DE102009047098A1

DE102009047098A1 - Optische Anordnung zur Homogenisierung eines Laserpulses

Info

Publication number: DE102009047098A1
Application number: DE200910047098
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Degünther
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26
Also published as: WO2011064059A1

Abstract

Optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes eines Lichtpulses, einer gepulsten Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, vorzugsweise eines Excimer-Lasers, bestehend aus mindestens einem optischen Umlauf, wobei im optischen Umlauf eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen ist. Die Strahlteilereinrichtung trennt das Lichtfeld in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen mit einer ersten und einer zweiten Polarisationsrichtung auf, wobei die ersten Teilstrahlen mit der ersten Polarisationsrichtung ohne den Umlauf zu durchlaufen zu einer zu beleuchtenden Fläche gelangen, und die zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung den optischen Umlauf durchlaufen, wobei im optischen Umlauf ein Polarisationsrotator vorgesehen ist, der die zweite Polarisationsrichtung der zweiten Teilstrahlen um einen vorgebbaren Winkel dreht, so dass mindestens ein Teil der zweiten Teilstrahlen den optischen Umlauf mit der ersten Polarisationsrichtung erneut durchlaufen, und dass durch die Strahlteilereinrichtung der andere Teil der zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung aus dem Umlauf ausgekoppelt wird und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen zu der zu beleuchtenden Fläche gelangen.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung zur Homogenisierung eines Laserpulses einer Pulslaser-Lichtquelle, insbesondere von einem Laser, vorzugsweise einem Excimer-Laser, insbesondere für eine Projektionsbelichtungsanlage.
STAND DER TECHNIK
Pulslaser-Lichtquellen, z. B. Excimer-Laser, für die UV-Lithographie besitzen eine Wiederholungsrate von etwa 1000 bis 4000 Pulse pro Sekunde. Jeder einzelne Puls hat eine Pulslänge von etwa 20 bis 30 ns. Innerhalb eines jeden Pulses kommt es in der Abhängigkeit vom Gas, vom Zustand des Lasers, insbesondere der optischen Komponenten, und abhängig von der Resonatorlänge zu erheblichen Modulationen der Laserausgangsleistung über der Zeit.
Dabei hat sich in der Praxis herausgestellt, dass ein deutlicher Nachteil darin besteht, dass es aufgrund der Funktionsweise einer Pulslaser-Lichtquelle zu einer hohen Leistungsaufspitzung (Peakleistung) kommt, die sich auf die optischen Materialien, insbesondere glasigen Materialien, sehr negativ auswirkt. Insbesondere bei Quarzglas und einer Arbeitswellenlänge von 193 nm entstehen als Folge der zeitlichen Leistungsaufteilung nichtlineare optische Effekte, die das Material über eine vorgesehene Lebensdauer des Produktes schädigen. Die Folgen daraus sind auch Transmissionsverluste und eine Erhöhung der Brechzahl in unkontrollierter Form.
Es ist weiter bekannt, dass die Intensitätsverteilung im Querschnitt eines kohärenten Lichtfeldes in der Regel nicht homogen ist. Dies trifft insbesondere für die von einem Excimer-Laser ausgehende Strahlung zu. Bei der Beleuchtung einer Fläche mit einem kohärenten, inhomogenen Laserlichtbündel entstehen Interferenzen, die sich in räumlich unterschiedlichen Leuchtdichten bemerkbar machen, und die zudem auch noch bei verschiedenen Beobachtungsrichtungen wegen der sich dabei ändernden Phasenbeziehungen bei der Interferenz variieren. Diese als Glitzern wahrnehmbare Störung wird in der Fachwelt als ”Speckle” bezeichnet. Es sind optische Anordnungen entwickelt worden, mit denen das Auftreten von Speckle vermieden oder zumindest verringert wird. Dazu muss die Kohärenz des Lichtbündels sozusagen zerstört werden, damit das Lichtbündel nicht mehr mit sich selbst interferieren und damit Speckle erzeugen kann. Dies gelingt üblicherweise in der Art, dass ein Lichtbündel aufgespalten und auf verschieden langen Wegen wieder zusammengeführt wird, wobei der Weglängenunterschied in der Größenordnung der Kohärenzlänge des Lichtbündels sein sollte.
Aus der EP 0 785 473 A2 ist eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt, durch die das von einer Pulslaser-Lichtquelle kommende Licht in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, welche verschieden lange Umlaufstrecken durchlaufen. Auf diese Weise erfolgt eine Bündelaufweitung bzw. eine Aufteilung in mehrere nebeneinander angeordnete Teilstrahlen deren Kohärenz verringert oder aufgehoben ist. Diese Teilstrahlen werden nebeneinander angeordnet in eine Beleuchtungseinrichtung eingegeben.
Nachteilig dabei ist jedoch, dass damit mehrere optische Achsen nebeneinander erzeugt werden und die Beleuchtungseinrichtung entsprechend anzupassen ist. Darüber hinaus liegt die vorgenannte Vorrichtung in ihrer Ausrichtung fest.
In der DE 195 01 521 C1 ist eine Anordnung zum Vermindern von Interferenzen eines kohärenten Lichtbündels durch Reduzierung der zeitlichen Kohärenz beschrieben. Dabei wird vorgeschlagen, mikrostrukturierte Phasenplatten einzusetzen, durch die das Laserstrahlenbündel zwecks Verminderung der zeitlichen Kohärenz hindurch tritt, wobei in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung eine solche Phasenplatte mit einer phasenverändernden Oberflächenstruktur reflektierend ausgebildet ist. Tritt das Laserlicht durch die mikrostrukturierte Phasenplatte hindurch, wird die Kohärenz des Laserlichts aufgebrochen.
Aus der US 7,369,597 B2 ist eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art bekannt, durch die das von einer Pulslaser-Lichtquelle kommende Licht über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, wobei ein Teilstrahl eine feste Umlaufstrecke durchläuft. Diese Teilstrahlen werden überlagert in eine Beleuchtungseinrichtung eingegeben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Schädigungen von Bauteilen, die im Strahlengang der Pulslaser-Lichtquelle liegen, vermieden und unerwünschte Speckle vermindert werden bei möglichst geringer Einbuße des Wirkungsgrades der Pulslaser-Lichtquelle und größtmöglicher Flexibilität.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes eines Lichtpulses einer gepulsten Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, vorzugsweise eines Excimer-Lasers, gemäß Anspruch 1 gelöst. Dazu ist mindestens ein optischer Umlauf vorgesehen, wobei im optischen Umlauf eine Strahlteilereinrichtung vorgesehen ist. Die Strahlteilereinrichtung trennt das Lichtfeld in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen mit einer ersten und einer zweiten Polarisationsrichtung auf, wobei die ersten Teilstrahlen mit der ersten Polarisationsrichtung ohne den Umlauf zu durchlaufen zu einer zu beleuchtenden Fläche gelangen, und die zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung den optischen Umlauf durchlaufen. Im optischen Umlauf ist ein Polarisationsrotator vorgesehen, der die zweite Polarisationsrichtung der zweiten Teilstrahlen um einen vorgebbaren Winkel dreht, so dass mindestens ein Teil der zweiten Teilstrahlen den optischen Umlauf mit der ersten Polarisationsrichtung erneut durchlaufen. Durch die Strahlteilereinrichtung wird der andere Teil der zweiten Teilstrahlen mit der zweiten Polarisationsrichtung aus dem Umlauf ausgekoppelt und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen zu der zu beleuchtenden Fläche gelangen.
Vorteilhafterweise durchlaufen die zweiten Teilstrahlen den optischen Umlauf mehrfach.
Dadurch wird der Lichtpuls zeitlich gedehnt und so die Leistung des Lichtpulses verringert.
In einer Ausführungsform wird in jedem Umlauf der Winkel derart verändert, dass eine vorbestimmte Intensität der zweiten Teilstrahlen durch die Strahlteilereinrichtung ausgekoppelt wird und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen zu der zu beleuchtenden Fläche gelangen. Dadurch kann die Pulsform und -breite gezielt beeinflusst werden.
Besonders vorteilhaft weist der optische Umlauf eine derartige Länge auf, dass die Differenz der optischen Weglängen der Wege der Teilstrahlen größer ist als die zeitliche Kohärenz im Lichtfeld. Dadurch wird die Kohärenz in dem aus der Anordnung austretenden Laserlicht reduziert und so das Auftreten von Speckle vermieden oder zumindest verringert.
In einer weiteren Ausführungsform bilden reflektierende Bauteile den optischen Umlauf, die als Spiegel ausgebildet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bilden reflektierende Bauteile den optischen Umlauf die als Prismen ausgebildet sind. Dadurch wird der Transmissionsverlust im Umlauf verringert.
Werden die zweiten Teilstrahlen unter dem Brewster-Winkel in die Prismen eingekoppelt, so können die Transmissionsverluste weiter verringert werden.
In einer Ausführungsform ist die Strahlteilereinrichtung als ein polarisierender Strahlteiler ausgebildet.
Vorteilhafterweise wird durch die zeitversetzte Überlagerung der Teilstrahlen und aufgrund der Weglängendifferenz die Kohärenz des Lichtfelds an der zu beleuchtenden Fläche vermindert.
Besonders vorteilhaft wird durch die zeitversetzte mehrfache Überlagerung der Teilstrahlen die Spitzenleistung des Lichtfelds an der zu beleuchtenden Fläche vermindert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Polarisationsrotator als Pockels-Zelle ausgebildet ist. Damit kann die Polarisationsrichtung sehr schnell verändert werden.
Vorteilhafterweise weist der Polarisationsrotator (14, 24) einen nichtlineare optische Kristall auf, ausgewählt aus folgender Gruppe von Kristallen: Beta-Bariumborat (BBO), Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), deuteriertem Kaliumdihydrogenphosphat (DKDP) oder Lithium-Triborat (LiB3O5, LBO). Das hat den Vorteil, dass ein breiter Wellenlängenbereich des Lichts in seiner Polarisation mit möglichst geringen Verlusten beeinflusst werden kann.
Eine weitere Ausführungsform weist zwischen der Lichtquelle und der Strahlteilereinrichtung ein polarisationseinstellendes Element auf zur Einstellung der Polarisation des Lichtfelds. Das hat den Vorteil, dass die Polarisationsrichtung des in die optische Anordnung eintretenden Lichts gezielt voreingestellt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine Ausgestaltung der Erfindung mit Strahlteiler und Polarisationsrotator mit Spiegeln in der Umwegstrecke;
2 eine Ausgestaltung der Erfindung mit Strahlteiler und Polarisationsrotator mit Umlenkprismen in der Umwegstrecke;
3 Prinzipdarstellung eines Umlenkprismas
4 Diagramm zur Darstellung der Winkeldrehung eines Polarisationsrotators pro Umlauf
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß der Ausführungsform nach 1 trifft ein Strahlenbündel 10 einer Pulslaser-Lichtquelle, z. B. eines Eximer-Lasers auf eine erste Strahlteilereinrichtung 15 in Form eines an sich bekannten Polarisationsstrahlteilers, beispielsweise einem polarisierenden Strahteilerwürfel. Ein polarisierender Strahteilerwürfel spaltet unpolarisiertes Licht in zwei zueinander orthogonal polarisierte Teilstrahlen auf. Ein Teilstrahl wird transmittiert, der Andere reflektiert. Der transmittierte Teilstrahl 10b ist parallel zur Einfallsebene des Strahlteilerwürfels polarisiert (p-Polarisation), der reflektierte Teilstrahl 10a ist senkrecht zur Einfallsebene polarisiert (s-Polarisation). Auch andere Elemente, die polarisierte Strahlung in zwei Teilstrahlen mit zueinander senkrecht orientierten Polarisationsrichtungen aufteilen, sind denkbar.
Ist das Licht linear polarisiert und trifft das Strahlenbündel 10 beispielsweise mit seiner Polarisationsrichtungen unter 45° (in 1 somit 45° zur Zeichenebene, mit den Doppelpfeilen und durchgekreuzten Doppelpunkten als Mischung beider Polarisationsrichtungen angedeutet) auf die Strahlteilereinrichtung 15, so passieren 50% des gesamten Strahles als linear polarisierter Teilstrahl 10b ungehindert und verlustfrei die Strahlteilereinrichtung 15 in Richtung auf eine zu beleuchtende Fläche 12 mit einer Polarisationsrichtung von 0° nach der Strahlteilereinrichtung 15.
Im Beispiel ist die Polarisationsrichtung dann parallel zur Zeichenebene (p-polarisiert), angedeutet durch die beiden parallelen Doppelpfeile. Die anderen 50% des Strahles werden reflektiert und nehmen ihren Weg als Teilstrahl 10a über einen optischen Umlauf (im Folgenden Umlaufstrecke genannt), der durch strahlumlenkende Bauteile gebildet wird, zwischen denen der Teilstrahl 10a eine bestimmte Strecke durchlaufen kann. Im Folgenden wird dies kurz als Umlaufstrecke bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform bilden vier Spiegel 11a–d als strahlumlenkende Bauteile eine Umlaufstrecke, indem sie den Teilstrahl 10a jeweils um 90° ablenken und zum jeweils nächsten Spiegel weiterleiten. Teilstrahl 10a ist nach der Strahlteilereinrichtung 15 linear polarisiert mit einer Polarisationsrichtung von 90°, im Beispiel also senkrecht zur Zeichenebene (s-polarisiert). Dies ist mit den durchgekreuzten Doppelpunkten angedeutet. Die Länge der Umlaufstrecke in der oben gezeigten Anordnung von der Strahlteilereinrichtung 15 über die Spiegel 11a–d zurück zur Strahlteilereinrichtung 15 ist so bemessen, dass der Puls vollständig aufgenommen werden kann.
Im Fall eines beispielsweise 20 ns Pulses müsste die Umlaufstrecke somit 6 m lang sein (20·10^–9 s·3·10⁸ m/s = 6 m), verteilt auf die vier Strecken zwischen den Spiegeln 11a–d.
Die Strahlteilereinrichtung 15 wirkt auf seiner Rückseite ebenfalls als Strahlteiler. Wenn der s-polarisierte Teilstrahl 10a ohne Änderung seiner Polarisation an der Strahlteilereinrichtung 15 ankommt, wird er an der Rückseite der Strahlteilereinrichtung 15 reflektiert. Ohne weitere Maßnahmen würde daher der nun s-polarisierte Teilstrahl 10a die Umlaufstrecke in Richtung der zu beleuchtenden Fläche 12 zeitlich versetzt zum Teilstrahl 10b verlassen. Der Teilstrahl 10a hat dabei nach dem Durchlaufen der Umlaufstrecke einen größeren Weg zurückgelegt, als der Teilstrahl 10b. Ist die Differenz der Wege der beiden Teilstrahlen größer als die zeitliche Kohärenzlänge des Laserpulses im einfallenden Lichtbündel 10 würde dies schon eine Verringerung der Kohärenz und der Spitzenleistung auf Grund der „Verschmierung” des Laserpulses bedeuten. Ein derartiger Aufbau ist aber immer noch sehr unflexibel, da keine weitere Einflussmöglichkeit auf die Umlaufzeit, die Pulsform und Differenz der Wege zur Kohärenzreduktion besteht.
Erfindungsgemäß ist in der Ausführungsform nach 1 im Arm der Umlaufstrecke vor der Strahlteilereinrichtung 15 ein Polarisationsrotator 14 mit einer Steuerungseinheit 13 in den Strahlengang eingebracht, der die Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls gezielt um einen Winkel α drehen kann. Dies kann beispielsweise eine Pockels-Zelle aus nichtlinear-optischem Kristall sein, wie sie beispielsweise aus der aus der WO 2005/085955 A2 bekannt ist. Eine Pockels-Zelle dreht die Polarisationsrichtung einer die Zelle durchtretenden Strahlung bei Anlegung einer elektrischen Spannung durch die Steuerungseinheit 13 um einen Winkel, der proportional zur angelegten Spannung ist. In einer Ausführungsform ist der nichtlineare optische Kristall für Licht in einem Wellenlängenbereich unterhalb von 200 nm transparent. Kristalle, die unterhalb dieser Wellenlänge transparent sind, eignen sich besonders zum Einsatz in der Mikrolithographie, bei der zur Erzeugung von feinsten Halbleiterstrukturen mit Beleuchtungslicht mit Wellenlängen von unter 200 nm, insbesondere 193 nm oder 157 nm gearbeitet wird. Bei einer Weiterbildung besteht der nichtlineare optische Kristall im Wesentlichen aus Beta-Bariumborat (BBO), Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), deuteriertem Kaliumdihydrogenphosphat (DKDP) oder Lithium-Triborat (LiB3O5, LBO). Kristalle aus diesen Materialien sind auch bei Wellenlängen kleiner als 200 nm transparent. KDP und DKDP haben einen Transmissionsbereich von ca. 190 nm bis ca. 1500 nm. Bei LBO reicht der Transmissionsbereich von ca. 160 nm bis ca. 2600 nm. Daher sind auch Anwendungen im sichtbaren oder im Infrarotbereich möglich. Die Pockels-Zelle muss eine schnelle Schaltzeit aufweisen, da beispielsweise nach Umlauf eines Pulses die Polarisationsrichtung geschaltet werden muss. Dies kann im Bereich von einigen ns liegen. Im vorliegenden Beispiel < 20 ns.
Bevor der umlaufende Teilstrahl 10a zum Polarisationsrotator 14 gelangt, wird der Polarisationsrotator 14 so geschaltet, dass er das ankommende linear polarisierte Licht um einen Winkel α dreht.
Wird der beim ersten Durchgang S₁ durch den Polarisationsrotator 14 eingestellte Winkel α = 90° und würde der am Polarisationsrotator 14 eingestellte Winkel α nach Durchlauf des Pulses sofort wieder auf Null gestellt, bleibt das eingekoppelte Licht in der gezeigten Anordnung, ohne dass Intensität ausgekoppelt würde, da jetzt der Teilstrahl 10a durch die 90°-Drehung p-polarisiert ist, und die Strahlteilereinrichtung 15 ungehindert passieren kann.
Der Teilstrahl 10a durchläuft die Umlaufstrecke ein Weiteres mal. Dies ist angedeutet durch die beiden Doppelpfeile in runden Klammern. Nach einem weiteren oder mehreren bis zu n Durchläufen S₂ bis S_n–1 wird zuletzt vor Ankunft des Teilstrahls 10a der Polarisationsrotator 14 erneut so geschaltet, dass er die Polarisationsrichtung um 90° dreht. Dadurch wird Teilstrahl 10a im letzten Umlauf S_n wieder s-polarisiert, an der Strahlteilereinrichtung 15 reflektiert und damit ausgekoppelt. Dies ist mit den durchgekreuzten Doppelpunkten in geschweiften Klammern angedeutet. Damit kann der s-polarisierte Teilstrahl 10a die Umlaufstrecke in Richtung der zu beleuchtenden Fläche 12 nach dem Teilstrahl 10b zeitlich um die n-fache Zeit gegenüber dem Teilstrahl 10b verschoben verlassen. Dadurch kann eine nahezu beliebige Verzögerung des Teilstrahls 10a erreicht werden als Vielfache der Umlaufzeit in der durch die Spiegel 11a–d gebildeten Umlaufstrecke. Selbst wenn der Puls z. B. von 20 ns um das Fünfzigfache auf 1 μs gedehnt werden soll hat das keinerlei Einfluss auf den Bauraum der vorgeschlagenen Anordnung, sondern lediglich die Zahl der Umläufe erhöht sich. Somit ist die Umlaufzeit des Pulses steuerbar.
Weicht der durch den Polarisationsrotator 14 eingestellte Winkel α von 90° ab, besitzt der Teilstrahl 10a eine s-polarisierte und eine p-polarisierte Komponente bezüglich der Strahlteilereinrichtung 15. Die Komponente des Teilstrahls 10a, die relativ zur Teilerebene der Strahlteilereinrichtung 15 s-polarisiert ist, wird ausgekoppelt. Die Komponente des Teilstrahls 10a, die relativ zur Teilerebene der Strahlteilereinrichtung 15 p-polarisiert ist, wird durch die Strahlteilereinrichtung 15 durchgelassen und durchläuft erneut die Umlaufstrecke. Beim nächsten Durchlauf durch den Polarisationsrotator 14 wird die Polarisation erneut um einen Winkel α_n gedreht, der aber nicht notwendigerweise mit dem Drehwinkel α aus dem ersten Umlauf übereinstimmen muss. Nach erneutem Erreichen der Strahlteilereinrichtung 15 wird wiederum die s-Komponente ausgekoppelt und die p-Komponente transmittiert. Durch die Wahl des Winkels α_n kann eingestellt werden, welche Intensität aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgekoppelt werden soll. So ist es beispielsweise möglich, jeweils den gleichen Intensitätsanteil des Teilstrahls 10a als s-polarisiertes Licht auszukoppeln, wenn der Winkel α_n jedes Mal gleich gewählt wird. Da die Gesamtintensität des umlaufenden Lichts immer geringer wird, wird dabei auch die ausgekoppelte Intensität immer geringer. Durch geschickte Wahl der Winkel α_n kann man erreichen, dass die Intensität des ausgekoppelten Lichts jeweils gleich ist. Startet man beispielsweise die beschriebene Prozedur nicht mit einem unter 45° linear polarisiertem Licht, sondern mit einem s-polarisierten Lichtbündel 10, wird das Lichtbündel zu 100% als Teilstrahl 10a in die Umlaufstrecke eingekoppelt. In 4 ist gezeigt, wie der Winkel α_n der linearen Polarisation von Umlauf zu Umlauf geändert werden muss, wenn die Pulsdehnung Faktor 10 sein und der zeitliche Intensitätsverlauf des gedehnten Pulses konstant sein soll. Aufgetragen ist der Winkel α_n über die Anzahl n der Umläufe in der Umlaufstrecke.
Im letzten (n-ten) Umlauf wird die Orientierung der linearen Polarisation schließlich um 90° (≈ 1,57 rad) gedreht, so dass dann das gesamte restliche Licht von der Strahlteilereinrichtung 15 ausgekoppelt wird.
Der Verlauf des einzustellenden Winkels α_n variiert von Umlauf zu Umlauf. Die Werte basieren im Beispiel auf der Voraussetzung, dass pro Umlauf ein Zehntel der Gesamtintensität ausgekoppelt wird, d. h. die Orientierung der linearen Polarisation muss jeweils so gedreht werden, dass das Quadrat der ausgekoppelten Komponenten 10% der Anfangsintensität entspricht.
Die Zahl der Spiegel (11a–d) ist nur Beispielhaft zu verstehen. Jede andere Zahl und räumliche Anordnung der Spiegel, die eine optische Umlaufstrecke bilden können, ist möglich. Die Spiegel sind im Beispiel als Planspiegel ausgeführt. Denkbar sind auch andere Spiegelformen, beispielsweise als konkave Spiegel mit einer parabolisch gekrümmten Oberfläche, auch in Kombination verschiedener Formen.
Um die Polarisationsrichtung des auf die Strahlteilereinrichtung 15 treffenden Strahlenbündels 10 gezielt einstellen zu können, kann im Strahlengang des Strahlenbündels 10 vor der Strahlteilereinrichtung 15 ein polarisationseinstellendes Element 17 vorgesehen sein. Dieses polarisationseinstellende Element 17 kann beispielsweise ein Polarisationsrotator analog zum Polarisationsrotator 14 sein, der eine schon vorhandene Polarisation des Strahlenbündels 10 dreht oder ein Polarisator, der beispielsweise aus unpolarisiertem Licht linear polarisiertes Licht mit einem bestimmten Winkel erzeugt. Die Einstellung der Polarisation kann dabei durch ein statisches Element, beispielsweise einen Polarisationsfilter oder durch ein variables Element, beispielsweise eine Pockels-Zelle, erfolgen. Jedes andere geeignete Element zur Beeinflussung der Polarisation und Polarisationsrichtung ist ebenfalls denkbar.
In den 5a–c wird im Folgenden das Prinzip der zeitversetzten Überlagerung genauer erläutert.
5a zeigt stark vereinfacht den Verlauf der Leistung eines Laserpulses, der beispielsweise als s-polarisiertes Lichtbündel 10 in 1 auf die Strahlteilereinrichtung 15 trifft. Der Puls wird vollständig in die Umlaufstrecke eingekoppelt und nach jedem Umlauf wird im vorliegenden Beispiel ein Viertel der Leistung durch entsprechende Wahl des Winkels α_n am Polarisationsrotator 14 ausgekoppelt. In 5b ist dargestellt, wie sich die vier ausgekoppelten Pulse nacheinander überlappend über die Zeit verteilen. Die Pulse gelangen an der zu beleuchtenden Fläche 12 als Puls an, der sich aus den vier überlagerten Pulsen aus 5b zusammensetzt. Dies ist beispielhaft in 5c dargestellt. Der sich ergebende Puls ist nicht nur in der Zeit gedehnt, sonder die Leistung ist insgesamt verringert. Zusätzlich wird die Kohärenz des Laserpulses verringert, wenn die optische Weglänge der Umlaufstrecke größer ist als die Kohärenzlänge des Lichts des Laserpulses.
Somit wird der Puls der Pulslaser-Lichtquelle in sich geglättet. Gleichzeitig wird dabei die Spitzenleistung des Pulses verringert und somit Schäden an optischen Elementen vermieden. Im Strahlteiler 15 erfolgt die Aufspaltung wie bereits beschrieben so, dass unterschiedliche Strahlungsanteile unterschiedlich oft den Umlauf durchlaufen und nach ihrer Auskopplung miteinander vereinigt werden, wobei sich auf Grund der mehrfachen Aufspaltung und der optischen Weglängendifferenz Veränderungen der Wellenfronten der einzelnen Strahlungsanteile und infolge dessen eine Reduzierung der Kohärenz in dem aus der Anordnung austretenden Laserlicht ergeben. Dadurch wird das Auftreten von Speckle vermieden oder zumindest verringert.
In den 2 und 3 ist im Folgenden eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die Spiegel 10a–d aus dem Ausführungsbeispiel nach 1 führen zu unerwünschten Transmissionsverlusten des umgelenkten Teilstrahls, da bei jeder Reflexion an einem Spiegel auf Grund einer Reflektivität, die maximal bei ca. 95%–98% liegen kann, Verluste auftreten.
In 2 ist eine Ausführungsform gezeigt, in der die Strahlumlenkung aus Prismen 21a und 21b ausgebildet ist. Ein polarisiertes Lichtbündel 20 trifft auf eine Strahlteilereinrichtung 25. Dort wird Lichtbündel 20 aufgespalten in zwei Teilstrahlen 20a und 20b. Der transmittierte Teilstrahl 20b ist nach der Strahlteilereinrichtung 25 p-polarisiert, der reflektierte Teilstrahl 20a s-polarisiert. Teilstrahl 20a trifft die Eintrittsfläche des Prismas 21b idealerweise unter dem Brewster-Winkel der Grenzfläche zwischen dem Material des Prismas 21a, 21b und der angrenzenden Atmosphäre, beispielsweise Luft oder Vakuum. Ist das einfallende Licht 20a vollständig p-polarisiert, sind die Verluste im Idealfall sogar gleich null. Teilstrahl 20a wird im Prisma 21b so reflektiert, dass er nach Austritt aus dem Prisma 21b auf das zweite Prisma 21a trifft. Dort wird Teilstrahl 20a wieder reflektiert und durchtritt danach durch einen Polarisationsrotator 24 mit einer Steuerungseinrichtung 23 und von dort wieder auf die Strahlteilereinrichtung 25. Zur Funktionsweise wird auf die analoge Beschreibung zur Ausführungsform nach 1 verwiesen, nur dass statt der Umlenkspiegel 10a–d nun die Prismen 21a, 21b als Umlenkeinrichtung zur Bildung der Umleitungsstrecke dienen. Im Prisma 21a, 21b wird also das Licht unter Ausnutzung der Totalreflexion umgelenkt und verlässt das Prisma 21a, 21b wieder unter dem Brewster-Winkel. Theoretisch ist der Transmissionsverlust bei einer solchen Strahlumlenkung gleich null. Wegen der endlichen Oberflächenqualität wird der Verlust pro Umlenkprisma zwar nicht den theoretisch möglichen Wert erreichen, liegt aber im Bereich von ≤0.5%. Auch hier kann wieder ein polarisationseinstellendes Element 27 zur Einstellung der Polarisationsrichtung des Lichtbündels 20 zwischen Lichtquelle und der Strahlteilereinrichtung 25 vorgesehen sein.
Anhand von 3 wird eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Umlenkprismas 21 näher erläutert. Das Prisma 21 weist vier Seitenflächen auf, wobei die Seitenflächen vier Winkel a, b, b' und c einschließen. Die Winkel b und b' sind im Beispiel gleich, so dass ein einfallender Teilstrahl 20a und ein ausfallender Teilstrahl 20ae parallel zueinander verlaufen. Teilstrahl 20ai trifft unter einem Winkel Θ_B zur Oberfläche des Prismas 21 auf und wird unter einem Winkel Θ_B' in das Prisma 21 hinein gebrochen. Nach zwei Totalreflexionen tritt der Teilstrahl 20ae wieder aus dem Prisma 21 aus und verläuft dann parallel in entgegengesetzter Richtung zum einfallenden Teilstrahl 20ai in der Umleitungsstrecke weiter.
Im Beispiel sei der Brechungsindex des Prismenmaterials n_P = 1,5 und das der umgebenden Atmosphäre n_L = 1. Die Winkel berechnen sich dann wie folgt: a = 180° – 2·Θ_B b = 45° + 0,5·(Θ_B + Θ_B') c = 90° + (Θ_B – Θ_B') Θ_B = arctan(n): Brewster-Winkel Θ_B' = arcsin(1/n·sin·(Θ_B))
Mit n = n_P/n_L
Damit ergibt sich: Θ_B = 56,31°, Θ_B' = 33,69° , a = 67,38, b = 90°, c = 112,62
Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen und Zahl von Prismen zur Strahlumlenkung denkbar, die unter möglichst geringen Verlusten Lichtstrahlen umlenken und so eine Umlaufstrecke bilden. Auch andere Formen von optischen Elementen zur Strahlumlenkung, die auf dem Prinzip der Totalreflexion an Grenzflächen arbeiten sind zur erfindungsgemäßen Ausführung einer Umwegstrecke geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0785473 A2 [0005]
DE 19501521 C1 [0007]
US 7369597 B2 [0008]
WO 2005/085955 A2 [0035]

Claims

Optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes (10, 20) eines Lichtpulses einer gepulsten Lichtquelle, insbesondere eines Lasers, vorzugsweise eines Excimer-Lasers, bestehend aus mindestens einem optischen Umlauf, wobei im optischen Umlauf ein Strahlteilereinrichtung (15, 25) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilereinrichtung (15, 25) das Lichtfeld (10, 20) in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlen (10a, 20a, 10b, 20b) mit einer ersten und einer zweiten Polarisationsrichtung auftrennt, wobei die ersten Teilstrahlen (10b, 20b) mit der ersten Polarisationsrichtung ohne den Umlauf zu durchlaufen zu einer zu beleuchtenden Fläche (12, 22) gelangen, und die zweiten Teilstrahlen (10a, 20a) mit der zweiten Polarisationsrichtung den optischen Umlauf durchlaufen, und dass im optischen Umlauf ein Polarisationsrotator (14, 24) vorgesehen ist, der die zweite Polarisationsrichtung der zweiten Teilstrahlen (10a, 20a) um einen vorgebbaren Winkel α, α_n dreht, so dass mindestens ein Teil der zweiten Teilstrahlen (10a, 20a) den optischen Umlauf mit der ersten Polarisationsrichtung erneut durchlaufen, und dass durch die Strahlteilereinrichtung (15, 25) der andere Teil der zweiten Teilstrahlen (10b, 20b) mit der zweiten Polarisationsrichtung aus dem Umlauf ausgekoppelt wird und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen (10b, 20b) zu der zu beleuchtenden Fläche (12, 22) gelangen.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teilstrahlen (10b, 20b) den optischen Umlauf mehrfach durchlaufen.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Umlauf der Winkel α_n derart verändert wird, dass eine vorbestimmte Intensität der zweiten Teilstrahlen (10b, 20b) durch die Strahlteilereinrichtung (15, 25) ausgekoppelt wird und zeitversetzt überlagert zu den ersten Teilstrahlen (10b, 20b) zu der zu beleuchtenden Fläche (12, 22) gelangen.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Umlauf eine derartige Länge aufweist, dass die Differenz der optischen Weglängen der Wege der Teilstrahlen (10a, 20a, 10b, 20b) größer ist als die zeitliche Kohärenz im Lichtfeld (10, 20).
Optische Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass reflektierende Bauteile (11a–d, 21a–b) den optischen Umlauf bilden.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Bauteile als Spiegel (11a–d) ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Bauteile als Prismen (11a–d) ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Teilstrahlen (10b, 20b) unter dem Brewster-Winkel in die Prismen (11a–d) eingekoppelt werden.
Optische Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlteilereinrichtung (15, 25) als ein polarisierender Strahlteiler ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (10a, 20a, 10b, 20b) zeitversetzt überlagert werden und die Weglängendifferenz derart eingestellt wird, dass die Kohärenz des Lichtfelds (10b) an der zu beleuchtenden Fläche (12, 22) vermindert wird.
Optische Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (10a, 20a, 10b, 20b) zeitversetzte mehrfach überlagert werden derart, dass die Spitzenleistung des Lichtfelds (10b) an der zu beleuchtenden Fläche (12, 22) vermindert wird.
Optische Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsrotator (14, 24) als Pockels-Zelle ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruche 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsrotator (14, 24) ein nichtlineare optische Kristall aufweist, ausgewählt aus folgender Gruppe von Kristallen: Beta-Bariumborat (BBO), Kaliumdihydrogenphosphat (KDP), deuteriertem Kaliumdihydrogenphosphat (DKDP) oder Lithium-Triborat (LiB3O5, LBO)
Optische Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle und der Strahlteilereinrichtung (15, 25) ein polarisationseinstellendes Element (17, 27) angeordnet ist zur Einstellung der Polarisation des Lichtfelds (10, 20).