具有改进的稳定性的cw duv激光的制作方法
【专利说明】具有改进的稳定性的CW DUV激光
[0001] 相关申请案
[0002] 本申请案主张2013年6月11日由庄（Chuang)等人申请的题为"具有改进的稳定 性的 CW DUV 激光（CW DUV Laser with Improved Stability)"的第 61/833, 716 号美国临 时专利申请案的优先权，所述申请案以引用方式并入本文中。
【背景技术】
[0003] 半导体检测及计量学需要非常稳定、低噪声的光源以检测小缺陷及/或进行小尺 寸的非常精密的测量。UV光源（即，具有波长100nm到400nm的光源）是非常重要的，这是 因为一般来说，短波长对小缺陷或尺寸具有较佳敏感度。
[0004] 低噪声、高稳定性激光对可见及近红外中的波长是可用的。然而，存在具有大于 250mW的功率的非常少的可用深UV CW激光，且所述激光是昂贵的、有噪声的、具有较差的 长期稳定性且可能需要频繁调整或维护。
[0005] 当前可用的深UV (DUV) ( 即，短于300nm的波长）CW激光通过产生红外（IR)基波 激光的四次谐波而操作。使用两个频率转换级：第一级产生二次谐波且第二级产生四次谐 波。每一频率转换级使用非线性光学（NL0)晶体。
[0006] 倍频过程取决于电场强度的平方。如果晶体内部的功率密度为低，那么转换过程 就非常无效。几瓦特或几十瓦特功率的红外激光当聚焦于NL0晶体中时由于低功率密度而 产生非常小的二次谐波。此与类似平均功率电平的脉冲激光相反，所述脉冲激光可产生大 量二次谐波（在最佳情况中大致50%的输入可转换到二次谐波），这是因为峰值功率密度 高于平均功率密度许多倍。
[0007] DUV CW(连续波）激光使用谐振腔以增加NL0晶体中的功率密度以改进转换效率。 未转换到二次谐波的穿过NL0晶体的大部分光在谐振腔中被再循环以便增强功率密度。允 许二次谐波传递出谐振腔。最终，功率密度增强到其中作为二次谐波离开所述谐振腔的功 率加所述谐振腔中的损耗等于输入功率的电平。因此，为产生深UV波长，这些腔中的两者 必须串联连接。第一谐振腔通过再循环IR基波而产生二次谐波（即，可见波长，通常为绿 光波长，例如532nm)，且第二谐振腔通过再循环所述二次谐波而产生四次谐波（即，深UV波 长，例如266nm)。
[0008] 图1说明包含两个谐振腔的示范性深UV CW激光100。在激光100中，用于产生二 次谐波的第一腔包含镜110、111、112及113以及NL0晶体115。用于产生四次谐波的第二 腔包含镜130、131、132及133以及NL0晶体135。显著地，这些腔必须经受主动控制。对所 述第一腔的控制包含振荡器1〇4(在频率Π 下产生信号）、调制器103、光电二极管105以 及同步检测器106 (产生控制镜111的位置的致动器控制信号107)。对第二腔的控制包含 振荡器124 (在频率f2下产生信号）、调制器123、光电二极管125以及同步检测器126 (产 生控制镜131的位置的致动器控制信号127)。
[0009] 激光100包含基波激光101，基波激光101产生波长为1064nm的IR光。所述IR 光透过镜110进入第一腔且在从镜111及112反射之后进入NL0晶体115。进入晶体115 的IR光的一部分在532nm的波长下被转换二次谐波。532nm光穿过镜113且被引导到第二 腔。穿过NLO晶体115的大部分IR光在未经转换的情况下从NLO晶体射出且从镜113反 射，镜113经涂覆以便反射1064nm光而透射532nm光。从镜113反射的光返回到达输入镜 110。镜110上的涂层经设计以对从镜113以射线的入射角到达的IR高度反射，而对从基 波激光101到达的传入IR辐射高度透射。
[0010] 为增强第一腔中的高功率密度，已围绕所述第一腔循环的IR辐射与传入辐射同 相而到达镜110为重要的。此同相到达可通过使用机械地移动镜111 (举例来说，借助于 压电传感器或音圈）以维持正确腔光学路径长度的伺服控制件来实现。光电二极管105 监视第一腔中循环的光的一小部分光以将信号提供到伺服控制件。输入激光束是由调制 器103以频率Π 调制以提供由伺服控制件使用以确定第一腔是否需要调整且如果需要就 确定沿着哪一方向的时变信号。上文描述的用于第一腔的伺服控制回路是通常用作及称 为Pound-Drever-Hall(PDH)控制。其理论是通过应用物理（Appl.Phys. )B 31，第97页到 105页（1983年）德雷尔（Drever)等人的"使用光学谐振器的激光相及频率稳定（Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator)'，描述。客页外细节 可在（举例来说）1994年11月22日发布的题为"激光光束产生设备（Laser light beam generating apparatus) "的第5, 367, 531号美国专利案以及（1998年）布莱克（Black)的 LIG0 Technical note LIG0-T980045-00-D 中找到。
[0011] 通常用于激光伺服控制回路中的另一方案是HStisch-Couillaud(HC)技术。在 此方案中，光束在进入腔之前不需要进行调制，然而，其仅对偏振敏感的腔起作用。此方 案检测总反射或透射的光束的偏振变化以确定腔是否在谐振。关于此方案的进一步细节 可在的 Opt. Commun. 35(3)，441 (1980 年），汉施(Htesch)及库约（Couillaud)的"反射参 考腔的偏振光谱的激光频率稳定（Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity)'，中找到。
[0012] 第二腔以实质上类似于第一腔（除了输入波长是532nm及输出波长是266nm之 外）的方式操作。针对所述波长适当选择第二腔组件的涂层及材料。在激光100中，第二 调制器123在光进入第二腔之前以频率f2调制所述光。所述光透过镜130进入所述第二 腔且在从镜131及132反射之后进入NL0晶体135。进入晶体135的所述光的一部分经转 换到266nm的波长的四次谐波。266nm光穿过镜133且被引导到激光100的输出。穿过NL0 晶体135的大部分光在未经转换的情况下从NL0晶体射出且从镜133反射，镜133经涂覆 以便反射532nm光而透射266nm光。从镜133反射的光返回到达输入镜130。镜130上的 涂层经设计以对从经133以射线的入射角到达的光高度反射，而对从调制器123到达的传 入光高度透射。光电二极管125检测循环光的一小部分。由同步检测器126使用来自125 的信号以产生控制镜131的位置以便维持腔的正确光学路径长度的控制信号127。
[0013] 在一些实施例（未展示）中，省略调制器123及振荡器124且因此两个伺服回路 以相同的调制频率操作。在又其它实施例（未展示）中，省略调制器103及123两者。在 此情况中，基波激光101通过操作激光使得产生两个模式来产生经调制的输出。可选择具 有波长分离及相对振幅的两个模式使得通过所述两个模式的冲击产生经适当调制的输出。
[0014] 注意，一或两个腔可包括两个或三个镜，而非四个镜。
[0015] 在一些现有技术装置中，可通过放置于NL0晶体135与镜133之间的分束器（未 展示）来使DUV输出波长与再循环可见光分离。在一些现有技术装置中，周期性极化的非 线性光学（NLO)材料用于频率转换以产生具有准相位匹配的绿光及/或UV CW光。当前不 存在能够产生对半导体检测有用的功率电平的DUV光的可用的周期性极化材料。
[0016] 如上文所阐释，在现有技术装置中，可串联使用两个倍频腔。在此情况中，第一腔 以对应于IR区域中的波长的基波频率谐振，且第二腔针对具有IR光的波长的一半的波长 的二次谐波频率谐振。对于相同量的腔光学路径长度变化，第二腔的相变是第一腔的两倍。 因此，所述第二腔归因于其较高敏感度而更难稳定。此外，来自第一腔的噪声通常耦合到第 二腔中且在相当大的程度上影响稳定性，借此危害所述第二腔的转换效率。显著地，第二腔 的反馈回路不能区分来自其输入光及来自所述腔自身的噪声。因此，第二腔连续尝试补偿 失配。因此，此类型的现有技术CW DUV激光通常非常有噪声且需要用于稳定性的复杂的伺 服回路。
[0017] 现有技术装置的另一限制在于，腔的反馈回路可仅调整腔长度以补偿腔光学路径 长度变化。不能通过调整腔长度来补偿腔焦点或像散中的变化。
[0018] 例举例来说，非线性晶体内的温度梯度在所述晶体内产生非均匀折射率轮廓。所 述晶体的平均折射率中的任何变化改变腔中的平均光学路径长度且可通过物理腔长度变 化来补偿。然而，折射率中的空间变化可改变腔中的光学器件的焦距及/或可在循环激光 束的焦点中产生像散。原则上，如果腔并入可检测焦点中的变化的传感器，就可通过腔长度 中的变化来补偿焦点中的变化，但所需的腔长度变化将不与维持光学路径长度所需的腔长 度变化相同以维持所述腔谐振。因此，对焦点的纠正将引起激光的输出功率降低或变得不 稳定。因为像散是由不同方向的不同焦点位置引起，所以没有腔长度变化可补偿像散。焦 点及像散变化在第二腔中通常是比在第一腔中更严重的问题，这是因为DUV光可在NL0晶 体性质中诱发比通过基波或二次谐波光诱发的大的变化。
[0019] 因此，需要具有约250mW的功率电平、具有低噪声、良好的长期稳定性，同时克服 上文缺点中的一些或全部的DUV CW激光。
【发明内容】
[0020] 根据本文中所描述的改进的激光系统及相关技术，可仅使用一个谐振腔或使用两 个IR谐振腔产生具有对应于IR激光的基波频率的四次谐波或五次谐波的频率的深紫外 (DUV)连续波（CW)激光系统。相比于现有技术DUV CW激光，所述改进的激光系统具有较不 复杂的反馈回路及更佳的稳定性。
[0021] DUV CW激光系统包含基波CW激光、三次谐波产生器及四次谐波产生器。所述基 波CW激光经配置以产生具有在约1 μ m与1. 1 μ m之间的对应波长的基波频率。所述三次 谐波产生器模块包含至少一个周期性极化的非线性光学（NL0)晶体以产生三次谐波。所述 四次谐波产生器模块包含以基波频率谐振的腔。四次谐波产生器模块经配置以使基波频率 与三次谐波组合以产生四次谐波。
[0022] 另一 DUV CW激光系统包含基波CW激光、三次谐波产生器及五次谐波产生器。所 述基波CW激光经配置以产生具有在约1 μ m与1. 1 μ m之间的对应波长的基波频率。所述 三次谐波产生器模块包含至少一个周期性极化的NL0晶体以产生三次谐波。五次谐波产生 器模块包含用于使基波频率与三次谐波组合以产生五次谐波的