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(duì)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?，F(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(duì)電極和一個(gè)出光口 ；當(dāng)電源部件、光學(xué)部件等確定后整個(gè)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(shuō)，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(wú)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(duì)應(yīng)的外圈上電極和內(nèi)圈上任一電極正對(duì)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(duì)著，現(xiàn)有的激光器內(nèi)外圈均固定不動(dòng)，從而保證了陰陽(yáng)電極的對(duì)準(zhǔn)，而由放電腔內(nèi)的風(fēng)機(jī)來(lái)確保陰陽(yáng)電極間(放電區(qū)域)工作氣體的流動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)由風(fēng)機(jī)確保陰陽(yáng)電極間的工作氣體流動(dòng)，就對(duì)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(duì)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(lái)決定?？梢?jiàn)，外圈和內(nèi)圈均固定不動(dòng)的激光器設(shè)計(jì)對(duì)由風(fēng)機(jī)確保工作氣體流動(dòng)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(wèn)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(guò)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(shí)序，使更大能量和更高重頻的激光輸出成為可能。同時(shí)，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(dòng)，導(dǎo)致對(duì)工作氣體流動(dòng)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(gè)高壓電源及電極，每個(gè)高壓電源對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)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(yáng)電極。(三)有益效果本實(shí)用新型通過(guò)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(shí)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(gè)實(shí)施例的放電電極布置圖；圖4是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例的聚光模塊示意圖；圖5是本實(shí)用新型的一個(gè)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(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)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(dòng)，安裝有多個(gè)高壓電源及電極，每個(gè)高壓電源I對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)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(yáng)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(wàn)rpm，本實(shí)用新型中轉(zhuǎn)速(在十幾萬(wàn)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(shí)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(dòng)時(shí)，需一起轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速不小于9167rpm，若僅內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)外圈不轉(zhuǎn)時(shí)需內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的外圈上的電極處會(huì)存在嚴(yán)重的壁面效應(yīng)、會(huì)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(wàn)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(dòng),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(gè)高壓電源I及電極，每個(gè)高壓電源I對(duì)應(yīng)一個(gè)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(duì)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(gè)電極，與外圈上安裝的電極形成陰陽(yáng)電極并通過(guò)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(duì)著時(shí)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(lái)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(shí)，可以輸出波長(zhǎng)為193nm的激光。實(shí)際使用時(shí)需要將輸出能量和重復(fù)頻率綜合考慮，通過(guò)調(diào)整各高壓電源I的時(shí)序來(lái)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(yáng)電極正對(duì)著的情況下(可通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn))，η個(gè)高壓電源I同時(shí)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(gè)高壓電源I放電時(shí)的η倍，η個(gè)高壓電源I均勻錯(cuò)時(shí)放電可在確保激光輸出能量不變(等于單對(duì)電極放電時(shí)的激光輸出能量)的情況下將激光重復(fù)頻率增加到一個(gè)高壓電源I放電時(shí)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(yáng)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(gè)高壓電源I及其電極對(duì)應(yīng)一個(gè)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(guò)全部激光光斑；出光口 2材料應(yīng)盡可能減少激光通過(guò)時(shí)的損耗，如對(duì)波長(zhǎng)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(gè)出光口 2都安裝一個(gè)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(gè)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(gè)電機(jī)7分別從放電腔4的兩端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然也可以變換為由單個(gè)電機(jī)從放電腔的任意一端驅(qū)動(dòng)。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(yáng)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(yáng)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(gè)反射鏡組組成，包括一個(gè)初級(jí)反射鏡組和一個(gè)二級(jí)反射鏡組；放電腔的每個(gè)出光口都由一個(gè)初級(jí)反射鏡和一個(gè)二級(jí)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(jí)反射鏡與出光口對(duì)應(yīng)，即每個(gè)出光口外面都有一個(gè)初級(jí)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(jí)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(jí)反射鏡和二級(jí)反射鏡的相對(duì)位置和角度有嚴(yán)格要求，最終確保周向分散從各個(gè)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(jí)反射鏡和二級(jí)反射鏡均為平面鏡，表面鍍反射膜，增大所輸出的激光波長(zhǎng)對(duì)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(guò)棱鏡組擴(kuò)束，射入光柵11上經(jīng)過(guò)光柵11的特定波長(zhǎng)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(guò)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(dòng)、內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，根據(jù)本實(shí)用新型的精神，也可以對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步擴(kuò)展，將放電腔設(shè)計(jì)為外圈和內(nèi)圈均轉(zhuǎn)動(dòng)，所述外圈和內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以相同，也可以不同，只需確保每次高壓電源放電時(shí)，都需要該高壓電源對(duì)應(yīng)的外圈上電極和內(nèi)圈上任一電極正對(duì)著。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)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(shuō)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(gè)高壓電源及電極，每個(gè)高壓電源對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)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(yáng)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(duì)著時(shí)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(gè)電機(jī)帶動(dòng)，所述兩個(gè)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(dòng)，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(gè)反射鏡組組成，放電腔的每個(gè)出光口都由兩個(gè)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(kāi)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(wèn)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(dòng)，安裝有多個(gè)高壓電源及電極，每個(gè)高壓電源對(duì)應(yīng)一個(gè)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(gè)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(yáng)電極。本實(shí)用新型通過(guò)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(shí)序，使更大能量和更高重頻的激光輸出成為可能。
文檔編號(hào)H01S3/032GK203026784SQ20122046190
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電研究院