CN212871466U - 一种无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种在线无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置。本实用新型中的第一电离室和第二电离室均由真空腔室和真空泵组成，真空腔室由真空泵独立抽真空；第一电离室和第二电离室均安装有真空计和针阀；第一电离室内还配备电阻温度计，用于检测第一电离室内的环境温度。本实用新型中的带电粒子检测器包括离子约束电极板，加速电极板，分裂电极板，电流计，微型通道电子倍增管以及示波器。本实用新型对待测激光的脉冲能量及其空间位置信息实现同时在线无损检测，简化了检测的操作流程，兼顾了激光的检测与使用，使检测装置后端的用户用光效率大为提高，所获取的待测激光的检测参数更具时效性和精确性。
Description
技术领域
本实用新型属于光学无损检测技术领域，涉及一种在线无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置。
背景技术
激光自上世纪六十年代发明以来被广泛应用于工业制造、医疗卫生、航空航天、国防军事、科研尖端等邻域，并极大地推动了前沿交叉学科研究和高技术领域的创新发展。随着激光技术的不断发展与突破，新一代光源——自由电子激光器可输出的激光早已覆盖至极紫外波段(EUV，10～121nm)。众所周知，波长在200nm以下的激光极易被空气中的氧气强烈吸收，因此自由电子激光器所输出的极紫外激光必须经光束线(处于高真空或超高真空环境)引入后供用户使用。由于这一特殊性，用户在用光过程中无法自行获取极紫外激光的脉冲能量与光束空间位置这两个表征激光性能的重要参数信息。
目前，用于激光脉冲能量探测的商用器件主要分为半导体光电二极管探测器与热电偶探测器，这一类探测器的探测方式均为拦截式探测，且在短波长激光照射下容易发生饱和、降解甚至损坏。针对这一缺陷，基于稀有气体光电离这一工作原理的短波段激光脉冲能量探测装置便应运而生，其中最为典型的有光电离光量计与双电离室。前者主要由光电离室和飞行时间质谱仪组成，待测激光与稀有气体在相互作用区域内因光电离而产生的离子由飞行时间质谱仪中的微通道板进行探测，然后根据光电离横截面、电子-原子电离截面等基本的原子常数进行激光能量的标定。该技术虽可实现对极紫外激光脉冲能量的在线无损检测，但需要利用强度和能量已知的电子束，通过电子-原子电离事先标定光量计。此外，微通道板在测量高强度光子通量产生的离子之时可能发生饱和，甚至损伤。这些因素将导致光电离光量计在检测极紫外激光脉冲能量之时的复杂性与不确定性。另一种探测装置——双电离室的工作气压则高达0.1mbar左右，这将对待测的极紫外激光脉冲能量造成一定的损失，无法实现在线无损检测。此外，由于电离室内气体的密度较高，光电离后的离子极易发生二次电离而使情况变得尤为复杂。
在激光光束空间位置信息的检测方面，其中重要的一种测量方法是利用位置敏感的微通道板收集激光光电离产生的带电粒子，粒子通过轰击微通道板产生增益放大的电子而被后端的磷光屏捕获，从而提取保留有初始带电粒子位置信息的影像，最后用相机采集磷光屏上面的图像来间接获取激光光束的空间位置信息，该方法因需要避免高强度带电粒子对微通道板造成的损伤而对待测激光的能量有一定的限制性，且信号过饱和易使磷光屏采集的影像失真。此外，另一种测量方法是刀口扫描法，它是通过直接利用刀口周期性地截割光束，利用光电探测系统接收透射光而获取光束横向位置信息，该方法虽对高能量的激光较为实用，但由于需要进行机械操作，因而人为误差较大。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种在线无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：
本实用新型包括第一电离室，第二电离室，带电粒子检测器和差分抽系统。
所述第一电离室和第二电离室均由真空腔室和真空泵组成，真空腔室由真空泵独立抽真空，为检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置提供高真空环境；第一电离室和第二电离室均安装有真空计和针阀，其中真空计用于实时测量充有稀薄稀有气体的电离室内的真空度，针阀用于控制充入电离室的稀有气体的流量，与真空泵配合以维持电离室内的恒定压力；第一电离室内还配备电阻温度计，用于检测第一电离室内的环境温度。
所述带电粒子检测器包括离子约束电极板，加速电极板，分裂电极板，电流计，微型通道电子倍增管以及示波器。
加速电极板由两块中心处开孔并覆盖栅网的电极板组成，通过在电极板上面分别施加正负电压而形成电场，极紫外激光传输方向上因光电离产生的电子与离子在电场的作用下分别加速投射至分裂电极板。
离子约束电极板由多片圆环型电极板组装而成，主要是将处于加速电极板边缘或者可能逃逸出加速电极板的离子拉回至分裂电极板的有效探测区域内，提高检测精度。
分裂电极板由两块电极板拼接而成，两者之间相互绝缘，其中离子信号检测端的分裂电极板的中心处留有覆盖栅网的矩形小孔，便于极其少量的离子透过栅网进入微型通道电子倍增管，离子信号检测端的分裂电极板上连接的电流计分别测量两块电极板上一定时间内积累的离子所形成的平均电流；离子信号检测端的分裂电极板后端连接微型通道电子倍增管及示波器，而电子信号检测端的分裂电极板后端直接连接示波器，分别用于测量单脉冲的离子信号或电子信号。
其中，离子信号检测端的微型通道电子倍增管用于放大透过栅网的那部分离子信号，随后通过示波器测得的脉冲离子飞行时间谱可推导出离子的平均电荷量。
电子信号检测端的示波器所测得的脉冲电子信号仅作为相对值，通过对特定时间内的脉冲电子信号进行积分，并与电流计测得的平均电流信号进行相互校准。
在第一电离室内，带电粒子检测器的加速电极板与分裂电极板在y轴方向上依次排列，主要用于在线无损检测极紫外激光的脉冲能量及光束在x轴方向的偏移位置及偏移距离，而在第二电离室内，带电粒子检测器的加速电极板与分裂电极板在x轴方向上依次排列，用于在线无损检测极紫外激光在y轴方向的偏移位置及偏移距离。
所述差分抽系统由多级腔室及真空泵组成，该系统分别安装在第一电离室前端、第二电离室后端以及第一电离室与第二电离室之间，使真空腔室内的稀有气体完全束缚在整套检测装置之内，且第一电离室与第二电离室内之间互不干扰，确保在线检测时不影响检测装置前端极紫外激光的制备、传输以及检测装置后端的激光使用。
优选的，所述真空泵为磁悬浮分子泵，通过刀口法兰与真空腔室或多级腔室密封连接。
优选的，所述电流计为皮安计，相比于一般的安培计，其优势在于测量电流时的噪声更低。
所述第一电离室、第二电离室以及各个差分抽系统之间均通过两端焊接刀口法兰的可伸缩焊接波纹管进行非刚性密封衔接，确保整套检测装置的气密性与可调性，通过配合调节第一电离室、第二电离室的安装位置以及安装之中的分裂电极板的相对位置，使分裂电极板中心线调试至参考坐标系的z轴，确保光束空间位置所测数值的精确性。
所述针阀调节时需要严格控制稀有气体的进气量，使第一电离室与第二电离室内的真空度在进气前后不发生量级的差别，在不影响检测装置后端极紫外激光使用的情况下，完成激光脉冲能量与光束空间位置的无损检测
利用上述装置在线无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的方法为：将待测激光引入均匀分布着稀薄的稀有气体的电离室，在沿着待测激光传输方向上，通过光电离稀有气体所产生的离子与电子在电场的作用下快速投射至分裂电极板，连接在分裂电极板上面的电流计测得因离子或电子的积累而产生电流，其中根据所检测到的分裂电极板各部分的电流值之和可推导出极紫外激光每个脉冲中所包含的光子数，进而求出极紫外激光的脉冲能量；同时，分裂电极板各部分测得的电流值之比可反推出极紫外激光在垂直于激光传输方向的平面内的具体偏移方向及偏移距离，间接获取光束的空间位置信息。
本实用新型具有以下优点及有益效果：
本实用新型通过探测极紫外激光光电离稀有气体产生的离子及电子在分裂电极板上形成的电流的数值而反推出激光脉冲能量及光束空间位置信息，既兼顾了待测激光的两个重要参数的同时检测，简化了检测的操作流程，也因无任何探测元件的损伤而大大提高了检测装置的使用寿命；此外，电离室内所使用的稀有气体极其稀薄，既不会拦截待测激光，也不会影响待测激光的初始能量及空间位置，实现了极紫外激光在线无损检测的目的，这兼顾了激光的检测与使用，使检测装置后端的用户用光效率大为提高，所获取的待测激光的检测参数更具时效性和精确性。
附图说明
图1为本实用新型的装置结构示意图，图2为分裂电极板示意图。
其中，1、真空腔室，2、真空泵，3、真空计，4、针阀，5、电阻温度计，6、离子约束电极板，7、加速电极板，8、分裂电极板，9、电流计，10、微型通道电子倍增管，11、示波器，12、多级腔室。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
如图1所示，本实施案例由包括第一电离室，第二电离室，带电粒子检测器和差分抽系统。
所述第一电离室和第二电离室均由真空腔室1和真空泵2组成，真空腔室1由真空泵2独立抽真空，为检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置提供高真空环境；第一电离室和第二电离室均安装有真空计3和针阀4，其中真空计3用于实时测量充有稀薄的稀有气体的电离室内的真空度，针阀4用于控制充入电离室的稀有气体的流量，与真空泵2配合以维持电离室内的恒定压力；第一电离室内还配备电阻温度计5，用于检测第一电离室内的环境温度。
所述带电粒子检测器主要包括离子约束电极板6，加速电极板7，分裂电极板8，电流计9，微型通道电子倍增管10以及示波器11，加速电极板7由两块中心处开孔并覆盖栅网的电极板组成，通过在电极板上面分别施加正负电压而形成电场，极紫外激光传输方向上因光电离产生的电子与离子在电场的作用下分别加速投射至分裂电极板8；离子约束电极板6由多片圆环型电极板组装而成，主要是将处于加速电极板7边缘或者可能逃逸出加速电极板7的离子拉回至分裂电极板8的有效探测区域内，提高检测精度。分裂电极板8由两块电极板拼接而成，两者之间相互绝缘，其中离子信号检测端的分裂电极板8的中心处留有覆盖栅网的矩形小孔，便于极其少量的离子透过栅网进入微型通道电子倍增管10，离子信号检测端的分裂电极板8上连接的电流计9分别测量两块电极板上一定时间内积累的离子所形成的平均电流；离子信号检测端的分裂电极板8后端连接微型通道电子倍增管10及示波器11，而电子信号检测端的分裂电极板8后端直接连接示波器11，分别用于测量单脉冲的离子信号或电子信号，其中，离子信号检测端的微型通道电子倍增管10用于放大透过栅网的那部分离子信号，随后通过示波器11测得的脉冲离子飞行时间谱可推导出离子的平均电荷量，电子信号检测端的示波器11所测得的脉冲电子信号仅作为相对值，通过对特定时间内的脉冲电子信号进行积分，并与电流计9测得的平均电流信号进行相互校准；在第一电离室内，带电粒子检测器的加速电极板7与分裂电极板8在y轴方向上依次排列，主要用于在线无损检测极紫外激光的脉冲能量及光束在x轴方向的偏移位置及偏移距离，而在第二电离室内，带电粒子检测器的加速电极板7与分裂电极板8在x轴方向上依次排列，用于在线无损检测极紫外激光在y轴方向的偏移位置及偏移距离。
所述差分抽系统由多级腔室12及真空泵2所组成，该系统分别安装在第一电离室前端、第二电离室后端以及第一电离室与第二电离室之间，使真空腔室内的稀有气体完全束缚在整套检测装置之内，且第一电离室与第二电离室内之间互不干扰，确保在线检测时不影响检测装置前端极紫外激光的制备及传输以及检测装置后端的激光使用。
利用上述装置在线无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的方法为：
将待测激光引入均匀分布着稀薄的稀有气体的电离室，在沿着待测激光传输方向上，通过光电离稀有气体所产生的离子与电子在电场的作用下快速投射至分裂电极板，连接在分裂电极板上面的电流计测得因离子或电子的积累而产生电流，其中根据所检测到的分裂电极板各部分的电流值之和可推导出极紫外激光每个脉冲中所包含的光子数，进而求出极紫外激光的脉冲能量；同时，分裂电极板各部分测得的电流值之比可反推出极紫外激光在垂直于激光传输方向的平面内的具体偏移方向及偏移距离，间接获取光束的空间位置信息。
本实用新型的具体实施操作过程如下：
1、按照图1将装置各部件进行组装，特别是将分裂电极板的中心线置于参考坐标系的z轴；
2、将整个检测装置连入自由电子激光器的光束线与用户使用装置之间；
3、开启真空泵，将真空腔室及多级腔室抽真空至10-8torr量级；
4、调节针阀，将稀有气体——氙气缓慢充入第一电离室和第二电离室，保证真空腔室内的气体浓度稀薄且气压恒定；
5、将自由电子激光器输出的极紫外激光引入检测装置，通过光电离将真空腔室内的稀有气体——氙气电离而生成离子和电子；
6、电离室内的加速电极板将激光传输方向上的离子和电子分别投射至分裂电极板；
7、如图2所示，第一电离室内的离子信号检测端的分裂电极板a、b上面连接的电流计分别测得电流Ixa和Ixb，透过分裂电极板上的栅网的那部分离子经微型通道电子倍增管放大后由示波器采得脉冲离子飞行时间谱，电阻温度计测得第一电离室内的气体温度为T，真空计测得第一电离室内的压力为p，第一电离室内的离子信号检测端的分裂电极板a、b上面连接的电流计分别测得电流Iya和Iyb，
分裂电极板在时间t内所探测到的离子数量Nions为：
Nions＝Q/eγ＝(Ixa+Ixb)t/eγ
其中，Q为分裂电极板上在时间t内所累计的电荷量，e为基元电荷，γ为稀有气体光电离产生的离子的平均电荷量，可以通过分析示波器采得的脉冲离子飞行时间谱得到。
激光光电离过程中，光子数Nphoton与离子数Nions之间遵循Beer-Lambert定律，即：
其中，σph是稀有气体在待测激光波长下的光电离截面；Zeff是分裂电极板沿激光传输方向上的有效长度；natom＝p/kT是真空腔室内的稀有气体的数密度，k为玻尔兹曼常数；
这样，每个脉冲的光子数nphoton为：
nphoton＝Nphoton/tv＝NionskT/(σphZeffptv)＝(Ixa+Ixb)kT/(σphZeffpvγe)
其中，v是激光工作频率。
因此，待测激光的脉冲能量E为：
E＝hcnphoton/λ＝(Ixa+Ixb)kThc/(σphZeffpvγeλ)
其中，h为普朗克常量，c是真空中的光速，λ为待测激光的波长。
如图2所示，待测激光在x轴方向上的偏移量Δx，第一电离室内分离电极板a、b上面测得的电流值之比为：
Ixa/Ixb＝(Za+Za')/(Zb+Zb')＝(d+2Δx)/(d-2Δx)
其中，d是分裂电极板的有效宽度值。
由此可得待测激光光束在x轴上的偏离量Δx为：
Δx＝d(Ixa-Ixb)/2[Ixa+Ixb]
当Δx>0时，表示待测激光光束在x轴方向上沿着正轴偏离距离|Δx|，当Δx<0时，表示待测激光光束在x轴方向上沿着负轴偏离距离|Δx|。
同理，待测激光光束在y轴上的偏离量Δy为：
Δy＝d(Iya-Iyb)/2[Iya+Iyb]
当Δy>0时，表示待测激光光束在y轴方向上沿着正轴偏离距离|Δy|，当Δy<0时，表示待测激光光束在y轴方向上沿着负轴偏离距离|Δy|。
Claims (4)
1.一种无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置，其特征在于，包括第一电离室，第二电离室，带电粒子检测器和差分抽系统；
所述第一电离室和第二电离室均由真空腔室（1）和真空泵（2）组成，真空腔室（1）由真空泵（2）独立抽真空，为检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置提供高真空环境；
第一电离室和第二电离室均安装有真空计（3）和针阀（4），其中真空计（3）用于实时测量充有稀薄的稀有气体的电离室内的真空度，针阀（4）用于控制充入电离室的稀有气体的流量，与真空泵（2）配合以维持电离室内的恒定压力；第一电离室内还配备电阻温度计（5），用于检测第一电离室内的环境温度；
所述带电粒子检测器包括离子约束电极板（6），加速电极板（7），分裂电极板（8），电流计（9），微型通道电子倍增管（10）以及示波器（11）；
所述加速电极板（7）由两块中心处开孔并覆盖栅网的电极板组成，通过在电极板上面分别施加正负电压而形成电场，极紫外激光传输方向上因光电离产生的电子与离子在电场的作用下分别加速投射至分裂电极板（8）；
所述离子约束电极板（6）由多片圆环型电极板组装而成，主要是将处于加速电极板（7）边缘或者可能逃逸出加速电极板（7）的离子拉回至分裂电极板（8）的有效探测区域内；
所述分裂电极板（8）由两块电极板拼接而成，两者之间相互绝缘，其中离子信号检测端的分裂电极板（8）的中心处留有覆盖栅网的矩形小孔，便于极其少量的离子透过栅网进入微型通道电子倍增管（10），离子信号检测端的分裂电极板（8）上连接的电流计（9）分别测量两块电极板上一定时间内积累的离子所形成的平均电流；离子信号检测端的分裂电极板（8）后端连接微型通道电子倍增管（10）及示波器（11），电子信号检测端的分裂电极板（8）后端直接连接示波器（11），分别用于测量单脉冲的离子信号或电子信号；
所述微型通道电子倍增管（10）用于放大透过栅网的那部分离子信号，随后通过与微型通道电子倍增管（10）连接的示波器（11）测得的脉冲离子飞行时间谱，从而得出离子的平均电荷量；
所述电子信号检测端的示波器（11）所测得的脉冲电子信号仅作为相对值，通过对设定时间内的脉冲电子信号进行积分，并与电流计（9）测得的平均电流信号进行相互校准；
在第一电离室内，带电粒子检测器的加速电极板（7）与分裂电极板（8）在y轴方向上依次排列，主要用于在线无损检测极紫外激光的脉冲能量及光束在x轴方向的偏移位置及偏移距离，在第二电离室内，带电粒子检测器的加速电极板（7）与分裂电极板（8）在x轴方向上依次排列，用于在线无损检测极紫外激光在y轴方向的偏移位置及偏移距离，所述的x轴和y轴为参考坐标系中的两根轴，参考坐标系中的另一根轴，即z轴穿过分裂电极板（8）中心线；
所述差分抽系统由多级腔室（12）及真空泵（2）组成，该系统分别安装在第一电离室前端、第二电离室后端以及第一电离室与第二电离室之间，使真空腔室内的稀有气体完全束缚在整套检测装置之内，且第一电离室与第二电离室内之间互不干扰，确保在线检测时不影响检测装置前端极紫外激光的制备、传输以及后端的激光使用。
2.根据权利要求1所述的一种无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置，其特征在于，所述真空泵（2）均为磁悬浮分子泵，分别通过刀口法兰与真空腔室（1）和多级腔室（12）密封连接。
3.根据权利要求1所述的一种无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置，其特征在于，所述电流计（9）为皮安计。
4.根据权利要求1所述的一种无损检测极紫外激光脉冲能量及光束空间位置的装置，其特征在于，所述第一电离室、第二电离室以及各个差分抽系统之间均通过两端焊接刀口法兰的可伸缩焊接波纹管进行非刚性密封衔接，确保整套检测装置的气密性与可调性，通过配合调节第一电离室、第二电离室的安装位置及其与分裂电极板（8）的相对位置，使分裂电极板（8）中心线调至参考坐标系的z轴，确保光束空间位置所测数值的精确性。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |