CN112629654A - 检测装置、激光等离子光源及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种检测装置、激光等离子光源及其调节方法，检测装置包括探测器和控制器，探测器设置于激光等离子光源的真空室内，控制器与探测器连接并接收探测器所获取的反馈信号，控制器根据反馈信号判断激光等离子光源的发光情况；激光等离子光源包括该检测装置；调节方法包括：启动激光等离子光源；通过探测器获取反馈信号；通过控制器判断反馈信号是否大于预设的调节阈值，控制器向驱动器发出调节指令，调节反射镜的角度或位置。本申请提供的检测装置、激光等离子光源及其调节方法，可以检测出激光束与靶材的作用情况，从而方便实时掌握或者调节激光等离子光源的发光情况，还可以根据实际需要方便的调节激光等离子光源的发光情况。

Description

检测装置、激光等离子光源及其调节方法

技术领域

本申请涉及高能射线领域，更具体地涉及用于检测激光等离子光源发光情况的检测装置、包括该检测装置的激光等离子光源及其调节方法。

背景技术

激光等离子光源是一种通过高能激光聚焦在靶材上产生致密等离子体并向外辐射射线的装置，其产生的射线包含可见光、极紫外、软X射线等，是光刻机、软X射线成像等仪器的关键部件。激光等离子光源的靶材通常包括固体、液体和气体，其中液体靶材的密度远远大于气体靶材，而且避免了固体靶材容易产生碎屑的缺点，是一种较为理想的靶材。

采用液体靶材的激光等离子光源中，目前能获得最优分辨率和最快成像时间的解决方案为液氮微流靶激光等离子光源。液氮微流靶激光等离子光源的基本原理如下：首先将高纯氮气通过冷凝箱进行液化，并施加高压使其通过微孔喷嘴喷射而出，形成直径50微米以下、长度10毫米以上的柱状液氮微流；然后采用聚焦镜将高能激光束进行聚焦，形成微米尺度的聚焦光斑，通过调节激光光路，使得聚焦光斑作用在液氮微流上，形成点状激光等离子光源。聚焦光斑和液氮微流的位置匹配情况直接影响了激光等离子光源的亮度。理想情况下，聚焦光斑的中心点应位于液氮微流的中心轴上，此时光源的亮度最大。因此，整个过程中较为关键的是形成稳定的液体微流，使得高能激光可以持续与液体微流相互作用，保证激光等离子光源的出光效率。

然而，在实际使用过程中，液体微流会受到各种因素的影响，比如环境震动等，从而导致其参数(比如温度、流速、压力等)发生微小改变，这些微小改变足以使得液体微流原有的流动轨迹发生偏移，从而使得高能激光的聚焦光斑无法完全作用在液体微流上，导致光源出光不稳定，出光效率降低。对此，现有技术中通常采用经验丰富的人员判断聚焦光斑和液体微流的作用情况，然后手动调节聚焦光斑的位置，以此维持高能激光与液体微流靶材的高效相互作用，但该方法并不精确，效率较低，效果也不佳。

发明内容

本申请的目的是提供一种检测装置、激光等离子光源及其调节方法，从而解决现有技术中激光等离子光源出光不稳定的问题。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供一种检测装置，该检测装置包括探测器以及控制器，所述探测器设置于激光等离子光源的真空室内；所述控制器与所述探测器连接并接收所述探测器所获取的反馈信号，所述控制器根据所述反馈信号判断所述激光等离子光源的发光情况。

根据本发明的一个实施例，所述探测器为光学探测器，所述光学探测器将所述激光等离子光源产生的光信号转换为电信号，所述电信号为反馈信号。

根据本发明的一个实施例，所述光学探测器为光电二极管或者耦合有滤片的光电二极管。

根据本发明的一个实施例，所述探测器为声学探测器，所述声学探测器将所述激光等离子光源的残余激光与激光收集器作用产生的声信号转换为电信号，所述电信号为反馈信号。

根据本发明的一个实施例，所述声学探测器为声音传感器或者耦合有滤波器的声音传感器。

根据本发明的一个实施例，所述检测装置还包括显示器或计算机，所述显示器或所述计算机与所述控制器连接以显示所述控制器的判断结果。

本发明还提供了一种激光等离子光源，该激光等离子光源包括包括如上述任一实施例中所述的检测装置。

根据本发明的一个实施例，所述激光等离子光源还包括激光器，反射镜，聚焦镜以及靶材，所述激光器发出激光束；所述反射镜设置于所述激光束的光路上以反射所述激光束；所述聚焦镜设置于真空室上，所述聚焦镜同时位于所述激光束的光路上并将所述激光束聚焦；所述靶材位于所述真空室内。

根据本发明的一个实施例，所述激光等离子光源还包括驱动器，所述驱动器与所述控制器连接以接收所述控制器产生的调节指令，所述反射镜设置于所述驱动器上。

根据本发明的一个实施例，所述驱动器包括电机、电动旋转台、电动微分头。

根据本发明的一个实施例，所述反射镜的调节角度介于-5°-5°之间。

根据本发明的一个实施例，所述激光器发出的激光束为单脉冲激光束，所述单脉冲激光束的能量不低于100mJ，持续时间不超过10ns。

根据本发明的一个实施例，所述反射镜采用与所述激光束的波长匹配的光学镀膜镜片。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦镜采用与所述激光束的波长匹配的镀膜平凸透镜。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦镜的焦距根据以下公式进行确定：

S＝4M²lf/(πD)

其中，S为所述激光束聚焦后的聚焦光斑的面积，M为所述激光束的激光模式，l为所述激光束的波长，f为所述聚焦镜的焦距，D为所述激光束的光束直径。

本发明还提供了一种激光等离子光源的调节方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1：启动激光等离子光源；

步骤S2：通过探测器获取反馈信号；

步骤S3：通过控制器判断所述反馈信号是否大于预设的调节阈值，若反馈信号大于所述调节阈值，则进入步骤S4；若反馈信号不大于所述调节阈值，则无需调节，所述探测器持续获取反馈信号；

步骤S4：所述控制器向驱动器发出调节指令，所述驱动器改变反射镜的角度或者位置，若所述探测器获取的所述反馈信号变小，则进入步骤S3；若所述探测器获取的反馈信号并未变小，则所述控制器继续发出调节指令改变所述反射镜的角度或者位置，直至所述探测器获取的反馈信号变小并且不大于所述调节阈值。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S2中，所述探测器为声学探测器或者光学探测器。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，预设的调节阈值为电流值或者电压值。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤S3中，所述反射镜的调节角度介于-5°-5°之间。

本申请提供的检测装置，可以准确的反映出激光等离子光源中激光束与靶材的作用情况，从而方便本领域技术人员实时掌握或者调节激光等离子光源的发光情况，避免了人工判断不够精确且效率不高的问题。本申请提供的激光等离子光源及其调节方法，可以通过检测装置检测出激光束与靶材的作用情况，从而方便本领域技术人员实时掌握或者调节激光等离子光源的发光情况，同时可以通过调节装置实时调节反射镜的位置，避免了人工判断不够精确且效率不高的问题，可以根据实际需要方便的调节激光等离子光源的发光情况。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请一个实施例的激光等离子光源的检测装置的安装示意图；

图2是根据本申请另一个实施例的激光等离子光源的检测装置的安装示意图；

图3是根据本申请一个实施例的激光等离子光源的安装示意图；

图4是根据本申请另一个实施例的激光等离子光源的安装示意图；

图5是根据本发明一个实施例的激光等离子光源的调节步骤示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本申请做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本申请而非用于限制本申请的范围。

需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

图1是根据本申请一个实施例的激光等离子光源的检测装置的安装示意图，由图1可知，本申请提供的激光等离子光源包括激光器10、反射镜20、聚焦镜30、真空室40、靶材50以及激光收集器60，其中，激光器10用于发出激光束1；反射镜20设置于激光束1的光路上，用于滤除所需波段之外的其它光，同时改变激光束1的方向；聚焦镜30设置于真空室40上，用于透过激光束1并且使激光束1聚焦；真空室40用于容置靶材50并且使为靶材50提供一个完全真空或者接近于完全真空的环境；靶材50设置于真空室40内，激光束1经过聚焦镜30后聚焦于靶材50上，从而激发靶材50，发出所需的光线，比如软X射线、紫外线等；穿透靶材50的部分残余激光将进入激光收集器60中并被激光收集器60收集。

具体地，激光器10优选地采用能够发出单脉冲激光束的高能脉冲激光器，单脉冲激光束的能量不低于100mJ，并且单脉冲激光束的持续时间不超过10ns。激光器10在工作时连续不断的产生激光束1，激光束1照射在反射镜20上并被反射向聚焦镜30。

反射镜20采用与激光器10的波长匹配的光学镀膜镜片，反射镜20可以在反射激光束1时对光谱进行筛选，达到净化光谱的目的，从而使得射向聚焦镜30的激光束1保持纯度。本领域技术人员应当理解的是，为了达到不同的使用需求，反射镜20可以设置为多种规格型号以对不同类型的激光进行筛选，在此不再赘述。

聚焦镜30采用和激光束1的波长匹配的镀膜平凸透镜，聚焦镜30的焦距根据以下公式进行确定：

S＝4M²lf/(πD)

其中，S为激光束1聚焦后的聚焦光斑的面积，M为激光束1的激光模式，比如横模模式、纵模模式等，l为激光束1的波长，f为聚焦镜30的焦距，D为激光束1的光束直径。

激光束1经过聚焦镜30后形成一个聚焦光斑，理想情况下，该聚焦光斑应当作用于靶材50的中心，比如，当靶材50为液体微流靶材时，该聚焦光斑的中心优选地位于靶材50的中心轴线上，采用液体微流靶材时，激光等离子光源也会获得更稳定的出光效果。

进一步地，为了反映聚焦光斑与靶材50的作用情况，或者反映聚焦光斑与靶材50之间的相互位置关系，本发明还提供了一种用于检测激光等离子光源的检测装置，该检测装置包括控制器70以及探测器80，其中，探测器80安装于真空室40上，探测器80通过反馈线缆2与控制器70连接。具体地，探测器80用于探测聚焦光斑与靶材50的作用情况。当聚聚光斑的中心位于靶材50的中心时，激光束与靶材的相互作用最强，残余激光最少，激光等离子光源的亮度最大。当聚焦光斑的中心偏移靶材50的中心时，激光束与靶材的相互作用会随之减弱，残余激光变强，激光等离子光源的亮度减小。当聚焦光斑偏离靶材50时，也就是说，聚焦光斑的中心与靶材50中心的距离大于聚焦光斑的半径与靶材50的半径之和时，激光束与靶材50不再产生相互作用，残余激光最强，激光等离子光源熄灭。探测器80获取能够反映激光束与靶材之间的作用情况的信号后，将该信号通过反馈线缆2发送至控制器70，控制器70可以根据该信号判断激光束与靶材之间的作用情况，比如，根据残余激光的亮度强弱判断激光束聚焦后的聚焦光斑是否位于靶材的中心。

为了更直观的显示激光束与靶材之间的作用情况，控制器70可以进一步与计算机或者显示设备连接，从而将判断结果或者信号的具体数据发送至计算机或者显示设备，以便于本领域技术人员直观的了解当前光源的作用情况，进而方便调整反射镜的位置、角度，或者方便调整光源的亮度。本领域技术人员应当理解的是，控制器70也可与计算机或者显示设备集成，借助于计算机中的相关软件进行实现，在此不再赘述。

更进一步地，为了准确的反映激光束与靶材的相互作用情况，在图1的实施例中，探测器80可以采用光学探测器，从而探测激光等离子光源的亮度变化情况，比如，探测器80可以采用光电二极管，或者采用光电二极管同时耦合滤片，光电二极管用于将光源发出的光信号转换为电信号，滤片用于滤除一部分光信号从而防止光源过亮造成光电二极管饱和，此时，该电信号通过反馈线缆2发送至控制器70，控制器70根据电信号的强弱判断光源的亮度，从而反映激光束与靶材的相互作用情况。

根据本发明的另一个实施例，如图2所示，图2与图1的实施例相比，相同或者类似的部件通过增加100的附图标记进行表示，比如在图2的实施例中激光器如附图标记110所示，在此仅描述图2与图1的实施例相比的不同之处。在图2中，探测器180可以采用声学探测器，从而反映激光束与靶材的相互作用情况。这是因为，激光等离子光源由于位于真空室140内，由于处于真空状态，无法产生声音信号，但是残余激光会被激光收集器160吸收，在吸收的过程中会产生声音，将声学探测器180设置于激光收集器160上，可以获取残余激光与激光收集器160的作用情况，具体地，探测器80可以采用声音传感器，或者采用声音传感器同时耦合滤波器，声音传感器用于将激光收集器发出的声音信号转换为电信号，滤片用于滤除一部分噪声从而使声音传感器获取真实波段，此时，该电信号通过反馈线缆2发送至控制器170，控制器170根据电信号的强弱判断残余激光的强弱，从而反映激光束与靶材的相互作用情况。

本发明还提供了一种激光等离子光源，如图3所示，图3与图1的实施例相比，相同或者类似的部件通过增加200的附图标记进行表示，比如在图3的实施例中激光器如附图标记210所示，在此仅描述图3与图1的实施例相比的不同之处。在图3中，激光等离子光源除了包括激光器210、反射镜220、聚焦镜230、真空室240、靶材250以及激光收集器260、探测器280、控制器270以外，还包括用于调节反射镜220角度或者位置的驱动器290，反射镜220安装于该驱动器290上并受该驱动器290控制，从而可以旋转一定的角度或者发生一定的位移；控制器270通过执行线缆3与驱动器290连接，控制器270可以根据探测器280所收集到的信号分析聚焦光斑与靶材之间的作用情况，从而根据分析结果向驱动器290发送调节指令，从而控制驱动器290带动反射镜220旋转一定角度或者发生一定的位移，进而改变聚焦光斑与靶材之间的相对位置，控制激光等离子光源的发光情况。

在图3的实施例中，探测器280可以采用光学探测器，比如，探测器280可以采用光电二极管，或者采用光电二极管同时耦合滤片，光电二极管用于将光源发出的光信号转换为电信号，滤片用于滤除一部分光信号从而防止光源过亮造成光电二极管饱和，此时，探测器280产生的电信号通过反馈线缆2发送至控制器270，控制器270根据电流信号的强弱判断光源的亮度，从而反映激光束与靶材的相互作用情况，进一步地，根据对电信号的分析结果通过执行线缆3向驱动器290发送调节指令，调节反射镜220的角度或者位置，从而使聚焦光斑作用于所需的位置。

图4是根据本申请另一个实施例的激光等离子光源，图4与图2的实施例相比，相同或者类似的部件通过增加200的附图标记进行表示，比如在图4的实施例中激光器如附图标记310所示，在此仅描述图4与图2的实施例相比的不同之处。在图4中，激光等离子光源除了包括激光器310、反射镜320、聚焦镜330、真空室340、靶材350以及激光收集器360、探测器380、控制器370以外，还包括用于调节反射镜320角度或者位置的驱动器390，反射镜320安装于该驱动器390上并受该驱动器390控制，从而可以旋转一定的角度或者发生一定的位移；控制器370通过执行线缆3与驱动器390连接，控制器370可以根据探测器380所收集到的信号分析聚焦光斑与靶材之间的作用情况，从而根据分析结果向驱动器390发送调节指令，从而控制驱动器390带动反射镜320旋转一定角度或者发生一定的位移，进而改变聚焦光斑与靶材之间的相对位置，控制激光等离子光源的发光情况。

在图4的实施例中，探测器380可以采用声学探测器，从而反映激光束与靶材的相互作用情况。声学探测器380设置于激光收集器360上，可以获取残余激光与激光收集器360的作用情况，具体地，探测器380可以采用声音传感器，或者采用声音传感器同时耦合滤波器，声音传感器用于将激光收集器发出的声音信号转换为电信号，滤片用于滤除一部分噪声从而使声音传感器获取真实波段，此时，该电信号通过反馈线缆2发送至控制器370，控制器370根据电流信号的强弱判断残余激光的强弱，从而反映激光束与靶材的相互作用情况，进一步地，根据对电信号的分析结果通过执行线缆3向驱动器390发送调节指令，调节反射镜320的角度或者位置，从而使聚焦光斑作用于所需的位置。

另外，无论是图4还是图2的实施例，探测器380采用声学探测器时均设置在激光收集器360上，然而，本领域技术人员应当理解的是，声学探测器设置于激光收集器360上时只是其中的优选方案，声学探测器还可以设置于真空室上的其它位置，在此不再一一举例说明。

图5是根据本发明一个实施例的激光等离子光源的调节方法的示意图，由图5可知，本发明的激光等离子光源在进行调节时，采用如下方法：

步骤S1：启动激光等离子光源；

步骤S2：通过探测器获取反馈信号；

步骤S3：通过控制器判断反馈信号是否大于预设的调节阈值，若反馈信号大于预设的调节阈值，则进入步骤S4；若反馈信号不大于预设的调节阈值，则无需调节，探测器继续保持工作状态，持续获取反馈信号；

步骤S4：控制器向驱动器发出调节指令，驱动器带动反射镜改变角度或者位置，随着驱动器的运动，若探测器获取的反馈信号变小，则进入步骤S3；若探测器获取的反馈信号并未变小，则控制器继续发出调节指令继续改变反射镜的角度或者位置，直至探测器获取的反馈信号变小并且不大于预设的调节阈值。

在上述步骤S2中，探测器可以为上述任一实施例中的探测器，比如光学探测器或者声学探测器；探测器所获取的反馈信号可以是通过光学探测器或者声学探测器所采集转化的电信号。

在上述步骤S3中，预设的调节阈值可以是电流信号的强弱，也可以是根据电流信号的强弱换算而成的其它值，比如电压。控制器可以与计算机或者显示设备连接，从而将判断结果或者信号的具体数据发送至计算机或者显示设备，以便于本领域技术人员直观的了解当前光源的作用情况，进而方便调整反射镜的位置、角度，或者方便调整光源的亮度。控制器也可与计算机或者显示设备集成，借助于计算机中的相关软件进行实现判断功能。

在上述任一实施例中，驱动器可以为电动驱动器，比如电机、电动旋转台、电动微分头等，通过驱动器使得反射镜的旋转角度优选地介于-5°-5°之间，该旋转角度以理想状态下反射镜的平面为参考基准。

以上所述的，仅为本申请的较佳实施例，并非用以限定本申请的范围，本申请的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本申请申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本申请专利的权利要求保护范围。本申请未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (19)

1.一种检测装置，其特征在于，所述检测装置包括：

探测器，所述探测器设置于激光等离子光源的真空室内；

控制器，所述控制器与所述探测器连接并接收所述探测器获取的反馈信号，所述控制器根据所述反馈信号判断所述激光等离子光源的发光情况。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述探测器为光学探测器，所述光学探测器将所述激光等离子光源产生的光信号转换为电信号，所述电信号为反馈信号。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述光学探测器为光电二极管或者耦合有滤片的光电二极管。

4.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述探测器为声学探测器，所述声学探测器将所述激光等离子光源的残余激光与激光收集器作用而产生的声信号转换为电信号，所述电信号为反馈信号。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述声学探测器为声音传感器或者耦合有滤波器的声音传感器。

6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括显示器或计算机，所述显示器或所述计算机与所述控制器连接以显示所述控制器的判断结果。

7.一种激光等离子光源，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的检测装置。

8.根据权利要求7所述的激光等离子光源，其特征在于，所述激光等离子光源还包括：

激光器，所述激光器发出激光束；

反射镜，所述反射镜设置于所述激光束的光路上以反射所述激光束；

聚焦镜，所述聚焦镜设置于真空室上，所述聚焦镜同时位于所述激光束的光路上并将所述激光束聚焦；以及

靶材，所述靶材位于所述真空室内，所述激光束作用于所述靶材。

9.根据权利要求8所述的激光等离子光源，其特征在于，所述激光等离子光源还包括驱动器，所述驱动器与所述控制器连接以接收所述控制器产生的调节指令，所述反射镜设置于所述驱动器上。

10.根据权利要求9所述的激光等离子光源，其特征在于，所述驱动器包括电机、电动旋转台、电动微分头。

11.根据权利要求9所述的激光等离子光源，其特征在于，所述反射镜的调节角度介于-5°-5°之间。

12.根据权利要求9所述的激光等离子光源，其特征在于，所述激光器发出的激光束为单脉冲激光束，所述单脉冲激光束的能量不低于100mJ，持续时间不超过10ns。

13.根据权利要求9所述的激光等离子光源，其特征在于，所述反射镜采用与所述激光束的波长匹配的光学镀膜镜片。

14.根据权利要求9所述的激光等离子光源，其特征在于，所述聚焦镜采用与所述激光束的波长匹配的镀膜平凸透镜。

15.根据权利要求9所述的激光等离子光源，其特征在于，所述聚焦镜的焦距根据以下公式进行确定：

S＝4M²lf/(πD)

其中，S为所述激光束聚焦后的聚焦光斑的面积，M为所述激光束的激光模式，l为所述激光束的波长，f为所述聚焦镜的焦距，D为所述激光束的光束直径。

16.一种激光等离子光源的调节方法，其特征在于，包括：

步骤S1：启动激光等离子光源；

步骤S2：通过探测器获取反馈信号；

步骤S3：通过控制器判断所述反馈信号是否大于预设的调节阈值，若反馈信号大于所述调节阈值，则进入步骤S4；若反馈信号不大于所述调节阈值，则无需调节，所述探测器持续获取反馈信号；

步骤S4：所述控制器向驱动器发出调节指令，所述驱动器改变反射镜的角度或者位置，若所述探测器获取的所述反馈信号变小，则进入步骤S3；若所述探测器获取的反馈信号并未变小，则所述控制器继续发出调节指令改变所述反射镜的角度或者位置，直至所述探测器获取的反馈信号变小并且不大于所述调节阈值。

17.根据权利要求16所述的激光等离子光源的调节方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述探测器为声学探测器或者光学探测器。

18.根据权利要求16所述的激光等离子光源的调节方法，其特征在于，在所述步骤S3中，预设的调节阈值为电流值或者电压值。

19.根据权利要求16所述的激光等离子光源的调节方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述反射镜的调节角度介于-5°-5°之间。

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