激光脉冲宽度压缩装置及调控方法

1.本发明涉及激光脉冲宽度压缩技术领域，具体提供一种通过调控激光增益的激光脉冲宽度压缩装置及调控方法。


背景技术：

2.光刻机是大规模集成电路制造的核心设备，波长为13.5nm的激光等离子体极紫外(lpp-euv)光源成为备受关注的高端光刻机光源。lpp-euv光源采用高重频、短脉宽、高功率的长波co2激光辐照锡液滴靶，诱发锡等离子体辐射13.5nm的euv光。研究表明，co2激光脉冲前沿与锡靶作用产生的高密度等离子体将阻断激光脉冲后沿的能量注入锡靶，因此当大宽度的激光脉冲注入锡靶，euv光的转换效率低下，co2激光脉冲宽度的有效压缩有利于提升euv光的转换效率。
3.受谐振腔长度和电光普克尔盒响应时间的限制，co2激光器直接产生的激光脉宽不能无限压缩，通常在几十纳秒量级，为了提升euv光的转换效率，在谐振腔外压缩激光脉冲宽度的方法备受关注。
4.在现有技术中，谐振腔外压缩激光脉冲宽度的方法主要有：
5.腔外电光削波可压缩激光脉冲宽度，但电光普克尔盒响应时间长，显著影响削波后激光脉冲前沿陡度，不利于提升euv光的转换效率。同时，长波co2激光波段的电光普克尔盒损伤阈值低，造价高，限制了该技术的应用。
6.半导体光开关法可任意压缩激光脉冲宽度，但半导体光开关需要超短脉冲驱动激光辐射半导体材料形成等离子光开关，技术复杂，造价高，重复频率低。
7.饱和增益开关法可压缩激光脉冲宽度，但其需要采用波长相同、强度相差极大的两束激光，一束激光为脉冲宽度待压缩的小信号激光，另一束激光为强度接近饱和光强的控制激光，且两束激光脉冲时间有部分重叠。两束强度相差极大的激光同轴进入激光放大器后，小信号激光与控制激光时间重叠的部分脉冲强度放大倍数小，而非重叠部分脉冲的强度放大倍数大。小信号激光强度放大倍率的差异实现脉宽压缩，该方法必须采用两束激光，且两束激光共享增益区间，对其同轴合束精度要求高，同时激光强度接近饱和光强的控制激光获取困难，造价高，技术相对复杂，限制了其在长波范围内的应用。


技术实现要素：

8.本发明为解决上述问题，提供了一种激光脉冲宽度压缩装置及调控方法，种子光的前沿先进入激光放大器进行增益提取和强度放大，通过调控激光放大器的增益，使得种子光的前沿进入激光放大器后将激光放大器内积累的增益消耗殆尽，种子光的后沿进入激光放大器后，由于增益的消耗殆尽，导致放大倍率较低。
9.本发明提供的激光脉冲宽度压缩装置，包括：
10.种子激光器，其用于输出种子光；
11.沿种子光的传播光路，设置有偏振分束片，偏振分束片将种子光射入激光放大器；
12.激光放大器为种子光提供增益，经激光放大器射出的种子光射入相位波片；
13.全反射镜垂直于激光放大器的光轴设置，透射过相位波片的种子光入射到全反射镜上；
14.时序控制器分别与种子激光器、激光放大器连接，用于调控激光放大器的增益，并匹配种子光与激光放大器增益的时序。
15.优选的，种子激光器采用调q技术进行腔内脉冲调制，种子激光器输出种子光的时间受外触发信号控制，即受时序控制器控制。
16.优选的，偏振分束片透射水平线偏振激光，反射竖直线偏振激光。
17.优选的，激光放大器采用射频波导co2激光放大器，受外触发信号控制，即受时序控制器控制。
18.优选的，相位波片为1/4波片，用于将透射过的种子光的偏振态偏转45
°
。
19.优选的，1/4波片采用cdte零级波片，其消光比大于20db。
20.优选的，在种子激光器和偏振分束片之间还包括反射镜，用于将种子激光器射出的种子光反射至偏振分束片。
21.一种激光脉冲宽度压缩装置的调控方法，包括以下步骤：
22.时序控制器向激光放大器传递增益建立信号，增益建立信号的时间宽度为δt1；
23.增益建立信号结束后，延迟时间δt2，时序控制器向种子激光器传递种子光的输出信号；
24.种子光的前沿先进入激光放大器进行激光增益提取和强度放大，种子光的前沿消耗激光放大器内积累的增益，使种子光的后沿进入激光放大器后，剩余的增益对种子光的后沿进行放大，且后沿的放大倍率小于前沿的放大倍率，达到对种子光的脉冲宽度压缩效果。
25.优选的，延迟时间δt2小于增益的上能级寿命。
26.与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
27.本发明解决了脉冲宽度为几十纳秒的lpp-euv光源的主泵浦激光脉冲宽度压缩的难题，本发明通过有效控制激光放大器的激光增益来实现激光脉宽的压缩，避免了现有的饱和增益开关法需要两束激光共轴传输压缩脉宽的复杂难题，降低了技术难度和成本，更有利于脉宽压缩的工程化应用。
附图说明
28.图1是根据本发明实施例提供的激光脉冲宽度压缩装置的结构示意图；
29.图2是根据本发明实施例提供的时序控制器发出的控制信号图；
30.图3是根据本发明实施例提供的激光脉冲宽度压缩前后的种子光脉冲波形对比图。
31.其中的附图标记包括：
32.种子激光器1、反射镜2、偏振分束片3、激光放大器4、相位波片5、全反射镜6、时序控制器7。
具体实施方式
33.在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
35.图1示出了根据本发明实施例提供的激光脉冲宽度压缩装置的结构。
36.如图1所示，本发明实施例提供的激光脉冲宽度压缩装置，包括：种子激光器1、反射镜2、偏振分束片3、激光放大器4、相位波片5、全反射镜6和时序控制器7，其中：
37.种子激光器1采用电光腔倒空co2激光器，采用调q技术进行腔内脉冲调制，种子激光器1输出种子光的时间受外触发信号控制，即受时序控制器7控制。受种子激光器1的腔长限制，其输出种子光的脉冲宽度约为20ns，种子光的偏振态为竖直线偏振。
38.反射镜2采用金属镀介质膜的薄片反射镜，用于将种子激光器1射出的种子光反射至偏振分束片3，反射镜2可以采用单片反射镜也可采用多片反射镜。
39.偏振分束片3采用硒化锌基底的镀膜分束片，其对水平线偏振激光的透射率大于99.5％，对竖直线偏振激光的反射率大于99％，偏振分束片3设置在种子光的传播光路上，将竖直线偏振的种子光反射进入激光放大器4进行第一程放大。
40.激光放大器4采用射频波导co2激光放大器，受外触发信号控制，即受所述时序控制器7控制，激光放大器4的增益区长度约为1.5m，对激光的双程渡越时间为10ns，其射频放电产生的在激光上能级寿命范围内的增益都将储存在激光放大器4内。通过控制激光放大器4的增益建立信号的宽度δt1，可调整存储的增益。
41.经激光放大器4进行第一程放大后的种子光透射过相位波片5，相位波片5采用cdte零级的1/4波片，其消光比大于20db，竖直线偏振的种子光的相位偏转45
°
，并射到全反射镜6上。
42.全反射镜6采用平面金属反射镜，其对激光的反射率大于99.5％，经全反射镜6反射的激光将第二次通过相位波片5进入激光放大器4，进行第二程放大。由于两次经过相位波片5，竖直线偏振的种子光变为水平线偏振的种子光，水平线偏振的种子光透射过偏振分束片3。
43.时序控制器7分别与种子激光器1、激光放大器4连接。在种子光的输出过程中，时序控制器7通过调控激光放大器4的增益建立时间δt1和种子光的延迟时间δt2调控激光放大器4的增益，并匹配种子光与激光放大器4增益的时序，延迟时间δt2小于种子光的上能级寿命。
44.图2示出了根据本发明实施例提供的时序控制器发出的控制信号。
45.如图2所示，用于本实施例的激光脉冲宽度压缩装置的调控方法包括以下步骤：
46.时序控制器7在t0时刻发出宽度为δt1的方波信号，即增益建立信号，此时激光放大器4内开始放电激励并积累激光增益，由于增益的强度受增益建立信号宽度(放电激励时间的宽度)控制，增益建立信号宽度大，激光增益强，反之激光增益弱，本实施例中增益建立信号的时间宽度为δt1。
47.t1时刻，方波信号结束，激光放大器4停止放电激励，由于激光放大器4内增益粒子具有较长的激光能级寿命，激光放大器4内保持一定的激光增益强度，延迟时间δt2后，t2时刻时序控制器7向种子激光器1传递种子光的输出信号，种子激光器1发射种子光，通过调整延迟时间δt2，控制增益相对于种子光的寿命，δt2越大，增益的相对寿命就越短。
48.种子光的前沿先进入激光放大器4进行激光增益提取和强度放大，种子光的前沿消耗激光放大器4内积累的增益，使得种子光的前沿进入激光放大器4后将激光放大器4内积累的增益消耗殆尽，使得当种子光的后沿进入激光放大器4时，剩余的增益不足以对种子光的后沿进行放大或放大效果较差，因此后沿的放大倍率小于前沿的放大倍率，通过时序控制器7调控激光放大器4增益建立信号的时间宽度δt1和种子光延迟时间δt2，实现激光增益强度与种子光脉冲宽度的匹配，即实现了种子光的前沿的有效放大，又抑制了种子光的后沿的放大，实现种子脉宽的高效压缩。
49.图3示出了根据本发明实施例提供的激光脉冲宽度压缩前后的种子光脉冲波形对比。
50.如图3所示，为验证本发明的有效性，取δt1和δt2的初始值分别为10μs和30μs对本发明进行仿真实验，a表示：脉冲宽度压缩前种子光的脉冲波形，种子光具有近似对称的前沿和后沿，脉冲宽度为δt；b表示：脉冲宽度压缩后种子光的脉冲波形，种子光脉冲后沿变得极为陡峭，脉冲宽度被压缩到1/2δt，结果表明：
51.激光放大器4对种子光的第一程放大倍率约为6倍，由于第一程放大对增益的消耗，第二程放大倍率下降到3倍。因此，激光放大器4对种子光的前沿10ns的两程累积放大倍率约为18倍；而种子光的后沿10ns由于增益的消耗累积放大倍率小于1.5倍，此时，种子光脉宽将被压缩到约10ns，满足lpp-euv光源打靶的应用需求。依据脉宽压缩效果，调整δt1和δt2的值来调控激光增益，分析表明降低δt1并延长δt2有利于提升脉宽的压缩效果。
52.除此之外，本发明还可通过更换种子激光器1和激光放大器4，实现其他波长的激光脉宽压缩，比如用于激光测距的近红外激光脉宽压缩，比如用深紫外激光光刻的准分子激光脉冲宽度压缩等。
53.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
54.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。