CN105973480B - 光栅二次衍射型激光波长计 - Google Patents
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Abstract
一种光栅二次衍射型激光波长计包括激光器、分束镜、第一高反镜、波长校准***、狭缝、抛物面反射镜、光栅、棱镜、成像透镜、第二高反镜、线性光电探测器和电脑。本发明通过单块光栅的二次衍射有效的提高色散并增强波长计的光谱分辨率，可用于激光波长测量和稳定控制。
Description
技术领域
本发明属于激光波长计，特别是光刻用准分子激光器激光波长计；本发明涉及光栅二次衍射提高波长计的色散本领增强光谱分辨率。
背景技术
绝对波长是激光光谱的一项基本光学参量。在激光应用中具有重要的作用，例如为了修正光刻机中投影物镜的成像像差、提高设计精度，需要知道绝对激光波长。在激光光谱技术中，为了提高激光输出的稳定性，需要实时测量激光输出波长，并根据输出波长与目标波长的漂移量来调谐光栅等元件调谐激光波长，从而实现激光波长的稳定控制。因此，对激光绝对波长的标定和测控具有重要意义。
在先技术中，采用光电二极管测量金属空心阴极灯的原子吸收谱线的实现激光波长的校准，光栅粗测和标准具精测的方案来实现激光波长的精密测量，参考在先技术[US5978394]。这种技术在波长校准的过程中对脉冲能量的稳定性有着极高的要求，限制了金属空心阴极灯校准波长的信号灵敏度和适用范围。另一方面，利用光栅的单次衍射光斑聚焦到线性二极管阵列像素的位置粗测激光波长，并根据标准具干涉环直径来确定精确的激光波长信息。由于光栅单次衍射的色散本领有限，单个像素的波长分辨率约3pm，为此需要通过测量标准具干涉环直径和相应的迭代算法来确定精确的激光波长。该技术需要构建复杂的光路和波长算法来获得精确的激光波长。
发明内容
在先技术中采用光栅与标准具相结合的方案，或者多块光栅组合的方式来实现激光波长的精确测量，从而使整个装置光路复杂，成本较高。本发明在单块光栅的基础上通过棱镜的折返实现光栅二次衍射有效地提高光栅的色散，通过匹配合适的成像透镜和线性光电探测器，能够实现结构简单的高精度激光波长计。同时，采用金属空心阴极灯的光电偶原理来校准激光波长，在提高了测量的灵敏度的同时降低了测量环境的限制。
本发明的技术解决方案：
一种光栅二次衍射型激光波长计，包括激光器、分束镜、第一高反镜、波长校准***、狭缝、抛物面反射镜、光栅、棱镜、成像透镜、第二高反镜、线性光电探测器和电脑；
上述各部分的位置关系如下：
激光器出射的光束经分束器进行分束分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经第一高反镜导向后入射到波长校准***；所述的反射光束穿过狭缝入射到抛物面反射镜扩束准直后第一次入射到光栅，光栅的衍射光束入射到棱镜并在其内部传输一段距离后沿着与入射光束平行的的方向出射后，再次入射到光栅，光栅的二次衍射光束依次经成像透镜和第二高反镜聚焦到线性光电探测器，所述的波长校准***和线性光电探测器分别与所述的电脑相连，电脑根据波长校准***和线性光电探测器的像素信息计算激光波长。
所述的波长校准***由第二分束镜、孔径光阑、聚焦透镜、金属空心阴极灯，直流稳压电源，信号输出电路和光电二极管组成。
所述的激光器为窄线宽准分子激光器，该激光器包含线宽压窄模块，通过驱动线宽压窄模块内的大尺寸中阶梯光栅可实现激光波长的调谐。
所述的光栅的为长方形反射式中阶梯光栅，光栅的有效刻线宽度至少是入射光束宽度的二倍。
所述的棱镜为等腰直角棱镜，棱镜的两个直角面镀反射膜，其斜边的长度要大于光栅的宽度以保证第一次衍射光斑能够在棱镜内平移足够的长度，使前后两次入射到光栅的光束能够空间上有效的区分。所述的棱镜的斜边与光栅的刻线方向在空间上平行。
所述的线性光电探测器可以是线性二极管阵列，线性CCD，其像素具有较小的单位尺寸，从而保证如入射光谱具有较高的空间分辨率。
激光器出射的光斑入射到分束器进行分束，经分束器透射的光束经第一高反镜导向后入射到波长校准***实现激光波长的标定。光束经孔径光阑整形后入射到聚焦透镜，聚焦光束透射空心金属阴极灯，并保证入射光不会打到该灯的阴极材料激发光电效应从而干扰波长校准的信号。本发明通过空心阴极灯的光电偶效应实现高精度激光波长校准，其原理是在扫描入射到空心阴极灯的激光波长的同时，记录输出电路的光电偶信号，当入射的激光波长与阴极灯的已知的原子吸收谱线重合的条件下，光电偶信号出现极大值，根据该峰值信号可实现对激光波长的校准。
经分束器反射的光束入射到抛物面反射镜扩束准直后第一次入射到光栅，光栅的衍射光束入射到棱镜并在其内部传输一段距离后沿着入射光束平行的的方向出射，经棱镜平移的光束再次入射到光栅，前后两次入射到光栅的位置分别为光栅不同位置，两次入射光及其衍射光不会交叉。二次衍射光束经成像透镜和第二高反镜后聚焦到线性光电探测器，电脑根据波长校准***和线性光电探测器的像素信息计算激光波长。
此外，在光栅足够宽和信号光足够强的条件下，可以根据上述的棱镜平移和折返光束实现二次衍射的原理，使用多个反射棱镜级联来实现更高级次的光栅衍射，从而实现更高的色散和光谱分辨率。
本发明的技术效果如下：
本发明在空心阴极灯校准激光波长的基础上，采用光栅的二次衍射有效提高波长计色散的能力，保证激光波长计的精度，从而可以省去在先技术精测激光波长中常用的标准具,实现简化***结构并降低成本的目的。此外，基于金属空心阴极灯的光电偶原理校准激光波长，降低了激光器的脉冲能量稳定性的要求，提高了测量的灵敏度和适用范围。
附图说明
图1是本发明光栅二次衍射型激光波长计的结构示意图；
图2是本发明的波长校准***光路原理图；
图3是本发明光栅多次衍射时棱镜与光栅的光路示意图；
图4是本发明的光电偶信号和光电二极管信号曲线图；
图5是本发明的波长稳定控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明光栅二次衍射型激光波长计的结构示意图；如图所示，一种光栅二次衍射型激光波长计，由激光器1、分束镜2、第一高反镜3、波长校准***4、狭缝5、抛物面反射镜6、光栅7、棱镜8、成像透镜9、第二高反镜10、线性光电探测器11、电脑12组成，上述各部分的位置关系如下：
激光器1出射的光束经分束器2进行分束，透射光束经第一高反镜3导向后入射到波长校准***4；经分束器2反射的光束穿过狭缝5入射到抛物面反射镜6扩束准直后第一次入射到光栅7，光栅7的衍射光束入射到棱镜8并在其内部传输一段距离后沿着入射光束平行的的方向出射，经棱镜8平移的光束再次入射到光栅7，二次衍射光束经成像透镜9和第二高反镜10后聚焦到线性光电探测器11，电脑12根据波长校准***4和线性光电探测器11的像素信息计算激光波长。
所述的波长校准***4通过光电偶效应来标定激光波长。波长校准***4由第二分束镜13、孔径光阑14、聚焦透镜15、金属空心阴极灯16，直流稳压电源17，信号输出电路18和光电二极管19组成。经第二分束镜13分束后，90％的透射光入射到聚焦透镜15后聚焦到空心金属阴极灯16。空心金属阴极灯16由高压直流电源17驱动，阳极和阴极间的高压放电可产生等离子体，金属原子将对特定的波长产生吸收，当放电等离子体的原子特征吸收波长与入射激光波长重合时，放电等离子体的电学特性(例如放电电压、放电电流和阻抗)将会发生改变，即产生光电偶效应，进而可以获得光电偶信号。通过信号输出电路18，即可获得光电偶信号。为了消除高压直流电源的电磁感应效应对信号提取的影响，信号输出电路18需放在屏蔽箱内。当激光波长和原子特征吸收波长完全重合时，将会获得最强的光电偶信号，当波长不重合时光电信号将会变得非常小。扫描入射激光波长并用电脑12记录光电偶信号曲线，光电偶信号峰值处入射的激光波长即为原子的吸收线，利用此时已知的金属原子特征吸收波长即可实现对激光波长计的校准。
由于光电偶信号强度与入射激光脉冲能量相关，脉冲能量稳定性严重影响波长校准的信噪比和准确度。如果能量抖动的厉害，原子吸收线波长处激发的光电偶信号峰可能淹没在因能量抖动产生的光电偶信号波动。为了提高波长校准的准确度和可靠性，本发明在波长校准***4中引入一路参考光来补偿能量不稳定产生的信号波动。经第二分束器13反射后入射到光电二极管19来监测入射激光脉冲的能量。
某时刻电脑12接收到信号输出电路18输出的光电偶信号电压为Vogs，同时刻记录的光电二极管19输出的电压为Vpd，则修正后的光电偶信号V为
V＝Vogs-κ·Vpd, (2)
其中κ是与第二分束镜13的分束比和空心金属阴极灯16工作电流相关的***参数。
在扫描激光波长的过程中，测量金属空心阴极灯16的光电偶信号电压和光电二极管19的电压，同时记录衍射光斑成像到线性光电探测器11的像素位置，记录光电偶信号峰值即原子吸收谱线对应的像素位置Pr，该像素位置可用于测量任意入射激光波长的校准。
第一分束镜2反射的光束穿过狭缝5经抛物面反射镜6准直扩束后首次入射到光栅7，首次衍射光束入射到棱镜8并在内部传输光栅7宽度的一半的长度后沿着入射光束平行的的方向再次入射到光栅7，前后两次入射到光栅7的位置分别为光栅7上下半光学面，两束入射光及其衍射光不会交叉。
本发明中入射光束和光栅7处于利特罗(Littrow)结构，即光栅7的入射角和衍射角相等，光栅方程可写为
2d sinβ＝kλ, (3)
其中：d为光栅常数，β为光栅衍射角，k为衍射级次。
对光栅方程(3)微分有：
2d cosβΔβ＝kΔλ, (4)
单次衍射时光栅的色散为
对于多次衍射的光栅，其总色散为
其中N为光束以利特罗角度入射到光栅7的次数。当N为2时，光栅7二次衍射的激光波长计的原理图参见图1。
当N大于2时候，光栅高级次衍射型激光波长计内棱镜8和光栅7的光路结构参见图3。根据光斑尺寸和衍射的级次，要选择合适的棱镜尺寸和光栅的宽度以避免相邻级次的折返光在空间上交叉。
如成像透镜9的焦距为f时，不同波长的衍射光斑成像在线性光电探测器11上的相对距离为：
ΔL＝fΔβ. (7)
如单位像素宽度为h，金属空心阴极灯16的原子吸收谱线波长λr，待测激光脉冲的波长λx在线性光电探测器11上成像的像素位置分别为整数Pr和整数Px，则两个波长的光斑在成像面线性光电探测器11上的距离为
ΔL＝h(Px-Pr). (8)
根据式(7)和式(8)可得到两个波长对应的衍射角差
根据式(9)和(6)可得到待测波长与校准波长之间的波长差，
在数据处理的过程中，需要对线性光电探测器11的衍射光斑信号进行模拟信号和数字信号的处理。实际上，数据处理过程中可实现对像素的进一步细分，如软件对单个像素的细分倍数为M，则有效的激光波长测量精度可进一步提高为
例如，采用闪耀角β为79°的中阶梯光栅，单位像素宽度h为5μm，激光中心波长为193.4nm，成像透镜焦距f为1000mm，软件数据处理可分的倍数M为100时，相邻两像素对应的波长差即为波长计的分辨率4.69fm。
任意待测激光波长可写为
稳定的变化和机械振动将会引起激光波长抖动，为了实现激光波长高稳定性输出以满足光刻曝光需求，在激光波长实时测量的同时，需要对激光波长进行稳定控制。
通常激光器1内线宽压窄模块内采用棱镜扩束器和大尺寸中阶梯光栅结构来压窄激光线宽，波长的调谐也是通过调谐大尺寸中阶梯光栅来实现，利特罗结构下波长调谐方程可写为
式中dLNM、α和K为大尺寸中阶梯光栅的光栅常数、闪耀角和衍射级次。
波长稳定控制的流程参见图5。根据波长计实时测量的激光波长λx和目标中心激光波长λc之间的漂移量δλ，如果波长漂移量超过目标范围，可计算大尺寸深紫外光栅需要转动的角度δα，驱动该光栅的转动即可实现稳定的目标波长激光输出。
Claims (7)
1.一种光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，包括激光器(1)、分束镜(2)、第一高反镜(3)、波长校准***(4)、狭缝(5)、抛物面反射镜(6)、光栅(7)、棱镜(8)、成像透镜(9)、第二高反镜(10)、线性光电探测器(11)和电脑(12)；
上述各部分的位置关系如下：
激光器(1)出射的光束经分束镜(2)进行分束分为透射光束和反射光束，所述的透射光束经第一高反镜(3)导向后入射到波长校准***(4)；所述的反射光束穿过狭缝(5)入射到抛物面反射镜(6)扩束准直后第一次入射到光栅(7)，光栅(7)的衍射光束入射到棱镜(8)并在其内部传输一段距离后沿着与入射光束平行的的方向出射后，再次入射到光栅(7)，光栅(7)的二次衍射光束依次经成像透镜(9)和第二高反镜(10)聚焦到线性光电探测器(11)，所述的波长校准***(4)和线性光电探测器(11)分别与所述的电脑(12)相连，电脑(12)根据波长校准***(4)和线性光电探测器(11)的像素信息计算激光波长；
所述的波长校准***(4)包括第二分束镜(13)、孔径光阑(14)、聚焦透镜(15)、空心金属阴极灯(16)、直流稳压电源(17)、信号输出电路(18)和光电二极管(19)；
入射光经第二分束镜(13)分束后，透射光经孔径光阑(14)后入射到聚焦透镜(15)后聚焦到空心金属阴极灯(16)，该空心金属阴极灯(16)由与其串联的直流稳压电源(17)驱动，阳极和阴极间的高压放电产生等离子体，当放电等离子体的原子特征吸收波长与入射激光波长重合时，放电等离子体的电学特性发生改变，即产生光电偶效应，通过信号输出电路(18)获得光电偶信号；经第二分束镜(13)分束的反射光入射到光电二极管(19)来监测入射激光脉冲的能量。
2.根据权利要求1所述的光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，所述的信号输出电路(18)放在屏蔽箱内，由并联的一个限流电阻和一个电容组成，限流电阻与所述的空心金属阴极灯(16)串联，电容耦合的信号输入到电脑(12)。
3.根据权利要求1或2所述的光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，所述的激光器(1)为窄线宽准分子激光器，该激光器包含线宽压窄模块，通过驱动线宽压窄模块内的大尺寸中阶梯光栅实现激光波长的调谐。
4.根据权利要求1或2所述的光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，所述的光栅(7)为长方形反射式中阶梯光栅，光栅的有效刻线宽度至少是入射光束宽度的2倍。
5.根据权利要求1或2所述的光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，所述的棱镜(8)为等腰直角棱镜，该棱镜(8)的两个直角面镀反射膜，其斜边的长度要大于光栅(7)的宽度，该棱镜(8)的斜边与光栅(7)的刻线方向在空间上平行。
6.根据权利要求1或2所述的光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，所述的线性光电探测器(11)是线性二极管阵列或线性CCD，其像素具有小的单位尺寸，从而保证入射光谱具有较高的空间分辨率。
7.根据权利要求1或2所述的光栅二次衍射型激光波长计，其特征在于，所述光栅(7)的入射角和衍射角相等，光栅方程为
2dsinβ＝kλ (1)
其中：d为光栅常数，β为光栅衍射角，k为衍射级次，λ为入射光的波长。
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