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Title:
OPTICAL ASSEMBLY FOR REDUCING A SPECTRAL BANDWIDTH OF AN OUTPUT BEAM OF A LASER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/238417
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an assembly (5) for reducing a spectral bandwidth of an output beam (3) of a laser (1). The assembly (5) has a beam expansion optic (6) arranged within a laser resonator. Said beam expansion optic functions to increase a beam cross-section (Q) of a resonator-internal laser beam (7) in at least one expansion cross-sectional dimension, such that at least one resonator-internal expansion laser beam section (9) is produced. The assembly also has an optical grating (8) in an assembly that is retroreflective for the resonator-internal laser beam (7). A beam-limiting aperture (10) acting in the expansion cross-sectional dimension is arranged in the beam path of the expansion laser beam section (9). This produces an optical assembly in which unwanted thermal effects as a result of a heating of optical components of the optical assembly during operation of the laser are reduced or prevented due to a local power density of the resonator-internal laser beam.

Inventors:
KRAUS, Johannes (Siedlungsstrasse 14, Theilheim, 97288, DE)
GLÖCKL, Oliver (Im Blümert 28, Aalen, 73431, DE)
DEUBEL, Markus (Ziegelstrasse 16, Aalen, 73431, DE)
Application Number:
EP2019/063857
Publication Date:
December 19, 2019
Filing Date:
May 28, 2019
Export Citation:
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Assignee:
CARL ZEISS SMT GMBH (Rudolf-Eber-Strasse 2, Oberkochen, 73447, DE)
International Classes:
H01S3/08; H01S3/1055; H01S3/106; G03F7/20; H01S3/081; H01S3/225
Foreign References:
US6785319B12004-08-31
US20080253413A12008-10-16
DE69832365T22006-06-01
DE102018209602A2018-06-14
US6496528B22002-12-17
US7899095B22011-03-01
US8379687B22013-02-19
DE102009020501A12010-12-23
US6785319B12004-08-31
US6285701B12001-09-04
US20080253413A12008-10-16
Attorney, Agent or Firm:
RAU, SCHNECK & HÜBNER PATENTANWÄLTE RECHTSANWÄLTE PARTGMBB (Königstrasse 2, Nürnberg, 90402, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Optische Baugruppe (5; 14; 17) zur Verringerung einer spektralen

Bandbreite eines Ausgabestrahls (3) eines Lasers (1)

- mit einer innerhalb eines Laserresonators angeordneten Strahlauf- weitungsoptik (6) zur Vergrößerung eines Strahlquerschnitts (Qi) und Verringerung der Divergenz eines resonatorinternen Laser- strahls (7) in mindestens einer Aufweit-Querschnittsdimension, so dass mindestens ein resonatorinterner Aufweit-Laserstrah labschnitt (9) resultiert.

mit einem optischen Gitter (8) in einer für den resonatorinternen Laserstrahl (7) retroreflektierenden Anordnung,

mit einer in der Aufweit-Querschnittsdimension wirkenden Strahl- begrenzungsblende (10) im Strahlengang des Aufweit- Laserstrahlabschnitts (9),

mit einer zusätzlichen Eintritts-Strahlbegrenzungsblende (12) im Strahlengang des resonatorinternen Laserstrahls (7) auf einer vom Gitter (8) abgewandten Seite der Strahlaufweitungsoptik (6), wobei die Breite der zusätzlichen Eintritts- Strahlbegrenzungsblende (12) so gewählt ist, dass die im Aufweit-

Laserstrahlabschnitt (9) angeordnete Strahlbegrenzungsblende (10) vom resonatorinternen Laserstrahl (7) überstrahlt wird und dass die Breite eines Nutz-Strahlquerschnitts auf dem Gitter durch die im Aufweit-Laserstrahlabschnitt (9) angeordnete Strahlbegrenzungs- blende (10) definiert wird,

wobei ein Einstellbereich der Strahlaufweitungsoptik (6) und eine Breite einer Eintrittsapertur der Eintritts-Strahlbegrenzungsblende (12) so aufeinander abgestimmt sind, dass bei geringster Aufwei- tung die Strahlbegrenzungsblende (10) vollständig ausgeleuchtet und bei zunehmender Aufweitung die Strahlbegrenzungsblende (10) überstrahlt wird.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Strahlbegrenzungsblende (10) so ausgeführt ist, dass sie weniger als 5% der Energie des auf sie auftreffenden resonatorinternen Laserstrahls (7) absorbiert.

3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbegrenzungsblende (10) zumindest abschnittsweise transmis- siv für den resonatorinternen Laserstrahl (7) ausgeführt ist.

4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die

Strahlbegrenzungsblende (10) als mindestens eine Keilplatte ausge- führt ist.

5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, dass die Strahlbegrenzungsblende (10) aus doppelbrechendem Material so ausgeführt ist, dass sie den Polarisationszustand des durch- tretenden resonatorinternen Laserstrahls (7) so verändert, dass dieser nach dem Durchtritt durch die Strahlbegrenzungsblende (10) nicht vom Lasermedium verstärkt wird.

6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, dass die Strahlbegrenzungsblende (10) zumindest abschnittsweise reflektiv für den resonatorinternen Laserstrahl (7) ausgeführt ist.

7. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, dass die Strahlbegrenzungsblende (10) mehrteilig ausgeführt ist.

8. Baugruppe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strahlbegrenzungsabschnitt (lOa) der Strahlbegrenzungsblende (10) den resonatorinternen Laserstrahl (7) auf einer ersten Seite begrenzt und ein zweiter Strahlbegrenzungsabschnitt (lOb) der Strahlbegren- zungsblende (10), der zum ersten Strahlbegrenzungsabschnitt (lOa) längs des Strahlengangs des Aufweit-Laserstrahlabschnitts (9) versetzt angeordnet ist, den resonatorinternen Laserstrahl (7) auf einer der ers- ten Seite gegenüberliegenden Seite begrenzt.

9. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, dass die Strahlbegrenzungsblende (10) zwischen der Strahlaufwei- tungsoptik (6) und dem Gitter (8) angeordnet ist. 10. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich net, dass ein Aufweitungsfaktor der Strahlaufweitungsoptik (6) zur Vorgabe einer Bandbreite des Ausgabestrahls (3) abstimmbar ausge- führt ist. 11. Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die

Breite der Eintrittsblende (12) und ein Einstellbereich des Aufwei- tungsfaktors der Strahlaufweitungsoptik (6) so aufeinander abgestimmt sind, dass die durch die Strahlbegrenzungsblende (10) begrenzte Weite des resonatorinternen Laserstrahls (7) beim Durchgang durch die Strahlbegrenzungsblende (10) unabhängig von einer Abstimm-Position der Strahlaufweitungsoptik (6) ist.

12. Bandbreitenbegrenzter Laser (1)

mit einem Lasermedium (4), mit einem Resonator- Auskoppelspiegel (2) für den Ausgabestrahl (3) und

mit der Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auf der dem Resonator- Auskoppelspiegel (2) gegenüberliegenden Seite des La- sermediums (4).

Description:
Optische Baugruppe zur Verringerung einer spektralen Bandbreite eines Ausgabestrahls eines Lasers

Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Pa- tentanmeldung DE 10 2018 209 602.3 in Anspruch, deren Inhalt durch Be- zugnahme hierin aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft eine optische Baugruppe zur Verringerung einer spektralen Bandbreite eines Ausgabestrahls eines Lasers. Ferner betrifft die Erfindung einen bandbreitenbegrenzten Laser mit einer derartigen Bau- gruppe.

Ein bandbreitenbegrenzter Laser mit einer optischen Baugruppe der ein- gangs genannten Art ist bekannt aus der US 6,496,528 B2, der US

7,899,095 B2 und der US 8,379,687 B2. Aus der DE 10 2009 020 501 Al ist ein Bandbreiteneinengungsmodul zur Einstellung einer spektralen Bandbreite eines Laserstrahls bekannt. Es ist eine Aufgabe der vorliegen- den Erfindung, eine optische Baugruppe zur Verringerung einer spektralen Bandbreite eines Laserstrahls derart weiterzuentwickeln, dass unerwünsch- te thermische Effekte aufgrund einer inhomogenen Erwärmung optischer Komponenten der optischen Baugruppe im Laserbetrieb aufgrund einer lokalen Leistungsdichte eines resonatorinternen Laserstrahls verringert o- der vermieden sind.

Die US 6,785,319 Bl offenbart einen UV-Laser mit einer zwei Prismen aufweisenden Strahlaufweitungsoptik. Die US 6,285,701 Bl offenbart ei- nen Laserresonator zur Verbesserung einer schmalbandigen Emission eines Excimer-Lasers. Die US 2008/0253413 Al offenbart ein laserbasiertes Li- thographie System mit verbesserter Bandbreitenkontrolle. Diese Aufgabe ist erfmdungsgemäß gelöst durch eine optische Baugruppe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. In die optische Baugruppe einfallendes Laserlicht wird über das optische Gitter, das in Littrow- Anordnung angeordnet sein kann, nur dann verstär- kend in einen Resonator des Lasers geführt, wenn die Wellenlänge des re- sonatorinternen Laserstrahls die Gittergleichung erfüllt. Welche Wellen- länge verstärkend in den Strahlengang des resonatorinternen Laserstrahls geführt wird, hängt davon ab, unter welchem Winkel der Laserstrahl auf das optische Gitter fällt. Je größer eine Winkelverteilung des auf das Gitter einfallenden Laserstrahls ist, desto größer ist eine spektrale Bandbreite des Ausgabestrahls. Die Erzeugung eines Ausgabestrahls mit kleiner Bandbrei- te erfordert daher eine kleine Winkelverteilung, also ein schmales Winkel- Spektrum, im auf das optische Gitter einfallenden resonatorinternen Laser- strahl. Eine Verkleinerung der Einfallswinkelverteilung wird in der opti- schen Baugruppe dadurch erreicht, dass der resonatorinterne Laserstrahl mit Hilfe der Strahlabweitungsoptik vor dem Einfall auf das optische Gitter in Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des resonatorinternen Laser- Strahls, also lateral, aufgeweitet wird. Diese Aufweitung reduziert die Di- vergenz und damit die Winkelverteilung des resonatorinternen Laser- strahls.

Erfmdungsgemäß wurde erkannt, dass ein die Strahlbreite begrenzendes Element in Form einer Strahlbegrenzungsblende im Strahlengang eines

Aufweit-Laserstrahlabschnitts einer Strahlaufweisungsoptik, also im Strah- lengang zwischen dem Gitter und der Strahlaufweitungsoptik oder inner- halb der Strahlaufweitungsoptik zur Möglichkeit führt, einen Nutz- Strahlquerschnitt innerhalb eines Resonators des Lasers so vorzugeben, dass ein mit dem Beaufschlagungsquerschnitt des resonatorinternen Laser- strahls verknüpftes Temperaturprofil in oder auf den optischen Komponen- ten der optischen Baugruppe keinen oder allenfalls einen geringen Tempe- raturgradienten innerhalb des Nutz- Strahlquerschnitts aufweist. Beim Auf- weit-Laserstrahlabschnitt handelt es sich um einen resonatorinternen Strahlabschnitt, in dem der resonatorinterne Laserstrahl lateral aufgeweitet ist. Lokale thermische Ausdehnung der optischen Komponenten oder ther- misch induzierte Brechzahlgradienten im optischen Material oder im um gebenden Spülgas führen dann zu keiner kritischen Störung der Wellen- front innerhalb des Nutz-Strahlquerschnittes des resonatorinternen Laser- strahls, bzw. unerwünschte Wellenfrontstörungen aufgrund eines derarti- gen Temperaturgradienten durch Restabsorption der optischen Komponen- ten werden so minimiert oder ganz vermieden. Die optische Baugruppe erzeugt dann ihre bandbreitenverringernde Wirkung weitgehend unabhän- gig von einer resonatorinternen Leistung. Ein Wechsel zwischen Laserleis- tungen (high duty cycle/low duty cycle) und/oder ein Wechsel zwischen verschiedenen spektralen Bandbreiten ist ohne Hysterese der jeweils er- reichbaren spektralen Bandbreite möglich.

Die Strahlaufweitungsoptik kann mindestens ein Prisma aufweisen. Die Strahlaufweitungsoptik kann zwei Prismen, drei Prismen, vier Prismen o- der auch eine noch größere Anzahl von Prismen aufweisen. Die Strahlauf- weitungsoptik kann mindestens einen Spiegel aufweisen. Die Strahlaufwei- tungsoptik kann mindestens eine Zylinderlinse aufweisen. Die optische Baugruppe und/oder der Laser, dessen Bestandteil die optische Baugruppe sein kann, kann eine Spüleinrichtung zur Spülung der optischen Kompo- nenten der optischen Baugruppe und/oder des Lasers mit einem Spülgas, beispielsweise mit Stickstoff oder Helium, aufweisen. Das Spülgas kann zur Wärmeabfuhr von durch Restabsorption auf den oder in den optischen Komponenten deponierter Wärme beitragen. Thermisch induzierte Brech- zahlgradienten im Spülgas können aber auch selbst zur Wellenfrontdefor- mation beitragen. Das die Strahlbreite begrenzendes Element kann verhindern, dass Strah- lungsanteile zum Nutzstrahl beitragen, die unerwünscht auf Randbereiche der optischen Komponenten in der optischen Baugruppe treffen oder durch entsprechende Randbereiche propagieren, die grundsätzlich nicht ausrei- chend hohen Ansprüchen der Wellenfronterhaltung genügen wie der Zent- ralbereich und die zudem die stärksten Temperaturgradienten aufweisen.

Bei der Strahlbegrenzungsblende kann es sich um eine zu den sonstigen optischen Komponenten der optischen Baugruppe separate Blendenkom- ponente handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlbegrenzungs- blende durch eine zumindest abschnittsweise reflektierende Beschichtung einer anderen Komponente der optischen Baugruppe, beispielsweise einer Komponente der Strahlaufweitungsoptik, gebildet sein.

Die optische Baugruppe hat eine zusätzliche Eintritts- Strahlbegrenzungsblende im Strahlengang des resonatorinternen Laser- strahls auf einer vom Gitter abgewandten Seite der Strahlaufweitungsoptik. Eine derartige zusätzliche Eintritts-Strahlbegrenzungsblende, die im nicht- aufgeweiteten Teil des Strahlengangs des resonatorinternen Laserstrahls angeordnet ist, ermöglicht es, im Zusammenspiel insbesondere mit einer abstimmbaren Strahlaufweitungsoptik, die Weite des Nutzbereichs am Ort der Strahlbegrenzungsblende die im Strahlengang des Aufweit- Laserstrahlab Schnitts wirkt, zu optimieren. Die Anordnung der Eintritt- Strahlbegrenzungsblende ist so, dass bei einer minimalen Aufweitung des resonatorinternen Laserstrahls durch die dann abstimmbare Strahlaufwei- tungsoptik eine zumindest weitgehend vollständige Ausleuchtung der Strahlbegrenzungsblende vorliegt. Die Breite der zusätzlichen Eintritts- Strahlbegrenzungsblende ist so gewählt, dass die im Aufweit- Laserstrahlabschnitt angeordnete Strahlbegrenzungsblende vom resonato- rinternen Laserstrahl überstrahlt wird und dass die Breite eines Nutz- Strahlquerschnitts auf dem Gitter durch die im Aufweit- Laserstrahlabschnitt angeordnete Strahlbegrenzungsblende definiert wird.

Die zusätzliche Eintritts-Strahlbegrenzungsblende sorgt dafür, dass die im Aufweit-Laserstrahlabschnitt angeordnete Strahlbegrenzungsblende in praktisch allen Justagestellungen bis auf diejenige mit der geringsten Auf- weitung durch die Strahlaufweitungsoptik überstrahlt wird, so dass das op- tische Gitter gleichmäßig mit Intensität beaufschlagt wird.

Eine Strahlbegrenzungsblende nach Anspruch 2 vermeidet Probleme, die aufgrund einer durch Absorption erfolgenden Erwärmung der Strahlbe- grenzungsblende selbst entstehen könnten. Die Strahlbegrenzungsblende kann so ausgeführt sein, dass sie weniger als 3% des auf sie auftreffenden resonatorinternen Laserstrahls absorbiert oder auch weniger als 1%.

Eine transmittierende Ausführung der Strahlbegrenzungsblende nach An- spruch 3 ermöglicht es, dass durchgelassene Anteile des resonatorinternen Laserstrahls, die nicht weiter im Laserresonator zur Verstärkung beitragen, einen erwünschten Wärmeeintrag in Randbereichen optischer Komponen- ten der optischen Baugruppe und/oder des Lasers herbeiführen, was zur Reduzierung von Temperaturgradienten im Nutz-Strahlquerschnitt vorteil- haft beitragen kann. Die Strahlbegrenzungsblende kann insgesamt trans- mittierend für den resonatorinternen Laserstrahl ausgeführt sein. Eine Keilplatten- Ausführung der Strahlbegrenzungsblende nach Anspruch 4 ermöglicht ein Auskoppeln der die mindestens eine Keilplatte durchlau- fenden Anteile der resonatorinternen Strahlung mit vorgegebenem Winkel- versatz. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, die ausgekoppelten Anteile gezielt zur Deponierung von Wärme durch Restabsorption in ins- besondere der Strahlbegrenzungsblende benachbarten optischen Kompo- nenten der optischen Baugruppe und/oder des sonstigen Lasers zu leiten. Insbesondere können Strahlbegrenzungsabschnitte der Strahlbegrenzungs- blende jeweils als Keilplatte ausgeführt sein.

Die Strahlbegrenzungsblende nach Anspruch 5 kann alternativ oder zusätz- lich einen Polarisationszustand des resonatorinternen Laserstrahls ändern und hierdurch dazu beitragen, dass Strahlung, die die Strahlbegrenzungs- blende durchtritt, nachfolgend im Lasermedium nicht mehr verstärkt wird. Das Lasermedium kann insoweit eine polarisationssensitive Verstärkung erzeugen oder es kann im resonatorinternen Strahlengang noch eine weitere polarisationsoptische Komponente angeordnet sein, die als Analysator wirkt und nur die zu verstärkende Laserstrahlung durchlässt. Die Strahlbe- grenzungsblende oder Abschnitte davon können beispielsweise als doppel- brechende Platte ausgeführt sein, die insbesondere als Lambda/Viertel- Platte wirkt.

Eine reflektierende Ausführung der Strahlbegrenzungsblende nach An- spruch 6 kann kritische Bereiche nachfolgender Optiken (Optikfassung, Klebepunkte) durch Abschattung vor Einwirkung von Laserstrahlung schützen, so dass dort insbesondere eine unerwünschte Absorption vermie- den ist. Die Strahlbegrenzungsblende kann insgesamt reflektierend für den resonatorinternen Laserstrahl ausgeführt sein. Die Strahlbegrenzungsblen- de kann durch reflektierende Platten realisiert sein und/oder durch eine zumindest abschnittsweise reflektierende Beschichtung. Die Strahlbegren- zungsblende kann als Kombination aus brechenden und reflektierenden Komponenten ausgeführt sein. Eine reflektierende Strahlbegrenzungsblen- de kann auch direkt auf einer optischen Komponente der Baugruppe, z.B. auf einem Prisma der Strahlaufweitungsoptik, aufgebracht werden. Eine derartige Beschichtung kann auch eine andere als eine reflektierende Funk- tion haben, kann also allgemein eine Blendenwirkung durch Beeinflussung des resonatorinternen Laserstrahls so, dass er nach Einwirkung der Strahl- begrenzungsblende nicht mehr vom Lasermedium verstärkt wird, haben.

Eine mehrteilige Ausführung der Strahlbegrenzungsblende nach Anspruch 7 vergrößert eine Flexibilität bei der Anordnung der Strahlbegrenzungs- blende. Die Strahlbegrenzungsblende kann zweiteilig ausgeführt sein oder auch mit einer größeren Anzahl von Teilen.

Eine Ausführung der Strahlbegrenzungsblende nach Anspruch 8 mit ver- setzten Strahlbegrenzungsabschnitten führt zu einer nochmals vergrößerten Flexibilisierung. Die thermischen Effekte, die über den Einsatz der Strahl- begrenzungsblende insbesondere auf dieser im Strahlengang des resonato- rinternen Laserstrahls benachbarten Komponenten bewirkt werden, können auf diese Weise fein vorgegeben werden.

Eine Anordnung der Strahlbegrenzungsblende nach Anspruch 9 hat sich insbesondere zur Feinvorgabe einer thermischen Belastung des Gitters als besonders geeignet herausgestellt.

Eine abstimmbare Ausführung der Strahlaufweitungsoptik nach Anspruch 10 hat sich zur gezielten Bandbreitenvorgabe bewährt. Eine derartige ab- stimmbare Strahlaufweitungsoptik ist beispielsweise bekannt aus der US 7,899,095 B2.

Die Strahlaufweitungsoptik kann nach Anspruch 11 so ausgeführt sein, dass sie bei Veränderung des Aufweitungsfaktors im Strahlengang hinter der Strahlbegrenzungsblende ausschließlich auf die Divergenz des resona- torinternen Laserstrahls wirkt, nicht aber auf dessen Querschnitt.

Die Vorteile eines bandbreitenbegrenzten Lasers nach Anspruch 12 ent- sprechen denen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die erfmdungsge- mäße optische Baugruppe bereits erläutert wurden. Bei dem Laser kann es sich um einen Excimer-Laser handeln. Bei dem Laser kann es sich um ei- nen Beleuchtungslaser für eine Projektionsbelichtungsanlage der Mikro- lithographie handeln, mit der strukturierte Halbleiterkomponenten, bei- spielsweise Halbleiterchips, hergestellt werden können.

Der bandbreitebegrenzte Laser kann als Lichtquelle in der DUV- Halbleiterlithographie einsetzt werden. Eine spektrale Bandbreite des La- sers kann um beispielsweise einen Faktor 1.000 reduziert werden und kann je nach Ausführungsform zur Einstellung variabler Bandbreite beispiels- weise im Bereich zwischen 0,15 pm und 0,6 pm (E95-Breite) durchge- stimmt werden. Der bandbreitebegrenzte Laser kann als Seed- Laser dienen, der zur Erzeugung eines Belichtungsstrahls für die DUV- Halbleiterlithographie noch verstärkt wird. Auch andere Anwendung des Lasers dort, wo eine entsprechende spektrale Bandbreitenbegrenzung ge- wünscht ist, ist möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen: Fig. 1 in einer schematischen Aufsicht, wobei eine Aufweit-

Querschnittsdimension eines resonatorinternen Laserstrahls in der Zeichenebene liegt, einen Resonator eines handbreite - begrenzten Excimer-Lasers mit einer eine in der Aufweit-

Querschnittsdimension wirkenden Stahlbegrenzungsblende als Teil einer optischen Baugruppe zur Verringerung einer spektralen Bandbreite eines Ausgabestrahls des Lasers; Fig. 2 eine konkrete Ausführung einer optischen Baugruppe zur

Verringerung der spektralen Bandbreite des Ausgabestrahls eines Lasers, welche anstelle der optischen Baugruppe nach Fig. 1 zum Einsatz kommen kann; Fig. 3 ein Prisma einer Strahlaufweitungsoptik der optischen Bau- gruppe nach Fig. 2 zur Verdeutlichung einer thermischen Wirkung der Strahlbegrenzungsblende der optischen Bau- gruppe nach Fig. 2; Fig. 4 in einem Diagramm ein Temperaturprofil des Prismas nach

Fig. 3 gesehen in der Ebene IV in Fig. 3, gesehen also senk- recht zum im Prisma laufenden resonatorinternen Laserstrahl; und Fig. 5 in einer zu Fig. 2 ähnlichen Darstellung eine weitere Ausfüh- rung einer optischen Baugruppe zur Verringerung der spekt- ralen Bandbreite des Ausgabestrahls eines Lasers, welche an- stelle der optischen Baugruppe nach Fig. 1 zum Einsatz kommen kann. Ein in der Fig. 1 schematisch dargestellter Excimer-Laser 1 hat einen Re- sonator mit einem Auskoppelspiegel 2, der für einen Ausgabestrahl 3 des Lasers 1 teildurchlässig ausgeführt ist und auf der dem Auskoppelspiegel 2 gegenüberliegenden Seite eines Lasermediums 4 eine optische Baugruppe 5 zur Verringerung einer spektralen Bandbreite des Ausgabestrahls 3. Die optische Baugruppe 5 hat zusätzlich die Funktion eines zweiten Resonator- spiegels des Resonators des Lasers 1. Die optische Baugruppe 5 hat eine innerhalb des Laserresonators angeord- nete Strahlaufweitungsoptik 6 zur Vergrößerung eines Strahlquerschnitts eines resonatorinternen Laserstrahls 7 in einer Aufweit- Querschnittsdimension, nämlich derjenigen Querschnittsdimension des resonatorinternen Laserstrahls 7, die mit der Zeichenebene der Fig. 1 zu- sammenfällt.

Die Strahlaufweitungsoptik 6 weist eine Serie von optischen Komponen- ten, zum Beispiel Prismen PI, P2, zur Strahlaufweitung auf. Diese Prismen PI, P2, ... sind zwischen dem Lasermedium 4 und einem opti- sehen Gitter 8 angeordnet. Das optische Gitter 8 ist für den resonatorinter- nen Laserstrahl 7 retroreflektierend angeordnet.

Der resonatorinterne Laserstrahl 7 hat im Resonatorstrahlengang zwischen dem Lasermedium 4 und dem ersten Prisma PI der Strahlaufweitungsoptik 6 einen unaufgeweiteten Strahlquerschnitt Qi und bei der Retroreflexion am optischen Gitter 8 einen im Vergleich hierzu vergrößerten Strahlquer- schnitt Q 2 . Im Vergleich zu dem resonatorinternen Laserstrahl 7 ist zwi- schen dem Strahlaufweitungssystem 6 und dem Gitter 8 die Divergenz in Aufweitungsrichtung reduziert. Zwischen dem ersten Prisma P 1 der Strahl- aufweitungsoptik 6 und dem Gitter 8 liegt ein Aufweit-Laserstrahlabschnitt 9 des resonatorinternen Laserstrahls 7 vor, in dem der Strahlquerschnitt des resonatorinternen Laserstrahls 7 in der Aufweit-Querschnittsdimension größer ist als Qi.

Im Strahlengang des Aufweit-Laserstrahlabschnitts 9 hat die optische Bau- gruppe 5 eine Strahlbegrenzungsblende 10 mit Strahlbegrenzungsabschnit- ten 10a, 10b. Die Strahlbegrenzungsblende 10 wirkt in der Aufweit- Querschnittsdimension so, dass ein von der Strahlbegrenzungsblende 10 durchgelassener Nutz- Strahlquerschnitt des resonatorinternen Laserstrahls 7 in der Aufweit-Querschnittsdimension kleiner ist als ein Strahlquerschnitt in der Aufweit-Querschnittsdimension, der ohne die Strahlbegrenzungs- blende 10 vorliegen würde. Die Strahlbegrenzungsblende 10 führt also zu einer Einengung des resonatorinternen Laserstrahls 7 in der Aufweit- Querschnittsdimension.

Alle Teilbereiche des Resonators des Lasers 1 mit optischen Komponenten werden über eine stark schematisch in der Fig. 1 dargestellte Spüleinrich- tung 11 mit einem geeigneten Spülgas, beispielsweise mit Stickstoff oder Helium gespült, um Absorption durch die Spülgasatmosphäre selbst, sowie Kontamination der Oberflächen zu reduzieren und Wärme, die beispiels- weise durch eine Restabsorption der Komponenten dort deponiert wird, abzuführen.

Die Strahlbegrenzungsblende 10 ist in der Ausführung nach Fig. 1 mehrtei- lig ausgeführt und hat einen den resonatorinternen Faserstrahl 7 in der Fig.

1 von oben her begrenzenden Strahlbegrenzungsabschnitt 10a und einen den resonatorinternen Faserstrahl 7 in der Fig. 1 von unten her begrenzen- den zweiten Strahlbegrenzungsabschnitt 10b. Die beiden Strahlbegren- zungsabschnitte lOa, lOb begrenzen den resonatorinternen Laserstrahl 7 in der Aufweit-Querschnittsdimension also von voneinander gegenüberlie- genden Seiten her.

Die Strahlbegrenzungsblende 10 ist so ausgeführt, dass sie weniger als 5% und insbesondere weniger als 1% der Energie des auf sie auftreffenden, abgeblendeten Querschnitts des resonatorinternen Laserstrahls 7 absorbiert. Die Strahlbegrenzungsblende 10 ist zumindest abschnittsweise transmittie- rend, also durchlässig für den resonatorinternen Laserstrahl ausgeführt und wirkt auf durchgelassene Anteile des resonatorinternen Laserstrahls 7 der- art, dass diese durchgelassenen Anteile nicht mehr im Lasermedium 4 ver- stärkt werden. Die beiden Strahlbegrenzungsabschnitte lOa, lOb können als Keilplatten ausgeführt sein, und führen so zu einer Winkelablenkung der sie durchtretenden Anteile des resonatorinternen Laserstrahls 7. Diese Winkelablenkung kann sehr klein sein und muss lediglich so groß sein, dass diese abgelenkten Anteile des resonatorinternen Laserstrahls 7 nach Retroreflexion am Gitter 8 nicht mehr im Lasermedium 4 verstärkt werden. Die Strahlbegrenzungsblende 10 kann zudem abschnittsweise reflektierend für den resonatorinternen Laserstrahl 7 ausgeführt werden und hat hierzu eine entsprechend abschnittsweise reflektierende Beschichtung. Mit diesen reflektierenden Abschnitten werden z.B. Randbereiche des Strahlquer- schnitts durch Schattenwurf eliminiert, die nicht auf kritische Bereiche nachfolgender Optiken fallen sollen.

Alternativ oder zusätzlich zu einer strahlablenkenden oder zu einer reflek- tierenden Wirkung kann die Strahlbegrenzungsblende 10 auch eine polari- sationsoptische Wirkung haben und auf diese Weise Anteile des resonato- rinternen Laserstrahls 7 so beeinflussen, dass diese nicht mehr im Laser- medium 4 verstärkt werden. Je größer der Strahldurchmesser Qi ist und/oder je kleiner die Divergenz DIV1 ist, desto kleiner ist die spektrale Bandbreite des Ausgabestrahls 3. Die grundsätzliche Funktion einer optischen Baugruppe zur Verringerung einer spektralen Bandbreite eines Ausgabestrahls eines Lasers mit einer Strahlaufweitungsoptik und einem optischen Gitter ist bekannt aus der US 6,496,528 B2 und der US 7,899,095 B2 sowie aus der US 8,379,687 B2.

Die Breite der Strahlquerschnitts Qi, des resonatorinternen Laserstrahls 7 ist durch zwei weitere Aperturblenden 12, 13 einerseits zwischen dem ers- ten Prisma PI der Strahlaufweitungsoptik 6 und dem Lasermedium 4 und andererseits zwischen dem Lasermedium 4 und dem Auskoppelspiegel 2 definiert. Die Blende 12 definiert die Breite des in die Baugruppe 5 eintre- tenden Strahls.

Dies ist in der Fig. 1 durch einen zusätzlichen, gestrichelten Strahlengang 7' gezeigt. Durchgezogen dargestellt ist die durch Blende 10 definierte Nutz-Strahlbreite des resonatorinternen Laserstrahls 7. Gestrichelt darge- stellt ist die durch Blende 12 definierte Strahlbreite, die nach Aufweitung zu einer Überstrahlung der internen Blende 10 führt.

Zur Einstellung der Größe des Querschnitts Q 2 und/oder der Divergenz und entsprechend zur Einstellung der spektralen Bandbreite des Ausgabestrahls 3 kann das erste Prisma PI in der Strahlaufweitungsoptik 6 verlagerbar und insbesondere um eine Kippachse senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 kippbar gestaltet sein. Der Einstellbereich der Strahlaufweitungsoptik 6 und die Breite der Eintrittsapertur 12 können so aufeinander abgestimmt, dass bei geringster Aufweitung die Strahlbegrenzungsblende 10 etwa voll- ständig ausgeleuchtet und bei zunehmender Aufweitung vollständig über- strahlt wird und so unabhängig von einer Bandbreiten- Abstimm-Position der Strahlaufweitungsoptik gleiche Nutzstrahlbreite am optischen Gitter vorliegt.

Am Ort der Strahlbegrenzungsblende 10 führt eine Änderung der Ab- stimm-Position der Strahlaufweitungsoptik 6 also ausschließlich zu einer Divergenzänderung des resonatorinternen Laserstrahls 7, aber nicht zu ei- ner Querschnittsänderung des Nutz-Querschnitts in der Aufweit- Querschnittsdimension.

Anhand der Fig. 2 wird nachfolgend eine spezielle Ausführung einer opti- schen Baugruppe 14 beschrieben, die anstelle der optischen Baugruppe 5 beim Laser 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fig.

1 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.

Bei der optischen Baugruppe 14 hat die Strahlaufweitungsoptik 6 insge- samt vier Prismen PI, P2, P3 und P4, die im Aufweit-Laserstrahlab schnitt 9, der zwischen dem Prisma P 1 und dem optischen Gitter 8 liegt, den Strahlquerschnitt des resonatorinternen Laserstrahls 7 in der Aufweit- Querschnittsdimension jeweils aufweiten. Ein Aufweitfaktor, der die Auf- weitung des resonatorinternen Laserstrahls 7 durch das jeweilige Prisma PI bis P4 in der Aufweit-Querschnittsdimension wiedergibt, kann pro Prisma im Bereich zwischen 1,5 und 5 und beispielsweise bei 3 liegen. Entspre- chend der Aufweitung des resonatorinternen Laserstrahls 7 nimmt eine Di- vergenz des resonatorinternen Laserstrahls 7 ab. Zwischen dem Prisma P4 und dem Gitter 8 hat die Baugruppe 14 im Strah- lengang des resonatorinternen Laserstrahls 7 noch einen Umlenkspiegel M. Die beiden Strahlbegrenzungsabschnitte 10a, 10b der Strahlbegrenzungs- blende 10 der optischen Baugruppe 14 sind längs des Strahlengangs des resonatorinternen Laserstrahls 7 im Aufweit-Laserstrahlabschnitt gegenei- nander versetzt angeordnet. Dieser Versatz ist so, dass ein Lichtweg des resonatorinternen Laserstrahls 7 vom jeweiligen Strahlbegrenzungsab- schnitt 10a oder 1 Ob hin zum Gitter 8 in etwa gleich lang ist.

Fig. 3 und 4 verdeutlichen die Wirkung der Strahlbegrenzungsblende 10 auf eine insbesondere thermische Homogenisierung der Optikeigenschaften im Nutzbereich des resonatorinternen Laserstrahls 7. Dies ist vereinfachend dargestellt anhand des Prismas PI der Strahlaufweitungsoptik 6, wobei die Wirkung für eine Aneinanderreihung von Prismen P2, P3 und P4 (wie bei der Ausführung nach Fig. 2) grundsätzlich vergleichbar ist.

Aufgrund der Wirkung der Strahlbegrenzungsblende 10 wird ein ursprüng- lich in der Aufweit-Querschnittsdimension breiterer Strahlquerschnitt Qi (vgl. den in der Fig. 3 gestrichelten Strahlbegrenzungsverlauf 15 oder den in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Verlauf 7‘ bei einer Aneinanderreihung von Optiken) auf den Strahlquerschnitt Qb des tatsächlichen Nutzbereichs des resonatorinternen Laserstrahls 7 begrenzt.

Beim Hinlauf des resonatorinternen Laserstrahls 7 vom Lasermedium 4 durch die Eintrittsblende 12 und das Prisma PI trägt der gesamte Eintritts- querschnitt entsprechend dem Strahlbegrenzungsverlauf 15 zur aufgrund von Restabsorption erfolgenden Erwärmung des Prismas PI bei. Diese Er- wärmung längs eines Durchtrittskanals 16 der Laserstrahlung durch das Prisma Pl ist in der Fig. 3 in mehreren Wärmeeintragszonen Wl , W2 und W3 dargestellt.

In der längs des Durchtrittskanals 16 zentralen Wärmeeintragszone Wl, also im tatsächlich genutzten Strahlquerschnitt Q b , erfolgt eine im Wesent- lichen konstante Temperaturerhöhung ohne Temperaturgradienten. Diese näherungsweise konstante Temperaturerhöhung ist zusätzlich in der Fig. 4 verdeutlicht, die das Temperaturprofil des Prismas Pl im Querschnitt (Querdimension q) des resonatorinternen Laserstrahls 7 zeigt.

In der sich lateral beidseitig anschließenden Wärmeeintragszone W2 und in der sich wiederum hieran lateral anschließenden äußeren Wärmeeintrags- zone W3 erfolgt dann ein gradueller Abfall der eingetragenen Wärme. In den Wärmeeintragszonen W2, W3 liegt also ein Temperaturgradient vor.

Da im Hinlauf vom Lasermedium 4 durch das Prisma Pl der gesamte Querschnitt im Strahlbegrenzungsverlauf 15 zum Wärmeeintrag im Durch- trittskanal 16 beiträgt, resultiert die zentrale Wärmeeintragszone Wl ohne nennenswerten Temperaturgradienten. Das Prisma Pl führt also nicht zu einer Störung der Wellenfront der Strahlausbreitung im Nutzbereich des resonatorinternen Laserstrahls 7 beim Durchtritt durch das Prisma Pl, da dieser Nutzbereich ausschließlich die Wärmeeintragszone W 1 ohne nen- nenswerten Temperaturgradienten durchtritt.

Bei der Ausführung der Strahlbegrenzungsblende 10 als transmissive Keil- platten mit schwacher Winkelablenkung kann auch der nicht zum Nutzbe- reich gehörende rücklaufende, also vom Gitter 8 reflektierte Teil der re- sonatorinternen Strahlung noch zur Erwärmung des Prismas Pl in den Wärmeeintragszonen W2, W3 führen und so den Temperaturgradienten in der zentralen Wärmeeintragszone W 1 erwünscht minimal halten.

Die resonatorinterne Laserstrahlung trifft in Fig. 2 auf die Prismen Pl bis P4, auf den Spiegel M und auch auf das Gitter 8 mit einer größeren Quer- schnittsfläche auf als die Ausdehnung des Nutzbereichs des resonatorinter- nen Laserstrahls in der Aufweit-Querschnittsdimension. Dies gilt insbe- sondere auch für das Gitter 8, da die Strahlbegrenzungsabschnitte lOa, lOb im Strahlengang des resonatorinternen 7 nur einen geringen Strahlweg vor Auftreffen der resonatorinternen Laserstrahlung auf das Gitter 8 angeord- net sind, so dass die Winkelablenkung durch die Keilplatten-Ausführung der Strahlbegrenzungsabschnitte 10a, 10b nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Auftrittsort der von den Strahlbegrenzungsabschnitten 10a, 10b transmittierten und winkelversetzten Strahlung auf das Gitter 8 hat.

Anhand der Fig. 5 wird nachfolgend eine weitere Ausführung einer opti- schen Baugruppe 17 beschrieben, die anstelle der Baugruppen 5 oder 14 beim Laser 1 zum Einsatz kommen kann. Komponenten und Funktionen, die denjenigen entsprechen, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Fi- guren 1 bis 3 bereits erläutert wurden, tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht nochmals im Einzelnen diskutiert.

Bei der optischen Baugruppe 17 umfasst die Strahlaufweitungsoptik 6 wie- derum vier Prismen Pl, P2, P3 und P4. Zur Vorgabe der spektralen Band- breite des Lasers 1 ist insbesondere das erste Prisma Pl kippbar ausgeführt. Zur Vorgabe einer Zentralwellenlänge des Ausgabestrahls 3 sind weiterhin die Prismen P3 und P4 kippbar ausgeführt. Eine entsprechende Ausführung der Strahlaufweitungsoptik 6 der Baugruppe 17 ist beschrieben in der US 7,899,095 B2.

Erfolgt die Strahlbreitenbegrenzung in der Baugruppe 17 ausschließlich durch eine Eintrittsblende 12, so führt eine Veränderung der Strahlaufwei- tung durch Drehen von PI zu einer veränderlichen Breite der Ausleuchtung auf dem Gitter. Bei Veränderung der Strahlaufweitung vom Minimal- zum Maximalwert findet - wegen der schlechten Wärmeleitung des Gittersub- strats - ein Ausgleich der aufgeprägten, inhomogenen Temperaturvertei- lung nur sehr langsam statt. Dies hat eine nachhaltige Störung der Wellen- front zur Folge, die einem angestrebten, schnellen Wechsel von großer zu kleiner Bandbreite, insbesondere wenn der Laser 1 mit hoher Laserleistung betrieben wird, entgegensteht. Bei maßgeblicher Begrenzung der Nutz- strahlbreite durch eine interne Blende 10 und bei geeigneter Abstimmung der Breite von Eintrittsblende 12 und interner Blende 10 kann die Breite der Ausleuchtung des Gitters unabhängig vom Aufweitungsfaktor weitest- gehend konstant gehalten werden. Eine Variation des Aufweitungsfaktors durch Drehen von PI wirkt dann nur auf die Divergenz des auftreffenden Strahls ohne maßgebliche Änderung der Breite der Ausleuchtung auf dem Gitter.

Die bei Strahlbegrenzung mit Hilfe der internen Blende 10 generell sehr geringe Temperaturgradienten aufweisende Strahlführung des resonatorin- ternen Laserstrahls 7 durch die optischen Komponenten der optischen Bau- gruppe 17 und die Vermeidung einer sich mit der Aufweitung ändernden Temperaturverteilung auf dem Gitter ermöglicht es insbesondere, einen Wechsel zwischen hoher und geringer spektraler Bandbreite auch dann durchzuführen, wenn der Laser 1 mit hoher Laserleistung betrieben wird, wobei insbesondere der Wechsel zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert der spektralen Bandbreite im Wesentlichen hysteresefrei er- folgen kann.