一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法技术方案

本申请公开了一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，包括：CO

【技术实现步骤摘要】
一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法
本专利技术涉及激光
，特别是涉及一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法。
技术介绍
极紫外(ExtremeUltraviolet，EUV)光刻技术的出现，给半导体产业注入了新的活力，有望推动其继续高速发展，使摩尔定律得以延续。从目前研究来看，用高功率的窄脉宽、高重频CO2激光轰击锡靶是获取高质量EUV的最优方法，即激光诱导等离子体(LaserProducedPlasma，LPP)技术。获得高质量的EUV光，必须以高精度、高稳定性的激光光束持续轰击液滴锡靶，但激光器内部的热漂移、空气湍流和温度梯度、光学元件和反射镜中的热效应、机械支架的振动等因素会使激光光束产生抖动，严重影响了EUV的转化效率。为了保证高功率CO2激光能够稳定、精确地轰击锡滴，需要对激光光束进行指向控制，以提高激光光束的指向精确性。而现有的激光光束指向控制系统采用两支基于PSD的测量光路，分别对激光光束的位置和指向进行测量，得到激光指向位置的四路反馈测量值，采用两套快速反射镜对激光光束的位置和指向进行纠正。该系统基于多变量输入输出形式，需要测量得到光路中各段光程距离、PSD探测器前端聚焦镜焦距，光束控制传递矩阵中各变量表达式复杂，双反射镜转动调节过程中会引入耦合误差，影响控制精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，可以降低光束抖动情况，提高光束指向稳定性，进而有效提高光束准直精度。其具体方案如下：一种四自由度激光指向控制系统，包括：CO2激光器，用于发出激光光束；指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节所述激光光束的指向；分光模块，用于将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；所述指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；工控机，分别与所述指向位置监测模块和所述指向调节模块电连接，用于根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述工控机，具体用于根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：其中，ΔCAMX1、ΔCAMY1、ΔCAMX2、ΔCAMY2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX1和ΔX2分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY1和ΔY2分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔUX1和ΔUX2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔUY1和ΔUY2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述工控机，具体用于根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，Kp为PI控制器中的比例系数，KI为PI控制器中的积分系数。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述指向调节模块还包括：分别与所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜电连接的压电陶瓷驱动器，以及与所述压电陶瓷驱动器电连接的数模转换器；其中，所述第一压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述第二压电陶瓷偏摆镜；所述第二压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述分光模块；所述压电陶瓷驱动器，用于驱动所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜；所述数模转换器，用于将所述工控机输出的数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号提供给所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述指向位置监测模块还包括：衰减镜，第一分束镜，反射镜，第一凸透镜；其中，所述衰减镜，用于将所述第二光束进行衰减处理；所述第一分束镜，用于处理后的所述第二光束分光成相互垂直的第三光束和第四光束；所述第三光束直接入射至所述第一相机的靶面，形成近场光斑；所述第四光束通过所述反射镜反射后，经所述第一凸透镜聚焦，并入射至所述第二相机的靶面，形成远场光斑。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述指向位置监测模块还包括：位于所述衰减镜和所述第一分束镜之间的光阑；所述光阑，用于过滤掉所述第二光束周围的杂散光。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述分光模块包括：第二分束镜、合束镜和第二凸透镜；其中，所述第二分束镜，用于将所述激光光束分成所述第一光束和所述第二光束；所述合束镜，用于汇聚所述第一光束；所述第二凸透镜，用于使所述第一光束聚焦。本专利技术实施例还提供了一种四自由度激光指向控制系统的控制方法，包括：CO2激光器发出激光光束；指向调节模块调节所述激光光束的指向；所述指向调节模块包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜；分光模块将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；所述指向位置监测模块分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；所述指向位置监测模块包括第一相机和第二相机；工控机根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合。优选地，在本专利技术实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统的控制方法中，所述工控机根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，具体包括：所述工控机根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四自由度激光指向控制系统，其特征在于，包括：/nCO

【技术特征摘要】
1.一种四自由度激光指向控制系统，其特征在于，包括：
CO2激光器，用于发出激光光束；
指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节所述激光光束的指向；
分光模块，用于将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；
所述指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；
工控机，分别与所述指向位置监测模块和所述指向调节模块电连接，用于根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合。


2.根据权利要求1所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述工控机，具体用于根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：



其中，ΔCAMX1、ΔCAMY1、ΔCAMX2、ΔCAMY2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX1和ΔX2分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY1和ΔY2分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔUX1和ΔUX2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔUY1和ΔUY2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。


3.根据权利要求2所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述工控机，具体用于根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：



其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，Kp为PI控制器中的比例系数，KI为PI控制器中的积分系数。


4.根据权利要求3所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向调节模块还包括：分别与所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜电连接的压电陶瓷驱动器，以及与所述压电陶瓷驱动器电连接的数模转换器；其中，
所述第一压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述第二压电陶瓷偏摆镜；
所述第二压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述分光模块；
所述压电陶瓷驱动器，用于驱动所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜；
所述数模转换器，用于将所述工控机输出的数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号提供给所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜。


5.根据权利要求4所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向位置监测模块还包括：衰减镜，第一分束镜，反射镜，第一凸透镜；其中，
所述衰减镜，用于将所述第二光束进行衰减处理；
所述第一分束镜，用于处理后的所述第二光束分光成相互垂直的第三光束和第四光束；所述第三光束直接...

【专利技术属性】
技术研发人员：于德洋，潘其坤，李鑫鹏，郭劲，陈飞，孙俊杰，张阔，张鲁薇，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22