DD295957A5 - ARRANGEMENT FOR GENERATING HARD-ROLLED LASER RADIATION HIGH PERFORMANCE PREFERABLY FOR LASERS WITH ACTIVE VOLUME OF RECTANGULAR CROSS-SECTION - 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}The invention relates to an arrangement for generating narrow-band laser radiation of high power. The aim is the most complete possible use of the active volume as a mode volume and the low intensity moderate loading of the optical elements used. The object of the invention is to limit the divergence of the laser radiation in such a way that, in conjunction with angle-dispersive elements, a high degree of narrowing of the bandwidth is achieved with high output power. The object is achieved by reducing the divergence by means of two linear focusing elements and a slit diaphragm, and by reducing the bandwidth of the radiation in one direction by angle-dispersive elements and by arranging the divergence reducing elements so as to effectively utilize the active volume is achieved with minimal loading of these elements, which in turn enables comparatively high output powers. Divergence; angle dispersive elements; bandwidth; Mode volume; Output}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to an arrangement for generating narrow-band laser radiation of high power, preferably for lasers with an active volume of rectangular cross-section. The arrangement is applicable for narrowing the spectral bandwidth of any laser, with its advantage in the comparatively high output energy at low load of the optical components used.

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.It is therefore of particular importance for the production of high-power narrow-band laser radiation and, due to the very effective utilization of active volumes of rectangular cross-section, is particularly suitable for transversely excited gas lasers, 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.The arrangement is thus highly relevant for laser material processing and UV photolithography, ie in particular for the production of components of microelectronics at the highest levels of technology.

Charakteristik des Standes der TechnikCharacteristic of the prior art

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.The fundamental approach to the spectral narrowing of laser radiation is to reduce the divergence of the radiation in order to effectively use angle-dispersive or frequency-selective elements. For a resonator arrangement with a large Fresnel number, it is difficult to realize this without a serious loss of exploited active volume, which in turn leads to a drastic reduction in the output power of the laser. This is especially true for solutions employing small diameter (about 1 mm) pinhole apertures in the laser resonator (Rev. Sei, Instr 54 (1983) 845) There is also known a solution which, with reduced divergence, reduces the utilization rate of the active volume The purpose of the power increase is increased by a plurality of resonators small Fresnel number and thus radiation fields low divergence transversely coupled by suitable shaping of the resonator mirrors (DE 3148905)., However, the surface shape of the required laser mirrors are extremely complicated and such mirrors very difficult to produce Note that couplings in the radiation field require a certain amount of time to build up, so they are not effectively effective for pulses of a few nanoseconds duration, eg for excimer lasers.

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.Another approach to laser radiation of low divergence is the use of unstable resonators (FR 7729757), However, the resulting angular and intensity distribution in the resonator itself are not suitable to use there elements for spectral narrowing effectively.

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).Arrangements with elements for k-space filtering (Kwant Electronica 13 (1986) 1,224) make it possible in principle to produce in combination with dispersing or frequency-selective optical elements radiation of low bandwidth with good utilization of the mode volume. However, due to the high energy density, the very small pinhole required in the k-space filter is highly thermally stressed at this point and will soon be destroyed, thus giving the upper limit to the output power of such a system, which is typically 10% of the operating power without k-space filtering (ibid.).

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.Overall, this is common to the known arrangements that they fail to meet both the demands for effective substitutability of dispersive or frequency-selective elements as well as for an output power that comes close in laser operation without selective elements at the same time.

Ziel dor ErfindungAim of the invention

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.The invention aims to provide a resonator arrangement for any laser, which allows to obtain comparatively large output powers per angular unit and accordingly with the incorporation of angle-dispersive elements, z, B. grids or prisms, in the resonator, the generation of narrow-band radiation comparatively high radiation power allows.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.It is an object of the present invention to provide an arrangement with which in a laser resonator radiation with low divergence in one direction (corresponding to the deflection direction of, for example, gratings or prisms) is generated. The solution of this object is achieved with an arrangement according to the invention in that in a laser resonator two cylindrical lenses and a slit or a cylindrical lens and a cylindrical mirror and a slit or two cylindrical mirror and a slit aperture are adjusted in the laser resonator that the focus lines of the cylindrical lenses or the Cylindrical mirror and the longitudinal direction of the slit diaphragm are parallel to each other and parallel to the largest transverse dimension of the excited volume.

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.The distances between the cylindrical lenses and (or) between the cylinder mirrors in Resonatorachsenrichtung are chosen so that a common focal line between the two cylindrical lenses or two cylindrical mirrors is formed. The slit diaphragm is arranged in the resonator so that its opening comes to rest at the location of this common focal line. The incorporation of gratings or prisms or other frequency-selective elements in a laser resonator for generating narrow-band laser radiation is known per se. According to the inventive arrangement are angle-dispersive elements such. As grating or prisms adjusted in the resonator so that the deflection is perpendicular to the splitting direction, d. H. that z. B. the grid lines of the grating or the refractive edges of the prisms are aligned parallel to the longitudinal direction of the slit.

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.The advantages of the arrangement according to the invention are, above all, that a comparatively large part of the active volume is utilized as a result of the large volume of the mode within the active volume and, as a result, when incorporating dispensing elements into the resonator, narrowband radiation with comparatively high power can be produced, and that the thermal load of the slit diaphragm is low, because the energy distributed at the location of the slit diaphragm over a relatively large area.

Ausführungsbeispielembodiment

Das Wesen der Erfindung soll an drei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigenThe essence of the invention will be explained in more detail in three embodiments shown in the drawing. Show it

Fig. 1: die Möglichkeit der Strahlführung im Resonator bei Verwendung von zwei für die entsprechende WellenlängeFig. 1: the possibility of beam guidance in the resonator using two for the corresponding wavelength

entspiegelten Zylinderlinsen gemäß Anspruch 2 der Patentansprüche, Fig. 2: die Möglichkeit der Strahlführung im Resonator mittels einer Zylinderlinse und einem Zylinderspiegel gemäß Anspruch 22, the possibility of beam guidance in the resonator by means of a cylindrical lens and a cylindrical mirror according to claim 2

bzw. 3 der Patentansprüche und Fig. 3: die Möglichkeit der Strahlführung mittels zweier Zylinderspiegel gemäß Anspruch 3 der Patentansprüche.or 3 of the claims and Fig. 3: the possibility of beam guidance by means of two cylindrical mirrors according to claim 3 of the claims.

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. 1, the beam guide is shown using two cylindrical lenses. In the resonator z. B. to reduce the bandwidth of the radiation a grating 2 (in grazing incidence) inserted, wherein the radiation generated in the active medium 3 is deflected in 1st order so that it falls perpendicular to a 100% reflective mirror 1 and in 0th order is decoupled. The radiation generated or amplified in the active medium 3 passes through an anti-reflective cylindrical lens 4 with the focal length U. A slit 5 is arranged at a distance U from this lens. An anti-reflective cylindrical lens 6 with the focal length f ₆ is inserted at a distance f ₆ from the slit diaphragm in the resonator. The parallelized by the cylindrical lens 6 radiation falls perpendicular to a flat 100% reflective resonator 7. The focal lengths U and f _{e of} the cylindrical lenses 4 and 6 set together with the opening width of the slit 5, the divergence in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the Slit diaphragm stands and thus determine, together with the dispersion properties of the grating 2, the spectral width of the emitted radiation.

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.In Fig.2, the beam guide be! Using a cylindrical lens and a cylinder mirror shown. The grating 2 and the 100% reflecting mirror 1 correspond to the optical components described in FIG. The radiation generated or amplified in the active medium 3 passes through a cylindrical lens 4 with the focal length f ₄ . At a distance f ₄ of this cylindrical lens a slit aperture 5 is arranged.

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.A 100% reflective cylindrical mirror 6 with the radius of curvature R ₆ is inserted into the resonator so that the line of the centers of curvature is exactly in the gap of the slit 5.

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.In Figure 3, the beam guide is shown using two cylindrical mirrors. The grating 2 and the 100% reflecting mirror 1 correspond to the optical components described in FIG. The radiation generated or amplified in the active medium 3 is focused by a cylindrical mirror 4 of the focal length U exactly in the plane of the slit 5. The 100% reflective cylindrical mirror 6 with the radius of curvature R ₆ is inserted into the resonator, that the line of the centers of curvature is exactly in the gap of the slit 5.

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.1. Arrangement for generating narrow-band laser radiation of high power preferably for lasers with active volume rectangular cross-section, characterized in that it consists of known in one direction angle-dispersive elements, two line-focusing optical elements and a gap slit arranged between the latter, that the slit diaphragm is located at the location of the coincident focus lines of the two focusing optical elements that the slit diaphragm in the direction of the common focus line and perpendicular to the deflection of the dispersive elements and that the dispersive elements, the linear focusing optical elements and the slit disposed inside a laser resonator or parts of the Laser resonators themselves are. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmig fokussierenden Elemente Zylinderlinsen sind.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the line-focusing elements are cylindrical lenses. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die linienförmig fokussierenden Elemente Zylinderspiegel sind.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the linear focusing elements are cylindrical mirrors. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die winkeldispersiven Elemente Prismen oder Gitter sind.4. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the angle-dispersive elements are prisms or grids. 5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein winkeldispersives Element eine Lummer-Gehrcke-Platte ist.5. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that an angle-dispersive element is a Lummer Gehrcke plate.