用于LPP极紫外光源的CO2激光振荡器

 用于LPP极紫外光源的CO2激光振荡器

      先进的半导体量子级联激光器（QCL）与成熟的CO₂激光技术的成功合并, 为先前无法实现的高光束质量的CO₂激光输出奠定了条件。这些特点，例如多线运行，优良的光谱-时间稳定性和脉冲波形控制，可以从中等复杂度的单个设备获得。本文描述了固态种子CO₂激光器的运行原理和独特性质，其发明针对激光诱导等离子体（LPP）极紫外（EUV）光源中的应用。 

　　介绍

　　本文旨在向会议的读者介绍（据我们所知）世界上第一台成功的将成熟的CO₂激光技术和相对近期的中红外发射半导体量子级联激光器（QCL）结合的CO₂激光器的运行原理。这个方案使得单个设备获得了满足大多要求的ns脉冲CO₂激光器：多线运行，优良的光谱和时域稳定性，可以在单脉冲-几百kHz脉冲重复率的宽范围内异步运行（促进与外部事件的精确同步），以及脉冲波形的在线、电子调节，等等。设计了专门的光学系统来有效地放大这些相对弱的种子脉冲并且获得近衍射极限的光束质量。 图10中示意性地画出了CO₂激光器使用上述的种子，宽带耦合器/隔离器和建立在RF放电激发的平板波导CO₂增益池上的多通CO₂激光放大器，形成紧凑的长腔、再生放大器装置。这种新型CO₂激光振荡器已被成功的应用于驱动LPP EUV源，最近报道的已产生超过250W的清洁EUV平均功率。 

　　

　　图10 固态种子二氧化碳激光器

　　传统脉冲CO₂激光技术的缺点

　　有一个问题是：在这个成熟的激光工程领域，既然几乎所有可以发明的都已经完成，为什么需要新的脉冲CO₂激光设计？重审这个问题有几个原因：首先是LPP EUV过程所需的激光脉冲参数结合了脉冲持续时间（〜10ns）和高脉冲重复频率（超过几十kHz）的异步运行。 二是超过20kW的高平均功率需求。其他原因源于上述两个原因。 需要通过多线放大（在第3部分中更详细地说明）来获得增强的能量提取效率。另一个问题是传统Q开关，腔倒空（QSCD）技术中的寄生种子的易感性。应该提及的是，QSCD技术被认为是迄今为止唯一的产生所需参数的CO ₂激光脉冲的经济有效的方法。 

　　QSCD激光器的腔内通量由赢得增益竞争游戏的少数几个模式携带，从由增益池中产生的自发发射建立。在典型的QSCD二氧化碳激光器的情况下，有效的自种子能量为皮焦耳的量级。这个众所周知的过程对于所有依赖于激光腔的频率选择特性的激光器是一样的，在这里将不予讨论，只做简短的说明，其引起具有实际意义的一些有害影响，例如像所谓的“基带脉冲”，模式增益竞争，模式拍频，模式（频率）跳频或使得获得多线运行变得困难。 

　　由于可用的CdTe晶体及其光学涂层的材料限制，从QSCD CO₂激光器获得的平均功率水平不超过几十瓦。因此，为了达到LPP EUV过程所需的> 20kW的功率目标，这种有限的功率必须进一步放大3个数量级。这通常在主振荡功率放大器（MOPA）中完成。功率CO₂激光放大器本身可能产生放大的自发辐射（ASE），比主振荡器本身的放大大许多数量级。因此，旨在驱动这种放大器链的QSCD激光器将受到不可控制的外部种子注入，除非进行强的隔离。 

　　需要多线放大

　　众所周知的是，自上世纪七十年代以来，CO₂介质中脉冲放大的能量提取效率受到分子弛豫过程的动力学的显著限制。事实证明，结合LPP EUV过程所需的脉冲参数与商业上可用的CO₂激光技术，其特征在于脉冲持续时间与旋转弛豫时间的类似比率。这结果与过去考虑的激光放大的动力学相似，证实了使用宽带（多线）放大的有效性。据圣彼得堡激光物理研究所的团队理论预测，与单线放大相比，4线放大时提取效率提高到25％。在所考虑的条件下，可以在00⁰1-10⁰0（规则）带的P20线附近找到最强的线。 

　　多线（更有效的）放大还有另一个有利原因，即在激光脉冲通过之后放大器中的剩余增益的减小。 MOPA系统被描述为大增益长度乘积，即增益*长度> 6，以减少剩余增益来节省光隔离是有效的，但这在多kW功率水平和高脉冲重复率下是相当成问题的。 

　　 QCL种子的CO₂激光器的输出特征

　　图11以简化的方式画出了来自图10的QCL种子CO₂激光器的一般输出特性。在大多数方面，它与先前在QSCD激光器的情况下的讨论非常相似。对于开关闭合时在腔中捕获的注入种子和寄生种子能量的放大，或多或少地指数进行，直到增益介质的饱和点。寄生种子能量的有效值被理解为源自增益池中和来自外部源的自发发射的能量总和。持续时间比空腔往返时间短得多的种子脉冲不会激发空腔模式，而CW种子主要在经历净增益的众多空腔模式的集合内产生能量。描述激光器对寄生种子的电阻的容易测量的参数是（被称为自种子抑制比（SSR））存在于在种子模式中运行的激光器的输出中这些能量的比率，如图11所示。 

　　

　　图11  种子CO2激光器一般输出特征随往返次数和注入的种子能量Eseed的变化。增益池中平均小信号增益的演变如底部曲线所示。在右手侧，给出了由QCL种子CO2激光器产生的典型输出脉冲包络，使用快速光伏传感器以数字示波器的累加模式记录（350万个脉冲）。

　　如图11所示，输出脉冲的稳定性可直接在示波器上观察到。从激光输出的典型图片可以看到脉冲包络和振幅的高重复性，低抖动，以及没有模式拍频结构和脉冲基座。如上所述，腔模式的抑制保证消除了通常伴随多模操作的其它不期望出现的效应。没有模式也意味着不需要腔长度的稳定化。事实上，这种稳定在我们的情况下是不希望的，因为改进的稳定性将促进不需要的空腔模式，而对种子脉冲本身没有影响。