Эксимерные лазеры (стр. 5 из 7)
Но стоит отметить, что, несмотря на вышеперечисленные достоинства неустойчивых резонаторов, потери на излучение в них очень велики, что позволяет их использовать на практике лишь в мощных лазерах, каковыми и являются рассматриваемые в данной работе эксимерные лазеры.
Еще одним преимуществом неустойчивых резонаторов (например, по сравнению с плоским резонатором) является сужение пучка вблизи точки схода лучей, что позволяет использовать дополнительные оптические элементы с небольшим поперечным сечением внутри резонатора. Но, если сужение пучка проявляется в полной мере, то возможно возникновение пробоя или повреждение оптических элементов.
Устойчивые и плоские типы резонаторов также используются в эксимерных лазерах. Генераторы с плоскими или устойчивыми резонаторам позволяют получать расходимость, близкую к дифракционной, при размещении внутри резонатора одной или двух диафрагм малого диаметра.
Выходное излучение характеризуется также специфическим (близким к прямоугольному в поперечном сечении) распределением поля. В одном продольном сечении пучок излучения эксимерного лазера имеет вид гауссоиды, а в другом - супергауссоиды.
Рисунок 14. Профиль пучка эксимерного лазера.
Также пучок лазерного излучения характеризуется стабильностью направленности и, следовательно, положения пятна на плоскости анализа (рис.15).
Рисунок 15. Стабильность направленности и позиции пучка KrF лазера
Эксимерные лазеры имеют множество применений. Среди них множество областей (плоскопанельные экраны, полупроводниковые элементы электронных приборов и др.), которые требуют максимальной однородности и высокого качества пучка. Поэтому необходимо следить не только за стабильностью таких параметров их излучения, как направленность, расходимость, но и за его однородностью. Для этого в системы, в которые входит эксимерный лазер, вводят элемент, называемый гомогенизатором (рис.16).
Рисунок 16. Достижение однородности пучка KrF лазера
Для решения некоторых задач при помощи эксимерных лазеров также необходимо использовать элементы, позволяющие придать пучку определенную форму (например, квадрат, круг или кольцо).
Спектр излучения эксимерных лазеров часто является сравнительно широкополосным. Это позволяет использовать эти генераторы для накачки других лазеров (часто лазеров на красителях), а также организовать перестройку длины волны излучения лазера. Сужение спектра осуществляется, как правило, с помощью дисперсионного резонатора. Для эксимерных лазеров на XeF существует другая возможность управления спектральным составом. В нем относительная спектральная мощность на различных колебательных переходах, зависящая от инверсии населенностей на соответствующем переходе, может целенаправленно изменяться в зависимости от давления и температуры среды, а также уровня накачки. Возможно создание перестраиваемых эксимерных лазеров.
Для сужения полосы излучения эксимерного генератора может быть использован один или несколько резонаторов Фабри-Перо или дифракционная решетка.
2. Коммерческие модели эксимерных лазеров
2.1 Лазер LPXPro 305 фирмы LAMBDA PHYSIK (Германия)
Разработчиками немецкой фирмы LambdaPhysik был создан эксимерный лазер для получения и обработки тонких пленок.
Эксимерные лазеры для высокоточной абляции материала должны отвечать высоким требованиям к их эффективности и параметрам выходного излучения. Для получения качественных результатов и повышения эффективности лазер должен иметь стабильные выходные характеристики.
Для увеличения времени самостоятельной работы лазера были модифицированы механизмы введения газа в кювету и его очищения от примесей. Вредные примеси эффективно устраняются с помощью элементов электростатического фильтра. При помощи сложной системы очистки рабочего газа, установленной в лазере LPXPro 305, энергетическая характеристика работы газа остается практически неизменной после долгой работы даже при энергии импульса, составляющей несколько тысяч мДж.
Рисунок 2.
Для повышения качества результатов абляции резонатор лазера был сделан внешним. В результате удалось избежать влияния на резонатор таких факторов, как перепады давления, возникающие при накачке кюветы рабочим газом, или колебания температуры, вызывающие механические напряжения. Так как кювета герметизирована выходными окнами, не относящимися к резонатору, сам резонатор не подвержен влиянию перепадов давления и температуры, происходящих в кювете. Для обеспечения наибольшего времени эксплуатации оптики и покрытия внешний резонатор не взаимодействует с инертным газом.
Рисунок 3.
Эксимерный лазер обладает стандартной прямоугольной в поперечном сечении конфигурацией пучка (вдоль короткой оси распределение гауссово, вдоль длинной - с плоской вершиной).
Рисунок 4.
Не маловажен такой параметр лазерного излучения как отклонение пучка. График, приведенный на рисунке 5, построен по экспериментальным данным.
Рисунок 5.
Основные параметры описанного лазера приведены в таблице 3.
Таблица 3
| Активная среда | ArF |
| Длина волны | 193 нм |
| Резонатор | плоско-параллельный |
| Максимальная энергия импульса | 650 мДж |
| Средняя мощность | 45 Вт |
| Максимальная частота повторений | 200 Гц |
| Стабильность энергии | σ< 2% |
| Размер пучка | 25×11 мм2 |
| Расходимость | 3×1 мрад2 |
| Стабильность направленности пучка | < 100 мрад |
| Длительность импульса | 13 нс |
Габариты лазерного излучателя: 1966×800×474 мм; масса: 300 кг.
Габариты блока накачки: 230×240×530 мм; масса: 23 кг.
Габариты энергоблока: 460×185×750 мм; масса: 50 кг.
2.2 ЛазерeX5 ФИРМЫ gam lasers, inc (сша)
EX5 - компактный эксимерный лазер с воздушным охлаждением, коронной предионизацией. Блоки лазерного излучателя и накачки объединены в одном корпусе, что способствует снижению габаритов системы.
Рисунок.
Существует две версии этого лазера: EX5 и EX5 TypeII. Их основные параметры приведены в таблицах 3 и 3.
Таблица 3 (EX5)
| Активная среда | F2 | ArF | KrF | XeCl | XeF |
| Длина волны | 157 нм | 193 нм | 248 нм | 308 нм | 351 нм |
| Максимальная энергия импульса | 2 мДж | 12 мДж | 20 мДж | 8 мДж | 6 мДж |
| Пиковая мощность | 280 кВт | 1200 кВт | 2000 кВт | 800 кВт | 600 кВт |
| Средняя мощность (250 Гц) | 0,4 Вт | 2,4 Вт | 4 Вт | 1,4 Вт | 1,3 Вт |
| Средняя мощность (500 Гц) | 0,65 Вт | 4 Вт | 8 Вт | 2,5 Вт | 2,4 Вт |
| Максимальная частота повторений | 250/500 Гц | ||||
| Стабильность энергии | σ < 3% | ||||
| Размер пучка | 6×3 мм2 | ||||
| Расходимость | 0,5×1 мрад2 | ||||
| Длительность импульса | 10 нс | ||||
| Охлаждение | Воздушное охлаждение | ||||
| Эксплуатационный срок кюветы | 2 млрд. импульсов | ||||
Таблица 3 (EX5 TypeII)
| Активная среда | ArF | KrF | XeCl | XeF | |||
| Длина волны | 193 нм | 248 нм | 308 нм | 351 нм | |||
| Максимальная энергия импульса | 5 мДж | 8 мДж | 4 мДж | 2 мДж | |||
| Средняя мощность | 3 Вт | 5 Вт | 3 Вт | 1 Вт | |||
| Максимальная частота повторений | 1000 Гц | ||||||
| Стабильность энергии | σ < 2% | ||||||
| Размер пучка | 6×3 мм2 | ||||||
| Расходимость | 0,7×1,4 мрад2 | ||||||
| Длительность импульса | 9 нс | ||||||
| Охлаждение | Принудительное воздушное охлаждение | ||||||
| Эксплуатационный срок оптики | 500 млн. импульсов | 1 млрд. импульсов | 150 млн. импульсов | 150 млн. импульсов | |||
Габариты: 470×250×250 мм; масса: 15 кг.
Оптические компоненты лазера изготовлены из материалов, позволяющих работать на различных длинах волн (157 - 351 нм) без потери качества получаемого излучения. Для получения генерации на другой длине волны нужно просто заменить рабочий газ в камере. Для снижения уровня шумов в лазере предусмотрена встроенная клетка Фарадея. Вторая версия позволяет получить более высокую выходную мощность при увеличении на 50% времени жизни рабочего газа.
Рисунок.
Рисунок.
Излучение лазера обладает высокой стабильностью энергии от импульса к импульсу (0,77% для KrF).
Рисунок.
Управление лазером осуществляется с помощью программного обеспечения, разработанного для операционных систем Windows.