TWI558045B - 用於種源雷射模式穩定化之系統及方法 - Google Patents

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Description

用於種源雷射模式穩定化之系統及方法 發明領域
本發明大體而言係關於雷射產生電漿極紫外線光源。更具體而言，本發明係關於一種使用種源雷射作為此類光源的方法及裝置。
發明背景
半導體產業繼續發展微影技術，微影技術能夠印刷更小的積體電路尺寸。通常將極紫外線(「EUV」)光(有時亦稱為軟x射線)定義為波長在10奈米(nm)與120 nm之間的電磁輻射。目前，通常認為EUV微影術包括波長在10 nm至14 nm之範圍中的EUV光，且係用以在諸如矽晶圓之基板中產生極小的特徵件，例如，小於32 nm的特徵件。為具備商業用途，希望此等系統係高度可靠的且提供有成本效益的產出量及合理的製程寬容度。
用以產生EUV光的方法包括，但不必限於，將材料轉化為電漿狀態，該材料具有例如疝、鋰、錫、銦、銻、碲、鋁等等之一或多個元素，且具有在EUV範圍中之一或多個發射線。在一個此種方法中，可藉由在照射位置 處使用雷射光束照射目標材料(諸如具有所需線發射元素之材料的液滴、流或叢集)來產生通常稱為雷射產生電漿(「LPP」)之所需電漿。線發射元素可為純的形式或合金形式，例如在所需溫度下係液體之合金，或可與諸如液體之另一材料混合或分散。
在一些先前技術的LPP系統中，藉由獨立的雷射脈衝照射液滴流中之液滴，從而由每一個液滴形成電漿。或者，已揭示一些先前技術的系統，其中藉由一個以上的光脈衝循序地照亮每一個液滴。在一些情況下，可將每一個液滴曝露於所謂的「預脈衝」來使目標材料加熱、膨脹、氣化、蒸發及/或離子化，及/或產生弱電漿；然後曝露於所謂的「主脈衝」來產生強電漿且將大部分或所有受預脈衝影響的材料轉化為電漿，且進而產生EUV光發射。應瞭解，可使用一個以上的預脈衝且可使用一個以上的主脈衝，且預脈衝的功能與主脈衝的功能在某種程度上可重疊。
因為LPP系統中之EUV輸出功率通常隨著照射目標材料之驅動雷射功率而縮放，所以在一些情況下亦可認為希望採用如下裝置，此裝置包括相對低功率的振盪器或「種源雷射」，以及用以放大來自種源雷射之脈衝之一或多個放大器。大型放大器的使用允許在仍然提供在LPP系統中所使用之相對高功率脈衝的同時使用種源雷射。
然而，即使使用種源雷射，仍然希望產生足夠大的雷射脈衝以便可限制對於放大的需要。假設設計要求來 自種源雷射之脈衝為1 kW(1,000瓦特)，該脈衝隨後被放大。藉由以連續模式，亦即，恆定輸出，使用1 kW的雷射，且使所得光束穿過非常快的光閘，可產生此1 kW的脈衝。此解決方案將極為浪費，因為典型的非空因數，亦即，脈衝持續時間對各脈衝之間的時間之比率，非常低，通常約為1%。因此，雷射輸出功率之99%將被浪費。
由於此原因及其他原因，已發展各種技術來獲得對雷射輸出的更好利用，其中雷射不連續操作，而是累積功率，直至釋放脈衝。一種眾所周知的技術係Q開關技術，有時習稱為巨脈衝形成，其允許雷射產生之脈衝具有比以連續模式操作雷射時更大的功率。
藉由將一些類型的可變衰減器放在雷射的光學空腔(「Q開關」)內來達成Q開關技術，該光學空腔係外部控制的。Q開關充當一種類型的光閘，且可例如為聲光模組(AOM)，可藉由應用控制信號來調整該聲光模組以便傳遞入射在其上之不同數量的光。Q開關最初係關閉的，其防止雷射進行雷射發光且允許雷射介質中所儲存之能量增加。隨後迅速打開Q開關，從而允許所有累積的能源在相對短的脈衝中釋放。
例如，使用Q開關技術，雷射可以每秒50,000次至100,000次之速率產生脈衝，每一個脈衝為½微秒(μs)長，因此允許功率在各脈衝之間累積10 μs至20 μs。以此方式，以連續模式將產生50瓦特之雷射可產生500瓦特至1 kW的脈衝。
然而，具有紅外雷射(諸如CO2雷射)之Q開關技術遭受另一問題。當Q開關打開時，允許發生雷射發光，就空腔內何時將發射第一個光子而言，存在統計上的不確定性，以致於何時將產生脈衝之準確定時係不可預測的。在100奈秒至200 ns內，且有時長達400 ns，通常將不存在任何東西。此「時間抖動」不是光閘問題，因為Q開關的操作係可預測的，而雷射發光的開始不可預測。
Q開關技術之已知修改係，使種源雷射「預雷射發光(pre-lase)」，亦即，在不使用種源雷射中累積之所有功率之低位準處雷射發光。在此情況下，Q開關並非如上所述「完全關閉」，而是提供雷射能量之部分衰減。在Q開關打開之前存在之衰減量確定「雷射發光臨界值」，在此位準處，形成預脈衝且雷射振盪累積而不是消失；由Q開關引起之衰減越少(「降低Q開關驅動」)，雷射發光臨界值越低且預脈衝的開始越快。理想地，將Q開關設定在不使用太多功率之位準處，以便功率可在種源雷射中累積。隨後完全打開Q開關，從而允許種源雷射中已累積之所有功率產生大脈衝。
預雷射發光亦遭受時間抖動，但是只要發生預雷射發光，當光閘打開時就將發生較大的脈衝。因此，相較於普通Q開關技術，大脈衝的定時係更可預測的。此做法的成本在於，功率有所降低；若使用普通Q開關技術，雷射可產生1 kW的脈衝，則當使用預雷射發光時，雷射可僅產生500瓦特。
然而，預雷射發光遭受不同的定時問題。若預雷射發光太早發生，則種源雷射的增益將會減少。若預雷射發光太遲發生，則其可能不會在Q開關打開之前發生，且在種源雷射中將根本不發生雷射發光。
亦存在另一問題，其與Q開關技術或預雷射發光分離且未由Q開關技術或預雷射發光解決。如在此項技術中已知，雷射在某些頻率下具有許多可能的「空腔模式」，該等頻率取決於雷射空腔的長度。若該等頻率與雷射增益的關係由於空腔長度的改變而改變，例如由於熱效應，則雷射之可利用功率可顯著減少。空腔長度的即使幾微米的改變就可對種源雷射輸出功率產生重大影響。
因此，希望有一種改良的系統及方法，其用以在仍然產生週期性脈衝的同時藉由控制空腔長度及預雷射發光來穩定化種源雷射，使得將種源雷射輸出功率最大化，以便用於此種EUV光源中。
發明概要
本文揭示一種用以在雷射產生電漿(LPP)極紫外線(EUV)光系統中穩定化種源雷射的方法及裝置。
在一個實施例中，揭示一種用以產生輸出雷射脈衝的系統，其包含：一雷射，其具有一光學空腔，該光學空腔在一個末端處包括一可移動光學組件，以使得移動該光學組件會改變該光學空腔之該長度，且該雷射在該光學空腔中之功率達到一雷射發光臨界值時雷射發光；一致動 器，其用以將該光學組件定位在一預定範圍內；該光學空腔中之一可變衰減器，其用以限制該雷射中之功率增加之速率，且因此控制達到該雷射發光臨界值之時間以及釋放輸出脈衝之時間；一感測器，其用以在一給定時刻量測該雷射之輸出功率；一計算設備，其用以計算自一輸出脈衝之釋放至再次達到該雷射發光臨界值之時間的時間延遲；一第一回饋迴路，其具有一第一控制器，該第一控制器用以促使該致動器定位該光學組件以便自一輸出脈衝之釋放至再次達到該雷射發光臨界值之時間的時間延遲在一最小值；以及一第二回饋迴路，其具有一第二控制器，該第二控制器用以基於該計算出的時間延遲引起該可變衰減器中之一調整，以便將自一輸出脈衝之釋放至再次達到該雷射發光臨界值之時間的時間延遲保持在一所需值。
另一實施例揭示一種使一產生輸出脈衝之雷射之輸出最大化的方法，該雷射具有一光學空腔，該光學空腔具有一長度且在一個末端處包括一光學組件，該光學組件在一預定範圍內係可移動的，以使得移動該光學組件會改變該光學空腔之該長度，當該光學空腔中之功率達到一雷射發光臨界值時發生雷射發光，且該光學空腔中之一可變衰減器用以限制該雷射中之功率增加之速率，且因此控制達到該雷射發光臨界值之時間以及釋放一輸出脈衝之時間，該方法包含：當在預定運動範圍內移動該光學組件時藉由一計算設備來操作該雷射；在該光學組件之移動期間，在多個時間使用一感測器來量測該雷射之一輸出能 量；藉由該計算設備計算自一輸出脈衝之釋放至下一次達到該雷射發光臨界值之一時間延遲；藉由該計算設備來選擇該時間延遲在最小值時該光學組件之一位置；藉由一致動器基於該所選擇的位置來將該光學組件移動至該所選擇的的位置；以及藉由一控制器基於該所量測的時間延遲來調整該可變衰減器以便將該時間延遲保持在一所需值。
在又一實施例中揭示一種非暫時性電腦可讀媒體，其具有體現於其上之一程式，該程式可由一處理器執行來執行一種使一產生輸出脈衝之雷射之輸出最大化的方法，該雷射具有一光學空腔，該光學空腔具有一長度且在一個末端處包括一光學組件，該光學組件在一預定範圍內係可移動的，以使得移動該光學組件會改變該光學空腔之該長度，當該光學空腔中之功率達到一雷射發光臨界值時發生雷射發光，且該光學空腔中之一可變衰減器用以限制該雷射中之功率增加之速率，且因此控制達到該雷射發光臨界值之時間以及釋放一輸出脈衝之時間，該方法包含以下步驟：當在預定運動範圍內移動該光學組件時藉由一計算設備來操作該雷射；在該光學組件之移動期間，在多個時間使用一感測器來量測該雷射之一輸出能量；藉由該計算設備來計算自一輸出脈衝之釋放至下一次達到該雷射發光臨界值之一時間延遲；藉由該計算設備來選擇該時間延遲在最小值時該光學組件之一位置；藉由一致動器基於該所選擇的位置來將該光學組件移動至該所選擇的的位置；以及藉由一控制器基於該所量測的時間延遲來調整該可變 衰減器以便將該時間延遲保持在一所需值。
10‧‧‧EUV光源
12‧‧‧雷射源
16‧‧‧照射區域或照射位置
18‧‧‧光學元件
20‧‧‧中間區域
22‧‧‧聚焦單元
24‧‧‧光束調節單元
26‧‧‧目標材料遞送系統
30‧‧‧種源雷射模組
32‧‧‧預脈衝種源雷射
34‧‧‧主脈衝種源雷射
36、56‧‧‧光學組件
38~42‧‧‧聲光調變器
44‧‧‧光束組合器
46‧‧‧光束路徑
48‧‧‧光束延遲單元
50‧‧‧預放大器
52‧‧‧光束擴展器
54‧‧‧薄膜偏光器
302、404‧‧‧增益頻寬曲線
304、306‧‧‧空腔模式
308、408‧‧‧增益峰值
406‧‧‧模式
600‧‧‧系統
602、902‧‧‧種源雷射
604、926‧‧‧Q開關
606、908‧‧‧反射鏡
608‧‧‧感測器
610‧‧‧控制模組
612‧‧‧致動器
701‧‧‧中心曲線
702、803‧‧‧頂部曲線
703‧‧‧底部曲線
801‧‧‧最下方曲線
802‧‧‧中間曲線
804~806‧‧‧局部最小值
900‧‧‧裝置
906‧‧‧PZT致動器
910‧‧‧PEM感測器
912‧‧‧放大器
914‧‧‧元件
916‧‧‧平均器
918‧‧‧調變器
920‧‧‧相位偵測器
922、930‧‧‧積分器
924‧‧‧PZT放大器
928‧‧‧比較器
932‧‧‧Q開關驅動器
934‧‧‧控制迴路
1001~1005‧‧‧步驟
圖1係LPP EUV系統之一個實施例之組件中之一些的例示。
圖2係可用於LPP EUV系統中之種源雷射模組之組件中之一些的例示。
圖3係在範例種源雷射中之增益頻寬曲線及空腔模式的圖表，其中空腔模式與增益峰值對準。
圖4係在範例種源雷射中之增益頻寬曲線及空腔模式的另一圖表，其中空腔模式自增益峰值偏移。
圖5係來自經受模式拍頻(mode beating)之種源雷射之脈衝的圖表。
圖6係一個實施例中之一種用以調整種源雷射之空腔長度的系統的簡化方塊圖。
圖7係展示以下兩者的關係的圖表：自種源雷射之一完整的脈衝輸出至用於下一個脈衝之預雷射發光的開始之時間延遲，以及空腔模式的位置。
圖8係展示以下兩者的關係的圖表：自種源雷射之一完整的脈衝輸出至用於下一個脈衝之預雷射發光的開始之時間延遲，以及定義種源雷射的空腔長度之反射鏡的移動。
圖9係一個實施例中之一種用以穩定化種源雷射的系統的簡化方塊圖。
圖10係如本文所述之一種穩定化種源雷射的方 法的一個實施例的流程圖。
本申請案描述一種用以穩定化諸如可在雷射產生電漿(LPP)極紫外線(EUV)光系統中使用之種源雷射源的方法及裝置。
在一個實施例中，一種穩定化種源雷射源的方法涉及藉由可移動反射鏡來調整雷射之空腔長度，該可移動反射鏡形成空腔之一個末端。在不同的反射鏡位置處量測雷射之平均輸出能量，且選擇導致空腔模式與雷射的增益峰值對準之反射鏡位置，因此產生自前一個脈衝的終止至用於下一個輸出脈衝之預雷射發光的重新繼續之最小預雷射發光延遲，且因此產生輸出脈衝之無抖動定時。回饋迴路將雷射輸出保持在最大增益及最大效率，且將衰減及定時保持在所需的操作點處。
圖1係LPP EUV光源20之一個實施例的組件中之一些的簡化示意圖。如圖1中所示，EUV光源10包括雷射源12，該雷射源用以產生雷射脈衝的光束且沿一或多個光束路徑將光束自雷射源12遞送至腔室14中，以便照亮位於照射區域16中之相應的目標，諸如液滴。以下將詳細描述可適合用於圖1中所示之系統12中之雷射裝置的實例。
亦如圖1中所示，EUV光源10亦可包括目標材料遞送系統26，該系統例如將目標材料的液滴遞送至腔室14內部，到達照射區域16，在該照射區域處液滴將與一或 多個雷射脈衝相互作用來最終產生電漿且產生EUV發射。在先前技術中已呈現各種目標材料遞送系統，且其相對優勢對於熟習此項技術者而言將顯而易見。
如上所述，目標材料係EUV發射元素，其可包括但不必限於，包括錫、鋰、疝或其組合之材料。目標材料可呈液滴的形式，或者可為液滴內所含之固體顆粒。例如，作為目標材料，元素錫可呈現為純錫、錫化合物(諸如SnBr4、SnBr2、SnH4)、錫合金(例如錫鎵合金、錫銦合金或錫銦鎵合金)，或其組合。取決於所使用之材料，可在包括室溫或接近室溫之各種溫度下將目標材料(例如錫合金或SnBr4)，在高於室溫之溫度下將目標材料(例如純錫)，或在低於室溫之溫度下將目標材料(例如SnH4)呈現至照射區域16。在一些情況下，此等化合物可能相對易揮發，諸如SnBr4。不同於錫之EUV發射元素的類似合金或化合物及此類材料及上述材料的相對優勢對於熟習此項技術者而言將顯而易見。
返回至圖1，EUV光源10亦可包括光學元件18，諸如具有反射表面的接近正常入射收集器鏡，該光學元件呈長球體(亦即，繞其長軸旋轉之橢圓)形式，以使得光學元件18具有在照射區域16內或附近之第一焦點以及在所謂的中間區域20中之第二焦點，其中EUV光可為來自EUV光源10的輸出且被輸入至利用EUV光之設備，諸如積體電路微影工具(未圖示)。如圖1中所示，光學元件18形成有孔隙以便允許雷射源12所產生之雷射光脈衝通過且 到達照射區域16。
光學元件18應具有適當的表面，該表面用以收集EUV光且將其引導至中間區域20以便隨後遞送至利用EUV光之設備。例如，光學元件18可具有分級多層塗層，其具有交替的鉬及矽層，以及在一些情況下之一或多個高溫擴散障壁層、平滑層、覆蓋層及/或蝕刻停止層。
熟習此項技術者應瞭解，可使用不同於長球體反射鏡之光學元件作為光學元件18。例如，光學元件18可替代地係繞其長軸旋轉之抛物線或可經組配來將具有環形橫截面之光束遞送至中間位置。在其他實施例中，光學元件18可利用不同於本文所述之塗層及層或除本文所述之塗層及層之外的塗層及層。熟習此項技術者將能夠在特定情形中選擇用於光學元件18之適當的形狀及組成。
如圖1中所示，EUV光源10可包括聚焦單元22，該聚焦單元包括用以將雷射光束聚焦至位於照射位置之焦點之一或多個光學元件。EUV光源10亦可包括介於雷射源12與聚焦單元22之間的光束調節單元24，其具有一或多個光學元件，該光束調節單元例如用以對雷射光束進行擴展、導引及/或塑形，及/或對雷射脈衝進行塑形。各種聚焦單元及光束調節單元係此領域中已知的，且可由熟習此項技術者適當選擇。
如上文所指出，在一些情況下，LPP EUV系統使用一或多個種源雷射來產生雷射脈衝，該等雷射脈衝隨後可被放大而變成雷射光束，該雷射光束照射位於照射位 置16中之目標材料來形成產生EUV發射之電漿。圖2係種源雷射模組30之一個實施例的簡化示意圖，該種源雷射模組可用作LPP EUV系統中之雷射光源的一部分。
如圖2中所例示，種源雷射模組30包括兩個種源雷射：一個預脈衝種源雷射32以及一個主脈衝種源雷射34。熟習此項技術者應瞭解，在使用含有兩個種源雷射之此種實施例的情況下，可首先介於來自預脈衝種源雷射32之一或多個脈衝來照射目標材料，且隨後藉由來自主脈衝種源雷射34之一或多個脈衝來照射目標材料。
種源雷射模組30經展示為具有「折疊」配置而不是將組件配置成一條直線。在實踐中，此種配置係典型的以便限制模組的大小。為達成此配置，藉由多個光學組件36將藉由預脈衝種源雷射32之雷射脈衝及主脈衝種源雷射34之雷射脈衝所產生之光束引導至所需的光束路徑上。取決於所需之特定組態，光學組件36可為諸如以下元件：透鏡、濾光片、稜鏡、反射鏡或可用來在所需的方向上引導光束之任何其他元件。在一些情況下，光學組件36亦可執行其他功能，諸如改變經過的光束的偏光。
如熟習此項技術者已知的，種源雷射32及34內含有相對易碎之光學組件，諸如輸出耦合器、偏光鏡、後視鏡、光柵、聲光調變(AOM)開關或電光調變(EOM)開關等等(此類元件在種源雷射32及34內且未圖示)。因此，希望防止可自位於照射位置中之目標材料反射之任何光到達並損壞此等組件或以其他方式干擾種源雷射之穩定操 作。
在圖2之實施例中，來自每一個種源雷射的光束首先通過電光調變器38(EOM)。EOM 38與種源雷射一起用作脈衝塑形單元，以便將種源雷射所產生之脈衝修整為具有較短的持續時間以及較快的上升時間及下降時間的脈衝。因為脈衝與目標之間的相互作用時間較短，且因為脈衝之不需要的部分不消耗放大器的增益，所以較短的脈衝持續時間及相對快的下降時間可增加EUV輸出及光源效率。雖然展示了兩個分開的脈衝塑形單元(EOM 38)，但是替代地可使用共同的脈衝塑形單元來修整預脈衝種源及主脈衝種源。
來自種源雷射之光束隨後通過聲光調變器(AOM)40及42。如下文將闡述，AOM 40及AOM 42充當「開關」或「光閘」，其操作來使來自目標材料之雷射脈衝之任何反射轉向以免到達種源雷射；如上所述，種源雷射通常含有敏感光學元件，且AOM 40及AOM 42因此防止任何反射對種源雷射元件造成損壞。在此處所示之實施例中，來自每一個種源雷射之光束通過兩個AOM；每一個AOM在經過的光束中導致頻率位移及波長位移，且每一個光束路徑上之第二AOM經定向以使得位移與第一AOM之位移相反且因此反轉第一AOM之移位。熟習此項技術者應瞭解，在一些實施例中，來自每一個種源雷射之光束僅通過每一個路徑上之單個AOM將如何成為可能，以及此種組態的效果將是什麼。
在通過AOM 40及AOM 42之後，藉由光束組合器44將兩個光束「組合」。因為預脈衝種源雷射及主脈衝種源雷射具有略為不同的波長，所以在一個實施例中，光束組合器44可為二向色光束分離器；熟習此項技術者將瞭解實現此效果的其他方式。因為來自每一個種源雷射之脈衝係在不同的時間處產生，此實際上意味將兩個時間上分開的光束置於共同的光束路徑46上以便進一步處理及使用。
在置於共同的光束路徑上之後，來自該等種源雷射中之一個的光束(同樣，一次將僅有一個)通過諸如此項技術中已知且如在下文中將進一步闡述之光束延遲單元48。接著，引導光束通過預放大器50且隨後通過光束擴展器52。在此之後，光束通過薄膜偏光鏡54，且隨後藉由光學組件56向前引導光束，光學組件56同樣係將光束引導至LPP EUV系統中之下一階段且亦可執行其他功能之元件。光束通常自光學組件56傳至一或多個光學放大器及其他組件，如下文將例示。
適合用作預脈衝種源雷射及主脈衝種源雷射之各種波長可調諧式種源雷射在此項技術中係已知的。例如，在一個實施例中，種源雷射可為具有密封填充氣體之CO2雷射，其包括例如0.05至0.2個大氣壓之次大氣壓下之CO2，且藉由射頻放電來激發。在一些實施例中，可使用光柵來幫助定義種源雷射之光學空腔，且可旋轉該光柵來將種源雷射調諧至所選擇之旋轉線。
若種源雷射將要提供可被放大來照射目標材料之有效脈衝，則需要某些條件。首先，種源雷射應提供一定量的功率來限制所需要的放大量。此外，脈衝的定時應在某一範圍內係可控制的，以便允許脈衝與目標材料在照射位置中之存在相協調。熟習此項技術者應瞭解此等問題係相關的。
在雷射中，在通常包括兩個或兩個以上的反射鏡之共振光學空腔中將光放大，該等反射鏡在其間反射光。每個雷射產生在一頻率範圍或頻寬內的光，該頻寬被稱為「增益頻寬」或「小信號增益」。主要由光學空腔中所包括之增益介質確定之增益頻寬，通常係具有單個峰值之Lorentzian函數，且因此在中心波長及中心頻率處具有增益峰值。例如，在60 hPa之氣體壓力下之CO2雷射具有約270 MHz之增益頻寬，此係藉由半高全寬法(FWHM)來量測的，FWHM係一種眾所周知的頻寬量測方法，其中該雷射之中心波長中之一個在10.59微米處。
因為光係一種波，所以在位於空腔末端之反射鏡之間的光反射將建設性地且破壞性地干擾其本身，導致駐波在反射鏡之間形成。此等駐波形成一組離散的頻率且習稱為「縱向空腔模式」。縱向空腔模式係僅有的光頻率，該等頻率係自我再生的且被允許藉由空腔來振盪，且取決於雷射之空腔的長度。
一般而言，在空腔往返光學距離為波長的正好整數倍之波長處將縱向空腔模式隔開。就充分長於光的波長 之空腔而言，模式之間的間隔(亦習稱為自由光譜範圍或FSR)將係由c/2L給出之頻率差異，其中c為光的速度且L為共振空腔之長度。在空腔為1.6米的情況下，模式之間的頻率間隔將約為93 MHz。
因為CO2雷射在60 hPA之填充壓力下的增益頻寬為270 MHz，且在1.6米的空腔的情況下，模式相隔約93 MHz，所以在增益頻寬曲線內將存在若干模式。(若干模式在增益頻寬曲線內的存在通常係針對大多數雷射。)在此情形中，具有最高增益的模式，亦即，在增益頻寬曲線的最高部分之下的模式，將支配雷射的振盪且雷射的所有可利用之功率將可自該模式獲得(若一個模式具有足夠的增益，則其將壓製其他的模式)。
因此，較佳使空腔模式中之一個與增益峰值(亦即，增益頻寬曲線中之最高點)對準。圖3例示CO2雷射的增益頻寬曲線302以及空腔模式304及306，其中空腔模式中之一個304與增益頻寬曲線302中之最高點308，即「增益峰值」，對準。因為模式304之增益大於其他模式306(因為增益頻寬曲線在模式304的頻率處比在其他模式306處高)，且因為模式304與增益峰值308對準，所以基本上所有可利用之功率將在此模式中且雷射的輸出功率得以最大化。
類似地，因為增益在遠離中心波長之波長處減少，所以在偏離中心的模式下操作將導致種源雷射之輸出功率降低。即使是自中心頻率偏移了30 MHz的頻率亦將 導致小信號增益減少約5%，且因此輸出功率降低約5%。此外，因為種源雷射功率在到達照射位置之前被放大，所以種源雷射之輸出功率的降低將同樣被放大，且放大器在最佳中心頻率上最有效率地操作之事實會增加上述效果。在並非最佳之種源雷射頻率可僅導致種源雷射之輸出功率下降5%的情況下，其亦可導致放大器之小信號增益減少。因此，因為高功率輸出以指數方式取決於小信號增益，所以放大的輸出可下降更多，可能多達25%以上，其取決於放大器之總體增益長度乘積。
不與增益峰值對準之模式(「偏移模式」)亦可導致其他問題。圖4例示與增益頻寬曲線404之增益峰值408大致等距間隔之兩個模式406。在此情形中，因為兩個模式均不具有顯著較大的增益，所以兩個模式406均將振盪，且此將在輸出脈衝上產生頻率約為93 MHz的假影。此習稱為「模式拍頻」；圖5中展示此脈衝之一個實例。此對脈衝形狀造成不希望的破壞，如在圖5中可見，以及由於兩個模式406均不對應於增益峰值408之事實而導致功率降低。在模式不與增益峰值等距之處，將存在降低的拍頻量，此仍然係不希望的。
在另一情形中，若空腔之長度改變，則空腔模式將在增益頻寬內緩慢地漂移。在此情況下，隨著不同的模式通過增益峰值，輸出波長可不連續地自一個模式跳至另一模式；此效果被稱為「模式跳躍」。
將顯而易見的是，空腔的長度對確立空腔模式而 言很關鍵，因為空腔長度的變化導致如下兩者的變化：空腔的中心波長，及各模式之間的差異。空腔的長度可由於多種原因而改變；主要原因係裝有反射鏡之結構的熱膨脹，但是空腔長度亦可能由於空腔內諸如窗口或雷射增益介質等之元件折射率的變化而變化。
由於此等原因，穩定化種源雷射模式的關鍵在於維持恆定的空腔長度。此必須在精密的容限內完成，因為在CO2雷射的情況下，即使5微米的長度變化亦將導致自一個模式至另一模式的切換，並且雷射的週期性有極小的變化。因此，希望將空腔長度在1微米之內保持恆定。
完成此的一種方式為，試圖藉由使用具有低的熱膨脹係數之材料及/或藉由仔細控制空腔的溫度來控制空腔長度，以使得空腔長度不會由於熱膨脹而顯著改變。
然而，此類「被動」技術具有限制。為維持恆定的溫度，通常將需要以某種方式冷卻雷射，且即使如此，精確控制仍極為困難。例如，即使使用水冷卻器來冷卻雷射，「穩定的」溫度仍可隨著水再循環而變化。
或者，可藉由在合適的回饋信號的控制下移動空腔反射鏡中之一個，或在一些情況下藉由移動空腔內之光柵，來主動地控制空腔的長度。若使用適當的控制信號，則相較於被動技術，此種主動控制能夠以更好的精確度保持空腔長度恆定。
圖6係用以調整種源雷射602之空腔長度的系統600的簡化方塊圖。Q開關604允許功率在種源雷射602 中累積，如上所述。可移動反射鏡606定義種源雷射空腔之一個末端。感測器608量測輸出光束之一或多個參數。控制模組610使用所量測的參數來確定對雷射空腔長度之適當調整，且將命令發送至致動器612以便根據所確定的調整來移動反射鏡606。
反射鏡606及致動器612較佳地將具有某些特徵來使其適於與種源雷射602一起使用。反射鏡606較佳地可在至少等於將要自種源雷射602輸出之光的幾個波長之距離上移動，而不會引起傾斜，該傾斜可能使光學空腔不對準；因此，反射鏡606本身應能夠在必要時傾斜。致動器612較佳地將能夠在包括至少3個空腔模式之調整範圍(在所描述的情況下為至少15微米之驅動範圍)內移動反射鏡606，且能夠使反射鏡606在一定範圍內傾斜。在一個實施例中，此種致動器可由壓電換能器(PZT)驅動。熟習此項技術者將能夠根據此等及其他考慮來選擇合適的致動器。
除控制雷射空腔的長度之外，當使用Q開關技術來獲得來自種源雷射之最大功率時，亦希望同時控制預雷射發光之定時。如上所述，有兩個因素會影響預雷射發光何時開始。第一，如上所述，在開關打開之前Q開關的衰減越低，將越早達到雷射發光臨界值且預雷射發光將越早發生。
第二，相較於僅存在遠離峰值之偏移模式時，當空腔模式定位在增益頻寬之峰值時能量將更快累積。因此，當使用如上所述之部分打開的Q開關時，相較於僅存 在偏移模式時，當空腔模式定位在增益峰值時預計將更早達到雷射發光臨界值且預雷射發光將因此更早發生。將空腔模式定位在增益峰值亦導致來自種源雷射之最大輸出功率。
問題在於找到將允許控制空腔長度及雷射脈衝的定時之適當參數。
圖7展示種源雷射之輸出功率在如下時間內的三個圖701至703：自時間T1處之一個脈衝的發射至時間T2處之下一個脈衝。該輸出功率係由感測器量測的。在一個實施例中，此感測器係光電磁感測器(「PEM」)；適於量測輸出功率之其他類型的快速光學感測器，諸如光導感測器或光伏打感測器，對於熟習此項技術者而言將顯而易見。因為，如上所述，當雷射中之功率達到某一點時種源雷射開始預雷射發光，所以輸出功率的圖表亦展示自時間T1處之完整的脈衝輸出至用於下一個脈衝之預雷射發光之開始的時間延遲。
在中心曲線701中，空腔模式以增益峰值為中心，而在頂部曲線702及底部曲線703中僅存在不位於增益峰值之偏移模式。就曲線702及703而言，可以看出，用T延遲來指示自時間T1處之脈衝至預雷射發光之時間延遲，而就曲線701而言，時間延遲為較短的時間T最小延遲。此係如所預計，因為如上所述，在空腔模式與增益峰值對準的情況下，雷射中之功率將更快地累積。因此，在曲線701中，自一完整的脈衝至預雷射發光之開始的延遲時間T 最小延遲係在最小值，比僅存在如曲線702及曲線703中之偏移模式時短。
為找到最佳模式對準，在小的運動範圍內，例如5%的空腔自由光譜範圍(FSR)內移動致動器，從而移動反射鏡且改變空腔長度，且量測自前一個脈衝之結束至預雷射發光之開始之延遲時間T延遲。若FSR為例如5微米，則在約5%的FSR或0.25微米的運動內移動致動器且因此移動反射鏡。此導致預雷射發光隨著反射鏡位置的變化而變化。雷射空腔中之模式的頻率將改變且模式將表現為跨越增益頻寬曲線移動；在此情況發生時，在反射鏡移動範圍內量測延遲時間T延遲。
圖8展示此類型之測試圖(藉由水平軸上之PZT電壓來表示致動器的移動，且因此表示反射鏡的位置)且表示在種源雷射之輸出與至反射鏡致動器之信號之間的轉移函數。圖8上之三個曲線801、802以及803表示在Q開關打開之前Q開關之不同衰減。如上所述，Q開關衰減越低，預雷射發光將越早發生且T延遲變得越短。因此，圖8上之最下方曲線801表示具有低於其他兩個曲線之衰減的Q開關，且相較於頂部曲線803，中間曲線802表示Q開關之較少衰減。
就Q開關衰減之每一個給定值(亦即，圖8上之每一個曲線)而言，最佳模式對準發生在曲線中之每一個局部最小值。換言之，曲線上之每一個局部最小值指示與增益峰值對準之空腔模式。將看出，空腔長度之約5微米的 位移將導致另一局部最小值且因此導致一替代的最佳對準點；此係如所預計，因為如上所述，此導致下一個空腔模式定位在種源雷射之增益峰值。
如上所述，在此實例中，反射鏡可移動15微米且涵蓋三個空腔模式。因為三個空腔模式中之每一個與增益峰值之對準導致一局部最小值，所以將存在針對曲線801之三個局部最小值804、針對曲線802之三個局部最小值805，以及針對曲線803之三個局部最小值806。(最小值在三個曲線之間的水平位移反映了空腔長度在掃描之間的漂移；若空腔長度不擴展或不縮小，則最小值將在相同的位置。)用以尋求此類曲線之局部最小值的演算法在此項技術中係眾所周知的。
熟習此項技術者應瞭解，在一些情況下，種源雷射將位移通過三個以上的模式；事實上，一些雷射在啟動之後可通過30個以上的模式。因為僅可移動反射鏡通過幾個模式之致動器無疑將會超出範圍，所以可週期性地採用已知的「範圍環繞」或「致動器去飽和」技術來使致動器(及反射鏡)返回至其操作範圍的中間。
圖9係用以穩定化種源雷射902之裝置900的一個實施例的方塊圖。(此裝置僅對種源雷射進行操作且獨立於上文所例示之用以處理及利用雷射脈衝之其他組件；因此，此裝置將例如包含在圖2上所例示之種源雷射32及34內。)存在兩個控制迴路904及934。控制迴路904促使PZT致動器906移動反射鏡908以便控制種源雷射902之空腔 的長度，類似於以上的圖6中之設備，而控制迴路934控制種源雷射902中之Q開關926的衰減。
PEM感測器910量測Q開關脈衝之功率，且藉由放大器912放大所得的信號。藉由使用元件914對信號設定臨界值且隨後藉由平均器916對信號求平均值，來提取平均預雷射發光延遲。由此，可計算反射鏡位置與自完整的脈衝至預雷射發光之延遲時間T的比較，如圖8之曲線中所示。
藉由調變器918使反射鏡908的位置在例如1 Hz至2 Hz的低頻率處顫動，以便在所需範圍內移動反射鏡。因為平均非空因數的振幅及相位取決於當前操作點定位在最小值之哪一側，所以相位偵測器920接收平均非空因數值及當前反射鏡位置且恢復平均非空因數中之所得調變的帶正負號之振幅。當反射鏡位置在圖8的曲線之所需最小值時，此信號的振幅接近零。
藉由積分器922對此信號求積分，添加至顫動信號，且藉由PZT放大器924放大，該PZT放大器在必要時驅使PZT致動器906移動反射鏡908。熟習此項技術者應瞭解，控制迴路904因此係典型的「登山」迴路：其追蹤PZT致動器906的位置，找到非空因數中之調變在最小值且因此延遲時間T在最小值之點，且產生回饋信號來將反射鏡908保持在此點處。在一些實施例中，藉由類比電路來執行各種數學函數，而在其他實施例中可使用電腦處理器。
控制迴路906係典型的整數收斂迴路，其操作來控制來自Q開關926之衰減。如上所述，希望使預雷射發光在既不太早亦不太遲之時間發生。在控制迴路906中，藉由比較器928將來自平均器916之平均非空因數值與目標值相比較。藉由積分器930對差值求積分，且藉由Q開關驅動器932將結果轉化為控制Q開關926之衰減的信號，若平均非空因數值不同於目標值，則適當地增加或減少衰減。此將驅使Q開關中之衰減達到所需目標值且將預雷射發光定時成使得種源雷射的效率保持為高的。
圖10係根據一個實施例之穩定化種源雷射的方法的流程圖。在步驟1001中，通常藉由電腦控制型致動器在預定運動範圍內移動可移動反射鏡，該反射鏡定義雷射之光學空腔之一個末端。如上所述，運動範圍較佳地約為5%的空腔FSR。
在步驟1002中，在使反射鏡在此運動範圍內移動的同時，計算自脈衝之輸出至下一個雷射發光臨界值及預雷射發光之開始的時間延遲。
如上所述，當空腔模式定位在雷射之增益峰值時，平均輸出能量將在最大值，且針對雷射中Q開關之給定衰減，自脈衝之輸出至下一個雷射發光臨界值及預雷射發光的開始之時間延遲將在最小值。若反射鏡之運動範圍延伸越過三個空腔模式，則將有三個可能的反射鏡位置將會產生此結果。
在步驟1003中，隨機選擇此等反射鏡位置中之 一個，且在步驟1004中將反射鏡移動至所選擇的位置。隨著空腔的擴展，圖8之曲線將向右或向左漂移，且控制迴路將促使反射鏡移動來跟隨所選擇之最小位置，直至達到反射鏡之運動範圍的極限。控制迴路隨後將「環繞」控制點來返回反射鏡之範圍內，且選擇另一最小值點，較佳在該範圍的中心附近。
在步驟1005中，在必要時調整Q開關的衰減以便將衰減保持在所需值，且因此將延遲時間保持在所需值。如上所述，較佳的是，延遲時間不太短，若太短，則當Q開關打開時預雷射發光不可能及時地發生來允許產生輸出脈衝，或不太長，若太長，則預雷射發光中將浪費功率。
當雷射正在操作時重複此等步驟，從而提供回饋信號來保持雷射在所需點處操作。以此方式，穩定化種源雷射以便其接近其最大效率來操作。若空腔長度例如由於熱膨脹而改變，則將調整反射鏡位置以便將空腔模式保持在雷射的增益峰值。另外，時間延遲將保持在所需值，以便當Q開關打開時釋放雷射脈衝而不會有時間抖動。控制輸出頻率亦防止在雷射脈衝之後續放大中的損耗。
上文已參照若干實施例來闡述所揭示的方法及裝置。鑒於此揭示案，其他實施例對於熟習此項技術者而言將顯而易見。使用不同於以上實施例中所描述之組態的組態，或結合不同於上文所描述之元件的元件，可容易實施所述方法及裝置之某些態樣。例如，可使用或許比本文 所述之演算法及/或邏輯電路更複雜之不同演算法及/或邏輯電路，以及可能使用不同類型的驅動雷射及/或聚焦透鏡。
如本文所指出，各種變化係可能的。在一些情況下可使用單個種源雷射，且在其他情況下可使用兩個種源雷射：一個預脈衝種源雷射及一個主脈衝種源雷射。在使用兩個種源雷射的情況下，可如本文所述獨立地穩定化兩個種源雷射。
應瞭解，可以包括方法、裝置或系統之眾多方式來實施所述之方法及裝置。可藉由程式指令來實施本文所述之方法，此等指令用以命令處理器執行此等方法，且此等指令記錄在電腦可讀儲存媒體或電腦網路上，該電腦可讀儲存媒體諸如硬碟機、軟碟、諸如光碟片(CD)或數位多功能光碟(DVD)之光學碟片、快閃記憶體等等，在該電腦網路中經由光學通訊鏈路或電子通訊鏈路來發送該等程式指令。可藉由處理器或控制器來執行此類程式指令，或可將此類程式指令併入固定邏輯元件中。應注意，可改變本文所述之方法的步驟的次序且仍然在本揭示案的範疇內。
基於該等實施例之此等及其他變化意欲由本揭示案涵蓋，本揭示案僅受所附請求項的限制。
600‧‧‧系統
602‧‧‧種源雷射
604‧‧‧Q開關
606‧‧‧反射鏡
608‧‧‧感測器
610‧‧‧控制模組
612‧‧‧致動器

Claims (19)

  1. 一種用以產生輸出雷射脈衝之系統，其包含：一雷射，其具有一光學空腔，該光學空腔包括一可移動光學組件，以使得移動該光學組件會改變該光學空腔的長度，該雷射在該光學空腔中之功率達到一預雷射發光(pre-lasing)臨界值時預雷射發光且該雷射在該光學空腔中之功率達到一雷射發光臨界值時雷射發光；一致動器，其用以將該光學組件定位在一預定範圍內；該光學空腔中之一可變衰減器，其用以限制該雷射中之功率增加之速率且因此控制達到該預雷射發光臨界值及該雷射發光臨界值之時間及釋放該輸出脈衝之時間；一感測器，其用以在一給定時刻量測該雷射之輸出功率；一計算設備，其用以計算自一輸出脈衝之釋放至再次達到該預雷射發光臨界值之時間的時間延遲；以及一第一回饋(feedback)迴路，其具有一第一控制器，該第一控制器用以使該致動器定位該光學組件，以使得該計算出之自一輸出脈衝之釋放至再次達到該預雷射發光臨界值之時間的該時間延遲係在一最小值。
  2. 如請求項1之系統，其進一步包含一第二回饋迴路，該第二回饋迴路具有一第二控制器，該第二控制器用以基 於該計算出之時間延遲引起該可變衰減器中之一調整，以將自一輸出脈衝之釋放至再次達到該預雷射發光臨界值之時間的該時間延遲保持在一所需值。
  3. 如請求項1之系統，其中該可變衰減器為一聲光(acousto-optic)模組。
  4. 如請求項1之系統，其中該可變衰減器為一電光(electro-optic)模組。
  5. 如請求項1之系統，其中該光學組件為在該光學空腔之一個末端處之一反射鏡(mirror)。
  6. 如請求項1之系統，其中該光學組件為該光學空腔內之一光柵。
  7. 如請求項1之系統，其中該計算設備為一處理器。
  8. 如請求項1之系統，其中該計算設備為一類比電路。
  9. 如請求項1之系統，其中用以定位該光學組件之該預定範圍係至少等於該空腔之一自由光譜範圍(free-spectral range)之一距離。
  10. 如請求項1之系統，其中該第一回饋迴路進一步包含一計算設備，該計算設備用以：當該可變衰減器保持在一固定的衰減值時，使該致動器在該預定範圍內移動該光學組件；將該計算出之時間延遲與該光學組件在該預定範圍內之位置相比較；以及致使該致動器將該光學組件定位於使該時間延遲係在一局部最小值之一位置。
  11. 一種使一產生輸出脈衝之雷射之輸出最大化的方法，該雷射具有一光學空腔，該光學空腔具有一長度且包括在一預定範圍內可移動之一光學組件，以使得移動該光學組件會改變該光學空腔之該長度，當該光學空腔中之功率達到一預雷射發光臨界值時發生預雷射發光且當該光學空腔中之功率達到一雷射發光臨界值時發生雷射發光，且該光學空腔中之一可變衰減器用以限制該雷射中之功率增加之一速率且因此控制達到該預雷射發光臨界值及該雷射發光臨界值之一時間以及釋放一輸出脈衝之一時間，該方法包含：當在該預定運動範圍內移動該光學組件時，藉由一計算設備操作該雷射；在該光學組件之移動期間，在多個時間以一感測器來量測該雷射之一輸出能量；藉由該計算設備來計算自一輸出脈衝之釋放至下一次達到該預雷射發光臨界值之一時間延遲；藉由該計算設備來選擇該光學組件在該計算出之時間延遲係一最小值時之一位置；以及藉由一致動器基於該所選擇之位置來將該光學組件移動至該所選擇之位置。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包含藉由一控制器基於該計算出之時間延遲來調整該可變衰減器以將該時間延遲保持在一所需值。
  13. 如請求項11之方法，其中該預定運動範圍係至少等於 該空腔之一自由光譜範圍之一距離。
  14. 如請求項11之方法，其中當在該預定運動範圍內移動該光學組件時藉由一控制設備操作該雷射進一步包含：在該光學組件之移動期間將該可變衰減器保持在一固定衰減值；且藉由該計算設備選擇該光學組件在自一輸出脈衝之釋放至下一次達到該雷射發光臨界值之該計算出之時間延遲係一最小值時之一位置進一步包含：藉由該計算設備來計算相對於該光學組件在該預定範圍內的該位置之時間延遲；藉由該計算設備來定位該光學組件在該時間延遲係一局部最小值時之一或多個位置，以及藉由該計算設備來選擇該光學組件在該時間延遲係一局部最小值時之該等定位位置中之一個。
  15. 如請求項11之方法，其中該計算設備為一處理器。
  16. 如請求項11之方法，其中該計算設備為一類比電路。
  17. 如請求項11之方法，其中該光學組件為在該光學空腔之一個末端處之一反射鏡。
  18. 如請求項11之方法，其中該光學組件為該光學空腔內之一光柵。
  19. 一種非暫時性電腦可讀媒體，其具有體現於其上之一程式，該程式係可由一處理器執行來執行一使一產生輸出脈衝之雷射之輸出最大化的方法，該雷射具有一光學空腔，該光學空腔具有一長度且包括在一預定範圍內可移動之一光學組件，以使得移動該光學組件會改變該光學 空腔之該長度，當該光學空腔中之功率達到一預雷射發光臨界值時發生預雷射發光且當該光學空腔中之功率達到一雷射發光臨界值時發生雷射發光，且該光學空腔中之一可變衰減器用以限制該雷射中之功率增加之一速率且因此控制達到該預雷射發光臨界值及該雷射發光臨界值之一時間以及釋放一輸出脈衝之一時間，該方法包含以下步驟：當在該預定運動範圍內移動該光學組件時，藉由一控制設備操作該雷射；在該光學組件之該移動期間，在多個時間以一感測器來量測該雷射之一輸出能量；藉由該控制設備來計算自一輸出脈衝之釋放至下一次達到該預雷射發光臨界值之一時間延遲；藉由該控制設備來選擇該光學組件在該計算出之時間延遲係一最小值時之一位置；以及藉由一致動器基於該所選擇之位置來將該光學組件移動至該所選擇之位置。
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