第16卷第6期2004年6月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.6Jun.,2004文章编号:100124322(2004)0620729204准分子激光光束均匀性的评价指标研究李红霞,楼祺洪,叶震寰,董景星,魏运荣,凌磊(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)Ξ摘要:详细研究了准分子激光光束均匀性的各项评价指标,加工窗口描述了加工任务本身对光束均匀度的要求;能量分数回答了具体加工窗口即均匀度要求下的能量利用率问题;平顶因子则描述了整个光斑能量分布范围内的均匀性问题。利用激光波面分析仪对不同均匀器所获得的均匀光束进行评价比较,蝇眼透镜均匀器能量利用率高,整个光斑内的均匀效果好,但最佳均匀截面的位置动态范围小;组合棱镜均匀器均匀截面动态范围大,但整体均匀效量较差。关键词:准分子激光;光束均匀性;加工窗口;平顶因子中图分类号:TN24文献标识码:A准分子激光作为一种能精确聚焦和控制的紫外光束,由于其波长短、脉冲功率密度高、脉宽窄及弱相干性μm,而且等优点,已成为当前光刻装置的主要光源。准分子激光切削精度非常高,每个光脉冲切削深度为0.2又是冷光源,不会产生热量,对切削周围组织不会造成损伤,在医学领域可以利用准分子激光能够精确切削组织的特性,用光束重塑角膜曲率达到矫正近视的目的。在这些应用中都要求准分子激光光束强度分布尽量均匀[1,2],但不同的应用对光束均匀度的要求及侧重点却存在差异。准分子激光的光场分布不同于普通的单模高斯光场分布,光斑通常呈矩形,纵横方向光强分布规律不同,在一个方向上可具有平顶分布。尽管准分子激光光场分布的均匀性已经比一般非准分子激光的均匀性要好,但由于激光器在大体积、高电压、高气压状态下运转,容易导致放电增益不均匀,而且工作气体比例的变化对强度分布也有影响[3]。为此人们已经进行了大量的理论和实验研究,在光路中添加各式均匀器,如两级复眼式均匀器[4]、矩形波导管均匀器[5]、棱镜组均匀器等,对光束均匀性有了较大改善。本文将在利用这些均匀器对光束均匀性改善的基础上,具体讨论衡量光束均匀性的各项指标及其适用范围,并对其中的蝇眼均匀器及棱镜组均匀器对光束均匀性的改善效果进行比较。1光束均匀性衡量指标不同的加工领域对准分子激光光束均匀度要求及侧重点存在差异,既有单纯对光束均匀度的要求,也存在光束能量利用率的问题及光斑整体均匀性问题。下面对各项指标及适用范围作具体讨论。1.1加工窗口(processwindow)加工窗口是人们比较常用的一个光束均匀性的衡量指标,即可允许的功率密度起伏变化的正负百分比。不同的应用对加工窗口的要求不同,大多数应用的要求为±10%,即所对应的功率密度变化范围在81.8%～100%之间;对于较低要求的加工窗口控制在±30%即可,如对金属底层聚合物的刻蚀;而对角膜组织的切削则要求加工窗口控制在±3%,功率密度变化范围在94.17%～100%之间。加工窗口虽然能够衡量光束均匀性即光强起伏变化,但是却无法回答给定加工窗口下光束能量的利用率问题。比如能量为1J的光束,加工窗口为±10%范围内的能量可能仅为400mJ,而另一能量为700mJ的光束,相同加工窗口范围内的能量可为500mJ。为了解决这一问题,需要另一指标来对这两束光进行比较。1.2能量分数(energyfraction)准分子激光光束的性能通常用脉冲能量来衡量,而能量分数则描述了光束能量中达到加工窗口要求的能量所占光束总能量的百分比,即光束能量的利用率问题。对同一光束,在不同的加工窗口下所对应的能量分数也不同,图1为根据不同加工窗口下的能量分数,作出的由加工窗口所决定的阈值能量2能量分数曲线。图中A曲线对应为理想的具有平顶分布的准分子激光光束。当加工窗口在0～1之间变化即所对应的阈值能量变Ξ收稿日期:2003207215;修订日期:2003212226基金项目:上海市科技发展基金资助课题(021111000);国家863计划项目资助课题),女,硕士研究生,主要从事紫外准分子激光的光束均匀性和激光的窄谱线压缩及相关技术研究;E2mail:li2作者简介:李红霞(1978—hongxia@mail.siom.ac.cn。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.730强激光与粒子束第16卷化范围为1～0时,能量分数始终保持不变为1。C曲线对应为高...