DE10393389T5

DE10393389T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von ultrakurzen Laserpulsen

Info

Publication number: DE10393389T5
Application number: DE10393389T
Authority: DE
Inventors: Eiichi Tsukuba Takahashi; Leonid Tsukuba Losev; Yuji Tsukuba Matsumoto; Yoshiro Tsukuba Owadano
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-10-06
Also published as: AU2003266719A1; WO2004029713A1; US20060050745A1; JPWO2004029713A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines ultrakurzen Pulses, umfassend die Schritte:
einmal Umwandeln eines Laserpulses in einen Laserpuls mit einer anderen Wellenlänge;
Zurückumwandeln des Laserpulses mit einer anderen Wellenlänge in einen Laserpuls mit einer anfänglichen Wellenlänge, um den Kontrast an einem vorderen Teil des Pulses zu verbessern; und
Verstärken des Pulses durch einen Laser, um einen ultrakurzen Puls zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lasertechnik zur Verwendung im Laserprocessing, in der Laserspektroskopie, in der Clustererzeugung und in der Lasererzeugung dünner Schichten.
Um ultrakurze Excimer-Laserpulse mit Pulsbreiten in Pikosekunden- oder Femtosekundenbereich zu erzeugen, wurden im Allgemeinen ein modengekoppelter Oszillator, ein Verstärker und Wellenlängen-Umwandlung in Kombination miteinander verwendet. Dieses modengekoppelte Verfahren ist eine Technik, eine Folge ultrakurzer Impulse dadurch zu erzeugen, dass die longitudinalen Moden eines Laser-Resonators durch Verwendung von Mitteln wie etwa einem übersättigten Farbstoff und dem Kerr-Effekt phasenkohärent gemacht werden. Da eine Ausgabe des Oszillators selbst klein ist, ist es darüber hinaus praktisch notwendig, die Ausgabe desselben durch Verwendung eines Verstärkers zu erhöhen. Da die Arbeitswellenlänge eines solchen Oszillators im Bereich von einem Infrarotbereich zu einem sichtbaren Bereich liegt, wird weiterhin die Umwandlung der Arbeitswellenlänge in eine ultraviolette Excimer-Laserwellenlänge benötigt.
Der Oszillator benötigt einen stetig oszillierenden starken Pumplaser. Eine Chirped-Puls-Verstärkung wird in einem Verstärkungssystem angewendet. Zusätzlich wird eine Wellenlängen-Umwandlung höherer Ordnung benötigt. Auf diese Weise ist das System unweigerlich komplex und teuer geworden.
Es wurden Versuche unternommen, den Excimer-Laser selbst zu einer modengekoppelten Betriebsweise und zu einer Ausgabe eines langpulsigen Excimer-Lasers durch stimulierte Streuung zu bringen. Bei all diesen Versuchen, ist lediglich die Erzeugung langer Pulse, die von mehreren zehn ps bis zu mehreren hundert ps dauerten, erzielt worden (siehe die japanischen Offenlegungsschriften JP-A-Hei6-21550 , JP-A-2000-2804 , JP-A-2002-25949 , D. E. Spence, P. N. Kean und W. Sibbett in Optics Letters, Nr. 16, 1991, Seite 42, D. T. Hon in Optics Letters, Band 5, Nr. 12, 1980, Seite 516, und O. L. Bourne und J. Alcock in Applied Physics B, Nr. 4, 1985, Seite 181).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung ultrakurzer Excimer-Laserpulse ohne Verwendung eines teueren modengekoppelten Lasers auszuführen, wenn diese erzeugt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wellenlänge eines Laserpulses durch Verwendung einer nicht-linearen optischen Wirkung einmal in eine andere Wellenlänge umgewandelt. Ein Verhältnis der Intensität bei einem zeitlichen Peak eines Pulses zu der an einem vorderen Teil davon wird erhöht. Das umgewandelte Laserlicht wird durch Verwendung einer nicht-linearen optischen Wirkung auf eine solche Weise zurück umgewandelt, dass es wieder die anfängliche Wellenlänge aufweist. Auf diese Weise wird die Verstärkung davon durch einen verwendeten Laserverstärker ermöglicht, bei gleichzeitiger extremer Verstärkung des Kontrasts am vorderen Teil des Pulses. Dann wird eine Sättigungsverstärkung auf dem Puls ausgeführt, um dadurch ultrakurze Pulse zu erzeugen.
1 zeigt eine konzeptionelle Ansicht, die eine Anlagenanordnung zeigt.
2 ist ein Wellenform-Diagramm, das Wellenformen von Ausgangspulsen eines Entladungsanregungs-KrF-Lasers zeigt, die unter Verwendung eines Photomultipliers gemessen wurden.
3 ist ein Wellenform-Diagramm, das die Wellenformen von durch Raman-Rückwärtsstreuung wellenlängen-umgewandelten Pulsen zeigt, die mit hoher Zeitauflösung durch Verwendung einer Streak-Camera erhalten wurden.
4 ist ein Graph, der die Spektren eines durch Raman-Rückwärtsstreuung wellenlängen-umgewandelten Pulses zeigt und einen Puls, der durch einen Vier-Wellen-Mischprozess erzeugt wurden.
5 ist ein Graph, der das Ergebnis einer Messung der Autokorrelationspulsbreite einer abschließend verstärkten Ausgangspulsbreite darstellt.
1 zeigt eine Ansicht, die den Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Vorrichtung umfasst einen vorbereitenden Bereich zum Verbessern der Qualität eines Laserpulses, um so die Erfindung zu verkörpern, und umfasst weiterhin einen Hauptbereich zum Ausführen der vorliegenden Erfindung.
Zuerst wird bezüglich des vorbereitenden Bereichs ein Laserpuls (siehe die Wellenform eines Pulses, die in 2(a) gezeigt ist), der von einem Krypton-Fluor-(KrF)-Excimer-Laser-Oszillator ausgegeben wird und eine halbe Breite von ungefähr fünf Nanosekunden aufweist, von einer Linse konvergiert und durch ein Pinhole hindurchgeführt. Folglich kann eine Komponente des Laserlichts, die eine schlechtere Fokussierungseigenschaft aufweist, nicht durch das Pinhole hindurchtreten. Auf diese Weise wird die räumliche Qualität des Laserlichts verbessert. Im Allgemeinen wird dies als räumliches Filter bezeichnet. Das durch das Pinhole hindurch getretene divergierende Laserlicht wird durch erneutes Verwenden einer Linse kollimiert. Darauf folgend wird das Laserlicht durch ein Etalon geführt, um dabei die Monochromatizität desselben zu erhöhen. Dies wird ausgeführt, um die Ausbeute stimulierter Streuungen zu erhöhen, die danach verwendet werden. Das Laserlicht, dessen Intensität durch diese Vorgänge vermindert wird, wird dadurch verstärkt, dass es durch einen KrF-Laserverstärker hindurch geführt wird. Bei dieser Verstärkung wird ein schwacher Laserpuls mit großer Pulsbreite so verstärkt, dass der verstärkte Laserpuls nicht in einem gesättigten Zustand gebracht wird. Auf diese Weise ändert sich die Wellenform des Pulses nach der Verstärkung nicht wesentlich. Dies beruht auf der Tatsache, dass die Wellenform des Pulses in extremer Weise von der Eingangswellenform desselben abhängt und sich in einem sättigungsverstärkten Zustand verbreitern kann oder im Verlauf der Zeit spitz werden kann, und dass jedoch, wenn der Puls nicht in dem sättigungsverstärkten Zustand ist, grundsätzlich die Intensität desselben mit einer Ausbeute in einem jeweiligen Moment multipliziert wird.
Um eine effiziente Umwandlung unter Verwendung stimulierter Raman-Streuung zu verwirklichen, die mit der Wellenlängen-Umwandlung korrespondiert, die gemäß der Erfindung als erstes ausgeführt wird, wird Laserlicht mit einer Pulsbreite von fünf Nanosekunden, das durch den Oszillator ausgegeben wird, vorausgehend durch stimulierte Brillouin-Streuung in einen Puls mit einer Pulsbreite von ungefähr 300 Pikosekunden pulskomprimiert. Der vorangehend verstärkte Laserpuls wird auf die stimulierte Brillouin-Zelle gelenkt und wird gleichzeitig darauf konvergiert. In der Vorrichtung sind vorher ein U4-Plättchen und ein Polarisator bereitgestellt, sodass das stimulierte Brillouin-Streulicht und das einfallende Laserlicht voneinander getrennt werden können. Die stimulierte Brillouin-Zelle ist mit einer Flour-Kohlenstoff-basierten Flüssigkeit gefüllt. Das in der Nähe eines Brennpunkts erzeugte Streulicht wächst an, während es in entgegengesetzter Weise durch einen optischen Pfad propagiert, auf den das einfallende Laserlicht vorher einfallend war. Der Pulskompressionseffekt wirkt auf die gestreuten Laserlichtpulse, die in einer entgegengesetzten Weise hindurch propagiert sind, sodass die Breite der gestreuten Laserlichtpulse kleiner wird als die Breite des einfallenden Laserlichts. Die Wellenform des Pulses, die durch Verwendung eines Photomultipliers gemessen wird, ist in 2(b) gezeigt. Die Wellenform desselben, die durch eine Streak-Camera mit einer höheren Zeitauflösung gemessen wird, ist in 3(a) gezeigt. Durch die stimulierte Brillouin-Streuung ausgebildete Pulse werden aufgrund von Schallwellen-Streuung erzeugt. Die Wellenlänge des gestreuten Laserlichts ist fast gleich zu der des einfallenden Laserlichts. Auf diese Weise kann das Abtast-Laserlicht wieder durch den KrF-Laser verstärkt werden.
Das von dem vorstehend erläuterten Vorbereitungsbereich ausgegebene Laserlicht wird als Puls bereitgestellt, der in seiner Fokussierungseigenschaft und der Monochromatizität verbessert ist und eine Dauer von ungefähr 300 Pikosekunden aufweist. Der Hauptbereich zur Ausführung der vorliegenden Erfindung verbessert den Kontrast eines Vorderteils dieses Pulses und sättigungsverstärkt diesen Puls und bildet ultrakurze Pulse aus. Die Notwendigkeit eines solchen Vorbereitungsbereichs hängt von der Breite der notwendigen letztendlichen Ausgangslaserpulse und der Charakteristik der einzelnen Laser ab. Auf diese Weise kann dieser Bereich daher verschiedene Anordnungen aufweisen. Zum Beispiel kann der vorher beschriebene Puls durch Verwendung eines elektrooptischen Geräts erhalten werden.
Im Allgemeinen verwendet die Wellenlängen-Umwandlung eine nicht-lineare Antwort eines Mediums, mit dem die Laserstrahlen wechselwirken. Folglich kann das Verhältnis der Intensität des Peaks zur Intensität am vorderen oder hinteren Teil des Laserpulses, das heißt der Kontrast desselben erhöht und auf diese Weise verbessert werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird Eingangslaserlicht in Laserlicht mit einer längeren Wellenlänge umgewandelt durch Ausführung eines nicht-linearen stimulierten Raman-Rückwärts-Streuprozesses, der auf der Nichtlinearität dritter Ordnung des Mediums beruht. Das durch die stimulierte Raman-Streuung ausgebildete Streulaserlicht ist das Streulicht aufgrund der Polarisation von Molekülen. Die Wellenlänge desselben ist bezüglich der des einfallen Laserlichts stark verschoben. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Wellenlänge einer Ausgabe des Oszillators 248 nm. Diese Ausgabe wird durch Verwendung der Linse auf die Zelle konvergiert und einfallend gemacht, die mit einem Methan-Medium gefüllt ist. Folglich wird Laserlicht längerer Wellenlänge mit einer Wellenlänge von 268 nm durch die stimulierte Raman-Streuung erzeugt, sodass dieses Laserlicht in einer entgegengesetzten Weise hindurch propagiert. Das einfallende Laserlicht und das erzeugte Raman-Streulicht werden durch einen Wellenlängen-Auswahlspiegel voneinander getrennt. Weiterhin kann auf ähnliche Weise der Kontrast durch Erzeugung von Laserlicht der zweiten Harmonischen unter Verwendung von Nichtlinearitäten zweiter Ordnung erzeugt werden.
3(b) zeigt die Wellenform von Laserlicht, das durch diese stimulierte Raman-Streuung auf solche Weise umgewandelt wurde, dass es eine längere Wellenlänge aufweist. Das Spektrum des Laserlichts wird durch eine gestrichelte Kurve in 4 dargestellt. Das Medium ist so angeordnet, dass das Licht durch diese stimulierte Raman-Streuung rückwärts gestreut wird. Auf diese Weise hat die stimulierte Raman-Streuung einen Pulskompressionseffekt, sodass die Breite eines Ausgangspulses 60 Pikosekunden beträgt. Daraus ist ersichtlich, dass das durch die gestrichelte Kurve angedeutete Spektrum keine Komponente mit einer Wellenlänge von 248 nm beinhaltet, welche der Wellenlänge des ursprünglich vom KrF-Laser ausgegebenen Lichts entspricht.
Im Allgemeinen liegt die Wellenlänge des wellenlängen-umgewandelten Lichts mit höherem Kontrast außerhalb des Wellenlängenbereichs des Lichts, das der Laseroszillator verstärken kann. Die Rückumwandlung durch Umwandeln dieses Lichts in Licht mit der anfänglichen Wellenlänge wird ausgeführt durch Verwendung der Antwort des nichtlinearen Mediums. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das gestreute Laserlicht mit einer Wellenlänge von 268 nm in Licht mit einer Wellenlänge von 248 nm durch Anwenden des Vier-Wellen-Misch-Prozesses unter Verwendung desselben Methan-Mediums, das für die vorher erwähnte stimulierte Raman-Streuung verwendet wurde, zurück umgewandelt. Praktisch wird das gestreute Laserlicht auf die Zelle ausgerichtet, indem es auf sie hinkonvergiert wird. Das Laserlicht mit einer Wellenlänge von 268 nm und Licht, das daraus erzeugt wird und eine Wellenlänge von 291 nm aufweist, wechselwirken parametrisch mit dem nicht-linearen Raman-Medium, um dabei Licht mit einer Wellenlänge von 248 nm auszubilden. Dieser Prozess basiert auch auf der Nichtlinearität dritter Ordnung des Mediums und trägt auf diese Weise zum verbesserten Kontrast bei. Das Spektrum des Ausgabelichts dieses Ausführungsbeispiels wird durch eine durchgezogene Kurve in 4 angedeutet. Es ist daraus ersichtlich, dass eine Komponente mit einer Wellenlänge von 248 nm, was der anfänglichen Wellenlänge des Ausgabelichts des KrF-Laseroszillators entspricht, zusammen mit Stokes-Licht einer größeren Wellenlänge ausgebildet wird. Diese Prozesse werden in einem ansteigenden Teil des Pulses ausgeführt, der sich in einem transienten Zustand in einem Zeitbereich befindet, der kürzer als die transversale Relaxationszeit des Methan-Mediums ist, das heißt innerhalb von ungefähr 30 ps. Auf diese Weise ist der ansteigende Teil des erzeugten Lichts ein sehr steiler Teil.
Wenn das auf diese Weise ausgebildete Laserlicht mit einem sehr hohen Kontrast durch einen Laserverstärker sättigungsverstärkt wird, wird ein Laserpuls mit einer kurzen Pulsbreite in einem Anstiegsbereich davon erzeugt. Diese Sättigungsverstärkung ist definiert als die Verstärkung eines Laserpulses mit einer Energiedichte, die größer ist als eine gesättigte Energiedichte, die in einem jeweiligen der einzelnen Laser inhärent ist.
5 zeigt das Ergebnis einer Messung der Autokorrelations-Pulsbreite, die ein Ergebnis einer Messung eines durch den KrF-Laserverstärker sättigungsverstärkten Ausgangspulses ist. Dies zeigt, dass ein ultrakurzer Puls mit einer Pulsbreite von 1,1 Pikosekunden ausgebildet wird. Die Erzeugung eines solch extrem kurzen Pulses wird durch die Sättigungsverstärkung eines ansteigenden Teils einer KrF-Laser-Wellenlängen-Komponente des Lichts, das aus einer Vier-Wellen-Misch-Zelle ausgegeben wird, realisiert, da ein solch ansteigender Teil einen sehr hohen Kontrast aufweist. Theoretisch ist der Wert der Pulsbreite durch die spektrale Bandbreite des Lasers begrenzt. Im Falle der Verwendung des KrF-Excimer-Lasers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Pulsbreite ungefähr 100 Femtosekunden.
Obwohl hier ein KrF-Excimer-Laser verwendet wurde, ist der Laser gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht auf einen solchen Excimer-Laser beschränkt. Solange ein Laser einen Schadens-Schwellwert für hohe Laserleistung aufweist, der eine Sättigungsverstärkung erlaubt, kann ein solcher Laser in den Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die Erzeugung von ultrakurzen Excimer-Laserpulsen wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, ohne dass bei dieser Erzeugung teuere modengekoppelte Laser verwendet werden müssen.
Zusammenfassung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Wellenlänge eines Laserpulses zunächst durch Verwendung einer nichtlinearen optischen Wirkung in eine andere Wellenlänge umgewandelt. Ein Verhältnis der Intensität bei einem zeitlichen Peak eines Pulses bezüglich der an einem vorderen Teil desselben wird erhöht. Das umgewandelte Laserlicht wird durch Verwendung einer nichtlinearen optischen Wirkung auf eine solche Weise zurück umgewandelt, dass es wieder eine anfängliche Wellenlänge aufweist. Auf diese Weise wird gleichzeitig mit der extremen Verstärkung des Kontrasts am vorderen Teil des Pulses die Verstärkung desselben durch die Verwendung eines Laserverstärkers ermöglicht. Sodann wird eine Sättigungsverstärkung auf den Puls aufgeführt, um dabei ultrakurze Pulse auszubilden. Wenn die Erzeugung ultrakurzer Excimer-Laserpulse ausgeführt wird, kann die Erzeugung derselben ohne Verwendung eines teueren phasengekoppelten Lasers erfolgen.
(1)
1

A1: KrF-Laser-Oszillator
A2: Pinhole
A3: Etalon
A4: Hintere Raman-Zelle
A5: Wellenlängen-Auswahlspiegel
A6: Vier-Wellen-Misch-Zelle
A7: Polarisierende Platte
A8: KrF-Laserverstärker
A9: Stimulierte Brillouin-Zelle

2

A1: Intensität
A2: Zeit
A3: Ausgabe des KrF-Laser-Oszillators
A4: Vorkomprimierter Puls
A5: Stimulierter Raman-rückwärtsgestreuter Puls

3

A1: Intensität
A2: Zeit
A3: Vorkomprimierter Puls
A4: Stimulierter Raman-Rückwärtsstreuungs-Ausgabepuls

4
A1: Zählungen
A2: Wellenlänge
5

A1: Signalintensität
A2: Zeit

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines ultrakurzen Pulses, umfassend die Schritte: einmal Umwandeln eines Laserpulses in einen Laserpuls mit einer anderen Wellenlänge; Zurückumwandeln des Laserpulses mit einer anderen Wellenlänge in einen Laserpuls mit einer anfänglichen Wellenlänge, um den Kontrast an einem vorderen Teil des Pulses zu verbessern; und Verstärken des Pulses durch einen Laser, um einen ultrakurzen Puls zu erzeugen.
Verfahren zum Erzeugen eines ultrakurzen Pulses gemäß Anspruch 1, wobei der Laser ein Excimer-Laser ist.
Verfahren zum Erzeugen eines ultrakurzen Pulses gemäß Anspruch 2, wobei der Laserpuls in einen Puls mit einer anderen Wellenlänge durch Ausführen stimulierter Raman-Streuung umgewandelt wird; und die Rückumwandlung des Pulses in einen Puls mit der anfänglichen Wellenlänge durch Ausführen von Vier-Wellen-Mischen ausgeführt wird.
Verfahren zum Erzeugen eines ultrakurzen Pulses gemäß Anspruch 1, wobei die Verstärkung des Pulses eine Sättigungsverstärkung ist.
Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Pulse, wobei ein Laserpuls einmal in einen Laserpuls mit einer anderen Wellenlänge umgewandelt wird; der Laserpuls mit einer anderen Wellenlänge in einen Laserpuls mit einer anfänglichen Wellenlänge zurück umgewandelt wird, um den Kontrast an einem vorderen Teil des Pulses zu verbessern; und der Puls durch einen Laser verstärkt wird, um einen ultrakurzen Puls auszubilden.
Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Pulse gemäß Anspruch 5, wobei der Laser ein Excimer-Laser ist.
Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Pulse gemäß Anspruch 5, wobei der Laserpuls in einen Puls mit einer anderen Wellenlänge durch Ausführung stimulierter Raman-Streuung umgewandelt wird; und die Rückumwandlung des Pulses in einen Puls mit der anfänglichen Wellenlänge durch Ausführen von Vier-Wellen-Mischen ausgeführt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer Pulse gemäß Anspruch 5, wobei die Verstärkung des Pulses eine Sättigungsverstärkung ist. Änderungen 5. Vorrichtung zum Erzeugen eines ultrakurzen Laserpulses, umfassend: einen Laser; ein λ/4-Plättchen; und einen Polarisator, wobei ein Laserpuls einmal in einen Laserpuls mit einer anderen Wellenlänge umgewandelt wird; der Laserpuls mit einer anderen Wellenlänge in einen Laserpuls mit einer anfänglichen Wellenlänge zurück umgewandelt wird, um den Kontrast an einem vorderen Teil des Pulses zu verbessern; und der Puls durch einen Laser verstärkt wird, um einen ultrakurzen Puls zu erzeugen.