如權(quán)利要求3所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述寬帶反饋模塊為反射鏡(4)，用于接收由所述單個(gè)棱鏡(3)或棱鏡組部分反射的激光，并將其原路反射回所述激光放電腔(I)中。
5.如權(quán)利要求4所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述線(xiàn)寬壓窄模塊包括單個(gè)棱鏡(3)時(shí)，該棱鏡(3)的入射面對(duì)于由所述激光放電腔發(fā)出的激光的反射率15%~90%。
6.如權(quán)利要求4所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述線(xiàn)寬壓窄模塊包括棱鏡組時(shí)，該棱鏡組包括依次在光路上排列的多個(gè)棱鏡，其中，用于接收由所述激光放電腔(I)發(fā)射的激光的第一個(gè)棱鏡作為所述分光元件將該激光部分反射至所述寬帶諧振腔。
7.如權(quán)利要求6所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述第一個(gè)棱鏡的入射面對(duì)于由所述激光放電腔發(fā)出的激光的反射率15%~90%。
8.如權(quán)利要求3所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述放大腔還包括標(biāo)準(zhǔn)具(6)，其用于對(duì)入射至寬帶諧振腔的激光進(jìn)行一定程度的線(xiàn)寬壓窄，并透射具有特定中心波長(zhǎng)的激光，從而在一定程度上減少寬帶諧振腔模數(shù)目，進(jìn)而減少窄帶諧振腔模的模式競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，更利于窄帶諧振腔模在模式競(jìng)爭(zhēng)中勝出。
9.如權(quán)利要求8所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)具(6)用于直接接收由單個(gè)棱鏡(3)或棱鏡組部分反射的激光，并將透射過(guò)的激光入射到所述反射鏡(4)上。
10.如權(quán)利要求9所述的自種子注入雙腔結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)具的線(xiàn)寬壓窄能力要低于所述線(xiàn)寬壓窄模塊，即標(biāo)準(zhǔn)具的透射激光目標(biāo)線(xiàn)寬大于線(xiàn)寬壓窄模塊的輸出激光目標(biāo)線(xiàn)寬。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK103701025SQ201310712625
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】周翊, 范元媛, 單耀瑩, 吳月婷, 沙鵬飛, 宋興亮, 張立佳, 崔惠絨, 王宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院