НЕУСТОЙЧИВЫЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2001 года по МПК H01S3/08 

Предлагаемое техническое решение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при производстве эксимерных лазеров.

В последнее время для решения ряда научных и прикладных задач в спектроскопии, микроэлектронике, фотолитографии необходимо использование ультрафиолетового лазерного излучения с высокой пространственной и временной когерентностью. В настоящее время эксимерные лазеры являются, по существу, единственным источником мощного лазерного излучения в УФ области спектра. Однако излучение эксимерных лазеров имеет большую расходимость и широкий спектр генерации. Существует большое количество лазерных устройств, работающих по схеме: задающий генератор - усилитель, которые позволяют получать высокую пространственную и временную когерентность при высокой энергии излучения лазера. Получение аналогичных результатов в одном лазерном модуле представляет определенную трудность. С целью повышения пространственной и временной когерентности эксимерных лазеров используют различные приспособления.

Известна лазерная система (патент США N 5946337, H 01 S 003/08), в которой для повышения пространственной и временной когерентности излучения эксимерного лазера резонатор лазера выполнен в виде цилиндрического неустойчивого резонатора, состоящего из цилиндрического рассеивающего выходного зеркала, внутрирезонаторной линзы и дисперсионного элемента, которым служит плоская дифракционная решетка.

Такой резонатор представляет собой комбинированный резонатор, объединяющий черты стабильного и нестабильного резонаторов, а именно в плоскости дисперсии решетки резонатор является стабильным, а в перпендикулярной плоскости - нестабильным. Недостатком этой системы является то, что внутри резонатора лазера установлены дополнительные элементы, что приводит к дополнительным потерям энергии и уменьшению эффективности лазера. Кроме того, система, содержащая три или более элемента, сложна в настройке и чувствительна к механическим воздействиям.

Известен неустойчивый резонатор лазера (патент США N 4216439, H 01 S 3/08), в котором оба зеркала имеют радиус кривизны, для селекции по длине волны используется дополнительно плоская дифракционная решетка, установленная либо вне оси резонатора, либо на выходе неустойчивого резонатора. В том случае, когда решетка установлена вне оси резонатора, в выходном излучении будет присутствовать большая доля неселектированного по частоте излучения. В том случае, когда решетка установлена на выходе резонатора, эффективность селекции определяется, по существу, только отражательной способностью решетки, поскольку роль решетки сводится к распределению энергии лазерного луча в различные порядки, решетка не принимает участие в процессе нарастания генерации в резонаторе, что ограничивает эффективность данного селективного резонатора. Кроме того, недостатком этого решения является наличие дополнительного элемента, что ведет к сложности юстировки и потерям энергии.

Технической задачей данного изобретения является создание селективного неустойчивого резонатора эксимерного лазера с минимальными потерями и высокой эффективностью вывода энергии, обеспечивающего долговременную стабильную работу.

Для решения этой задачи хотя бы одно из зеркал неустойчивого резонатора эксимерного лазера выполнено в виде дифракционной решетки, имеющей радиус кривизны, установленной таким образом, что направление одного из порядков дифракции совпадает с осью неустойчивого резонатора, а расстояние между зеркалами L=(R^*- r)/2, где r - радиус кривизны зеркала, R^* определяется в соответствии с условиями дифракции выбранного ненулевого порядка на вогнутой дифракционной решетке радиуса R.

В неустойчивом резонаторе эксимерного лазера зеркало, выполненное в виде дифракционной решетки, имеющей радиус кривизны, устанавливается таким образом, что направление одного из порядков отражения (ненулевого порядка) решетки совпадает с оптической осью неустойчивого резонатора. Такая установка дифракционной решетки, имеющей радиус кривизны, позволяет в полной мере реализовать в неустойчивом резонаторе ее свойства как спектрального элемента, так и фокусирующего зеркала. Фокальное расстояние выбранного порядка дифракции на вогнутой дифракционной решетке радиуса R равно R^*/2, расстояние между зеркалами L=(R^*-r)/2. При возникновении усиления в активной среде лазера излучение усиливается при прохождении между зеркалами резонатора, причем усиливается только излучение в определенном спектральном диапазоне, соответствующем дисперсии решетки и параметрам неустойчивого резонатора. Число отражающих оптических поверхностей минимально, что обеспечивает минимальные потери и максимальную эффективность извлечения фотонов из резонатора, что особенно важно для ультрафиолетового излучения эксимерного лазера. При этом резонатор состоит из двух элементов, его легко настраивать, он устойчив к механическим помехам. Это обеспечивает устойчивую работу резонатора, эффективную селекцию по длине волны, повышение пространственной когерентности при высокой энергии луча.

Неустойчивый селективный резонатор по данному изобретению может быть выполнен из сферических или цилиндрических зеркал, хотя бы одно из которых в свою очередь должно быть выполнено в виде сферической или цилиндрической дифракционной решетки. В зависимости от задачи использования излучения эксимерного лазера резонатор может быть выполнен в различных конфигурациях.

Неустойчивый резонатор по данному изобретению может быть выполнен внеосевым из двух вогнутых зеркал. Расстояние между зеркалами L=(R^*+r)/2. Где R^* определяется из условия дифракции выбранного порядка на вогнутой дифракционной решетке радиуса R. При возникновении усиления в активной среде лазера излучение усиливается при прохождении между зеркалами резонатора, причем усиливается только излучение в определенном спектральном диапазоне, соответствующем дисперсии решетки и параметрам неустойчивого резонатора. Число отражающих оптических поверхностей минимально, что обеспечивает минимальные потери и максимальную эффективность извлечения фотонов из резонатора, что особенно важно для ультрафиолетового излучения эксимерного лазера. При этом резонатор состоит из двух элементов, его легко настраивать, он устойчив к механическим помехам. Длительность импульса эксимерного лазера составляет 10-20 нс. За это время излучение успевает пройти в резонаторе лишь несколько проходов, поэтому очень важно, чтобы оптический путь был минимальным, отсутствовали дополнительные элементы, селекция длины волны происходила уже внутри резонатора.

Внеосевой неустойчивый резонатор эксимерного лазера может быть выполнен в виде сферических зеркал, в этом случае в области перетяжки лазерного луча можно установить диафрагму.

Если внеосевой неустойчивый резонатор эксимерного лазера выполнен в виде цилиндрических зеркал, в области перетяжки лазерного луча внутри резонатора может быть установлена щелевая диафрагма. Размещение диафрагмы в области фокуса дифракционной решетки повышает селективные свойства резонатора. Выбирая диаметр диафрагмы в случае сферического неустойчивого резонатора или ширину щели в случае цилиндрического неустойчивого резонатора, можно управлять шириной спектра излучения. Кроме того, установка диафрагмы в области перетяжки позволяет уменьшить в выходном излучении лазера долю спонтанного неселектированного излучения.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание неустойчивого селективного резонатора одномодульного эксимерного лазера, состоящего из двух элементов, который обеспечивает генерацию излучения с высокой пространственной и временной когерентностью, высокой энергетической эффективностью (до 70% от эффективности устойчивого неселективного резонатора), удобного для юстировки и устойчивого к механическим воздействиям.

На фиг. 1. представлено сечение неустойчивого резонатора со сферическими зеркалами, установленного в эксимерном лазере. На фиг. 2. представлено сечение внеосевого неустойчивого резонатора, в котором оба зеркала выполнены собирающими.

На фиг. 1. представлен вариант исполнения предлагаемого технического решения, в котором зеркала неустойчивого резонатора имеют сферическую поверхность. Камера лазера 1 содержит основные электроды 2, активное вещество, окна 3, прозрачные для лазерного излучения. Неустойчивый резонатор содержит рассеивающее зеркало 4 и зеркало 5, выполненное в виде вогнутой сферической дифракционной решетки; n=0,1,2 - порядки дифракции вогнутой решетки.

Радиус сферической решетки 5 (R), радиус выпуклого зеркала 4 (r) и расстояние между этими элементами (L) выбираются в соответствии с условиями на неустойчивый резонатор, а именно (R^* - r)/2 = L. Где R^* определяется в соответствии с условиями дифракции выбранного ненулевого порядка на вогнутой дифракционной решетке радиуса R. (См. с.55, Техника и практика спектроскопии, А. Н. Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И. Островский, "Наука", Москва, 1972 г. ). Сферическая дифракционная решетка устанавливается в режиме автоколлимации, т.е. под таким углом, при котором отражение выбранного порядка отражения решетки совпадает с направлением оптической оси резонатора.

При возникновении разряда в газовом лазере в межэлектродном промежутке излучение распространяется и отражается от зеркала 4 и вогнутой дифракционной решетки 5. При отражении от дифракционной решетки 5 отражается и усиливается в направлении оптической оси резонатора только излучение, соответствующее дисперсии дифракционной решетки и параметрам резонатора, при этом выходное излучение оказывается спектрально (малая ширина спектра) и пространственно (малая расходимость) отселектированным.

На фиг. 2 представлен внеосевой неустойчивый резонатор эксимерного лазера. Камера лазера 1 содержит основные электроды 2, активное вещество, окна 3, прозрачные для лазерного излучения. Неустойчивый резонатор содержит собирающее зеркало 4 и собирающее зеркало 5, выполненное в виде дифракционной решетки. Радиус дифракционной решетки 5 (R), радиус зеркала 4 (r) и расстояние между этими элементами (L) выбираются в соответствии с условиями на неустойчивый резонатор, а именно (R^* + r)/2 = L. Где R^* определяется в соответствии с условиями дифракции выбранного порядка на вогнутой дифракционной решетке радиуса R. Резонатор выполнен внеосевым, то есть ось резонатора не параллельна основным разрядным электродам. На расстоянии r/2 от зеркала 4 установлена апертура 6.

При возникновении разряда в газовом лазере в межэлектродном промежутке излучение распространяется и отражается от зеркала 4 и дифракционной решетки 5. При отражении от зеркала 5, выполненного в виде дифракционной решетки, отражается и усиливается в направлении оптической оси резонатора только излучение в определенном спектральном диапазоне. На расстоянии R^*/2 от дифракционной решетки 5 узкополосное излучение фокусируется. Излучение, отличающееся от излучения основной длины волны, на которую настроен резонатор, не попадает в фокус. Апертура 6 экранирует излучение вне фокуса. Поэтому на выходе резонатора лазера излучение имеет узкий спектр.

Экспериментальные данные. В KrF-эксимерном лазере (λ = 248 нм) с неустойчивым резонатором, в котором одно из зеркал рассеивающее, а другое, с большим радиусом, собирающее, первоначальная ширина спектра ~200 см^-1.

В KrF-эксимерном лазере (λ = 248 нм) с селективным неустойчивым резонатором по предлагаемому техническому решению, в котором собирающее зеркало выполнено в виде сферической дифракционной решетки, 2400 мм^-1, R=2000 мм, ширина спектра излучения была ~ 60 см^-1.

Данное техническое решение можно применять как в газовых, так и в твердотельных лазерах. Возможны варианты исполнения, когда только зеркало неустойчивого резонатора с большим радиусом кривизны выполнено в виде вогнутой дифракционной решетки или только зеркало неустойчивого резонатора с меньшим радиусом кривизны выполнено в виде дифракционной решетки, или оба зеркала неустойчивого резонатора выполнены в виде дифракционных решеток.

В зависимости от задачи и типа лазера, для которого выполнен селективный неустойчивый резонатор, зеркала которого имеют радиус кривизны хотя бы по одному из азимутальных направлений, возможны различные варианты конкретного исполнения. Однако при всех возможных вариантах данное техническое решение обеспечивает эффективное сужение спектра лазерного излучения при сохранении малой расходимости лазерного излучения и относительно высокой энергии лазерного луча.

Неустойчивый резонатор для эксимерного лазера содержит два зеркала, одно из которых выполнено в виде дифракционной решетки, имеющей радиус кривизны. Расстояние между зеркалами выбирается из соотношения L=(R*-r)/2, где R* - радиус кривизны одного из зеркал; r - радиус кривизны другого зеркала. R* выбирается из условий дифракции выбранного ненулевого порядка на вогнутой дифракционной решетке радиуса R. Технический результат изобретения: создание неустойчивого селективного резонатора эксимерного лазера с высокой энергетической эффективностью, удобного для юстировки и устойчивого к механическим воздействиям. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Неустойчивый резонатор эксимерного лазера, содержащий два зеркала, одно из которых имеет радиус кривизны R, второе имеет радиус кривизны r, установленных на расстоянии L, отличающийся тем, что хотя бы одно из зеркал выполнено в виде дифракционной решетки, установленной таким образом, что направление одного из порядков дифракции совпадает с осью неустойчивого резонатора, а расстояние между зеркалами выбрано из соотношения
L=(R*-r)/2,
где R* определяется в соответствии с условиями дифракции выбранного ненулевого порядка на вогнутой дифракционной решетке радиуса R. 2. Неустойчивый резонатор по п.1, отличающийся тем, что зеркала неустойчивого резонатора имеют сферические отражающие поверхности. 3. Неустойчивый резонатор по п.1, отличающийся тем, что зеркала неустойчивого резонатора имеют цилиндрические отражающие поверхности.