【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有连续光学放电的高亮度宽带光源、涉及其中使用的充气腔室以及涉及其制造方法。
技术介绍
1、由激光辐射在预产生的相对致密的等离子体中维持的静止气体放电被称为连续光学放电(cod)。
2、在各种气体中实现了由连续波(cw)激光器的聚焦光束在充气腔室中维持的cod，特别是在高达200atm的高气体压力下在xe中(卡尔霍夫(carlhoff)等人，“超高压下的连续光学放电”，物理学103c，1981，第439-447页)。基于cod的光源具有约20,000k的等离子体温度(雷泽(raizer)，“光学放电”，物理学乌斯佩基，苏联(sov.phys.usp.)23(11)，1980年11月，第789-806页)，该光源是在从真空紫外线(vuv)到近红外线的宽光谱范围内亮度最高的连续光源之一。
3、与产生高亮度基于cod的光源有关的挑战之一涉及增加真空紫外线辐射的输出，具体地，这导致对短波边界λb以及用于从腔室输出cod等离子体宽带辐射的光学材料的透明度的特殊要求。
4、如从2006年12月1日公布的专利申请jp 2006100675中已知的，当腔室中的惰性气体的纯度为至少99.99％时，在光学放电中实现在vuv范围中的高光学输出。同时，光源辐射光谱的短波边界由腔室出射窗口的材料决定，对此可以使用氟化锂(lif)、氟化镁(mgf2)、氟化钙(caf2)、蓝宝石(al2o3)或石英(sio2)。
5、在这些材料中，lifиmgf2具有透明度的最短波边界，约110nm。此外，在后两
6、专利申请jp 2006010675中所描述的装置使用光学放电的脉冲模式激发，因此该装置的缺点在于光源的低平均功率和亮度。在光学放电激发的脉冲模式中，腔室中的最佳压力为约1atm，而腔室温度接近于室温，这消除了由任何上述光学材料制成的出射窗口的密封问题。然而，对于具有连续光学放电的高亮度等离子体辐射源，情况完全不同。
7、如从2021年3月30日公开的并通过引用并入本文的专利us 10964523中已知的，cod等离子体辐射的最佳连续产生，其特征为大于50mw/(mm2nm平均值)的光谱亮度以及小于0.1％的相对亮度不稳定性σ，通过优选地在高于50atm或更高的腔室中的最佳气体压力下具有600至900k或更高的腔室内表面的最高可能操作温度来实现，而腔室壁位于距离辐射等离子体区域小于5mm的距离处，优选不大于3mm。由熔融石英制成并用作腔室的密封灯泡至少部分地满足这些标准。
8、然而，石英的透明边界，λb≈170nm，劣于上述其他光学材料，特别是mgf2(λb≈110nm)。同时，用mgf2替换灯泡材料的选择由于其机械特性而具有挑战性，而使用mgf2窗口由于其在高温和高压下的密封的困难，其使用也是有问题的。
9、为了提高腔室的操作温度，在2018年10月23日公开的专利us 10109473中，提出了使用由一种弹性金属(诸如钢)制成的c形环来机械地密封这些腔室窗口。
10、然而，该解决方案主要涉及使用λb≈145nm的蓝宝石窗口。应用具有这种类型的密封的mgf2窗口是有问题的，因为它们的机械强度不足。
11、在2020年5月31日公开的美国专利10609804中，激光泵浦等离子体光源包括具有金属柱形壳体的充气腔室，该壳体由两个壳体部分组成，并且具有密封地安装在壳体端部上的同轴的入射窗口和出射窗口。每个窗口(其圆柱形侧表面是镀镍的)被定位在圆形的镀镍的科瓦合金套筒(kovar sleeve)内并且使用ag焊料焊合到该套筒的内表面上。此外，具有焊合到其上的窗口的每个圆形套筒在外侧接缝上焊合或焊接到壳体部分中的一个。在安装内部腔室零部件(椭球面镜和激光辐射阻挡器)之后，将安装有窗口的壳体部分焊接在一起。在焊接之后，壳体被抽真空并通过在压力下被焊接或密封的喷嘴注入气体。窗口焊合到其上的科瓦合金套筒的线性热膨胀系数(clte)与蓝宝石的clte匹配，因此该腔室建议使用蓝宝石窗口。
12、与通常使用的石英灯泡(λb≈170nm)相比，如果使用蓝宝石窗口(λb≈145nm)，则所述光源的特征在于vuv范围内的辐射光谱更宽。此外，其特征在于较强的腔室，其允许增加激光泵浦的功率，并因此提高输出辐射的功率，包括uv和vuv范围。
13、然而，在这种类型的等离子体光源中，vuv光谱的进一步扩展由于其中应用mgf2窗口的困难而受到限制。mgf2晶体的clte在光轴方向和垂直于光轴的方向上明显不同，并且相应地等于13.7·10-6/k和8.48·10-6/k。因此，当将腔室加热到600-900k时，在各向同性金属圆形套筒与焊接在其中的各向异性mgf2晶体之间的连接的密封是不可靠的，这对于从连续光学放电等离子体最佳地产生辐射是必需的。这种密封的不可靠性来自以下事实：金属焊料的clte(约20·10-6/k)也与mgf2的clte明显不同。而且，窗口上的气体压力促使密封接头的移位和破裂，从而降低其可靠性。在vuv范围中扩展类似等离子体光源的光谱也产生很小的影响，这是因为等离子体辐射束仅由腔室内的金属镜反射等离子体辐射形成。金属反射镜的反射系数在vuv范围内(对于铝，在110nm的波长处约20％)是低的。室内反射镜的存在导致将聚焦cw激光束的透镜定位在腔室壳体外侧。这限制了cw激光束的聚焦清晰度并降低了光源亮度。而且，反射镜的存在不允许最小化室内空间的尺寸以抑制对流，这导致出射辐射功率的不稳定性。所述设计的缺点还在于激光辐射光束在出射窗口方向上传播，这需要采取特殊措施用于其阻挡。
技术实现思路
1、因此，需要创造在vuv范围内具有更宽辐射光谱的更高亮度且高度稳定的光源，这些光源没有上述缺点。
2、本专利技术的技术问题和技术结果在于在vuv范围内扩展激光泵浦等离子体光源的辐射光谱同时提供其宽带辐射的高亮度和稳定性。
3、本专利技术实质上在于使用具有透明度的最小边界(λb≈110nm)的高科技光学材料，即mgf2作为用于从腔室输出等离子体辐射束的窗口的材料。这允许将激光泵浦等离子体光源的辐射光谱在vuv范围内扩展。
4、腔室中的气体属于纯度至少为99.99％的惰性气体，以便消除杂质对vuv辐射的自吸收。
5、结晶氟化镁是各向异性的并且特征在于弱的双折射。根据本专利技术，为了消除辐射等离子体光束的双折射，轴对称套筒的端部的表面和与其相邻的mgf2出射窗口的表面基本上垂直于mgf2晶体的光轴。
6、在至少600k的高温以及大约50atm和更高的压力下进行操作以便提供光源的高亮度和稳定性的可能性是通过用玻璃胶焊合至这些腔室窗口来实现的。根据本专利技术，玻璃胶焊合工艺涉及在至少400℃的温度下应用接头的单阶段退火，这导致在高达900k的温度下操作接头的可能性。窗口被焊合至被设计成套本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种激光泵浦等离子体光源，包括：
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述套筒的端面的表面和MgF2窗口的相邻表面基本上垂直于MgF2晶体的光轴。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，每个套筒和所述壳体均由镍铁合金制成，所述镍铁合金的线性热膨胀系数(CLTE)与晶体氟化镁的CLTE在垂直于所述MgF2晶体的光轴的方向上相匹配。
4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述等离子体辐射束中的光谱的短波边界由真空紫外线(VUV)区域中的MgF2透射边界确定，所述MgF2透射边界等于110nm。
5.根据权利要求1所述的光源，其中，不吸收波长为110nm及以上的VUV辐射的真空或气体环境位于所述MgF2窗口外侧。
6.根据权利要求5所述的光源，其中，填充有所述高压气体的所述腔室密封地连接至外侧腔室，所述外侧腔室中的物体由等离子体辐射穿过所述MgF2窗口而被照射，所述外侧腔室通过支管密封地连接，所述支管被制成热桥并配备有冷却散热器。
7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述等离子体辐射束从所述辐射等离子体区域直接引导
8.根据权利要求1所述的光源，其中，所有套筒均为轴对称套筒，所述窗口焊合至所述轴对称套筒，所述轴对称套筒焊接至制成一体的壳体。
9.根据权利要求1所述的光源，其中，所述辐射等离子体区域位于由至少两个孔的交叉处形成的壳体腔体中，在每个孔中均具有带窗口的套筒。
10.根据权利要求1所述的光源，其中，至少一个所述套筒位于所述壳体的所述孔中，所述套筒具有变化的外径，并且所述窗口位于所述套筒的具有较小外径的端部处。
11.根据权利要求1所述的光源，其中，所述壳体包括至少两个具有所述窗口的壳体部分，所述壳体部分在内部腔室部分安装之后焊接在一起。
12.根据权利要求11所述的光源，在所述光源的所述腔室中放置有至少一个回射器，所述回射器例如为在所述辐射等离子体区域居中的球面镜的形式。
13.根据权利要求1所述的光源，其中，焊缝位于所述壳体外侧。
14.根据权利要求1所述的光源，其中，用于等离子体点火的所述装置是固态激光系统，所述固态激光系统在Q开关模式和自由运行模式下产生两个脉冲激光束，而在连续操作模式中，所述腔室中的气体压力为约50巴或更高，所述腔室的内表面的温度为至少600K。
15.根据权利要求1所述的光源，其中，所述CW激光器的所述聚焦光束竖直向上地引导到所述腔室中，并且所述壳体的上壁位于距所述辐射等离子体区域不超过5mm的距离处。
16.根据权利要求1所述的光源，其中，聚焦所述CW激光器的光束的所述透镜和用于输出所述等离子体辐射束的每个窗口位于距所述辐射等离子体区域不超过5mm的距离处。
17.根据权利要求1所述的光源，其中，所述窗口是透镜，所述透镜布置成减少使穿过所述窗口的所述等离子体辐射束的射线路径失真的像差，并且布置为减少射出所述腔室的所述等离子体辐射束的孔径角。
18.根据权利要求1所述的光源，其中，所述等离子体辐射束的方向与已穿过所述辐射等离子体区域的CW激光束的方向不同。
19.根据权利要求1所述的光源，其中，所述腔室壳体被设计成矩形棱柱，而所述CW激光器的聚焦光束和所述等离子体辐射束具有相互正交的轴线，所述轴线在所述辐射等离子体区域内相交。
20.根据权利要求1所述的光源，其中，所述壳体包括密封的气体入口或气体端口，所述密封的气体入口或气体端口设计成用气体填充所述腔室并控制所述腔室中的所述气体的压力和成分。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种激光泵浦等离子体光源，包括：
2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述套筒的端面的表面和mgf2窗口的相邻表面基本上垂直于mgf2晶体的光轴。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，每个套筒和所述壳体均由镍铁合金制成，所述镍铁合金的线性热膨胀系数(clte)与晶体氟化镁的clte在垂直于所述mgf2晶体的光轴的方向上相匹配。
4.根据权利要求1所述的光源，其中，所述等离子体辐射束中的光谱的短波边界由真空紫外线(vuv)区域中的mgf2透射边界确定，所述mgf2透射边界等于110nm。
5.根据权利要求1所述的光源，其中，不吸收波长为110nm及以上的vuv辐射的真空或气体环境位于所述mgf2窗口外侧。
6.根据权利要求5所述的光源，其中，填充有所述高压气体的所述腔室密封地连接至外侧腔室，所述外侧腔室中的物体由等离子体辐射穿过所述mgf2窗口而被照射，所述外侧腔室通过支管密封地连接，所述支管被制成热桥并配备有冷却散热器。
7.根据权利要求1所述的光源，其中，所述等离子体辐射束从所述辐射等离子体区域直接引导至所述mgf2窗口而不反射。
8.根据权利要求1所述的光源，其中，所有套筒均为轴对称套筒，所述窗口焊合至所述轴对称套筒，所述轴对称套筒焊接至制成一体的壳体。
9.根据权利要求1所述的光源，其中，所述辐射等离子体区域位于由至少两个孔的交叉处形成的壳体腔体中，在每个孔中均具有带窗口的套筒。
10.根据权利要求1所述的光源，其中，至少一个所述套筒位于所述壳体的所述孔中，所述套筒具有变化的外径，并且所述窗口位于所述套筒的具有较小外径的端部处。
11.根据权利要求1所述的光源，其中，所述壳体包括至少两个具有所述窗口的壳体部分，...
【专利技术属性】
技术研发人员：德米特里·鲍里索维奇·阿布拉缅科，罗伯特·拉菲列维奇·加亚索夫，丹尼斯·亚历山德罗维奇·格卢什科夫，弗拉基米尔·米哈伊洛维奇·克里夫特森，亚历山大·安德里维奇·拉什，
申请(专利权)人：艾斯泰克私人有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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