使用四硼酸锶的用于频率转换的深紫外激光器

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2021年12月11日申请的第63/288,560号美国临时申请案的权益，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请案涉及能够产生具有深紫外光(DUV)及真空紫外光(VUV)波长的光的激光器，且特定来说涉及能够产生在大致180nm到200nm的范围内的光的激光器及使用此类激光器的系统。并入本文中所公开的激光器的系统可经配置以检验样本，例如光掩模、光罩及半导体晶片。并入本文中所公开的激光器的系统可经配置为用于暴露例如半导体晶片的衬底上的图案的光刻系统，可经配置用于对衬底进行切割或钻孔，或可经配置用于例如在眼睛矫正手术中烧蚀或切割生物组织。

背景技术

随着半导体装置的尺寸缩小，可致使装置出故障的最小粒子或图案缺陷的大小也缩小。因此，需要检测经图案化及未经图案化半导体晶片及光罩上的较小粒子及缺陷。由小于光的波长的粒子散射的所述光的强度通常与所述粒子的尺寸的高次幂成比例。例如，来自孤立的小球形粒子的光的总散射强度与球体直径的六次幂成正比且与波长的四次幂成反比。由于散射光的强度增加，因此与较长波长相比，较短波长通常将提供对检测小粒子及缺陷更好的灵敏度。

由于从小粒子及缺陷散射的光的强度通常非常低，因此需要高照明强度来产生可在非常短时间内检测到的信号。可能需要1W或更高的平均光源功率电平来产生此信号。在这些高平均功率电平下，可期望高脉冲重复率，因为所述重复率越高，每脉冲的能量越低且因此损坏系统光学器件或被检验物品的风险越低。连续波(CW)光源通常最能满足检验及计量的照明需要。CW光源具有恒定功率电平，这避免了峰值功率损坏问题且允许连续地获取图像或数据。然而，在许多情况下，具有约50MHz或更高的重复率的锁模激光器(也被称为准CW激光器)可能是有用的，因为高重复率意味着每脉冲的能量可能足够低以避免损害许多计量及检验应用。与相同平均功率电平的CW激光器相比较，锁模激光器的更高峰值功率可允许更高效且更简单的频率转换。

特定来说，接近193nm的波长是有用的，因为此类波长接近于可在干燥空气中传播合理距离(例如约1m)的最短波长。短于约190nm的波长被氧气强烈地吸收且通常被称为VUV波长。ArF准分子激光器(也被称为激基复合物激光器)产生接近于193nm的波长且已在半导体及医疗行业中使用20多年。然而，ArF准分子激光器具有若干缺点。最大脉冲重复率是约100kHz。氟具腐蚀性且导致所述激光器需要频繁维护。取决于激光器空腔设计的细节，脉冲长度可在从几ns到约100ns的范围内。例如切割及烧蚀材料的一些应用需要短脉冲(例如，约10ps或更短)来最小化对邻近于被移除材料的材料造成的热损坏。

授予米德(Mead)等人的5,742,626美国专利描述一种经配置以产生接近193nm的波长的固态激光器。此激光器是复杂的且因此将基本激光器的能量转换为输出波长下的光时具有低效率。其包含五个频率转换级，例如OPO(光学参数振荡器)、两个倍频级及两个频率求和级。DUV频率转换级可使用BBO(β硼酸钡)或CLBO(硼酸铯锂)晶体。两种材料在用于此应用中时均有缺点。当暴露于高强度DUV辐射时，BBO的损坏阈值相对较低。CLBO可具有高于BBO的损坏阈值，但具吸湿性，因此在处置、处理及操作期间需要极其小心。

因此，需要一种克服如上文所描述的先前方法的限制的激光器。

发明内容

提供根据本公开的一或多个实施例，公开一种特性化系统。在实施例中，所述特性化系统包括经配置以产生具有在180nm与200nm之间的范围内的波长的光的光源。在实施例中，所述特性化系统包括经配置以将所述光引导到样本上的光学系统。在实施例中，所述光源包括：第一基本激光器，其经配置以产生具有对应基频的基本激光射束；一或多个中频转换级，其共同经配置以使用所述基本激光射束产生中频光，所述中频光具有相关联中频及在360nm与400nm之间的对应中间波长；及最终倍频级，其经配置以使所述中频光穿过非线性晶体。在实施例中，所述非线性晶体包含呈堆叠式配置安置的多个四硼酸锶(SBO)晶体平板，使得每一第一SBO晶体平板邻近于至少一个第二晶体平板。在实施例中，所述多个SBO晶体平板协作地经配置以形成实现所述中频光的准相位匹配(QPM)的周期性结构，使得离开所述非线性晶体的光包含具有输出频率与在近似180nm到近似200nm的范围内的对应波长的激光器输出光。所述特性化系统可经配置为检验系统、计量系统或光刻系统。

根据本公开的一或多个实施例，公开一种用于产生激光器输出光的激光器组合件。在实施例中，所述激光器组合件包括经配置以产生具有对应基频的基本激光射束的第一基频激光器。在实施例中，所述激光器组合件包括共同经配置以使用所述基本激光射束产生中频光的一或多个中频转换级，所述中频光具有相关联中频及在近似360nm与近似400nm之间的对应中间波长。在实施例中，所述激光器组合件包括经配置以使所述中频光穿过非线性晶体的最终倍频级。在实施例中，所述非线性晶体包含呈堆叠式配置安置的多个四硼酸锶(SBO)晶体平板，使得每一第一SBO晶体平板邻近于至少一个第二晶体平板。在实施例中，所述多个SBO晶体平板协作地经配置以形成实现所述中频光的准相位匹配(QPM)的周期性结构，使得离开所述非线性晶体的光包含具有所述输出频率与在近似180nm到近似200nm的范围内的对应波长的激光器输出光。

根据本公开的一或多个实施例，公开一种用于产生激光器输出光的方法。在实施例中，所述方法包含产生具有相关联中频及在约360nm与400nm之间的对应中间波长的中频光。在实施例中，所述方法包含利用最终倍频级来使所述中频光穿过非线性晶体。在实施例中，所述非线性晶体包含呈堆叠式配置安置的多个四硼酸锶(SBO)晶体平板，使得每一第一SBO晶体平板邻近于至少一个第二晶体平板。在实施例中，所述多个SBO晶体平板协作地经配置以形成实现所述中频光的准相位匹配(QPM)的周期性结构，使得离开所述非线性晶体的光包含具有输出频率与在近似180nm到近似200nm的范围内的对应波长的激光器输出光。

应理解，前述一般描述及以下详细描述两者仅是示范性及解释性的且不一定限制本公开。并入说明书中且构成其部分的所附图式说明本公开的标的物。所述描述及图式一起用来解释本公开的原理。

附图说明

通过参考附图，所属领域的技术人员可更好地理解本公开的众多优点。

图1说明描绘根据本公开的一或多个实施例的经配置以检验或测量样本的特性化系统的简化框图。

图2A及2B说明描绘根据本公开的一或多个实施例的简化激光器组合件的简化框图。

图3说明描绘根据本公开的一或多个实施例的在激光器组合件中利用的最终倍频级的简化图。

图4说明描绘根据本公开的一或多个实施例的在激光器组合件中利用的第一及最终倍频级的简化图。

图5说明描绘根据本公开的一或多个实施例的在激光器组合件中利用的频率求和及最终倍频级的简化图。

图6说明描绘根据本公开的一或多个实施例的在用于激光器组合件中的光学参数系统(OPS)中利用的放大级的简化图。

图7说明描绘根据本公开的一或多个实施例的在激光器组合件中利用的OPS的简化图。

具体实施方式

现在将详细地参考所公开标的物，所述标的物在所附图式中进行说明。已关于某些实施例及其特定特征特定地展示及描述本公开。本文中所阐述的实施例应被理解为是说明性的而非限制性的。对于所属领域的一般技术人员来说应容易显而易见的是，在不脱离本公开的精神及范围的情况下，可在形式及细节上进行各种改变及修改。

本公开的实施例涉及一种CW、锁模或短脉冲激光器，其产生接近193nm的波长的辐射并避免现有技术193nm激光器的许多或所有缺点，且适用于经配置用于检验衬底、将图案暴露到衬底上的光致抗蚀剂中或对包含生物组织的材料进行钻孔、切割或烧蚀的系统中。本公开的实施例涉及利用两个到四个频率转换级且经配置以在高功率下产生具有接近193nm的波长(例如，在约180nm与约200nm之间的波长)的激光器输出光同时避免与现有技术方法相关联的上述问题及缺点的激光器。应注意，在以下描述中，在无条件地提到波长的情况下，所述波长可被假定为真空中的波长。

所述频率转换级产生具有在约360nm与400nm之间的波长(例如接近386nm的波长)的中频光，且包含并入非线性晶体的最终倍频级，所述非线性晶体包括形成周期性结构的堆叠式四硼酸锶SrB

在一个实施例中，所述协作配置包含物理地堆叠单独SBO晶体平板使得循序布置的晶体平板的c轴交替地倒置(例如，给定SBO晶体平板的晶轴相对于(若干)邻近SBO晶体平板的晶轴旋转180°)，由此形成类似于周期性极化晶体材料的周期性结构(例如，其中每一SBO晶体平板形成周期性结构中的物理极点)。每一非线性晶体通过以下步骤而进一步经配置以在给定光学系统中使用：定向SBO晶体平板使得在输入光穿过光学系统内的SBO晶体堆叠时经倒置晶轴基本上平行于输入光的极化方向对准；及形成SBO晶体平板使得至少一个SBO晶体平板的厚度在极点之间产生基本上等于临界长度的奇数倍的间距(即，光在每一平板的相对表面之间沿光传播方向行进的距离)，以实现输入光频率及输出频率(输入频率的二次谐波)的准相位匹配。通过以此方式协作地配置两个或更多个SBO晶体平板，根据本发明产生的非线性晶体促进倍频以产生具有接近193nm的波长的光同时避免与现有技术方法相关联的上述问题及缺点。

在下文所描述的具体所公开实施例中，本发明涉及半导体制造工业中利用的检验及计量系统的改良，且特定来说涉及用于此类检验及计量系统的激光器组合件，所述激光器组合件能够产生激光，所述激光具有约1W或更高的光源功率电平且具有在近似180nm到近似200nm的范围内的输出波长，例如接近193nm的波长。在实际实施例中，在还包含至少一个基本激光器及一个到三个中频转换级的相关联激光器组合件的最终倍频级中利用非线性晶体，其中每一基本激光器分别产生具有对应基频的基本激光射束，且所述中频转换级共同经配置以将所述(若干)基本激光射束转换成具有对应于约360nm与400nm之间的波长的相关中频的中频光。所述最终倍频级经配置以引导所述中频光通过形成非线性晶体的经倒置SBO晶体平板，使得所述光的极化方向(电场方向)基本上平行于每一平板的晶轴的c轴，借此堆叠式SBO晶体平板的周期性结构实现所述中频光及所述激光器输出光的QPM。

根据本文中参考第一特定实施例所描述的激光器组合件及相关联方法，通过以下步骤产生带有输出频率、具有近似193nm的波长的激光器输出光：产生具有基频与在近似720nm到近似800nm的范围内的对应基本波长的基本光；利用基本光来产生基本光的二次谐波；利用二次谐波作为中频光，接着将所述中频光传递到最终倍频级。根据第一实施例的方面，所述最终倍频级经配置以通过将所述级配置为包含非线性晶体来对二次谐波光进行频率加倍，所述非线性晶体经配置以产生具有等于基频的四倍的频率的四次谐波光。为了在近似193nm下产生四次谐波输出光，所述线性晶体包含具有基本上平行于二次谐波输入光的极化方向定向的经倒置c晶轴的两个或更多个堆叠式SBO晶体平板，其中每一平板沿光传播方向的厚度(即，周期性结构的极点之间的间距)基本上等于准相位匹配临界长度(其近似等于0.85μm(例如，在0.80μm与0.90μm之间的范围内))的奇数倍，以实现二次谐波频率及四次谐波频率的QPM，由此产生具有近似193nm的输出波长的激光器输出光。

根据本文中参考第二特定实施例所描述的激光器组合件及相关联方法，通过以下步骤产生带有输出频率、具有近似193nm的对应波长的激光器输出光：产生具有第一基频与在近似1000nm到近似1100nm的范围内的对应第一基本波长的基本光；利用第一基本光来产生第一基本光的二次谐波；使用光学参数振荡器(OPO)来产生具有第三频率的光；对二次谐波光与具有第三频率的光一起进行求和；及利用二次谐波光及第三频率光的和作为中频光，接着将所述中频光传递到最终倍频级。根据第二实施例的方面，所述最终倍频级经配置以通过将所述级配置为包含非线性晶体来对中间光进行频率加倍，所述非线性晶体经配置以产生具有等于第一基频的四倍加上第三频率的两倍的频率的中间光的二次谐波。为了在近似193nm下产生激光器输出光，所述线性晶体包含具有基本上平行于二次谐波输入光的极化方向定向的经倒置c晶轴的两个或更多个堆叠式SBO晶体平板，其中每一平板沿光传播方向的厚度(即，周期性结构的极点之间的间距)基本上等于准相位匹配临界长度(其近似等于0.85μm(例如，在0.80μm与0.90μm之间的范围内))的奇数倍，以实现中间频率及其二次谐波频率的QPM，由此产生具有近似193nm的输出波长的激光器输出光。

在一个实施例中，经配置以检验样本(例如晶片、光罩或光掩模)的检验系统包含本文中所描述的激光器中的一者，所述激光器产生具有在近似180nm与200nm之间的波长的输出光。在替代实施例中，经配置以将图案暴露到涂覆于例如半导体晶片的衬底上的光致抗蚀剂上的光刻系统包含本文中所描述的激光器中的一者，所述激光器产生具有近似193nm的波长的输出光。在又一实施例中，经配置以对例如生物组织的材料进行切割、钻孔或烧蚀的系统包含本文中所描述的激光器中的一者，所述激光器产生具有在近似180nm与200nm之间的波长的输出光。

四硼酸锶作为光学涂层的用途在2021年2月16日发布的第10,921,261号美国专利及2022年6月14日发布的第11,360,032号美国专利中进行论述，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。本申请案还涉及以下美国专利文献，所述所有专利文献以引用的方式并入本文中：授予瓦兹-伊拉瓦尼(Vaez-Iravani)等人的美国专利6,201,601；授予马克希尔(Marxer)等人的美国专利6,271,916；授予梁(Leong)等人的美国专利7,525,649；授予庄(Chuang)等人的美国专利7,817,260；授予阿姆斯特朗(Armstrong)的美国专利8,298,335及8,824,514；授予格尼斯(Genis)的美国专利8,976,343；授予德里宾斯基(Dribinski)的美国专利9,023,152；授予德里宾斯基(Dribinski)等人的美国专利9,461,435及9,059,560；授予庄(Chuang)的美国专利9,293,882及9,660,409；授予庄(Chuang)等人的美国专利9,250,178、9,459,215、9,509,112、10,044,166及10,283,366；及授予庄(Chuang)等人的美国专利11,180,866。

图1说明根据本公开的一或多个实施例的特性化系统100。特性化系统100可经配置以检验或测量样本108。特性化系统100可包括检验系统或计量系统。特性化系统100还可经配置以从样本108对材料进行切割、钻孔或烧蚀，或将图案暴露到样本108上的光致抗蚀剂上。

样本108可包含所属领域中已知的任何样本，例如但不限于晶片、光罩、光掩模或类似者。在一个实施例中，样本108安置于载物台组合件112上以促进样本108的移动。载物台组合件112可包含所属领域中已知的任何载物台组合件，包含但不限于X-Y载物台、R-θ载物台及类似者。在另一实施例中，载物台组合件112能够在检验期间调整样本108的高度以维持聚焦于样本108上。在又一实施例中，例如物镜150的透镜可在检验期间向上及向下移动以维持聚焦于样本108上。

特性化系统100包含并入激光器200-0的照明源102，所述激光器产生具有输出频率ω

当在上述模式中的一或多者下照明样本108时，光学器件103还经配置以收集从样本108反射、散射、衍射、透射及/或发射的光L

控制器114经配置以在存储于载体媒体116上的程序指令118的控制下存储及/或分析来自检测器组合件104的数据。控制器114可进一步经配置以控制特性化系统100的其它元件，例如载物台112、照明源102及光学器件103。

在一个实施例中，光学器件103包含照明管透镜132。照明管透镜132可经配置以将照明光瞳孔径131成像到物镜150内的光瞳上。例如，照明管透镜132可经配置使得照明光瞳孔径131及在物镜150内的光瞳彼此共轭。在一个实施例中，照明光瞳孔径131可通过将不同孔径切换到照明光瞳孔径131的位置中来配置。在另一实施例中，照明光瞳孔径131可通过调整照明光瞳孔径131的开口的直径或形状来配置。在此点上，取决于在控制器114的控制下执行的特性化(例如，测量或检验)，样本108可被不同范围的角度照明。照明光瞳孔径131还可包含用以控制照明光L

在一个实施例中，一或多个光学元件103包含收集管透镜122。例如，收集管透镜122可经配置以将物镜150内的光瞳成像到收集光瞳孔径121。例如，收集管透镜122可经配置使得收集光瞳孔径121及在物镜150内的光瞳彼此共轭。在一个实施例中，收集光瞳孔径121可通过将不同孔径切换到收集光瞳孔径121的位置中来配置。在另一实施例中，收集光瞳孔径121可通过调整收集光瞳孔径121的开口的直径或形状来配置。在此点上，从样本108反射或散射的不同范围的角度的照明可在控制器114的控制下引导到检测器组合件104。收集光瞳孔径121还可包含极化元件使得可选择特定极化的光L

在另一实施例中，照明光瞳孔径131及/或收集光瞳孔径121可包含可编程孔径。可编程孔径在以下专利中进行大致论述：在2016年2月9日发布的授予布伦纳(Brunner)、标题为“2D可编程孔径机构(2D programmable aperture mechanism)”的第9,255,887号美国专利；及2017年5月9日发布的授予布伦纳(Brunner)的标题为“柔性光学孔径机构(Flexibleoptical aperture mechanisms)”的第9,645,287号美国专利，所述两个专利的全文以引用的方式并入本文中。选择用于检验的孔径配置的方法在以下专利中进行大致论述：在2017年7月18日发布的授予科尔钦(Kolchin)等人的标题为“在晶片检验期间确定定位在收集孔径中的光学元件的配置(Determining a configuration for an optical elementpositioned in a collection aperture during wafer inspection)”的第9,709,510号美国专利；及2017年8月8日发布的授予科尔钦(Kolchin)等人的标题为“用于找到最佳孔径及模式以增强缺陷检测的设备及方法(Apparatus and methods for finding a bestaperture and mode to enhance defect detection)”的第9,726,617号美国专利，所述两个专利的全文以引用的方式并入本文中。

图1中所描绘的各种光学元件及操作模式仅用以说明激光器200-0可如何用于特性化系统100中且并不希望限制本公开的范围。实际特性化系统100可实施图1中所描绘的模式及光学器件的子集或超集。根据特定应用的需要，可并入额外光学元件及子系统。

图2A是展示根据本发明的第一特定示范性实施例的经配置以产生在近似180nm到近似200nm(例如，近似193nm)的范围内的波长的激光器组合件200A的简化框图。激光器组合件200A包括第一基本激光器210A及两个倍频(转换)级(例如，一个中间倍频级220A及最终倍频级230A)，所述倍频级协作地经配置以产生具有在近似180nm到近似200nm的范围内的波长的激光器输出光239A。第一基频激光器210A经配置以产生具有在近似720nm到近似800nm的范围内的第一基本波长及对应第一基频ω

参考图2A，使用已知技术配置第一基本激光器210A以在第一基频ω

第一倍频级220A经配置以从第一基本光211A产生二次谐波光212A。在一个实施例中，第一倍频级220A并入经配置用于第一基频及二次谐波频率的临界相位匹配的三硼酸锂(LBO)非线性晶体。在必要时，第一倍频级220A可包含其它组件，例如用于将二次谐波光212A与未消耗基本光分离的棱镜。第一倍频级220A可包含在第一基频下谐振以增加转换效率的空腔。

最终倍频级230A经配置以从二次谐波光212A产生激光器输出光239A。最终倍频级230A并入经配置以使二次谐波光212A的频率加倍且输出光303的非线性晶体300，所述光包含处于激光器输出光239A的频率的光及未消耗二次谐波光。非线性晶体300包括SBO平板堆叠。出于说明的目的，图2A描绘一个堆叠于另一个上的四个此类平板335-1、335-2、335-3及335-4。应注意，在实施例中，可存在数十个、数百个或数千个堆叠式平板。图2A描绘所述平板彼此接触。所述平板可彼此接触(例如，所述平板可彼此光学地接触)或在所述平板之间可存在小气隙，所述气隙具有类似于或小于一个平板的厚度的宽度。选择每一平板的厚度以实现准相位匹配以用于使二次谐波光212A的频率加倍。邻近平板(例如平板335-1及335-2)具有相对于彼此沿相反方向定向的其晶体c轴。非线性晶体的这些及其它重要方面将在下文关于图3进行详细描述。

最终倍频级230A可在必要时包含其它光学组件，例如用于将激光器输出光239A与未消耗基本二次谐波光分离的棱镜。最终倍频级230A可包含用以使二次谐波频率再循环以增加转换效率的空腔。

在替代实施例中，单个空腔可包含第一倍频级220A及最终倍频级230A两者。此实施例的这些及其它重要方面将在下文关于图4进行详细描述。

图2B是展示根据本公开的一或多个实施例的经配置以产生在近似180nm到近似200nm(例如，近似193nm)的范围内的波长的激光器组合件200B的简化框图。激光器组合件200B包括第一基本激光器210B-1及四个频率转换级(例如，第一倍频级220B-1、光学参数系统221B、第一倍频级220B-1、频率求和级222B及最终倍频级230B)，所述频率转换级协作地经配置以产生具有在近似180nm到近似200nm的范围内的波长的激光器输出光。第一基本激光器210B-1经配置以产生具有在近似1.0μm到近似1.1μm的范围内的第一基本波长及对应第一基频ω

参考图2B，使用已知技术配置第一基本激光器210B-1以在第一基频ω

第一倍频级220B-1经配置以从第一基本光211B-1产生二次谐波光212B-1。在一个实施例中，第一倍频级220B-1并入经配置用于临界相位匹配以从第一基频产生二次谐波频率的三硼酸锂(LBO)非线性晶体。第一倍频级220B-1可在必要时包含其它组件，例如用于将二次谐波光212B-1与未消耗第一基本光分离的棱镜。第一倍频级220B-1可包含经配置以使第一基频再循环以增加转换效率的空腔。

OPS221B经配置以产生第三频率光213B，所述第三频率光具有频率ω

在一个实施例中，第一基本光211B-1通过射束分裂器224B-1(其仅需要包含于此实施例中)分成两个部分。第一基本光的第一部分引导到第一倍频级220B-1以产生二次谐波光212B-1。第一基本光的第二部分作为泵浦光引导到OPS221B。此示范性实施例的优点在于，OPS221B可经配置为光学参数振荡器(OPO)以高效地将泵浦光(第一基本光211B-1的第二部分)的能量转换成第三频率光，因为频率ω

在第二实施例中，二次谐波光212B-1通过射束分裂器224B-2分成两个部分。二次谐波光的第一部分引导到频率求和级222。二次谐波光的第二部分作为泵浦光引导到OPS221B。此实施例的优点在于，由于在经配置为OPO的OPS221B中产生的闲频信号(例如，具有等于2ω

在第三实施例中，激光器200B包含经配置以产生具有ω

频率求和级222B经配置以接收来自OPS221B及第一倍频级220B-1的光，且产生具有等于其输入的频率的和(即，等于2ω

最终倍频级230B经配置以从中频光214B产生激光器输出光239B。最终倍频级230B可类似于上文参考图2A所描述的最终倍频级230A来配置。最终倍频级230B并入经配置以使中频光214B的频率加倍且输出光303的非线性晶体300，所述光包含处于激光器输出光239B的频率的光及未消耗中频光。非线性晶体300包括SBO平板堆叠。出于说明的目的，图2B描绘一个堆叠于另一个上的四个此类平板335-1、335-2、335-3及335-4。应注意，在实际实施例中，可存在数十个、数百个或数千个堆叠式平板。图2B描绘所述平板彼此接触。所述平板可接触或在所述平板之间可存在小气隙，所述气隙具有类似于或小于一个平板的厚度的宽度。选择每一平板的厚度以实现准相位匹配以用于使二次谐波光214B的频率加倍。邻近平板(例如平板335-1及335-2)具有彼此沿相反方向定向的晶体c轴。非线性晶体的这些及其它重要方面将在下文关于图3进行详细描述。

最终倍频级230B可在必要时包含其它光学组件，例如用于将激光器输出光239B与未消耗中频光分离的棱镜。最终倍频级230B可包含经配置以使中频再循环以增加转换效率的空腔。

频率求和级222B及最终倍频级230B可包含于单个空腔中，所述单个空腔经配置以使处于来自OPS221B的光的频率ω

图3说明包含经配置以使具有频率ω

Λ＝mL

其中m是奇整数(例如，1、3、5、7……)且L

其中Δk由以下方程式定义

Δk＝k(2ω

其中k(ω)是由以下方程式给出的非线性晶体300中的频率为ω的光的波矢量，

且其中n(ω)是在频率ω下适当极化的非线性晶体的折射率且c是真空中的光速。

为了使具有386.8nm的波长的输入光301的频率加倍，准相位匹配临界长度L

参考图3，频率为ω

为了产生用于QPM的周期性结构，放置SBO平板335-1到335-4，其中一个SBO平板相对于另一个SBO平板旋转使得其对应c晶轴相对于彼此倒置，如图3的两个插图中所展示。在两个插图中展示厚度为Λ的SBO平板的表面法线N(其中Λ是晶体中的极点之间的间距)及SBO平板内部的光301A的传播方向。晶体平板的此物理布置允许QPM。这可被视为类似于对QPM使用PPLN(周期性极化铌酸锂)，不同之处在于铌酸锂是铁晶体管且可被周期性极化。相比之下，SBO是非铁电的，因此我们需要物理地布置晶体平板以产生用于QPM的周期性结构。此外，周期性极化需要施加平行于铁晶体管的晶轴的电场，因此极化方向必须与晶轴对准。相比之下，本文中所公开的SBO晶体平板可相对于晶轴以任何定向切割及抛光，因此允许所述晶体平板相对于入射于所述晶体平板上的光以布鲁斯角特切割及定向。

在一个实施例中，SBO平板335-1到335-4的晶轴经定向使得在SBO平板内部传播的光301A大致垂直于c轴传播，其中光301A的极化方向(电场方向)基本上平行于c轴以利用d

存在用以制造及组装非线性晶体300的许多方式。当激光器仅需要几个平板时(例如当不需要高转换效率时)，将所述平板抛光到所期望厚度且接着以适当定向堆叠所述平板可能是方便的。当需要数百个(或更多)平板来实现所需转换效率时，其它制造方法可能更方便。例如，标题为“使用交叉指形非线性晶体光栅的频率转换(Frequency ConversionUsing Interdigitated Nonlinear Crystal Gratings)”且在2021年12月18日申请的第17/555,404号美国专利申请案公开交叉指形非线性晶体光栅及其制造方法，所述专利申请案的全文以引用的方式并入本文中。

图4是展示根据本公开的实施例的第一倍频级及最终倍频级空腔400(包含图2A的第一倍频级220A及最终倍频级230A)的简化图。输入光211A(ω

在实施例中，第一倍频晶体441经配置使得输入表面445及输出表面446包括抗反射涂层，所述抗反射涂层经配置以透射频率为ω

在实施例中，SBO平板300经配置使得输入表面443及输出表面444相对于频率为2ω

在一个实施例中，SBO平板300经配置使得输入表面443包括经配置以透射循环光443C及442C(两者的频率为2ω

在一个实施例中，BS 437C可包括SBO晶体、SBO玻璃或CaF

在替代实施例中，可用适当抗反射涂层涂覆第一倍频晶体441的输入表面及/或两个或更多个SBO晶体平板300，而不是以布鲁斯特角定向输入表面445、443及输出表面446、444。

在替代实施例中，倍频晶体441在所述空腔外部，且输入光211A在通过输入耦合器432C-1进入所述空腔之前首先穿过倍频晶体441。在此实施例中，具有频率2ω

尽管图4将第一倍频级及最终倍频级空腔400描绘为包括四个曲面镜，但可使用镜及/或透镜的其它组合来重新聚焦在所述空腔中循环的光。在替代实施例中，第一倍频级及最终倍频级空腔400可包括三角形空腔、驻波空腔或其它形状的空腔，而不是蝴蝶结型空腔。在替代实施例中，可循环所涉及频率的任何组合。这些空腔中的任一者可利用标准PDH(Pound-Drever-Hall)或HC(

图5是展示根据本公开的实施例的在图2B的频率求和级222B及最终倍频级230B中利用的频率求和级及最终倍频级空腔500的简化图。输入光511A(来自图2B的光213B(ω

在实施例中，第一频率求和晶体541经配置使得输入表面545及输出表面546包括抗反射涂层，所述抗反射涂层经配置以透射频率为ω

在实施例中，SBO平板300经配置使得输入表面543及输出表面544相对于频率为ω

在一个实施例中，SBO平板300经配置使得输入表面543及输出表面544包括抗反射涂层，所述抗反射涂层经配置成以输入表面543及输出表面544相对于循环光533C及542C定向所成的角度透射循环光533C及542C(两者的频率为ω

在一个实施例中，BS 537C可包括SBO晶体、SBO玻璃或CaF

在替代实施例中，可用适当抗反射涂层涂覆第一倍频晶体541的输入表面及/或两个或更多个SBO晶体平板300，而不是以布鲁斯特角定向输入表面545、543及输出表面546、544。

在替代实施例中，频率求和晶体541在所述空腔外部，且输入光511A在通过输入耦合器532C-1进入所述空腔之前首先穿过频率求和晶体541传递。在此实施例中，具有频率ω

尽管图5将频率求和级及最终倍频级空腔500描绘为包括四个曲面镜，但可使用镜及/或透镜的其它组合来重新聚焦在所述空腔中循环的光。在替代实施例中，频率求和级及最终倍频级空腔500可包括三角形空腔、驻波空腔或其它形状的空腔，而不是蝴蝶结型空腔。在替代实施例中，可循环所涉及频率的任何组合。这些空腔中的任一者可利用标准PDH或HC锁定技术来稳定。通过经由连接到压电换能器(PZT)、音圈或其它致动器的控制信号(未展示)调整所述镜中的一者(例如图5中的镜532C-4)的位置或棱镜的位置，可调整谐振空腔的长度以维持谐振。

图6是展示根据本公开的实施例的在图2B的OPS221B中利用的放大级600的简化图。输入光213B(ω

在实施例中，增益媒体643经配置使得输入表面645及输出表面646含有用于输入光213B及CW泵浦光611的抗反射涂层。在替代实施例中，增益媒体643相对于循环光633C(ω

在实施例中，发射泵浦光611的二极管经配置为侧泵浦增益媒体643。这些二极管平行于输入光213B定位于增益媒体643的一或多侧上，以便垂直于输入光213B将泵浦光611发射到增益媒体643中。在此实施例中，泵浦光611可为相干的、非相干的、准CW、CW或脉冲式。

尽管图6将放大级600描绘为包括两个曲面镜及两个平面镜，但可使用镜及/或透镜的其它组合来重新聚焦在所述空腔中循环的光。在替代实施例中，放大级600可包括三角形空腔、驻波空腔或其它形状的空腔，而不是蝴蝶结型空腔。这些空腔中的任一者可利用标准PDH或HC锁定技术来稳定。通过经由连接到压电换能器(PZT)、音圈或其它致动器的控制信号(未展示)调整所述镜中的一者(例如图6中的镜632C-4)的位置或棱镜的位置，可调整谐振空腔的长度以维持谐振。

图7是展示根据本公开的实施例的用作图2B的OPS221B的示范性OPS 700的简化图。输入光713(ω

在实施例中，OPO晶体744及增益媒体743经配置使得输入表面745、741及输出表面746、742含有用于循环光733C及736C以及输入光713(针对OPO晶体744)或CW泵浦光711(针对增益媒体743)的抗反射涂层。在替代实施例中，增益媒体743相对于循环光733C、736C(ω

在实施例中，发射泵浦光711的二极管经配置为侧泵浦增益媒体743。这些二极管平行于输入光713定位于增益媒体743的一或多侧上，以便垂直于输入光713将泵浦光711发射到增益媒体743中。在此实施例中，泵浦光711可为相干的、非相干的、准CW、CW或脉冲式。

在实施例中，频率选择装置747可包括用以控制循环光733C、经放大循环光736C及输出光213B的波长或带宽的透射性或反射性光栅或其它频率选择方法。在一个实施例中，频率选择装置747经配置为空腔(例如，线性空腔)中的反射性频率选择装置(例如，反射性体积布拉格光栅)以代替空腔镜反射循环光733C或经放大循环光736C。

尽管图7将OPS 700描绘为包括四个曲面镜，但可使用镜及/或透镜的其它组合来重新聚焦在所述空腔中循环的光。在替代实施例中，频率求和级及OPS 700可包括三角空腔、驻波空腔或其它形状的空腔，而不是蝴蝶结型空腔。这些空腔中的任一者可利用标准PDH或HC锁定技术来稳定。通过经由连接到压电换能器(PZT)、音圈或其它致动器的控制信号(未展示)调整所述镜中的一者(例如图7中的镜732C-4)的位置或棱镜的位置，调整空腔长度以维持谐振。

上述图不意在表示组件的实际物理布局。上述图展示程序中所涉及的主要光学模块，但未展示每一光学元件。相关领域的技术人员将从上述图及其相关联描述理解如何构建产生接近193nm的波长的激光器。应理解，可使用更多或更少光学组件来将光引导到所需之处。可在适当情况下使用透镜及/或曲面镜以将射束腰聚焦到非线性晶体内部或附近的基本上圆形或椭圆形横截面的焦点。当需要时，可使用棱镜、射束分裂器、光栅或衍射光学元件以在每一频率转换级的输出处操控或分离不同波长。可在适当时使用棱镜、涂覆镜或其它元件以于频率转换级的输入处组合不同波长。可在适当时使用射束分裂器或涂覆镜来将一个波长分成两个射束。可使用滤光器以在任何级的输出处阻挡或分离非期望波长。可根据需要使用波片来旋转极化。可在适当时使用其它光学元件。相关领域的技术人员将理解，在本文中所公开的激光器的实施方案中，各种折中及替代方案是可能的。

尽管本文中描述本发明使用促进在近似193nm的所期望波长下产生激光器输出光的各种基本波长，但可通过改变第一基本激光器(激光器200A或200B)的波长或改变由OPS(激光器200B)输出的光的波长，而产生在此所期望波长的几或几十纳米内的其它波长。除非所附权利要求书中另有指定，否则此类激光器及利用此类激光器的系统被视为在本发明的范围内。

具有在次200nm中的波长的激光器不能以足够功率电平商购或不可靠或操作昂贵。特定来说，除准分子激光器之外，不存在其它现有技术用于在近似180nm与200nm之间的波长范围内产生1W或更高的光功率。本发明的实施例产生接近193nm的波长，因此与较长波长相比，提供对检测小粒子及缺陷的更好灵敏度。本发明的激光器不使用有毒或腐蚀性气体，且因此操作及维护更容易且更便宜。

相关领域的技术人员将容易明白，本文中所描述的创造性激光器除在半导体检验及计量中使用以外，还存在许多可能应用。例如，在接近于193.4nm的波长下操作的激光器可用于经配置以将图案暴露到涂覆于例如半导体晶片的衬底上的光致抗蚀剂中的光刻系统中。在另一实例中，在约180nm与200nm之间的波长下操作的激光器可用于经配置以切割或烧蚀生物组织的系统中。本文中所描述的激光器可经配置以在输出波长下产生非常短的脉冲，这可实现通过烧蚀而不是通过加热优先移除材料，由此对周围材料造成较少损坏。例如，此类激光器可用于激光眼科手术或激光视力矫正中。尽管已关于某些特定实施例描述本发明，但所属领域的技术人员将清楚，本发明的创造性特征还适用于其它实施例，所述所有实施例希望落入本公开的范围内。

关于本文中的基本上任何复数及/或单数术语的使用，所属领域的技术人员可根据内文及/或应用从复数翻译为单数及/或从单数翻译为复数。为清晰起见，本文中未明确地阐述各种单数/复数排列。

呈现本说明书以使所属领域的一般技术人员能够在特定应用及其需求的背景下制成及使用本公开。如本文中所使用，方向性术语，例如“顶部”、“底部”、“在……上面”、“在……下”、“上”、“向上”、“下”、“之下”及“向下”希望出于描述的目的而提供相对位置且并不希望指定绝对参考坐标。对优选实施例的各种修改对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的，且本文中所定义的一般原理可应用于其它实施例。因此，本公开并不希望限于所展示及描述的特定实施例，而是符合与本文中所公开的原理及新颖特征致的最宽范围。

此外，应理解，本发明由所附权利要求书来界定。所属领域的技术人员将理解，一般来说，本文中及尤其是在所附权利要求书(例如，所附权利要求书的主体)中所使用的术语通常希望作为“开放式”术语(例如，术语“包含(including)”应被解释为“包含但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，术语“包含(includes)”应被解释为“包含但不限于”及类似者)。所属领域的技术人员将进一步理解，如果希望有特定数目个所引入权利要求叙述，那么此意图将在权利要求书中进行明确叙述，且在不存在此叙述的情况下，那么不存在此意图。例如，为了辅助理解，以下所附权利要求书可含有使用介绍性词组“至少一个”及“一或多个”来介绍权利要求叙述。然而，此类词组的使用不应被解释为暗示由不定冠词“一”或“一个”对权利要求叙述的引入将含有此所引入权利要求叙述的任何特定权利要求限于仅含有一个此叙述的发明，即使当同一权利要求包含介绍性词组“一或多个”或“至少一个”及例如“一”或“一个”的不定冠词也是如此(例如，“一”及/或“一个”通常应被解释为表示“至少一个”或“一或多个”)；这同样适用于使用所使用定冠词来介绍权利要求叙述。另外，即使明确地叙述特定数目个所引入权利要求叙述，但所属领域的技术人员将认知，此叙述通常应被解释为表示至少所叙述数目(例如，没有其它修饰词的“两个叙述”的简单叙述通常表示至少两个叙述，或两个或更多个叙述)。此外，在其中使用类似于“A、B及C中的至少一者，及类似者”的公约的情况下，一般来说此构造希望具所属领域的技术人员将理解所述公约的意义(例如，“具有A、B及C中的至少一者的系统”将包含但不限于具有仅A、仅B、仅C、A及B一起、A及C一起、B及C一起及/或A、B及C一起，及类似者的系统)。在其中使用类似于“A、B或C中的至少一者，及类似者”的公约的情况下，一般来说此构造希望具所属领域的技术人员将理解所述公约的意义(例如，“具有A、B或C中的至少一者的系统”将包含但不限于具有仅A、仅B、仅C、A及B一起、A及C一起、B及C一起及/或A、B及C一起，及类似者的系统)。所属领域的技术人员将进一步理解，无论是在本说明书、权利要求书还是图式中，呈现两个或更多个替代项的实际上任何分离词及/或词组均应被理解为考虑包含所述项中的一者、所述项的任一者或两个项的可能性。例如，词组“A或B”将被理解为包含“A”或“B”或“A及B”的可能性。

据信，通过前述描述，将理解本公开及其许多附带优点，且将显而易见的是，在不偏离所公开标的物的情况下或在不牺牲其所有实质性优势的情况下，可对组件的形式、构造及布置进行各种改变。所描述形式仅仅是解释性的，且以下权利要求书希望涵盖及包含此类改变。此外，应理解，本发明由所附权利要求书来界定。