CN118202440A - 宽带激光泵浦等离子光源 - Google Patents
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Abstract
一种光源，其中辐射等离子体由CW激光器的聚焦光束维持在充气腔室中。气体是纯度至少为99.99％的惰性气体。腔室包含金属壳体，该金属壳体具有由MgF2制成的用于输出等离子体辐射的至少一个窗口。每个窗口均位于套筒的端部上的壳体的孔内，并且通过玻璃胶焊合至套筒，并且每个套筒均在外侧接缝上焊接至金属壳体的孔。套筒和壳体均由合金制成，该合金的线性热膨胀系数(CLTE)与MgF2晶体的在垂直于MgF2晶体的光轴的方向上的CLTE相匹配。技术效果在于将光源的辐射光谱扩展至VUV区域。
Description
相关专利和申请的交叉引用
本专利申请是美国专利申请17/180,063(2021年2月19日提交)的部分继续申请，其要求俄罗斯专利申请RU2020109782(2020年3月5日提交)的优先权，并且还是美国申请US16/986,424(2020年8月6日提交，当前的美国专利号为10,964,523)的部分继续申请；其是美国申请US 16/814,317(2020年3月10日提交，当前的美国专利号为10,770,282)的部分继续申请，并且还要求俄罗斯专利申请RU2021129398(2021年10月8日提交)的优先权，所有这些专利申请通过引用以其全部内容并入本文。
技术领域
本发明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。
背景技术
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)。
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。
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。
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)。
在这些材料中，LiFИMgF2具有透明度的最短波边界，约110nm。此外，在后两者中，MgF2是具有更好的机械和热特性以及可生产性的材料，因此其使用优选在VUV范围内将辐射光谱扩展至100nm。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
发明内容
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。
本发明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。
本发明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。
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。
结晶氟化镁是各向异性的并且特征在于弱的双折射。根据本发明，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。
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。根据本发明，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筒的壳体的单独金属部分上。在退火之后，腔室壳体的金属部分通过焊接接合在一起，其方式不会使密封接头再次退火，从而降低密封接头的可靠性。
为了提供MgF2出射窗口的高度可靠的密封，套筒和壳体是由具有预定CLTE的铁镍合金(诸如47ND合金)制成的，该预定CLTE在与晶体的光轴垂直的方向上与晶体氟化镁的CLTE相匹配。
为了防止由于它们的不规则冷却而引起的窗口开裂，这些窗口不是焊接在腔室的复杂形状的壳体部分上，而是焊接在长约1cm或更长的轴对称金属套筒的端部上。利用具有在重力方面以最佳方式布置的匹配的线性热膨胀系数(CLTE)的密封接头部件执行焊合。然后将具有焊和窗口的套筒在外侧接缝上焊接至壳体。在另一实施例中，具有焊合窗口的套筒被焊接至壳体部分，并且在内部腔室元件已经被安装之后，壳体被永久地焊接在一起。同时，轴对称套筒抵消了组装腔室结构的加热和冷却的不规则性。
根据本发明，窗口安装在充气腔室的内部。一方面，由于腔室中压缩气体的高压而压缩密封元件，因此提高了密封可靠性。另一方面，当腔室壁(包括其光学元件)位于距辐射等离子体区域小于5mm的距离处时，实现了制造具有最佳最小化尺寸的腔室的可能性。这抑制了腔室中的对流流的湍流并提供了辐射源的高稳定性。
内部腔室元件包括聚焦CW激光束的透镜。聚焦透镜优选具有非球面设计，并且位于入射窗口和辐射等离子体区域之间，由于CW激光束的尽可能清晰的聚焦而改善了光源的亮度。出于相同的目的，至少一个回射器(例如，以球面镜的形式，中心在辐射等离子体区域中)可以放置在腔室中，与出射窗口相对地定位和/或在聚焦的激光束的轴线上定位。出射窗口还可以是被设计成具有减小使穿过出射窗口的等离子体辐射束的路径失真的像差的功能和/或具有减小出射等离子体辐射束的孔径角的功能的透镜。
为了防止臭氧的产生和等离子体辐射束的吸收，不吸收具有110nm和更高波长的VUV辐射的真空或气体环境可以位于MgF2出射窗口外侧。为此目的，在本发明的实施例中，腔室可以密封地连接至外侧腔室，该外侧腔室中具有等离子体辐射束被传输至此的物体，该外侧腔室填充有不吸收通过MgF2窗***出腔室的等离子体辐射的真空或气体环境。由于最佳温度可能高达600K以上，所以腔室可通过支管密封地连接至外侧腔室，该支管在腔室与外侧腔室之间起到热桥的功能。此外，支管可以配备有冷却散热器以防止外侧腔室的加热。
本发明的其他方面旨在进一步提高激光泵浦等离子体辐射源的亮度和稳定性，以及改进其性能。
在参考附图作为示例提供的本发明的实施例的以下非限制性描述中，将使本发明的上述和其他目的、优点和特征变得更加清楚。
附图说明
通过附图说明本发明的本质，在附图中：
图1、图2-根据本发明的实施例的宽带激光泵浦光源的横截面。
图3-宽带激光泵浦光源的外部视图。
图4、图5-根据本发明的实施例的宽带激光泵浦光源的示意图。
相同的装置元件在附图中由相同的附图标记指代。
此外，这些附图不覆盖并且不限制本技术方案的实施例的全部范围，而仅仅是其实现的特定情况的说明性示例。
具体实施方式
根据图1中所示的发明实施例的示例，宽带激光泵浦光源包括填充有高压气体的腔室1，其中辐射等离子体区域2由连续波(CW)激光器4的聚焦光束3维持在该腔室中。腔室1包含金属壳体5，该金属壳体包括用于将CW激光束射入该腔室中的窗口6a以及用于从该腔室输出打算随后使用的等离子体辐射束8的至少一个窗口6b。
光源还包含用于启动等离子体点火的装置。作为用于等离子体点火的装置，脉冲激光***9可以用于产生至少一个脉冲激光束10，聚焦在被设计用于维持辐射等离子体腔室区域2中。在本发明的其它实施例中，点火电极可以用作用于等离子体点火的装置。
根据本发明，可以通过二向色镜11将CW激光束引导至腔室中并通过透镜12来聚焦，该透镜被放置腔室中介于窗口6a与辐射等离子体区域2之间，这提供了CW激光束的更清晰的聚焦并由此增加了光源亮度。透镜12可以同时用来在启动等离子体点火时聚焦脉冲激光束10。
通过使用包括窗口6a和聚焦透镜12(优选地具有非球面设计)的光学***确保CW激光束的尽可能清晰的聚焦来增大光源亮度，以便使光学***的总像差最小化。聚焦透镜12优选地被定位在距辐射等离子体区域2尽可能小的距离处，该距离不超过5mm。为了便于腔室设计，窗口6a可使用简单的制造技术来制造，例如具有球形表面的板或透镜的形状。非球面透镜12可由玻璃或石英制成，以便于其制造。
用于从腔室输出等离子体辐射束8的至少一个窗口6b由晶体氟化镁(MgF2)制成。MgF2的特征在于生产率高，并且同时在光学材料中具有透明度的最短波边界。因此，射出腔室的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透射极限确定(约为110nm)。此外，气体属于纯度至少为99.99％的惰性气体或其混合物，以消除气体杂质对VUV辐射的自吸收。这允许将光源的辐射光谱扩展至真空紫外线区域。
在图1中，等离子体辐射束8从辐射等离子体区域2直接引导到由MgF2制成的窗口6b中，并且没有反射。与其中等离子体辐射束由腔室内金属反射镜形成的源相反，该腔室内金属反射镜的反射系数在VUV范围内较低(在λ＝110nm下小于20％)，这确保了在等离子体辐射束的光谱中不存在VUV成分的截止或抑制。
窗口6a、6b中的每一个均被定位在腔室的内侧上、在套筒7a、7b中的一个的最靠近辐射等离子体区域2的端部上。窗口6a、6b中的每一个均使用玻璃胶13焊合至套筒7a、7b中的一个。在退火过程中执行的窗口焊合确保在高达900K的温度下操作密封接头和腔室组件的可能性，这对于实现光源的高亮度和稳定性是最佳的。
具有焊合窗口6a、6b的套筒7a、7b中的每一个均被定位在壳体5中的这些孔中的一个中，并且在外侧焊缝14上被焊接到壳体5的孔中。此外，轴对称套筒6a、6b的内部部分是腔室的不与其所填充的气体接触的外部部分。随着窗口在腔室内侧的放置，由于腔室中气体的高压，这提高了密封接头的可靠性，高压压缩了密封材料(玻璃胶13)并且便于光学元件的密封。
根据本发明，套筒7b的端部的表面和MgF2出射窗口6b的与之邻近的表面基本上垂直于MgF2晶体的光轴。玻璃胶13、套筒7a、7b和壳体5的线性热膨胀系数(CLTE)在垂直于MgF2晶体的光轴的方向上与晶体氟化镁的CLTE相匹配。上述全部均提供了窗口和腔室组件的高可靠性和更长寿命。优选地，这些套筒和腔室壳体均是由满足这些要求的47ND铁镍合金制成的。
腔室1通过焊合焊接管道或通过设计成控制腔室中的气体的压力和/或成分的气体端口15填充有高压气体。
因此，本发明提供了制造具有MgF2窗口的高度可靠的腔室的方法，以在高压(约50atm)和温度(约900°K)下操作，并且用于产生具有在VUV范围内的最宽辐射光谱的更明亮且更稳定的基于COD的光源。
根据图1中所示的本发明的实施例，不吸收具有110nm和更高波长的VUV辐射的真空或气体环境(例如氦、氩等)位于MgF2出射窗口6b外侧，该MgF2出射窗口旨在从腔室输出等离子体辐射束8。为此目的，腔室1可以通过支管16密封地连接至外侧腔室17，该外侧腔室中具有等离子体辐射束8被传输至此的物体。
在这种情况下，在不产生臭氧且不损失等离子体辐射的VUV成分的的情况下传输该束。
当腔室中的气体压力是大约50atm或更高，而腔室温度是大约600K或更高时，在连续操作模式中实现了辐射等离子体的高稳定性和高亮度。由于腔室1的高温，支管16被设计成具有腔室1和外侧腔室17之间的热桥的功能。为此目的，支管16的至少一部分由低热导率的例如由薄不锈钢制成。为了冷却从窗口6b移除的分支16的部分，该支管的至少一部分被设计成防止加热外侧腔室17的冷却散热器18。支管16与腔室1和外侧腔室17的密封接头可使用密封垫圈19提供，该密封垫圈至少在加热腔室1的一侧上可以由铜制成。
在本发明的实施例中，图1，所有的轴对称套筒7a、7b(其中窗口6a、6b焊合至其上)被焊接至单个的共用壳体部分5。此外，辐射等离子体区域2被定位在壳体5的腔体中，该腔体由至少两个孔的交叉形成，每个孔中设有套筒7a、7b中的一个与窗口6a、6b中的一个。套筒7a、7b均具有可变的外径，而窗口6a、6b均位于具有较小外径的套筒的端部上。
宽带激光泵浦光源如下所述地操作。首先，制造光源的腔室1，该腔室包括金属外壳5，具有至少两个窗口6、6b(图1)。至少一个窗口6b由MgF2制成。至少一个窗6a的材料可以是玻璃，该玻璃的CLTE与MgF2的CLTE相匹配。腔室壳体是由47ND精密合金制造的，该合金的CLTE也与MgF2的CLTE相匹配。窗口6a、6b中的每一个窗口均使用玻璃胶13焊合至套筒7a、7b中的一个，并在至少400℃的温度下施加退火。每个套筒均具有焊合到其上的窗口，每个套筒均被焊接到金属壳体5的孔中。腔室通过密封管道或通过气体端口15填充有高压的气体。
COD等离子体的宽带辐射是如下所述产生的。CW激光器4的聚焦光束3被引导到用于维持辐射等离子体的腔室区域2中。优选地，高纯度的惰性气体及其混合物用作气体。通过脉冲激光***9产生至少一个脉冲激光束10。从窗口6a向腔室1内导入CW激光器的光束和脉冲激光束。同时，包括窗口6a和聚焦透镜12的光学***提供激光束的清晰聚焦。脉冲激光***9用于提供光学击穿并产生具有密度超过COD等离子体阈值密度的初始等离子体，该COD等离子体具有约1018电子/cm3的值。初始等离子体的浓度和体积足以可靠地维持不超过300W的相对低功率的CW激光器的聚焦光束3的连续光学放电。在静态模式下，宽带高亮度辐射是使用至少一个等离子体辐射束8从连续光学放电的辐射等离子体区域2输出的。射出腔室的等离子体辐射光谱的短波边界由MgF2透射极限确定，该短波边界约为110nm。通过MgF2出射窗口7b离开腔室的光束8打算用于随后的使用，例如在外侧腔室17中。腔室1可以密封地连接至填充有不吸收射出腔室1的VUV辐射的真空或气体环境的外侧腔室17。在工作模式下，腔室1的温度优选为约600K或更高。此外，腔室1与外侧腔室17之间的热隔离是通过支管17提供的，该支管被设计成具有热桥功能并配备有冷却散热器19。
在图2中所示的本发明的实施例中，腔室1包含焊接的金属壳体5，该焊接的金属壳体包括至少两个壳体部分5a、5b，套筒7a、7b分别焊接在每个壳体部分上，窗口6a、6b分别焊合在每个套筒上。
在安装内部腔室元件(包括具有安装件或外壳20以及***件21的聚焦透镜12)之后，具有窗口6a、6b的壳体部分5a、5b通过焊缝22焊接在一起。在焊接壳体部分5a、5b期间，窗口6a、6b焊接至这些壳体部分的轴对称套筒7a、7b抵消了组装腔室1的不规则的加热和冷却。
图3中示意性地示出了光源的焊接壳体的外部视图。
为了简化腔室设计，焊缝14、22位于壳体5的外表面上。
在图4中，示意性地示出了另一实施例，其中用于从腔室输出等离子体辐射束8的MgF2窗口6b是设计有以下功能的透镜：减小等离子体辐射束的孔径角或减小在等离子体辐射的射线路径穿过窗口6b时使该等离子体辐射的射线路径失真的像差。通常，窗口6b被设计成弯月面或另一类型的匹配透镜。这增加了辐射源的亮度，使光源的尺寸最小化，并且提高了其操作的便利性。
为了增加光源亮度的类似目的，设计为中心位于辐射等离子体区域2中的球面镜的回射器23、24放置在光源腔室中，图4。回射器23和24被定位成与MgF2窗口6b相对并在聚焦的激光束3的轴线上。
为了消除在等离子体辐射束中不期望存在的CW激光辐射，等离子体辐射束8的方向与已经通过辐射等离子体区域2的CW激光器的光束3的方向不同。如图1、图2、图3、图4所示，在腔室1的壳体被设计成立方体或矩形棱柱的情况下，该先决条件易于实现，在该情况下，CW激光器的聚焦光束3和每个等离子体辐射束8均位于相互正交的轴线上，这些轴线在辐射等离子体区域2中相交。
在本发明的优选实施例中，CW激光器的聚焦光束3的轴线被竖直向上引导(即克服重力)，图1、图2、图4、或接近竖直。所提出的设计实现了激光泵浦光源辐射的功率的最高稳定性。这是由于通常辐射等离子体区域2从焦点向CW激光器的聚焦光束3略微偏移直到聚焦的激光束的截面，在该截面处，CW激光器的聚焦光束3的强度仍然足以维持辐射等离子体区域2。当从底部向上引导CW激光器的聚焦光束3时，包含具有最低质量密度的最热等离子体的辐射等离子体区域2倾向于在浮力的影响下浮动。辐射等离子体的上升区域2终止于最靠近交点的位置，在该位置处CW激光器的聚焦光束3的截面较小且激光辐射强度较高。一方面，这增加了等离子体辐射的亮度，另一方面，其均衡了作用在辐射等离子体区域上的力，这确保了高亮度激光泵浦光源的辐射功率的高稳定性。
激光泵浦光源的输出特性的稳定性还受到在辐射等离子体区域2中加热的气体在浮力的作用下获得的脉冲的大小的影响。由气体获得的脉冲和对流流动的湍流越小，辐射等离子体区域2越靠近顶部腔室壁。因此，为了确保光源的更稳定的输出特性，腔室壳体的顶壁被定位在距辐射等离子体区域2不超过5mm的距离处。
通过减小腔室的内部体积来实现对腔室中的对流湍流的抑制以及对光源输出特性的稳定性的改进。为此目的，在本发明的优选实施例中，腔室壁以及聚焦透镜13和用于输出等离子体辐射束的每个窗口6b位于距辐射等离子体区域不超过5mm的距离处。
图5中示意性地示出了根据本发明的光源的另一实施例。在这个实施例中，腔室壳体包含多个窗口6b、6c，这些窗口用于从腔室1输出若干个等离子体辐射束8，这是光源的某些应用所需要的。
优选地，具有向光纤25输出辐射的高效二极管近红外激光器用作CW激光器4。在光纤25的出口处，扩展的激光束被引导至准直器26，例如以聚光透镜的形式。在准直器26和二向色偏转镜11之后，CW激光器的扩展光束被引导至腔室1中。光学***、窗口6a和聚焦透镜12确保实现光源的高亮度所需的CW激光器的光束3的清晰聚焦。
在本发明的实施例中，图5，启动等离子体的点火是由固态激光器***提供的，该固态激光器***包含第一激光器27以及第二激光器29，该第一激光器用于在Q开关模式中产生第一激光束28，该第二激光器用于在自由运行模式中产生第二激光束30。具有有源元件31的脉冲激光器配备有例如闪光灯32形式的光学泵浦源，并且优选地具有腔体的共用反射镜33、34。第一激光器27配备有Q开关35。
两个脉冲激光束28、30被引导到腔室中并聚焦在旨在用于维持辐射等离子体区域2中，图5。第一激光束28旨在启动等离子体点火或光学击穿。第二激光束30用于产生等离子体，该等离子体的体积和密度足够高，用于通过CW激光器的聚焦光束3静止地维持辐射等离子体区域2。
优选地，CW激光器波长λCW不同于第一和第二脉冲激光束28、30的波长λ1、λ2。例如，CW激光器波长可以是λCW＝0.808μm或0.976μm，并且脉冲激光器可具有辐射波长λ1＝λ2＝1.064μm。由此，能够使用二向色镜11来导入CW激光器4的激光束36和脉冲激光束28、30。此外，倾斜镜37可以用于传送脉冲激光束28、30，见图5。
本发明的这个实施例提供了激光点火的可靠性并且提供了光源的用户友好性。与使用电极来启动等离子体点火的源相比，实现了优化腔室几何形状、减少腔室中的对流湍流并使光学像差最小化的可能性。
除此以外，在本实施例中，装置零部件与上述实施例相同，在图5中具有相同附图标记，并且省略其详细描述。
总体上，所提出的发明允许扩展VUV光谱区域中的辐射光谱，并且确保激光泵送的等离子体辐射源的高亮度和稳定性。
工业实用性
根据本发明设计的高亮度、高稳定性激光泵浦光源可以用于多种投影***中，用于光谱化学分析、生物学和医学中的生物物体的光谱微量分析、微毛细管液相色谱法、用于光刻工艺的检查、用于分光光度法和用于其他目的。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种激光泵浦等离子体光源，包括：
腔室，所述腔室填充有高压气体；用于等离子体点火的装置；辐射等离子体区域，所述辐射等离子体区域由连续波(CW)激光器的聚焦光束维持在所述腔室中；射出所述腔室的至少一个等离子体辐射束，所述腔室包含金属壳体，所述金属壳体具有用于将所述CW激光器的光束引入所述腔室中的窗口以及具有用于从所述腔室输出等离子体辐射束的至少一个窗口；其中
所述CW激光器的光束通过安装在所述腔室中的位于所述窗口与所述辐射等离子体区域之间的透镜聚焦，
所述气体属于纯度至少为99.99％的惰性气体或是惰性气体的混合物，
用于输出所述等离子体辐射束的至少一个窗口由结晶氟化镁(MgF2)制成，
每个窗口均位于所述腔室的内侧上且位于套筒的最靠近所述辐射等离子体区域的端部上，所述套筒位于所述壳体的孔内，
每个窗口均通过玻璃胶焊合至所述套筒，并且焊合有所述窗口的所述套筒焊接至所述金属壳体的所述孔,
所述腔室通过支管密封地连接到外侧腔室，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，并且所述支管被制成热桥。
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，所述支管配备有冷却散热器。
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，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φ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***，所述固态激光***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。
Claims (20)
1.一种激光泵浦等离子体光源，包括：
腔室，所述腔室填充有高压气体；用于等离子体点火的装置；辐射等离子体区域，所述辐射等离子体区域由连续波(CW)激光器的聚焦光束维持在所述腔室中；射出所述腔室的至少一个等离子体辐射束，所述腔室包含金属壳体，所述金属壳体具有用于将所述CW激光器的光束引入所述腔室中的窗口以及具有用于从所述腔室输出等离子体辐射束的至少一个窗口；其中
所述CW激光器的光束通过安装在所述腔室中的位于所述窗口与所述辐射等离子体区域之间的透镜聚焦，
所述气体属于纯度至少为99.99％的惰性气体或是惰性气体的混合物，
用于输出所述等离子体辐射束的至少一个窗口由结晶氟化镁(MgF2)制成，
每个窗口均位于所述腔室的内侧上且位于套筒的最靠近所述辐射等离子体区域的端部上，所述套筒位于所述壳体的孔内，
每个窗口均通过玻璃胶焊合至所述套筒，并且焊合有所述窗口的所述套筒焊接至所述金属壳体的所述孔。
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，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***，所述固态激光***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。
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