[发明专利]用于激光脉冲整形的等离子体开关

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体为一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，主要用于对脉冲CO₂激光器的激光脉冲进行整形，将脉冲的拖尾去掉，缩短其脉宽。

背景技术

横向激励大气压(TEA)CO₂激光器广泛应用于激光雷达、激光测距、红外对抗、生物医学、环境检测和高密度的空中光通信等领域，此外，高重复频率的脉冲CO₂激光还可与靶物质作用产生等离子体，辐射出极紫外(EUV)光，该激光等离子体(LPP)EUV光源是下一代极具竞争力的极紫外光刻光源。脉冲CO₂激光器的这些应用均需要较高的激光峰值功率，但脉冲激光的输出波形前沿很陡，脉冲周期为50-100ns，后沿却出现严重的拖尾，脉宽为1-2μs，使得脉冲CO₂激光的有效功率大大降低。并且在LPP EUV光源产生的过程中，脉冲的拖尾与靶物质作用时会产生大量碎屑，这些碎屑会造成光刻机中收集镜的污染而缩短其寿命。

目前，有各种不同复杂程度和不同成功率的方法来缩短脉冲CO₂激光的脉冲宽度，但都是基于电磁波在等离子体中的反射和传播原理提出的，即频率为ω的激光入射到频率为ω_p的等离子体中，ω>ω_p时，激光在等离子体中传播，ω<ω_p时，激光将被等离子体反射。如果CO₂激光的前一部分能通过等离子体，拖尾部分被等离子体反射，这样就能达到将CO₂激光整形并缩短脉宽的目的。

最早期的方法是将激光通过透镜聚焦在空气中，在焦点附近击穿空气产生等离子体，等离子体的产生发生在一个特定的时间，使激光脉冲前沿通过，低功率的尾巴部分被等离子体吸收，从而使激光脉宽缩短。但脉冲能量损耗严重，而等离子体开关要求对激光前沿脉冲有较高的透过率。

后来对这个方法的改进是，利用放电装置或者双脉冲在激光聚焦的地方先引发气体的击穿，产生一定浓度的等离子体，然后CO₂激光脉冲通过等离子体进行脉冲整形。虽然降低了脉冲功率的损耗，但增加了装置的复杂性。

相对简单的一个方案是，将激光聚焦在一个直径为1mtn、厚度为250μm的铝孔，激光脉冲通过铝孔时会烧蚀铝产生等离子体以阻断脉冲的拖尾(Pulse shaping of transversely excited atmospheric CO₂laser using a simple plasma shutter，Noah Hurst and S.S.Harilal，Review of Scientific instruments，2009.3.3)。虽然脉宽会缩短，但当铝孔被烧蚀完全时需更换铝孔，所以降低了装置的重复率。

近期提出的方案是，脉冲激光经聚焦后以45°角入射到靶面上产生等离子体，激光前沿脉冲被部分反射，拖尾被等离子体吸收，反射后获得的激光就是脉宽缩短后的激光(CO₂laser pulse shortening by laser ablation of a metal target，T.Donnelly，M.Mazoyer，Review of Scientific instruments，2012.3.5)。装置中的靶是镀有金反射涂层的锡靶，随着激光的作用，涂层会被烧蚀，当涂层被烧蚀完全时，必须更换新靶，所以装置重复率较低。

总之，现有等离子体开关虽然都能一定程度地缩短激光脉宽，但会存在激光透过率低，或者装置复杂，或者装置重复率低的问题。

发明内容

本发明提供一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，目的在于在缩短脉宽的同时，保证较高的激光透过率，从而使输出脉冲有较高的峰值功率，并提高等离子体开关的重复率。

本发明提供的一种用于激光脉冲整形的等离子体开关，其特征在于，该等离子体开关的背景气体中混有易电离的气体，并使气体能够处于不断流动的状态，开关中还放置有冷却装置。

所述易电离的气体可以为三乙胺。

作为上述技术方案的改进，所述等离子体开关的具体结构包括真空腔，以及位于真空腔内的第一透镜、第二透镜、风扇和热交换器；第一透镜、第二透镜为两个相同的ZnSe透镜，真空腔上开有两个正对的观察窗，用于激光的输入和输出；真空腔的两个观察窗的中心，与第一透镜、第二透镜的中心在一条直线上，且两透镜间的距离为2f，f为透镜的焦距。