一种单频锁相激光放大器

技术领域

本发明涉及激光技术领域中的半导体光刻光源领域，具体是指一种单频锁相激光放大器。

背景技术

光刻工艺是半导体制造中最为重要的工艺步骤之一，而激光器也就是光源则是光刻机核心设备之一。以前目前广泛使用的深紫外激光光源为例，其采用的是准分子激光器，波长可达193nm。同时经过研究表明在未来半导体制程升级过程中高功率极深紫外光源是应用于半导体光刻领域最重要的光源，因此在现有激光光源的基础上通过激光放大器进一步提高光源的功率也是当下需要突破的技术难点。

现有技术中，一般是采用准分子激光器轰击金属锡靶材来进一步产生13.5nm的极深紫外光源，以提高光源的功率。但本专利申请的发明人经过研究发现，该方法涉及的技术路线非常复杂，对波长进一步压窄同时进一步提升功率的技术难度非常之高，近年来提出的电子微聚束与单频激光多次相互作用以获得高次谐波激光输出的方式有望提供一种更加高效率和高功率极深紫外光源的技术路径，其中作用于电子束的激光器就需要用到本文所述的激光放大器。

综上所述，目前缺少一种技术路线相对简单，稳定性更高，可实现批量商用的用于进一步提高深紫外激光光源的功率的放大器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种技术路线相对简单，稳定性更高，可实现批量商用的用于进一步提高深紫外激光光源的功率的单频锁相激光放大器。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种单频锁相激光放大器，它包括光纤分束器、光纤幅度调制器、一级功率放大器、相位调制器、二级功率放大器、三级功率放大器、脉冲串输出开关模块和闭环控制模块；所述的光纤分束器、光纤幅度调制器、一级功率放大器、相位调制器、二级功率放大器、三级功率放大器和脉冲串输出开关模块依次相连；所述的闭环控制模块则分别与光纤幅度调制器、一级功率放大器、相位调制器、二级功率放大器、三级功率放大器和脉冲串输出开关模块之间信号连接；所述的光纤分束器用于将输入的种子源激光分成两部分，一部分注入后级光路用于激光放大，另一部分作为参考光在末端的脉冲串输出开关模块中与放大后的主激光干涉，使得主激光的相位锁定在参考光上；所述的光纤幅度调制器用于将连续单频种子激光斩波为特定重复频率和脉宽的脉冲激光；所述的相位调制器用于调制主激光光路的相位，控制电路通过提取末级脉冲串输出模块中的干涉测量信号来控制相位调制器的信号，实现锁相的目的；所述的脉冲串输出开关模块用于使主激光实现脉冲串输出的同时生成功率控制信号和相位控制信号；所述的闭环控制模块用于产生闭环控制信号来控制光纤相位调制器以实现相位闭环。

作为优选，所述的光纤幅度调制器的斩波脉冲宽度在3ns以内。

作为优选，所述的一级功率放大器采用单模光纤放大器，用于将脉冲激光的平均功率提升到100mW级别。

作为优选，所述的二级功率放大器采用大模场光纤放大器，将脉冲激光的平均功率提升到数瓦量级。

作为优选，所述的三级功率放大器采用超大模场光纤放大器，将脉冲激光的平均功率进一步提升到百瓦量级，同时峰值功率达到数十千瓦量级。

作为进一步优选，所述的三级功率放大器内的泵浦源包括有高功率多模二极管激光器和多只蝶形二极管激光器。

作为优选，所述的脉冲串输出开关模块包括有主激光输出准直头、参考光输出准直头、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、电光开关、废光桶、第一半玻片、第二半玻片、第一光电探测器和第二光电探测器；主激光输出准直头通过第一偏振分束器依次与电光开关、第二偏振分束器和废光桶相连；第一偏振分束器同时还依次与第一半玻片、第三偏振分束器、第二半玻片和第四偏振分束器相连；第一光电探测器与第三偏振分束器相连；参考光输出准直头和第二光电探测器均与第四偏振分束器相连。

作为优选，它采用强制水冷冷却方式进行散热，水冷温控精度优于0.1摄氏度。

作为优选，所述的光纤分束器的分束比例为90:10。

采用上述结构后，本发明具有如下有益效果：创造性的利用单频激光器与电子环形加速器中的电子微聚束相互作用，通过多次调制来获得极深紫外激光输出，过程中控制激光严格单频和相位锁定，即可保证电子与激光多次相互作用时，相位保持一致，本专利申请相比于采用准分子激光器轰击金属锡靶材等现有技术中的方法技术路线相对简单，稳定性更高，且可实现批量商用；各项优选项，则可以进一步提高放大器的放大效率和稳定性。

综上所述，本发明提供了一种技术路线相对简单，稳定性更高，可实现批量商用的用于进一步提高深紫外激光光源的功率的单频锁相激光放大器。

附图说明

图1是本发明中单频锁相激光放大器的结构示意图。

图2是本发明中单频锁相激光放大器中脉冲串输出开关模块的结构示意图。

如图所示：单频连续激光种子源101、光纤分束器102、光纤幅度调制器103、一级功率放大器104、相位调制器105、二级功率放大器106、三级功率放大器107、脉冲串输出开关模块108和闭环控制模块109、主激光输出准直头201、参考光输出准直头210、第一偏振分束器202、第二偏振分束器204、第三偏振分束器207、第四偏振分束器211、电光开关203、废光桶205、第一半玻片206、第二半玻片209、第一光电探测器208、第二光电探测器212。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明公开了一种单频锁相激光放大器，它包括光纤分束器102、光纤幅度调制器103、一级功率放大器104、相位调制器105、二级功率放大器106、三级功率放大器107、脉冲串输出开关模块108和闭环控制模块109；所述的光纤分束器102、光纤幅度调制器103、一级功率放大器104、相位调制器105、二级功率放大器106、三级功率放大器107和脉冲串输出开关模块108依次相连；所述的闭环控制模块109则分别与光纤幅度调制器103、一级功率放大器104、相位调制器105、二级功率放大器106、三级功率放大器107和脉冲串输出开关模块108之间信号连接；所述的光纤分束器102用于将输入的种子源激光分成两部分，一部分注入后级光路用于激光放大，另一部分作为参考光在末端的脉冲串输出开关模块108中与放大后的主激光干涉，使得主激光的相位锁定在参考光上；所述的光纤幅度调制器103用于将连续单频种子激光斩波为特定重复频率和脉宽的脉冲激光；所述的相位调制器105用于调制主激光光路的相位，控制电路通过提取末级脉冲串输出模块中的干涉测量信号来控制相位调制器的信号，实现锁相的目的；所述的脉冲串输出开关模块108用于使主激光实现脉冲串输出的同时生成功率控制信号和相位控制信号；所述的闭环控制模块109用于产生闭环控制信号来控制光纤相位调制器105以实现相位闭环。所述的脉冲串输出开关模块108包括有主激光输出准直头201、参考光输出准直头210、第一偏振分束器202、第二偏振分束器204、第三偏振分束器207、第四偏振分束器211、电光开关203、废光桶205、第一半玻片206、第二半玻片209、第一光电探测器208和第二光电探测器212；主激光输出准直头201通过第一偏振分束器202依次与电光开关203、第二偏振分束器204和废光桶205相连；第一偏振分束器202同时还依次与第一半玻片206、第三偏振分束器207、第二半玻片209和第四偏振分束器211相连；第一光电探测器208与第三偏振分束器207相连；参考光输出准直头210和第二光电探测器212均与第四偏振分束器211相连。

进一步结合附图1和附图2，本专利申请在具体实施时，单频连续激光种子源101作为放大器的注入光源，要求线宽小于10kHz，以保证足够长的相干长度，同时为了保证长时间稳定性，要求种子源内部对频率进行锁定，至少保证频率稳定性高于10

主激光通过主激光输出准直头201进入脉冲串输出开关模块108，经过第一偏振分束器202起偏，部分垂直偏振分量反射作为监测用。主激光起偏之后，通过电光开关203，电光开关203接受控制电路的时序控制。当偏振态与输出端的第二偏振分束器204的起偏方向一致时，激光输出，反之则进入废光桶205。

监测光经过第一半波片206旋转偏振态以控制经第三偏振分束器207后进入第一光电探测器208，第一光电探测器208用于监测主激光的功率大小，并通过闭环控制模块109来控制三级功率放大器107的一组泵浦以实现功率闭环控制。透过第三偏振分束器207的激光功率经过第二半波片209，与经过参考光输出准直头210的参考光偏振合成后进入第二光电探测器212，探测的信号进入闭环控制模块109后产生闭环控制信号控制光纤相位调制器105以实现相位闭环。

功率闭环可以采用PID算法，将输出功率锁定在某个绝对值上。相位闭环采用SPGD算法，将输出主激光的相位锁定在参考光源上。闭环锁定的带宽1MHz以内，主要用于补偿放大过程引入的放大器噪声以及环境震动和热波动带来的噪声。

单频锁相激光放大器的种子源采用线宽小于10kHz，频率稳定性优于10

本专利申请的工作原理简要说明如下：光纤分束器将输入的单频连续激光种子源101分成两部分，一部分注入后级光路用于激光放大，另一部分作为参考光在末端的脉冲串输出开关模块中与放大后的主激光干涉，使得主激光的相位锁定在参考光上。光纤幅度调制器用于将连续单频种子激光斩波为特定重复频率和脉宽的脉冲激光。如果需要激光与电子束相互作用，则激光的重复频率应当与电子微聚束在存储环中的循环周期保持严格一致。为了抑制单频激光脉冲在后续光纤激光放大过程中可能发生的受激布里渊散射（SBS）效应，斩波脉冲宽度需要控制在3ns以内。单频连续种子激光的平均功率一般为100mW左右，以斩波脉宽3ns，重频6MHz为例，不考虑损耗，脉冲的平均功率为1.8mW。为了实现激光与电子束的较强的相互作用，要求激光具有10kW以上的峰值功率，因此需要通过多级功率放大器进行功率提升。一级功率放大器采用单模光纤放大器，将脉冲激光的平均功率提升到100mW左右。一级功率放大器输出激光进入光纤相位调制器。相位调制器用于调制主激光光路的相位，控制电路通过提取末级脉冲串输出模块中的干涉测量信号来控制相位调制器的信号，实现锁相的目的。二级功率放大器采用大模场光纤放大器，将脉冲激光的平均功率提升到数瓦量级。三级功率放大器采用超大模场光纤放大器，将脉冲激光的平均功率进一步提升到百瓦量级，同时峰值功率达到数十千瓦量级。三级功率放大器除了采用高功率多模二极管激光器（LD）作为泵浦源，还采用多只蝶形二极管激光器作为功率闭环用的泵浦源。三级功率放大器输出激光信号进入脉冲串输出开关模块，此模块功能包括三部分：1）主激光通过模块中的电光开关，实现脉冲串输出；2）对主激光进行取样和光电探测，控制模块通过探测信号提取功率波动信息，经过算法处理后生成功率控制信号，用于控制三级功率放大器中的得行泵浦源的输出功率，从而维持激光功率稳定；3）将一部分取样的主激光与种子源分束出来的参考光进行干涉拍频，并采用光电探测器测量拍频信号，控制电路将信号提取和算法处理后，产生相位控制信号用于控制相位调制器，从而实现相位稳定。考虑到系统稳定性，此激光放大器采用强制水冷冷却方式。具体实施时，除了种子源之外，放大器本身受到环境温度、震动以及放大器泵浦噪声的影响，也会导致激光功率和相位的波动，这些噪声信号的频率基本都在1MHz以内，因此功率闭环和相位闭环的控制速度做到1MHz左右即可。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。