一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置。包括：激光等离子体光源组件、极紫外聚焦滤光组件、样品台组件、控制组件、极紫外能量衰减组件和真空组件。本发明专利技术对光学系统、极紫外能量衰减方式、激光等离子体光源和控制系统进行了优化设计，采用激光等离子体光源、改进型施瓦兹希尔德物镜和聚焦点构成共轴结构，利用滤片保护罩和对激光等离子体导入高速喷射气体有效保护了锆滤片，基于气体吸收方法调控极紫外光能量密度，实现薄膜等材料极紫外波段抗辐照损伤能力测试研究。与现有技术相比，本发明专利技术具有能量密度高、稳定性好、系统性能可靠等优点，适用于在实验室内对光学元件开展极紫外抗损伤能力测试研究。

A Desktop-type Ultraviolet Irradiation Damage Testing Device with High Energy Density

The invention relates to a desktop high energy density extreme ultraviolet radiation damage testing device. It includes: laser plasma light source module, EUV focusing filter module, sample stage module, control module, EUV energy attenuation module and vacuum module. The invention optimizes the optical system, extreme ultraviolet energy attenuation mode, laser plasma light source and control system. The coaxial structure is composed of laser plasma light source, improved Schwarzschild objective lens and focusing point, and the filter shield is used to effectively protect the high-speed jet gas from the laser plasma. Zirconium filters are protected, and the energy density of ultraviolet light is controlled based on gas absorption method, so as to test the anti-radiation damage ability of thin films and other materials in ultraviolet band. Compared with the prior art, the invention has the advantages of high energy density, good stability and reliable system performance, and is suitable for carrying out extreme ultraviolet damage resistance test research on optical components in laboratory.

【技术实现步骤摘要】
一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置
本专利技术涉及光学元件在极紫外波段的抗损伤性能测试领域，尤其是涉及一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置。
技术介绍
在极紫外波段，激光等离子体和自由电子激光等新技术的不断发展为人们提供了高亮度、超强的新型光源。光学元件是新型光源发展和应用不可或缺的关键元件之一，其可以实现极紫外光的传输、偏折和聚焦等功能。然而，超强的极紫外光辐照光学元件极易造成元件表面的损伤，并导致元件光学性能的下降，降低极紫外光的传输效率和光源品质。因此，极紫外波段光学元件抗损伤能力测试对于元件在新型光源中的应用非常重要。此外，光学元件在极紫外波段损伤机理研究也可以进一步优化和改进薄膜制备工艺，提升光学元件的抗损伤能力。极紫外波段光学元件抗损伤性能测试需要高能量密度的极紫外光源。对于大多数光学元件，极紫外光损伤阈值大约在0.1-2.0J/cm2范围内变化，例如CaF2光学材料在13.5nm波长的损伤阈值约为1.4J/cm2。因此，为满足极紫外光辐照损伤测试需求，极紫外光源输出的最大能量密度需要达到2.0J/cm2以上。其次，损伤阈值标准测试方法要求光源输出的能量密度可调，通过在不同能量密度下测试光学元件辐照损伤概率而得到损伤阈值。极紫外能量密度调控的方法一般通过衰减极紫外光的能量实现，衰减过程中要求极紫外光斑的形貌保持不变。最后，极紫外光源输出的最大能量密度要求稳定，方均根值小于1％，这样才能得到可靠的损伤阈值。为了开展极紫外波段光学元件抗损伤性能测试，国际上一般使用基于加速器物理的自由电子激光大型科学装置或基于激光等离子体的极紫外光源。德国汉堡FLASH和意大利FERMI自由电子激光装置提供了极紫外波段超强的自由电子激光，可以开展光学元件的抗损伤性能测试。这些自由电子激光装置具有波长可调、亮度高等优点，但是由于这些大型科学装置依靠电子直线加速器，所以具有设备体积庞大，造价高昂、实验机时有限、不能及时有效地开展实验等不足。相比于自由电子激光装置，基于激光等离子体的极紫外光源具有体积小、成本低、可以在实验室搭建并随时开展损伤测试等优点。在国外发表的论文“DamagethresholdmeasurementsonEUVopticsusingfocusedradiationfromatable-toplaserproducedplasmasource”(FrankBarkusky等，OpticsExpress，第18卷，第5册，第4346-4355页，2010年)以及论文“Directphotoetchingofpolymersusingradiationofhighenergydensityfromatable-topextremeultravioletplasmasource”(FrankBarkusky等，JournalofAppliedPhysics，第105卷，第014906页，2009年)中，FrankBarkusky等人公开了一种桌面型极紫外损伤实验装置，该装置使用激光等离子方法产生宽光谱源并与改进型施瓦兹希尔德物镜结合，可在13.5nm对光学元件开展抗损伤能力测试。然而，该装置具有以下几点不足之处：一是由于该装置使用厚度200nm锆片过滤掉可见光成分，为保护锆片，其光路中使用了镀金平面反射镜。虽然该反射镜偏折光路后能有效降低等离子体碎屑对锆片的直接轰击，但该反射镜在13.5nm波长反射率约为0.65，这导致输出的最大极紫外光能量密度较低只有1.16J/cm2，对于损伤阈值大于1.16J/cm2的光学元件，不能测试其极紫外抗损伤能力，如CaF2等光学材料；二是由于使用了金膜反射镜，导致该装置的光学系统为非共轴结构，光路结构复杂、装调难度大；三是该装置通过降低Nd:YAG激光器的输出能量来衰减极紫外光的能量，虽然该方法操作简单，但在降低极紫外光能量时也会导致等离子体光源光斑形貌和尺寸的变化，因此很难准确获得不同衰减条件下极紫外光的能量密度，导致光学元件损伤阈值测量不准确；四是该装置使用的靶材为表面镀金的靶材，其金膜厚度为0.2mm，虽然金靶的极紫外光发光效率更高，但是其制备靶材的工艺复杂且价格昂贵；五是该装置的极紫外光能量密度稳定性差，方均根值为13％，这主要是金靶材转动中的径向跳动误差造成的，此外金膜表面的粗糙度可能也会影响极紫外光能量密度的稳定性。在我国，会议论文“薄膜材料的极紫外辐照损伤实验”(李文斌等，上海市激光学会2015年学术年会，第174页，2015年)公开了一种极紫外辐照损伤实验装置，该装置使用激光等离子光源和普通型施瓦兹希尔德物镜构成，其具有如下几点不足之处：一是该装置使用普通型施瓦兹希尔德物镜，由同轴的球面主镜和环形球面副镜构成，数值孔径较小为0.2，因此其对极紫外光的收集立体角小，最大能量密度只有0.14J/cm2，导致该装置无法实现大多数光学元件的抗损伤性能测试；二是该装置没有放置锆滤片，因此收集的聚焦光中包含有可见光的成分；三是该装置的极紫外光衰减方式是通过改变Nd:YAG激光输出的红外激光的能量实现，这会造成激光等离子体光斑形貌和尺寸变化，因此很难准确获得不同衰减条件下极紫外光的能量密度。由上可知，虽然自由电子激光装置适合开展光学元件极紫外损伤测试，但是其具有设备体积庞大，造价高昂、实验机时有限、不能及时有效地开展实验等问题。目前，基于激光等离子体的极紫外损伤测试装置适合在实验室内开展损伤测试，然而还存在以下技术难点尚未攻克：1)在13.5nm波长，已有装置输出的最大极紫外光能量密度只有1.16J/cm2，无法满足高损伤阈值光学元件损伤测试需求。2)已有装置极紫外光能量密度调控的方法是通过衰减红外激光能量来实现，这将导致等离子体光源光斑形貌发生变化，在不同衰减条件下不能获得可靠的极紫外光能量密度。3)已有装置输出的极紫外光能量密度稳定性差，损伤阈值测量不准确。此外，已有装置还具有结构复杂、装调难度大、靶材昂贵等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，包括激光等离子体光源组件、极紫外聚焦滤光组件、样品台组件、控制组件和真空组件，所述激光等离子体光源组件分别连接极紫外聚焦滤光组件、控制组件和真空组件，所述极紫外聚焦滤光组件、样品台组件、控制组件依次连接，所述真空组件与控制组件连接，进行测试时，待测样品安装于样品台组件上，还包括与激光等离子体光源组件连接的极紫外能量衰减组件，所述极紫外聚焦滤光组件包括滤片保护罩、锆滤片、物镜腔室和改进型施瓦兹希尔德物镜，所述锆滤片安装于滤片保护罩上，激光等离子体光源组件产生的光波通过所述滤片保护罩穿过锆滤片，所述改进型施瓦兹希尔德物镜和样品台组件设置于物镜腔室内，且所述改进型施瓦兹希尔德物镜设置于锆滤片与待测样品之间，使得激光等离子体光源、物镜和聚焦像点构成共轴结构。进一步地，所述锆滤片通过一金属网支撑于滤片保护罩上，所述滤片保护罩中心开有通孔，所述激光等离子体光源组件产生的光波经过该通孔辐射于锆滤片上。进一步地，所述改进型施瓦兹希尔德物镜包括环形球面主镜和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，包括激光等离子体光源组件(1)、极紫外聚焦滤光组件(2)、样品台组件(3)、控制组件(4)和真空组件(6)，所述激光等离子体光源组件(1)分别连接极紫外聚焦滤光组件(2)、控制组件(4)和真空组件(6)，所述极紫外聚焦滤光组件(2)、样品台组件(3)、控制组件(4)依次连接，所述真空组件(6)与控制组件(4)连接，进行测试时，待测样品(301)安装于样品台组件(3)上，其特征在于，还包括与激光等离子体光源组件(1)连接的极紫外能量衰减组件(5)，所述极紫外聚焦滤光组件(2)包括滤片保护罩(201)、锆滤片(202)、物镜腔室(203)和改进型施瓦兹希尔德物镜(204)，所述锆滤片(202)安装于滤片保护罩(201)上，激光等离子体光源组件(1)产生的光波通过所述滤片保护罩(201)穿过锆滤片(202)，所述改进型施瓦兹希尔德物镜(204)和样品台组件(3)设置于物镜腔室(203)内，且所述改进型施瓦兹希尔德物镜(204)设置于锆滤片(202)与待测样品(301)之间，使得激光等离子体光源、物镜和聚焦像点构成共轴结构。

【技术特征摘要】
1.一种桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，包括激光等离子体光源组件(1)、极紫外聚焦滤光组件(2)、样品台组件(3)、控制组件(4)和真空组件(6)，所述激光等离子体光源组件(1)分别连接极紫外聚焦滤光组件(2)、控制组件(4)和真空组件(6)，所述极紫外聚焦滤光组件(2)、样品台组件(3)、控制组件(4)依次连接，所述真空组件(6)与控制组件(4)连接，进行测试时，待测样品(301)安装于样品台组件(3)上，其特征在于，还包括与激光等离子体光源组件(1)连接的极紫外能量衰减组件(5)，所述极紫外聚焦滤光组件(2)包括滤片保护罩(201)、锆滤片(202)、物镜腔室(203)和改进型施瓦兹希尔德物镜(204)，所述锆滤片(202)安装于滤片保护罩(201)上，激光等离子体光源组件(1)产生的光波通过所述滤片保护罩(201)穿过锆滤片(202)，所述改进型施瓦兹希尔德物镜(204)和样品台组件(3)设置于物镜腔室(203)内，且所述改进型施瓦兹希尔德物镜(204)设置于锆滤片(202)与待测样品(301)之间，使得激光等离子体光源、物镜和聚焦像点构成共轴结构。2.根据权利要求1所述的桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，其特征在于，所述锆滤片(202)通过一金属网支撑于滤片保护罩(201)上，所述滤片保护罩(201)中心开有通孔，所述激光等离子体光源组件(1)产生的光波经过该通孔辐射于锆滤片(202)上。3.根据权利要求1所述的桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，其特征在于，所述改进型施瓦兹希尔德物镜(204)包括环形球面主镜(2041)和环形球面副镜(2042)，所述环形球面主镜(2041)和环形球面副镜(2042)共轴设置，构成两反式光学系统，环形球面主镜(2041)和环形球面副镜(2042)的表面均镀制工作波长13.5nm的Mo/Si周期多层膜。4.根据权利要求1所述的桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，其特征在于，所述极紫外能量衰减组件(5)包括气源，该气源依次通过减压阀(503)、针阀(504)、毛细管(505)与激光等离子体光源组件(1)连接；所述气源包括氦气源和/或氮气源。5.根据权利要求1所述的桌面型高能量密度极紫外辐照损伤测试装置，其特征在于，所述激光等离子体光源组件(1)包括依次设置的Nd:YAG激光器(101)、高反镜(102)、平凸透镜(104)、平板石英玻璃(105)和铜靶(107)，所述平凸透镜(104)、平板石英玻璃...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文斌，张哲，王占山，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31