Etude théorique et expérimentale d'un laser à solide de forte puissance moyenne, déclenché à haute-cadence et possédant une bonne qualité de faisceau
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
The aim of this work is to design, study, understand and optimize a high-repetition-rate (7 to 10 kHz) solid-state laser, with at the same time high power (500 W) and good beam quality (M²<10), used in an extreme-UV source ( at 13,5 nm) for nanolithography. In this kind of lasers, high pumping power leads to thermal effects which lower the performances (efficiency, beam quality) of the laser. It is to say, mainly, an aberrant thermal lensing effect influencing the stability of the resonator. In this work, thermal focal length and spherical aberration are precisely quantified, experimentally and then theoretically. Both studies show a very good match and allow to show the importance of the pumping profile, and of the dependence with temperature of thermal conductivity and dn/dT of the laser crystal in the amplitude of these effects. It is also proven that the position of the laser rod inside the cavity has a significant influence. The consequences of the thermal lens and the spherical aberration are also studied, with simple calculations and simulations with the software Commod Pro. Thanks to these methods, energetic performances of the laser can be predicted with good precision, as well as the M² of the beam, but only in the case of a non aberrating rod. Eventually, thanks to these preliminary studies, compensating devices can be designed, made of phase-plate or a combination of simple lenses and put inside the cavity. Theses devices are very efficient on cavity with a low M², and thanks to them, sources with high brightness can be obtained.
Abstract FR:
Le but de ce travail est de concevoir, étudier, comprendre et optimiser un laser à solide déclenché à haute-cadence (7 à 10 kHz), alliant forte puissance moyenne (500 W) et bonne qualité de faisceau (M²<10), utilisé dans une source extrême-ultraviolette à 13,5 nm pour la nanolithographie. Dans ces lasers, le fort pompage induit des effets thermiques qui dégradent considérablement les performances (rendement, qualité de faisceau) du laser. Il s’agit principalement d’un effet de lentille thermique aberrante qui perturbe la stabilité des cavités. Dans ce travail, les focales thermiques et l’aberration sphérique sont quantifiées précisément, expérimentalement d’une part, puis par des calculs théoriques. Les deux études montrent une très bonne concordance et permettent de mettre en évidence l’importance du profil de pompage, de la dépendance en température de la conductivité thermique et du dn/dT du cristal laser dans l’amplitude de ces effets. On montre également que la position du barreau dans la cavité a une influence notable. Les conséquences de la focale thermique et de l’aberration sphérique sur les performances du laser sont également étudiées, par de petits calculs simples et par simulation informatique. Ces méthodes permettent de prévoir avec une bonne précision les performances énergétiques du laser, de même que le M² du faisceau, mais seulement dans le cas d’un barreau non aberrant. Finalement, il est possible de concevoir des dispositifs compensateurs, à insérer dans la cavité laser. Ces dispositifs sont très efficaces sur les cavités de faible M², et permettent d’obtenir une amélioration importante de la brillance des sources.