1 广东大湾区空天信息研究院，广东 广州 510530
2 武汉国家光电研究中心，湖北 武汉 430074
3 中国科学院大学，北京 100049
4 俄罗斯研究中心库尔恰托夫研究所，俄罗斯莫斯科 125047
极紫外光源在半导体制造中的掩模检测、显微成像以及光谱计量等环节中有着重要的应用。激光诱导放电等离子体是产生极紫外光源的重要技术手段之一，搭建了一套二氧化碳激光诱导放电产生锡等离子体的实验装置，对产生的极紫外光谱进行了收集探测，并结合辐射磁流体动力学模拟对极紫外的辐射特性进行了分析。实验对比了激光等离子体和放电等离子体的极紫外辐射特性的区别，发现放电电压对激光诱导放电等离子体极紫外光的带内辐射强度有着重要影响。模拟发现，当电压为15 kV时，极紫外辐射总能量达到65.0 mJ，转化效率达到0.23%，光谱纯度达到1.69%。
激光光学 激光诱导放电等离子体 极紫外光 辐射磁流体动力学 转化效率
Author Affiliations
Abstract
Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Direct current pulsed discharge is a promising route for producing high-density metastable particles required for optically pumped rare gas lasers (OPRGLs). Such metastable densities are easily realized in small discharge volumes at near atmospheric pressures, but problems appear when one is trying to achieve a large volume of plasma for high-power output. In this work, we examined the volume scalability of high-density metastable argon atoms by segmented discharge configuration. Two discharge zones attached with peaking capacitors were connected parallelly by thin wires, through which the peaking capacitors were charged and of which the inductance functioned as ballasting impendence to prevent discharging in only one zone. A uniform and dense plasma with the peak value of the number densities of Ar (1s5) on the order of was readily achieved. The results demonstrated the feasibility of using segmented discharge for OPRGL development.
rare gas laser pulsed discharge plasma application Chinese Optics Letters
2022, 20(3): 031408
1 华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 武汉 430074
2 上海空间推进研究所 上海空间发动机工程技术研究中心, 上海 201112
激光作用锡靶等离子体极紫外光转换效率与等离子体特性密切相关。为了对等离子体特性进行诊断, 设计了一种用于激光等离子体诊断的朗缪尔探针, 取得了不同激光能量下产生的锡等离子体电子温度与电子密度的时间演化。结果表明, 能量为58.1mJ的激光产生的等离子体峰值电子密度约为4.5×1011cm-3, 最大电子温度为16.5eV, 均随激光能量减少而降低, 与发射光谱法所测的电子温度演化趋势一致。该研究为激光等离子体极紫外光源提供了一种新的简单快速诊断方法, 有利于对激光等离子体的极紫外光源的参量进行优化。
激光物理 等离子体诊断 朗缪尔探针 极紫外光刻 laser physics plasma diagnosis Langmuir probe extreme ultraviolet lithography
华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 武汉 430074
为了研究激光诱导液滴等离子体特性, 基于脉冲激光与液滴的同步作用, 采用直接成像法和阴影法研究了液滴等离子体羽辉膨胀特性及激光作用液滴的运动情况。首先采用增强型电荷耦合器件直接成像法, 研究了水滴等离子体的羽辉随时间的演化, 其次利用阴影法研究激光作用水滴的阴影图像的演化, 观察到激光作用水滴产生的冲击波及液滴团簇的变化, 分析计算了冲击波膨胀距离随时间的变化和膨胀速度。结果表明, 激光诱导水滴等离子体的膨胀形状近似为椭圆, 其中沿激光入射方向的一侧辐射强度较高, 100ns内等离子体的膨胀变化近似为线性膨胀, 100ns后膨胀趋于稳定, 冲击波膨胀半径随时间线性增长, 冲击波的膨胀速率约为90m/s。此研究结果可为激光诱导液滴实验提供一定的参考依据。
激光技术, 液滴等离子体羽辉, 阴影法, 液滴靶 laser technique droplet plasma plume shadow method droplet target
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Research Center for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Keldysh Institute of Applied Mathematics, Russian Academy of Sciences, Moscow 125047, Russia
Laser-induced discharge plasmas (LDPs) have the potential to be inspection and metrology sources in extreme ultraviolet (EUV) lithography. An LDP EUV source was developed to avoid tin electrode erosion in which a tin pool was used as a cathode. A CO2 pulse laser was focused on the liquid tin target surface, and then a breakdown occurred in a very short time. The voltage-current characteristics of the discharge oscillated, lasting for several microseconds, and an RLC fitting model was used to obtain the inductance and resistance. An intensified charge-coupled device (ICCD) camera was used to investigate the dynamics of LDP, which can explain the formation of a discharge channel. The EUV spectra of laser-induced liquid tin discharge plasma were detected by a grazing incident ultraviolet spectrometer, compared with a laser-produced tin droplet plasma EUV spectrum. To explain the EUV spectrum difference of laser-induced liquid tin discharge plasma and laser-produced tin droplet plasma, the collision radiation (CR) model combined with COWAN code was used to fit the experimental EUV spectrum, which can estimate the electron temperature and density of the plasma.
laser induced discharge plasma voltage-current characteristics liquid tin plasma plume extreme ultraviolet spectra Chinese Optics Letters
2020, 18(5): 051405
华中科技大学 武汉光电国家研究中心, 武汉 430074
为了研究气压及缓冲气体种类对光声信号及共振频率的影响, 采用光声光谱技术, 设计了一套基于光声光谱技术原理的痕量气体检测系统。实验中以NH3标准气作为待测气体, 采用向光声池内充入缓冲气体的方法来改变光声池内气压, 在气压作为单一变量的条件下得出0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化; 采用分别向光声池内充入不同种类缓冲气体的方法, 得出不同缓冲气体条件下0.03MPa~0.1MPa气压范围内光声信号及共振频率的变化。结果表明, 随着气压的升高, 光声信号幅值增大, 并且越重的缓冲气体使光声信号增幅越大; 气压的升高使得共振频率偏移, 共振频率的偏移量与光声池内混合气体分子的摩尔质量成反比。该研究为解决在现场进行气体检测时, 气压及背景气体变化的复杂环境对检测结果的影响提供了参考。
激光技术 光声光谱 气压 缓冲气体 laser technique photoacoustic spectroscopy pressure buffer gas
华中科技大学 武汉光电国家研究中心,武汉 430074
喇曼光谱是一种无损、快速检测物质成分的方法。为了提高监测灵敏度，对408nm波段半导体激光器的腔增强自发喇曼散射进行了研究。利用输出功率500mW、线宽0.9nm的408nm半导体激光器作激发光，把激光耦合入共焦球面镜腔，两面共焦球面镜的反射率分别为96.5%和99.5%，部分激光返回半导体激光器形成光反馈，半导体激光器与共焦腔形成共振。对装置的光反馈过程进行了探讨，并对外腔的模式匹配和频率匹配分别进行了分析。结果表明，共焦腔内功率达到15W，功率增强了30倍；用90°探测构型收集喇曼信号，完成了空气喇曼信号检测；1s积分时间，获得N2信号900个计数。此共振增强腔大大增强了喇曼散射信号，有潜力应用于多种气体的在线检测或高灵敏度检测。
光谱学 半导体激光器 光反馈 腔增强 自发喇曼散射 spectroscopy laser diode optical feedback cavity enhanced spontaneous Raman scattering
华中科技大学 武汉光电国家研究中心，武汉 430074
为了研究激光诱导放电等离子体的膨胀特性，建立了一套基于脉冲CO2激光诱导锡靶放电等离子体极紫外光源装置，采用增强型电荷耦合器件对羽辉进行拍摄，并采用1维真空电弧模型对实验结果进行了理论说明。实验中改变放电电压和激光能量，得到了不同条件下时间分辨的羽辉图像。结果表明，在激光能量140mJ、放电电压10kV的条件下，获得了稳定的放电等离子体；等离子体的羽辉形态与电流存在对应关系，经历了形成、膨胀、收缩、再次膨胀和消散的不同阶段，放电电压和诱导激光能量对羽辉大小、稳定性和形成时间有影响。此研究有助于提高激光诱导放电等离子体光源的稳定性以及极紫外光的输出功率。
激光技术 激光诱导放电等离子体 锡 羽辉图像 laser technique laser-induced discharge plasma tin plume image
华中科技大学武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
为了研究不同空气压力条件下碳等离子体的动力学特性, 采用发射光谱法对碳等离子体进行诊断。采用1064 nm Nd∶YAG激光器烧蚀碳靶, 测得早期的发射光谱为连续谱, 此时使用黑体辐射公式拟合并推算碳等离子体的电子温度; 当线状谱出现后, 采用玻尔兹曼作图法计算电子温度, 并观察电子温度和电子密度随延时的演化趋势, 以及空气压力对演化的影响。结果表明：不同空气压力条件下, 电子温度和电子密度随延时的变化趋势一致; 随着空气压力增大, 等离子体受到的限制更大, 粒子间的碰撞增加, 导致电子温度和电子密度随之增大; 在0.01 Pa压力下沉积得到了石墨烯薄膜。
激光技术 等离子体诊断 碳等离子体 发射光谱法 电子温度
