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Die Erfindung bezieht sich auf ein Modul zur Bandbreiten-Einengung für
eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, mit einem Reflektionsgitter.
Derartige Module werden beispielsweise für Excimer-Laser zur
Verringerung der Bandbreite des abgestrahlten Laserlichts verwendet, wobei sie
den rückwärtigen Resonatorabschluss des Lasers darstellen. Als
Reflektionsgitter wird z. B. ein Echelle-Gitter in sogenannter Littrow-
Konfiguration eingesetzt, um die Bandbreite der emittierten
Laserstrahlung durch wellenlängenselektive Reflektion zu reduzieren. Das Modul
beinhaltet üblicherweise ein Strahlaufweitungssystem, das zwischen
dem Laserresonator und dem Reflektionsgitter angeordnet ist und aus
mehreren hintereinander geschalteten Prismenkörpern aufgebaut sein
kann, und einen z. B. zur Durchstimmung der Wellenlänge
drehbeweglich angeordneten Spiegel.
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Bei einem in der Patentschrift US 5.917.849 offenbarten, modifizierten
Bandbreiten-Einengungsmodul dieser Art sind zwischen dem
Strahlaufweitungssystem und dem schwenkbeweglich angeordneten Spiegel
zusätzlich ein polarisierender Strahlteiler mit zugehörigem
Reflektionsspiegel und ein Polarisationsdrehelement in Form einer λ/4-Platte
eingebracht. Das vom Verstärkungsmedium, der Gasentladungskammer,
kommende Licht ist durch die schräge Stellung der
Kammeraustrittsfenster unter oder nahe dem Brewster-Winkel und nach Durchtritt durch
das Prismenstrahlaufweitungssystem aufgrund der starken
Polarisationsabhängigkeit der Reflexionsverluste an den Prismen hochgradig p-
bzw. TM-polarisiert, wobei eventuell verbleibende, s- bzw. TE-
polarisierte Lichtanteile vom polarisierenden Strahlteiler reflektiert
werden, während er p-polarisiertes Licht durchlässt. Die λ/4-Platte wandelt
das p-polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht, das dann über den
drehbeweglichen Spiegel auf das Echelle-Gitter in Littrow-Konfiguration
fällt und zurückreflektiert wird. Die λ/4-Platte wandelt das erstmals
rückreflektierte, zirkular polarisierte Licht in s-polarisiertes Licht, das vom
polarisierenden Strahlteiler zum zugehörigen Spiegel und zurück reflektiert
wird, so dass es nochmals durch die λ/4-Platte hindurch unter
Umwandlung in zirkular polarisiertes Licht auf das Echelle-Gitter fällt. Das von
dort erneut reflektierte Licht wird durch die λ/4-Platte nun in p-
polarisiertes Licht gewandelt, das durch den polarisierenden Strahlteiler
hindurchtreten kann und in die Gasentladungskammer zurückläuft.
Weiter wird dort angegeben, dass der Reflektionsgrad von Echelle-Gittern
polarisationsabhängig ist mit einer Differenz zwischen p- und s-
Polarisation von etwa 10%, was zu einer gewissen Störung des
zirkularen Polarisationszustands führt. Dies hat zur Folge, dass ein kleiner
Anteil von nur einmal am Echelle-Gitter reflektiertem Licht durch den
Strahlteiler hindurchtritt, wobei sich die Effizienz der zweifachen
Reflektion jedoch um höchstens 10% verringert, was angesichts der durch die
zweifache Reflektion verbesserten Bandbreiteneinengung akzeptiert
wird.
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Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Bandbreiten-Einengungsmoduls der eingangs genannten Art zugrunde,
das unter Beibehaltung der optischen Eigenschaften des Moduls,
insbesondere eines hohen Polarisationsgrades für einen zugeordneten Laser,
eine erhöhte Effizienz, reduzierte thermische Belastungen und eine
erhöhte Lebensdauer des Reflektionsgitters ermöglicht.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines
Bandbreiten-Einengungsmoduls mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieses
Modul enthält Polarisationsmittel zur Einstellung einer
s-Vorzugspolarisation für auf das Reflektionsgitter einfallendes Licht. Diese
Polarisationsmittel bewirken somit, dass das auf das Reflektionsgitter
auftreffende Licht im wesentlichen s-polarisiert ist. Wie üblich, bezeichnet
hierbei s- bzw. TE-Polarisation eine Polarisation senkrecht zur Ein- und
Ausfallsebene des Lichtes, während die dazu senkrechte Polarisation mit p-
bzw. TM-Polarisation bezeichnet wird.
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Theoretische Berechnungen und praktische Beobachtungen zeigen,
dass die Lichtabsorption von Reflektionsgittern, wie insbesondere von
Echelle-Gittern der hier verwendeten Art, ohne weitere Maßnahmen, wie
z. B. eine Schutzschicht, für s-polarisiertes Licht, d. h. bei einem Echelle-
Gitter für parallel zu den Gitterfurchen polarisiertes Licht, deutlich
geringer als für p-polarisiertes Licht ist, wie es aufgrund der stark
polarisationsabhängigen Transmission des hier verwendeten
Strahlaufweitungssystems aus dem Laserresonator austritt. Gleichzeitig und als
unmittelbare Folge zeigt sich für s-polarisiertes Licht eine deutlich höhere
Beugungseffizienz z. B. für hohe Beugungsordnungen von Echelle-Gittern in
Littrow-Konfiguration verglichen mit p-polarisiertem Licht. Insgesamt
resultiert die Verwendung der besagten s-polarisierenden
Polarisationsmittel folglich in einer verbesserten Bandbreiteneinengung aufgrund der
Verringerung der thermischen Belastungen des Reflektionsgitters, einer
damit einhergehenden Erhöhung seiner Lebensdauer und in einer
Verbesserung der Effizienz des gesamten Bandbreiten-Einengungsmoduls.
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In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2, die insbesondere
das Erfordernis einer Drehung der aus dem Laserresonator
austretenden Strahlung insgesamt vermeidet, beinhalten die Polarisationsmittel
einfach eine λ/2-Platte, welche die Polarisationsrichtung des von einem
Verstärkungsmedium kommenden, p-polarisierten Lichts um 90° dreht,
so dass das Licht im wesentlichen s-polarisiert weitergeleitet wird.
Gleichzeitig wandelt die λ/2-Platte das vom Reflektionsgitter reflektierte,
s-polarisierte Licht vor dem Wiedereintritt in das Verstärkungsmedium
wieder in p-polarisiertes Licht zurück.
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Ein nach Anspruch 3 weitergebildetes Modul beinhaltet eine
Strahlaufweitungseinheit mit einem oder mehreren aufeinanderfolgenden
Strahlaufweitungselementen. Die Polarisationsmittel sind an beliebiger Stelle
zwischen dem im Lichtstrahlengang vordersten
Strahlaufweitungselement und dem Reflektionsgitter angeordnet.
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In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme sind gemäß Anspruch 4
mindestens zwei Strahlaufweitungselemente vorgesehen, und die
Polarisationsmittel befinden sich irgendwo zwischen dem in
Lichteinfallsrichtung ersten und letzten Strahlaufweitungselement, z. B. bei drei
Strahlaufweitungselementen zwischen dem zweiten und dritten
Strahlaufweitungselement. Bei dieser Positionierung befinden sich die
Polarisationsmittel folglich im teilaufgeweiteten Lichtstrahl mit der Folge, dass
einerseits ihre räumliche Abmessung kleiner als der Querschnitt des voll
aufgeweiteten Lichtstrahls gehalten werden kann und andererseits die
Leistungsdichte des Lichtstrahls und damit die thermische Belastung für
die Polarisationsmittel gegenüber dem Bereich des noch nicht
aufgeweiteten Lichtstrahls deutlich reduziert ist.
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In weiterer Ausgestaltung sind gemäß Anspruch 5 das oder die hinter
den Polarisationsmitteln angeordneten Strahlaufweitungselemente mit
einer Entspiegelungsbeschichtung versehen, die für s-polarisiertes Licht
optimiert ist. Gleichzeitig gewährleisten die hohen Reflektionsverluste für
s-polarisierte Lichtanteile an dem oder den vor den Polarisationsmitteln
liegenden Strahlaufweitungselementen einen hohen Polarisationsgrad
des z. B. in einen Laserresonator rückreflektierten,
bandbreiteneingeengten Lichtes.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen
veranschaulicht und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines aus Bandbreiten-
Einengungsmodul, Verstärkungsmedium und Auskoppelspiegel
bestehenden Laserresonators,
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Fig. 2 ein Schaubild zur Veranschaulichung der für s-polarisiertes
Licht im Vergleich zu p-polarisiertem Licht erhöhten
Beugungseffizienz eines im Modul von Fig. 1 verwendbaren Echelle-
Gitters und
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Fig. 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung der für s-polarisiertes
Licht im Vergleich zu p-polarisiertem Licht geringeren
Absorption des im Modul von Fig. 1 verwendbaren Echelle-Gitters.
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Das in Fig. 1 gezeigte Bandbreiten-Einengungsmodul stellt den
rückwärtigen Resonatorabschluss eines Lasers, z. B. eines Excimer-Lasers, dar
und hat die Funktion, durch wellenlängenselektive Reflektion die
Bandbreite der emittierten Laserstrahlung zu reduzieren. Ein wichtiges
Anwendungsgebiet sind UV-Strahlung emittierende Excimer-Laser für
Lithographieanlagen zur Waferstrukturierung.
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Das Bandbreiten-Einengungsmodul umfasst im Lichtstrahlengang
hintereinanderliegend nach einer Verstärkungs- bzw.
Gasentladungskammer 1 eine Strahlaufweitungseinheit mit drei hintereinanderliegenden,
geeignet angeordneten Prismen 3a, 3b, 3c, einen in nicht näher
gezeigter, herkömmlicher Weise drehbeweglich angeordneten Spiegel 4 und
ein Echelle-Gitter 5 überlicher Bauart in Littrow-Konfiguration. Des
weiteren beinhaltet das Bandbreiten-Einengungsmodul eine in
Lichteinfallrichtung zwischen dem zweiten Prisma 3b und dem dritten Prisma 3c
angeordnete λ/2-Platte 6.
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Da der Querschnitt des aus der Gasentladungskammer 1 kommenden
Laserstrahls keine Rotationssymmetrie, sondern eher ein
langgezogenes Rechteckprofil aufweist, existiert eine Vorzugsorientierung bezüglich
der Ausrichtung von Gitter und Strahlaufweitung sowie bezüglich der
Schrägstellung der Kammerfenster 2 unter oder nahe dem Brewster-
Winkel. Optimale Bandbreiteneinengung wird erreicht, wenn die
Richtung der Strahlaufweitung parallel, die der Gitterfurchen senkrecht zur
kurzen Achse des Strahlprofils orientiert ist. Die erforderliche Größe der
Kammerfenster ist zugleich minimal, wenn die Drehachse der
Schrägstellung parallel zur langen Achse des Strahlprofils ist. Aus der
Orientierung der Schrägstellung der Kammerfenster sowie der Orientierung der
Prismenstrahlaufweitung ergibt sich die p-Polarisation als
Vorzugspolarisation zur Minimierung von Verlusten durch Reflexion. Soll diese für
Kammer und Strahlaufweitung günstige Polarisation beibehalten
werden, so kann die für den Betrieb des Gitters günstigere s-Polarisation
durch Einbringen eines Polarisationsdrehers nahe dem Gitter realisiert
werden.
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Das von der Verstärkungskammer 1 kommende, im wesentlichen p-
polarisierte Licht erfährt durch das erste Prisma 3a und das zweite
Prisma 3b eine Teilaufweitung, wonach es durch die λ/2-Platte in seiner
Polarisation um 90° gedreht, d. h. von p- in s-polarisiertes Licht gewandelt
wird. Das solchermaßen weitestgehend s-polarisierte Licht wird dann
vom letzten Prisma 3c auf den vollen Querschnitt aufgeweitet, mit dem
es über den Spiegel 4 auf das Echelle-Gitter 5 unter einem geeigneten
großen Littrow-Winkel einfällt. Das vom Echelle-Gitter 5 rückreflektierte
Licht mit s-Vorzugspolarisation gelangt dann über den Spiegel 4 und das
dritte Prisma 3c wieder zur λ/2-Platte 6, von der es in Licht mit p-
Polarisation rückgewandelt wird, wonach das im wesentlichen p-
polarisierte und durch die Wirkung des Echelle-Gitters 5
bandbreiteneingeengte Licht über das zweite Prisma 3b und das erste Prisma 3a
wieder zwecks Verstärkung in die Entladungskammer 1 eingekoppelt wird.
An der Vorderseite der Entladungskammer 1 tritt ein entsprechender
Laserstrahl 9 über eine ebenfalls schräg gestaltete Austrittsfläche 7 aus,
wobei es über einen herkömmlichen ausgangsseitigen Koppler 9 geführt
wird.
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Die Platzierung der λ/2-Platte 6 im teilaufgeweiteten Lichtstrahl
zwischen dem zweiten Prisma 3b und dem dritten Prisma 3c hat gegenüber
einer Positionierung an einer weiter vorn in Richtung Entladungskammer
1 liegenden Stelle den Vorteil, dass die Leistungsdichte des Laserstrahls
und damit die thermische Belastung für die λ/2-Platte 6 entsprechend
reduziert ist. Zum anderen kann durch diese Positionierung gegenüber
einem Anordnen der λ/2-Platte 6 zwischen dem dritten Prisma 3c und
dem Echelle-Gitter 5, d. h. im voll aufgeweiteten Lichtstrahl, die
Abmessung der λ/2-Platte 6 entsprechend klein gehalten werden,
beispielsweise in einer Größenordnung von 25 mm × 25 mm bei quadratischen
Abmessungen.
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Alternativ zur gezeigten Positionierung kann die λ/2-Platte je nach
Anwendungsfall auch im noch nicht so stark teilaufgeweiteten Bereich
zwischen dem ersten Prisma 3a und dem zweiten Prisma 3b oder im noch
nicht aufgeweiteten Bereich zwischen der Entladungskammer 1 und
dem ersten Prisma 3a angeordnet werden, wenn die dort höhere
Leistungsdichte keine Probleme bereitet, wobei dann die λ/2-Platte 6 noch
kleiner dimensioniert werden kann. Weiter alternativ kann die λ/2-Platte
im voll aufgeweiteten Lichtstrahl zwischen dem dritten Prisma 3c und
dem Spiegel 4 oder zwischen dem Spiegel 4 und dem Echelle-Gitter 5
angeordnet sein, wenn die Leistungsdichte im erst teilaufgeweiteten
Lichtstrahl ein Problem darstellt und dafür die notwendige größere
Abmessung der λ/2-Platte in Kauf genommen wird.
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Bevorzugt ist das dritte Prisma 3c mit einer nicht explizit gezeigten
Beschichtung zur Entspiegelung versehen, die für s-Polarisation optimiert
ist, d. h. für das von der λ/2-Platte 6 kommende und das vom Echelle-
Gitter 5 rückreflektierte, jeweils im wesentlichen s-polarisierte Licht,
welches dieses dritte Prisma 3c auf dem Hin- und dem Rückweg
durchquert. Dies minimiert den Lichtverlust durch das dritte Prisma 3c.
Andererseits werden die beiden vorgeschalteten Prismen 3a, 3b in ihrem
herkömmlichen Design beibehalten, das vergleichsweise hohe
Reflektionsverluste für s-polarisiertes Licht liefert. Dies führt zu dem erwünschten
Effekt, dass diese beiden Prismen 3a, 3b jegliche störenden
spolarisierten Lichtanteile, die eventuell im zurückgestrahlten, aus der
λ/2-Platte 6 austretenden Licht enthalten sind, aus dem eigentlichen
Hauptstrahlengang wegreflektieren, so dass selbige nicht in die
Verstärkungskammer 1 eingekoppelt werden, was die Erzielung eines hohen
Polarisationsgrades der vom Laser emittierten Strahlung 9
gewährleistet.
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Bei den oben genannten, alternativen Positionierungen der λ/2-Platte 6
werden jeweils das oder die im Strahlengang zwischen der λ/2-Platte 6
und dem Echelle-Gitter 5 liegenden Prismen mit der für s-Polarisation
optimierten Entspiegelungsbeschichtung versehen, während das oder
die zwischen der λ/2-Platte 6 und der Entladungskammer 1 liegenden
Prismen die Aufgabe der Ausblendung eventueller s-polarisierter
Strahlungsanteile durch Wegreflektieren übernehmen.
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Der Einsatz der λ/2-Platte 6 bewirkt wie beschrieben, dass das Licht mit
s-Vorzugspolarisation auf das Echelle-Gitter 5 einfällt. Dies hat
gegenüber herkömmlichen Anordnungen, bei denen Licht mit p-Polarisation
oder jedenfalls mit merklichem Anteil an p-polarisierter Strahlung auf das
Reflektionsgitter einfällt, signifikante Vorteile, die darauf beruhen, dass
zum einen die Beugungseffizienz von Echelle-Gittern für s-polarisiertes
Licht deutlich höher ist als für p-polarisiertes Licht, speziell bei
geeigneten Einfallswinkeln, und zum anderen die Absorption von Echelle-Gittern
für s-polarisiertes Licht deutlich geringer ist als für p-polarisiertes Licht.
Dies ist in den Schaubildern der Fig. 2 und 3 beispielhaft dargestellt für
ein typisches Gitter, wie es zum Betrieb in einem Bandbreiten-
Einengungsmodul der in Fig. 1 dargestellten Art geeignet ist.
Angenommen ist, dass ein Al-Echelle-Gitter mit d = 7648 nm für eine Laserlicht-
Wellenlänge von λ = 248,4 nm in einer Konfiguration mit einem großen
Littrow-Winkel von 77° für Blaze-Profile mit einem Apexwinkel von 90° in
der -60. Beugungsordnung verwendet ist. Derart hohe
Beugungsordnungen werden z. B. in Echelle-Gittern mit großem Littrow-Winkel
innerhalb von Bandbreiten-Einengungsmodulen als letzte propagierende
Beugungsordnung verwendet. Bei großen Littrow-Winkeln dient die
kleine Facette der Dreiecksprofile des Echelle-Gitters als Blazeflanke.
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Speziell zeigt Fig. 2 den Verlauf der Beugungseffizienz η für die -60.
Beugungsordnung in Abhängigkeit vom Blaze-Facetten-Winkel über
einen Winkelbereich von 74° bis 84° einerseits für s-polarisiertes Licht,
d. h. TE-Polarisation, gemäß der oberen Kennlinie mit den kreisförmig
markierten Datenpunkten und andererseits im Vergleich dazu für p-
polarisiertes Licht, d. h. TM-Polarisation, gemäß der unteren Kennlinie
mit den dreieckförmig markierten Datenpunkten. Ersichtlich ist für Blaze-
Facetten-Winkel oberhalb von 77° in diesem speziellen Beispiel die
Beugungseffizienz für s-polarisiertes Licht in der -60. Beugungsordnung
um absolut gesehen etwa 15% höher als für p-polarisiertes Licht.
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Fig. 3 veranschaulicht für dasselbe Beispiel mit den gleichen
Parametern den Verlauf der Absorption a in Abhängigkeit vom Blaze-Facetten-
Winkel einerseits für s-polarisiertes Licht, d. h. TE-Absorption, gemäß der
unteren Kennlinie mit den kreisförmig markierten Datenpunkten und
andererseits im Vergleich dazu für p-polarisiertes Licht, d. h. TM-
Absorption, gemäß der oberen Kennlinie mit den dreieckförmig
markierten Datenpunkten. Wie daraus ersichtlich, ist die Absorption für s-
polarisiertes Licht über den gesamten Bereich von Blaze-Facetten-
Winkeln von 74° bis 84° weniger als halb so groß wie diejenige für p-
polarisiertes Licht.
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Da beim Modul von Fig. 1 durch Einsatz der λ/2-Platte 6 das Licht im
wesentlichen s-polarisiert auf das Echelle-Gitter 5 trifft, wird eine
entsprechend niedrige Absorption und hohe Beugungseffizienz erzielt. Die
niedrige Absorption bedeutet reduzierte thermische Probleme, welche
unter anderem die Wellenlängenauflösung des Moduls negativ
beeinflussen könnten, sowie eine erhöhte Lebensdauer des Echelle-Gitters 5.
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Es versteht sich, dass die oben erwähnten Vorteile nicht nur für die
gezeigte und die oben erwähnten alternativen Realisierungen, sondern
auch für weitere Realisierungen des erfindungsgemäßen Bandbreiten-
Einengungsmoduls gelten. Solche weiteren Realisierungen können z. B.
den Einsatz anderer herkömmlicher Polarisationsmittel anstelle der λ/2-
Platte 6 beinhalten, die lediglich so auszulegen sind, dass sie
sicherstellen, dass das Licht im wesentlichen s-polarisiert auf das Echelle-Gitter 5
einfällt. In weiteren alternativen Ausführungsformen können statt der
gezeigten andersartige Strahlaufweitungseinheiten herkömmlicher Art
verwendet sein, z. B. solche mit nur zwei oder solche mit mehr als drei
Prismen und/oder solche mit anderen optischen Komponenten, z. B.
Linsen, zusätzlich oder anstelle des jeweiligen Prismas.
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Weiter versteht sich, dass das Bandbreiten-Einengungsmodul nicht nur,
wie gezeigt, für einen Laser, sondern auch für andere Lichtquellen
verwendbar ist, bei denen sich die Aufgabe stellt, die Bandbreite eines
emittierten Lichtstrahls geeignet einzuengen. Als Reflektionsgitter sind
nicht nur Echelle-Gitter, sondern je nach Anwendungsfall auch andere
herkömmliche Reflektionsgittertypen abhängig vom jeweiligen
Anwendungsfall einsetzbar.