CN105655855A - 声波和激波控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准分子激光器放电腔内声波和激波控制装置。声波和激波控制装置贴附在放电腔内壁上，在放电腔内声波和激波重点传播区域设置该控制装置，必要时放电腔全腔内壁均覆盖。声波和激波控制装置由若干组微结构组成，该声波和激波控制装置由微结构拼凑在面内扩展而成，所述微结构是指呈一定规律分布的交错相间的凹陷结构或凸起结构，微结构可由周期性排列的单元结构组成。本发明能够大幅降低声波和激波的强度，降低对放电区后续高压放电和激光输出稳定性的不利影响。

Description

声波和激波控制装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种声波和激波控制装置，特别是用于准分子激光器的声波和激波控制装置。

背景技术

图1为公知技术的准分子激光器放电腔截面结构示意图。准分子激光器放电腔通常包括腔体结构1、电极2、风机3、导流结构4、散热器5等几个组成部分。其中，腔体结构1主要提供气体放电的密封空间，通常腔体内充入氩气(Ar)或氪气(Kr)、氟气(F2)以及缓冲气体(如Ne等)组成的气体混合物，总气压通常在三至四个大气压，或者更高；电极2用于对高压气体放电，阴极和阳极间放电电压通常在-15KV以上，阴阳电极间为放电区；风机3带动放电腔内气体的高速循环运转，及时带走放电后的气体，并为放电区提供新鲜工作气体；导流结构4引导工作气体按照特定路径进行循环流动；散热器5对放电后的高温气体进行散热冷却，降低放电产生的热干扰对后续放电的不利影响，保持准分子激光系统的稳定运转，如保持ArF准分子激光器腔内气体温度在45℃附近。

准分子激光器在阴极和阳极间进行高压、高重频放电，在几十纳秒以内在两个电极间迅速加载高电压，大量的能量短时间内被注入到放电区内很小空间的气体里面，在该时间内放电区内工作气体尚未发生膨胀(即定容加热)，但会产生温度和压力的跃变，这种压力跃变在空间上是阶梯变化的，之后气体的等熵膨胀便形成了以超声速向中性气体传播的激波，在该过程中同时伴随着声波的产生。在放电区产生的声波和激波向四周传播，到达腔壁或其他阻挡结构时会被反射向不同方向，其中反射回放电区的声波和激波将对后续放电产生不利影响，引起放电区气压梯度的变化，降低放电区内工作气体的均匀性，进而影响激光器输出能量的稳定性。随着放电重复频率的提高，声波和激波的不利影响将变得更显著。因此，需要对放电腔内的声波和激波进行控制，通过散射、波的场干涉衰减和吸收等方法，降低声波和激波振幅强度，从而降低对放电区高压放电的不利影响。

目前，有报道的干扰放电腔内声波和激波的方法和结构，如美国专利US5978405A、US6212211B1和US6317447B1等都提出了衰减声波和/或激波的方法和结构，其中如图2所示，US5978405A提出了在放电腔内增加具有特殊表面的反射体、腔壁上增加凹槽或层状多孔板或堆叠板等方法干扰声波和激波，通过采用固定结构的声波和激波装置，实现声波和激波的消除。US6212211B1提出了在放电腔内采用迂回的气路结构、及放电腔外增加辅助腔室等方法干扰声波和激波；US6317447B1提出了通过控制循环气体温度的方法干扰声波和激波。

可见，目前有报道的干扰放电腔内声波和激波的方法，基本上都是在放电腔内或者外部增加周期性的、或者固定的结构，实现对放电区产生的声波和/或激波进行干扰消除，可认为是声波和激波的被动消除方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明目的在于提出一种准分子激光器放电腔内声波和激波的主动控制方法以及控制装置。结合不同放电腔不同的腔型结构、导流结构、流场特性等特征，预先分析放电腔内不同位置处声波和激波的传播特性、振幅和相位信息，以此来对放电腔内壁不同位置处设置不同的声波和激波控制结构，实现对声波和激波的定向引导，之后通过波的相干相消过程、以及吸声材料共同作用，大幅提高对放电腔内声波和激波的衰减能力，实现对放电腔内声波和激波的主动控制消除过程，降低其对激光器输出性能的不利影响。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种声波和激波控制装置，应用于放电腔中，该声波和激波控制装置贴附在放电腔内表面，且由多个微结构组成，所述微结构是指凹陷结构或凸起结构。所述微结构可由周期性排列的单元结构组成。

一种实施方式是，所述单元结构包括第一单元和第二单元，第一单元与第二单元在相互垂直的两个方向上周期性、间隔排列，每个单元包括多条凹槽。

一种实施方式是，第一单元的凹槽的延伸方向不同于第二凹槽的延伸方向。

一种实施方式是，第一单元的凹槽的延伸方向垂直于第二凹槽的延伸方向。

一种实施方式是，所述凹槽为燕尾形凹槽。

一种实施方式是，所述凹槽的宽度、间隔、深度均在0.1mm至10mm之间。

一种实施方式是，所述凹槽由吸声材料构成。

本发明还提出一种准分子激光器放电腔，该放电腔的内壁附有至少一部分所述的声波和激波控制装置。

(三)有益效果

本发明中提出的准分子激光器放电腔内声波和激波的主动控制方法以及控制装置，与已报道的类似的方法或装置相比较而言，将声波和激波被动消除方法改进为主动干扰、定向控制的方式，结合不同腔型结构、腔内流场特性等，对放电腔内声波/激波重点传播区域布置声波和激波控制装置；针对放电腔内不同位置处的声波/激波传播特性(如传播方向、强度、相位等)，采用不同的声波和激波控制微结构来进行引导和消除。即针对放电腔内不同位置处声波/激波特性，设置最佳的控制结构，实现声波和激波的定向引导，通过波的相干相消原理实现消除的目的，最终大幅降低声波和激波的强度，降低对放电区后续高压放电和激光输出稳定性的不利影响。本发明通过对放电腔内声波和激波的人为性主动控制，灵活采用不同控制维结构，实现对放电腔内声波和激波的有效控制过程。

附图说明

图1为现有技术的准分子激光器放电腔截面结构示意图；

图2为现有技术的相关声波和/或激波干扰装置结构示意图；

图3为本发明提出的声波和激波控制装置应用于准分子激光器放电腔的截面示意图；

图4为图3中本发明提出的声波和激波控制装置的微结构的一个实施例的示意图；

图5显示了本发明提出的声波和激波控制装置的微结构中的每个单元的多种变化方式。

具体实施方式

本发明提出一种准分子激光器放电腔内声波和激波控制装置。声波和激波控制装置附在放电腔内壁上，在放电腔内声波和激波重点传播区域，必要时放电腔全腔内壁均覆盖。声波和激波控制装置采用微结构由若干微结构在面内扩展形成。所述微结构是指呈一定规律分布的交错相间的多组凹陷结构或凸起结构。微结构可以由周期性排列的单元结构组成，例如每个微结构由四个或者更多个单元组成，每个单元分布多条平行分布的燕尾形凹槽，相邻单元的凹槽延伸方向呈正交分布。因此，由若干单元构成的微结构基本结构表现为由周期性、间隔分布的水平方向燕尾形凹槽单元和垂直方向燕尾形凹槽单元组成。不同单元之间的凹槽结构和尺寸可以完全相同，也可以采用不同的凹槽结构和尺寸。此外，根据使用效果，每个单元内凹槽形状还可以变换为矩形状凹槽、或三角形状凹槽、或者是多种不同凹槽的组合使用，或者是将微结构缩小尺寸作为一个单元来使用，与其他单元嵌套分布在同一大微结构中。

声波和激波控制装置可采用吸声材料制成。

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

图3所示为本发明提出的声波和激波控制装置应用于准分子激光器放电腔的截面示意图，准分子激光器放电腔包括腔体结构1、电极2、风机3、导流结构4、散热器5。其中腔体结构1、电极2、风机3、导流结构4、散热器5与图1中结构一致。

本发明中提出的声波和激波控制装置6附着在放电腔内壁上，结合放电腔内不同位置处的声波和激波传播特性(如传播方向、强度、相位等)进行设置。对于放电腔内壁上声波和激波传播的重点区域，如实施例中所示的高压放电区周围、放电腔两侧内壁等区域，均可设置该声波和激波控制装置。对于不同的腔型结构，可在放电腔内壁上其他区域、或者必要时放电腔全腔内壁均覆盖该声波和激波控制装置。

声波和激波控制装置6是由若干个微结构在放电腔内表面上扩展而成。本发明中所述微结构由若干组呈一定规律分布的单元组成，每个单元内分布若干交错相间的凹陷或凸起结构，即凹槽结构。

图4为图3中声波和激波控制装置的微结构的一个实施例的示意图。如图4所示，微结构一种实施方式是，所述微结构由两种基本结构组成，即第一单元6a和第二单元6b，第一单元6a和第二单元6b在相互垂直的两个方向上周期性、间隔排列。第一单元6a和第二单元6b均包括相互平行的多条凹槽，但不同单元的凹槽延伸方向(长度方向)相互垂直，凹槽的截面为燕尾形(底边长于顶部的梯形)。微结构图4中显示了四个单元，但这仅是示意，单元的数量可以根据需要在面内扩展成需要的面积。所述的凹槽宽度、间隔、深度一般在0.1mm至10mm之间，截面梯形的底角优选为在45°至90°之间。凹槽宽度、间隔、深度可以取相同值也可以取不同值。燕尾形凹槽能提高对凹槽内入射波的锁紧能力，提高波在凹槽内反射次数，增加吸收，降低反射波在放电腔内的传导。

采用这种周期性、间隔分布的凹槽式微结构，可以提高波的分散程度，对波的传输起到充分的干扰目的，将入射的声波和激波变成大量的子波向多方向散射，降低反射回放电区的声波和激波强度，这是本发明中优势之一。

同时，上述声波和激波控制装置优选采用吸声性能良好的材料(吸声材料)制成，如Al₂O₃陶瓷、泡沫金属等材料，吸声材料可对入射的声波和激波进行吸收，降低反射会放电区的声波和激波的幅值强度，进而进一步降低对激光器放电区高压放电的不利影响。

本发明的声波和激波控制装置的微结构可以在上述实施例的基础上进行变化。例如图4中所示的微结构中的每一个单元均可以进行相应调整，如改变凹槽的尺寸或数量等；或变换为其他的凹槽形状，如矩形凹槽(截面为矩形)、三角形凹槽(截面为倒三角形)、截面上宽下窄的梯形凹槽等；或采用不同凹槽形状的组合，如矩形和三角形凹槽组合、燕尾形和矩形凹槽的组合等；或每个单元的各条凹槽相互成一角度，而不相互平行；或各单元的排列方式不同，如同心圆排列、蜂窝状排列、波浪形排列等；或每个单元还可以采用“缩小版”的微结构，即每个单元还包含若干子单元，子单元结构与原单元结构类似，整个单元结构与原微结构类似，相当于将微结构缩小尺寸作为一个单元来使用，与其他单元嵌套分布在同一大微结构中。图5显示了微结构中的每个单元的多种变化方式。

上述实施例中的微结构包括周期性排列的单元，但本发明不限于此，整个声波和激波控制装置的微结构的单元排布也可以是非周期性的，即上述对于微结构的组成单元的各种变化可以以任意方式作用于微结构中的任意单元。

优选的，在放电腔内不同位置处设置的声波和激波控制装置的微结构是根据该位置处声波和激波的传播特性对其组成单元进行特定设置的，例如通过对凹槽形状、组合形式、数量、凹槽尺寸(宽度、间隔、深度)等参数的相应调整，采用最佳微结构实现对入射的声波和激波的定向引导传输。由此，通过反射波同入射波相覆盖时，波的叠加相消原理能实现最大程度衰减声波和激波幅值强度的目的。

因此，结合放电腔内不同位置处声波和激波传输特性，而采用特定的微结构，实现对声波和激波的定向引导和主动控制过程，以达到声波和激波最大程度衰减的目的，是本发明的第二个优势。

由此可知，本发明中声波和激波控制装置的设计思想是结合不同放电腔腔型结构、导流结构、流场特性等，预先分析得出放电腔内不同位置处的声波/激波传播特性，以此来决定该处声波和激波控制微结构的具体结构特征，采用最佳的微结构，来实现声波和激波最大程度衰减的目的。放电腔内各处的声波和激波控制微结构不尽相同，主要取决于该处的声波和激波传播特性。为了实现对放电腔内不同位置处的反射波均能进行最大程度干扰相消的作用，针对声波和激波传播特性(如传播方向、强度、相位等)，每个位置处的微结构都可以进行相应的改变。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种声波和激波控制装置，应用于放电腔中，其特征在于，该声波和激波控制装置贴附在放电腔内表面，且由多个微结构组成，所述微结构是指凹陷结构或凸起结构。

2.如权利要求1所述的声波和激波控制装置，其特征在于，所述微结构由周期性排列的单元结构组成。

3.如权利要求2所述的声波和激波控制装置，其特征在于，所述单元结构包括第一单元和第二单元，第一单元与第二单元在相互垂直的两个方向上周期性、间隔排列，每个单元包括多条凹槽。

4.如权利要求3所述的声波和激波控制装置，其特征在于，第一单元的凹槽的延伸方向不同于第二凹槽的延伸方向。

5.如权利要求3所述的声波和激波控制装置，其特征在于，第一单元的凹槽的延伸方向垂直于第二凹槽的延伸方向。

6.如权利要求3至5中任一项所述的声波和激波控制装置，其特征在于，所述凹槽为燕尾形凹槽。

7.如权利要求3至5中任一项所述的声波和激波控制装置，其特征在于，所述凹槽的宽度、间隔、深度均在0.1mm至10mm之间。

8.如权利要求3至5中任一项所述的声波和激波控制装置，其特征在于，所述凹槽由吸声材料构成。

9.一种准分子激光器放电腔，其特征在于，该放电腔的内壁附有至少一部分权利要求1～3中任一项所述的声波和激波控制装置。