專利名稱：雙腔氣體激光器的溫度控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種自動溫度控制裝置，適用于氣體激光器，尤其適用于雙腔氣體激光器的溫度控制裝置。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)分子激光器是一種面向紫外特征應(yīng)用的常規(guī)氣體激光器，具有波長短、高重頻和可定標(biāo)放大的特點(diǎn)，是優(yōu)秀的光刻用激光光源。傳統(tǒng)的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器采用單腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，要求光源具有更窄的光譜寬度(線寬)、更高的重復(fù)頻率以及更高的平均功率。而傳統(tǒng)的單腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難以同時(shí)滿足這三方面的要求。為了有效地實(shí)現(xiàn)光譜寬度窄化和激光功率提高，雙腔結(jié)構(gòu)被引入到激光器的設(shè)計(jì)中。其基本思想是使線寬壓窄和提高激光輸出功率在不同的氣體放電模塊(種子腔、放大腔)中得以實(shí)現(xiàn)。其工作過程如下:種子腔產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的種子光，實(shí)現(xiàn)極窄帶寬、高品質(zhì)的低功率激光震蕩輻射；放大腔實(shí)現(xiàn)種子光入射后的脈沖能量放大?；陔p腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的激光器具備了光刻光源所必需的窄化光譜控制和較高單脈沖能量的輸出特性。準(zhǔn)分子激光器的能量轉(zhuǎn)換效率較低，輸入的大部分電能都轉(zhuǎn)化為熱量。與此同時(shí)，工作氣體的快速循環(huán)需要由風(fēng)機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)來驅(qū)動，從而產(chǎn)生更多的熱量。這些熱量若不能及時(shí)散出，將會使工作氣體的溫度快速升高。而工作氣體的溫度對激光器能量轉(zhuǎn)換效率和能量穩(wěn)定性都有很大影響，實(shí)踐證明，工作氣體具有一個(gè)最佳溫度(或者最佳溫度范圍)，在該溫度下，激光器具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和能量穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的用于雙腔氣體激光器的溫度控制裝置采用冷卻水直接通過熱交換器的方式，沒有溫度控制反饋系統(tǒng)，因此無法準(zhǔn)確控制腔內(nèi)氣體溫度。并且沒有腔壁加熱系統(tǒng)，因此激光器需要較長的熱機(jī)時(shí)間。

實(shí)用新型內(nèi)容(一 )要解決的技術(shù)問題對于準(zhǔn)分子激光器，在其放電腔中，尤其是在高重頻的放電腔中，為了保證激光能量穩(wěn)定性，必須控制工作氣體在某一恒定溫度；為保證較高的能量轉(zhuǎn)換效率，必須控制工作氣體的溫度恒定在一個(gè)最佳溫度。為了使激光器達(dá)到能量穩(wěn)定的狀態(tài)，需要較長的熱機(jī)時(shí)間，以便其工作氣體能達(dá)到并穩(wěn)定在最佳溫度。此過程不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且會降低激光器的使用壽命。因此，必須采取措施減少熱機(jī)時(shí)間。為解決上述問題，本實(shí)用新型提出一種帶有溫度反饋系統(tǒng)的水冷系統(tǒng)，并且輔之以電加熱功能，從而實(shí)現(xiàn)放電腔內(nèi)氣體溫度的自動、準(zhǔn)確控制，并盡可能降低熱機(jī)時(shí)間。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出一種雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，所述準(zhǔn)分子激光器具有第一腔體模塊和第二腔體模塊，第一腔體模塊和第二腔體模塊均包括放電腔、磁壓縮器和固體開關(guān)，所述溫控系統(tǒng)包括:用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)；用于對所述兩個(gè)放電腔進(jìn)行溫度控制的腔體溫控系統(tǒng)；用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)包括用于對所述磁壓縮器進(jìn)行冷卻的變壓器油、提供冷卻水的管道以及利用所述冷卻水對所述變壓器油進(jìn)行冷卻的油水換熱器；所述用于對所述兩個(gè)放電腔進(jìn)行溫度控制的腔體溫控系統(tǒng)包括熱交換器和熱交換器的提供冷卻水的管道；所述用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)包括用于提供冷卻水的管道；根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)的提供冷卻水的管道、所述腔體溫控系統(tǒng)的提供冷卻水的管道以及所述用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)的提供冷卻水的管道作為支管道，其分別連接于主管道，該主管道與水冷機(jī)進(jìn)行連接。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，其特征在于，所述支管道的前端具有出水活門，其用于對支管道的通斷進(jìn)行控制。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述支管道的末端具有止回閥，其用于防止水流回流。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述腔體溫控系統(tǒng)還包括溫度傳感器、控制器以及設(shè)置于所述提供冷卻水的管道上的流量自動調(diào)節(jié)閥門；所述溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測腔體內(nèi)的氣體溫度，并把溫度數(shù)據(jù)傳送給控制器；所述控制器用于根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合其內(nèi)部存儲的目標(biāo)溫度值進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號并將控制信號發(fā)送給流量自動調(diào)節(jié)閥門；所述流量自動調(diào)節(jié)閥門根據(jù)接收到的控制信號對冷卻水流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述兩個(gè)放電腔還包括電加熱器。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述電加熱器布置在腔壁的內(nèi)部，用于加熱腔壁，從而間接加熱放電腔內(nèi)的氣體。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述電加熱器的表面包覆導(dǎo)熱絕緣材料。根據(jù)本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
，所述兩個(gè)放電腔分別為主振蕩腔和功率放大腔，或者主振蕩腔和功率振蕩腔，或者在主振蕩腔和基于功率放大腔的環(huán)形腔。(三)有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置能夠自動、準(zhǔn)確的控制放電腔內(nèi)氣體溫度，從而確保激光器具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和能量穩(wěn)定性，并且能大幅度降低熱機(jī)時(shí)間，提高激光器使用壽命。

圖1是具有種子腔和放大腔的準(zhǔn)分子激光器的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示的實(shí)施例的溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型的實(shí)施例的磁壓縮器的冷卻系統(tǒng)的示意圖；圖4是本實(shí)用新型的實(shí)施例的放電腔的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。典型的單腔結(jié)構(gòu)的放電泵浦準(zhǔn)分子激光器主要是由固體開關(guān)(SSS)、磁壓縮器(MSG)和放電腔(DC)構(gòu)成。其中，固體開關(guān)主要用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻率、窄脈寬的電脈沖，電脈沖傳到磁壓縮器的輸入端。磁壓縮器用于將電壓脈沖的振幅提高，并將其寬度降低。磁壓縮器輸出端的高壓脈沖進(jìn)入放電腔的主要電極。放電腔提供持續(xù)不斷的新鮮的工作氣體，并接受高壓脈沖放電產(chǎn)生激光。準(zhǔn)分子激光器的雙腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為三類:主振蕩腔-功率放大腔結(jié)構(gòu)(MOPA)、主振蕩腔-功率振蕩腔結(jié)構(gòu)(MOPO)以及在主振蕩腔-功率放大腔結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)(MOPRA)。圖1是具有主振蕩腔和功率放大腔的準(zhǔn)分子激光器MOPA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，其具有雙腔結(jié)構(gòu)，該雙腔結(jié)構(gòu)包括MO模塊(主振蕩腔模塊)I和PA模塊(功率放大腔模塊)2，M0模塊I和PA模塊2均具有放電腔、磁壓縮器和固體開關(guān)，圖中標(biāo)記3a是MO模塊I的放電腔，標(biāo)記3b是PA模塊2的放電腔；標(biāo)記4a是MO模塊I的磁壓縮器，標(biāo)記4b是PA模塊2的磁壓縮器；標(biāo)記13a是MO模塊I的固體開關(guān)，標(biāo)記13b是PA模塊2的固體開關(guān)。圖1中的標(biāo)記9、標(biāo)記10、標(biāo)記11、標(biāo)記12是MOPA系統(tǒng)的其他光學(xué)模塊。圖2是圖1所示的本實(shí)用新型的實(shí)施例的溫控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。在該實(shí)施例中，激光器的溫控系統(tǒng)包括所述磁壓縮器4a、4b的冷卻系統(tǒng)，準(zhǔn)分子激光器的磁壓縮器4a、4b內(nèi)部具有高壓元件，工作時(shí)產(chǎn)生高壓和大量的熱量。對于高壓高熱元件，風(fēng)冷散熱方式能力不夠，水冷散熱又具有很大潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此選用絕緣液體進(jìn)行浸沒冷卻。如圖3所示，磁壓縮器的冷卻系統(tǒng)主要包括變壓器油6、油泵7、油水換熱器8以及用于提供變壓器油和油水換熱器的冷卻水的管道等。變壓器油6對磁壓縮器內(nèi)部的高壓高熱元件進(jìn)行浸沒冷卻，吸熱后的變壓器油6通過油管被油泵7泵入到油水換熱器8，并與油水換熱器8內(nèi)的冷卻水進(jìn)行熱交換，經(jīng)冷卻后的變壓器油6重新注入到磁壓縮器。在圖2中，所述標(biāo)號7a、7b是油泵，所述標(biāo)號8a、8b是油水換熱器。由于浸沒自然對流的冷卻能力有限，為強(qiáng)化冷卻能力，可將油管的進(jìn)出口布置在高壓高熱元件的附近，利用油泵的動力形成浸沒強(qiáng)迫對流。在該實(shí)施例中，激光器的溫控系統(tǒng)還包括MO模塊I和PA模塊2的放電腔3a、3b的腔體溫控系統(tǒng)，腔體溫控系統(tǒng)包括溫度傳感器21a、21b，控制器22a、22b，熱交換器34、熱交換器34的提供冷卻水的管道以及設(shè)置于所述管道上的流量自動調(diào)節(jié)閥門23a、23b。溫度傳感器2la、2Ib實(shí)時(shí)監(jiān)測腔體內(nèi)的氣體溫度，并把溫度數(shù)據(jù)傳送給控制器22a、22b，控制器22a、22b根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合其內(nèi)部存儲的目標(biāo)溫度值進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號并將控制信號發(fā)送給流量自動調(diào)節(jié)閥門23a、23b，該自動調(diào)節(jié)閥門23a、23b根據(jù)接收到的控制信號對冷卻水流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而完成對腔體內(nèi)氣體溫度的控制。所述主振蕩腔或功率放大腔均為放電腔，圖4是該實(shí)施例的放電腔的基本結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，放電腔由密封的腔體31、放電電極32、風(fēng)機(jī)33、熱交換器34和電加熱器35組成。腔體31由具有一定厚度的腔壁包圍而成，用于提供機(jī)械支持和構(gòu)成氣體循環(huán)的流道。電加熱器35布置在腔壁的內(nèi)部，用于加熱腔壁，從而間接加熱工作氣體。電加熱器35的表面包覆導(dǎo)熱絕緣材料，以避免與腔壁發(fā)生短路，并能較好的導(dǎo)熱。熱交換器34和風(fēng)機(jī)33布置在腔體31的內(nèi)部，分別用于冷卻循環(huán)氣體和提供氣體循環(huán)的動力。對于具有上述放電腔的激光器,在激光器啟動之前,事先啟動電加熱器35,以對腔體31的腔壁進(jìn)行加熱，以使腔體31內(nèi)的放電氣體的溫度盡快達(dá)到最佳溫度，從而減少啟動時(shí)間，并降低電極損傷。此外，當(dāng)激光器短暫停頓時(shí)，也啟動電加熱器35對腔體31的腔壁進(jìn)行加熱，以使腔體內(nèi)的氣體維持在最佳溫度，為激光器的再次啟動做好準(zhǔn)備。當(dāng)激光器正常運(yùn)行時(shí)，放電產(chǎn)生的熱量被風(fēng)機(jī)33所產(chǎn)生高速氣流帶走，并與熱交換器34內(nèi)的冷卻水進(jìn)行熱交換，從而熱量被散出。通過控制冷卻水的流量，可以精確控制腔體31內(nèi)的氣體的溫度。在該實(shí)施例中，激光器還包括固體開關(guān)13a和13b，激光器溫控系統(tǒng)還包括固體開關(guān)13a、13b的水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)包括提供冷卻水的管道，其采用串聯(lián)或并聯(lián)方式連接。在該實(shí)施例中，激光器的溫控系統(tǒng)還包括主管道，主管道與水冷機(jī)進(jìn)行連接，提供整個(gè)溫控系統(tǒng)所需的冷卻水，且其上可裝有過濾器17，對冷卻水進(jìn)行過濾，以免長時(shí)間運(yùn)行后堵塞管道。在過濾器17后還具有一個(gè)電磁閥門18，用于控制主進(jìn)水管的通斷。且主管道上還可設(shè)有流量計(jì)19，監(jiān)測冷卻水實(shí)際流量。在該實(shí)施例中，所述主管道分別連接于各支管道，支管道包括腔體溫控系統(tǒng)的水冷管道、磁壓縮器的冷卻系統(tǒng)的水冷管道，以及固體開關(guān)的水冷管道，各支管道的前端均具有一個(gè)出水活門20a 20e，其通斷由出水活門20a 20e控制。在該實(shí)施例中，激光器的溫控系統(tǒng)還包括止回閥24a、24b、24c、24d、24e，分別位于各支管道的末端，其作用是防止各支路水流的回流。對于具有雙腔結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)分子激光器，雙腔結(jié)構(gòu)的布局主要分水平布置(平行或串聯(lián))和垂直布置兩種。水平布置方案結(jié)構(gòu)松散、占地面積很大，安裝、使用均不方便；垂直布置方案結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，便于安裝和使用。一般采用垂直布置，并且整機(jī)外部設(shè)計(jì)有半封閉機(jī)殼。因此還可以在機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置風(fēng)扇，采用風(fēng)冷方式對雙腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助散熱。以上實(shí)施例僅說明了具有主振蕩腔和功率放大腔的激光器。但是，根據(jù)本實(shí)用新型，無論準(zhǔn)分子激光器采用哪種雙腔結(jié)構(gòu)，圖2所示的激光器的溫控系統(tǒng)均能適用。也就是說，本實(shí)用新型的溫控系統(tǒng)可出應(yīng)用于MOPO或MOPRA準(zhǔn)分子激光器。以上所述的具體實(shí)施例，對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，所述準(zhǔn)分子激光器具有第一腔體模塊和第二腔體模塊，第一腔體模塊和第二腔體模塊均包括放電腔、磁壓縮器和固體開關(guān)，其特征在于，所述溫控系統(tǒng)包括: 用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)； 用于對所述兩個(gè)放電腔進(jìn)行溫度控制的腔體溫控系統(tǒng)； 用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于， 所述用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)包括用于對所述磁壓縮器進(jìn)行冷卻的變壓器油、提供冷卻水的管道以及利用所述冷卻水對所述變壓器油進(jìn)行冷卻的油水換熱器； 所述用于對所述兩個(gè)放電腔進(jìn)行溫度控制的腔體溫控系統(tǒng)包括熱交換器和熱交換器的提供冷卻水的管道； 所述用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)包括用于提供冷卻水的管道；
3.如權(quán)利要求2所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)的提供冷卻水的管道、所述腔體溫控系統(tǒng)的提供冷卻水的管道以及所述用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)的提供冷卻水的管道作為支管道，其分別連接于主管道，該主管道與水冷機(jī)進(jìn)行連接。
4.如權(quán)利要求3所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述支管道的前端具有出水活門，其用于對支管道的通斷進(jìn)行控制。
5.如權(quán)利要求3所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述支管道的末端具有止回閥，其用于防止水流回流。
6.如權(quán)利要求2所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述腔體溫控系統(tǒng)還包括溫度傳感器、控制器以及設(shè)置于所述提供冷卻水的管道上的流量自動調(diào)節(jié)閥門； 所述溫度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測腔體內(nèi)的氣體溫度，并把溫度數(shù)據(jù)傳送給控制器； 所述控制器用于根據(jù)所述溫度數(shù)據(jù)并結(jié)合其內(nèi)部存儲的目標(biāo)溫度值進(jìn)行邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生控制信號并將控制信號發(fā)送給流量自動調(diào)節(jié)閥門；所述流量自動調(diào)節(jié)閥門根據(jù)接收到的控制信號對冷卻水流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。
7.如權(quán)利要求1所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述兩個(gè)放電腔還包括電加熱器。
8.如權(quán)利要求7所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述電加熱器布置在腔壁的內(nèi)部，用于加熱腔壁，從而間接加熱放電腔內(nèi)的氣體。
9.如權(quán)利要求7所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述電加熱器的表面包覆導(dǎo)熱絕緣材料。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，其特征在于，所述兩個(gè)放電腔分別為主振蕩腔和功率放大腔，或者主振蕩腔和功率振蕩腔，或者主振蕩腔和基于功率放大腔的環(huán)形腔。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種雙腔氣體激光器的溫度控制裝置，所述準(zhǔn)分子激光器具有第一腔體模塊和第二腔體模塊，第一腔體模塊和第二腔體模塊均包括放電腔、磁壓縮器和固體開關(guān)，所述溫控系統(tǒng)包括用于對所述兩個(gè)磁壓縮器進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)、用于對所述兩個(gè)放電腔進(jìn)行溫度控制的腔體溫控系統(tǒng)和用于對所述兩個(gè)固體開關(guān)進(jìn)行冷卻的冷卻系統(tǒng)。本實(shí)用新型能夠自動、準(zhǔn)確的控制放電腔內(nèi)氣體溫度，從而確保激光器具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和能量穩(wěn)定性，并且能大幅度降低熱機(jī)時(shí)間，提高激光器使用壽命。
文檔編號H01S3/041GK202997291SQ20122059057
公開日2013年6月12日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者王魁波, 丁金濱, 劉斌, 周翊, 王宇, 趙江山 申請人:中國科學(xué)院光電研究院