DD295957A5 - Anordnung zur erzeugung schmalbandiger laserstrahlung hoher leistung vorzugsweise fuer laser mit aktivem volumen rechteckigen querschitts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung schmalbandiger Laserstrahlung hoher Leistung. Ziel ist die moeglichst vollstaendige Nutzung des aktiven Volumens als Modenvolumen und die geringe intensitaetsmaeszige Belastung der eingesetzten optischen Elemente. Aufgabe der Erfindung ist es, die Divergenz der Laserstrahlung derart einzuschraenken, dasz in Verbindung mit winkeldispersiven Elementen eine hochgradige Eingrenzung der Bandbreite bei hoher Ausgangsleistung erreicht wird. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dasz mittels zweier linienfoermig fokussierender Elemente und einer Spaltblende die Divergenz und durch in einer Richtung winkeldispersive Elemente die Bandbreite der Strahlung verringert wird und dasz die Elemente zur Verringerung der Divergenz derart gestaltet und angeordnet sind, dasz das aktive Volumen effektiv genutzt wird bei minimaler Belastung dieser Elemente, was wiederum vergleichsweise hohe Ausgangsleistungen ermoeglicht.{Laserstrahlung; Divergenz; winkeldispersive Elemente; Bandbreite; Modenvolumen; Ausgangsleistung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung schmalbandiger Laserstrahlung hoher Leistung vorzugsweise für Laser mit aktivem Volumen rechteckigen Querschnitts. Die Anordnung ist anwendbar zur Einengung der spektralen Bandbreite eines beliebigen Lasers, wobei ihr Vorzug in der vergleichsweise hohen Ausgangsenergie bei geringer Belastung der eingesetzten optischen Bauteile besteht.

Sie erhält deshalb eine besondere Bedeutung für die Herstellung leistungsstarker schmalbandiger Laserstrahlung und eignet sich aufgrund der sehr effektiven Ausnutzung aktiver Volumina rechteckigen Querschnitts vor allem für transversal angeregte Gaslaser, ζ. Β. Excimer-Laser.

Die Anordnung ist damit in hohem Maße relevant für die Laser-Materialbearbeitung und die UV-Photolithographie, also insbesondere für die Herstellung von Bauelementen der Mikroelektronik auf höchsten Technologieniveaus.

Charakteristik des Standes der Technik

Den grundsätzlichen Zugang zur spektralen Einengung von Laserstrahlung bildet die Verringerung der Divergenz der Strahlung, um winkeldispersive oder frequenzselektive Elemente effektiv einsetzen zu können. Für Resonatoranordnung mit großer Fresnelzahl ist es nur schwer möglich, dies ohne gravierenden Verlust an ausgenutztem aktiven Volumen zu verwirklichen, was wiederum einen drastischen Rückgang der Ausgangsleistung des Lasers nach sich zieht. Dies ist insbesondere für Lösungen zutreffend, die im Laserresonator Lochblenden kleinen Durchmessers (etwa 1 mm) einsetzen (Rev. Sei. Instr. 54 (1983] 845). Es ist auch eine Lösung bekannt, die bei verringerter Divergenz den Ausnutzungsgrad des aktiven Volumens zum Zweck der Leistungssteigerung vergrößert, indem eine Vielzahl von Resonatoren kleiner Fresnelzahl und damit Strahlungsfelder geringer Divergenz quer miteinander durch geeignete Formgebung der Resonatorspiegel verkoppelt werden (DE 3148905). Jedoch sind die Oberflächenform der nötigen Laserspiegel außerordentlich kompliziert und derartige Spiegel nur sehr schwer herstellbar. Zusätzlich ist zu bemerken, daß Kopplungen im Strahlungsfeld eine gewisse Zeitspanne zum Aufbau benötigen, sie also für Impulse von einigen Nanosekunden Dauer, z. B. für Excimer-Laser, nicht effektiv wirksam sind.

Einen anderen Zugang zu Laserstrahlung geringer Divergenz bildet der Einsatz instabiler Resonatoren (FR 7729757), Jedoch sind die resultierende Winkel- und die Intensitätsverteilung im Resonator selbst nicht geeignet, dort Elemente zur spektralen Einengung effektiv einsetzen zu können.

Durch Anordnungen mit Elementen zur k-Raum-Filterung (Kwant. Elektronika 13 (1986) 1,224) gelingt es prinzipiell, in Kombination mit dispergierenden oder frequenzselektiven optischen Elementen Strahlung geringer Bandbreite bei guter Ausnutzung des Modenvolumens zu erzeugen. Allerdings ist die im k-Raum-Filter nötige sehr kleine Lochblende infolge der hohen Energiedichte an dieser Stelle thermisch hochgradig belastet und wird bald zerstört, wodurch die obere Grenze für die Ausgangsleistung eines derartigen Systems gegeben ist, die bei typisch 10% der Leistung im Betrieb ohne k-Raum-Filterung liegt (ebenda).

Insgesamt ist damit den bekannten Anordnungen gemeinsam, daß es ihnen nicht gelingt, sowohl die Forderungen nach effektiver Ersetzbarkeit dispersiver oder frequenzselektiver Elemente als auch die nach einer Ausgangsleistung, die der im Laserbetrieb ohne selektive Elemente nahekommt, gleichzeitig zu befriedigen.

Ziel dor Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Resonatoranordnung für einen beliebigen Laser anzugeben, die es gestattet, vergleichsweise große Ausgangsleistungen pro Winkeleinheit zu erzielen und demgemäß bei Einbau von winkeldispersiven Elementen, z, B. Gittern oder Prismen, in den Resonator die Erzeugung von schmalbandiger Strahlung mit vergleichsweise hoher Strahlungsleistung ermöglicht.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu erstellen, mit deren Hilfe in einem Laserresonator Strahlung mit geringer Divergenz in einer Richtung (entsprechend der Ablenkrichtung von z.B. Gittern oder Prismen) erzeugt wird. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung erfindungsgemäß dadurch, daß in einen Laserresonator zwei Zylinderlinsen und eine Spaltblende oder eine Zylinderlinse und ein Zylinderspiegel und eine Spaltblende oder zwei Zylinderspiegel und eine Spaltblende so in den Laserresonator einjustiert sind, daß die Fokuslinien der Zylinderlinsen bzw. der Zylinderspiegel und die Längsrichtung der Spaltblende zueinander parallel und parallel zur größten Querausdehnung des angeregten Volumens stehen.

Dabei sind die Abstände zwischen den Zylinderlinsen und (oder) zwischen den Zylinderspiegeln in Resonatorachsenrichtung so gewählt, daß eine gemeinsame Brennlinie zwischen beiden Zylinderlinsen oder beiden Zylinderspiegeln gebildet wird. Die Spaltblende wird so in den Resonator eingeordnet, daß ihre Öffnung am Ort dieser gemeinsamen Brennlinie zu liegen kommt. Der Einbau von Gittern oder Prismen oder anderer frequenzselektiver Elemente in einen Laserresonator zur Erzeugung schmalbandiger Laserstrahlung ist an sich bekannt. Entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung werden winkeldispersive Elemente wie z. B. Gitter oder Prismen so in den Resonator einjustiert, daß deren Ablenkrichtung senkrecht auf der Spaltrichtung steht, d. h. daß z. B. die Gitterlinien der Gitter oder die brechenden Kanten der Prismen parallel zur Längsrichtung der Spaltblende ausgerichtet sind.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen vor allem darin, daß infolge des großen Modenvolumens innerhalb des aktiven Volumens ein vergleichsweise großer Teil des aktiven Volumens ausgenutzt wird und als Ergebnis bei Einbau disp&rsiver Elemente in den Resonator eine schmalbandige Strahlung mit vergleichsweise hoher Leistung erzeugt werden kann, und daß die thermische Belastung der Spaltblende gering ist, weil sich die Energie am Ort der Spaltblende über eine vergleichsweise große Fläche verteilt.

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll an drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: die Möglichkeit der Strahlführung im Resonator bei Verwendung von zwei für die entsprechende Wellenlänge

entspiegelten Zylinderlinsen gemäß Anspruch 2 der Patentansprüche, Fig. 2: die Möglichkeit der Strahlführung im Resonator mittels einer Zylinderlinse und einem Zylinderspiegel gemäß Anspruch 2

bzw. 3 der Patentansprüche und Fig. 3: die Möglichkeit der Strahlführung mittels zweier Zylinderspiegel gemäß Anspruch 3 der Patentansprüche.

In Fig. 1 ist die Strahlführung bei Verwendung von zwei Zylinderlinsen dargestellt. In den Resonator ist z. B. zur Verringerung der Bandbreite der Strahlung ein Gitter 2 (im streifenden Einfall) eingefügt, wobei die im aktiven Medium 3 generierte Strahlung in 1. Ordnung so abgebeugt wird, daß sie senkrecht auf einen 100% reflektierenden Spiegel 1 fällt und in 0. Ordnung ausgekoppelt wird. Die im aktiven Medium 3 generierte bzw. verstärkte Strahlung durchläuft eine entspiegelte Zylinderlinse 4 mit der Brennweite U· Im Abstand U von dieser Linse ist eine Spaltblende 5 angeordnet. Eine entspiegelte Zylinderlinse 6 mit der Brennweite f₆ ist im Abstand f₆ von der Spaltblende in den Resonator eingefügt. Die von der Zylinderlinse 6 parallelisierte Strahlung fällt senkrecht auf einen ebenen 100% reflektierenden Resonatorspiegel 7. Die Brennweiten U und f_e der Zylinderlinsen 4 und 6 legen zusammen mit der Öffnungsweite der Spaltblende 5 die Divergenz in der Richtung fest, die senkrecht auf dor Längsrichtung der Spaltblende steht und bestimmen damit zusammen mit den Dispersionseigenschaften des Gitters 2 die spektrale Breite der emittierten Strahlung.

In Fig.2 ist die Strahlführung be! Verwendung einer Zylinderlinse und eines Zylinderspiegels dargestellt. Das Gitter 2 und der 100% reflektierende Spiegel 1 entsprechen den in Fig. 1 beschriebenen optischen Bauteilen. Die im aktiven Medium 3 generierte bzw. verstärkte Strahlung durchläuft eine Zylinderlinse 4 mit der Brennweite f₄. Im Abstand f₄ von dieser Zylinderlinse ist eine Spaltblende 5 angeordnet.

Ein 100% reflektierender Zylinderspiegel 6 mit dem Krümmungsradius R₆ ist so in den Resonator eingefügt, daß die Linie der Krümmungsmittelpunkte genau im Spalt der Spaltblende 5 liegt.

In Fig.3 ist die Strahlführung bei Verwendung von zwei Zylinderspiegeln dargestellt. Das Gitter 2 und der 100% reflektierende Spiegel 1 entsprechen den in Fig. 1 beschriebenen optischen Bauteilen. Die im aktiven Medium 3 generierte bzw. verstärkte Strahlung wird von einem Zylinderspiegel 4 der Brennweite U genau in die Ebene der Spaltblende 5 fokussiert. Der 100% reflektierende Zylinderspiegel 6 mit dem Krümmungsradius R₆ ist so in den Resonator eingefügt, daß die Linie der Krümmungsmittelpunkte genau im Spalt der Spaltblende 5 liegt.

Claims (5)

1. Anordnung zur Erzeugung schmalbandiger Laserstrahlung hoher Leistung vorzugsweise für Laser mit aktivem Volumen rechteckigen Querschnitts, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus an sich bekannten in einer Richtung winkeldispersiven Elementen, zwei linienförmig fokussierenden optischen Elementen und einer zwischen letzteren angeordneten Spaltblende besteht, daß die Spaltblende sich am Ort der zusammenfallenden Fokuslinien der beiden fokussierenden optischen Elemente befindet, daß die Spaltblende in Richtung der gemeinsamen Fokuslinie und senkrecht zur Ablenkrichtung der dispersiven Elemente verläuft und daß die dispersiven Elemente, die linienförmig fokussierenden optischen Elemente und die Spaltblende im Innern eines Laserresonators angeordnet oder Teile des Laserresonators selbst sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmig fokussierenden Elemente Zylinderlinsen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmig fokussierenden Elemente Zylinderspiegel sind.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die winkeldispersiven Elemente Prismen oder Gitter sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein winkeldispersives Element eine Lummer-Gehrcke-Platte ist.