光纤型激光波长计制造技术

一种光纤型激光波长计，由透镜、熔融石英光纤、光纤耦合器、波长校准装置、光栅单色仪、波长精测装置、线性CCD、信号处理器和数据线组成。本发明专利技术采用熔融石英光纤导光和光纤耦合器分束有效降低了波长计的空间尺寸和复杂性；波长的校准、粗测和精测有效结合可实现激光中心波长和光谱带宽高精度实时测量。本发明专利技术可精确、高速、便捷地测量连续激光和脉冲激光的线宽和中心波长。特别是准分子激光器的激光波长测量。

Optical fiber type laser wavelength meter

An optical fiber type laser wavelength meter is composed of a lens, a fused silica optical fiber, an optical fiber coupler, a wavelength calibration device, a grating monochromator, a wavelength precision measuring device, a linear CCD, a signal processor and a data line. The invention adopts the fused silica optical fiber and optical fiber coupler splitting effectively reduces the size and complexity of the spatial wavelength meter; wavelength calibration, coarse and fine measurement can realize the effective combination of laser wavelength and spectral bandwidth and high precision time measurement. The invention can measure the linewidth and the central wavelength of the continuous laser and the pulsed laser accurately, rapidly and conveniently. Laser wavelength measurement, in particular excimer lasers.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及波长计，特别是一种光纤型激光波长计。
技术介绍
准分子激光因其波长短、相干性弱而被广泛用于极大规模集成电路光刻。作为光刻光源，要求激光输出具有窄线宽、高波长稳定性。激光器线宽压窄装置的振动和温度变化等因素可导致激光中心波长漂移，为了得到激光中心波长并判断其与目标波长之间的漂移量，并为激光中心波长调谐提供依据，因此需要对激光中心波长和线宽实时快速测量。测量激光波长常用的方法是利用费索干涉仪，参见在先技术。这种技术需要额外一种已知精确波长的激光作参考光源，然而波长校准装置本身的波长漂移将会降低波长计精度。另一方面，波长计各光学元件之间的激光传输采用空间耦合技术需要较多的光学元件，这样增加了光学调谐和对准的难度；采用光二极管监测透过Pt空心透明阴极灯的激光强度的方法标定吸收波长，该技术的缺点是激光能量的波动将严重降低波长校准的准确性；波长粗测装置中采用多个平面反射镜来扩束和准直激光光束，多次反射增加了能量损耗和装置复杂性，参见在先技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光纤型激光波长计，该波长计可精确、高速、便捷地测量激光线宽和中心波长。本专利技术的技术解决方案如下一种光纤型激光波长计，其特点在于该波长计由聚焦透镜、第一熔融石英光纤、第二熔融石英光纤、第三熔融石英光纤、第四熔融石英光纤、第五熔融石英光纤、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、波长校准装置、光栅单色仪、波长精测装置、线性CCD、信号处理器和数据线组成，上述各部分的位置关系如下待测激光经聚焦透镜耦合到第一熔融石英光纤并传输到高分束比的第一光纤耦合器进行分束，经该第一光纤耦合器分出的较强光束经第二熔融石英光纤传输到波长校准装置进行波长校准；经第一光纤耦合器分出的较弱的光束经第三熔融石英光纤传输到分束比为5 5的第二光纤耦合器的输入端，经第二光纤耦合器分束后，一束光经第四熔融石英光纤入射到光栅单色仪的输入端，经该光栅单色仪衍射的光斑在线性CCD上成像；经第二光纤耦合器分束的第二光束经第五熔融石英光纤入射到波长精测装置的输入端，经波长精测装置生成的干涉环也成像在所述的线性CXD上，该线性CXD记录的条纹信息经所述的数据线传递给所述的信号处理器进行分析和处理，显示出待测激光的中心波长和线宽的信息；所述的波长校准装置由聚焦透镜、光斩波器、Fe透明空心阴极灯、高压直流电源、 信号输出电路、屏蔽箱和锁相放大器组成；所述的光栅单色仪由依次的小孔、抛物面高反镜、中阶梯光栅和第一成像透镜组成； 所述的波长精测装置由依次的准直透镜、微透镜阵列、标准具和第二成像透镜组成；所述的线性CXD为高探测灵敏度的EMCXD ；所述的信号输出电路由电流表、镇流电阻和去耦电容组成。所述的聚焦透镜、第一成像透镜、准直透镜、第二成像透镜和聚焦透镜是由紫外级熔融石英材料制成，透镜双面镀增透膜以提高透过率。所述的熔融石英光纤为由具有抗辐射的熔融石英纤芯的多模光纤。所述的信号处理器由PCI卡和电脑组成。所述的用于扩束和准直的抛物面高反镜由紫外级熔融石英材料制成，且内表面镀高反膜，该高反膜可以为铝膜加氟化镁膜。所述的用于分光的中阶梯光栅的闪耀角为79°，刻线密度为94. 13G/mm，在 193.37nm处的衍射级次为108级。该光栅具有衍射级次高，色散率大，分光效果好的特点。所述的微透镜阵列由紫外级熔融石英材料制成，发散角为士5°。所述的标准具为空气隙标准具，由两块紫外级熔融石英平板和平板间的垫片组成，该垫片由超低膨胀系数的玻璃制成，标准具精度达到0. 158GHz (0. 02pmil93. 37nm)。待测激光经聚焦透镜耦合到熔融石英光纤并传输到高分束比的第一光纤耦合器进行分束。第一光纤耦合器分出的较强的光束经熔融石英光纤导引后，经过一透镜聚焦和光斩波器调制后入射到Fe透明空心阴极灯，Fe透明空心阴极灯通过高压放电在阴极和阳极间产生等离子体，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将会发生改变，例如放电电压、放电电流和阻抗，即产生光电偶效应。通过信号输出电路，即可获得光电偶信号。当激光波长和Fe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，而波长不重合时光电信号将会变得非常小。Fe透明空心阴极灯内的金属原子和填充气体的吸收光谱的带宽比入射激光带宽窄的多。因为Fe特征吸收波长是已知的，当光电偶信号最强时，入射激光的中心波长即为Fe原子的吸收线，利用该已知的激光中心波长即可实现对光栅单色仪和波长精测装置的标定。为提高信号的信噪比，将光电偶信号输入到锁相放大器并显示，同时用光斩波器将入射到Fe透明空心阴极灯的光辐射信号通过电动机调制成交变信号，从而避免因检测信号时间过长而漂移，能对被测光进行调制，同时输出与调制频率同步的参考电压方波，作为锁相放大器的参考信号，这样就可以得到高信噪比的光电偶信号，进而用来判断 Fe透明空心阴极灯的吸收线并实现激光波长的校准。根据美国国家标准技术局的数据，Fe原子在193nm附近的较强的吸收线有193. 45350nm和193. 72683nm, 二者的相对强度分别为309和240，吸收线的波长精度可达0.01pm。ArF准分子激光的自由振荡光谱线宽约500pm，Fe的吸收线之间的间距为 273. 33pm，根据这两个吸收线可实现光纤型波长计的标定。此外，Fe的两吸收线之间的间距是确定的，根据该吸收线间距可对吸收线波长值的准确性进行验证。第二光纤耦合器分出的一束光经熔融石英光纤导引入射到小孔，然后入射到抛物面高反镜反射和扩束，扩束后的光束入射到光栅单色仪。入射激光光谱经光栅衍射后在线性CCD上成像。根据光栅方程，激光的衍射方向与波长大小是相关的，经校准后，可通过衍射光斑在线性CCD上的成像的像素位置，即可得到对应的波长信息。在波长变化较小的情况下，可认为像素位置和激光波长之间的成线性关系。第二光纤耦合器分出的另一束光经透镜准直后入射到微透镜阵列，微透镜阵列的主要作用是光束均勻化和增加入射到标准具的发散角。对入射到标准具进行多光束干涉的激光进行光束均勻可提高干涉条纹的反衬度和条纹间的均勻性；除第二成像透镜焦距和线性CCD用于成像的有效像素尺寸外，标准具在给定像面成像的条纹个数与入射角范围有关，入射角度范围大可得到更多的条纹，然而入射角度过大将会使激光溢出标准具窗口，从而浪费激光能量。因而，根据波长精测装置的设计，需要合理控制光束发散角大小。标准具进行多光束干涉的各级干涉条纹宽度是均勻的，任一干涉环即可得到激光的波长和线宽的信息，然而中心干涉环随波长的变化会在亮纹和暗纹之间变化，因此不适于用作数据采集窗口，而中心干涉环之外的第二和第三个亮环所对应的线性CXD的像素位置适合作为数据采集窗口。特别地，将发散角控制在士5°范围内，可保证在给定的线性CCD尺寸内得到满足测量用的3个合适宽度的干涉环，对于FWHM为0. 02pm的高精度标准具，绝对波长精度和带宽测量精度均可以达到0. 02pm。 本专利技术的技术效果本专利技术通过熔融石英光纤传导激光，减少了光路中所需的反射镜，有效地降低了光路对准和调节的难度；通过光纤耦合器分束可精确控制光束分束比，且能够和熔融石英光纤方便地焊接，有效地降本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种光纤型激光波长计，其特征在于该波长计由聚焦透镜（１）、第一熔融石英光纤（２）、第二熔融石英光纤（４）、第三熔融石英光纤（５）、第四熔融石英光纤（８）、第五熔融石英光纤（９）、第一光纤耦合器（３）、第二光纤耦合器（６）、波长校准装置（７）、光栅单色仪（１０）、波长精测装置（１１）、线性ＣＣＤ（１２）、信号处理器（１３）和数据线（２２）组成，上述各部分的位置关系如下：待测激光经聚焦透镜（１）耦合到第一熔融石英光纤（２）并传输到高分束比的第一光纤耦合器（３）进行分束，经该第一光纤耦合器（３）分出的较强光束经第二熔融石英光纤（４）传输到波长校准装置（７）进行波长校准；经第一光纤耦合器（３）分出的较弱的光束经第三熔融石英光纤（５）传输到分束比为５∶５的第二光纤耦合器（６）的输入端，经第二光纤耦合器（６）分束后，一束光经第四熔融石英光纤（８）入射到光栅单色仪（１０）的输入端，经该光栅单色仪（１０）衍射的光斑在线性ＣＣＤ（１２）上成像；经第二光纤耦合器（６）分束的第二光束经第五熔融石英光纤（９）入射到波长精测装置（１１）的输入端，经波长精测装置（１１）生成的干涉环也成像在所述的线性ＣＣＤ（１２）上，该线性ＣＣＤ（１２）记录的条纹信息经所述的数据线（２２）传递给所述的信号处理器（１３）进行分析和处理，显示出待测激光的中心波长和线宽的信息；所述的波长校准装置（７）由聚焦透镜（２３）、光斩波器（２４）、Ｆｅ透明空心阴极灯（２５）、高压直流电源（３０）、信号输出电路（３４）、屏蔽箱（３５）和锁相放大器（３６）组成。其上述各部分之间的关系为：经第二熔融石英光纤（４）传输的光束经聚焦透镜（２３）并穿过光斩波器（２３）后聚焦到Ｆｅ透明空心阴极灯（２５）的电极之间，高压直流电源（３０）为Ｆｅ透明空心阴极灯（２５）提供电源，位于屏蔽箱（３５）内的信号输出电路（３４）与Ｆｅ透明空心阴极灯（２５）和高压直流电源（３０）串联，信号输出电路（３４）提取的信号输出到锁相放大器（３６）实现输出和显示；所述的光栅单色仪（１０）由依次的小孔（１４）、抛物面高反镜（１５）、中阶梯光栅（１６）和第一成像透镜（１７）组成。其上述各部分之间的关系为：经第四熔融石英光纤（８）输出的信号光入射到位于抛物面高反镜（１５）焦点处的小孔（１４），光束经抛物面高反镜（１５）实现扩束和准直，然后入射到中阶梯光栅（１６）进行衍射，衍射光斑经第一成像透镜（１７）成像到线性ＣＣＤ（１２）；所述的波长精测装置（１１）由依次的准直透镜（１８）、微透镜阵列（１９）、标准具（２０）和第二成像透镜（２１）组成。所述的上述各部分之间的关系为：经第五熔融石英光纤（９）入射到准直透镜（１８），准直后的光束入射到微透镜阵列（１９）实现均匀和小角度发散，然后入射到标准具（２０）实现多光束干涉，干涉条纹经第二成像透镜（２１）成像到线性ＣＣＤ（２２）；所述的线性ＣＣＤ（１２）为高探测灵敏度的ＥＭＣＣＤ；所述的信号输出电路（３４）由电流表（３１）、镇流电阻（３２）和去耦电容（３３）组成。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志军，张海波，周军，楼祺洪，董景星，魏运荣，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31