CN105044010A - 一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置，属于等离子体光谱诊断领域。这种光谱诊断装置包括大功率宽带LED光源系统、光学谐振腔系统、光路调节辅助系统三个部分。宽带LED光源发出的宽带光经过凸透镜和球面反射镜聚焦和准直之后，耦合进由两片高反镜组成的光学谐振腔内。谐振腔透射出的宽带光，经带通滤波片滤波，由平凸透镜聚焦到光纤耦合器的端面上，由光谱仪记录光谱强度分布。光学谐振腔是由两片平凹高反镜组成，并利用辅助激光将其调节为谐振器。该光谱诊断装置能够增强粒子对光的吸收程长，提高信噪比，能够测定多种物种浓度，能够有效抑制反应性气体对高反镜的污染，提高高反镜的使用寿命等。

Description

一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置

技术领域

本发明涉及一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置，属于等离子体光谱诊断领域。

技术背景

低温等离子体主要应用于微电子制造以及材料处理领域。而等离子体中产生的各种微量粒子在材料的加工处理中扮演着重要的角色，因此测定等离子体中粒子的浓度具有重要的实际指导意义与理论参考价值。然而，由于某些粒子的浓度较低，或有一些重要的活性自由基（如氧原子等），在可见光区的吸收截面很小，使用传统的吸收光谱技术不能准确地对其浓度进行诊断。同时，尽管非相干光源测量分辨率较高，但是如果要同时测量多个物种，或待测物种具有波长范围较宽的吸收带时，就需要光强较大、覆盖波长范围较广的宽带光源的配合测量，这就需要使用非相干宽带光源。尤其是在等离子体中，产生的活性自由基往往种类较多、光谱范围较宽。因此，发明人设计了一套能够进行低温等离子体中微量物种浓度测定的吸收光谱装置。

发明内容

为了能够测定低温等离子体中微量粒子的浓度，本发明提供了一套宽带腔增强吸收光谱的光学装置，该装置能够有效测定等离子体中微量粒子的浓度。

本发明采用的技术解决方案：一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置，所述吸收光谱装置的光学器件包括大功率宽带LED光源、散热片、控温单元、辅助激光器、三个平凸透镜、两个球面反射镜、两个平凹高反镜、两个不锈钢延长管、两个吹扫进气孔、两个带孔圆柱挡板、带通滤波片、光纤耦合器、光谱仪以及计算机。所述光学器件均固定在光学平台上，从大功率宽带LED光源发出的宽带光依次经过第一平凸透镜、第二平凸透镜聚焦后，再经第一球面反射镜、第二球面反射镜准直，准直后的光束耦合进由左端平凹高反镜和右端平凹高反镜组成的谐振腔，从右端平凹高反镜透射出的光经带通滤波片滤波后，再由第三平凸透镜聚焦到光纤耦合器的接受端面上，由光纤耦合器收集到的光经光纤传输，最终由光谱仪探测，其结果显示在计算机上。所述谐振腔由右端平凹高反镜和左端平凹高反镜、右端不锈钢延长管和左端不锈钢延长管构成；右端平凹高反镜和左端平凹高反镜位于谐振腔的两端，并保持平行；右端不锈钢延长管和左端不锈钢延长管均固定在等离子体腔室侧面法兰上，中轴成一条直线；右端平凹高反镜、左端平凹高反镜、右端不锈钢延长管、左端不锈钢延长管以及腔室之间真空密封；所述右端不锈钢延长管和左端不锈钢延长管内侧，在靠近腔室法兰一侧分别放置右端带孔圆柱挡板和左端带孔圆柱挡板；右端不锈钢延长管和左端不锈钢延长管内侧，在靠近右端平凹高反镜和左端平凹高反镜一侧设置右端进气孔和左端进气孔。

所述LED光源为大功率的宽带光源。

所述大功率宽带LED光源安装散热片以及控温单元。

本发明的有益效果是：这套宽带腔增强吸收光谱光学装置是将两片高反镜对称平行地安装在等离子体腔室两侧，并形成谐振腔，由于反射镜的反射率较高，使耦合进入腔内的光束会在高反射镜之间来回反射，从而提高了等离子体中活性物种对光的吸收程长，提高了测量的信噪比。在每个平凹高反镜与等离子体腔室侧面法兰之间加入不锈钢延长管，在不锈钢延长管内靠近腔室法兰一侧放置带孔圆柱挡板，在不锈钢延长管内靠近平凹高反镜一侧通入小流量的惰性气体进行吹扫，这样可以防止等离子体中粒子对平凹高反镜的污染，以提高实验精度，并能延长高反镜使用寿命。采用大功率宽带LED光源可以实现多种物种浓度的同时测量；而且光功率较大，有助于提高测量的信噪比。另外宽带光源不存在光与腔体模式匹配的问题，因此在测量过程中无需利用锯齿波来调控腔长。

附图说明

图1是一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置。

图中：1、辅助激光器，2、第一平凸透镜，3、大功率宽带LED光源，4、散热片，5、控温单元，6、等离子体电极，7、等离子体区，8、金属腔室，9a、右端带孔圆柱挡板，9b、左端带孔圆柱挡板，10a、右端不锈钢延长管，10b、左端不锈钢延长管，11a、右端进气孔，11b、左端进气孔，12a、右端平凹高反镜，12b、左端平凹高反镜，13、带通滤波片，14、第三平凸透镜，15、光纤耦合器，16、光纤，17、计算机，18、光电倍增管，19、光谱仪，20a、第一平面反射镜，20b、第二平面反射镜,20c、第三平面反射镜，21、第二平凸透镜，22a、第一球面反射镜，22b、第二球面反射镜，23、半透半反镜，24、地线。

具体实施方式

图1示出了一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置。图中，大功率宽带LED光源3发出的宽带光首先依次经过第一平凸透镜2和第二平凸透镜21聚焦，接着经过第一球面反射镜22a和第二球面反射镜22b准直后，进入由右端平凹高反镜12a和左端平凹高反镜12b组成的谐振腔内。准直后的宽带光在谐振腔中传播首先经过左端平凹高反镜12b，左端不锈钢延长管10b及其内部的带孔圆柱挡板9b，在透过等离子体之后，通过右端不锈钢延长管10a及其内部的带孔圆柱挡板9a，被右端平凹高反镜12a反射回到等离子体腔室，再入射到左端平凹高反镜12b上。这样，宽带光可以在右端平凹高反镜12a和左端平凹高反镜12b之间多次反射，多次被等离子体7吸收，同时有一小部分光在与右端平凹高反镜12a相互作用时透射出谐振腔。透射光由带通滤波片13滤光后，经第三平凸透镜14聚焦到光纤耦合器15的接收端面上。最后，由光纤耦合器收集到的光经光纤16由光谱仪19探测到，其结果显示在计算机17上。为了提高信噪比，实验过程中需要进行多次信号的累加。另外，为了防止反应性气体吸附在右端平凹高反镜12a和左端平凹高反镜12b表面影响其反射率，在两高反镜前端的右端进气孔11a和左端进气孔11b通入少量惰性气体进行吹扫。

在实验之前需要对光路进行调节，使光学腔成为稳定的谐振腔。当装上右端平凹高反镜12a和左端平凹高反镜12b之后，由于其反射率较高，宽带LED光源3发出的光从谐振腔透射之后强度变得很弱，无法用肉眼观察透射光路。所以在调腔时，需要用辅助激光器1发出的可透射的可见激光辅助调节，具体方法如下。首先，在调腔之前先调整可见辅助激光，使之与实验中用到的宽带LED光源3发出的宽带光共线。其次，在小孔光阑的配合下，调节宽带LED光源3角度，使其与腔轴基本重合。然后，进行谐振腔的粗调。先将右端平凹高反镜12a装在镜架上，然后使激光通过小孔光阑入射到右端平凹高反镜12a上，之后调整镜架上微调螺杆，使从右端高反射镜12a反射回来的光线与入射光线重合，这表明光线与右端平凹高反镜12a基本垂直。再用同样的方法使得左端平凹高反镜12b的反射光与入射光线重合。之后，通过精调使两片高反镜的多个面上的反射光和入射光相互干涉，形成多个同心的干涉环。此时，光路调节完毕。

这种谐振腔能够让入射光在两个高反镜之间来回多次反射，增加了等离子体活性物种对光的吸收程长，从而增强了光的吸收强度。这就是所谓的腔增强吸收技术，它比单程吸收的吸收程长提高了1/(1-R)倍R为高反镜的反射率。在理想状态下，假如腔镜的反射率为R=0.999，其灵敏度比传统单程吸收光谱大1000倍。尽管腔镜的高反射特性使透射光强相对于入射光强十分微弱，以至于与强度相关的这部分信噪比低于单程吸收。但是，对于吸收系数较小的吸收物种而言，腔增强吸收光谱有效吸收光程长的增加极大地提高它的信噪比。

总之，本方法可以极大地增强等离子体中活性物种对光的吸收程长，能够有效测定低温等离子体中的微量物种浓度。

Claims (3)

1.一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置，所述吸收光谱装置的光学器件包括大功率宽带LED光源（3）、散热片（4）、控温单元（5）、辅助激光器（1）、三个平凸透镜、两个球面反射镜、两个平凹高反镜、两个不锈钢延长管、两个吹扫进气孔、两个带孔圆柱挡板、带通滤波片（13）、光纤耦合器（15）、光谱仪（19）以及计算机（17），其特征在于：所述光学器件均固定在光学平台上，从大功率宽带LED光源（3）发出的宽带光依次经过第一平凸透镜（2）、第二平凸透镜（21）聚焦后，再经第一球面反射镜（22a）、第二球面反射镜（22b）准直，准直后的光束耦合进由左端平凹高反镜（12b）和右端平凹高反镜（12a）组成的谐振腔，从右端平凹高反镜（12a）透射出的光经带通滤波片（13）滤波后，再由第三平凸透镜（14）聚焦到光纤耦合器（15）的接受端面上，由光纤耦合器收集到的光经光纤（16）传输，最终由光谱仪（19）探测，其结果显示在计算机（17）上；所述谐振腔由右端平凹高反镜（12a）和左端平凹高反镜（12b）、右端不锈钢延长管（10a）和左端不锈钢延长管（10b）构成；右端平凹高反镜（12a）和左端平凹高反镜（12b）位于谐振腔的两端，并保持平行；右端不锈钢延长管（10a）和左端不锈钢延长管（10b）均固定在等离子体腔室侧面法兰上，中轴成一条直线；右端平凹高反镜（12a）、左端平凹高反镜（12b）、右端不锈钢延长管（10a）、左端不锈钢延长管（10b）以及腔室（8）之间真空密封；所述右端不锈钢延长管（10a）和左端不锈钢延长管（10b）内侧，在靠近腔室法兰一侧分别放置右端带孔圆柱挡板（9a）和左端带孔圆柱挡板（9b）；右端不锈钢延长管（10a）和左端不锈钢延长管（10b）内侧，在靠近右端平凹高反镜（12a）和左端平凹高反镜（12b）一侧设置右端进气孔（11a）和左端进气孔（11b）。

2.根据权利要求1中所述的一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的光学装置，其特征在于：所述LED光源（3）为大功率的宽带光源。

3.根据权利要求1中所述的一种用于测定等离子体中微量粒子浓度的吸收光谱装置，其特征在于：所述大功率宽带LED光源（3）安装散热片（4）以及控温单元（5）。