专利名称：一种包含新型放电腔的激光光源系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于气体激光技术领域，具体涉及一种包含新型放电腔的激光光源系统。
背景技术：
激光光源的输出光束质量是光源的基础特性。输出光束质量特性包括激光能量、重频、线宽等。对气体放电激光光源，特别是光刻用准分子激光光源而言，大能量、高重频、窄线宽等是激光光源的基本特性要求。目前大能量、高重频特性主要受激光光源系统的电源部件性能影响，窄线宽主要受激光光源系统的光学部件性能影响。气体放电激光光源的核心关键部件就是放电腔。放电腔具有一定腔型，维持其内部工作气体的正常放电和系统稳定出光。现有腔型一般分为圆形腔和环形腔两种形式。这两种形式一般都只含有一对电极和一个出光口 ；当电源部件、光学部件等确定后整个激光光源系统的输出能量和重复频率也就相应确定。也就是说，电源等外部条件的性能发展水平限制了激光光源系统的更大能量、更高重频的发展要求；当电源等达到极限水平后，现有的腔型无法提升激光光源系统的能量和重频的幅值。另外，众所周知，每次高压电源的放电都需要该高压电源对应的外圈上电极和内圈上任一电极正对着(偏移误差越小出光效果越好)。为实现外圈上的电极和内圈上的电极正对着，现有的激光器内外圈均固定不动，从而保证了阴阳电极的对准，而由放电腔内的风机来确保阴阳电极间(放电区域)工作气体的流动。为实现由风机确保阴阳电极间的工作气体流动，就对放电区域的流速有一定要求。为确保激光器在高重频下正常工作，避免电极放电不均匀，需要将放电区域中前一次放电的残余气体完全清扫干净，定义气体清扫率C为相邻两次正常放电的气体介质间距d与正常放电的气体介质宽度a之比，对准分子激光器一般C大于等于3,这样放电区域流速V = dXf = CXaXf,f为电源的放电频率,也就是激光输出的重复频率，a由要求的输出激光光斑尺寸来决定。可见，外圈和内圈均固定不动的激光器设计对由风机确保工作气体流动性有较高要求，导致实现上存在困难。
实用新型内容(一 )要解决的技术问题本实用新型立足于现有高压脉冲电源等技术，提出了一种包含新型放电腔的激光光源系统，通过改变放电腔外圈的高压电源及电极数量和位置、放电腔内圈的电极数量和位置、内圈旋转速度、放电腔外圈的高压电源放电时序，使更大能量和更高重频的激光输出成为可能。同时，本实用新型提出的包含新型放电腔的激光光源系统还解决了放电腔外圈和内圈均固定不动，导致对工作气体流动性要求高的缺陷。( 二 )技术方案本实用新型提出一种气体放电激光光源系统，所述气体放电激光光源系统由放电腔、聚光模块和线宽压窄模块组成，其中，所述放电腔由内、外两圈组成；所述外圈安装有多个高压电源及电极，每个高压电源对应一个所述外圈上安装的电极；所述内圈由电机带着旋转，并且所述内圈上安装有多个电极；所述内圈上安装的电极与所述外圈上安装的电极形成阴阳电极。(三)有益效果本实用新型通过改变放电腔外圈的高压电源及电极数量和位置、放电腔内圈的电极数量和位置、内圈旋转速度、放电腔外圈的高压电源放电时序，使更大能量和更高重频的激光输出成为可能。
图1是本实用新型的放电腔截面图；图2是本实用新型的激光光源系统图；图3是本实用新型的一个实施例的放电电极布置图；图4是本实用新型的一个实施例的聚光模块示意图；图5是本实用新型的一个实施例的线宽压窄模块图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。一种包含新型放电腔的激光光源系统，由放电腔、聚光模块和线宽压窄模块组成。其中新型放电腔由内、外两圈组成。外圈固定不动，安装有多个高压电源及电极，每个高压电源I对应一个所述外圈上安装的电极。内圈由电机带着以一定转速旋转，并且所述内圈上安装有多个电极，所述内圈上安装的电极与所述外圈上安装的电极形成阴阳电极。在内外圈之间布置有热交换器3。腔体内部密封有工作气体。现在市面上转子最高转速可达到十几万rpm，本实用新型中转速(在十几万rmp之内)由用户要求的能量、重频、高压电源及电极数量、高压电源放电时序等协同决定，并且，根据上述因素决定转速大小是本领域的现有技术。现有技术中决定转速大小的方式具体可以为:内圈的转速需要满足气体清扫率C大于等于3的要求。例如，激光器输出光斑宽度要求为4mm,即a = 4mm,重复频率f = 8kHz,则放电区域流速V需不小于96m/s,当内圈直径为200mm,且内外圈以相同速度一起转动时，需一起转动的转速不小于9167rpm，若仅内圈转动外圈不转时需内圈转动的转速不小于18334rpm(18334rpm是由内外圈之间工作气体流速近似均匀变化的假设得到的，实际上固定不动的外圈上的电极处会存在严重的壁面效应、会有严重的热积累破坏放电和出光的效果，所以若仅考虑激光效果的话应使内圈转速越大越好，但需在现有的转子最高十几万rpm以内)。放电腔4截面图如图1所示。放电腔由内外两圈组成。外圈固定不动,其形状可以为圆形、椭圆形、矩形等任意形状；其上安装有多个高压电源I及电极，每个高压电源I对应一个所述外圈上安装的匹配电极，且其电极头与内圈上安装的电极头相对距离一致，确保放电区间尺寸一致，在高压电源I相同的前提下确保光斑尺寸一致从而有利于提高激光输出特性。内圈由电机带看以一定转速旋转，其形状为圆形，其上安装有多个电极，与外圈上安装的电极形成阴阳电极并通过高压放电产生激光。外圈高压电源的每次脉冲放电都需要在外圈上电极与旋转内圈上电极正对着时发生，即高压电源I的脉冲放电频率需与内圈旋转转速相匹配。在内外圈之间布置有热交换器3，用以耗散腔内的高热量，维持腔体及其内部放电气体的工作温度。腔体内部密封有工作气体，可以调节工作气体的成分、压强和配比来输出所要求的激光；如但不限如的举例，当内部工作气体为F2、He、Ar、Ne等混合气体时，可以输出波长为193nm的激光。实际使用时需要将输出能量和重复频率综合考虑，通过调整各高压电源I的时序来得到理想的能量和重频；若高压电源I每次脉冲放电都在阴阳电极正对着的情况下(可通过调整外圈上高压电源I及电极的数量和位置、内圈上电极的数量和位置、内圈旋转速度来实现)，η个高压电源I同时放电可在确保激光重复频率不变(等于电源脉冲放电频率)的情况下将激光输出能量增加到一个高压电源I放电时的η倍，η个高压电源I均匀错时放电可在确保激光输出能量不变(等于单对电极放电时的激光输出能量)的情况下将激光重复频率增加到一个高压电源I放电时的η倍。激光光源系统如图2所示。主要由放电腔4、聚光模块5和线宽压窄模块6组成。为满足输出激光的线宽要求，需要布置由棱镜组和光栅组成的线宽压窄模块。由图1放电腔的截面图可知，激光在阴阳电极之间、即放电腔内外圈之间的工作气体中产生，出光位置位于放电腔内圈的外侧。外圈上每个高压电源I及其电极对应一个出光口 2，即有多少高压电源就有多少出光口 2 ;为了获得尽量多的激光能量出光口 2尺寸应保证顺利通过全部激光光斑；出光口 2材料应尽可能减少激光通过时的损耗，如对波长为193nm激光，出光口应选用熔石英、氟化镁或氟化钙材料；出光口 2可为圆形、方形等。为避免每个出光口 2都安装一个线宽压窄模块，在线宽压窄模块和放电腔之间需要布置一个聚光模块，用以将周向的激光都聚集到轴向输出。所述轴向为图1中内圈的旋转轴。另外，在激光光源系统的输出端也需要布置有同样的聚光模块。图2中示意放电腔内圈由两个电机7分别从放电腔4的两端驱动，当然也可以变换为由单个电机从放电腔的任意一端驱动。如但不限如的举例，放电腔内一种典型的放电电极布置如图3所示。图中内圈接地，其上电极为阳极10 ;外圈上的电极为阴极8 ;高压电源I提供负高压，加载在阴极8上；阴极8端可布置预电离电极9，改善阴阳电极的放电性能。如但不限如的举例，聚光模块5的一种典型布置如图4所示。聚光模块5由两个反射镜组组成，包括一个初级反射镜组和一个二级反射镜组；放电腔的每个出光口都由一个初级反射镜和一个二级反射镜产生两次反射，使激光汇聚于旋转轴上。图4的聚光模块5中的初级反射镜与出光口对应，即每个出光口外面都有一个初级反射镜将出光口输出的激光汇聚到内圈的旋转轴上，在内圈的旋转轴上布置有二级反射镜，将激光以内圈的旋转轴为中心再次反射平行射出；初级反射镜和二级反射镜的相对位置和角度有严格要求，最终确保周向分散从各个出光口输出的激光转换为以内圈的旋转轴为中心的轴向汇聚激光；初级反射镜和二级反射镜均为平面镜，表面镀反射膜，增大所输出的激光波长对应的反射率，减少激光损耗。如但不限如的举例，线宽压窄模块的一种典型布置如图5所示。线宽压窄模块由棱镜组12和光栅11组成。棱镜组12由4块棱镜组成,光栅11为闪耀光栅；激光通过棱镜组扩束，射入光栅11上经过光栅11的特定波长反射实现激光线宽的压窄，达到激光光源的线宽要求；压窄后的激光原路返回，经过激光放电腔后从其另一侧输出(图2中右侧)。值得一提的是，本实用新型具体实施例中所描述的激光光源系统均为放电腔的外圈固定不动、内圈转动的方式，根据本实用新型的精神，也可以对本实用新型做进一步扩展，将放电腔设计为外圈和内圈均转动，所述外圈和内圈的转动速度可以相同，也可以不同，只需确保每次高压电源放电时，都需要该高压电源对应的外圈上电极和内圈上任一电极正对着。以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.一种包含放电腔的激光光源系统，其特征在于，所述激光光源系统由放电腔、聚光模块和线宽压窄模块组成，其中， 所述放电腔由内、外两圈组成； 所述外圈安装有多个高压电源及电极，每个高压电源对应一个所述外圈上安装的电极； 所述内圈由电机带着旋转，并且所述内圈上安装有多个电极； 所述内圈上安装的电极与所述外圈上安装的电极形成阴阳电极。
2.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述高压电源的脉冲放电频率与所述内圈的旋转转速相匹配。
3.如权利要求2所述的激光光源系统，其特征还在于，所述高压电源每次脉冲放电都在所述外圈上安装的电极与所述内圈上安装的电极正对着时发生。
4.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，激光在阴阳电极之间、即放电腔内外圈之间的工作气体中产生，出光位置位于放电腔内圈的外侧。
5.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述内圈接地，其上电极为阳极；外圈上的电极为阴极；所述高压电源提供负高压，加载在所述阴极上。
6.如权利要求5所述的激光光源系统，其特征还在于，阴极端可布置预电离电极，改善阴阳电极的放电性能。
7.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述内圈由两个电机带动，所述两个电机分别位于所述放电腔的两端部。
8.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述内圈由单电机带动，所述单电机位于所述放电腔的任意一端。
9.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述外圈的形状为圆形、椭圆形、矩形。
10.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述内圈的形状为圆形。
11.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述聚光模块由两个反射镜组组成，放电腔的每个出光口都由两个反射镜产生两次反射，使激光汇聚于所述内圈的旋转轴上。
12.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，所述线宽压窄模块由棱镜组和光栅组成。
13.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，在所述内、外圈之间布置有热交换器，用以耗散腔内的高热量，维持腔体及其内部放电气体的工作温度。
14.如权利要求1所述的激光光源系统，其特征还在于，腔体内部密封有工作气体。
专利摘要本实用新型公开了一种包含放电腔的激光光源系统，属于气体激光技术领域，解决了现有高压脉冲电源中，因外部条件限制激光光源系统更大能量、更高重频的发展要求的技术问题。该激光光源系统由放电腔、聚光模块和线宽压窄模块组成。所述放电腔由内、外两圈组成。所述外圈固定不动，安装有多个高压电源及电极，每个高压电源对应一个所述外圈上安装的电极。所述内圈由电机带着旋转，并且所述内圈上安装有多个电极，所述内圈上安装的电极与所述外圈上安装的电极形成阴阳电极。本实用新型通过改变放电腔外圈的高压电源及电极数量和位置、放电腔内圈的电极数量和位置、内圈旋转速度、放电腔外圈的高压电源放电时序，使更大能量和更高重频的激光输出成为可能。
文档编号H01S3/032GK203026784SQ20122046190
公开日2013年6月26日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者陈进新, 王宇 申请人:中国科学院光电研究院