CN203300946U - 激光器的温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于激光器的温控系统，温控系统包括放电腔的腔体温控系统、磁压缩器的水冷装置、固体开关的水冷装置、主管道和多个支管道，所述腔体温控系统包括温度传感器、控制器和热交换器、热交换器的提供冷却水的管道以及设置于所述管道上的流量控制器；温度传感器实时监测所述放电腔内的气体温度，并把温度数据传送给所述控制器，控制器产生控制信号并将控制信号发送给所述流量控制器，流量控制器根据控制信号对冷却水流量进行自动调节，完成对所述放电腔内气体温度的控制。本实用新型能自动、精确的控制激光器各部件的温度，提高了激光器的能量转换效率、工作稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种激光器的温度控制系统，其适用于气体激光器，尤其适用于准分子激光器及具有双腔结构的准分子激光器。
背景技术
准分子激光器是一种面向紫外特征应用的常规气体激光器，具有波长短、高重频和可定标放大的特点，是优秀的光刻用激光光源。
传统的放电泵浦准分子激光器采用单腔结构设计。随着光刻技术的发展，要求光源具有更窄的光谱宽度(线宽)、更高的重复频率以及更高的平均功率。
为了有效地实现光谱宽度窄化和激光功率提高，双腔结构被引入到激光器的设计中。其基本思想是使线宽压窄和提高激光输出功率在不同的气体放电模块(种子腔、放大腔)中得以实现。其工作过程如下：种子腔产生具有一定重复频率的种子光，实现极窄带宽、高品质的低功率激光震荡辐射；放大腔实现种子光入射后的脉冲能量放大。基于双腔结构设计的激光器具备了光刻光源所必需的窄化光谱控制和较高单脉冲能量的输出特性。
准分子激光器的能量转换效率较低，输入的大部分电能都转化为热量。与此同时，工作气体的快速循环需要由风机的高速运转来驱动，从而产生更多的热量。这些热量若不能及时散出，将会使工作气体的温度快速升高。而工作气体的温度对激光器能量转换效率和能量稳定性都有很大影响，实践证明，工作气体具有一个最佳温度(或者最佳温度范围)，在该温度下，激光器具有较高的能量转换效率和能量稳定性。
传统的用于激光器的温控系统采用冷却水直接通过热交换器的方式，没有温度控制反馈系统，因此无法准确控制腔内气体温度。并且没有腔壁加热系统，因此激光器需要较长的热机时间。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的在于提供一种激光器的温度控制系统，以对自动、精确控制的准分子激光器的各部件的工作温度。
(二)技术方案
本实用新型提出一种用于激光器的温控系统，所述激光器包括放电腔、磁压缩器和固体开关，所述温控系统包括所述放电腔的腔体温控系统、所述磁压缩器的水冷装置、所述固体开关的水冷装置、主管道和多个支管道，其中，所述主管道分别连接于各支管道，各支管道包括所述腔体温控系统的水冷管道、磁压缩器的水冷装置的水冷管道，以及固体开关的水冷管道；所述主管道与一水冷机进行连接，用于为整个温控系统提供冷却水。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述腔体温控系统包括温度传感器、控制器和热交换器、所述热交换器的提供冷却水的管道以及设置于所述管道上的流量控制器；所述温度传感器实时监测所述放电腔内的气体温度，并把温度数据传送给所述控制器，所述控制器根据所述温度数据，并结合其内部存储的目标温度值进行逻辑运算，产生控制信号并将控制信号发送给所述流量控制器，所述流量控制器根据接收到的控制信号对冷却水流量进行自动调节，从而完成对所述放电腔内气体温度的控制。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述控制器为编程器，当所述温度传感器测量的放电腔的温度大于一个设定温度时，所述编程器以一定比例调节所述流量控制器。
根据本实用新型的一种具体实施方式，当所述温度传感器测得温度大于所述设定温度，且其差值大于一个阈值时，所述编程器控制所述流量控制器全开；当所述温度传感器测得温度大于设定温度，但其差值未超过所述阈值时，所述编程器控制流量控制器该据该差值成线性调节量P1控制流量。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述编程器还每隔一个设定时间计算此时采集到的温度的超调和上一时刻的温度超调的差值，根据该温度超调差值计算得到一个补偿流量调节值ΔP，所述流量控制器根据P1+ΔP调节流量。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述补偿流量调节值ΔP等于所述该温度超调差值乘以一个经验系数u。
根据本实用新型的一种具体实施方式，述温度控制系统包括出水口、回水口、过滤器、分流器、电磁阀、球阀和冲量开关，各个部件通过管道相互连接，其中出水口与水冷机相连。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述出水口用于向整个系统提供冷却水，该出水口通过所述主管道依次经过所述过滤器、电磁阀连接至分流器，由所述分流器将水流分出并联的多路，使之分别通过所述腔体温控系统的水冷装置、磁压缩器的水冷装置以及固态开关的水冷装置。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述放电腔有多个，每个放电腔对应一个磁压缩器和一个固态开关。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述各放电腔的腔体温控系统的水冷装置的支管道并联；所述各磁压缩器的水冷装置的管道并联，所述固态开关的水冷装置的管道串联。
(三)有益效果
与现有技术相比，本实用新型自动、精确的控制了激光器放电腔、磁压缩器和固态开关等各部件的温度，提高了激光器的能量转换效率、工作稳定性和使用寿命。
附图说明
图1是具有主振荡腔和功率放大腔的准分子激光器MOPA系统的结构示意图；
图2是本实用新型的温控系统的第一实施例的结构示意图；
图3是本实用新型的第一实施例的磁压缩器的冷却系统的示意图；
图4是本实用新型的第一实施例的放电腔的基本结构示意图；
图5是本实用新型的用于激光器的温度控制系统另一个实施例的结构示意图；
图6是本实用新型的用于激光器的温度控制系统另一个实施例的温度控制流程图；
图7是本实用新型的用于激光器的温度控制系统另一个实施例的温度补偿过程的流程图；
图8是本实用新型的温控系统的实测放电腔的温控曲线图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、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，对本实用新型作进一步的详细说明。
典型的单腔结构的准分子激光器主要是由固体开关(SSS)、磁压缩器(MSG)和放电腔(DC)构成。其中，固体开关主要用于将直流电压转换为高频率、窄脉宽的电脉冲，电脉冲传到磁压缩器的输入端。磁压缩器用于将电压脉冲的振幅提高，并将其宽度降低。磁压缩器输出端的高压脉冲进入放电腔的主要电极。放电腔提供持续不断的新鲜的工作气体，并接受高压脉冲放电产生激光。
准分子激光器的双腔结构设计主要分为三类：主振荡腔-功率放大腔结构(MOPA)、主振荡腔-功率振荡腔结构(MOPO)以及在主振荡腔-功率放大腔结构基础上发展出来的环形腔结构(MOPRA)。
图1是具有主振荡腔和功率放大腔的准分子激光器MOPA系统的结构示意图。如图1所示，其具有双腔结构，该双腔结构包括MO模块(主振荡腔模块)和PA模块(功率放大腔模块)，MO模块和PA模块均具有放电腔、磁压缩器和固体开关，图中标记17是MO模块的放电腔，标记18是PA模块的放电腔；标记19是MO模块的磁压缩器，标记20是PA模块的磁压缩器；标记21是MO模块的固体开关，标记23是PA模块的固体开关。
图2是图1所示的本实用新型的用于MOPA准分子激光器的温控系统的一个实施例的结构示意图。在该实施例中，激光器的温控系统包括所述磁压缩器19、20的水冷装置，准分子激光器的磁压缩器19、20内部具有高压元件，工作时产生高压和大量的热量。对于高压高热元件，风冷散热方式能力不够，水冷散热又具有很大潜在风险，因此选用绝缘液体进行浸没冷却。如图3所示，磁压缩器的水冷装置主要包括变压器油106、油泵107、油水换热器108以及用于提供变压器油和油水换热器的冷却水的管道等。变压器油106对磁压缩器内部的高压高热元件进行浸没冷却，吸热后的变压器油106通过油管被油泵107泵入到油水换热器108，并与油水换热器108内的冷却水进行热交换，经冷却后的变压器油106重新注入到磁压缩器。在图2中，所述标号108a、108b是油水换热器。
由于浸没自然对流的冷却能力有限，为强化冷却能力，可将油管的进出口布置在高压高热元件的附近，利用油泵的动力形成浸没强迫对流。
在该实施例中，温控系统还包括MO模块和PA模块的放电腔17、18的腔体温控系统，腔体温控系统包括温度传感器29、30，控制器15、16，热交换器34、热交换器34的提供冷却水的管道以及设置于所述管道上的流量自动调节阀门11、13(流量控制器)。温度传感器29、30实时监测腔体内的气体温度，并把温度数据传送给控制器15、16，控制器15、16根据所述温度数据并结合其内部存储的目标温度值进行逻辑运算，产生控制信号并将控制信号发送给流量自动调节阀门11、13，该自动调节阀门11、13根据接收到的控制信号对冷却水流量进行自动调节，从而完成对腔体内气体温度的控制。
所述主振荡腔或功率放大腔均为放电腔，图4是该实施例的放电腔的基本结构示意图，如图4所示，放电腔由密封的腔体31、放电电极32、风机33、热交换器34和电加热器35组成。腔体31由具有一定厚度的腔壁包围而成，用于提供机械支持和构成气体循环的流道。电加热器35布置在腔壁的内部，用于加热腔壁，从而间接加热工作气体。电加热器35的表面包覆导热绝缘材料，以避免与腔壁发生短路，并能较好的导热。热交换器34和风机33布置在腔体31的内部，分别用于冷却循环气体和提供气体循环的动力。
对于具有上述放电腔的激光器，在激光器启动之前，事先启动电加热器35，以对腔体31的腔壁进行加热，以使腔体31内的放电气体的温度尽快达到最佳温度，从而减少启动时间，并降低电极损伤。
此外，当激光器短暂停顿时，也启动电加热器35对腔体31的腔壁进行加热，以使腔体内的气体维持在最佳温度，为激光器的再次启动做好准备。
当激光器正常运行时，放电产生的热量被风机33所产生高速气流带走，并与热交换器34内的冷却水进行热交换，从而热量被散出。通过控制冷却水的流量，可以精确控制腔体31内的气体的温度。
在该实施例中，激光器还包括固体开关21和23，激光器温控系统还包括固体开关21、23的水冷装置，水冷装置包括提供冷却水的管道，其采用串联或并联方式连接。
在该实施例中，激光器的温控系统还包括主管道，主管道与水冷机进行连接，提供整个温控系统所需的冷却水，且其上可装有过滤器1，对冷却水进行过滤，以免长时间运行后堵塞管道。在过滤器1后还具有一个电磁阀门2，用于控制主进水管的通断。且主管道上还可设有流量计，监测冷却水实际流量。
在该实施例中，所述主管道分别连接于各支管道，支管道包括腔体温控系统的水冷管道、磁压缩器的水冷装置的水冷管道，以及固体开关的水冷管道，各支管道的前端均具有一个出水活门5～9，其通断由出水活门5～9控制。
在该实施例中，激光器的温控系统还包括止回阀，分别位于各支管道的末端，其作用是防止各支路水流的回流。
对于具有双腔结构的准分子激光器，双腔结构的布局主要分水平布置(平行或串联)和垂直布置两种。水平布置方案结构松散、占地面积很大，安装、使用均不方便；垂直布置方案结构紧凑、占地面积小，便于安装和使用。一般采用垂直布置，并且整机外部设计有半封闭机壳。因此还可以在机壳内部设置风扇，采用风冷方式对双腔结构进行辅助散热。
图5是本实用新型的用于准分子激光器的温度控制系统另一个实施例的结构示意图。如图5所示，该该实施例准分子激光器也包括两个放电腔17、18，每个放电腔对应一个磁压缩器，即磁压缩器19、20，两个固态开关21、23。
此外，该实施例的准分子激光器还包括一个电源控制器22。电源控制器22用于控制固态开关21、23的放电电压和放电频率。同样，各放电腔、磁压缩器、固态开关内均包括有如图2～4所示的水冷装置(图5中未示出)，在此不再赘述。且所述各部件的水冷装置能够与外部的水管连接，从而利用水管提供的冷却水去所在的部件进行冷却。
该实施例的温度控制系统包括出水口P1、回水口P2，过滤器1，分流器3、4，电磁阀2，球阀5～9，流量控制器10～14，编程器15、16，冲量开关24～28和温度计29、30。各个部件通过管道相互连接，其中P1、P2与水冷机相连。
温度控制系统的出水口P1用于向整个系统提供冷却水，该出水口通过主管道依次经过过滤器1、电磁阀2连接至分流器3，由分流器3将水流分出并联的五路，使之分别通过放电腔17的腔体温控系统、放电腔18的腔体温控系统、磁压缩器19、磁压缩器20的水冷装置以及依次串联的固态开关21、固态开关23的水冷装置。过滤器1和电磁阀2的作用与第一实施例相同。分流器3、4将主管道水流分流、聚合。球阀5～9的作用相当于第一实施例中的出水活门，用于手动控制各水路开关，在安装检修过程中可以关断支路供水，也可以通过开关大小调节初始流量。
所述温度计29、30是所述温度传感器的一种具体实施方式，用于检测放电腔17、18内的温度。编程器15和16即第一实施例中的控制器，其能够根据温度计得到的放电腔的温度，关通过其中存储的预设程序向来向流量控制器11、13发送控制信息，以自动控制用于控制进入放电腔17、18的水冷装置的冷却不的流量的流量控制器11、13。流量控制器11、13可以接受编程器15和16的控制信号，并根据信号调节放电腔水冷管道流量。
冲量开关24～28在压力超过设定值时会发出报警，用于检测所在管道中的流量是否能够达到所需要的值。
图6是该实施例的双放电腔激光器的温度控制流程图。激光器开始工作时，水冷机及球阀5～8全部打开。激光器放电使放电腔17、18内温度逐渐上升，温度计29、30测量放电腔温度，编程器15、16采集温度信号，当温度信息温度大于一个设定温度(如40℃)时，编程器15、16分别以一定比例调节流量自动调节阀门11、13。
为使温度稳定，该实施例中，当测得温度大于设定温度，且差值大于一个阈值(例如1℃)时，编程器控制流量控制器全开，以使温度迅速下降；当测得温度大于设定温度，但其差值未超过该阈值时(例如超过设定温度1℃以内时)，编程器控制流量控制器的流量根据该温度的差值成线性变化。如图6所示，在初始工作时，流量控制器的初始流量为P0，温度计每隔一段时间采集放电腔的实时温度为T，并把温度发送给编程器，当编程器判断T大于40℃时，其发出控制信号使流量自动调节阀门11、13调节流量为线性调节量P1，其中：P1＝P0+K·ΔT，ΔT＝T-40℃，K＝PS-P0。其中PS是流量控制器的最大流量，例如是10L/min。
由于温度是一个渐变过程，同时热交换效率会随温度变化而变化，单独采用图6所示的控制算法，得到的控制结果会有残差或超调，因此本实用新型的温度控制系统还设计了温度补偿机制作为温度控制系统的辅助控制。
图7显示了该实施例中的温度补偿过程的流程图。如图7所示。编程器每隔一个设定时间(如2秒钟)会计算此时采集到的温度的超调(或残差)和上一时刻采集到的温度超调(或残差)的差值ΔT2-ΔT1，在这个差值前乘上一个经验系数u，这样就得到编程器要控制的补偿流量调节值ΔP＝u(ΔT2-ΔT1)。补偿调节值与图6得出的P1的和P＝P1+ΔP为流量控制其控制该系统的实际流量。然后将现在得到的ΔT2值付给ΔT1，然后编程器再等待2秒钟，用同样的方法算出新的ΔT2的值，依然按照上面的方法算出补偿流量值，如此反复，使激光腔的温度最终稳定在40℃。其中系数u和等待时间2秒钟都是经验值，针对不同的系统可以调节为不同的值，只要这两个值调节的比较好，被控制的系统就能达到很高的精度。
电源控制器的发热量相对很小，不需要冷却水冷却。磁压缩器和固态开关的发热量几乎恒定，所以可以将流量调节至一定大小持续通水即可，在此不再赘述。
图8是本实用新型的温控系统的实测放电腔的温控曲线图。上面的曲线是设定温度为42℃时的情况，下面的曲线是设定温度为40℃的情况。由图8可见，本实用新型的温控系统能够实现对放电腔自动、精确地温度调节。
综上所述，本实用新型的放电腔具有如下优点：与现有技术相比，本实用新型采用简便的方法实现了对激光器放电腔、磁压缩器和固态开关等各部件自动、精确的温度控制，特别是对温度条件要求比较苛刻且产热不稳地的激光腔实现误差范围±0.5℃的高精度控制，从而提高了激光器的能量转换效率、工作稳定性和使用寿命。同时本实用新型还可以用于其它与激光器系统类似的装置的温度稳定控制。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于激光器的温控系统，所述激光器包括放电腔、磁压缩器和固体开关，所述温控系统包括所述放电腔的腔体温控系统、所述磁压缩器的水冷装置、所述固体开关的水冷装置、主管道和多个支管道，其中，
所述主管道分别连接于各支管道，各支管道包括所述腔体温控系统的水冷管道、磁压缩器的水冷装置的水冷管道，以及固体开关的水冷管道；所述主管道与一水冷机进行连接，用于为整个温控系统提供冷却水。
2.如权利要求1所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：
所述腔体温控系统包括温度传感器、控制器和热交换器、所述热交换器的提供冷却水的管道以及设置于所述管道上的流量控制器；
所述温度传感器实时监测所述放电腔内的气体温度，并把温度数据传送给所述控制器，所述控制器根据所述温度数据，并结合其内部存储的目标温度值进行逻辑运算，产生控制信号并将控制信号发送给所述流量控制器，所述流量控制器根据接收到的控制信号对冷却水流量进行自动调节，从而完成对所述放电腔内气体温度的控制。
3.如权利要求2所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述控制器为编程器，当所述温度传感器测量的放电腔的温度大于一个设定温度时，所述编程器以一定比例调节所述流量控制器。
4.如权利要求3所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：
当所述温度传感器测得温度大于所述设定温度，且其差值大于一个阈值时，所述编程器控制所述流量控制器全开；
当所述温度传感器测得温度大于设定温度，但其差值未超过所述阈值时，所述编程器控制流量控制器根据该差值调节流量为线性调节量P1。
5.如权利要求4所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述编程器还每隔一个设定时间计算此时采集到的温度的超调和上一时刻的温度超调的差值，根据该温度超调差值计算得到一个补偿流量调节值ΔP，所述流量控制器根据P1+ΔP调节流量。
6.如权利要求5所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述补偿流量调节值ΔP等于所述该温度超调差值乘以一个经验系数u。
7.如权利要求1至6中任一项所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述温控系统包括出水口、回水口、过滤器、分流器、电磁阀、球阀和冲量开关，各个部件通过管道相互连接，其中出水口与水冷机相连。
8.如权利要求7所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述出水口用于向整个系统提供冷却水，该出水口通过所述主管道依次经过所述过滤器、电磁阀连接至分流器，由所述分流器将水流分出并联的多路，使之分别通过所述腔体温控系统的水冷装置、磁压缩器的水冷装置以及固态开关的水冷装置。
9.如权利要求7所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述放电腔有多个，每个放电腔对应一个磁压缩器和一个固态开关。
10.如权利要求9所述的用于激光器的温控系统，其特征在于：所述各放电腔的腔体温控系统的水冷装置的支管道并联；所述各磁压缩器的水冷装置的管道并联，所述固态开关的水冷装置的管道串联。
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