WO2012159625A2 - Quasimonolithische polarisationsstrahlteilerbaugruppe - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a quasi-monolithic polarization beam splitter assembly comprising at least one polarization beam splitter having a polarizing beam splitter layer for ultraviolet (UV) radiation.
  • a generic polarization beam splitter is known from US 5,339,441.
  • a polarization beam splitter divides an incident beam into two mutually perpendicularly polarized partial beams, wherein a loss of intensity and wavefront deformation of the beam when passing through the polarization beam splitter should be avoided as much as possible.
  • the latter can also be caused by the capture of the polarization beam splitter in an optical socket.
  • a polarization beam splitter according to US Pat. No. 5,339,441 comprises a first and a second straight prism (optical prism), each having a base area formed by a triangle and a rectangle adjoining the shorter catheter thereof.
  • the two prisms are made of the same glass with a low refractive index and high quality. They each have a joining surface (hypotenuse surface), via which the prisms are connected to each other and form a cuboid polarization beam splitter, with an entrance surface for the beam and two exit surfaces, for a reflected and a transmitted partial beam (Sp. 2, Z. 9-36 ).
  • the joining surfaces enclose an angle, in this case 56 °, with the exit surface for the reflected partial beam.
  • a multilayer beam splitter layer is introduced between the joining surfaces. It may have been applied prior to joining proportionally to both joining surfaces or preferably to only one of the joining surfaces (Sp. 2, Z. 50-63).
  • the multilayered Beam splitter layer includes alternating layers of high refractive index material and low refractive index material (Sp.2, Z. 65-69).
  • suitable materials for this purpose are specified in US Pat. No. 5,339,441, with which a polarizing beam splitting for UV radiation with a wavelength of 308 nm can take place.
  • the applied to a joint surface multilayer beam splitter layer is completed by a cover layer, made of a material having a low refractive index, said cover layer should have a thickness equal to the wavelength of the radiation so that it has no optical effect.
  • the layers which delimit the multilayer beam splitter layer on both sides should have the same refractive index as the prisms (Sp. 4, lines 1 to 7).
  • the optical component or the optical assembly in an optical version may be a so-called prism chair, be caught.
  • the surfaces over which the socket is in direct contact with the optical component or the optical assembly are to be understood below as contact surfaces.
  • the optical components or optical assemblies are inevitably mechanically and thermally connected to the socket. This compound has an effect on the quality of the optical component or the. Due to resulting stresses between the socket and the captured optical component or the optical assembly optical assembly, so also on the wavefront deformation of the optical component or the optical assembly passing beam. The extent of the effects also depends on where the contact surfaces are relative to the optically active surfaces of the optical component or the optical assembly.
  • a stress-resistant polarization beam splitter (there called a prism polarizer) is disclosed, in which the peculiarity with respect to generic polarization beam splitters in the material selection for the two prisms forming the polarization beam splitter.
  • a polarization splitter plate is arranged between the hypotenuse surfaces of the two prisms, on each of which a spacer ring is applied by vapor deposition.
  • the indirectly pressed together in the assembly over the polarization divider plate prisms are arranged within a metallic or ceramic socket arrangement having on one side spring elements which cause an axial compression of the prisms in the installed state with a predetermined force by the spring force.
  • the socket is thus connected via contact surfaces with the polarization beam splitter, which are located on the same sides of the polarization beam splitter as well as optically active surfaces, whereby mechanical and thermal stresses are registered by the socket directly on the polarization beam splitter.
  • the polarization beam splitter also disclosed in US 2004/0184167 A1 beam splitter assembly comprises a plurality of prisms, which are connected to one another via beam-splitting surfaces. Each of the prisms has optically effective surfaces, so that the beam splitter assembly must be forced over the side surfaces of one of the prisms.
  • mechanical or thermal stresses are transmitted directly to the provided on the prism optically effective surface.
  • the invention is based on the object to provide a polarization beam splitter assembly, which can be taken in an optical version that by their connection with the socket, an increase in the wavefront deformation, which experiences a beam when passing through the polarization beam splitter, at least almost impossible.
  • the invention also relates to a method for producing such a polarization beam splitter.
  • the polarization beam splitter assembly comprises two optical prisms of quartz glass, which together form a cuboid polarization beam splitter and an optically ineffective, cuboid holding part.
  • the side surfaces of the polarization beam splitter comprise three optically active surfaces, namely an entrance surface for a UV beam, which is split at a splitter layer into two sub-beams, an occurrence surface for the partial beam reflected at the splitter layer and an exit surface for the sub-beam transmitted through the splitter layer.
  • the exit surfaces are coated with an antireflection coating.
  • the Hypotenuse lake of the two optical prisms each represent a joint surface, wherein on one of the two joining surfaces, the multi-layer divider layer is applied, which terminates with a covering layer of Si0 2 .
  • the polarization beam splitter group consists of a polarization beam splitter which fulfills the optical function of the polarization beam splitter group and consists of a holding part which has no optical function but is to provide free side surfaces over which the polarization beam splitter group can be picked up. Within these free side surfaces contact surfaces are provided, via which an optical socket can be directly mechanically connected to the polarization beam splitter assembly.
  • the holding part communicates with the polarization beam splitter via a non-optically effective side surface by means of a UV-resistant adhesive and at least one of the exit surfaces of the polarization beam splitter is polished so that a sub-beam passing through the polarization beam splitter experiences at most a maximum predetermined wavefront deformation which is caused by the Addition of the wavefront deformations of the optically effective for the sub-beam surfaces results.
  • the holding part in addition to the polarization beam splitter and other beam splitter, over which a beam splitting, be recognized.
  • the object of a method for producing a polarization splitter group according to the invention is achieved as follows.
  • Two optical prisms made of quartz glass, each with one joining surface, are made available, which together form a cuboid polarization beam splitter via their joining surfaces.
  • the joining surfaces are polished and on one of the two joining surfaces, a multilayer divider layer is applied with a covering layer of Si0 2 , which is polished.
  • the free joining surface is blasted to the joint surface coated with the splitter layer, whereby the polarization beam splitter is formed.
  • a holding part made of quartz glass is provided and the polarization beam splitter is connected via one of its optically ineffective side surfaces by means of a UV-resistant adhesive to the holding part.
  • at least one of the side surfaces acting as exit surfaces is polished until a passing part beam passes at most a maximum predetermined Wavefront deformation experiences, which results from the addition of the wavefront deformations of the optically effective for the sub-beam surfaces.
  • This step of polishing is mandatory after the connection of the holding part with the polarization beam splitter, to thereby additionally caused by a wave front deformation due to the entry of voltages with.
  • an antireflection coating is applied to the exit surface and the entrance surface.
  • the polarization beam splitter assembly is explained in more detail below by way of example with reference to the drawing.
  • Fig. 1 a shows a first embodiment of a polarization beam splitter assembly in perspective view
  • FIG. 1 b shows a polarization beam splitter assembly according to FIG. 1 a in FIG
  • Fig. 1 c shows a second embodiment of a polarization beam splitter assembly in perspective view
  • a polarization beam splitter subassembly according to the invention for a UV beam according to a first exemplary embodiment comprises two optical prisms 1 made of quartz glass, which together form a cuboid polarization beam splitter 2, and a cuboid holding part 6.
  • a fourth side surface 3.4 forms an entrance surface, via which a UV beam to be split is coupled into the cuboid
  • a fifth side surface 3.5 forms a step surface for one at a splitter layer 4 reflected sub-beam
  • a sixth side surface 3.6 forms an exit surface for a transmitted through the splitter layer 4 partial beam, wherein the entrance surface 3.4 and the exit surfaces 3.6 are coated with an anti-reflection layer.
  • the two prisms 1 each have a joining surface 5 which encloses an angle ⁇ with the entry surface 3.4 or the exit surface 3.6.
  • the multi-layer divider layer 4 is applied on one of the two joining surfaces 5, the multi-layer divider layer 4 is applied. It consists of a plurality of alternating layers of low refractive and high refractive index materials which are expertly selected depending on the wavelength of the UV beam to be split.
  • the angle ⁇ can also have a different value, in particular if only the transmitting partial beam is of interest.
  • the splitter layer 4 terminates with a cover layer of SiO 2 , to which the free joining surface 5 is sprinkled.
  • the surfaces to be connected must not only be highly level, but their surface should also have only the lowest possible roughness. In principle, both are achieved by the production, in particular the optical polishing of the joining surfaces 5.
  • the application of the splitter layer 4, which is usually done by vapor deposition, but leads to changes, in particular to increase the predetermined by the surface of the joint surface 5 roughness profile, z. B. when the splitter layer 4 comprises fluoridic layers, by the polycrystalline layer growth.
  • the cover layer is polished until the height of the thus reducing roughness profile is below a predetermined tolerance limit.
  • a resulting, indeterminate thickness of the cover layer has no optical effect, since the prism 1, which is blasted on its joining surface 5 to this cover layer, from the same material as the cover layer, so no media transition is present.
  • the roughness is checked with the measures known to a person skilled in the art, eg. B. by white light interferometry, by a method using an AFM (atomic force microscope) or with Tastroughhabilit.
  • the polarization beam splitter 2 formed by the assembled prisms 1, as shown in Fig. 1 a, with a holding part 6, also made of quartz glass, connected via one of the optically non-effective side surface 3 by means of a UV-resistant adhesive.
  • a polarization beam splitter assembly is created, which achieves a higher compared to the state of the art quality of beam splitting after recording in an optical version, as an additional and undefined wave deformation by the direct introduction of mechanical or thermal stresses on the socket in the polarization beam splitter 2 is avoided.
  • the polarization beam splitter assembly is brought into contact with the socket via the free side surfaces of the holding part, which serve as contact surfaces, and voltages are transmitted at most slightly to the polarization beam splitter 2 and thus to the optically active surfaces.
  • further beam splitters via which a beam splitting takes place, can be attached to the holding part 6.
  • Fig. 1 c shows a second embodiment of a polarization beam splitter assembly, in which at the opposite ends of an elongated rectangular support member 6 on the one polarizing beam splitter 2 and on the other another beam splitter, which must be no polarization beam splitter 2, attached.
  • z. B. for beam splitting of beams of different wavelength z. B. 193 nm and any other wavelength are designed or both for only one wavelength z. B. 193 nm with different Division ratios
  • the polarization beam splitter assembly can be used for two different applications by the polarization beam splitter 2 and the other beam splitter are inserted alternatively in the beam path of an optical system.
  • the polarization beam splitter 2 is a polarization beam splitter for UV rays, however, the effort that would be justified with the described method for polarization beam splitter, which are not intended for the UV range, would not be justified. It is understood that if necessary, the adhesive then also does not have to be UV-resistant.
  • the embodiment of the holding member 6 in the form of a cuboid, and as shown in the figures, with a same cross-sectional size, is advantageous but not mandatory.
  • the cross section could also be chosen smaller than the adjacent cross section of the polarization beam splitter 2.
  • a socket for the polarization beam splitter assembly will in any case be mechanically connected thereto via the free side surfaces of the holding part 6.
  • two optical prisms 1 made of quartz glass, each with a joining surface 5 are provided, which together form a cuboid polarization beam splitter 2 via their joining surfaces.
  • the dimensioning of the dimensions is determined by the beam cross section of the beam to be divided, so that it is neither limited nor that the optically effective surfaces are much larger than necessary.
  • the polarization beam splitter 2 is a cube, with which the optical prisms 1 are half-cube prisms.
  • the hypotenuse surface, which forms the joining surface, then encloses an angle of 45 ° with an adjacent side surface.
  • the optical prisms 1 are polished at their joining surfaces and the optically effective side surfaces and a non-optically effective side surface, via which a connection to a holding part is to be produced. It is at Repeated interferometric test polishes until a predetermined output tolerance of the flatness is reached.
  • a multilayer divider layer is applied to one of the two prepared joining surfaces, which ends with a covering layer of Si0 2 .
  • the layers consist alternately of a material of high and low refractive index transparent to the wavelength of the beam to be split.
  • the ratio of reflected and transmitted radiation can also be set via the layer design of the splitter layer 4.
  • the application of the divider layer 4 is usually carried out by vapor deposition of the individual layers in succession.
  • the covering layer is expertly machined by a suitable technology. With the processing, the contact connection between the two optical prisms 1 is significantly improved.
  • the optical prism 1 not provided with the splitter layer 4 is blasted over its joining surface to the prism 1 provided with the splitter layer 4, more precisely to the covering layer.
  • the two optical prisms 1 now form a polarization beam splitter 2 in the form of a quasi-monolithic cuboid.
  • a holding part 6 made of quartz glass is provided and connected to the polarization beam splitter 2 via an optically non-effective side surface by means of a UV-resistant adhesive.
  • both or only one of the side surfaces acting as exit surfaces 3.5, 3.6 edited to reduce a wavefront deformation of a passing partial beam.
  • it is expertly determined via an interferometric test, which local areas of the exit surfaces 3.5, 3.6 must be reworked to a wavefront deformation less than or equal to a predetermined maximum To ensure wavefront deformation and process them with local polish or an ion beam.
  • the wavefront deformation at the exit surfaces 3.5, 3.6 results from the addition of the wavefront deformations to areas preceding in the direction of transmission and optically effective in each case for the partial beams.
  • the polishing after the connection with the holding part 6 has the effect of compensating for the deterioration of the wavefront deformation due to the strain caused by the connection of the holding part 6 to the polarization beam splitter 2 in the polarization beam splitter 2.
  • an antireflection coating is applied to the exit surfaces 3.5, 3.6 and the entrance surface 3.4.
  • the result is a polarization beam splitter assembly that provides less and more defined wavefront transformation as compared to a prior art UV beam polarization beam splitter, which is held directly in a socket for insertion into the beam path of an optical system ,

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Abstract

Die Anmeldung betrifft eine quasimonolithische Polarisationsstrahlteilerbaugruppe, zur Teilung eines UV-Strahles in zwei Teilstrahlen, bestehend aus zwei optischen Prismen (1), die einen Polarisationsstrahlteiler (2) bilden und einem mit dem Polarisationsstrahlteiler (2) verbundenen Halteteil (6) ohne optisch wirksame Flächen. Die Anmeldung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Polarisationsstrahlteilerbaugruppe, die sich dadurch auszeichnet, dass die hindurchtretenden Teilstrahlen auch nach Fassen der Polarisationsstrahlteilerbaugruppe in einer optischen Fassung eine nur sehr geringe Wellenfrontdeformation erfahren.

Description

Quasimonolithische Polarisationsstrahlteilerbaugruppe
Die Erfindung betrifft eine quasimonolithische Polarisationsstrahlteilerbaugruppe mit wenigstens einem Polarisationsstrahlteiler mit einer polarisierenden Strahlteilerschicht für ultraviolette (UV) Strahlung. Ein gattungsgemäßer Polarisationsstrahlteiler ist aus der US 5,339,441 bekannt.
Ein Polarisationsstrahlteiler teilt einen einfallenden Strahl in zwei zueinander senkrecht polarisierte Teilstrahlen auf, wobei ein Intensitätsverlust und eine Wellenfrontdeformation des Strahles beim Durchlaufen des Polarisationsstrahlteilers weitestgehend vermieden werden soll. Letzteres kann auch durch das Fassen des Polarisationsstrahlteilers in einer optischen Fassung verursacht werden.
Ein Polarisationsstrahlteiler nach der US 5,339,441 umfasst ein erstes und ein zweites gerades Prisma (optisches Prisma), jeweils mit einer Grundfläche gebildet durch ein Dreieck und ein an dessen kürzere Kathete angrenzendes Rechteck. Die beiden Prismen sind aus einem gleichen Glas mit einem geringen Brechungsindex und hoher Qualität. Sie weisen jeweils eine Fügefläche (Hypotenusenfläche) auf, über die die Prismen miteinander verbunden sind und einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler bilden, mit einer Eintrittsfläche für den Strahl und zwei Austrittsflächen, für einen reflektierten und einen transmittierten Teilstrahl (Sp. 2, Z. 9-36). Die Fügeflächen schließen mit der Austrittsfläche für den reflektierten Teilstrahl einen Winkel, hier von 56°, ein. Sie sind poliert und haben eine ausreichende Ebenheit, so dass sie beim Zusammenbringen eine physikalische Verbindung, über zwischeneinander wirkende Atomkräfte, miteinander eingehen (Sp. 2, Z. 36-43). Als eine hierfür ausreichende Ebenheit wird ein Bereich von λ/10 bis λ/20 angegeben (Sp. 2, Z. 43-46), wobei λ die Wellenlänge des Strahles ist. Üblicherweise wird eine solche Verbindungstechnologie als Ansprengen bezeichnet. Die beiden Prismen bilden so verbunden ein quasimonolithisches Teil, welches den trahlteiler bildet.
Eine mehrlagige Strahlteilerschicht ist zwischen den Fügeflächen eingebracht. Sie kann vor dem Fügen anteilig auf beide Fügeflächen oder bevorzugt auf nur eine der Fügeflächen aufgetragen worden sein (Sp. 2, Z. 50-63). Die mehrlagige Strahlteilerschicht umfasst alternierende Lagen von Material mit einem hohen Brechungsindex und Material mit einem niedrigen Brechungsindex (Sp. 2, Z. 65-69). Beispielhaft sind hierfür in der US 5,339,441 geeignete Materialien angegeben, mit denen eine polarisierende Strahlteilung für UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von 308 nm erfolgen kann.
Die auf eine Fügefläche aufgetragene mehrlagige Strahlteilerschicht wird durch eine Abdecklage abgeschlossen, aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex, wobei diese Abdecklage eine Dicke gleich der Wellenlänge der Strahlung haben soll, damit diese keinen optischen Effekt hat.
Die die mehrlagige Strahlteilerschicht beidseitig begrenzenden Lagen sollen einen gleichen Brechungsindex aufweisen wie die Prismen (Sp. 4, Z. 1 -7). Als Material für die niedrig brechenden Lagen, einschließlich der Abschlusslage, wird Si02, und für die Prismen Quarzglas, welches bekanntermaßen aus Si02 besteht, vorgeschlagen (Sp. 3, Z. 35 + Sp. 2, Z. 21 ).
Als besonderer Vorteil wird hervorgehoben, dass die Wellenfrontdeformation des den Polarisationsstrahlteiler durchlaufenden Strahles, aufgrund des durch das Ansprengen geschaffenen Kontaktes zwischen den Fügeflächen der Prismen, minimal ist (Sp. 5, Z. 9-1 1 ).
Durch eine Entspieglung der Eintritts- und Austrittsflächen, d. h. das Auftragen von Antireflexionsschichten auf diese Flächen wird der Intensitätsverlust der auftreffenden Teilstrahlen minimiert.
Um ein optisches Bauteil bzw. eine optische Baugruppe, wie einen Polarisationsstrahlteiler in einem optischen System zu halten, muss das optische Bauteil bzw. die optische Baugruppe in einer optischen Fassung, die z. B. ein sogenannter Prismenstuhl sein kann, gefasst sein. Die Flächen über welche die Fassung in direktem Kontakt mit dem optischen Bauteil bzw. der optischen Baugruppe in Verbindung stehen, sollen nachfolgend als Kontaktflächen verstanden werden. Über diese Kontaktflächen sind die optischen Bauteile bzw. optischen Baugruppen unvermeidbar mechanisch und thermisch mit der Fassung verbunden. Diese Verbindung hat aufgrund von entstehenden Spannungen zwischen der Fassung und dem gefassten optischen Bauteil bzw. der gefassten optischen Baugruppe Auswirkungen auf die Qualität des optischen Bauteiles bzw. der optischen Baugruppe, so auch auf die Wellenfrontdeformation eines das optische Bauteil bzw. die optische Baugruppe durchlaufenden Strahls. Das Maß der Auswirkungen hängt auch davon ab, wo sich die Kontaktflächen relativ zu den optisch wirksamen Flächen des optischen Bauteils bzw. der optischen Baugruppe befinden.
In der vorgenannten US 5,339,441 ist kein Hinweis gegeben, welche der Seitenflächen des Polarisationsstrahlteilers als Kontaktflächen genutzt werden. Es ist jedoch zu vermuten, dass dafür der rechteckige Bereich der Grundfläche bzw. der sich daraus ergebende, rechteckige, optisch, nicht wirksame Bereich der Strahleintritts- bzw. Strahlaustrittsfläche dient. Diese Flächenbereiche begrenzen eine Verlängerung des optisch wirksamen Polarisationsstrahlteilers um einen optisch nicht wirksamen Haltebereich.
Auch wenn die Kontaktflächen und die optisch wirksamen Flächen damit nicht auf den gleichen Seitenflächen des Polarisationsstrahlteilers liegen, können über die Kontaktflächen, da sie sich am Polarisationsstrahlteiler selbst befinden, mechanische und thermische Spannungen in den Polarisationsstrahlteiler eingetragen werden, die zu einer Vergrößerung der Wellenfrontdeformation führen.
In der DE 10 2005 060 517 A1 , ist ein belastungsfester Polarisationsstrahlteiler (dort Prismenpolarisator genannt) offenbart, bei welchem die Besonderheit gegenüber gattungsgleichen Polarisationsstrahlteilern in der Materialauswahl für die beiden den Polarisationsstrahlteiler bildenden Prismen liegt. In einer besonderen Ausführung ist zwischen den Hypotenusenflächen der beiden Prismen, auf denen jeweils durch Aufdampfen ein Abstandshaltering aufgebracht ist, eine Polarisationsteilerplatte angeordnet. Die beim Zusammenbau mittelbar über die Polarisationsteilerplatte gegeneinander gedrückten Prismen sind innerhalb einer metallischen oder keramischen Fassungsanordnung angeordnet, die an einer Seite Federelemente hat, die ein axiales Zusammenpressen der Prismen im eingebauten Zustand mit einer durch die Federkraft vorgebbaren Kraft bewirken. (S.18, [0101 ] und Fig.14)
Die Fassung steht damit über Kontaktflächen mit dem Polarisationsstrahlteiler in Verbindung, die sich auf den gleichen Seiten des Polarisationsstrahlteilers befinden wie auch optisch wirksame Flächen, womit mechanische und thermische Spannungen von der Fassung unmittelbar auf den Polarisationsstrahlteiler eingetragen werden. Auch eine in der US 2004/0184167 A1 offenbarte Strahlteilerbaugruppe umfasst mehrere Prismen, die über strahlteilende Flächen miteinander verbunden sind. Jedes der Prismen weist optische wirksame Flächen auf, sodass die Strahlteilerbaugruppe zwangsläufig über die Seitenflächen eines der Prismen gefasst werden muss. Darüber in die Strahlteilerbaugruppe eingetragene mechanische oder thermische Spannungen, werden direkt auf die an dem betreffenden Prisma vorgesehene optisch wirksame Fläche übertragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Polarisationsstrahlteilerbaugruppe zu schaffen, die so in einer optischen Fassung gefasst werden kann, dass durch deren Verbindung mit der Fassung eine Erhöhung der Wellenfrontdeformation, die ein Strahl beim Durchlaufen des Polarisationsstrahlteilers erfährt, wenigstens nahezu ausgeschlossen werden kann.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Polarisationsstrahlteilers.
Diese Aufgabe wird für eine Polarisationsstrahlteilerbaugruppe durch eine quasimonolithische Polarisationsstrahlteilerbaugruppe für einen UV-Strahl wie folgt gelöst:
Die Polarisationsstrahlteilerbaugruppe umfasst zwei optische Prismen aus Quarzglas, die zusammengefügt einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler bilden und ein optisch nicht wirksames, quaderförmiges Halteteil. Die Seitenflächen des Polarisationsstrahlteilers umfassen drei optisch wirksame Flächen, nämlich eine Eintrittsfläche für einen UV-Strahl, der an einer Teilerschicht in zwei Teilstrahlen aufgespaltet wird, eine Auftrittsfläche für den an der Teilerschicht reflektierten Teilstrahl und eine Austrittsfläche für den durch die Teilerschicht transmittierten Teilstrahl. Die Austrittsflächen sind mit einer Antireflexionsschicht beschichtet.
Die Hypotenusenflächen der beiden optischen Prismen stellen je eine Fügefläche dar, wobei auf eine der beiden Fügeflächen die mehrlagige Teilerschicht aufgetragen ist, die mit einer abdeckenden Lage aus Si02 abschließt.
Die andere freie Fügefläche ist an die mit der Teilerschicht versehene Fügefläche angesprengt. Es ist erfindungswesentlich, dass die Polarisationsstrahlteilergruppe aus einem Polarisationsstrahlteiler, welcher die optische Funktion der Polarisationsstrahlteilergruppe erfüllt und aus einem Halteteil besteht, das keine optische Funktion hat sondern dazu da ist, freie Seitenflächen zur Verfügung zu stellen, über die die Polarisationsstrahlteilergruppe gefasst werden kann. Innerhalb dieser freien Seitenflächen sind Kontaktflächen vorgesehen, über welche eine optische Fassung unmittelbar mechanisch mit der Polarisationsstrahlteilerbaugruppe verbunden werden kann. Das Halteteil steht mit dem Polarisationsstrahlteiler über eine dessen optisch nicht wirksame Seitenfläche mittels eines UV-resistenten Klebstoffes in Verbindung und wenigstens eine der Austrittsflächen des Polarisationsstrahlteilers ist so poliert, dass ein durch den Polarisationsstrahlteiler hindurchtretender Teilstrahl eine höchstens maximal vorgegebene Wellenfrontdeformation erfährt, welche sich durch die Addition der Wellenfrontdeformationen der für den Teilstrahl optisch wirksamen Flächen ergibt.
Vorteilhaft können an dem Halteteil zusätzlich zu dem Polarisationsstrahlteiler auch weitere Strahlteiler, über welche eine Strahlteilung erfolgt, angesetzt sein.
Die Aufgabe für ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Polarisationsteilergruppe wird wie folgt gelöst.
Es werden zwei optische Prismen aus Quarzglas mit je einer Fügefläche zur Verfügung gestellt, die über ihre Fügeflächen zusammengefügt einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler bilden.
Die Fügeflächen werden poliert und auf eine der beiden Fügeflächen wird eine mehrlagige Teilerschicht aufgetragen mit einer abdeckenden Lage aus Si02, welche poliert wird.
Anschließend wird die freie Fügefläche an die mit der Teilerschicht beschichtete Fügefläche angesprengt, wodurch der Polarisationsstrahlteiler entsteht.
In einem nächsten Schritt wird ein Halteteil aus Quarzglas zur Verfügung gestellt und der Polarisationsstrahlteiler wird über eine seiner optisch nicht wirksamen Seitenflächen mittels eines UV-resistenten Klebstoffes mit dem Halteteil verbunden. Danach wird wenigstens eine der als Austrittsflächen wirkenden Seitenflächen poliert, bis ein hindurchtretender Teilstrahl höchstens eine maximal vorgegebene Wellenfrontdeformation erfährt, welche sich durch die Addition der Wellenfrontdeformationen der für den Teilstrahl optisch wirksamen Flächen ergibt. Dieser Arbeitsschritt des Polierens erfolgt zwingend nach der Verbindung des Halteteils mit dem Polarisationsstrahlteiler, um eine dadurch zusätzlich bewirkte Wellenfrontdeformation in Folge des Eintrages von Spannungen mit zu beheben. Abschließend wird auf die Austrittsfläche und die Eintrittsfläche eine Antireflexionsschicht aufgetragen.
Anhand der Zeichnung wird die Polarisationsstrahlteilerbaugruppe im Folgenden beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 a eine erste Ausführung einer Polarisationsstrahlteilerbaugruppe in perspektivischer Darstellung
Fig.1 b eine Polarisationsstrahlteilerbaugruppe gemäß Fig. 1 a in
Explosionsdarstellung
Fig. 1 c eine zweite Ausführung einer Polarisationsstrahlteilerbaugruppe in perspektivischer Darstellung
Eine erfindungsgemäße Polarisationsstrahlteilerbaugruppe für einen UV-Strahl gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst zwei optische Prismen 1 aus Quarzglas die zusammengefügt einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler 2 bilden, sowie ein quaderförmiges Halteteil 6.
Von den sechs Seitenflächen des gebildeten Polarisationsstrahlteilers 2 sind drei Seitenflächen optisch nicht wirksam, eine vierte Seitenfläche 3.4 bildet eine Eintrittsfläche, über welche ein zu teilender UV-Strahl in den Quader eingekoppelt wird, eine fünfte Seitenfläche 3.5 bildet eine Auftrittsfläche für einen an einer Teilerschicht 4 reflektierten Teilstrahl und eine sechste Seitenfläche 3.6 bildet eine Austrittsfläche für einen durch die Teilerschicht 4 transmittierten Teilstrahl, wobei die Eintrittsfläche 3.4 und die Austrittsflächen 3.6 mit einer Antireflexionsschicht beschichtet sind.
Die beiden Prismen 1 weisen je eine Fügefläche 5 auf, die mit der Eintrittsfläche 3.4 bzw. der Austrittsfläche 3.6 einen Winkel φ einschließen. Auf eine der beiden Fügeflächen 5 ist die mehrlagige Teilerschicht 4 aufgetragen. Sie besteht aus einer Vielzahl von alternierenden Lagen aus niedrig brechenden und hochbrechenden Materialien, die in Abhängigkeit von der Wellenlänge des zu teilenden UV-Strahles fachmännisch ausgewählt werden. Bei einem Winkel φ von 45° treten die Teilstrahlen senkrecht aus den Austrittsflächen 3.6 aus, d. h. es kommt zu keiner Brechung beim Übergang zwischen dem Medium Quarzglas und Luft. Der Winkel φ kann jedoch, insbesondere wenn nur der transmittierende Teilstrahl von Interesse ist, auch einen anderen Wert aufweisen. Die Teilerschicht 4 schließt mit einer Abdecklage aus SiO2 ab, an welche die freie Fügefläche 5 angesprengt ist. Um durch diese Verbindung den Einfluss auf die Wellenfront des Strahles bzw. der sich daraus ergebenden Teilstrahlen so gering wie möglich zu halten, müssen die zu verbindenden Flächen nicht nur hochgradig eben sein, sondern deren Oberfläche soll auch nur eine möglichst geringe Rauheit aufweisen. Grundsätzlich wird beides durch die Fertigung, insbesondere die optische Politur der Fügeflächen 5, erreicht. Das Aufbringen der Teilerschicht 4, was in der Regel durch Aufdampfen erfolgt, führt jedoch zu Veränderungen, insbesondere zur Erhöhung des durch die Oberfläche der Fügefläche 5 vorgegebenen Rauheitsprofils, z. B. wenn die Teilerschicht 4 fluoridische Lagen umfasst, durch das polykristalline Schichtwachstum.
Um die Rauheit zu minimieren, ist die Abdecklage poliert, bis die Höhe des sich damit in der Höhe verringernden Rauheitsprofils unterhalb einer vorgegebenen Toleranzgrenze liegt. Eine sich dadurch ergebende, unbestimmte Dicke der Abdecklage hat keine optische Wirkung, da das Prisma 1 , welches über seine Fügefläche 5 an diese Abdecklage angesprengt ist, aus dem gleichen Material ist wie die Abdeckschicht, womit kein Medienübergang vorhanden ist. Die Prüfung der Rauheit erfolgt mit den für einen Fachmann bekannten Maßnahmen, z. B. mittels Weißlichtinterferometrie, durch ein Verfahren unter Verwendung eines AFM (atomic force microscope) oder mit Tastschnittverfahren.
Der durch die zusammengefügten Prismen 1 gebildete Polarisationsstrahlteiler 2 ist, wie in Fig. 1 a dargestellt, mit einem Halteteil 6, ebenfalls aus Quarzglas, über eine der optisch nicht wirksamen Seitenfläche 3 mittels eines UV-resistenten Klebstoffes verbunden. Durch diese Verbindung sind, wenn auch gering, Spannungen in dem Polarisationsstrahlteiler 2 eingetragen, die sich auch auf die optisch wirksamen Flächen, das heißt die Eintrittsfläche 3.4, die Austrittsflächen 3.5, 3.6 und die Fügeflächen 5 auswirken können und zur Wellenfrontdeformation des Strahles bzw. der Teilstrahlen führen.
Letztendlich ergibt sich für die austretenden Teilstrahlen jeweils eine summarische Wellenfrontdeformation, die sich aus der Addition der Wellenfrontdeformationen an vorangehenden, jeweils für die Teilstrahlen optisch wirksamen Flächen, ergibt. Um diese summarische Wellenfrontdeformation zu minimieren, sind die Austrittsflächen 3.5, 3.6, bevor jeweils eine Antireflexionsschicht aufgetragen ist, nach der Herstellung der Verbindung mit dem Halteteil 6, nachgearbeitet. Dazu wurden fachmännisch über eine interferometrische Prüfung ermittelt, welche lokalen Bereiche nachgearbeitet werden müssen und diese mit lokaler Politur oder lonenstrahl bearbeitet.
Durch das angesetzte Halteteil 6 und die anschließend finale Bearbeitung der Austrittsfläche 3.6 wird eine Polarisationsstrahlteilerbaugruppe geschaffen, die nach Aufnahme in einer optischen Fassung eine im Vergleich zum Stand der Technik höhere Qualität der Strahlteilung erreicht, da eine zusätzliche und Undefinierte Wellendeformation durch das unmittelbare Einbringen von mechanischen oder thermischen Spannungen über die Fassung in den Polarisationsstrahlteiler 2 vermieden wird. Dies ist möglich, da die Polarisationsstrahlteilerbaugruppe über die freien Seitenflächen des Halteteiles, die als Kontaktflächen dienen, mit der Fassung in Verbindung gebracht werden und entstehende Spannungen höchstens geringfügig auf den Polarisationsstrahlteiler 2 und damit auf die optisch wirksamen Flächen übertragen werden. Vorteilhaft können an dem Halteteil 6 zusätzlich zu dem Polarisationsstrahlteiler 2 auch weitere Strahlteiler, über welche eine Strahlteilung erfolgt, angesetzt sein.
Fig. 1 c zeigt eine zweite Ausführung einer Polarisationsstrahlteilerbaugruppe, in der an den gegenüberliegenden Enden eines länglichen quaderförmigen Halteteiles 6 zum einen der Polarisationsstrahlteiler 2 und zum anderen ein weiterer Strahlteiler, der kein Polarisationsstrahlteiler 2 sein muss, angebracht ist. Indem die beiden Strahlteilerschichten, z. B. zur Strahlteilung von Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge z. B. 193 nm und eine beliebige andere Wellenlänge ausgelegt sind oder beide für nur eine Wellenlänge z. B. 193 nm mit unterschiedlichen Teilungsverhältnissen, kann die Polarisationsstrahlteilerbaugruppe für zwei verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, indem der Polarisationsstrahlteiler 2 und der weitere Strahlteiler alternativ in den Strahlgang eines optischen Systems eingefügt werden.
Grundsätzlich ist es nicht zwingend, dass der Polarisationsstrahlteiler 2 ein Polarisationsstrahlteiler für UV-Strahlen ist, jedoch wäre der Aufwand, der mit dem beschrieben Verfahren für Polarisationsstrahlteiler, die nicht für den UV-Bereich vorgesehen sind, nicht gerechtfertigt. Es versteht sich, dass gegebenenfalls der Klebstoff dann auch nicht UV-resistent sein muss.
Die Ausführung des Halteteiles 6 in Form eines Quaders, und wie in den Figuren dargestellt, mit einer gleichen Querschnittsgröße, ist von Vorteil aber nicht zwingend. Insbesondere könnte der Querschnitt auch kleiner gewählt werden, als der angrenzende Querschnitt des Polarisationsstrahlteilers 2. Eine Fassung für die Polarisationsstrahlteilerbaugruppe wird in jedem Fall mit dieser über die freien Seitenflächen des Halteteiles 6 mechanisch verbunden sein.
Eine vorbenannte Polarisationsstrahlteilerbaugruppe wird wie folgt hergestellt:
In einem ersten Arbeitsschritt werden zwei optische Prismen 1 aus Quarzglas mit je einer Fügefläche 5 zur Verfügung gestellt, die über ihre Fügeflächen zusammengefügt einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler 2 bilden. Die Dimensionierung der Abmessungen ist durch den Strahlquerschnitt des zu teilenden Strahles bestimmt, sodass dieser weder begrenzt wird, noch dass die optisch wirksamen Flächen wesentlich größer als notwendig sind.
Vorteilhaft ist der Polarisationsstrahlteiler 2 ein Würfel, womit die optischen Prismen 1 Halbwürfelprismen sind. Die Hypotenusenfläche, welche die Fügefläche bildet, schließt dann mit einer angrenzenden Seitenfläche einen Winkel von 45° ein.
Die optischen Prismen 1 werden an ihren Fügeflächen und den optisch wirksamen Seitenflächen sowie einer optisch nicht wirksamen Seitenfläche, über welche eine Verbindung zu einem Halteteil hergestellt werden soll, poliert. Dabei wird bei wiederholter interferometrischer Prüfung poliert bis eine vorgegebene Ausgangstoleranz der Ebenheit erreicht ist.
In einem nächsten Arbeitsschritt wird auf eine der beiden vorbereiteten Fügeflächen eine mehrlagige Teilerschicht aufgetragen, die mit einer abdeckenden Lage aus Si02 endet. Die Lagen bestehen alternierend aus einem für die Wellenlänge des zu teilenden Strahles transparenten Material mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Über das Schichtdesign der Teilerschicht 4 kann auch das Verhältnis von reflektierter und transmittierter Strahlung eingestellt werden. Das Auftragen der Teilerschicht 4 erfolgt in der Regel durch Aufdampfen der einzelnen Lagen nacheinander.
Nach Fertigung der Teilerschicht 4 wird die abdeckende Lage fachmännisch durch eine geeignete Technologie bearbeitet. Mit der Bearbeitung wird die Kontaktverbindung zwischen den beiden optischen Prismen 1 entscheidend verbessert.
Anschließend wird das nicht mit der Teilerschicht 4 versehene optische Prisma 1 über seine Fügefläche an das mit der Teilerschicht 4 versehene Prisma 1 , genauer an die abdeckende Lage, angesprengt.
Die beiden optischen Prismen 1 bilden nun einen Polarisationsstrahlteiler 2 in Form eines quasimonolithischen Quaders.
In einem nächsten Arbeitsschritt wird ein Halteteil 6 aus Quarzglas zur Verfügung gestellt und mit dem Polarisationsstrahlteiler 2 über eine optisch nicht wirksame Seitenfläche mittels eines UV-resistenten Klebstoffes verbunden.
Danach werden, je nachdem ob beide Teilstrahlen oder nur der transmittierte Teilstrahl von Interesse ist, beide oder nur eine der als Austrittsflächen wirkenden Seitenflächen 3.5, 3.6 bearbeitet, um eine Wellenfrontdeformation eines durchtretenden Teilstrahles zu reduzieren. Dazu wird fachmännisch über eine interferometrische Prüfung ermittelt, welche lokalen Bereiche von den Austrittsflächen 3.5, 3.6 nachgearbeitet werden müssen, um eine Wellenfrontdeformation kleiner/gleich einer vorgegebenen, maximalen Wellenfrontdeformation zu gewährleisten und diese mit lokaler Politur oder einem lonenstrahl zu bearbeiten.
Die Wellenfrontdeformation an den Austrittsflächen 3.5, 3.6 ergibt sich durch Addition der Wellenfrontdeformationen an in Durchstrahlrichtung vorangehenden, jeweils für die Teilstrahlen optisch wirksamen Flächen.
Die Politur nach der Verbindung mit dem Halteteil 6, hat den Effekt, dass eine Verschlechterung der Wellenfrontdeformation infolge von Verspannungen, die bei der Verbindung des Halteteils 6 mit dem Polarisationsstrahlteiler 2 im Polarisationsstrahlteiler 2 entstehen, ausgeglichen werden können.
Abschließend wird auf die Austrittsflächen 3.5, 3.6 und die Eintrittsfläche 3.4 eine Antireflexionsschicht aufgetragen.
Im Ergebnis entsteht eine Polarisationsstrahlteilerbaugruppe, die im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Polarisationsstrahlteiler für einen UV- Strahl, der unmittelbar in einer Fassung gehalten wird, um ihn in den Strahlengang eines optischen Systems einfügen zu können, eine geringere und definierte Wellenfronttransformation bewirkt.
Prisma
Polarisationsstrahlteiler
vierte Seitenfläche (Eintrittsfläche) fünfte Seitenfläche (Auftrittsfläche) sechste Seitenfläche (Austrittsfläche)
Teilerschicht
Fügefläche
Halteteil
Winkel

Claims

Patentansprüche
1 . Quasimonolithische Polarisationsstrahlteilerbaugruppe für einen UV-Strahl, bestehend aus zwei optischen Prismen (1 ) aus Quarzglas die zusammengefügt einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler (2) bilden, dessen Seitenflächen, optisch nicht wirksame Seitenflächen, eine Eintrittsfläche (3.4) für einen UV-Strahl, eine Austrittsfläche (3.5) für einen an einer mehrlagigen Teilerschicht (4) reflektierten Teilstrahl und eine Austrittsfläche (3.6) für einen durch die Teilerschicht (4) transmittierten Teilstrahl bilden, wobei die Hypotenusenflächen der beiden optischen Prismen (1 ) je eine Fügefläche (5) darstellen und auf eine der beiden Fügeflächen (5) die mehrlagige Teilerschicht (4) aufgetragen ist, die mit einer abdeckenden Lage aus Si02, an die freie, andere Fügefläche (5) angesprengt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass ein quaderförmiges Halteteil (6) aus Quarzglas vorhanden ist, welches keine optisch wirksamen Flächen aufweist und über eine optisch nicht wirksame Seitenfläche des Polarisationsstrahlteilers (2) mittels eines UV- resistenten Klebstoffes mit diesem in Verbindung stehend die Polarisationsstrahlteilerbaugruppe bildet, sodass die
Polarisationsstrahlteilerbaugruppe über freie Seitenflächen des Halteteils (6) gefasst werden kann, um den Polarisationsstrahlteiler (2) in einem optischen System anordnen zu können.
2. Quasimonolithische Polarisationsstrahlteilerbaugruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass an dem Halteteil (6) zusätzlich zu dem Polarisationsstrahlteiler (2) auch weitere Strahlteiler, über welche eine Strahlteilung erfolgt, angesetzt sind.
3. Verfahren zur Herstellung einer quasimonolithischen Polarisationsstrahlteilerbaugruppe gemäß Anspruch 1 ,
bei dem zwei optische Prismen (1 ) aus Quarzglas mit je einer Fügefläche (5) zur Verfügung gestellt werden, die über ihre Fügeflächen (5) zusammengefügt einen quaderförmigen Polarisationsstrahlteiler (2) bilden, auf eine der beiden Fügeflächen (5) eine mehrlagige Teilerschicht (4) aufgetragen wird, die eine abdeckende Lage aus Si02 aufweist,
die freie Fügefläche (5) angesprengt wird, womit der
Polarisationsstrahlteiler (2) entsteht und auf wenigstens eine als Austrittsfläche
(3.5), (3.6) wirkende Seitenfläche des Polarisationsstrahlteilers (2) eine
Antireflexionsschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Halteteil (6) aus Quarzglas zur Verfügung gestellt wird und der
Polarisationsstrahlteiler (2) über eine optisch nicht wirksame Seitenfläche mittels eines UV-resistenten Klebstoffes mit dem Halteteil (6) verbunden wird und anschließend
wenigstens eine der als Austrittsflächen (3.5), (3.6) wirkenden Seitenflächen poliert wird.
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