一種真空紫外雷射線寬的測量裝置製造方法
2023-12-01 06:51:11
一種真空紫外雷射線寬的測量裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種真空紫外雷射線寬的測量裝置，其中：真空腔系統包括腔體和入射窗口，光束準直系統、幹涉元件和探測元件均置於所述腔體內；所述入射窗口用於入射真空紫外雷射；光束準直系統用於對入射的真空紫外雷射進行準直；所述幹涉元件為楔形劈尖，用於將準直後的真空紫外雷射反射形成兩束相干光束，在探測元件表面產生幹涉條紋；所述探測元件用於採集所述幹涉條紋的信息；數據處理系統用於採集和處理所述探測元件獲得的幹涉條紋的信息，得到所述真空紫外雷射的線寬。本實用新型解決了現有技術中對于波長小於185nm的真空紫外雷射無法直接測量線寬的技術問題，光學結構簡單，性能穩定，對連續、準連續和脈衝真空紫外雷射均可實時測量。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及雷射【技術領域】，尤其涉及一種真空紫外雷射線寬的測量裝置。 一種真空紫外雷射線寬的測量裝置
【背景技術】
[0002] 雷射技術是二十世紀最偉大的發明之一，自1960年第一臺雷射器發明以來，它對 光學及其它多學科的發展產生了極其深遠的影響。雷射線寬是指雷射譜線的半高全寬，是 雷射的一項重要參數。許多應用中都需要精確、快速地測量所用雷射的線寬，比如光譜分析 中必須考慮雷射線寬對光譜測量的影響。
[0003] 目前，測量雷射線寬的方法主要有光柵衍射法、幹涉法和拍頻法。其中光柵衍射法 測量精度較低，只可測量大於GHz量級的雷射線寬；拍頻法精度最高，可測量KHz量級雷射 線寬，但測量裝置複雜。幹涉法主要包括F-P固定幹涉法和F-P掃描幹涉法，其中F-P固定 幹涉法需調節F-P腔鏡，實驗操作不方便；F-P掃描幹涉法只適於連續和準連續雷射測量。
[0004] 真空紫外（vacuum ultraviolet, VUV)對應電磁波譜中波長約為40?185nm的區 域，由於該波段的光在空氣中吸收較大，只能在真空或惰性氣體條件下傳輸，因此被稱為真 空紫外。由於νυν波長短、光子能量高，因而在高解析度成像、光譜應用、微細加工等諸多領 域具有重要的應用價值，是國際光電子領域最重要的發展方向之一。真空紫外區域存在著 大量的原子共振線，輻射與物質相互作用時，在很短的距離內便被吸收，物質表現出強烈的 吸收特性。真空紫外雷射在空氣中傳播時會被氧氣強烈吸收，所以真空紫外雷射的產生及 應用一般在真空或惰性氣體環境中進行。由於真空系統往往比較複雜，真空紫外波段的光 學元件鍍膜困難，並且傳感器件需特殊製造等原因，對于波長小於185nm的真空紫外雷射， 目前沒有可用的儀器直接測量其線寬。比如，德國HighFinesse公司生產的WS系列波長計 可同時測量雷射波長和線寬，最短可測波長為192nm;白俄羅斯Solar公司SHR系列雷射波 長計，最短可測波長為190nm，以上方法均無法測量波長小於185nm的真空紫外雷射。 實用新型內容
[0005](一）要解決的技術問題
[0006] 本實用新型提供一種真空紫外雷射線寬的測量裝置，以解決在真空紫外雷射的波 長範圍內無法直接測量雷射線寬的技術問題。
[0007] (二）技術方案
[0008] 為解決上述技術問題，本實用新型提供一種真空紫外雷射線寬的測量裝置，包括： 真空腔系統、光束準直系統、幹涉元件、探測元件和數據處理系統；
[0009] 所述真空腔系統包括腔體和入射窗口，所述腔體內為真空或充滿對真空紫外雷射 吸收較低的氣體，用於防止真空紫外雷射被吸收，所述光束準直系統、幹涉元件和探測元件 均置於所述腔體內；所述入射窗口位於所述腔體的腔壁上，用於入射真空紫外雷射；
[0010] 所述光束準直系統用於對入射的真空紫外雷射進行準直；
[0011] 所述幹涉元件為楔形劈尖，用於將準直後的真空紫外雷射反射形成兩束相干光 束，在所述探測元件表面產生幹涉條紋；
[0012] 所述探測元件為真空紫外波段可用的探測器，用於採集所述幹涉條紋的信息；
[0013] 所述數據處理系統在所述腔體外，與所述探測元件相連，用於採集和處理所述探 測元件獲得的幹涉條紋的信息，得到所述真空紫外雷射的線寬。
[0014] 進一步地，
[0015] 所述幹涉元件包括：兩個光學平板和帶小楔角的兩個光學材料墊塊，所述兩個光 學材料墊塊分別夾在所述兩個光學平板的內側兩端，形成空心楔形空間；
[0016] 所述兩個光學平板的不鍍膜的內表面和所述空心楔形空間構成所述幹涉元件的 幹涉腔。
[0017] 進一步地，
[0018] 所述光學材料墊塊為：石英墊塊，或氟化鈣墊塊，或氟化鎂墊塊；
[0019] 所述兩個光學平板的材料為：氟化鈣、氟化鎂中的一種；
[0020] 若光學平板材料為氟化鎂，由於該材料有雙折射特性，則對入射光偏振態有一定 要求。
[0021] 所述光學材料墊塊與所述兩個光學平板之間採用光膠方法膠合為一體。
[0022] 進一步地，所述幹涉元件為：實心楔形劈尖，其兩個外表面和實體楔形空間構成所 述幹涉元件的幹涉腔。
[0023] 進一步地，
[0024] 所述實心楔形劈尖的材料為：氟化鈣、氟化鎂中的一種；
[0025] 若實心楔形劈尖的材料為氟化鎂，由於該材料有雙折射特性，則對入射光偏振態 有一定要求。
[0026] 進一步地，
[0027] 所述探測元件為真空紫外電荷耦合器件，或狹縫掃描式探測器；所述狹縫掃描式 探測器包括真空紫外光功率計和狹縫，所述真空紫外光功率計的探測面積大於所述幹涉條 紋的面積，所述狹縫位於所述真空紫外光功率計之前，長度方向平行於所述幹涉條紋，並在 測量時掃描覆蓋整個幹涉條紋區域；
[0028] 所述探測元件位於所述兩束相干光束的零剪切面上。
[0029] 進一步地，所述光束準直系統包括：
[0030] 會聚透鏡、準直透鏡和空間濾波器；所述會聚透鏡和所述準直透鏡共焦放置，用於 對入射的真空紫外雷射進行準直擴束；所述空間濾波器包括小孔，所述小孔位於所述會聚 透鏡和所述準直透鏡的焦點位置，用於對經過會聚透鏡的真空紫外雷射進行小孔濾波；
[0031] 或，會聚透鏡、準直凹面鏡和空間濾波器；所述會聚透鏡和所述準直凹面鏡共焦放 置，用於對入射的真空紫外雷射進行準直擴束；所述空間濾波器包括小孔，所述小孔位於所 述會聚透鏡和所述準直凹面鏡的焦點位置，用於對經過會聚透鏡的真空紫外雷射進行小孔 濾波。
[0032] 進一步地，
[0033] 所述腔體內為真空或充滿對真空紫外雷射吸收較低的氣體。
[0034] 進一步地，所述裝置還包括：
[0035] 分光鏡，置於所述光束準直系統和所述幹涉元件之間，與準直後的真空紫外雷射 的光路成45度夾角，用於將準直後的真空紫外雷射透射至所述幹涉元件，並將所述幹涉元 件反射的兩束相干光束反射至所述探測元件表面；
[0036] 和/或，柱狀透鏡，置於所述幹涉元件和所述探測元件之間，用於將所述兩束相干 光束聚焦至探測元件的表面。
[0037] 進一步地，所述數據處理系統還用於：
[0038] 通過採集和處理所述探測元件獲得的幹涉條紋的信息，得到所述幹涉條紋的對比 度，根據所述幹涉條紋的對比度計算所述真空紫外雷射的線寬。
[0039] (三）有益效果
[0040] 可見，在本實用新型提供的真空紫外雷射線寬的測量裝置中，可以利用楔形劈尖 幹涉元件通過Fizeau幹涉原理對真空紫外雷射線寬進行測量，根據所獲得的兩束相干光 束的幹涉條紋信息來獲得真空紫外雷射的線寬，解決了現有技術中對于波長小於185nm的 真空紫外雷射無法直接測量雷射線寬的技術問題。本實用新型光學結構簡單，性能穩定，響 應速度快，對連續、準連續和脈衝真空紫外雷射均可實時測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041] 為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是 本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下， 還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0042] 圖1是本實用新型實施例真空紫外雷射線寬的測量裝置的基本結構示意圖；
[0043] 圖2是本實用新型實施例真空紫外雷射線寬的測量裝置的相干光束形成示意圖；
[0044] 圖3是本實用新型實施例1真空紫外雷射線寬的測量裝置的結構示意圖；
[0045] 圖4是本實用新型實施例2真空紫外雷射線寬的測量裝置的結構示意圖；
[0046] 圖5是本實用新型實施例3真空紫外雷射線寬的測量裝置的結構示意圖；
[0047] 圖6是本實用新型實施例4真空紫外雷射線寬的測量裝置的結構示意圖；
[0048] 圖7是本實用新型實施例5真空紫外雷射線寬的測量裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0049] 為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新 型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描 述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施 例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於 本實用新型保護的範圍。
[0050] 本實用新型實施例首先提出一種真空紫外雷射線寬的測量裝置，參見圖1，包括： 真空腔系統1、光束準直系統2、幹涉元件3、探測元件4和數據處理系統5 ;
[0051] 所述真空腔系統1包括腔體1-1和入射窗口 1-2,所述腔體1-1內為真空或充滿對 真空紫外雷射吸收較低的氣體，用於防止真空紫外雷射被吸收，所述光束準直系統2、幹涉 元件3和探測元件4均置於所述腔體1-1內；所述入射窗口 1-2位於所述腔體1-1的腔壁 上，用於入射真空紫外雷射；
[0052] 所述光束準直系統2用於對入射的真空紫外雷射進行準直；
[0053] 所述幹涉元件3為楔形劈尖，用於將準直後的真空紫外雷射反射形成兩束相干光 束，在所述探測元件4表面產生幹涉條紋；
[0054] 所述探測元件4為真空紫外波段可用的探測器，用於採集所述幹涉條紋的信息；
[0055] 所述數據處理系統5在所述腔體1-1外，與所述探測元件4相連，用於採集和處理 所述探測元件獲得的幹涉條紋的信息，得到所述真空紫外雷射的線寬。
[0056] 可見，在本實用新型實施例提供的真空紫外雷射線寬的測量裝置中，可以利用楔 形劈尖幹涉元件通過Fizeau幹涉原理對真空紫外雷射線寬進行測量，根據所獲得的兩束 相干光束的幹涉條紋信息來獲得真空紫外雷射的線寬，解決了現有技術中對于波長小於 185nm的真空紫外雷射無法直接測量雷射線寬的技術問題。
[0057] 在本實用新型的一個實施例中，優選地，幹涉元件3可以是：兩個光學平板和帶小 楔角的兩個光學材料墊塊。兩個光學材料墊塊分別夾在兩個光學平板的內側兩端，形成空 心楔形空間。以上兩個光學平板的不鍍膜的內表面和空心楔形空間共同構成幹涉元件3的 幹涉腔，用於把真空紫外雷射反射為兩束相干光束。
[0058] 在本實用新型的另一個實施例中，優選地，光學材料墊塊可以是：石英墊塊，或氟 化鈣墊塊，或氟化鎂墊塊等利用常見光學材料製成的墊塊。而製造兩個光學平板的材料可 以是：氟化鈣、氟化鎂等在真空紫外波段透過率較高的材料。兩個光學平板的不鍍膜的內表 面的粗糙度可以小於真空紫外雷射的波長的1/5。兩個光學材料墊塊和兩個光學平板之間 可以米用光膠方法膠合為一體。
[0059] 在本實用新型的一個實施例中，優選地，幹涉元件3還可以是實心楔形劈尖，其兩 個外表面和實體楔形空間構成幹涉元件3的幹涉腔。製造實心楔形劈尖的材料可以是：氟 化鈣、氟化鎂中的一種。實心楔形劈尖的兩個外表面的粗糙度可以小於真空紫外雷射的波 長的1/5。
[0060] 在本實用新型的另一個實施例中，優選地，探測元件4可以是真空紫外電荷耦合 器件（VUV CCD)，或狹縫掃描式探測器。其中狹縫掃描式探測器可以包括真空紫外光功率計 和狹縫，真空紫外光功率計的探測面積大於所形成的幹涉條紋的面積，狹縫位於真空紫外 光功率計之前，長度方向平行於幹涉條紋，並在測量時滿足狹縫掃描覆蓋整個幹涉條紋區 域。為了減小準直或其他因素造成的波前誤差對測量結果的影響，優選地，探測元件4可以 位於兩束相干光束的零剪切面上。零剪切面是一個過兩相干光束的交點且垂直於兩束相干 光束夾角平分線的平面。
[0061] 在本實用新型的一個實施例中，優選地，光束準直系統2可以包括：會聚透鏡、準 直透鏡和空間濾波器；其中會聚透鏡和準直透鏡共焦放置，用於對入射的真空紫外雷射進 行準直擴束；空間濾波器包括小孔，小孔位於會聚透鏡和準直透鏡的焦點位置，用於對經過 會聚透鏡的真空紫外雷射進行小孔濾波，使出射的平行光達到較高的波面質量，減小測量 誤差。另外，準直透鏡還可以替換為準直凹面鏡。
[0062] 在本實用新型的另一個實施例中，優選地，真空腔系統1的腔體1-1內可以充滿對 真空紫外雷射吸收較低的氣體，或抽真空，以防止入射的真空紫外雷射被吸收。
[0063] 在本實用新型的一個實施例中，優選地，測量裝置還可以包括：分光鏡，置於光束 準直系統2和幹涉元件3之間，與準直後的真空紫外雷射的光路成45度夾角，用於將準直 後的真空紫外雷射透射至幹涉元件3,並將幹涉元件3反射的兩束相干光束反射至探測元 件4的表面。在本實用新型的另一個實施例中，優選地，測量裝置還可以包括柱狀透鏡，置 於幹涉元件3和探測元件4之間，用於將兩束相干光束聚焦至探測元件4的表面。
[0064] 在本實用新型的一個實施例中，入射的真空紫外雷射經過準直擴束後，被幹涉元 件3反射形成兩束小角度交叉的相干光束，並在探測元件4表面形成等間距的幹涉條紋。圖 2為經幹涉元件3的幹涉腔反射形成兩束相干光束的示意圖，其中經光束準直系統2準直後 的光束分別由幹涉腔3-1的上下兩個表面反射，即可形成小角度交叉的兩束相干光束，兩 束相干光束相交於探測元件4的表面，在探測元件4表面形成幹涉條紋。優選地，數據處理 系統5可以用於：通過採集和處理探測元件4獲得的幹涉條紋的信息，得到幹涉條紋的對比 度，然後根據幹涉條紋的對比度計算真空紫外雷射的線寬。數據處理系統5可以由數據採 集卡和PC端數據處理軟體組成。
[0065] 由幹涉條紋對比度計算雷射線寬的原理（Christopher Reiser, Peter Esherick,Robert B.Lopert, ^Laser-1 inewidth measurement with a Fizeau wavemeter"，1988(13) :981)如下：
[0066] 對於嚴格的單色光，幹涉條紋歸一化光強分布可以描述為
[0067] I (X) = {1-cos [2 π (L+2xtan a ) v0]}/2 (1)
[0068] 其中，為入射光的波數，L/2為Fizeau劈尖厚度，α為劈尖夾角，x為沿條紋 分布方向的距離。
[0069] 對於線寬為b的Gaussian線型雷射光源，幹涉條紋歸一化光強分布為
[0070]
【權利要求】
1. 一種真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於，包括：真空腔系統、光束準直系 統、幹涉元件、探測元件和數據處理系統； 所述真空腔系統包括腔體和入射窗口，所述腔體內為真空或充滿對真空紫外雷射吸收 較低的氣體，用於防止真空紫外雷射被吸收，所述光束準直系統、幹涉元件和探測元件均置 於所述腔體內；所述入射窗口位於所述腔體的腔壁上，用於入射真空紫外雷射； 所述光束準直系統用於對入射的真空紫外雷射進行準直； 所述幹涉元件為楔形劈尖，用於將準直後的真空紫外雷射反射形成兩束相干光束，在 所述探測元件表面產生幹涉條紋； 所述探測元件為真空紫外波段可用的探測器，用於採集所述幹涉條紋的信息； 所述數據處理系統在所述腔體外，與所述探測元件相連，用於採集和處理所述探測元 件獲得的幹涉條紋的信息，得到所述真空紫外雷射的線寬。
2. 根據權利要求1所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於： 所述幹涉元件包括：兩個光學平板和帶小楔角的兩個光學材料墊塊，所述兩個光學材 料墊塊分別夾在所述兩個光學平板的內側兩端，形成空心楔形空間； 所述兩個光學平板的不鍍膜的內表面和所述空心楔形空間構成所述幹涉元件的幹涉 腔。
3. 根據權利要求2所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於： 所述光學材料墊塊為：石英墊塊，或氟化鈣墊塊，或氟化鎂墊塊； 所述兩個光學平板的材料為：氟化鈣、氟化鎂中的一種； 所述光學材料墊塊與所述兩個光學平板之間採用光膠方法膠合為一體。
4. 根據權利要求1所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於，所述幹涉元件 為：實心楔形劈尖，其兩個外表面和實體楔形空間構成所述幹涉元件的幹涉腔。
5. 根據權利要求4所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於： 所述實心楔形劈尖的材料為：氟化鈣、氟化鎂中的一種。
6. 根據權利要求1所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於： 所述探測元件為真空紫外電荷耦合器件，或狹縫掃描式探測器；所述狹縫掃描式探測 器包括真空紫外光功率計和狹縫，所述真空紫外光功率計的探測面積大於所述幹涉條紋的 面積，所述狹縫位於所述真空紫外光功率計之前，長度方向平行於所述幹涉條紋，並在測量 時掃描覆蓋整個幹涉條紋區域； 所述探測元件位於所述兩束相干光束的零剪切面上。
7. 根據權利要求1所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於，所述光束準直 系統包括： 會聚透鏡、準直透鏡和空間濾波器；所述會聚透鏡和所述準直透鏡共焦放置，用於對入 射的真空紫外雷射進行準直擴束；所述空間濾波器包括小孔，所述小孔位於所述會聚透鏡 和所述準直透鏡的焦點位置，用於對經過會聚透鏡的真空紫外雷射進行小孔濾波； 或，會聚透鏡、準直凹面鏡和空間濾波器；所述會聚透鏡和所述準直凹面鏡共焦放置， 用於對入射的真空紫外雷射進行準直擴束；所述空間濾波器包括小孔，所述小孔位於所述 會聚透鏡和所述準直凹面鏡的焦點位置，用於對經過會聚透鏡的真空紫外雷射進行小孔濾 波。
8. 根據權利要求1所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於： 所述腔體內為真空或充滿對真空紫外雷射吸收較低的氣體。
9. 根據權利要求1所述的真空紫外雷射線寬的測量裝置，其特徵在於，所述裝置還包 括： 分光鏡，置於所述光束準直系統和所述幹涉元件之間，與準直後的真空紫外雷射的光 路成45度夾角，用於將準直後的真空紫外雷射透射至所述幹涉元件，並將所述幹涉元件反 射的兩束相干光束反射至所述探測元件表面； 和/或，柱狀透鏡，置於所述幹涉元件和所述探測元件之間，用於將所述兩束相干光束 聚焦至探測元件的表面。
【文檔編號】G01J9/02GK203848938SQ201420070415
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年2月18日 優先權日:2014年2月18日
【發明者】宗楠, 趙巍, 許祖彥, 彭欽軍, 張申金, 楊峰, 王志敏, 張豐豐 申請人:中國科學院理化技術研究所