一种输出长时间稳定的极紫外脉冲光源装置的制作方法

1.本发明涉及一种输出长时间稳定的极紫外脉冲光源装置。属于强场激光物理与阿秒激光技术领域。


背景技术：

2.极紫外光源被广泛应用于极紫外显微术、光刻、超快光电能谱、相干衍射成像等领域。获得极紫外光源的常用方法有同步辐射、激光(放电)等离子体、晶体倍频和高次谐波。其中高次谐波由高能量飞秒脉冲激光与气体介质(he,ne,ar,kr等惰性气体)相互作用产生。在此过程中，气体原子的电子在强激光场的作用下发生隧穿电离，准自由的电子在激光电场下发生振荡并从中获得额外动能，当电子再次回到原子核附近并复合时，会辐射出光子以释放多余能量。由此产生的高次谐波极紫外光源的脉宽极窄(一般在几飞秒以下)，并具有良好的方向性、优异的时间和空间相干性，被广泛应用于阿秒时间分辨、亚原子尺度空间分辨的物理学研究中。
3.在高次谐波极紫外光源产生装置中，气体盒子方案是常用的气体注入方式之一。气体盒子一般是指直径为几mm的金属薄壁导管，气体以一定背压从金属导管顶部连续注入，内部气压基本维持稳定。在高次谐波产生过程中，激光光束击穿气体盒子后形成百微米量级的穿孔，激光通过穿孔与盒子内气体相互作用产生极紫外(euv)射线。由于激光与气体盒子直接接触，长时间工作后穿孔会逐渐变大，盒子内气体泄漏到真空腔内，既影响了高次谐波极紫外光源输出的稳定性又降低了高次谐波转化效率。此外，在极紫外光源应用系统中，通常使用金属镀膜光学元件或多层膜光学元件以高效率地反射euv光。高次谐波产生后，未转换的入射激光和euv光共线传播，高能量的入射激光会对光学元件的膜层造成损伤，尤其是当激光重复频率和单脉冲能量提升后，激光的平均功率显著增强，加剧了对膜层的损伤，会大为缩短光学元件的使用寿命。
4.因此，实现光源系统输出的长时间稳定及缓解高平均功率激光对极紫外光学元件的损伤是极紫外脉冲光源产生装置亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种输出长时间稳定的极紫外脉冲光源装置，同时对高平均功率入射激光进行衰减和阻拦，以缓解其对极紫外光学元件的损伤，提高光源应用系统的使用寿命。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种输出长时间稳定的极紫外脉冲光源装置，包括：高功率飞秒激光器、差分气体作用装置和激光阻断装置。
7.其中，高功率飞秒激光器发出飞秒级别的超短脉冲激光，经过平面反射镜和激光聚焦镜等光学元件，聚焦于差分气体作用装置内；反应气体经过压力控制后连续注入到长度可调的气体盒子内，气体盒子被安装在差分腔室中，与外真空腔形成差分，有效维持了外真空腔内的真空度；激光与盒子内的气体相互作用产生高次谐波，辐射出 euv光；反应产生
的euv光和未转换的入射激光进入激光阻断装置，入射激光被衰减阻断，得到纯净的euv光，可以有效解决在光源应用系统中入射激光对极紫外光学元件损伤的问题。
8.所述差分气体作用装置包括长度可调的气体盒子、差分腔室和进气装置。气体盒子固定在差分腔室中，与外真空腔形成差分。背压一定的气体通过由减压阀和进气管组成的进气装置注入到气体盒子内。
9.所述气体盒子分为内外两层，通过推拉内层可以进行长度调节，调节范围从 0-15mm。气体盒子前后端中心开孔(约1-2mm)，作为入射激光及euv光的通道。
10.所述差分腔室长约10cm，气体盒子被固定在其内部，底部通过金属软管连接到真空泵，将气体盒子反应后泄漏出的气体及时抽出，有效维持外真空腔的真空度。为了使入射激光及euv光通过，也在差分腔室前后端中心开孔(2-3mm)。此外，为了方便调节激光焦点与气体盒子的相对位置，满足高次谐波的相位匹配条件,差分腔室安装在一个可以沿着激光入射方向前后移动的一维平移台上；
11.所述激光阻断装置包括第一分光镜、光学垃圾桶、第二分光镜和滤光片。基于多介质ar涂层的极紫外/红外分光镜可以高效率地反射euv光，同时透过红外波段的入射激光。光学垃圾桶放置在分光镜透射光出口处，用以收集透过的入射激光。滤光片放置在第二分光镜反射光出口处，进一步滤除剩余的入射激光，同时选用不同材质的滤光片可以对euv光源进行粗略的波长选择。理论波长范围主要由气体介质决定，比如氩气产生30-100nm，氖气产生10-100nm。
12.所述高功率飞秒激光器输出高能量的超短脉冲激光。先使用由半波片、布鲁斯特型薄膜偏振片和光学垃圾桶构成的功率衰减器对脉冲激光进行功率调节。再用激光聚焦镜聚焦脉冲激光，以达到气体高次谐波反应所需激光功率密度的典型值10
13
～10
15
w/cm2。
13.有益效果：本发明所提供的输出长时间稳定的极紫外脉冲光源装置采用气体盒子方案，并加入了差分腔室设计，盒子内部气压稳定性好，可以保证euv光源输出长时间稳定。而且气体盒子长度可根据反应气体介质和激光聚焦镜焦距等条件的变化而灵活调节，既提升了高次谐波反应效率又增加了气体盒子的重复使用率。此外，加入激光阻断装置，解决了高平均功率激光对极紫外光学元件损伤的问题，提高了光源应用系统的使用寿命。
附图说明
14.图1为本发明的整体结构示意图；
15.图2是本发明实施例中气体盒子的结构示意图；
16.图3是100nm厚al膜和zr膜滤光片的透过率曲线；
17.图4是本发明实施例中分光镜在不同角度下对入射激光及euv光的反射率曲线。
具体实施方式
18.下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。
19.图1中包括：1.1-飞秒激光器，1.2-半波片，1.3-布鲁斯特型薄膜偏振片，1.4 光学垃圾桶，
20.1.5-平面反射镜，1.6-光阑，1.7-平凸透镜。
21.2-差分气体作用装置，2.1-气体盒子，2.2-差分腔室，2.3一维平移台，2.4-进气
管，2.5-减压阀，2.6-金属软管，2.7-涡轮机械泵。
22.3-激光阻断装置，3.1-第一分光镜，3.2-光学垃圾桶，3.3-第二分光镜，3.4-滤光片，3.5激光阻断腔。4-高次谐波发生腔，5-高压气瓶。
23.如图1所示是一种输出长时间稳定的极紫外脉冲光源装置，包括：高功率飞秒激光器、差分气体作用装置和激光阻断装置。
24.其中，所述高功率飞秒激光器发出飞秒级别的超短脉冲激光，经过平面反射镜和激光聚焦镜等光学元件，聚焦于差分气体作用装置内；反应气体经过压力控制后连续注入到长度可调的气体盒子内并与激光相互作用产生高次谐波，辐射出euv光；气体盒子被安装在差分腔室中，与外真空腔形成差分，有效维持了真空腔内的真空度；反应产生的euv光和未转换的入射激光进入激光阻断装置，入射激光被衰减阻断，得到纯净的euv光，可以有效解决在光源应用系统中入射激光对极紫外光学元件损伤的问题。激光一般用800nm波长的，实施例里有提到具体参数。极紫外的激光的理论波长范围主要由气体介质决定，比如氩气产生30-100nm，氖气产生10-100nm。
25.本实施例中，所述高功率飞秒激光器1.1产生800nm波长，能量为几毫焦，脉冲宽度为50fs，重复频率1khz/10khz的脉冲激光。激光功率通过由半波片1.2和布鲁斯特型薄膜偏振片1.3组成的衰减装置进行调节。再使用平凸透镜1.7聚焦入射激光以达到气体高次谐波反应所需的激光功率密度，典型值为10
13
～10
15
w/cm2。所述平凸透镜1.7的焦点处于气体盒子2.1的中心。
26.所述差分气体作用装置2包括气体盒子2.1，差分腔室2.2，一维平移台2.3，进气管2.4，减压阀2.5，金属软管2.6，真空泵2.7。气体盒子2.1固定在差分腔室 2.2内部，差分腔室又安装在一维平移台2.3上，一维平移台2.3沿着激光入射方向前后移动，调节气体盒子2.1与激光焦点的相对位置，实现高次谐波相位匹配条件。来自高压气瓶5的气体的气压在减压阀2.5的调节作用减压至几十至几百torr，随后气体经进气管2.4被连续注入到气体盒子2.1内，气体盒子内部气体密度近似均匀稳定。气体介质与聚焦后的高功率密度脉冲激光相互作用，产生高次谐波，辐射出 euv光。高次谐波反应后剩余气体会通过气体盒子2.1上的穿孔泄漏到差分腔室2.2 中。差分腔室2.2经金属软管2.6连接真空泵2.7。泄漏到差分腔室2.2中的气体被及时排出，有效维持了高次谐波发生腔4的真空度。本实施例真空泵2.7选用5m3/s 抽速的涡轮机械泵。同时高次谐波发生腔4还另外连接了涡旋机械泵和涡轮分子泵用以维持自身真空。
27.所述气体盒子2.1长度可调。实验表明，当高次谐波反应区长度接近瑞利长度
28.zr＝πω
o2
/λ(λ是飞秒激光波长，ω0是激光腰部半径)时，高次谐波反应有最高的转化效率。对于气体盒子方案而言，气体盒子长度约等于高次谐波反应区长度。选用长度合适的气体盒子是提高高次谐波效率的关键。本实施例采用长度可调的气体盒子，详细结构如图2所示：气体盒子分为内外两层，中间用橡胶进行密封，同时用真空胶水将内层与橡胶进行粘合。通过推拉内层可以改变气体盒子长度。当长度选定后，旋拧外层上的螺丝进行固定。气体盒子前后端中心开1-2mm穿孔，作为入射激光及euv光的通道。气体盒子2.1内部气压基本维持稳定，在-3mbar量级。根据反应气体介质的差异(如ar,ne,xe)，最佳转化效率对应的压强上下有一个量级的浮动。
29.所述激光阻断装置3包括第一分光镜3.1，光学垃圾桶3.2，第二分光镜3.3、滤光片
3.4和激光阻断腔室3.5。高次谐波产生后，反应未转换的入射激光和产生的euv 光束共线传播。调节第一分光镜3.1和第二分光镜3.2以掠入射角度(6-9
°
)反射 euv光并透过入射激光。透过的入射激光用光学垃圾桶3.2收集，或者放置一块反射镜将其反射到腔外，再次激发euv光源或作为他用。在第二分光镜3.3的反射光路上放置滤光片3.4，进一步滤除入射激光，同时通过选用不同材质的滤光片可以得到不同波段的euv光源。图3是100nm厚al和zr膜滤光片的透过率曲线。可知al膜滤光片在20-60nm波段有较高透过率，而zr膜滤光片在7-15nm波段具有较高的透过率。
30.本实施例中，所述分光镜表面镀有51nm/3nm厚的si/b4c薄膜，其反射率曲线如图4所示。虚线表示在不同入射角时对20nmeuv光的反射率曲线，实线则表示在不同入射角时对800nm入射激光的反射率曲线。当入射光束以掠入射角度(6-9
°
)打到分光镜上时，分光镜能高效率地反射极紫外波段的光，而对于800nm的入射激光的反射率则很低。由图4可知，当分光镜与入射光束夹角为7
°
时，对800nm的入射激光的反射率小于0.1％，而对于20nmeuv光具有约90％的反射率。
31.3.1还是3.2分光镜掠射角的范围相同。
32.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，气体任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。