阅读说明：本技术 一种程数可控的二氧化碳激光放大装置 (Controllable carbon dioxide laser amplification device of journey number ) 是由 孙俊杰 潘其坤 郭劲 陈飞 张阔 于德洋 张鲁薇 何洋 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种程数可控的二氧化碳激光放大装置,包括：种子激光器,用于输出或结合偏振元件输出线偏振激光光束；薄膜偏振片,用于将激光光束透射或反射；环形放大器,用于通过环形腔轴流激光放大结构放大激光能量,并注入光束变换系统；光束变换系统,用于将激光光束进行准直及尺寸变换后注入电光开关；电光开关,用于通过调控驱动电压动态调节激光光束的放大程数。这样利用环形腔轴流激光放大结构,有效抑制自激振荡,提高激光放大效率,同时环形放大器结构紧凑,有效减小体积；结合偏振控制元件、光束变换系统与电光开关,可实现任意程数的放大,放大程数控制灵活,在单一激光放大器内实现高增益的激光放大,且对注入种子光功率要求较低。(The application discloses controllable carbon dioxide laser amplification device of journey number includes: the seed laser is used for outputting or combining the polarized laser beam output by the polarization element; a thin film polarizer for transmitting or reflecting the laser beam; the annular amplifier is used for amplifying laser energy through the annular cavity axial flow laser amplification structure and injecting the laser energy into the beam transformation system; the beam transformation system is used for collimating and transforming the laser beam and injecting the laser beam into the electro-optical switch; and the electro-optical switch is used for dynamically adjusting the amplification path number of the laser beam by regulating and controlling the driving voltage. Therefore, the annular cavity axial flow laser amplification structure is utilized, the self-oscillation is effectively inhibited, the laser amplification efficiency is improved, and meanwhile, the annular amplifier has a compact structure and effectively reduces the volume; the polarization control element, the beam transformation system and the electro-optical switch are combined, amplification of any number of stages can be realized, the control of the number of amplification stages is flexible, high-gain laser amplification is realized in a single laser amplifier, and the requirement on the power of injected seed light is low.)

一种程数可控的二氧化碳激光放大装置

技术领域

本发明涉及极紫外光刻光源技术领域，特别是涉及一种程数可控的二氧化碳激光放大装置。

背景技术

采用波长13.5nm极紫外光的投影光刻技术，被认为是实现短波长光刻工艺的主流技术途径。其实现方法包括但不限于二氧化碳激光照射液滴锡靶产生等离子体进而辐射13.5nm极紫外光，该方法具有转换效率高、产生碎片少等优势，是目前较为成熟的13.5nm极紫外光产生技术方案。

激光产生等离子体辐射极紫外光要求驱动二氧化碳激光器输出高功率、高重复频率、短脉冲的二氧化碳激光。目前，增益开关脉冲二氧化碳激光器和横流激励大气压二氧化碳激光器不能达到重复频率要求，机械调Q激光器不能满足短脉宽要求。因此，常用的技术途径为采用重复频率高、脉宽短的电光调Q激光器作为种子源，经过多个激光放大器实现高重复频率、短脉冲激光的功率放大。

现有二氧化碳激光放大技术，主要采用单程轴流激光放大技术、单程或多程横流放大技术以及多程板条放大技术。单程轴流激光放大技术将传统轴流二氧化碳激光器的腔镜替换为窗口镜，种子激光从一侧窗口镜注入，经过轴流激光放大腔进行激光放大，由另一侧窗口镜输出。这种解决方案可以实现对连续激光、脉冲激光的放大，但是种子激光单次通过激光放大腔，激光增益提取效率受限。横流放大技术与轴流放大技术类似，根据横流二氧化碳激光器原理，结构上将激光器中的谐振腔镜更换为放大腔镜，以实现对注入种子激光的功率放大，由于横流二氧化碳激光放大器通道截面大，因此合理设计放大腔镜可以实现单程或多程激光放大。然而，受限于放电电极尺寸，单个横流激光放大器放大次数有限，目前公开报道最高放大程数为5程，并且，激光光束直径随放大程数的增加而增大，同样会对放大次数产生限制。板条放大技术采用平板电极作为激光器的波导电极，电极面积大，间距通常为毫米量级，平板电极良好的扩散冷却效果可保证放大器稳定工作。设计放大腔镜参数，并使种子激光以特定角度入射，可以实现约10程激光放大。由于极板间距小，这种实现方案要求同时兼顾光束尺寸与放大激光多次经反射镜反射过程中的空间位置，这需要对反射镜参数、反射镜角度等提出很高要求，此外，只有具有特定光束发散角、特定束腰位置的种子激光注入才能实现上述多程放大，且参数窗口非常狭窄。并且，在多程放大过程中，受限于极板间距，激光光斑的变形会导致输出激光光束质量劣化，需配备复杂的光束整形系统以获得高光束质量激光输出。

二氧化碳介质固有的小信号增益很低，多程放大可实现较高的功率增益。上述三个实现方案受结构限制，注入种子光放大次数有限，且系统设计完成后，种子激光通过增益介质的次数无法动态调节。若想实现高功率激光放大，需多级放大器串联，体积重量庞大且系统功耗大。此外，上述放大技术均利用线性腔结构，特别是后两种技术腔镜反射率较高，极易引发自激振荡，严重影响激光放大效率，不利于激光系统的运行。

因此，如何解决单程激光放大器放大增益低、多程激光放大器放大程数受限、多级放大器串联体积重量大的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种程数可控的二氧化碳激光放大装置，可有效抑制自激振荡，提高激光放大效率，减小体积，且可实现任意程数的放大。其具体方案如下：

一种程数可控的二氧化碳激光放大装置，包括：

种子激光器，用于输出或结合偏振元件输出线偏振激光光束；

薄膜偏振片，用于将所述种子激光器输出的激光光束经透射后注入环形放大器；

所述环形放大器，用于通过环形腔轴流激光放大结构放大激光能量，并将放大激光能量后的激光光束注入光束变换系统；

所述光束变换系统，用于将所述环形放大器注入的激光光束进行准直及尺寸变换后注入电光开关；

所述电光开关，用于通过调控驱动电压动态调节激光光束的放大程数；

所述薄膜偏振片，还用于将所述电光开关输出的激光光束经反射后注入所述环形放大器或经透射后输出。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述薄膜偏振片的通光口径大于所述种子激光器输出的激光光束的直径；

所述薄膜偏振片对水平线偏振光透射，对垂直线偏振光反射。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述环形放大器包括方形壳体，安装在所述方形壳体四边的轴流二氧化碳放电管，安装在所述方形壳体除放置所述薄膜偏振片的一个角以外的其余三个角的反射镜，安装在所述方形壳体内部的热交换器和风机，以及安装在所述方形壳体输入端和输出端的光学窗口片；其中，

所述轴流二氧化碳放电管，用于通过内部的直流电极激励放电，且放电方向与管内的工作气体的流动方向相同；

所述反射镜，用于改变激光光束传播方向，使激光光束的光轴与所述轴流二氧化碳放电管的轴心重合；

所述热交换器和风机，用于循环和冷却所述工作气体，使所述工作气体在所述轴流二氧化碳放电管内以一定速度流动并释放气体放电所产生的热量；

所述光学窗口片，用于密封与保护所述工作气体。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述反射镜选用镀有高反膜的非平面镜。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述反射镜为凹面镜。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述光学窗口片采用镀有高透膜的窗口，直径大于激光光束的直径；

安装在所述方形壳体输入端的所述光学窗口片为第一光学窗口片，用于将激光光束注入所述环形放大腔；

安装在所述方形壳体输出端的所述光学窗口片为第二光学窗口片，用于将放大激光能量后的激光光束输出所述环形放大腔，并注入所述光束变换系统。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述光束变换系统位于所述第二光学窗口片和所述电光开关之间，采用望远镜系统。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述电光开关位于所述光束变换系统和所述薄膜偏振片之间，包括长波红外激光波段的双折射晶体和电驱动器。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述电光开关具有一个；

当所述电光开关处于λ/2高电平时，激光光束的偏振方向旋转度数为90度；当所述电光开关处于低电平时，激光光束的偏振方向不变。

优选地，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，所述电光开关具有两个；

当各所述电光开关均处于λ/4高电平时，激光光束的偏振方向同向旋转度数为45度；当各所述电光开关均处于低电平时，激光光束的偏振方向不变。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种程数可控的二氧化碳激光放大装置，包括：种子激光器，薄膜偏振片，环形放大器、光束变换系统和电光开关；其中，种子激光器，用于输出或结合偏振元件输出线偏振激光光束；薄膜偏振片，用于将种子激光器输出的激光光束经透射后注入环形放大器，还用于将电光开关输出的激光光束经反射后注入环形放大器或经透射后输出；环形放大器，用于通过环形腔轴流激光放大结构放大激光能量，并将放大激光能量后的激光光束注入光束变换系统；光束变换系统，用于将环形放大器注入的激光光束进行准直及尺寸变换后注入电光开关；电光开关，用于通过调控驱动电压动态调节激光光束的放大程数。

本发明利用环形腔轴流激光放大结构，可有效抑制自激振荡，提高激光放大效率，同时环形放大器结构紧凑，可有效减小体积；结合偏振控制元件、光束变换系统与电光开关，可实现任意程数的放大，放大程数控制灵活，在单一激光放大器内实现高增益的激光放大，且对注入种子光功率要求较低，解决了单程激光放大器放大增益低、多程激光放大器放大程数受限、多级放大器串联体积重量大的问题。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的程数可控的二氧化碳激光放大装置的结构示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种程数可控的二氧化碳激光放大装置，如图1所示，包括：

种子激光器1，用于输出或结合偏振元件输出线偏振激光光束；

薄膜偏振片2，用于将种子激光器1输出的激光光束经透射后注入环形放大器；

环形放大器，用于通过环形腔轴流激光放大结构放大激光能量，并将放大激光能量后的激光光束注入光束变换系统3；

光束变换系统3，用于将环形放大器注入的激光光束进行准直及尺寸变换后注入电光开关4；

电光开关4，用于通过调控驱动电压动态调节激光光束的放大程数；

薄膜偏振片2，还用于将电光开关4输出的激光光束经反射后注入环形放大器或经透射后输出。

在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，利用环形放大器的环形腔轴流激光放大结构，可以有效抑制自激振荡，提高激光放大效率，同时环形放大器结构紧凑，可以有效减小体积；通过种子激光器、薄膜偏振片、环形放大器、光束变换系统和电光开关的相互作用，可以实现放大程数可控的二氧化碳激光的高效放大，即实现任意程数的放大，放大程数控制灵活，在单一激光放大器内实现高增益的激光放大，且对注入种子光功率要求较低，解决了单程激光放大器放大增益低、多程激光放大器放大程数受限、多级放大器串联体积重量大的问题。

需要说明的是，种子激光器1可以选用二氧化碳激光振荡器，包括但不限于腔倒空二氧化碳激光器，可以产生或与偏振元件结合产生线偏振光。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，薄膜偏振片2可以选用碲化镉晶体，对垂直线偏振光反射、水平线偏振光透射，通过匹配其光轴与种子激光器输出的激光光束偏振方向的夹角可实现高反射率或透射率的反射或透射；较佳地，为了使激光光束几乎完全透过薄膜偏振片，薄膜偏振片的通光口径可以大于种子激光器输出的激光光束的直径。

具体地，种子激光器输出线偏振光激光光束，改变入射光的线偏振方向为水平方向，使得激光光束全部透过薄膜偏振片，进而注入环形放大器。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，如图1所示，环形放大器可以包括方形壳体，安装在方形壳体四边的轴流二氧化碳放电管(包括第一轴流二氧化碳放电管11、第二轴流二氧化碳放电管12、第三轴流二氧化碳放电管13、第四轴流二氧化碳放电管14，相连的两个放电管互相垂直)，安装在方形壳体除放置薄膜偏振片2的一个角以外的其余三个角的反射镜(包括第一反射镜21、第二反射镜22、第三反射镜23)，安装在方形壳体内部的热交换器和风机31，以及安装在方形壳体输入端和输出端的光学窗口片(包括第一光学窗口片41、第二光学窗口片42)。

其中，轴流二氧化碳放电管的放大链路中每边可以由至少两根短管串接而成，该短管一般是玻璃或石英材料制成的，工作气体在放电管内流动，该放电管用于通过内部的直流电极激励放电，且放电方向与管内的工作气体的流动方向相同；反射镜，用于改变激光光束传播方向，每一个反射镜将激光光束折转90度，使激光光束的光轴与轴流二氧化碳放电管的轴心重合，形成环形放大腔；热交换器和风机31，用于循环和冷却工作气体，使工作气体在轴流二氧化碳放电管内以一定速度流动并释放气体放电所产生的热量，有利于放大器实现小型化；光学窗口片，用于密封与保护工作气体。

需要注意的是，使用横流二氧化碳增益模块、板条二氧化碳增益模块替代本发明中的轴流二氧化碳放电管，可达到与本发明相同的效果。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，反射镜可以选用镀有高反膜的非平面镜，对激光光束高反。较佳地，反射镜可以为凹面镜，以扩充填充因子，结合激光参数设计其曲率，使得激光在每个放电管中先收缩后发散，避免光束发散后与放电管壁接触影响放大效率，保证在激光放大过程中激光的高光束质量输出。需要说明的是，该反射镜的材料可以选取铜，也可以是其它，在此不做限定。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，光学窗口片为两片对长波红外波段激光高透的窗口片，其尺寸与轴流二氧化碳放电管口径相匹配，较佳地，可以采用镀有高透膜的窗口，直径大于激光光束的直径；安装在方形壳体输入端的光学窗口片为第一光学窗口片41，用于将激光光束注入环形放大腔；安装在方形壳体输出端的光学窗口片为第二光学窗口片42，用于将放大激光能量后的激光光束输出环形放大腔，并注入光束变换系统。需要说明的是，该光学窗口片的材料可以选取硒化锌，也可以是其它，在此不做限定。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，如图1所示，光束变换系统3可以位于第二光学窗口片42和电光开关4之间，采用望远镜系统。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置中，如图1所示，电光开关4可以位于光束变换系统3和薄膜偏振片2之间，包括长波红外激光波段的双折射晶体和电驱动器。

在外加电场的作用下，电光开关4的相位延迟随外加电场的大小改变，随之引起激光偏振态的变化。需要注意的是，电光开关的数量可以根据实际情况而定。

假设电光开关4具有一个，当外加电场为λ/2电压，即电光开关4处于λ/2高电平时，激光光束的偏振方向旋转度数为90度；当外加电场为零，即电光开关4处于低电平时，激光光束的偏振方向不变。具体地，电光开关4处于λ/2高电平时，改变激光光束的偏振方向，即激光偏振态转换为垂直偏振，由于偏振方向改变了90度，因此传输到薄膜偏振片时被反射，再次注入放大器进行第二程放大；当激光光束再次通过电光开关4时，若电光开关4处于低电平，不改变激光光束的偏振方向，即激光偏振态不发生改变，可进行第三程或多程放大；当电光开关再次处于λ/2高电平时，激光偏振态再次发生偏转，传输到薄膜偏振片2时全部透射输出放大系统。

假设电光开关4具有两个，当各电光开关均处于λ/4高电平时，激光光束的偏振方向同向旋转度数为45度；当各子电光开关均处于低电平时，激光光束的偏振方向不变。具体过程可参考上面描述。

下面以一个电光开关为例对本发明实施例提供的上述程数可控的二氧化碳激光放大装置的放大过程进行详细说明：

种子激光器1输出的激光光束被薄膜偏振片2透射后通过第一光学窗口片41进入第一轴流二氧化碳放电管11，被第一反射镜21反射依次经过第二轴流二氧化碳放电管12、第二反射镜22、第三轴流二氧化碳放电管13、第三反射镜23、第四轴二氧化碳流放电管14后，经由第二光学窗口片42输出环形放大器。至此，激光光束完成了第一程放大。而后激光光束注入光学变换系统3。光学变换系统3可以为望远镜系统，对入射光束进行准直扩束。扩束后的激光光束通过电光开关4。电光开关4采用碲化镉晶体，对其施加λ/2电压，激光光束偏振方向旋转90度，由水平偏振光转为垂直偏振光。通过电光开关4的激光光束继续传输到薄膜偏振片2，由于偏振方向旋转了90度被薄膜偏振片2反射，再次注入放大链路，开始第二程放大。与上述传输路径相同，当激光光束第二次通过电光开关4时，如果电光开关4没有外加电场，则激光偏振方向不变仍为垂直偏振光，经薄膜偏振片2反射第三次注入放大链路；如果对电光开关4施加λ/2电压，则激光偏振方向再次旋转90度变为水平偏振光，经薄膜偏振片2透射输出放大链路。进行第三程放大的激光第四次通过电光开关4时，与上述过程相同，电光开关是否施加外加电场决定了激光继续进行下一程放大或输出放大链路。如此往复，可实现放大程数可控的二氧化碳激光高效放大，此外，采用环形腔结构，可有效抑制放大器的自激振荡，提高激光放大效率。

综上，本发明实施例提供的一种程数可控的二氧化碳激光放大装置，包括：种子激光器，薄膜偏振片，环形放大器、光束变换系统和电光开关；其中，种子激光器，用于输出或结合偏振元件输出线偏振激光光束；薄膜偏振片，用于将种子激光器输出的激光光束经透射后注入环形放大器，还用于将电光开关输出的激光光束经反射后注入环形放大器或经透射后输出；环形放大器，用于通过环形腔轴流激光放大结构放大激光能量，并将放大激光能量后的激光光束注入光束变换系统；光束变换系统，用于将环形放大器注入的激光光束进行准直及尺寸变换后注入电光开关；电光开关，用于通过调控驱动电压动态调节激光光束的放大程数。这样利用环形腔轴流激光放大结构，可以有效抑制自激振荡，提高激光放大效率，同时环形放大器结构紧凑，可以有效减小体积；结合偏振控制元件、光束变换系统与电光开关，可以实现任意程数的放大，放大程数控制灵活，在单一激光放大器内实现高增益的激光放大，且对注入种子光功率要求较低，解决了单程激光放大器放大增益低、多程激光放大器放大程数受限、多级放大器串联体积重量大的问题。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的程数可控的二氧化碳激光放大装置进行了详细介绍，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；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。