专利名称：光纤型激光波长计的制作方法
技术领域：
本发明涉及波长计，特别是一种光纤型激光波长计。
背景技术：
准分子激光因其波长短、相干性弱而被广泛用于极大规模集成电路光刻。作为光刻光源，要求激光输出具有窄线宽、高波长稳定性。激光器线宽压窄装置的振动和温度变化等因素可导致激光中心波长漂移，为了得到激光中心波长并判断其与目标波长之间的漂移量，并为激光中心波长调谐提供依据，因此需要对激光中心波长和线宽实时快速测量。测量激光波长常用的方法是利用费索干涉仪，参见在先技术[中国专利公开号 1077530]。这种技术需要额外一种已知精确波长的激光作参考光源，然而波长校准装置本身的波长漂移将会降低波长计精度。另一方面，波长计各光学元件之间的激光传输采用空间耦合技术需要较多的光学元件，这样增加了光学调谐和对准的难度；采用光二极管监测透过Pt空心透明阴极灯的激光强度的方法标定吸收波长，该技术的缺点是激光能量的波动将严重降低波长校准的准确性；波长粗测装置中采用多个平面反射镜来扩束和准直激光光束，多次反射增加了能量损耗和装置复杂性，参见在先技术[EP0992093]。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤型激光波长计，该波长计可精确、高速、便捷地测量激光线宽和中心波长。本发明的技术解决方案如下一种光纤型激光波长计，其特点在于该波长计由聚焦透镜、第一熔融石英光纤、第二熔融石英光纤、第三熔融石英光纤、第四熔融石英光纤、第五熔融石英光纤、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、波长校准装置、光栅单色仪、波长精测装置、线性CCD、信号处理器和数据线组成，上述各部分的位置关系如下待测激光经聚焦透镜耦合到第一熔融石英光纤并传输到高分束比的第一光纤耦合器进行分束，经该第一光纤耦合器分出的较强光束经第二熔融石英光纤传输到波长校准装置进行波长校准；经第一光纤耦合器分出的较弱的光束经第三熔融石英光纤传输到分束比为5 5的第二光纤耦合器的输入端，经第二光纤耦合器分束后，一束光经第四熔融石英光纤入射到光栅单色仪的输入端，经该光栅单色仪衍射的光斑在线性CCD上成像；经第二光纤耦合器分束的第二光束经第五熔融石英光纤入射到波长精测装置的输入端，经波长精测装置生成的干涉环也成像在所述的线性CXD上，该线性CXD记录的条纹信息经所述的数据线传递给所述的信号处理器进行分析和处理，显示出待测激光的中心波长和线宽的信息；所述的波长校准装置由聚焦透镜、光斩波器、Fe透明空心阴极灯、高压直流电源、 信号输出电路、屏蔽箱和锁相放大器组成；所述的光栅单色仪由依次的小孔、抛物面高反镜、中阶梯光栅和第一成像透镜组成； 所述的波长精测装置由依次的准直透镜、微透镜阵列、标准具和第二成像透镜组成；所述的线性CXD为高探测灵敏度的EMCXD ；所述的信号输出电路由电流表、镇流电阻和去耦电容组成。所述的聚焦透镜、第一成像透镜、准直透镜、第二成像透镜和聚焦透镜是由紫外级熔融石英材料制成，透镜双面镀增透膜以提高透过率。所述的熔融石英光纤为由具有抗辐射的熔融石英纤芯的多模光纤。所述的信号处理器由PCI卡和电脑组成。所述的用于扩束和准直的抛物面高反镜由紫外级熔融石英材料制成，且内表面镀高反膜，该高反膜可以为铝膜加氟化镁膜。所述的用于分光的中阶梯光栅的闪耀角为79°，刻线密度为94. 13G/mm，在 193.37nm处的衍射级次为108级。该光栅具有衍射级次高，色散率大，分光效果好的特点。所述的微透镜阵列由紫外级熔融石英材料制成，发散角为士5°。所述的标准具为空气隙标准具，由两块紫外级熔融石英平板和平板间的垫片组成，该垫片由超低膨胀系数的玻璃制成，标准具精度达到0. 158GHz (0. 02pmil93. 37nm)。待测激光经聚焦透镜耦合到熔融石英光纤并传输到高分束比的第一光纤耦合器进行分束。第一光纤耦合器分出的较强的光束经熔融石英光纤导引后，经过一透镜聚焦和光斩波器调制后入射到Fe透明空心阴极灯，Fe透明空心阴极灯通过高压放电在阴极和阳极间产生等离子体，金属原子将对特定的波长产生吸收，当放电等离子体的原子特征吸收波长与入射激光波长重合时，放电等离子体的电学特性将会发生改变，例如放电电压、放电电流和阻抗，即产生光电偶效应。通过信号输出电路，即可获得光电偶信号。当激光波长和Fe原子特征吸收波长完全重合时，将会获得最强的光电偶信号，而波长不重合时光电信号将会变得非常小。Fe透明空心阴极灯内的金属原子和填充气体的吸收光谱的带宽比入射激光带宽窄的多。因为Fe特征吸收波长是已知的，当光电偶信号最强时，入射激光的中心波长即为Fe原子的吸收线，利用该已知的激光中心波长即可实现对光栅单色仪和波长精测装置的标定。为提高信号的信噪比，将光电偶信号输入到锁相放大器并显示，同时用光斩波器将入射到Fe透明空心阴极灯的光辐射信号通过电动机调制成交变信号，从而避免因检测信号时间过长而漂移，能对被测光进行调制，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁相放大器的参考信号，这样就可以得到高信噪比的光电偶信号，进而用来判断 Fe透明空心阴极灯的吸收线并实现激光波长的校准。根据美国国家标准技术局[National Institute of Standards and Technology]的数据，Fe原子在193nm附近的较强的吸收线有193. 45350nm和193. 72683nm, 二者的相对强度分别为309和240，吸收线的波长精度可达0.01pm。ArF准分子激光的自由振荡光谱线宽约500pm，Fe的吸收线之间的间距为 273. 33pm，根据这两个吸收线可实现光纤型波长计的标定。此外，Fe的两吸收线之间的间距是确定的，根据该吸收线间距可对吸收线波长值的准确性进行验证。第二光纤耦合器分出的一束光经熔融石英光纤导引入射到小孔，然后入射到抛物面高反镜反射和扩束，扩束后的光束入射到光栅单色仪。入射激光光谱经光栅衍射后在线性CCD上成像。根据光栅方程，激光的衍射方向与波长大小是相关的，经校准后，可通过衍射光斑在线性CCD上的成像的像素位置，即可得到对应的波长信息。在波长变化较小的情况下，可认为像素位置和激光波长之间的成线性关系。第二光纤耦合器分出的另一束光经透镜准直后入射到微透镜阵列，微透镜阵列的主要作用是光束均勻化和增加入射到标准具的发散角。对入射到标准具进行多光束干涉的激光进行光束均勻可提高干涉条纹的反衬度和条纹间的均勻性；除第二成像透镜焦距和线性CCD用于成像的有效像素尺寸外，标准具在给定像面成像的条纹个数与入射角范围有关，入射角度范围大可得到更多的条纹，然而入射角度过大将会使激光溢出标准具窗口，从而浪费激光能量。因而，根据波长精测装置的设计，需要合理控制光束发散角大小。标准具进行多光束干涉的各级干涉条纹宽度是均勻的，任一干涉环即可得到激光的波长和线宽的信息，然而中心干涉环随波长的变化会在亮纹和暗纹之间变化，因此不适于用作数据采集窗口，而中心干涉环之外的第二和第三个亮环所对应的线性CXD的像素位置适合作为数据采集窗口。特别地，将发散角控制在士5°范围内，可保证在给定的线性CCD尺寸内得到满足测量用的3个合适宽度的干涉环，对于FWHM为0. 02pm的高精度标准具，绝对波长精度和带宽测量精度均可以达到0. 02pm。
本发明的技术效果本发明通过熔融石英光纤传导激光，减少了光路中所需的反射镜，有效地降低了光路对准和调节的难度；通过光纤耦合器分束可精确控制光束分束比，且能够和熔融石英光纤方便地焊接，有效地降低了波长计空间尺寸；利用Fe透明空心阴极灯的光电偶效应校准波长的精度可达0. Olpm ；基于光电偶效应的电学输出方式检测吸收波长降低了波长校准对光源能量波动的敏感度，提高了校准的准确度。同时波长校准能够与波长粗测和精测装置有效结合，可在吸收波长处对光栅单色仪和标准具测量装置实现校准和标定，避免了因增加额外的校准光源而产生的维护和调试，以及校准光源本身波动带来的测量误差；光栅单色仪中采用抛物面高反镜可同时实现激光光束的扩束和准直，简化了光学设计，提高了能量传输效率；标准具应用低膨胀系数玻璃作垫片降低了温度和应力等环境影响对标准具分辨率的影响，提高了波长测量的准确度，高精细度标准具的高分辨率波长计的测量精度可达 0. 02pm。采用光栅单色仪粗测和标准具精测相结合的方式可实现高速度、高精度、高准确度的激光中心波长测量，可同时用于脉冲激光和连续激光的中心波长的测量
图1为本发明的光纤型激光波长计的结构示意图。图2为本发明Fe透明空心阴极灯光电偶信号示意图。图3为本发明标准具干涉环成像示意图。图4为本发明标准具干涉环示意图。
具体实施例方式
请参阅图1，图1是本发明的光纤型波长计的结构原理图。由图可见，本发明光纤型激光波长计，由聚焦透镜1、第一熔融石英光纤2、第二熔融石英光纤4、第三熔融石英光纤5、第四熔融石英光纤8、第五熔融石英光纤9、第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器6、波长校准装置7、光栅单色仪10、波长精测装置11、线性CXD 12、信号处理器13和数据线22组成，上述各部分的位置关系如下待测激光经聚焦透镜1耦合到第一熔融石英光纤2并传输到高分束比的第一光纤耦合器3进行分束，经该第一光纤耦合器3分出的较强光束经第二熔融石英光纤4传输到波长校准装置7进行波长校准；经第一光纤耦合器3分出的较弱的光束经第三熔融石英光纤5传输到分束比为5 5的第二光纤耦合器6的输入端，经第二光纤耦合器6分束后，一束光经第四熔融石英光纤8入射到光栅单色仪10的输入端，经该光栅单色仪10输出的光斑在所述的线性CXD 12上成像；经第二光纤耦合器6分束的第二光束经第五熔融石英光纤 9入射到波长精测装置11的输入端，经波长精测装置11生成的干涉环也成像在所述的线性 CXD 12上，该线性CXD 12记录的条纹信息经所述的数据线22传递给所述的信号处理器13 进行分析和处理，显示出待测激光的中心波长和线宽的信息；所述的波长校准装置7由聚焦透镜23、光斩波器24、Fe透明空心阴极灯25、高压直流电源30、信号输出电路34、屏蔽箱35和锁相放大器36组成；所述的光栅单色仪10由依次的小孔14、抛物面高反镜15、中阶梯光栅16和第一成像透镜17组成；所述的波长精测装置11由依次的准直透镜18、微透镜阵列19、标准具20和第二成像透镜21组成；所述的信号输出电路34由电流表31、镇流电阻32和去耦电容33组成。所述的波长校准装置7通过光电偶效应来标定激光波长。第二熔融石英光纤4传输的信号光经透镜23聚焦和光斩波器24调制后入射到Fe透明空心阴极灯25。Fe透明空心阴极灯25由高压直流电源30驱动，阳极28和阴极29间的高压放电可产生等离子体，金属原子将对特定的波长产生吸收，当放电等离子体的原子特征吸收波长与入射激光波长重合时，放电等离子体的电学特性将会发生改变，例如放电电压、放电电流和阻抗，即产生光电偶效应，进而可以获得光电偶信号。通过信号输出电路34，即可获得光电偶信号。为了消除高压直流电源30的电磁感应效应对信号提取的影响，信号输出电路34需放在屏蔽箱 35内。当激光波长和Fe原子特征吸收波长完全重合时，将会获得最强的光电偶信号，当波长不重合时光电信号将会变得非常小，如图2所示。Fe透明空心阴极灯25内的金属原子和填充气体的吸收光谱的带宽比入射激光带宽窄的多。由于Fe的特征吸收波长是已知的， 当激光波长和Fe原子特征吸收波长完全重合时，将会获得最强的光电偶信号，如图2中曲线B ；而波长不重合时光电信号将会变得非常小，如图2中曲线A和C。Fe透明空心阴极灯 25内的金属原子和填充气体的吸收光谱的带宽比入射激光带宽窄的多。因为Fe特征吸收波长是已知的，当光电偶信号最强时，入射激光的中心波长即为Fe原子的吸收线，利用此时已知的激光中心波长即可实现对光栅单色仪10和波长精测装置11的标定。为提高信号的信噪比，将光电偶信号输入到锁相放大器36，同时用光斩波器24将入射到Fe透明空心阴极灯25的光辐射信号通过电动机调制成交变信号，从而避免因检测信号时间过长而漂移，能对被测光进行调制，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁相放大器36的参考信号，这样就可以利用锁相放大器36得到高信噪比的光电偶信号，进而用来判断Fe透明空心阴极灯25的吸收线并实现激光波长的校准。根据美国国家标准技术局[National Institute of Standards and Technology]的数据，Fe原子在193nm附近的较强的吸收线有193. 45350nm和193. 72683nm, 二者的相对强度分别为309和240。ArF激光的自由振荡光谱线宽约500pm，Fe的吸收线之间的间距为273. 33pm，根据这两个吸收线可对波长计的光栅单色仪10和波长精测装置11实现精确标定。此外，Fe的两吸收线的间距是确定的， 根据该吸收线间距可对吸收线波长值的准确性进行验证或修正。光栅单色仪10可实现激光中心波长的粗测。第五熔融石英光纤9传输的信号光经小孔14入射到抛物面高反镜15进行扩束和准直，扩束倍率由中阶梯光栅16的尺寸决定， 而光栅尺寸和闪耀角决定光栅单色仪10的波长测量精度。扩束后的光束入射到中阶梯光栅16，衍射光斑经第二成像透镜17在线性CXD 12上成像，线性CXD 12记录衍射光斑成像的像素位置并传给信号处理器13。激光波长和像素位置之间为线性关系
权利要求
1.一种光纤型激光波长计，其特征在于该波长计由聚焦透镜(1)、第一熔融石英光纤 O)、第二熔融石英光纤G)、第三熔融石英光纤(5)、第四熔融石英光纤(8)、第五熔融石英光纤(9)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(6)、波长校准装置(7)、光栅单色仪(10)、 波长精测装置(11)、线性CCD(U)、信号处理器(1 和数据线0 组成，上述各部分的位置关系如下待测激光经聚焦透镜(1)耦合到第一熔融石英光纤( 并传输到高分束比的第一光纤耦合器C3)进行分束，经该第一光纤耦合器C3)分出的较强光束经第二熔融石英光纤(4) 传输到波长校准装置(7)进行波长校准；经第一光纤耦合器( 分出的较弱的光束经第三熔融石英光纤( 传输到分束比为5 5的第二光纤耦合器(6)的输入端，经第二光纤耦合器(6)分束后，一束光经第四熔融石英光纤⑶入射到光栅单色仪(10)的输入端，经该光栅单色仪(10)衍射的光斑在线性CCD (1 上成像；经第二光纤耦合器(6)分束的第二光束经第五熔融石英光纤(9)入射到波长精测装置(11)的输入端，经波长精测装置(11)生成的干涉环也成像在所述的线性CCD (12)上，该线性CCD (12)记录的条纹信息经所述的数据线0 传递给所述的信号处理器(1 进行分析和处理，显示出待测激光的中心波长和线宽的信息；所述的波长校准装置(7)由聚焦透镜(23)、光斩波器04)、狗透明空心阴极灯(25)、 高压直流电源(30)、信号输出电路(34)、屏蔽箱(3 和锁相放大器(36)组成。其上述各部分之间的关系为经第二熔融石英光纤(4)传输的光束经聚焦透镜并穿过光斩波器 (23)后聚焦到狗透明空心阴极灯05)的电极之间，高压直流电源(30)为!^e透明空心阴极灯05)提供电源，位于屏蔽箱(35)内的信号输出电路(34)与狗透明空心阴极灯05) 和高压直流电源(30)串联，信号输出电路(34)提取的信号输出到锁相放大器(36)实现输出和显示；所述的光栅单色仪(10)由依次的小孔(14)、抛物面高反镜(15)、中阶梯光栅(16)和第一成像透镜(17)组成。其上述各部分之间的关系为经第四熔融石英光纤(8)输出的信号光入射到位于抛物面高反镜(15)焦点处的小孔(14)，光束经抛物面高反镜(15)实现扩束和准直，然后入射到中阶梯光栅(16)进行衍射，衍射光斑经第一成像透镜(17)成像到线性 CCD (12)；所述的波长精测装置(11)由依次的准直透镜(18)、微透镜阵列(19)、标准具(20)和第二成像透镜组成。所述的上述各部分之间的关系为经第五熔融石英光纤(9)入射到准直透镜(18)，准直后的光束入射到微透镜阵列(19)实现均勻和小角度发散，然后入射到标准具OO)实现多光束干涉，干涉条纹经第二成像透镜成像到线性CCDQ2)；所述的线性CCD (12)为高探测灵敏度的EMCCD ；所述的信号输出电路(34)由电流表(31)、镇流电阻(32)和去耦电容(33)组成。
2.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的聚焦透镜(1)、第一成像透镜(17)、准直透镜(18)、第二成像透镜和聚焦透镜是由紫外级熔融石英材料制成，透镜双面镀增透膜以提高透过率。
3.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的熔融石英光纤为由具有抗辐射的熔融石英纤芯的多模光纤。
4.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的信号处理器(13)由PCI卡和电脑组成。
5.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的用于扩束和准直的抛物面高反镜(15)由紫外级熔融石英材料制成，且内表面镀高反膜，该高反膜可以为铝膜加氟化镁膜。
6.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的用于分光的中阶梯光栅(16)的闪耀角为79°，刻线密度为94. 13G/mm，在193. 37nm处的衍射级次为108级。该光栅具有衍射级次高，色散率大，分光效果好的特点。
7.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的微透镜阵列(19)由紫外级熔融石英材料制成，发散角为士5°。
8.根据权利要求1所述的光纤型激光波长计，其特征在于所述的标准具00)为空气隙标准具，由两块紫外级熔融石英平板和平板间的垫片组成，该垫片由超低膨胀系数的玻璃制成，标准具分辨率达到0. 158GHz。
全文摘要
一种光纤型激光波长计，由透镜、熔融石英光纤、光纤耦合器、波长校准装置、光栅单色仪、波长精测装置、线性CCD、信号处理器和数据线组成。本发明采用熔融石英光纤导光和光纤耦合器分束有效降低了波长计的空间尺寸和复杂性；波长的校准、粗测和精测有效结合可实现激光中心波长和光谱带宽高精度实时测量。本发明可精确、高速、便捷地测量连续激光和脉冲激光的线宽和中心波长。特别是准分子激光器的激光波长测量。
文档编号G01J9/02GK102155997SQ20111006293
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者周军, 张海波, 楼祺洪, 董景星, 袁志军, 魏运荣 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所