一種包含新型放電腔的雷射光源系統的製作方法

2023-06-01 16:57:01 1

專利名稱：一種包含新型放電腔的雷射光源系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於氣體雷射技術領域，具體涉及一種包含新型放電腔的雷射光源系統。
背景技術：
雷射光源的輸出光束質量是光源的基礎特性。輸出光束質量特性包括雷射能量、重頻、線寬等。對氣體放電雷射光源，特別是光刻用準分子雷射光源而言，大能量、高重頻、窄線寬等是雷射光源的基本特性要求。目前大能量、高重頻特性主要受雷射光源系統的電源部件性能影響，窄線寬主要受雷射光源系統的光學部件性能影響。氣體放電雷射光源的核心關鍵部件就是放電腔。放電腔具有一定腔型，維持其內部工作氣體的正常放電和系統穩定出光。現有腔型一般分為圓形腔和環形腔兩種形式。這兩種形式一般都只含有一對電極和一個出光口 ；當電源部件、光學部件等確定後整個雷射光源系統的輸出能量和重複頻率也就相應確定。也就是說，電源等外部條件的性能發展水平限制了雷射光源系統的更大能量、更高重頻的發展要求；當電源等達到極限水平後，現有的腔型無法提升雷射光源系統的能量和重頻的幅值。另外，眾所周知，每次高壓電源的放電都需要該高壓電源對應的外圈上電極和內圈上任一電極正對著(偏移誤差越小出光效果越好)。為實現外圈上的電極和內圈上的電極正對著，現有的雷射器內外圈均固定不動，從而保證了陰陽電極的對準，而由放電腔內的風機來確保陰陽電極間(放電區域)工作氣體的流動。為實現由風機確保陰陽電極間的工作氣體流動，就對放電區域的流速有一定要求。為確保雷射器在高重頻下正常工作，避免電極放電不均勻，需要將放電區域中前一次放電的殘餘氣體完全清掃乾淨，定義氣體清掃率C為相鄰兩次正常放電的氣體介質間距d與正常放電的氣體介質寬度a之比，對準分子雷射器一般C大於等於3,這樣放電區域流速V = dXf = CXaXf,f為電源的放電頻率,也就是雷射輸出的重複頻率，a由要求的輸出雷射光斑尺寸來決定。可見，外圈和內圈均固定不動的雷射器設計對由風機確保工作氣體流動性有較高要求，導致實現上存在困難。

實用新型內容(一 )要解決的技術問題本實用新型立足於現有高壓脈衝電源等技術，提出了一種包含新型放電腔的雷射光源系統，通過改變放電腔外圈的高壓電源及電極數量和位置、放電腔內圈的電極數量和位置、內圈旋轉速度、放電腔外圈的高壓電源放電時序，使更大能量和更高重頻的雷射輸出成為可能。同時，本實用新型提出的包含新型放電腔的雷射光源系統還解決了放電腔外圈和內圈均固定不動，導致對工作氣體流動性要求高的缺陷。( 二 )技術方案本實用新型提出一種氣體放電雷射光源系統，所述氣體放電雷射光源系統由放電腔、聚光模塊和線寬壓窄模塊組成，其中，所述放電腔由內、外兩圈組成；所述外圈安裝有多個高壓電源及電極，每個高壓電源對應一個所述外圈上安裝的電極；所述內圈由電機帶著旋轉，並且所述內圈上安裝有多個電極；所述內圈上安裝的電極與所述外圈上安裝的電極形成陰陽電極。(三)有益效果本實用新型通過改變放電腔外圈的高壓電源及電極數量和位置、放電腔內圈的電極數量和位置、內圈旋轉速度、放電腔外圈的高壓電源放電時序，使更大能量和更高重頻的雷射輸出成為可能。

圖1是本實用新型的放電腔截面圖；圖2是本實用新型的雷射光源系統圖；圖3是本實用新型的一個實施例的放電電極布置圖；圖4是本實用新型的一個實施例的聚光模塊示意圖；圖5是本實用新型的一個實施例的線寬壓窄模塊圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本實用新型作進一步的詳細說明。一種包含新型放電腔的雷射光源系統，由放電腔、聚光模塊和線寬壓窄模塊組成。其中新型放電腔由內、外兩圈組成。外圈固定不動，安裝有多個高壓電源及電極，每個高壓電源I對應一個所述外圈上安裝的電極。內圈由電機帶著以一定轉速旋轉，並且所述內圈上安裝有多個電極，所述內圈上安裝的電極與所述外圈上安裝的電極形成陰陽電極。在內外圈之間布置有熱交換器3。腔體內部密封有工作氣體。現在市面上轉子最高轉速可達到十幾萬rpm，本實用新型中轉速(在十幾萬rmp之內)由用戶要求的能量、重頻、高壓電源及電極數量、高壓電源放電時序等協同決定，並且，根據上述因素決定轉速大小是本領域的現有技術。現有技術中決定轉速大小的方式具體可以為:內圈的轉速需要滿足氣體清掃率C大於等於3的要求。例如，雷射器輸出光斑寬度要求為4mm,即a = 4mm,重複頻率f = 8kHz,則放電區域流速V需不小於96m/s,當內圈直徑為200mm,且內外圈以相同速度一起轉動時，需一起轉動的轉速不小於9167rpm，若僅內圈轉動外圈不轉時需內圈轉動的轉速不小於18334rpm(18334rpm是由內外圈之間工作氣體流速近似均勻變化的假設得到的，實際上固定不動的外圈上的電極處會存在嚴重的壁面效應、會有嚴重的熱積累破壞放電和出光的效果，所以若僅考慮雷射效果的話應使內圈轉速越大越好，但需在現有的轉子最高十幾萬rpm以內)。放電腔4截面圖如圖1所示。放電腔由內外兩圈組成。外圈固定不動,其形狀可以為圓形、橢圓形、矩形等任意形狀；其上安裝有多個高壓電源I及電極，每個高壓電源I對應一個所述外圈上安裝的匹配電極，且其電極頭與內圈上安裝的電極頭相對距離一致，確保放電區間尺寸一致，在高壓電源I相同的前提下確保光斑尺寸一致從而有利於提高雷射輸出特性。內圈由電機帶看以一定轉速旋轉，其形狀為圓形，其上安裝有多個電極，與外圈上安裝的電極形成陰陽電極並通過高壓放電產生雷射。外圈高壓電源的每次脈衝放電都需要在外圈上電極與旋轉內圈上電極正對著時發生，即高壓電源I的脈衝放電頻率需與內圈旋轉轉速相匹配。在內外圈之間布置有熱交換器3，用以耗散腔內的高熱量，維持腔體及其內部放電氣體的工作溫度。腔體內部密封有工作氣體，可以調節工作氣體的成分、壓強和配比來輸出所要求的雷射；如但不限如的舉例，當內部工作氣體為F2、He、Ar、Ne等混合氣體時，可以輸出波長為193nm的雷射。實際使用時需要將輸出能量和重複頻率綜合考慮，通過調整各高壓電源I的時序來得到理想的能量和重頻；若高壓電源I每次脈衝放電都在陰陽電極正對著的情況下(可通過調整外圈上高壓電源I及電極的數量和位置、內圈上電極的數量和位置、內圈旋轉速度來實現)，η個高壓電源I同時放電可在確保雷射重複頻率不變(等於電源脈衝放電頻率)的情況下將雷射輸出能量增加到一個高壓電源I放電時的η倍，η個高壓電源I均勻錯時放電可在確保雷射輸出能量不變(等於單對電極放電時的雷射輸出能量)的情況下將雷射重複頻率增加到一個高壓電源I放電時的η倍。雷射光源系統如圖2所示。主要由放電腔4、聚光模塊5和線寬壓窄模塊6組成。為滿足輸出雷射的線寬要求，需要布置由稜鏡組和光柵組成的線寬壓窄模塊。由圖1放電腔的截面圖可知，雷射在陰陽電極之間、即放電腔內外圈之間的工作氣體中產生，出光位置位於放電腔內圈的外側。外圈上每個高壓電源I及其電極對應一個出光口 2，即有多少高壓電源就有多少出光口 2 ;為了獲得儘量多的雷射能量出光口 2尺寸應保證順利通過全部雷射光斑；出光口 2材料應儘可能減少雷射通過時的損耗，如對波長為193nm雷射，出光口應選用熔石英、氟化鎂或氟化鈣材料；出光口 2可為圓形、方形等。為避免每個出光口 2都安裝一個線寬壓窄模塊，在線寬壓窄模塊和放電腔之間需要布置一個聚光模塊，用以將周向的雷射都聚集到軸向輸出。所述軸向為圖1中內圈的旋轉軸。另外，在雷射光源系統的輸出端也需要布置有同樣的聚光模塊。圖2中示意放電腔內圈由兩個電機7分別從放電腔4的兩端驅動，當然也可以變換為由單個電機從放電腔的任意一端驅動。如但不限如的舉例，放電腔內一種典型的放電電極布置如圖3所示。圖中內圈接地，其上電極為陽極10 ;外圈上的電極為陰極8 ;高壓電源I提供負高壓，加載在陰極8上；陰極8端可布置預電離電極9，改善陰陽電極的放電性能。如但不限如的舉例，聚光模塊5的一種典型布置如圖4所示。聚光模塊5由兩個反射鏡組組成，包括一個初級反射鏡組和一個二級反射鏡組；放電腔的每個出光口都由一個初級反射鏡和一個二級反射鏡產生兩次反射，使雷射匯聚於旋轉軸上。圖4的聚光模塊5中的初級反射鏡與出光口對應，即每個出光口外面都有一個初級反射鏡將出光口輸出的雷射匯聚到內圈的旋轉軸上，在內圈的旋轉軸上布置有二級反射鏡，將雷射以內圈的旋轉軸為中心再次反射平行射出；初級反射鏡和二級反射鏡的相對位置和角度有嚴格要求，最終確保周向分散從各個出光口輸出的雷射轉換為以內圈的旋轉軸為中心的軸向匯聚雷射；初級反射鏡和二級反射鏡均為平面鏡，表面鍍反射膜，增大所輸出的雷射波長對應的反射率，減少雷射損耗。如但不限如的舉例，線寬壓窄模塊的一種典型布置如圖5所示。線寬壓窄模塊由稜鏡組12和光柵11組成。稜鏡組12由4塊稜鏡組成,光柵11為閃耀光柵；雷射通過稜鏡組擴束，射入光柵11上經過光柵11的特定波長反射實現雷射線寬的壓窄，達到雷射光源的線寬要求；壓窄後的雷射原路返回，經過雷射放電腔後從其另一側輸出(圖2中右側)。值得一提的是，本實用新型具體實施例中所描述的雷射光源系統均為放電腔的外圈固定不動、內圈轉動的方式，根據本實用新型的精神，也可以對本實用新型做進一步擴展，將放電腔設計為外圈和內圈均轉動，所述外圈和內圈的轉動速度可以相同，也可以不同，只需確保每次高壓電源放電時，都需要該高壓電源對應的外圈上電極和內圈上任一電極正對著。以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，並不用於限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種包含放電腔的雷射光源系統，其特徵在於，所述雷射光源系統由放電腔、聚光模塊和線寬壓窄模塊組成，其中， 所述放電腔由內、外兩圈組成； 所述外圈安裝有多個高壓電源及電極，每個高壓電源對應一個所述外圈上安裝的電極； 所述內圈由電機帶著旋轉，並且所述內圈上安裝有多個電極； 所述內圈上安裝的電極與所述外圈上安裝的電極形成陰陽電極。
2.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述高壓電源的脈衝放電頻率與所述內圈的旋轉轉速相匹配。
3.如權利要求2所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述高壓電源每次脈衝放電都在所述外圈上安裝的電極與所述內圈上安裝的電極正對著時發生。
4.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，雷射在陰陽電極之間、即放電腔內外圈之間的工作氣體中產生，出光位置位於放電腔內圈的外側。
5.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述內圈接地，其上電極為陽極；外圈上的電極為陰極；所述高壓電源提供負高壓，加載在所述陰極上。
6.如權利要求5所述的雷射光源系統，其特徵還在於，陰極端可布置預電離電極，改善陰陽電極的放電性能。
7.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述內圈由兩個電機帶動，所述兩個電機分別位於所述放電腔的兩端部。
8.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述內圈由單電機帶動，所述單電機位於所述放電腔的任意一端。
9.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述外圈的形狀為圓形、橢圓形、矩形。
10.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述內圈的形狀為圓形。
11.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述聚光模塊由兩個反射鏡組組成，放電腔的每個出光口都由兩個反射鏡產生兩次反射，使雷射匯聚於所述內圈的旋轉軸上。
12.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，所述線寬壓窄模塊由稜鏡組和光柵組成。
13.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，在所述內、外圈之間布置有熱交換器，用以耗散腔內的高熱量，維持腔體及其內部放電氣體的工作溫度。
14.如權利要求1所述的雷射光源系統，其特徵還在於，腔體內部密封有工作氣體。
專利摘要本實用新型公開了一種包含放電腔的雷射光源系統，屬於氣體雷射技術領域，解決了現有高壓脈衝電源中，因外部條件限制雷射光源系統更大能量、更高重頻的發展要求的技術問題。該雷射光源系統由放電腔、聚光模塊和線寬壓窄模塊組成。所述放電腔由內、外兩圈組成。所述外圈固定不動，安裝有多個高壓電源及電極，每個高壓電源對應一個所述外圈上安裝的電極。所述內圈由電機帶著旋轉，並且所述內圈上安裝有多個電極，所述內圈上安裝的電極與所述外圈上安裝的電極形成陰陽電極。本實用新型通過改變放電腔外圈的高壓電源及電極數量和位置、放電腔內圈的電極數量和位置、內圈旋轉速度、放電腔外圈的高壓電源放電時序，使更大能量和更高重頻的雷射輸出成為可能。
文檔編號H01S3/032GK203026784SQ20122046190
公開日2013年6月26日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者陳進新, 王宇 申請人:中國科學院光電研究院