Система очень узкополосного двухкамерного газоразрядного лазера с высокой частотой следования импульсов - RU2306649C2
Код документа: RU2306649C2
Чертежи
Показать все 84 чертежа(ей)
Описание
Текст описания представлен в факсимильном виде.
Реферат
Изобретение относится к электрогазоразрядным лазерам, в частности к узкополосным газоразрядным лазерам с высокой частотой следования импульсов. Конструкция имеет две отдельные разрядные камеры, одна из которых является частью задающего генератора, создающего узкополосный затравочный луч, усиление которого осуществляют во второй разрядной камере. Управление рабочими камерами может быть осуществлено раздельно. Каждая рабочая камера содержит один тангенциальный вентилятор, формирующий поток газа, достаточный для обеспечения возможности функционирования на частоте следования импульсов 4000 Гц. Задающий генератор снабжен модулем сужения линии излучения, содержащим быстродействующее зеркало настройки. Технический результат - формирование лучей импульсного лазерного излучения высокого качества с частотой следования импульсов, равной приблизительно 4000 Гц или большей, и с энергией импульса, равной приблизительно от 5 до 10 мДж или большей, что позволяет получать выходную мощность излучения от 20 до 40 Вт или большую. 77 з.п. ф-лы, 80 ил.
Формула
1. Система очень узкополосного двухкамерного газоразрядного лазера с высокой частотой следования импульсов, содержащая:
A)
первое лазерное устройство, содержащее:
1) первую разрядную камеру, содержащую:
а) первый лазерный газ,
б) первую пару
удлиненных пространственно разнесенных электродов, определяющих первую область разряда,
2) первый вентилятор, формирующий в вышеупомянутой первой области разряда поток
вышеупомянутого первого лазерного газа со скоростью, достаточной для освобождения вышеупомянутой первой области разряда, после каждого импульса, по существу, от всех ионов, созданных вследствие
разряда, до следующего импульса,
3) первую систему теплообменников, отводящую тепловую энергию из вышеупомянутого первого лазерного газа,
4) модуль
сужения линии излучения, обеспечивающий сужение ширины спектра импульсов светового излучения, созданных в вышеупомянутой первой разрядной камере,
B) второе лазерное устройство,
в котором осуществляется усиление затравочного луча от первого лазерного устройства, содержащее:
1) вторую разрядную камеру, содержащую:
а) второй
лазерный газ,
б) вторую пару удлиненных пространственно разнесенных электродов, определяющих вторую область разряда,
2) второй вентилятор, формирующий в
вышеупомянутой второй области разряда поток вышеупомянутого второго лазерного газа со скоростью, достаточной для освобождения вышеупомянутой второй области разряда, после каждого импульса, по существу,
от всех ионов, созданных вследствие разряда, до следующего импульса,
3) вторую систему теплообменников, отводящую тепловую энергию из вышеупомянутого второго лазерного газа,
C) систему импульсного электропитания, выполненную с возможностью обеспечения подачи на вышеупомянутую первую пару электродов и на вышеупомянутую вторую пару электродов
электрических импульсов, достаточных для создания импульсов лазерного излучения с управляемой энергией импульса, и
D) систему измерения и управления параметрами луча лазера,
обеспечивающую измерение, по меньшей мере, одного параметра из энергии импульса, длины волны и ширины спектра излучения импульсов выходного лазерного излучения, созданных посредством вышеупомянутой
системы двухкамерного лазера, и управление параметрами вышеупомянутых импульсов выходного лазерного излучения посредством системы управления с обратной связью.
2. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутое первое лазерное устройство сконфигурировано как задающий генератор, а вышеупомянутое второе лазерное устройство сконфигурировано как
усилитель мощности.
3. Система лазера по п.2, в которой вышеупомянутый лазерный газ содержит аргон, фторид и неон.
4. Система лазера по п.2, в которой вышеупомянутый лазерный газ содержит криптон, фтор и неон.
5. Система лазера по п.2, в которой
вышеупомянутый лазерный газ содержит фтор и буферный газ, выбранный из группы, состоящей из неона, гелия или смеси неона с гелием.
6. Система лазера по
п.2, в которой вышеупомянутый усилитель мощности сконфигурирован с обеспечением двукратного прохождения луча через вышеупомянутую вторую область разряда.
7. Система лазера по п.2, в которой вышеупомянутый усилитель мощности сконфигурирован с обеспечением четырехкратного прохождения луча через вышеупомянутую вторую область разряда.
8. Система лазера по п.2, в которой вышеупомянутый задающий генератор сконфигурирован с обеспечением наличия резонатора с двукратным прохождением луча через вышеупомянутую
первую область разряда.
9. Система лазера по п.2, в которой вышеупомянутый задающий генератор сконфигурирован с обеспечением резонатора с двукратным
прохождением луча через вышеупомянутую первую область разряда, и в которой вышеупомянутый усилитель мощности имеет такую конфигурацию, которая обеспечивает четырехкратное прохождение луча через
вышеупомянутую вторую область разряда.
10. Система лазера по п.1, которая дополнительно содержит оптическую плиту, служащую в качестве опоры для
оптических элементов резонатора вышеупомянутого первого лазерного устройства, которая является независимой от вышеупомянутой первой разрядной камеры.
11. Система лазера по п.10, в которой вышеупомянутая оптическая плита имеет, по существу, U-образную форму и ограничивает собой U-образную полость, и в которой вышеупомянутая первая разрядная камера
установлена внутри вышеупомянутой U-образной полости.
12. Система лазера по п.1, которая дополнительно содержит вертикально установленную оптическую
плиту, при этом вышеупомянутые первая и вторая разрядные камеры закреплены на вышеупомянутой вертикальной оптической плите.
13. Система лазера по п.1, в
которой каждая из вышеупомянутых первой и второй рабочих камер лазера определяют поток газа с постепенно увеличивающейся площадью поперечного сечения в направлении вниз по течению потока от
вышеупомянутых электродов, что обеспечивает возможность восстановления большой процентной доли перепада статического давления, возникающего в областях разряда.
14. Система лазера по п.2, в которой вышеупомянутая рабочая камера также содержит конструкцию в виде направляющей лопасти, расположенную выше по течению потока относительно вышеупомянутой
области разряда, для нормализации скорости потока газа в области, расположенной выше по течению потока относительно вышеупомянутой области разряда.
15.
Система лазера по п.1, в которой каждый из вышеупомянутых вентиляторов: первый вентилятор и второй вентилятор, представляют собой тангенциальные вентиляторы, а каждый из них содержит вал, приводимый
во вращение двумя бесщеточными электродвигателями постоянного тока.
16. Система лазера по п.15, в которой вышеупомянутыми электродвигателями являются
электродвигатели с водяным охлаждением.
17. Система лазера по п.15, в которой каждый из вышеупомянутых электродвигателей содержит статор и каждый из
вышеупомянутых электродвигателей содержит магнитный ротор, расположенный внутри металлического прижимного колпака, отделяющего вышеупомянутый статор от вышеупомянутого лазерного газа.
18. Система лазера по п.1, в которой каждый из вышеупомянутых вентиляторов: первый вентилятор и второй вентилятор, представляют собой тангенциальные вентиляторы,
каждый из которых содержит каркас с лопастями, изготовленный путем механической обработки алюминиевой заготовки.
19. Система лазера по п.18, в которой
вышеупомянутый каркас с лопастями имеет наружный диаметр, равный приблизительно пяти дюймам.
20. Система лазера по п.19, в которой вышеупомянутый каркас
с лопастями содержит лопасти, имеющие заостренные передние кромки.
21. Система лазера по п.15, в которой вышеупомянутыми электродвигателями являются
электродвигатели без датчиков положения и которая дополнительно содержит контроллер ведущего электродвигателя для управления одним из вышеупомянутых электродвигателей и контроллер ведомого
электродвигателя, обеспечивающий управление другим электродвигателем.
22. Система лазера по п.15, в которой каждый из вышеупомянутых тангенциальных
вентиляторов содержит лопасти, ориентированные под углом к вышеупомянутому валу.
23. Система лазера по п.1, в которой каждая система теплообменников
имеет оребренную поверхность и водяное охлаждение.
24. Система лазера по п.23, в которой каждая система теплообменников содержит, по меньшей мере,
четыре отдельных теплообменника с водяным охлаждением.
25. Система лазера по п.23, в которой каждая система теплообменников содержит, по меньшей мере,
один теплообменник, имеющий цилиндрический канал для протока воды, и в котором расположен, по меньшей мере, один турбулизатор.
26. Система лазера по
п.25, в которой каждый из вышеупомянутых четырех теплообменников имеет цилиндрический канал для протока воды, содержащий турбулизатор.
27. Система
лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система импульсного электропитания содержит электрические компоненты с водяным охлаждением.
28. Система лазера
по п.27, в которой, по меньшей мере, одним из вышеупомянутых компонентов с водяным охлаждением является компонент, работающий при высоком напряжении, превышающем 12000 В.
29. Система лазера по п.28, в которой обеспечивают изоляцию вышеупомянутого высокого напряжения от напряжения "земли" с использованием катушки индуктивности, через которую
протекает охлаждающая вода.
30. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система импульсного электропитания содержит систему резонансной зарядки,
обеспечивающую зарядку зарядного конденсатора до напряжения, регулируемого с высокой точностью.
31. Система лазера по п.30, в которой вышеупомянутая
система резонансной зарядки содержит диодно-индуктивную цепь (De-Qing).
32. Система лазера по п.30, в которой вышеупомянутая система резонансной зарядки
содержит цепь утечки.
33. Система лазера по п.30, в которой вышеупомянутая система резонансной зарядки содержит диодно-индуктивную цепь (De-Qing) и цепь
утечки.
34. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система импульсного электропитания содержит систему зарядки, состоящую, по меньшей мере, из
трех блоков питания, подключенных параллельно.
35. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система измерения и управления параметрами луча
лазера содержит узел эталона, фотодиодную матрицу, программируемое логическое устройство и оптические элементы, обеспечивающие фокусировку светового излучения лазера, выходящего из вышеупомянутого
узла эталона, на вышеупомянутую фотодиодную матрицу, при этом вышеупомянутое программируемое логическое устройство запрограммировано таким образом, что осуществляет анализ данных, поступивших из
вышеупомянутой фотодиодной матрицы, определяя местоположение интерференционных полос, полученных из эталона, на вышеупомянутой фотодиодной матрице.
36.
Система лазера по п.35, в которой вышеупомянутая система измерения и управления также содержит микропроцессор, запрограммирована для вычисления длины волны и ширины спектра излучения по данным об
интерференционных полосах, местоположение которых определено вышеупомянутым программируемым логическим устройством.
37. Система лазера по п.35, в
которой вышеупомянутое программируемое логическое устройство запрограммировано с возможностью реализации алгоритма вычисления длины волны и ширины спектра излучения по результатам измерения
вышеупомянутых интерференционных полос.
38. Система лазера по п.37, в которой вышеупомянутое программируемое логическое устройство сконфигурировано для
обеспечения вычисления длины волны и ширины спектра излучения за время меньшее, чем 1/4000 с.
39. Система лазера по п.35, в которой вышеупомянутый узел
эталона содержит дифракционный рассеивающий элемент.
40. Система лазера по п.1, в которой модуль сужения линии излучения содержит зеркало настройки,
управление которым, по меньшей мере, частично осуществляют посредством пьезоэлектрического привода (ПЭП).
41. Система лазера по п.40, в которой
управление вышеупомянутым зеркалом настройки частично осуществляют также посредством шагового электродвигателя.
42. Система лазера по п.40, которая
дополнительно содержит средство предварительной настройки.
43. Система лазера по п.40, которая дополнительно содержит средство активной настройки,
содержащее алгоритм обучения.
44. Система лазера по п.40, которая дополнительно содержит алгоритм адаптивного управления с упреждением.
45. Система лазера по п.40, в которой вышеупомянутый модуль сужения линии излучения содержит дифракционную решетку, определяющую лицевую поверхность дифракционной
решетки, и средство продувки, осуществляющее принудительную продувку газом рядом с дифракционной решеткой вблизи от вышеупомянутой лицевой поверхности дифракционной решетки.
46. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутый модуль сужения линии излучения также содержит расширитель луча, состоящий из четырех призм, который выполнен таким образом, что
обеспечивает расширение луча по одному из направлений приблизительно в 45 раз.
47. Система лазера по п.45, в которой вышеупомянутым газом, используемым
для продувки, является гелий.
48. Система лазера по п.45, которая дополнительно содержит систему продувки азотом, при этом вышеупомянутая система
продувки азотом содержит фильтр для азота.
49. Система лазера по п.45, которая дополнительно содержит систему продувки азотом, в состав которой входит
модуль продувки, содержащий устройства текущего контроля потока, а вышеупомянутая система лазера также содержит трубки для выпуска продувочного газа, служащие для вывода отработанного продувочного
газа из вышеупомянутой системы лазера.
50. Система лазера по п.1, которая дополнительно содержит узел затвора, содержащий оптический затвор с
электрическим управлением и измеритель мощности, который посредством управляющего сигнала может быть установлен на пути выходного лазерного луча.
51.
Система лазера по п.1, которая дополнительно содержит систему ограждения луча, снабженную первым уплотнением, изолирующим тракт прохождения луча, которое расположено между первым окном вышеупомянутой
первой рабочей камеры и модулем сужения линии излучения, и вторым уплотнением, изолирующим тракт прохождения луча, которое расположено между вторым окном вышеупомянутой первой рабочей камеры и узлом
ответвителя выходного излучения, при этом каждое из вышеупомянутых уплотнений, изолирующих тракт прохождения луча, содержит металлический сильфон.
52.
Система лазера по п.51, в которой каждое из вышеупомянутых первого и второго уплотнений, изолирующих тракт прохождения луча, выполнено таким образом, что позволяет легко производить замену
вышеупомянутой рабочей камеры лазера.
53. Система лазера по п.51, в которой каждое из вышеупомянутых уплотнений, изолирующих тракт прохождения луча, не
содержит эластомер, обеспечивает виброизоляцию от вышеупомянутой рабочей камеры, обеспечивает изоляцию последовательности лучей от атмосферных газов и позволяет производить неограниченное количество
замен вышеупомянутой рабочей камеры лазера без воздействия на вышеупомянутый модуль сужения линии излучения (МСЛИ) или на вышеупомянутый узел ответвителя выходного излучения.
54. Система лазера по п.51, в которой вышеупомянутая система ограждения луча содержит вакуумно-совместимые уплотнения.
55.
Система лазера по п.54, в которой множество вышеупомянутых уплотнений представляет собой легко герметизируемые сильфонные уплотнения, выполненные таким образом, что позволяют легко производить их
отсоединение вручную.
56. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система измерения и управления содержит основной светоделитель, отделяющий
небольшую процентную долю излучения импульсов, получаемых на выходе вышеупомянутого лазера, второй светоделитель, направляющий часть вышеупомянутой небольшой процентной доли излучения на измеритель
энергии импульса, и средство, обеспечивающее изоляцию объема, ограниченного вышеупомянутым основным светоделителем, вышеупомянутым вторым светоделителем и окном вышеупомянутого измерителя энергии
импульса, от других частей вышеупомянутой системы измерения и управления, и определяющее границы изолированной области.
57. Система лазера по п.56,
которая дополнительно содержит средство продувки, обеспечивающее продувку вышеупомянутой изолированной области продувочным газом.
58. Система лазера по
п.57, в которой вышеупомянутая система лазера дополнительно содержит узел ответвителя выходного излучения и узел выходного окна, при этом вышеупомянутое средство продувки выполнено таким образом, что
газ, выпускаемый из вышеупомянутой изолированной области, также обеспечивает продувку вышеупомянутого узла ответвителя выходного излучения и вышеупомянутого узла выходного окна.
59. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система имеет конфигурацию, которая обеспечивает ее функционирование либо в качестве системы лазера на фториде криптона
(KrF), либо в качестве системы лазера на фториде аргона (ArF), либо в качестве системы лазера на фторе (F2) посредством незначительных модификаций.
60. Система лазера по п.1, в которой, по существу, все компоненты расположены внутри корпуса лазера, но вышеупомянутая система содержит модуль переменного/постоянного тока, физически
расположенный отдельно от вышеупомянутого корпуса.
61. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система импульсного электропитания содержит
батарею зарядных конденсаторов задающего генератора и батарею зарядных конденсаторов усилителя мощности, а также устройство резонансной зарядки, выполненное с возможностью обеспечения параллельной
зарядки обеих батарей зарядных конденсаторов.
62. Система лазера по п.61, в которой вышеупомянутая система импульсного электропитания содержит источник
питания, выполненный таким образом, что обеспечивает подачу в вышеупомянутые устройства резонансной зарядки напряжения величиной, по меньшей мере, 2000 В.
63. Система лазера по п.1, которая дополнительно содержит систему управления подачей газа, обеспечивающую регулировку концентрации F2 в вышеупомянутом первом лазерном газе для
управления параметрами луча задающего генератора.
64. Система лазера по п.1, которая дополнительно содержит систему управления подачей газа,
обеспечивающую регулировку давления вышеупомянутого первого лазерного газа для управления параметрами луча задающего генератора.
65. Система лазера по
п.2, которая дополнительно содержит контроллер синхронизации разряда, обеспечивающий инициирование разрядов в вышеупомянутом усилителе мощности таким образом, чтобы они возникали в интервале времени
между 20 и 60 нс после разрядов в вышеупомянутом задающем генераторе.
66. Система лазера по п.2, которая дополнительно содержит контроллер разряда,
запрограммированный таким образом, что при заданных условиях инициирует создание разрядов в те моменты времени, когда избегается генерация выходных импульсов с существенной энергией.
67. Система лазера по п.66, в которой вышеупомянутый контроллер запрограммирован таким образом, что при вышеупомянутых заданных условиях инициирует создание
разрядов в вышеупомянутом усилителе мощности, по меньшей мере, за 20 нс до разряда в вышеупомянутом задающем генераторе.
68. Система лазера по п.1,
которая дополнительно содержит блок мультипликатора импульсов, обеспечивающий увеличение длительности импульсов, получаемых на выходе вышеупомянутой системы лазера.
69. Система лазера по п.68, в которой вышеупомянутый блок мультипликатора импульсов выполнен таким образом, что в него поступает вышеупомянутый луч импульсного излучения, получаемый на
выходе лазера, и он обеспечивает, по меньшей мере, двукратное увеличение количества импульсов в секунду, создавая на выходе мультипликатора один луч импульсного излучения, содержащий большее
количество импульсов с существенно уменьшенными значениями интенсивности по сравнению с импульсами, получаемыми на выходе лазера, а вышеупомянутый блок мультипликатора импульсов содержит:
(1) первый светоделитель, выполненный с возможностью отделения части вышеупомянутого выходного луча, при этом отделенная часть представляет собой часть с введенной задержкой, а размер и
угловая расходимость луча в вышеупомянутом первом светоделителе определяются выходным лучом;
(2) первую линию задержки, начинающуюся и заканчивающуюся в вышеупомянутом первом
светоделителе, при этом вышеупомянутая первая линия задержки содержит, по меньшей мере, два фокусирующих зеркала, а вышеупомянутые зеркала расположены таким образом, что обеспечивают фокусировку
вышеупомянутой части с введенной задержкой в фокусе, находящемся внутри вышеупомянутой первой линии задержки, и возвращение вышеупомянутой части с введенной задержкой в вышеупомянутый первый
светоделитель таким образом, чтобы размер луча и его угловая расходимость были равны или приблизительно равны размеру и угловой расходимости выходного луча в вышеупомянутом первом
светоделителе.
70. Система лазера по п.69, в которой вышеупомянутые, по меньшей мере, два фокусирующих зеркала являются сферическими
зеркалами.
71. Система лазера по п.69, которая дополнительно содержит вторую линию задержки, в состав которой входят, по меньшей мере, два сферических
зеркала.
72. Система лазера по п.69, в которой вышеупомянутая первая линия задержки содержит четыре фокусирующих зеркала.
73. Система лазера по п.72, которая дополнительно содержит вышеупомянутую вторую линию задержки, созданную посредством второго светоделителя, расположенного в вышеупомянутой
первой линии задержки.
74. Система лазера по п.69, в которой вышеупомянутая первая линия задержки содержит второй светоделитель, и дополнительно
содержит вторую линию задержки, в состав которой входят, по меньшей мере, два фокусирующих зеркала, при этом вышеупомянутые зеркала расположены таким образом, что обеспечивают фокусировку
вышеупомянутой части с введенной задержкой в фокусе, находящемся внутри вышеупомянутой первой линии задержки, и возвращение вышеупомянутой части с введенной задержкой в вышеупомянутый первый
светоделитель таким образом, чтобы размер луча и его угловая расходимость были равны или приблизительно равны размеру и угловой расходимости выходного луча в вышеупомянутом первом
светоделителе.
75. Система лазера по п.69, в которой вышеупомянутый первый светоделитель выполнен таким образом, что направляет луч лазера, по меньшей
мере, в двух направлениях с использованием оптического эффекта нарушенного полного внутреннего отражения.
76. Система лазера по п.69, в которой
вышеупомянутый первый светоделитель состоит из двух прозрачных оптических элементов, каждый из которых имеет плоскую поверхность, при этом вышеупомянутые оптические элементы расположены таким образом,
что вышеупомянутые поверхности являются параллельными друг другу, а зазор между ними составляет менее 200 нм.
77. Система лазера по п.69, в которой
вышеупомянутый первый светоделитель представляет собой оптический элемент без покрытия, ориентированный под углом к вышеупомянутому выходному лучу лазера для обеспечения требуемого соотношения между
отражением и пропусканием.
78. Система лазера по п.1, в которой вышеупомянутая система импульсного электропитания содержит первую батарею зарядных
конденсаторов и первую схему сжатия импульсов, обеспечивающие подачу электрических импульсов на вышеупомянутую первую пару электродов, и вторую батарею зарядных конденсаторов и вторую схему сжатия
импульсов, обеспечивающие подачу электрических импульсов на вышеупомянутую вторую пару электродов, и систему резонансной зарядки, обеспечивающую параллельную зарядку вышеупомянутых первой и второй
батарей зарядных конденсаторов до напряжения, регулируемого с высокой точностью.
