一种深紫外激光装置及生成方法与流程

本发明属于激光，具体涉及一种深紫外激光装置及生成方法。

背景技术：

1、激光器的概念最早由高斯等人提出，随后逐步发展为气体、半导体和固体激光器等不同类型。激光器波长也从可见光逐渐拓展至紫外光谱，如193nm激光器，以满足不同应用领域的需求。随着激光器在输出功率、波长稳定性、光束质量等方面不断创新，应用领域逐渐扩大。其中，在半导体制造领域中193nm激光器作为关键设备，其主要特点包括：波长特性：193nm处于紫外光谱范围，具有较短的波长，能够实现高分辨率的图形图案化。光学设计：激光器采用特殊的光学设计，能够实现高功率、窄线宽的输出。材料选择：激光介质通常采用氟化氩、氟化锂等材料，能够实现在193nm波长下的高效激光发射。应用领域：193nm激光器广泛应用于半导体制造中的光刻工艺、光刻胶曝光等环节。

2、通过上述内容可知，不同波长的激光器被广泛应用于不同领域，因此，对其生成的激光波长准确性和结构稳定性具有较大要求，例如，发明专利cn105191026a公开一种用于产生大约193.4nm的输出波长的激光器包含基波激光器、光学参数产生器、五次谐波产生器及混频模块。耦合到所述基波激光器的所述光学参数产生器可产生经下变频信号。可耦合到所述光学参数产生器或所述基波激光器的所述五次谐波产生器可产生五次谐波。耦合到所述光学参数产生器及所述五次谐波产生器的所述混频模块可产生处于等于所述五次谐波与所述经下变频信号的频率的和的频率的激光输出。该方案需要进行四次非线性频率变换后，将激光波长从红外转换至193nm附近，结构较为复杂，并且还需要进行光参量产生、倍频和和频等非线性频率变换过程，提高了成本和方案执行难度。

3、因此，如何在提高输出激光稳定性和准确性的基础上，降低激光器的结构复杂度和激光生成难度是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种深紫外激光装置及生成方法。可以在预定波长附近实现各项功率和噪声等各项性能均达到最佳的深紫外激光输出。

2、第一方面，本发明提供一种深紫外激光装置，具体包括：依次连接的种子光源组件、放大组件及倍频组件；

3、种子光源组件产生并输出种子光，种子光的波长为深紫外激光装置输出目标激光的波长的预设倍数；

4、种子光的类型为单频连续光或单频脉冲光，种子光的波长为1480-2160nm，种子光的光谱宽度不大于0.5nm；

5、放大组件包括至少两个依次连接的放大器，每个放大器均为全光纤结构，用于接收并放大种子光的功率，输出高功率种子光；

6、倍频组件用于基于预设倍数对高功率种子光进行多级频率放大，形成并输出目标激光，频率放大的级数不小于3，目标激光的波长为185-270nm，目标激光的功率不小于1μw。

7、进一步的，种子光的波长为1546.944±8nm，目标激光的波长为193.3680±1nm。

8、进一步的，种子光源组件中包含光纤激光器、半导体激光器或固体激光器中的一种。

9、进一步的，种子光源组件还包括增益调制模块和/或强度调制模块。

10、进一步的，放大组件包括预放大器和主放大器，预放大器、主放大器均进行至少一级的功率放大；

11、预放大器、主放大器的每一级全光纤结构均包括：泵浦二极管、光合束器、增益光纤、隔离器，光合束器将泵浦二极管输出的泵浦光输入到增益光纤中，将输入到增益光纤中的种子光进行功率放大，经隔离器输出高功率种子光；

12、光合束器为单模光纤的波分复用器或多包层光纤合束器。

13、进一步的，预放大器和/或主放大器中还包括强度调制模块。

14、进一步的，倍频组件包括依次连接的一级倍频模块、二级倍频模块及三级倍频模块，且一级倍频模块、二级倍频模块及三级倍频模块均进行至少二倍频率的放大。

15、进一步的，一级倍频模块、二级倍频模块、三级倍频模块均包括至少一个倍频元件，倍频元件包括非线性光学晶体、非线性波导的至少一种，其中，一级倍频模块和二级倍频模块中每个倍频元件的长度为1-70mm，三级倍频模块中每个倍频元件的长度为0.1-70mm；

16、高功率种子光经一级倍频模块后形成一级倍频激光，一级倍频激光经二级倍频模块后形成二级倍频激光，二级倍频激光经三级倍频模块后形成目标激光。

17、进一步的，种子光的类型为单频连续光，一级倍频模块、二级倍频模块和三级倍频模块分别为单通倍频部件、多通倍频部件或谐振倍频部件，谐振倍频部件包括锁频单元及至少一个谐振倍频元件，锁频单元的类型为pdh锁频、hc锁频、lock in或抖动锁定等。

18、进一步的，深紫外激光装置还包括稳频组件，稳频组件与种子光源组件、放大组件、倍频组件中的至少一个连接；

19、稳频组件包括参考源和稳频单元，参考源包括原子光谱、分子光谱、离子光谱、晶体空间烧孔、光学参考腔、光学频率梳、光纤延迟线和频率恒定的激光源等，稳频组单元基于恒定频率差，将种子光源组件、放大组件或倍频组件的输出光与参考源锁定。

20、第二方面，本发明还提供一种深紫外激光生成方法，采用如上述深紫外激光装置，具体包括如下步骤：

21、确定目标激光的波长为185-270nm，目标激光的功率不小于1μw；

22、确定种子光的波长与目标激光的波长之间的预设倍数；

23、控制种子光源组件，产生并输出种子光，种子光的波长为1480-2160nm，种子光的光谱宽度不大于0.5nm；

24、将种子光输入放大组件，种子光在放大组件中进行功率放大，输出高功率种子光；

25、高功率种子光进入预设频率放大的级数的倍频组件，进行频率放大，频率放大的级数不小于3，形成并输出目标激光。

26、本发明提供的一种深紫外激光装置及生成方法，至少包括如下有益效果：

27、(1)通过依次连接的种子光源组件、放大组件及倍频组件，可以在激光常规波段获得高性能种子光和高功率基频光，再利用非线性频率变换技术对波长进行转换，从而在目标波长(深紫外，如193nm附近)实现各项功率和噪声等各项性能均达到最佳的深紫外激光输出。

28、(2)通过采用单频固定外腔半导体激光器，可以具有结构紧凑，稳定性好，线宽窄和调制带宽大的特点，并且对于整体深紫外激光装置在抗环境干扰能力，激光线宽、功率稳定性和激光波长锁定效果上有较大提升作用。

29、(3)放大组件均为全光纤结构，预放大器和主放大器的结构，具有转换效率高，结构紧凑，不易受外界环境影响的特点，可以将种子光源组件发出的种子光的功率从毫瓦量级放大到数十瓦量级，同时还可以对种子光的强度噪声和频率噪声进行优化或维持，得到低噪声高功率种子光。

30、(4)通过倍频组件形成的多级倍频，可以将激光的波长从种子光技术和高功率激光技术成熟的1.5μm波段转换至深紫外波段，有效解决了深紫外波段缺少激光增益介质的问题，尤其是可以在193nm附近获得高相干性窄线宽和低噪声的单频光源。并且采用谐振倍频技术可以提升倍频效率，降低对基频光功率的要求，从而有效提升整体转换效率。