CN103744197A - 用于激光脉冲整形的等离子体开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，该等离子体开关的背景气体中混有易电离的气体，并使气体能够处于不断流动的状态，开关中还放置有冷却装置。易电离的气体可以为三乙胺。开关的具体结构包括真空腔，以及位于真空腔内的第一透镜、第二透镜、风扇和热交换器；第一透镜、第二透镜为两个相同的ZnSe透镜，真空腔上开有两个正对的观察窗，用于激光的输入和输出；真空腔的两个观察窗的中心，与第一透镜、第二透镜的中心在一条直线上，且两透镜间的距离为2f，f为透镜的焦距。本发明与现有等离子体开关的优势是在缩短脉宽的同时，保证了较高的激光透过率，从而使输出脉冲有较高的峰值功率，并提高了装置的重复率。

Description

用于激光脉冲整形的等离子体开关
技术领域
本发明属于激光技术领域，具体为一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，主要用于对脉冲CO2激光器的激光脉冲进行整形，将脉冲的拖尾去掉，缩短其脉宽。
背景技术
横向激励大气压(TEA)CO2激光器广泛应用于激光雷达、激光测距、红外对抗、生物医学、环境检测和高密度的空中光通信等领域，此外，高重复频率的脉冲CO2激光还可与靶物质作用产生等离子体，辐射出极紫外(EUV)光，该激光等离子体(LPP)EUV光源是下一代极具竞争力的极紫外光刻光源。脉冲CO2激光器的这些应用均需要较高的激光峰值功率，但脉冲激光的输出波形前沿很陡，脉冲周期为50-100ns，后沿却出现严重的拖尾，脉宽为1-2μs，使得脉冲CO2激光的有效功率大大降低。并且在LPP EUV光源产生的过程中，脉冲的拖尾与靶物质作用时会产生大量碎屑，这些碎屑会造成光刻机中收集镜的污染而缩短其寿命。
目前，有各种不同复杂程度和不同成功率的方法来缩短脉冲CO2激光的脉冲宽度，但都是基于电磁波在等离子体中的反射和传播原理提出的，即频率为ω的激光入射到频率为ωp的等离子体中，ω>ωp时，激光在等离子体中传播，ω<ωp时，激光将被等离子体反射。如果CO2激光的前一部分能通过等离子体，拖尾部分被等离子体反射，这样就能达到将CO2激光整形并缩短脉宽的目的。
最早期的方法是将激光通过透镜聚焦在空气中，在焦点附近击穿空气产生等离子体，等离子体的产生发生在一个特定的时间，使激光脉冲前沿通过，低功率的尾巴部分被等离子体吸收，从而使激光脉宽缩短。但脉冲能量损耗严重，而等离子体开关要求对激光前沿脉冲有较高的透过率。
后来对这个方法的改进是，利用放电装置或者双脉冲在激光聚焦的地方先引发气体的击穿，产生一定浓度的等离子体，然后CO2激光脉冲通过等离子体进行脉冲整形。虽然降低了脉冲功率的损耗，但增加了装置的复杂性。
相对简单的一个方案是，将激光聚焦在一个直径为1mtn、厚度为250μm的铝孔，激光脉冲通过铝孔时会烧蚀铝产生等离子体以阻断脉冲的拖尾(Pulse shaping of transversely excited atmospheric CO2laser using a simpleplasma shutter，Noah Hurst and S.S.Harilal，Review of Scientificinstruments，2009.3.3)。虽然脉宽会缩短，但当铝孔被烧蚀完全时需更换铝孔，所以降低了装置的重复率。
近期提出的方案是，脉冲激光经聚焦后以45°角入射到靶面上产生等离子体，激光前沿脉冲被部分反射，拖尾被等离子体吸收，反射后获得的激光就是脉宽缩短后的激光(CO2laser pulse shortening by laser ablation of ametal target，T.Donnelly，M.Mazoyer，Review of Scientific instruments，2012.3.5)。装置中的靶是镀有金反射涂层的锡靶，随着激光的作用，涂层会被烧蚀，当涂层被烧蚀完全时，必须更换新靶，所以装置重复率较低。
总之，现有等离子体开关虽然都能一定程度地缩短激光脉宽，但会存在激光透过率低，或者装置复杂，或者装置重复率低的问题。
发明内容
本发明提供一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，目的在于在缩短脉宽的同时，保证较高的激光透过率，从而使输出脉冲有较高的峰值功率，并提高等离子体开关的重复率。
本发明提供的一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，其特征在于，该等离子体开关的背景气体中混有易电离的气体，并使气体能够处于不断流动的状态，开关中还放置有冷却装置。
所述易电离的气体可以为三乙胺。
作为上述技术方案的改进，所述等离子体开关的具体结构包括真空腔，以及位于真空腔内的第一透镜、第二透镜、风扇和热交换器；第一透镜、第二透镜为两个相同的ZnSe透镜，真空腔上开有两个正对的观察窗，用于激光的输入和输出；真空腔的两个观察窗的中心，与第一透镜、第二透镜的中心在一条直线上，且两透镜间的距离为2f，f为透镜的焦距。
作为具体结构的改进，所述风扇、第一透镜、第二透镜的焦点和热交换器在一条直线上。
本发明是对最初用于缩短CO2激光脉宽的方法进行了两点改进：一是在背景气体中混入易电离的气体，以降低激光脉冲与背景气体作用时消耗的能量，从而提高输出的激光能量的透过率；二是促进真空腔内背景气体的流动，比如放置一台电风扇，并放置一个冷却装置，降低腔内气体温度，以提高装置的重复率。
本发明是一种用于将脉冲CO2激光脉冲的脉宽缩短的等离子体开关，气体被激光击穿后产生由正离子、负离子、电子、中性粒子混合而成的等离子体，正负离子相遇时会重新结合成气体分子，所以提出促进腔内气体流动的方法，来提高气体的重复利用率。由于激光与气体的作用，以及风扇长时间工作后散发的热量，会使腔内气体温度升高，所以在腔内放置一个冷却装置，如小型热交换器，以降低气体的温度，有利于等离子体开关高重复率运行。总之，本发明与现有等离子体开关的优势是在缩短脉宽的同时，保证了较高的激光透过率，从而使输出脉冲有较高的峰值功率，并提高了装置的重复率。
附图说明
图1是本发明实例提供的等离子体开关的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征，只要彼此间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实例提供的一种用于激光脉冲整形的等离子体开关包括真空腔2、第一透镜3、第二透镜4、风扇5和热交换器6。
第一透镜3、第二透镜4是两个完全相同的ZnSe透镜。
真空腔2设置有两个正对的观察窗，用于激光的输入和输出。真空腔2内设有光学平台，用于固定第一透镜3、第二透镜4、风扇5和热交换器6。真空腔2的两个观察窗的中心，与第一透镜3、第二透镜4的中心在一条直线上，且两透镜间的距离为2f,f为透镜的焦距，风扇5和热交换器6分别位于第一透镜3与第二透镜4的中心所在直线的两侧。脉冲CO2激光1从真空腔2的一个观察窗的中心射入，经过第一透镜3聚焦，将焦点附近的背景气体击穿，产生等离子体。穿过等离子体的激光再经第二透镜4的作用还原成平行光，从真空腔2的另一个观察窗输出。风扇5吹动气体进入热交换器6，热交换器6将气体冷却。风扇5、ZnSe透镜焦点、热交换器6三者在一条直线上，这样有利于将气体快速冷却。
真空腔2内的背景气体中混入易电离的气体，背景气体可以选择空气、氦气、氩气等，而混入的易电离的气体可以选择三乙胺等。如果选择的易电离气体是易燃气体，那么当背景气体选择空气时，其浓度不应超过其爆炸下限，如，当选择三乙胺时，其浓度不应超过爆炸下限1.2％(体积分数)。当背景气体为氦气、氩气等非助燃气体时，可适当提高其浓度，以增加气体的电离系数。三乙胺分子式(C2H5)N，是电离电位比较低的有机气体，仅7.59eV，可大大提高气体的电离系数，使气体电离密度提高三到四个数量级。所以，激光脉冲在击穿混合三乙胺的背景气体产生足够密度的等离子体时，脉冲拖尾会被等离子体吸收，并且会降低消耗的脉冲前沿的能量，提高脉冲前沿的能量透过率。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1. 一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，其特征在于，该等离子体开关的背景气体中混有易电离的气体，并使气体能够处于不断流动的状态，开关中还放置有冷却装置。
2.根据权利要求1所述的用于激光脉冲整形的等离子体开关，其特征在于，所述易电离的气体为三乙胺。
3.根据权利要求1所述的用于激光脉冲整形的等离子体开关，其特征在于，该等离子体开关具体包括真空腔，以及位于真空腔内的第一透镜、第二透镜、风扇和热交换器；第一透镜、第二透镜为两个相同的ZnSe透镜，真空腔上开有两个正对的观察窗，用于激光的输入和输出；真空腔的两个观察窗的中心，与第一透镜、第二透镜的中心在一条直线上，且两透镜间的距离为2f，f为透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的用于激光脉冲整形的等离子体开关，其特征在于，所述风扇、第一透镜、第二透镜的焦点和热交换器在一条直线上。
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