阅读说明：本技术 一种激光功率稳定方法及激光功率放大系统 (Laser power stabilizing method and laser power amplifying system ) 是由 潘其坤 郭劲 陈飞 谢冀江 李殿军 于德洋 张阔 孙俊杰 张鲁薇 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光功率稳定方法及激光功率放大系统,激光产生装置产生种子激光脉冲,第一光调制装置用于改变通过光的偏振态,偏振元件用于阻止被第一光调制装置改变偏振态的光通过,光放大装置用于将通过偏振元件的光放大功率而输出。触发激光产生装置产生种子激光脉冲,并控制第一光调制装置改变在第一预设时间段内通过光的偏振态,通过第一光调制装置和偏振元件阻止种子激光脉冲的前沿噪声通过而进入光放大装置,从而消除种子激光脉冲的前沿噪声,能够消除种子激光脉冲的前沿噪声对激光放大功率、光增益扰动的影响,从而能够有效地提升对激光放大功率后输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。(The invention discloses a laser power stabilizing method and a laser power amplifying system.A laser generating device generates seed laser pulses, a first light modulation device is used for changing the polarization state of passing light, a polarization element is used for preventing the light of which the polarization state is changed by the first light modulation device from passing, and a light amplifying device is used for amplifying the power of the light passing through the polarization element and outputting the amplified power. The laser generating device is triggered to generate seed laser pulses, the first light modulation device is controlled to change the polarization state of light passing through the first preset time period, and the leading edge noise of the seed laser pulses is prevented from passing through the first light modulation device and the polarization element to enter the light amplification device, so that the leading edge noise of the seed laser pulses is eliminated, the influence of the leading edge noise of the seed laser pulses on laser amplification power and light gain disturbance can be eliminated, and the stability of the narrow pulse width laser power output after the laser amplification power and the stability of each pulse energy can be effectively improved.)

一种激光功率稳定方法及激光功率放大系统

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种激光功率稳定方法。本发明还涉及一种激光功率放大系统。

背景技术

光刻是现代化大规模集成电路制造技术的核心，而光刻光源是光刻设备的重要组成。根据瑞利判据，光源的波长越短，其提供的光刻分辨率越高，现阶段，波长13.5nm的极紫外光(Extreme Ultra-Violet Light，EUVL)成为备受关注的光刻光源。激光诱导等离子体(Laser-Produced Plasma，LPP)可产生极紫外光，采用高重频、窄脉宽、高功率的长波激光辐照预设靶，诱发等离子体辐射波长13.5nm光是产生极紫外光的主流技术途径。

获得高重频、窄脉宽、高功率的激光主要采用主振荡功率放大(MasterOscillator Power-Amplifier，MOPA)的技术，即高重频、窄脉宽的种子激光经多级激光放大器进行放大功率，获得高功率激光。在极紫外光刻光源应用领域，对数十kHz的高重频、窄脉宽激光功率的稳定性的要求极高，要求每个激光脉冲必须能有效击中预设靶，因此要求高重频、窄脉宽激光每个脉冲能量要十分稳定，且脉冲波形不能畸变。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光功率稳定方法及一种激光功率放大系统，能够消除窄脉宽激光脉冲的前沿噪声，可有效提升输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光功率稳定方法，应用的激光功率放大系统包括激光产生装置、第一光调制装置、偏振元件和光放大装置，所述激光产生装置用于产生种子激光脉冲并将种子激光脉冲输入到所述第一光调制装置，所述第一光调制装置用于改变通过光的偏振态，所述偏振元件用于阻止被所述第一光调制装置改变偏振态的光通过，所述光放大装置用于将通过所述偏振元件的光放大功率而输出；

所述方法包括：控制所述第一光调制装置改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，所述第一预设时间段对应于所述种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段。

优选的，应用的激光功率放大系统还包括设置在所述偏振元件和所述光放大装置之间光路上的光阑、第二光调制装置，所述第二光调制装置用于将通过光的传输方向偏转，所述光阑用于阻止由所述光放大装置传播来的、被所述第二光调制装置偏转的光通过；

所述方法还包括：控制所述第二光调制装置将在第二预设时间段内由所述光放大装置传播来的光偏转，所述第二预设时间段对应于所述种子激光脉冲主峰与下一所述种子激光脉冲主峰间隙的时间段。

优选的，所述光阑的孔径大小与所述种子激光脉冲的光束直径一致。

优选的，所述第二预设时间段具体对应于所述种子激光脉冲主峰的结束时刻到下一所述种子激光脉冲主峰起始时刻超前预设时间的时刻之间的时间段。

优选的，所述第二光调制装置包括声光调制器，该声光调制器在施加电信号时等效于体布拉格光栅。

优选的，所述第一光调制装置具体用于将通过光的偏振态旋转第一预设角度，使得旋转后光的偏振态与所述种子激光脉冲主峰的偏振态正交。

优选的，所述种子激光脉冲入射到所述偏振元件的入射角度与所述种子激光脉冲的布儒斯特角一致。

一种激光功率放大系统，包括激光产生装置、第一光调制装置、偏振元件、光放大装置和控制装置，所述激光产生装置用于产生种子激光脉冲并将种子激光脉冲输入到所述第一光调制装置，所述第一光调制装置用于改变通过光的偏振态，所述偏振元件用于阻止被所述第一光调制装置改变偏振态的光通过，所述光放大装置用于将通过所述偏振元件的光放大功率而输出；

所述控制装置用于控制所述第一光调制装置改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，所述第一预设时间段对应于所述种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段。

优选的，还包括设置在所述偏振元件和所述光放大装置之间光路上的光阑、第二光调制装置，所述第二光调制装置用于将通过光的传输方向偏转，所述光阑用于阻止由所述光放大装置传播来的、被所述第二光调制装置偏转的光通过；

所述控制装置还用于控制所述第二光调制装置将在第二预设时间段内由所述光放大装置传播来的光偏转，所述第二预设时间段对应于所述种子激光脉冲主峰与下一所述种子激光脉冲主峰间隙的时间段。

优选的，所述控制装置具体用于依次分别向所述激光产生装置、所述第一光调制装置、所述第二光调制装置输出方波信号以分别控制各个装置工作，单个方波信号的占空比可调，各个方波信号之间的时间间隔可调。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种激光功率稳定方法，激光产生装置产生种子激光脉冲，第一光调制装置用于改变通过光的偏振态，偏振元件用于阻止被第一光调制装置改变偏振态的光通过，光放大装置用于将通过偏振元件的光放大功率而输出。触发激光产生装置产生种子激光脉冲，并控制第一光调制装置改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，第一预设时间段对应于种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段，即通过第一光调制装置和偏振元件阻止种子激光脉冲的前沿噪声通过，从而消除种子激光脉冲的前沿噪声，能够消除种子激光脉冲的前沿噪声对激光放大功率、光增益扰动的影响，从而能够有效地提升对激光放大功率后输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。

本发明还提供一种激光功率放大系统，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种激光功率放大系统的示意图；

图2为本发明实施例的激光产生装置输出的种子激光脉冲波形图；

图3为本发明又一实施例的一种激光功率放大系统的示意图；

图4为本发明实施例中向激光产生装置、第一光调制装置和第二光调制装置的输出控制时序。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光功率稳定方法，请参考图1，图1为本实施例的一种激光功率放大系统的示意图，应用的激光功率放大系统包括激光产生装置10、第一光调制装置11、偏振元件12和光放大装置13，所述激光产生装置10用于产生种子激光脉冲并将种子激光脉冲输入到所述第一光调制装置11，所述第一光调制装置11用于改变通过光的偏振态，所述偏振元件12用于阻止被所述第一光调制装置11改变偏振态的光通过，所述光放大装置13用于将通过所述偏振元件12的光放大功率而输出。

所述方法包括：控制所述第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，所述第一预设时间段对应于所述种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段。

激光产生装置10产生种子激光脉冲，由于激光产生装置的自身因素，其输出的种子激光脉冲存在前沿噪声，若前沿噪声随激光脉冲主峰进行放大，会产生激光增益扰动，会影响最终输出的激光脉冲的功率稳定性和脉冲能量的稳定性。

本实施例激光功率放大系统中，激光产生装置10产生的种子激光脉冲依次通过第一光调制装置11、偏振元件12和光放大装置13。触发激光产生装置10产生种子激光脉冲，并控制第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，第一预设时间段对应于种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段，即通过第一光调制装置11和偏振元件12阻止种子激光脉冲的前沿噪声通过，从而消除种子激光脉冲的前沿噪声，能够消除前沿噪声对激光放大功率、光增益扰动的影响，从而能够有效地提升对激光放大功率后输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。

激光产生装置10可以采用电光腔倒空激光器，能够产生符合要求的高重频、窄脉宽的种子激光。但受腔内光电器件退偏振特性的影响，该类激光器输出的激光脉冲前沿噪声明显。激光产生装置10可以是但不限于电光腔倒空CO₂激光器。

可选的，可以通过向第一光调制装置11施加电信号，来控制第一光调制装置11改变通过光的偏振态。当第一光调制装置11施加电信号时，第一光调制装置11能够改变通过光的偏振态，当第一光调制装置11不施加电信号时，不会改变通过光的偏振态。优选的，第一光调制装置11可采用电光普克尔盒，电光普克尔盒具有响应时间超快的优势，能够提高系统的响应速率。

优选的，第一光调制装置11可具体用于将通过光的偏振态旋转第一预设角度，使得旋转后光的偏振态与所述种子激光脉冲主峰的偏振态正交。种子激光脉冲的前沿噪声与种子激光脉冲主峰的偏振态相同，通过控制第一光调制装置11改变种子激光脉冲的前沿噪声的偏振态，使种子激光脉冲的前沿噪声与其主峰的偏振态正交，进而通过偏振元件12阻挡前沿噪声通过。示例性的，第一预设角度可以是90度，种子激光脉冲主峰和前沿噪声是P偏振态光，将前沿噪声的偏振光的振动面旋转90度后成为S偏振态光，偏振元件12对S偏振态光具有高反射作用。

可选的，偏振元件12可使用检偏器。示例性的，偏振元件12可使用对S偏振态光高反射、对P偏振态光高透射的光学元件，使得能够允许种子激光脉冲主峰透射通过，而将改变偏振态的前沿噪声反射掉。优选的，可设置种子激光脉冲入射到偏振元件12的入射角度与种子激光脉冲的布儒斯特角一致，这样设置角度，易于提升P偏振态光的透射率和S偏振态光的反射率。

光放大装置13用于将通过偏振元件12的光放大功率而输出。可选的，光放大装置13可使用射频波导CO₂激光放大器、射频板条CO₂激光放大器、快轴流CO₂激光放大器或者横流CO₂激光放大器，但不限于此，光放大装置13也可使用其它类型的光放大装置，都在本发明保护范围内。

在实际应用中，可以通过向激光产生装置10、第一光调制装置12输出触发信号，实现触发激光产生装置10产生种子激光脉冲以及控制第一光调制装置11改变通过光的偏振态。可选的请参考图1，可以通过控制装置16向激光产生装置10、第一光调制装置12输出触发信号。请参考图2，图2为本实施例的激光产生装置输出的种子激光脉冲波形图，如图所示，1为向激光产生装置10输入的触发信号，以控制激光产生装置10输出种子激光脉冲，3为输出的种子激光脉冲的前沿噪声。2为输出的种子激光脉冲主峰，是要被放大的激光部分。本方法控制第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，第一预设时间段对应于种子激光脉冲的前沿噪声3的存在时间段，从而达到消除前沿噪声的效果。

本发明又一实施例提供一种激光功率稳定方法，请参考图3，图3为本实施例的一种激光功率放大系统的示意图，在上述实施例的基础上，应用的激光功率放大系统还包括设置在所述偏振元件12和所述光放大装置13之间光路上的光阑15、第二光调制装置14。第二光调制装置14用于将通过光的传输方向偏转，所述光阑15用于阻止由所述光放大装置13传播来的、被所述第二光调制装置14偏转的光通过。

本实施例的激光功率稳定方法包括以下步骤：

S201：控制所述第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，所述第一预设时间段对应于所述种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段。

S202：控制所述第二光调制装置14将在第二预设时间段内由所述光放大装置13传播来的光偏转，所述第二预设时间段对应于所述种子激光脉冲主峰与下一所述种子激光脉冲主峰间隙的时间段。

光放大装置13产生的后向散射光将导致激光增益扰动，会影响最终输出的激光脉冲的功率稳定性和脉冲能量的稳定性。

本实施例激光功率放大系统中，激光产生装置10产生的种子激光脉冲依次通过第一光调制装置11、偏振元件12、光阑15、第二光调制装置14和光放大装置13。触发激光产生装置10产生种子激光脉冲，并控制第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，第一预设时间段对应于种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段，即通过第一光调制装置11和偏振元件12阻止种子激光脉冲的前沿噪声通过，从而消除种子激光脉冲的前沿噪声。并且，控制第二光调制装置14将在第二预设时间段内由光放大装置13传播来的光偏转，第二预设时间段对应于种子激光脉冲主峰与下一种子激光脉冲主峰间隙的时间段，即通过第二光调制装置14和光阑15阻止在两个激光脉冲主峰间隙的、由光放大装置13产生的后向散射光通过，从而消除光放大装置的后向散射光。从而本方法能够消除前沿噪声和后向散射光对激光放大功率、光增益扰动的影响，从而能够有效地提升对激光放大功率后输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。

优选的，光阑15的孔径大小与种子激光脉冲的光束直径一致。通过光阑15遮挡由光放大装置13传播来的、被第二光调制装置14偏转的光。优选的，光阑15可采用孔径可调式金属光阑。

可选的，可通过向第二光调制装置14施加电信号，来控制第二光调制装置14偏转通过光的传输方向。当第二光调制装置14施加电信号时，能够将通过光的传输方向偏转一定角度，使得偏转后光无法通过光阑15。当第二光调制装置14不施加电信号时，激光可自由通过。通过第二光调制装置14在两个种子激光脉冲主峰的间隙偏转光，使其仅在两个种子激光脉冲主峰的间隙工作，不影响激光脉冲传输进入光放大装置。通过第二光调制装置14和光阑15组合，能够有效地阻断光放大装置13的后向散射光。可选的，第二光调制装置14可以采用声光调制器，该声光调制器在施加电信号时等效于体布拉格光栅。

第二预设时间段对应于种子激光脉冲主峰与下一种子激光脉冲主峰间隙的时间段，在实际应用中，可将第二预设时间段具体对应于种子激光脉冲主峰的结束时刻到下一种子激光脉冲主峰起始时刻超前预设时间的时刻之间的时间段，这样有助于保证激光脉冲主峰能够完整传输到光放大装置。

在以上各实施例中，可以通过向激光产生装置10、第一光调制装置12、第二光调制装置14输出触发信号，实现触发激光产生装置10产生种子激光脉冲、控制第一光调制装置11改变通过光的偏振态以及控制第二光调制装置14偏转通过光的传输方向。可选的请参考图3，可以通过控制装置16向激光产生装置10、第一光调制装置12、第二光调制装置14输出触发信号。

示例性的，可以向激光产生装置10、第一光调制装置12、第二光调制装置14分别输出三个方波信号，依次分别向激光产生装置10、第一光调制装置12、第二光调制装置14输出方波信号，单个方波信号的占空比可调，各个方波信号之间的时间间隔可调。请结合参考图2和图4，图4为本实施例中向激光产生装置、第一光调制装置和第二光调制装置的输出控制时序。如图所示，1为向激光产生装置10输出的触发信号，以控制激光产生装置10输出种子激光脉冲，3为输出的种子激光脉冲的前沿噪声。2为输出的种子激光脉冲主峰，是要被放大的激光部分。

在图4中，4为向第一光调制装置11输出的触发信号，用于控制向第一光调制装置11施加电信号，其高电平宽度完全覆盖激光脉冲的前沿噪声3，且其下降沿与激光脉冲主峰2上升起始时刻重合。5为向第二光调制装置14输出的触发信号，用于控制向第二光调制装置14施加电信号，其上升沿时间与激光脉冲主峰2的结束时刻重合，下降沿超前下一个激光脉冲主峰约2μs。

相应的，本发明实施例还提供一种激光功率放大系统，请参考图1，图1为本实施例提供的一种激光功率放大系统的示意图，激光功率放大系统包括激光产生装置10、第一光调制装置11、偏振元件12、光放大装置13和控制装置16，所述激光产生装置10用于产生种子激光脉冲并将种子激光脉冲输入到所述第一光调制装置11，所述第一光调制装置11用于改变通过光的偏振态，所述偏振元件12用于阻止被所述第一光调制装置11改变偏振态的光通过，所述光放大装置13用于将通过所述偏振元件12的光放大功率而输出。

所述控制装置16用于控制所述第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，所述第一预设时间段对应于所述种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段。

激光产生装置10产生种子激光脉冲，由于激光产生装置的自身因素，其输出的种子激光脉冲存在前沿噪声，若前沿噪声随激光脉冲主峰进行放大，会产生激光增益扰动，会影响最终输出的激光脉冲的功率稳定性和能量稳定性。

本实施例激光功率放大系统中，激光产生装置10产生的种子激光脉冲依次通过第一光调制装置11、偏振元件12和光放大装置13。触发激光产生装置10产生种子激光脉冲，并控制第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，第一预设时间段对应于种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段，即通过第一光调制装置11和偏振元件12阻止种子激光脉冲的前沿噪声通过，从而消除种子激光脉冲的前沿噪声，能够消除前沿噪声对激光放大功率、光增益扰动的影响，从而能够有效地提升对激光放大功率后输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。

进一步优选的，本发明又一实施例还提供一种激光功率放大系统，在上述实施例的基础上，请参考图3，图3为本实施例提供的一种激光功率放大系统的示意图，所述激光功率放大系统还包括设置在所述偏振元件12和所述光放大装置13之间光路上的光阑15、第二光调制装置14。第二光调制装置14用于将通过光的传输方向偏转，所述光阑15用于阻止由所述光放大装置13传播来的、被所述第二光调制装置14偏转的光通过。

所述控制装置16还用于控制所述第二光调制装置14将在第二预设时间段内由所述光放大装置13传播来的光偏转，所述第二预设时间段对应于所述种子激光脉冲主峰与下一所述种子激光脉冲主峰间隙的时间段。

光放大装置13产生的后向散射光将导致激光增益扰动，会影响最终输出的激光脉冲的功率稳定性和脉冲能量的稳定性。

本实施例激光功率放大系统中，激光产生装置10产生的种子激光脉冲依次通过第一光调制装置11、偏振元件12、光阑15、第二光调制装置14和光放大装置13。触发激光产生装置10产生种子激光脉冲，并控制第一光调制装置11改变在第一预设时间段内通过光的偏振态，第一预设时间段对应于种子激光脉冲的前沿噪声的存在时间段，即通过第一光调制装置11和偏振元件12阻止种子激光脉冲的前沿噪声通过，从而消除种子激光脉冲的前沿噪声。并且，控制第二光调制装置14将在第二预设时间段内由光放大装置13传播来的光偏转，第二预设时间段对应于种子激光脉冲主峰与下一种子激光脉冲主峰间隙的时间段，即通过第二光调制装置14和光阑15阻止在两个激光脉冲主峰间隙的、由光放大装置13产生的后向散射光通过，从而消除光放大装置的后向散射光。从而本系统能够消除前沿噪声和后向散射光对激光放大功率、光增益扰动的影响，从而能够有效地提升对激光放大功率后输出的窄脉宽激光功率的稳定性以及各个脉冲能量的稳定性。

本实施例的激光功率放大系统的激光产生装置、第一光调制装置、偏振元件、光放大装置、光阑、第二光调制装置、控制装置的具体实施方式均可参考上述关于激光功率稳定方法的详细描述内容。

在一种具体实施例中，激光产生装置10采用电光腔倒空CO₂激光器，其输出的激光脉冲波形如图2所示，激光脉冲主峰的全波半高宽约20ns，前沿噪声宽度约50ns，重复频率＞10khz。

第一光调制装置11采用电光普克尔盒，采用碲化镉晶体，有效通光孔径为9mm，偏振消光比大于500：[email protected]μm,其响应时间超快(约7ns)，单次加压工作时间不能超过3μs，半波电压约8kV。

偏振元件12采用硒化锌材质的镀膜片，以布儒斯特角(67.8°)布置，消光比大于200：[email protected]μm。

第二光调制装置14采用声光调制器，采用Ge声光器件，有效通光孔径9mm，1级衍射光＞90％，受超声波在Ge晶体内传输速度限制，其响应时间约300ns，但其单次加压工作时间不受限制。

光放大装置13采用射频轴流CO₂激光放大器，激励功率20kW，两端由高透射的硒化锌窗口片密封，增益区孔径21mm，长度约4.5m。

控制装置16采用同步触发器，采用4通道信号发生器。通过精密调控各触发信号时间与占空比，可有效降低高重频窄脉宽种子激光输出前沿噪声和激光放大器的后向散射光对激光增益的扰动影响，提升激光功率稳定性。

本实施例的激光功率稳定方法及激光功率放大系统，可解决现阶段激光器功率闭环控制稳定性方法中响应时间慢的难题，可有效提升高重频、窄脉宽激光器功率/脉冲能量稳定性，满足EUV光刻光源中激光打靶功率稳定性的要求。

以上对本发明所提供的一种激光功率稳定方法及激光功率放大系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。