[发明专利]一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法

说明书

本发明公开了一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法，装置由前端准直镜组，后端整形镜组、平面反射镜组及两个分光元件构成，光束在装置内循环传输，分次出射，获得脉冲展宽效果。入射激光光束经第一个分光元件分光后，反射光束进入前端准直镜组，被准直为近平行光束，经平面反射镜组及第二个分光元件多次反射后部分光束出射，部分传输到后端整形镜组，经整形镜组对光束进行整形，使回到第一个分光元件处的激光光束的尺寸及发散角与入射光束一致，实现光学参数还原。本发明使光束在装置内所有传输路径中无实焦点，避免了焦点处高功率密度激光损伤光学元件的可能性，可大幅提高脉冲展宽装置中光学元件的使用寿命，更适用于大能量准分子激光器的脉冲展宽。同时系统中采用曲面反射镜与平面反射镜组合的方式，更易于产品装调、实现。

技术领域

本发明涉及对激光器的激光脉冲参数进行调制的技术领域，特别是一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置。

背景技术

准分子激光光刻是极大规模集成电路制造工艺的重要工序之一，深紫外光刻机作为第四代光源，是目前主要采用的光刻设备，所用激光光源为ArF准分子激光器，输出波长193nm，重频6000Hz以上。光刻设备需配备照明及曝光光学系统，对激光束进行整形，以满足光刻要求。由于激光波长为深紫外波长，光学系统需使用昂贵的深紫外MgF₂或深紫外熔融石英光学元件，这些光学元件在大能量深紫外脉冲激光的长期照射下，其特性将发生不可逆的变化，性能退化，且退化速率与脉冲峰值功率成正比。

目前采用的准分子激光器单脉冲能量密度已经由最初的5mJ提高到了15mJ以上，在不改变脉冲宽度的情况下，激光峰值功率大幅提高，这就导致激光对光学元件的辐照损害加剧，光学元件的使用寿命大幅缩短。为此，美国专利US6904073“High power deepultraviolet laser with long life optics”，中国专利CN104319615B“一种基于双分束元件的准分子激光脉冲展宽装置”均提出了采用由分束元件以及四个球面反射镜构成共焦谐振腔的脉冲扩展装置扩展脉宽，降低激光脉冲的峰值功率。

在以上提到的方法和装置中，均采用了焦点在谐振腔内的共焦谐振腔，中国专利CN101900948，“在光学部件上具有减小的能量密度的脉冲扩展器”使用折返镜拉长腔长，进一步展宽了脉冲宽度。为了降低光束汇聚焦点作用在光学元件上的概率，在光束入射到脉冲扩展器之前对光束进行扩束或汇聚，使焦点不落在折返镜。中国专利CN111969395，“一种用于高能量准分子激光脉冲展宽的装置及方法”中提及通过优化全反镜曲率，使焦点不落在光学元件上。上述方法均存在以下问题：实际应用已知准分子激光器的束腰位置易受外部环境影响而发生变化，这将导致入射到脉冲展宽装置内的光束焦点位置也发生变化。因此，腔内只要有实焦点存在，束腰位置的变化就有可能导致焦点位置落在光学元件附近。由于焦点处激光功率密度非常高，处于焦点附近的光学元件极易被打坏，导致脉冲展宽装置的工作寿命大幅缩短。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置及方法，本发明激光脉冲展宽装置包括前端准直镜组、后端整形镜组、平面反射镜组及两个分光元件，入射激光光束经第一个分光元件分光后，反射光束入射到前端准直镜组，被准直为近平行光束，经平面反射镜组多次反射后入射到后端整形镜组，经整形镜组对光束进行整形，使回到第一个分光元件处的激光光束的尺寸及发散角与入射光束一致，且整个循环路径内无汇聚焦点。激光光束在装置内循环多次，每次循环输出部分光束，产生不同的时间延迟，形成脉冲展宽输出。在有效展宽脉冲宽度的同时，消除脉冲展宽装置光学路径内的实焦点，避免光学元件损伤。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种腔内无实焦点的激光脉冲展宽装置，包括前端准直镜组，后端整形镜组，平面反射镜组和分光元件组；

所述分光元件组包括分光元件BS1和分光元件BS2；