DE4438283C2 - Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser zur Erzeugung schmalbandi­ ger Strahlung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Laser, insbesondere Excimerlaser, ist aus der US-A-5 150 370 bekannt.

In der Literatur sind eine Vielzahl von Anordnungen zur Erzeu­ gung schmalbandiger Laserstrahlung, insbesondere Excimerlaser­ strahlung, bekannt (siehe z. B. SPIE, Vol. 1463; Optical/Laser Microlithography IV (1991), 604).

Auch die DE 44 01 131 A1 beschreibt einen Excimerlaser mit schmalbandiger Emission.

Im Stand der Technik werden als wellenlängenselektive Elemente zur Bandbreiteneinengung im Resonator üblicherweise die fol­ genden Hilfsmittel, entweder allein oder in Kombination, ein­ gesetzt

• - Gitter mit Strahlaufweitung
• - Prismenanordnungen mit Strahlaufweitung und
• - Fabry-Perot-Etalons.

Wesentliche Kriterien für die Auswahl des einen oder anderen Bauelementes sind zum einen die Effektivität bezüglich der Bandbreiteneinengung und zum anderen die Langzeitstabilität bzw. die Strahlungsfestigkeit.

Diesbezüglich gilt, daß ein Etalon im Vergleich zu Gitter- und Prismenanordnung eine sehr gute Effektivität bei der Bandbrei­ teneinengung aufweist, jedoch andererseits nur eine relativ geringe Strahlungsfestigkeit hat. Gitter und Prismen hingegen sind hinsichtlich der Kriterien Langzeitstabilität und Strah­ lungsfestigkeit deutlich besser als Etalons.

Die eingangs genannte US-A-5 150 370 macht sich den Vorteil von im Resonator ("Intra-Cavity") angeordneten Etalons bezüg­ lich der effektiven Bandbreitenreduzierung zunutze und be­ grenzt die Strahlungsbelastung des Etalons mittels einer be­ sonderen Auskopplung der emittierten Strahlung mittels eines polarisierenden Strahlteilers. Mit dieser bekannten Anordnung wird eine relativ hohe Ausgangsleistung bei relativ geringer Strahlungsbelastung des Intra-Cavity-Etalons erreicht.

Bei dieser bekannten Anordnung kann durch Verdrehen einer Viertelwellenlängenplatte die Leistung der ausgekoppelten Strahlung maximiert werden. In demjenigen Resonatorabschnitt, in dem das Etalon angeordnet ist, wird dabei die Leistung der Strahlung im Resonator relativ gering gehalten, so daß das Etalon nicht zu stark belastet wird. Bei dieser bekannten An­ ordnung wird aber kein Weg aufgezeigt, wie die Bandbreite der emittierten Strahlung weiter verringert werden kann. Der Ein­ bau zusätzlicher Etalons ist aber aufgrund der hohen Strah­ lungsleistung in anderen Abschnitten des Resonators ausge­ schlossen und auch der Einbau eines zusätzlichen wellenlängen­ selektiven Elementes in Form eines Gitters mit Strahlaufweiter in dem Resonator ist nicht ohne weiteres möglich, weil die Strahlung in diesem Resonatorzweig einen speziellen Polarisa­ tionszustand hat (die Strahlung ist dort zirkular polarisiert) und eine Gitteranordnung (ähnliches gilt auch für eine Prismenanordnung) das Polarisationsverhalten der Strahlung entscheidend beeinflußt, so daß die Auskoppelung mit einem polarisierenden Strahlteiler nicht mehr ohne weiteres funktio­ niert.

Bei der Anordnung gemäß der obengenannten DE 44 01 131 A1 wer­ den ein Gitter und ein Fabry-Perot-Etalon als wellenlängense­ lektive Elemente genutzt. Dort wird die Strahlung mit einem aus zwei Spiegelelementen bestehenden Spaltspiegel ausgekop­ pelt. Aufgrund der geringen Spaltbreiten (z. B. 0,35 bis 0,7 mm) treten unerwünschte Beugungseffekte auf, die die laterale Intensitätsverteilung negativ beeinflussen. Auch bewirkt die geringe Spaltbreite eine vergleichsweise schlechte Ausnutzung des Entladungsquerschnittes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der ein­ gangs genannten Art so weiterzubilden, daß sehr schmalbandige Strahlung hoher Intensität emittiert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentan­ spruch 1 gekennzeichnet.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen beschrieben.

Bevorzugt wird die Erfindung bei Excimerlasern eingesetzt.

Faraday-Rotatoren sind als solche im Stand der Technik be­ kannt. Sie enthalten bei Einsatz der Erfindung für UV-Laser (z. B. Excimerlaser) ein im UV-Bereich durchlässiges, optisch isotropes Material, z. B. sogenanntes Suprasil (Handelsname). In der DE 41 39 395 A1 wird ein Faradayrotator in einem Festkörper-Ringlaser gezeigt. Dort wird der Faradayrotator jedoch nicht zur Verbesserung der Schmalbandigkeit bei einem Laser der hier angesprochenen Art verwendet.

Die erfindungsgemäße Laseranordnung hat den Vorteil, daß die magnetische Feldstärke im Faraday-Rotator und die wirksame Länge des optisch isotropen Materials (z. B. des Suprasilsta­ bes) so gewählt werden können, daß die Polarisationsebene des Lichtes bei einem einfachen Durchgang durch den Rotator um einen ganz bestimmten Winkel gedreht wird, wobei dieser Winkel so eingestellt wird, daß die Einfallsebene des Strahlteilers, welcher die Strahlung durch Reflexion auskoppelt, um genau den genannten Winkel gegenüber der Einfallsebene der Gitter/Pris­ men-Anordnung gedreht ist.

Dabei kann der Drehwinkel insbesondere so gewählt werden, daß sich eine optimale Strahlauskopplung aus dem Resonator ergibt.

Statt durch Reflexion kann die Strahlung auch durch Transmis­ sion durch den Strahlteiler ausgekoppelt werden.

Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laseranordnung sieht vor, daß zwei Spaltblenden, zwei polarisierende Strahl­ teiler und zumindest eine Aufweiteoptik im Strahlengang im Re­ sonator angeordnet sind.

Dabei ist bevorzugt die Einfallsebene der Prismen/Spiegelan­ ordnung parallel zur Einfallsebene des Strahlteilers.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laseranordnung sieht vor, daß die durch Schlitzblenden defi­ nierte Resonatorachse schräg steht zur Längsrichtung der Elek­ troden. Die letztere Variante gilt für einen Gasentladungsla­ ser, insbesondere einen Excimerlaser.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Laseranordnungen anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines La­ sers zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung;

Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Lasers zur Er­ zeugung schmalbandiger Strahlung; und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Lasers zur Er­ zeugung schmalbandiger Strahlung.

Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung bei Excimerlasern verwirklicht.

Ein laseraktives Medium 10 wird deshalb mittels einer Gasent­ ladung in einer entsprechenden Kammer mittels Elektroden er­ zeugt. Der Laserresonator weist auf der einen Seite einen hochreflektierenden Spiegel 12 und auf der anderen Seite ein optisches Gitter 14 auf. Vor dem Gitter 14 ist in an sich bekannter Weise ein Strahlaufweiter 16 in Form von Prismen angeordnet. Die optische Achse des Lasers ist mit "A" gekenn­ zeichnet.

Zwischen der Gitter/Prismen-Anordnung 14, 16 und dem laser­ aktiven Medium 10 ist ein Faraday-Rotator 18 angeordnet. Zwi­ schen dem laseraktiven Medium 10 und dem hochreflektierenden Spiegel 12 sind in der Reihenfolge gemäß Fig. 1 ein polarisie­ render Strahlteiler 20 und ein Fabry-Perot-Etalon 22 angeord­ net.

Im laseraktiven Medium 10 (Plasma der Gasentladung) wird UV- Strahlung erzeugt. Die in Richtung des hochreflektierenden Spiegels 12 laufende Strahlung passiert den polarisierenden Strahlteiler 20. Der Strahlteiler 20 ist hier ein Dünnschicht­ polarisator. P-polarisiertes Licht (beim Ausführungsbeispiel in der Papierebene polarisiert) wird mit einem Transmissions­ grad von mehr als 98% vom Strahlteiler 20 durchgelassen und S-polarisiertes Licht (beim Beispiel senkrecht zur Papierebe­ ne) wird vom Strahlteiler 20 zu mehr als 98% reflektiert (weniger als 2% des S-polarisierten Lichtes werden also durchgelassen). Die durch den Strahlteiler 20 durchgelassene Strahlung, also im wesentlichen P-polarisierte Strahlung, durchläuft das Etalon 22, wird am Spiegel 12 reflektiert und durchläuft wiederum das Etalon 22, so daß eine sehr effektive Bandbreiteneinengung (Filterung) erfolgt. Die Strahlung stark reduzierter Bandbreite durchtritt den Strahlteiler 20 (in Fig. l von rechts nach links) ohne wesentliche Schwächung und wird dann im laseraktiven Medium 10 verstärkt. Die verstärkte Strahlung durchläuft den Faraday-Rotator 18 (in Fig. 1 von rechts nach links). Der Faraday-Rotator 18 weist als optisch aktives Material z. B. Suprasil auf, das im UV-Bereich durch­ lässig ist. Weiterhin enthält ein Faraday-Rotator Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, also entweder einen Permanentma­ gneten oder einen Elektromagneten. Abhängig von der Stärke des angelegten Magnetfeldes und der wirksamen Länge des durchläs­ sigen Materials (hier ein Suprasilstab) wird die Polarisati­ onsrichtung der Strahlung um einen Winkel (α) gedreht.

Die Baugruppe aus Prismen/Strahlaufweiter 16 und Gitter 14 dient als weiteres wellenlängenselektives Element. Damit diese Baugruppe die Strahlung maximal reflektiert, muß die gesamte Baugruppe (aus Gitter 14 und Prismen-Strahlaufweiter 16) so um die Achse A gedreht werden, daß die Einfallsebene dieser Bau­ gruppe parallel ist zur Polarisationsebene der Strahlung, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 um den obengenannten Winkel α aus der Zeichnungsebene gedreht ist. Die vom Gitter 14 reflektierte Strahlung durchläuft erneut den Faraday-Rota­ tor 18 und wird dabei noch einmal um den gleichen Winkel α ge­ dreht. Die rücklaufende Strahlung (in Fig. 1 von links nach rechts) wird im laseraktiven Medium 10 weiter verstärkt und trifft nun mit einer um 2 × α zur ursprünglichen Polarisa­ tionsrichtung verdrehten Polarisationsebene auf den Strahltei­ ler 20.

Die Reflektivität R und die Transmission T des polarisierenden Strahlteilers 20 sind gegeben durch R = sin² (2 α) bzw. T = cos² (2 α). Die Reflektivität R bestimmt beim Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 1 den Auskoppelgrad des Resonators, d. h. den Anteil der ausgekoppelten Strahlung 24 an der gesamten, auf den Strahlteiler 20 auftreffenden Strahlung. Bei Excimerlasern liegt der optimale Auskoppelgrad typischerweise bei 85% bis 90% je nach Verstärkung pro Umlauf und auch in Abhängigkeit von den internen Resonatorverlusten. Dies bedeutet, daß der oben erläuterte Winkel a so gewählt wird, daß sich für die auf den Strahlteiler 20 auftreffende Strahlung eine Reflektivität R von 0,85 bis 079 ergibt. Für diese Auskoppelgrade ergeben sich somit einen Winkel α von 34° bis 36°. Da der polarisie­ rende Strahlteiler 20 eine Transmission T von nur 0,1 bis 0,15 aufweist, ist die Intensität der Strahlung im Resonator am Ort des Fabry-Perot-Etalons 22 um einen Faktor 6 bis 10 geringer als auf der anderen Seite (in Fig. 1 links) des Strahlteilers 20. Das Etalon wird somit nur in geringem Umfang durch Strah­ lung belastet.

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß der polari­ sierende Strahlteiler 20 bei dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel so in den Strahlengang im Resonator justiert ist, daß seine Einfallsebene mit der Einfallsebene der Anordnung aus Gitter und Strahlaufweiter 14, 16 einen Winkel von -α bildet (der Faraday-Rotator dreht bei einem Einfachdurchgang die Po­ larisationsebene um den Winkel +α).

Beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 koppelt der Strahlteiler 20 die emittierte Strahlung 24 durch Reflexion aus.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, wobei die Auskoppelung der Strahlung 24 nicht durch Reflexion sondern durch Transmission durch den Strahlteiler 20 erfolgt. Fig. 2 stellt nur die insoweit interessierenden Bau­ teile dar. Der Faraday-Rotator 18, der Prismen-Strahlaufweiter 16 und das Gitter 14 entsprechen dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und sind in Fig. 2 deshalb nur mit den entsprechenden Bezugszeichen angedeutet.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Excimerla­ sers mit extrem schmalbandiger emittierter Strahlung im ultra­ violetten Spektralbereich.

In den Figuren haben mit gleichen Bezugszeichen versehene Bau­ teile eine einander entsprechende Funktion, so daß insoweit auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Zusätzlich sind beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zwei weitere pola­ risierende Strahlteiler 26, 38 vorgesehen und eine Halb-Wel­ lenlängen-Platte 18 sowie ein weiterer Strahlaufweiter, beste­ hend aus Prismen 30, 36 und Spiegeln 32, 34. Weiterhin sind im Resonator noch zwei Spaltblenden 40, 42 angeordnet.

Die Funktion dieser Anordnung gemäß Fig. 3 ist wie folgt: Zur Verbesserung der Bandbreitenreduzierung mittels des Gitters 14 und des Strahlaufweiters 16 werden Spaltblenden in den Resona­ tor eingebaut. Die Spaltblenden 40, 42 dienen zur Divergenz­ verringerung. Daraus resultiert aber eine relativ schlechte Ausnutzung des Entladungsquerschnittes im laseraktiven Medium 10 durch die zu verstärkende Strahlung. Um diesen Nachteil zu überwinden, sind bei der Anordnung gemäß Fig. 3 zusätzlich die beiden polarisierenden Strahlteiler 38, 26 und die Strahlauf­ weiteoptik aus den Prismen 30, 36 und den Spiegeln 32, 34 vor­ gesehen. Die polarisierenden Strahlteiler 26, 38 sind dabei so in dem Strahlengang angeordnet, daß ihre Einfallsebenen paral­ lel zur Einfallsebene des polarisierenden Strahlteilers 20 liegen. Die Halb-Wellenlängenplatte 28 ist so eingebaut, daß die Strahlung nach Durchlauf durch die Bauteile 36, 34, 32, 30 und 28 (in Fig. 3 also von links nach rechts) S-polarisiert ist und demgemäß vollständig am Strahlteiler 26 reflektiert wird.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Excimerla­ sers mit sehr schmalbandiger Emission. Es ist im Stand der Technik bekannt, die Strahlung im Resonator schräg zur Rich­ tung der Elektroden des Excimerlasers zu führen, insbesondere bei transversal angeregten Lasern. Solche Strahlführungen sind aber auch bei Festkörperlasern erfolgreich eingesetzt worden.

Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit schräg zur Elektrodenrichtung geführtem Strahl. In Fig. 4 sind der Faraday-Rotator 18, der Prismen-Strahlaufweiter 16 und das Gitter 14 nicht darge­ stellt, sondern durch durch Bezugszeichen angedeutet. Insoweit entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 dem von Fig. 3.

Die Richtung der Resonatorachse wird bestimmt durch Spaltblen­ den 42, 46 und ist etwas schräg (etwa 10) zur Elektrodenrich­ tung ausgerichtet. Vom polarisierenden Strahlteiler 20 reflek­ tierte Strahlung durchläuft einen Strahlaufweiter 44 (z. B. gemäß den Bauteilen 30, 32, 34 und 36 gemäß Fig. 3) und wird über einen Spiegel 50 zum Strahlteiler 20 zurückreflektiert und läuft dann erneut schräg zur Elektrodenrichtung (diesmal ca. um 2 geneigt) durch das laseraktive Medium 10. Die Schlitzblende 46 ist zum Auskoppeln der Strahlung 24 als hoch­ reflektierender Spiegel gemäß Fig. 4 ausgebildet.

Claims (14)

1. Laser zur Erzeugung schmalbandiger Strahlung mit

• - einem Laserresonator, zwischen dessen Spiegeln (12, 14) ein laseraktives Medium (10) angeordnet ist,
• - einem ersten wellenlängenselektiven Element (22) auf einer ersten Seite des Mediums (10) im Strahlengang zwischen dem Medium (10) und einem ersten, hochreflektierenden Spiegel (12) des Resonators,
• - einem polarisierenden Strahlteiler (20) zum Auskoppeln von Strahlung (24) aus dem Resonator, und
• - einem die Polarisationsebene polarisierter Strahlung im Resonator drehenden Bauteil (18),

dadurch gekennzeichnet, daß

• - als die Polarisationsebene drehendes Bauteil (18) ein Faradayrotator vorgesehen ist und
• - auf der zweiten Seite des Mediums (10) im Strahlengang des Resonators ein Gitter oder eine Prismenanordnung als ein zweites wellenlängenselektives Element (14) vorgesehen ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Gitter (14) als zweitem wellenlängenselektiven Element eine Strahlaufweitungsoptik (16) zugeordnet ist.

3. Laser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Feldstärke im Faradayrotator und die optisch wirksame Länge des optisch durchlässigen Materials des Faraday­ rotators so bemessen sind, daß die Polarisationsebene der den Rotator einmal durchlaufenden Strahlung um einen Winkel (α) gedreht wird, der dem Winkel entspricht, um den die Einfallsebene des Strahlteilers in bezug auf die Einfallsebene des Gitters gedreht ist.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel (α) so gewählt ist, daß eine optimale Strahlaus­ koppelung erfolgt.

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierende Strahlteiler (20, 26) so angeordnet ist, daß er die s-Komponente der Strahlung maximal reflektiert und für die p-Komponente der Strahlung maximal durchlässig ist.

6. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Faradayrotator (18) ein im UV-Bereich durchlässiges, optisch isotropes Material enthält.

7. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch Reflexion am Strahlteiler aus dem Laser ausgekoppelt wird.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch Transmission durch denn Strahlteiler (20) ausgekoppelt wird.

9. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spaltblenden (40, 42), zwei polarisierende Strahlteiler (20, 26) und eine Aufweiteoptik (30, 32, 34, 36) zur besseren Ausnutzung des Entladungsquerschnittes im laseraktiven Medium (10) im Strahlengang des Resonators angeordnet sind.

10. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallsebene des Strahlteilers (20) parallel ist zur Einfallsebene einer Strahlteiler-Prismen-Spiegelanordnung (30, 32, 34, 36) als Aufweiteoptik.

11. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schlitzblenden (42, 46) eine Resonatorachse bestimmen und daß die Resonatorachse schräg zur Elektrodenrichtung angeordnet ist, wobei als laseraktives Medium eine Gasentladung zwischen den Elektroden vorgesehen ist.

12. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Strahlteiler (20) reflektierte Strahlung mittels eines Strahlaufweiters (44) aufgeweitet wird und nach Reflexion am Strahlteiler (20) das laseraktive Medium in einer Gasentla­ dungskammer schräg zur Elektrodenrichtung durchläuft.

13. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Excimerlaser ist.