一種采用mopa結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)，包括主振蕩腔(MO)、功率放大腔(PA)、線寬壓窄模塊(LNM)、輸出耦合器(1)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)，氣體激光器放大系統(tǒng)還包括第三反射鏡(6)和第四反射鏡(7)，經(jīng)由輸出耦合器(1)從主振蕩腔(MO)輸出的種子光由第一反射鏡(4)和第二反射鏡(5)反射入功率放大腔(PA)中；第三反射鏡(6)和第四反射鏡(7)分別位于功率放大腔(PA)的外部的兩端，并使其反射面垂直于功率放大腔(PA)的長(zhǎng)度方向；進(jìn)入功率放大腔(PA)的種子光在第三反射鏡(6)和第四反射鏡(7)間多次反射，從第三反射鏡(6)的缺口處輸出。本發(fā)明性能穩(wěn)定、成本低廉且光路易于調(diào)整。
【專利說(shuō)明】一種采用MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)，尤其適用于準(zhǔn)分子激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]準(zhǔn)分子激光具有短波長(zhǎng)和大功率的特點(diǎn)，使其成為目前大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路光刻的主要光源。隨著光刻對(duì)光源輸出功率和線寬要求的提高，單腔結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)分子激光器不能同時(shí)滿足高功率和窄線寬的要求。而雙腔結(jié)構(gòu)的主振-振蕩放大技術(shù)的出現(xiàn)，解決了高輸出功率和窄線寬不可兼得的矛盾。其基本思想是利用種子激光器產(chǎn)生小能量且窄線寬的種子光，注入到放大腔進(jìn)行能量放大，輸出大能量脈沖激光，從而得到窄線寬、大功率的優(yōu)質(zhì)激光束。
[0003]氣體激光器放大系統(tǒng)最先采用的是MOPA (Master oscillator power amplifier)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，傳統(tǒng)的MOPA結(jié)構(gòu)的激光器放大系統(tǒng)包括主振蕩腔MO、功率放大腔PA、線寬壓窄模塊LNM、輸出耦合器1、四角棱鏡Pl和若干反射鏡(反射鏡4、5)。
[0004]主振蕩腔(MO)用于產(chǎn)生種子光，線寬壓窄模塊(LNM)用于線寬壓窄和波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，輸出耦合器(I)用于與線寬壓窄模塊(LNM)構(gòu)成激光器諧振腔，可見，MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)就是將主振蕩腔MO獲得的小能量且窄線寬的優(yōu)質(zhì)種子光，在功率放大腔PA中進(jìn)行一次或者兩次的放大，從而得到窄線寬、大功率的優(yōu)質(zhì)激光輸出。
[0005]在MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)中，由于種子光只有兩次通過(guò)功率放大腔PA進(jìn)行放大，所以放大倍率不高，為了獲得更高的放大能量輸出，經(jīng)線寬壓窄處理后的主振蕩腔MO需要輸出約ImJ的優(yōu)質(zhì)種子光傳遞到功率放大腔PA，同時(shí)由于線寬壓窄導(dǎo)致的低轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致只有通過(guò)大能量的放電激勵(lì)來(lái)使MO腔獲得更高的能量輸出，然而這種大能量的放電激勵(lì)會(huì)導(dǎo)致主振蕩腔MO的壽命明顯偏低。另外，從功率放大腔PA獲得的放大后的激光輸出受到主振蕩腔MO和功率放大腔PA放電同步抖動(dòng)影響較大，從而導(dǎo)致激光能量輸出穩(wěn)定性很難提聞。
[0006]傳統(tǒng)的MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的功率放大腔PA中采用了一個(gè)四角棱鏡，該棱鏡成本非常高，加工難度大，并且其光路調(diào)整難度很高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性不高、元件成本高、加工難度大和光路不易調(diào)整的問(wèn)題。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明提出一種采用MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)，包括主振蕩腔、功率放大腔、線寬壓窄模塊、輸出耦合器、第一反射鏡、第二反射鏡，其特征在于:所述氣體激光器放大系統(tǒng)還包括第三反射鏡和第四反射鏡，其中，經(jīng)由所述輸出耦合器從所述主振蕩腔)輸出的種子光由第一反射鏡和第二反射鏡反射入所述功率放大腔中；所述第三反射鏡和第四反射鏡分別位于所述功率放大腔的外部的兩端，并使其反射面垂直于所述功率放大腔的長(zhǎng)度方向；所述進(jìn)入功率放大腔的種子光在所述第三反射鏡和第四反射鏡間多次反射，從所述第三反射鏡的缺口處輸出。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述第二反射鏡的法線與功率放大腔的長(zhǎng)度方向所成的角度為為45°?46°之間。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述第一反射鏡與第二反射鏡均為45°全反鏡。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述第三反射鏡與第四反射鏡均為0°全反鏡。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，還包括柱面鏡和凹面鏡，從所述輸出耦合器輸出的種子光依次經(jīng)過(guò)柱面鏡和凹面鏡后入射到所述第一反射鏡。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述柱面鏡及凹面鏡共焦，以使從所述凹面鏡的出射光為平行光。
[0016](三)有益效果
[0017]本發(fā)明提出的MOPA結(jié)構(gòu)，采用的是多程功率放大，其顯著特點(diǎn)是種子光首先經(jīng)過(guò)整形后注入放大腔，在放大腔中停留時(shí)間長(zhǎng)，且放大腔工作在飽和狀態(tài)，因此效率更高、能量更大且輸出更穩(wěn)定,并且不需要主振蕩腔的輸出很高的能量。
[0018]本發(fā)明效率高、輸出能量大、輸出能量穩(wěn)定、輸出脈寬寬，并且該結(jié)構(gòu)對(duì)種子光進(jìn)行了整形，大幅減小了種子光的尺寸，經(jīng)過(guò)功率放大腔的多程放大以后，輸出光斑具有與種子光相當(dāng)?shù)某叽?，在獲得大能量激光輸出的同時(shí)大幅提高了輸出光的能量密度。
[0019]本發(fā)明用平面反射鏡替代傳統(tǒng)方案光路中加工及調(diào)整難度非常大的四角棱鏡，使得光路更為簡(jiǎn)潔，光路調(diào)整難度更低，同時(shí)降低了整體結(jié)構(gòu)的成本及維修成本。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的采用兩次放大技術(shù)的傳統(tǒng)MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的光路圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的采用四次放大技術(shù)的MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的光路圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的采用六次放大技術(shù)的MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的光路圖；
[0023]圖4為本發(fā)明的采用八次放大技術(shù)的MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的光路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]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。
[0025]針對(duì)已經(jīng)存在的技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)及不足之處，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的采用MOPA結(jié)構(gòu)的激光器放大系統(tǒng)。
[0026]圖2為本發(fā)明的采用四次放大技術(shù)的MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的光路圖。如圖2所示，該實(shí)施例的氣體激光器放大系統(tǒng)除了包括主振蕩腔MO、功率放大腔PA、線寬壓窄模塊LNM、輸出稱合器1、第一反射鏡4和第二反射鏡5之外,還包括柱面鏡2、凹面鏡3，以及第三反射鏡6和第四反射鏡7。各反射鏡均優(yōu)選為全反射鏡。該實(shí)施例中的第一反射鏡4與第二反射鏡5均為45°全反鏡，第三反射鏡6與第四反射鏡7均為0°全反鏡。并且，第三反射鏡6和第四反射鏡7分別位于功率放大腔PA的外部的兩端，并使其反射面垂直于功率放大腔的長(zhǎng)度方向(光入射端和輸出端的連線方向)。
[0027]經(jīng)由輸出耦合器I從主振蕩腔MO輸出的種子光依次經(jīng)過(guò)柱面鏡2和凹面鏡3后由第一反射鏡4和第二反射鏡5反射入功率放大腔PA中。與圖1所示的傳統(tǒng)的激光器放大系統(tǒng)相比，本發(fā)明首先對(duì)主振蕩腔MO輸出的種子光進(jìn)行整形，整形前主振蕩腔MO輸出的種子光為矩形，其長(zhǎng)寬比較大，一般為5左右。本發(fā)明中，從主振蕩腔MO的輸出耦合器I輸出的種子光首先經(jīng)過(guò)一個(gè)柱面鏡2，對(duì)其長(zhǎng)方向進(jìn)行聚焦，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)凹面鏡3進(jìn)行準(zhǔn)直，柱面鏡2及凹面鏡3共焦，從而滿足從凹面鏡3的出射光為平行光。通過(guò)選擇柱面鏡2及凹面鏡3的焦距，可以滿足經(jīng)過(guò)二者整形后的光斑為一個(gè)與原種子光寬度方向尺寸相同的正方形光斑，從而大大減小了種子光的尺寸。
[0028]經(jīng)過(guò)整形后的種子光，經(jīng)過(guò)第一反射鏡4與第二反射鏡5的反射后進(jìn)入功率放大腔PA，其中第一反射鏡4的法線與光軸成45°角，第二反射鏡5的法線與功率放大腔PA的長(zhǎng)度方向所成的角度為略大于45°，優(yōu)選為45°?46°，例如該實(shí)施例中為45.7°角，這樣進(jìn)入功率放大腔PA的種子光就會(huì)以一個(gè)很小的入射角(優(yōu)選小于1° )在兩個(gè)豎直放置的作為0°高反鏡的第三反射鏡6和第四反射鏡7間多次反射，然后從第三反射鏡6的缺口處得到激光輸出。
[0029]圖3和圖4分別顯示了另外兩個(gè)實(shí)施例的激光器放大系統(tǒng)的光路圖。與圖2不同的是，圖3和圖4所示的實(shí)施例中，第二反射鏡5的角度進(jìn)行了微小的調(diào)整，第二反射鏡5的法線與PA腔長(zhǎng)度方向的角度分別為45.6°角和45.5°角。
[0030]如圖2、3、4所示，通過(guò)微調(diào)反射鏡5的俯仰角可以使種子光在功率放大腔PA內(nèi)分別獲得四次、六次、八次放大。圖2、3、4中的黑線代表的是激光的實(shí)際尺寸，可以看出，輸出的激光尺寸沒(méi)有明顯展寬，幾乎與整形后的種子光的尺寸相同，因此在提高了輸出能量的同時(shí)大幅提高了輸出光的能量密度。
[0031]本發(fā)明中調(diào)整反射鏡5的俯仰角度，可以改變整形后的種子光進(jìn)入功率放大腔PA后傳到反射鏡7的入射角，通過(guò)入射角的改變，可以調(diào)整種子光在功率放大腔PA中的傳播次數(shù)。因此與傳統(tǒng)的MOPA結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明中種子光在功率放大腔PA中獲得的放大次數(shù)大大增加，并且通過(guò)調(diào)整反射鏡5的俯仰可以控制種子光在功率放大腔PA中的反射次數(shù)，從而獲得不同能量水平的激光輸出。由于種子光在功率放大腔PA中的反射次數(shù)的增加，可以使其獲得足夠的放大從而使輸出光的能量穩(wěn)定性有顯著提高，并且輸出光的脈沖寬度也相應(yīng)展寬。由于本發(fā)明中反射鏡6、7構(gòu)成諧振腔取代了傳統(tǒng)MOPA結(jié)構(gòu)中的加工及調(diào)整難度非常大、成本非常高的四角棱鏡，從而使得本發(fā)明所涉及的改進(jìn)后的光路更為簡(jiǎn)潔，光路調(diào)整難度更低，同時(shí)降低了整體結(jié)構(gòu)的成本及維修成本。
[0032]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，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】
1.一種采用MOPA結(jié)構(gòu)的氣體激光器放大系統(tǒng)，包括主振蕩腔(MO)、功率放大腔(PA)、線寬壓窄模塊(LNM)、輸出稱合器(I)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5),其特征在于:所述氣體激光器放大系統(tǒng)還包括第三反射鏡(6)和第四反射鏡(7)，其中， 經(jīng)由所述輸出耦合器⑴從所述主振蕩腔(MO)輸出的種子光由第一反射鏡⑷和第二反射鏡(5)反射入所述功率放大腔(PA)中； 所述第三反射鏡(6)和第四反射鏡(7)分別位于所述功率放大腔(PA)的外部的兩端，并使其反射面垂直于所述功率放大腔(PA)的長(zhǎng)度方向； 所述進(jìn)入功率放大腔(PA)的種子光在所述第三反射鏡(6)和第四反射鏡(7)間多次反射，從所述第三反射鏡(6)的缺口處輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器放大系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反射鏡(5)的法線與所述功率放大腔(PA)的長(zhǎng)度方向所成的角度為45°?46°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器放大系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射鏡(4)與第二反射鏡(5)均為45°全反鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器放大系統(tǒng)，其特征在于，所述第三反射鏡(6)與第四反射鏡(7)均為0°全反鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體激光器放大系統(tǒng)，其特征在于，還包括柱面鏡(2)和凹面鏡(3)，從所述輸出耦合器⑴輸出的種子光依次經(jīng)過(guò)柱面鏡⑵和凹面鏡(3)后入射到所述第一反射鏡(I)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氣體激光器放大系統(tǒng)，其特征在于，所述柱面鏡(2)及凹面鏡(3)共焦，以使從所述凹面鏡(3)的出射光為平行光。
【文檔編號(hào)】H01S3/082GK104242030SQ201310228520
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2013年6月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月8日
【發(fā)明者】沙鵬飛, 單耀瑩, 丁金濱, 趙江山, 彭卓君, 宋興亮, 李慧, 鮑洋, 周翊, 王宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院