CN110411650A - 基于光频梳的真空测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于光频梳的真空测量方法及装置，属于真空测量技术领域。基于光频梳的真空测量方法，包括：采用PDH机制将光频梳的重复频率锁定到气室内FP腔的腔长上；将气室内的气体抽空使气室内为真空，获得真空时锁定的光频梳的重复频率；在气室内充入混合气体，获得充入气体后锁定的光频梳的重复频率，混合气体包括清洁气体和污染气体；采用光频梳作为光源测量污染气体的吸收谱，并根据吸收谱，获得气室内的洁净度；根据真空时锁定的光频梳的重复频率和充入气体后锁定的光频梳的重复频率，获得气室内的真空度。本发明利用光频梳的宽光谱特性，可同时测量多种气体成分的分压，在测量真空环境真空度的同时实现洁净度的测量。

Description

基于光频梳的真空测量方法及装置
技术领域
本发明涉及真空测量技术领域，尤其涉及一种基于光频梳的真空测量方法及装置。
背景技术
极紫外光刻机、惯性约束核聚变国家点火装置和长寿命真空电子器件等都对真空环境的真空度和洁净度提出了要求。目前，真空环境的监测多采用质谱仪和薄膜电容规等手段。近年来，诸多测量参数对应的实物标准开始向量子标准转变，基于光学手段的真空测量方法成为国际真空测量领域的研究热点。基于光学手段的真空测量方法主要有折射率测量和吸收光谱测量两种。折射率法采用连续单频激光和法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪，调节F-P腔长或激光波长使其相互匹配，通过测量待测气体的折射率最终推导出气压值。吸收光谱法则采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术测得样品气体吸收谱，对吸收谱进行线型拟合得到气体浓度，进而推导出气体分压。
申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：
(1)折射率法只能测得气体的整体效果，无法获得气体成分和气体分压信息。因此只能得到真空度，无法得到洁净度信息。
(2)由于当前可调谐二极管激光器频率扫描范围具有一定的限制，采用TDLAS方法对多种气体进行检测时需要多个激光器同时工作，导致仪器成本的增加。同时，真空环境的清洁气体，如氮气，在可见光与红外波段吸收强度极弱，不利于吸收光谱测量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种基于光频梳的真空测量方法及装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种基于光频梳的真空测量方法，包括以下步骤：
采用PDH机制将光频梳的重复频率锁定到气室内FP腔的腔长上；
将所述气室内的气体抽空，使所述气室内为真空，获得真空时所述锁定的光频梳的重复频率；
在所述气室内充入混合气体，获得充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，所述混合气体包括清洁气体和污染气体；
采用光频梳作为光源测量所述污染气体的吸收谱，并根据所述吸收谱，获得所述气室内的洁净度；
根据真空时所述锁定的光频梳的重复频率和充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，获得所述气室内的真空度。
在一些实施例中，测量所述污染气体的吸收谱，并根据所述吸收谱，获得所述气室内的洁净度，包括：
采用腔增强光梳光谱技术或者腔衰荡光梳光谱技术，测量所述气室内污染气体的吸收谱；
对所述吸收谱进行线型拟合，得到所述污染气体的吸收系数；
根据所述吸收系数，计算得到所述污染气体的分压值，所述分压值即为所述气室内的洁净度。
在一些实施例中，根据真空时所述锁定的光频梳的重复频率和充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，获得所述气室内的真空度，包括：
比对真空时所述锁定的光频梳的重复频率和充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，计算得到所述气室内所述混合气体的折射率；
根据所述气室内所述混合气体的折射率，计算得到所述气室内所述混合气体的气压值，所述气压值即为所述气室内的真空度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于光频梳的真空测量装置，包括以下部件：
光频梳、气室、FP腔、PDH锁频单元、光电探测器、信号采集单元以及计算单元；
所述FP腔位于所述气室内，所述光频梳、PDH锁频单元、气室依次连接，所述光电探测器、信号采集单元以及计算单元依次连接。
在一些实施例中，所述FP腔为增强腔或者衰荡腔，所述光频梳为单光梳或者双光梳，当所述光频梳为单光梳时，所述真空测量装置为单光梳真空测量装置；当所述光频梳为双光梳时，所述真空测量装置为双光梳真空测量装置。
在一些实施例中，所述单光梳真空测量装置还包括干涉装置；所述气室位于所述干涉装置之前或者干涉装置之后或者干涉装置的可调谐臂中，所述干涉装置用于使所述光频梳输出的脉冲发生干涉。
在一些实施例中，所述干涉装置为空间光路干涉装置或光纤光路干涉装置。
在一些实施例中，所述空间光路干涉装置包括半透半反镜、两个角反射器；所述光纤光路干涉装置包括光纤耦合器、光纤反射镜、光纤准直器以及垂直入射反射镜。
在一些实施例中，所述双光梳真空测量装置还包括45°入射反射镜和半透半反镜。
在一些实施例中，所述光频梳作为测量光源，所述气室用于模拟设备真空环境，所述FP腔用于锁定光频梳重复频率，所述PDH锁频单元用于将光频梳的重复频率锁定为所述FP腔腔长的整数倍，所述光电探测器用于将光频梳输出的光信号转换为电信号，所述信号采集单元用于采集所述电信号，所述计算单元用于根据所述电信号计算出所述气室内的洁净度和真空度。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明基于光频梳的真空测量方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明提供的基于光频梳的真空测量方法及装置，采用FP腔锁定光频梳腔长，利用光频梳重复频率的变化可以获得气体折射率信息，同时FP腔可大幅增加光频梳经过气体的有效光程，提高污染气体吸收谱测量灵敏度，该方法和装置可同时实现真空环境真空度和洁净度的测量；
(2)本发明提供的基于光频梳的真空测量方法及装置，利用光频梳的宽光谱特性，可同时测量多种污染气体成分的分压。
附图说明
图1为本发明提供的基于光频梳的真空测量方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的第一种基于空间光路干涉装置的单光梳真空测量装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的第二种基于空间光路干涉装置的单光梳真空测量装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的第三种基于空间光路干涉装置的单光梳真空测量装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的第一种双光梳真空测量装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的第二种双光梳真空测量装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的基于光纤光路干涉装置的单光梳真空测量装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的两种光纤光路干涉装置的结构示意图。
上述附图中，附图标记含义具体如下：
1，12-光频梳，2-FP腔，3-气室，4-PDH锁频单元，5-半透半反镜，6，7-角反射器，8-光电探测器，9-信号处理单元，10-计算单元，11-45°入射反射镜，13-2×2光纤耦合器，14-光纤反射镜，15-光纤准直器，16-垂直入射反射镜，17-1×2光纤耦合器，18-光纤环形器，19-压电陶瓷。
具体实施方式
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。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于光频梳的真空测量方法，如图1所示，包括：
S11，采用PDH机制将光频梳的重复频率锁定到气室内FP腔的腔长上；
S12，将气室内的气体抽空，使气室内为真空，获得真空时锁定的光频梳的重复频率；
S13，在气室内充入混合气体，获得充入气体后锁定的光频梳的重复频率，混合气体包括清洁气体和污染气体；
S14，采用光频梳作为光源测量污染气体的吸收谱，并根据吸收谱，获得气室内的洁净度；
S15，根据真空时锁定的光频梳的重复频率和充入气体后锁定的光频梳的重复频率，获得气室内的真空度。
本发明提供的基于光频梳的真空测量方法，采用FP腔锁定光频梳腔长，利用光频梳重复频率的变化可以获得气体折射率信息，同时FP腔可大幅增加光频梳经过气体的有效光程，提高污染气体吸收谱测量灵敏度，同时实现真空环境的真空度和洁净度的测量。
进一步的，步骤S14具体包括：
采用腔增强光梳光谱技术或者腔衰荡光梳光谱技术，测量气室内污染气体的吸收谱；
对吸收谱进行线型拟合，得到污染气体的吸收系数；
根据吸收系数，计算得到污染气体的分压值，分压值即为气室内的洁净度。
具体的，通常采用Voigt线型进行谱线拟合，其表达形式为洛伦兹与高斯线型的卷积形式。在采用Voigt线型拟合的实际过程中，谱线中心会出现W型的拟合残差，导致拟合结果出现偏差。其原因主要来自于两个方面：一个方面是碰撞导致分子速度发生变化，对线型展宽产生影响，这个现象被称为Dicke窄化效应。另一各方面是速度相关联的弛豫速率会造成线型窄化，称为速度依赖效应。为了修正Voigt线型的缺陷，提高测量精度，本发明引入了关联参数η，在Voigt线型基础上增加了描述Dicke窄化效应、速度依赖效应和两者部分相关联的项，即Hartmann-Tran线型：
A(v)、B(v)可表达为
公式(2)和(3)中w(z)为复概率函数，可表达为
erfc为高斯误差函数。其余各项参数可表达为
Cn＝Γn+iΔn，(n＝0，2) (10)
公式(1)-(8)中的参数vVC为速度变化碰撞频率，va0为分子运动速度，Γn表示谱线展宽，Δn表示谱线偏移，Γ0和Δ0是平均弛豫速率引起的，Γ2和Δ2是描述速度相关弛豫变化的二次项。
采用Hartmann-Tran线型对吸收谱进行拟合，可以得到吸收系数α(v)，则气室内污染气体产生的分压即气室内的洁净度可表示为：
其中I为谱线强度(可从HITRAN数据库中获得)，NA为阿伏伽德罗常数。
本发明提供的基于光频梳的真空测量方法，利用光频梳的宽光谱特性，可同时测量多种污染气体成分的分压。
进一步的，步骤S15具体包括：
比对真空时锁定的光频梳的重复频率和充入气体后锁定的光频梳的重复频率，计算得到气室内混合气体的折射率；
根据气室内混合气体的折射率，计算得到气室内气体的气压值，气压值即为气室内的真空度。
具体的，真空度的计算过程如下为：首先将气室内的气体抽空，此时折射率n等于1。将光频梳振荡器腔长Lmc锁定到增强腔腔长Lec的偶数倍m上，光频梳的重复频率fm，r可表示为
气室内充入清洁气体和少量污染气体，模拟光刻机真空环境。此时折射率n大于1，则有
由公式(12)、(13)可得到折射率n的表达式为
结合理想气体状态方程，气室内真空度可表达为
其中A为摩尔极化率，T为气室内温度，R分别为摩尔气体常数。
本发明提供的基于光频梳的真空测量方法，采用FP腔锁定光频梳腔长，利用光频梳重复频率的变化可以获得气体折射率信息，同时FP腔可大幅增加光频梳经过气体的有效光程，提高污染气体吸收谱测量灵敏度，同时实现真空环境真空度和洁净度的测量。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于光频梳的真空测量装置，包括：
光频梳、气室、FP腔、PDH锁频单元、光电探测器、信号采集单元以及计算单元；
FP腔位于气室内，光频梳、PDH锁频单元、气室依次连接，光电探测器、信号采集单元以及计算单元依次连接。
本发明提供的基于光频梳的真空测量装置，采用FP腔锁定光频梳腔长，利用光频梳重复频率的变化可以获得气体折射率信息，同时FP腔可大幅增加光频梳经过气体的有效光程，提高污染气体吸收谱测量灵敏度，同时实现真空环境真空度和洁净度的测量。
进一步的，干涉装置和光电探测器可由傅里叶变换光谱仪代替。
进一步的，FP腔为增强腔或者衰荡腔，光频梳可为个单光梳或者双光梳，当光频梳为单光梳时，真空测量装置为单光梳真空测量装置；当光频梳为双光梳时，真空测量装置为双光梳真空测量装置。
进一步的，单光梳真空测量装置还包括干涉装置，气室位于干涉装置之前或者干涉装置之后或者干涉装置的可调谐臂中，干涉装置用于使光频梳输出的脉冲发生干涉。
进一步的，干涉装置为空间光路干涉装置或光纤光路干涉装置，空间光路干涉装置包括半透半反镜、两个角反射器，光纤光路干涉装置包括光纤耦合器、光纤反射镜、光纤准直器以及垂直入射反射镜，其中光纤耦合器为1×2光纤耦合器或2×2光纤耦合器。
如图2所示的单光梳真空测量装置，包括1个光频梳1、PDH锁频单元4、气室3、位于气室内的FP腔2、由半透半反镜5和角反射器6，7形成的空间光路干涉装置、光电探测器8、信号采集单元9以及计算单元10；其中气室3放置于空间光路干涉装置的前侧位置；而图3所示的单光梳真空测量装置与图2中包含的部件相同，但图3中的气室3放置于空间光路干涉装置的后侧；图4所示的单光梳真空测量装置与图2中包含的部件相同，但图4中的气室3放置于空间光路干涉装置的可调谐臂中。
在单光梳真空测量装置中，如图2-图4所示，利用PDH锁频单元4将光频梳1的重复频率锁定到FP腔2的腔上，光频梳1输出的测量光梳，穿过气室3，由半透半反镜5分为两束，一束由固定的角反射器6反射，另一束由可沿光束传播方向前后移动的角反射器7反射，两束反射光在半透半反镜5处合束后，发生干涉，被光电探测器8探测到此光信号，并被光电探测器8转换为电信号，发送给信号采集单元9，信号采集单元9将采集的信号发送给计算单元10进行计算，以得到气室内的洁净度和真空度。
进一步的，双光梳真空测量装置还包括45°入射反射镜和半透半反镜。
如图5所示的双光梳真空测量装置中，包括光频梳1、光频梳12、PDH锁频单元4、气室3、位于气室内的FP腔2、半透半反镜5、45°入射反射镜11、光电探测器8、信号采集单元9以及计算单元10；其中气室3放置于半透半反镜5的后侧位置；而图6所示的双光梳真空测量装置与图5中包含的部件相同，但图6中的气室3放置于半透半反镜5的前侧。
在双光梳真空测量装置中，如图5和图6所示的，利用PDH锁频单元4将光频梳1的重复频率锁定到FP腔2的腔上，光频梳1和光频梳12分别射出测量光梳和参考光梳，参考光梳经过45°入射反射镜11反射后，在半透半反镜5处与测量光梳重合，被光电探测器8探测到，并转换为电信号发送给信号采集单元9，信号采集单元9将采集的信号发送给计算单元10进行计算，以得到气室内的洁净度和真空度。
在一些实施例中，光纤光路干涉装置，还包括了光纤环形器18和压电陶瓷19，可以由图8所示的1×2光纤耦合器17和光纤环形器18代替图7中的2×2光纤耦合器13，还可以用图8所示的压电陶瓷19和光纤反射镜14代替图7中的光纤准直器15和垂直入射反射镜16实现脉冲的同步采样，进一步减少空间光路。
本发明提供的基于光频梳的真空测量装置，利用光频梳的宽光谱特性，可同时测量多种污染气体成分的分压。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以上描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
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，所应理解的是，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 (10)

1.一种基于光频梳的真空测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用PDH机制将光频梳的重复频率锁定到气室内FP腔的腔长上；
将所述气室内的气体抽空，使所述气室内为真空，获得真空时所述锁定的光频梳的重复频率；
在所述气室内充入混合气体，获得充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，所述混合气体包括清洁气体和污染气体；
采用光频梳作为光源测量所述污染气体的吸收谱，并根据所述吸收谱，获得所述气室内的洁净度；
根据真空时所述锁定的光频梳的重复频率和充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，获得所述气室内的真空度。
2.根据权利要求1所述的真空测量方法，其特征在于，采用光频梳作为光源测量所述污染气体的吸收谱，并根据所述吸收谱，获得所述气室内的洁净度，包括：
采用腔增强光梳光谱技术或者腔衰荡光梳光谱技术，测量所述气室内污染气体的吸收谱；
对所述吸收谱进行线型拟合，得到所述污染气体的吸收系数；
根据所述吸收系数，计算得到所述污染气体的分压值，所述分压值即为所述气室内的洁净度。
3.根据权利要求1所述的真空测量方法，其特征在于，根据真空时所述锁定的光频梳的重复频率和充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，获得所述气室内的真空度，包括：
比对真空时所述锁定的光频梳的重复频率和充入气体后所述锁定的光频梳的重复频率，计算得到所述气室内所述混合气体的折射率；
根据所述气室内所述混合气体的折射率，计算得到所述气室内所述混合气体的气压值，所述气压值即为所述气室内的真空度。
4.一种基于光频梳的真空测量装置，其特征在于，包括以下部件：
光频梳、气室、FP腔、PDH锁频单元、光电探测器、信号采集单元以及计算单元；
所述FP腔位于所述气室内，所述光频梳、PDH锁频单元、气室依次连接，所述光电探测器、信号采集单元以及计算单元依次连接。
5.根据权利要求4所述的真空测量装置，其特征在于，所述FP腔为增强腔或者衰荡腔，所述光频梳为单光梳或者双光梳，当所述光频梳为单光梳时，所述真空测量装置为单光梳真空测量装置；当所述光频梳为双光梳时，所述真空测量装置为双光梳真空测量装置。
6.根据权利要求5所述的真空测量装置，其特征在于，所述单光梳真空测量装置还包括干涉装置；所述气室位于所述干涉装置之前或者干涉装置之后或者干涉装置的可调谐臂中，所述干涉装置用于使所述光频梳输出的脉冲发生干涉。
7.根据权利要求6所述的真空测量装置，其特征在于，所述干涉装置为空间光路干涉装置或光纤光路干涉装置。
8.根据权利要求7所述的真空测量装置，其特征在于，所述空间光路干涉装置包括半透半反镜、两个角反射器；所述光纤光路干涉装置包括光纤耦合器、光纤反射镜、光纤准直器以及垂直入射反射镜。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述双光梳真空测量装置还包括45°入射反射镜和半透半反镜。
10.根据权利要求4所述的真空测量装置，其特征在于，所述光频梳作为测量光源，所述气室用于模拟设备真空环境，所述FP腔用于锁定光频梳重复频率，所述PDH锁频单元用于将光频梳的重复频率锁定为所述FP腔腔长的整数倍，所述光电探测器用于将光频梳输出的光信号转换为电信号，所述信号采集单元用于采集所述电信号，所述计算单元用于根据所述电信号计算出所述气室内的洁净度和真空度。
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