專利名稱：一種包含新型放電腔的激光光源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種包含新型放電腔的激光光源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光光源的輸出光束質(zhì)量是光源的基礎(chǔ)特性。輸出光束質(zhì)量特性包括激光能量、重頻、線寬等。對氣體放電激光光源，特別是光刻用準(zhǔn)分子激光光源而言，大能量、高重頻、窄線寬等是激光光源的基本特性要求。目前大能量、高重頻特性主要受激光光源系統(tǒng)的電源部件性能影響，窄線寬主要受激光光源系統(tǒng)的光學(xué)部件性能影響。氣體放電激光光源的核心關(guān)鍵部件就是放電腔。放電腔具有一定腔型，維持其內(nèi)部工作氣體的正常放電和系統(tǒng)穩(wěn)定出光。現(xiàn)有腔型一般分為圓形腔和環(huán)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(dāng)電源部件、光學(xué)部件等確定后整個激光光源系統(tǒng)的輸出能量和重復(fù)頻率也就相應(yīng)確定。也就是說，電源等外部條件的性能發(fā)展水平限制了激光光源系統(tǒng)的更大能量、更高重頻的發(fā)展要求；當(dāng)電源等達(dá)到極限水平后，現(xiàn)有的腔型無法提升激光光源系統(tǒng)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(yīng)的外圈上電極和內(nèi)圈上任一電極正對著(偏移誤差越小出光效果越好)。為實(shí)現(xiàn)外圈上的電極和內(nèi)圈上的電極正對著，現(xiàn)有的激光器內(nèi)外圈均固定不動，從而保證了陰陽電極的對準(zhǔn)，而由放電腔內(nèi)的風(fēng)機(jī)來確保陰陽電極間(放電區(qū)域)工作氣體的流動。為實(shí)現(xiàn)由風(fēng)機(jī)確保陰陽電極間的工作氣體流動，就對放電區(qū)域的流速有一定要求。為確保激光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(qū)域中前一次放電的殘余氣體完全清掃干凈，定義氣體清掃率C為相鄰兩次正常放電的氣體介質(zhì)間距d與正常放電的氣體介質(zhì)寬度a之比，對準(zhǔn)分子激光器一般C大于等于3,這樣放電區(qū)域流速V = dXf = CXaXf,f為電源的放電頻率,也就是激光輸出的重復(fù)頻率，a由要求的輸出激光光斑尺寸來決定?？梢姡馊蛢?nèi)圈均固定不動的激光器設(shè)計對由風(fēng)機(jī)確保工作氣體流動性有較高要求，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)上存在困難。

實(shí)用新型內(nèi)容(一 )要解決的技術(shù)問題本實(shí)用新型立足于現(xiàn)有高壓脈沖電源等技術(shù)，提出了一種包含新型放電腔的激光光源系統(tǒng)，通過改變放電腔外圈的高壓電源及電極數(shù)量和位置、放電腔內(nèi)圈的電極數(shù)量和位置、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)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激光輸出成為可能。同時，本實(shí)用新型提出的包含新型放電腔的激光光源系統(tǒng)還解決了放電腔外圈和內(nèi)圈均固定不動，導(dǎo)致對工作氣體流動性要求高的缺陷。( 二 )技術(shù)方案本實(shí)用新型提出一種氣體放電激光光源系統(tǒng)，所述氣體放電激光光源系統(tǒng)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(nèi)、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(yīng)一個所述外圈上安裝的電極；所述內(nèi)圈由電機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，并且所述內(nèi)圈上安裝有多個電極；所述內(nèi)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(shí)用新型通過改變放電腔外圈的高壓電源及電極數(shù)量和位置、放電腔內(nèi)圈的電極數(shù)量和位置、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)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激光輸出成為可能。

圖1是本實(shí)用新型的放電腔截面圖；圖2是本實(shí)用新型的激光光源系統(tǒng)圖；圖3是本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的放電電極布置圖；圖4是本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的聚光模塊示意圖；圖5是本實(shí)用新型的一個實(shí)施例的線寬壓窄模塊圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。一種包含新型放電腔的激光光源系統(tǒng)，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(nèi)、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(yīng)一個所述外圈上安裝的電極。內(nèi)圈由電機(jī)帶著以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，并且所述內(nèi)圈上安裝有多個電極，所述內(nèi)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(nèi)外圈之間布置有熱交換器3。腔體內(nèi)部密封有工作氣體?，F(xiàn)在市面上轉(zhuǎn)子最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到十幾萬rpm，本實(shí)用新型中轉(zhuǎn)速(在十幾萬rmp之內(nèi))由用戶要求的能量、重頻、高壓電源及電極數(shù)量、高壓電源放電時序等協(xié)同決定，并且，根據(jù)上述因素決定轉(zhuǎn)速大小是本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中決定轉(zhuǎn)速大小的方式具體可以為:內(nèi)圈的轉(zhuǎn)速需要滿足氣體清掃率C大于等于3的要求。例如，激光器輸出光斑寬度要求為4mm,即a = 4mm,重復(fù)頻率f = 8kHz,則放電區(qū)域流速V需不小于96m/s,當(dāng)內(nèi)圈直徑為200mm,且內(nèi)外圈以相同速度一起轉(zhuǎn)動時，需一起轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速不小于9167rpm，若僅內(nèi)圈轉(zhuǎn)動外圈不轉(zhuǎn)時需內(nèi)圈轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速不小于18334rpm(18334rpm是由內(nèi)外圈之間工作氣體流速近似均勻變化的假設(shè)得到的，實(shí)際上固定不動的外圈上的電極處會存在嚴(yán)重的壁面效應(yīng)、會有嚴(yán)重的熱積累破壞放電和出光的效果，所以若僅考慮激光效果的話應(yīng)使內(nèi)圈轉(zhuǎn)速越大越好，但需在現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子最高十幾萬rpm以內(nèi))。放電腔4截面圖如圖1所示。放電腔由內(nèi)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(yīng)一個所述外圈上安裝的匹配電極，且其電極頭與內(nèi)圈上安裝的電極頭相對距離一致，確保放電區(qū)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于提高激光輸出特性。內(nèi)圈由電機(jī)帶看以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，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并通過高壓放電產(chǎn)生激光。外圈高壓電源的每次脈沖放電都需要在外圈上電極與旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈上電極正對著時發(fā)生，即高壓電源I的脈沖放電頻率需與內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相匹配。在內(nèi)外圈之間布置有熱交換器3，用以耗散腔內(nèi)的高熱量，維持腔體及其內(nèi)部放電氣體的工作溫度。腔體內(nèi)部密封有工作氣體，可以調(diào)節(jié)工作氣體的成分、壓強(qiáng)和配比來輸出所要求的激光；如但不限如的舉例，當(dāng)內(nèi)部工作氣體為F2、He、Ar、Ne等混合氣體時，可以輸出波長為193nm的激光。實(shí)際使用時需要將輸出能量和重復(fù)頻率綜合考慮，通過調(diào)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每次脈沖放電都在陰陽電極正對著的情況下(可通過調(diào)整外圈上高壓電源I及電極的數(shù)量和位置、內(nèi)圈上電極的數(shù)量和位置、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn))，η個高壓電源I同時放電可在確保激光重復(fù)頻率不變(等于電源脈沖放電頻率)的情況下將激光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激光輸出能量不變(等于單對電極放電時的激光輸出能量)的情況下將激光重復(fù)頻率增加到一個高壓電源I放電時的η倍。激光光源系統(tǒng)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。為滿足輸出激光的線寬要求，需要布置由棱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，激光在陰陽電極之間、即放電腔內(nèi)外圈之間的工作氣體中產(chǎn)生，出光位置位于放電腔內(nèi)圈的外側(cè)。外圈上每個高壓電源I及其電極對應(yīng)一個出光口 2，即有多少高壓電源就有多少出光口 2 ;為了獲得盡量多的激光能量出光口 2尺寸應(yīng)保證順利通過全部激光光斑；出光口 2材料應(yīng)盡可能減少激光通過時的損耗，如對波長為193nm激光，出光口應(yīng)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，用以將周向的激光都聚集到軸向輸出。所述軸向?yàn)閳D1中內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)軸。另外，在激光光源系統(tǒng)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(nèi)圈由兩個電機(jī)7分別從放電腔4的兩端驅(qū)動，當(dāng)然也可以變換為由單個電機(jī)從放電腔的任意一端驅(qū)動。如但不限如的舉例，放電腔內(nèi)一種典型的放電電極布置如圖3所示。圖中內(nèi)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(fù)高壓，加載在陰極8上；陰極8端可布置預(yù)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(chǎn)生兩次反射，使激光匯聚于旋轉(zhuǎn)軸上。圖4的聚光模塊5中的初級反射鏡與出光口對應(yīng)，即每個出光口外面都有一個初級反射鏡將出光口輸出的激光匯聚到內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)軸上，在內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)軸上布置有二級反射鏡，將激光以內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)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(yán)格要求，最終確保周向分散從各個出光口輸出的激光轉(zhuǎn)換為以內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)軸為中心的軸向匯聚激光；初級反射鏡和二級反射鏡均為平面鏡，表面鍍反射膜，增大所輸出的激光波長對應(yīng)的反射率，減少激光損耗。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。線寬壓窄模塊由棱鏡組12和光柵11組成。棱鏡組12由4塊棱鏡組成,光柵11為閃耀光柵；激光通過棱鏡組擴(kuò)束，射入光柵11上經(jīng)過光柵11的特定波長反射實(shí)現(xiàn)激光線寬的壓窄，達(dá)到激光光源的線寬要求；壓窄后的激光原路返回，經(jīng)過激光放電腔后從其另一側(cè)輸出(圖2中右側(cè))。值得一提的是，本實(shí)用新型具體實(shí)施例中所描述的激光光源系統(tǒng)均為放電腔的外圈固定不動、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動的方式，根據(jù)本實(shí)用新型的精神，也可以對本實(shí)用新型做進(jìn)一步擴(kuò)展，將放電腔設(shè)計為外圈和內(nèi)圈均轉(zhuǎn)動，所述外圈和內(nèi)圈的轉(zhuǎn)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(yīng)的外圈上電極和內(nèi)圈上任一電極正對著。以上所述的具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種包含放電腔的激光光源系統(tǒng)，其特征在于，所述激光光源系統(tǒng)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(nèi)、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(yīng)一個所述外圈上安裝的電極； 所述內(nèi)圈由電機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，并且所述內(nèi)圈上安裝有多個電極； 所述內(nèi)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(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述高壓電源的脈沖放電頻率與所述內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相匹配。
3.如權(quán)利要求2所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述高壓電源每次脈沖放電都在所述外圈上安裝的電極與所述內(nèi)圈上安裝的電極正對著時發(fā)生。
4.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，激光在陰陽電極之間、即放電腔內(nèi)外圈之間的工作氣體中產(chǎn)生，出光位置位于放電腔內(nèi)圈的外側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述內(nèi)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(fù)高壓，加載在所述陰極上。
6.如權(quán)利要求5所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，陰極端可布置預(yù)電離電極，改善陰陽電極的放電性能。
7.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述內(nèi)圈由兩個電機(jī)帶動，所述兩個電機(jī)分別位于所述放電腔的兩端部。
8.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述內(nèi)圈由單電機(jī)帶動，所述單電機(jī)位于所述放電腔的任意一端。
9.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述外圈的形狀為圓形、橢圓形、矩形。
10.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述內(nèi)圈的形狀為圓形。
11.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，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(chǎn)生兩次反射，使激光匯聚于所述內(nèi)圈的旋轉(zhuǎn)軸上。
12.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，所述線寬壓窄模塊由棱鏡組和光柵組成。
13.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，在所述內(nèi)、外圈之間布置有熱交換器，用以耗散腔內(nèi)的高熱量，維持腔體及其內(nèi)部放電氣體的工作溫度。
14.如權(quán)利要求1所述的激光光源系統(tǒng)，其特征還在于，腔體內(nèi)部密封有工作氣體。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種包含放電腔的激光光源系統(tǒng)，屬于氣體激光技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有高壓脈沖電源中，因外部條件限制激光光源系統(tǒng)更大能量、更高重頻的發(fā)展要求的技術(shù)問題。該激光光源系統(tǒng)由放電腔、聚光模塊和線寬壓窄模塊組成。所述放電腔由內(nèi)、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(yīng)一個所述外圈上安裝的電極。所述內(nèi)圈由電機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，并且所述內(nèi)圈上安裝有多個電極，所述內(nèi)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(shí)用新型通過改變放電腔外圈的高壓電源及電極數(shù)量和位置、放電腔內(nèi)圈的電極數(shù)量和位置、內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)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激光輸出成為可能。
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(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者陳進(jìn)新, 王宇 申請人:中國科學(xué)院光電研究院