精确测量高能紫外激光系统中光学镜片透过率的装置和方法

摘要

本发明公开了一种测量高能紫外激光系统中待测镜片透过率的装置和相应的方法，装置的激光光源(1)产生高能紫外脉冲激光，反射光栅(6)接收该脉冲激光，并将该脉冲激光进行衍射分束，取其中能量最强的一级作为测量光，能量次强的一级作为参考光，待测镜片(3)放置于测量光的光路上；第一能量探测器(4)用于探测参考光的能量；第二能量探测器(5)用于探测测量光的能量。本发明的方法通过测量放入和未放入待测镜片时的各能量探测器的读数，并计算得到其透过率。本发明消除了激光光源能量抖动以及分光片导致分光比抖动对光学镜片透过率测量的影响，对待测镜片的厚度和尺寸无要求，能够实现精确且方便的测量。

说明书

技术领域

本发明属于气体激光测试技术领域，特别是一种精确测量高能紫外激光系统中光学镜片透过率的方法。

背景技术

光学镜片有很多性能指标，如像差、色差、成像质量等，其中透过率是对光学镜片的辐射光通量反映和成像质量评价的一个关键参考量，所以对其进行的测量也相当重要。影响光学镜片透过率的因素主要有镜片的反射和吸收，以及镜片内部的气泡、污物等造成的散射等。

在先测试光学镜片透过率的方案多为单通道测量法，这种方法会由于光源本身能量波动造成前后两次测试的辐射光通量抖动，从而引起整个测试的不准确性；另外一种在先测试方案为分光光度计法，这种方法虽然可以精确的测量镜片透过率，但其镜片透过率都是在低能量情况下测得的，而镜片本身在高能强光照射状态下的特性很可能发生变化，所以低能量状态下的测试无法说明高能量情况。此外，利用分光光度计测量时，多对待测镜片的厚度有要求，且其对镜片上的采光区域较小。随着准分子激光器光源及光刻机的发展，需要在高重频、高能量状态下对传播紫外波段光的光学镜片透过率进行准确的测量。

专利号为201210524943.5的中国专利中已提出一种利用透射光路和反射光路来测试镜片透过率的方法，装置原理如图1所示，激光光源1发射激光，首先利用分光片2对激光光源输出光进行分光。同时测量透射、反射两路光的能量并用反射光能量对透射光的能量进行标定；然后在透射光路中插入待测光学镜片(待测镜片放置在图中虚线位置处)，测量透过待测镜片之后的透射能量。通过同时测量此时的透射光能量和反射光能量计算得出待测光学镜片的透过率。虽然这种方法摒弃了光源本身稳定性的影响，且可以在高能状态下测量，但是由于紫外光的穿透能力非常弱，在高能照射、时间推移等累计效应影响下，这种方式所用紫外分光片2本身的透过率也可能由于衬底吸收、色心产生、散射等而发生变化，进而导致利用反射光能量标定透射光能量时会产生抖动，因此，这种方案也会对测量结果引入误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在解决高能紫外激光系统中光学镜片透过率测试时，在有效地消除光源能量不稳定、分光片分光比抖动(由于高能强光照射下镜片衬底吸收、色心产生等导致的分光比抖动)对测量结果的重复性，以及对高透射镜片透射率测定的影响。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种测量高能紫外激光系统中待测镜片透过率的装置，包括激光光源、反射光栅、第一能量探测器和第二能量探测器，其中，所述激光光源用于产生高能紫外脉冲激光；所述高能紫外脉冲激光不经过所述反射光栅的衬底内部；所述反射光栅用于接收所述激光光源发射的高能紫外脉冲激光，并利用光栅表面的周期性金属刻槽将该高能紫外脉冲激光进行衍射分束，取其中能量最强的一级作为测量光，能量次强的一级作为参考光，所述待测镜片放置于测量光的光路上；所述第一能量探测器用于探测参考光的能量；所述第二能量探测器用于探测测量光的能量；第一能量探测器与第二能量探测器距离反射光栅的衍射出光点距离相同。

根据本发明的具体实施方式，所述第一能量探测器和第二能量探测器通过控制装置关联，可以同时记录某一时刻第一能量探测器和第二能量探测器的测量数值。

本发明还提出一种测量高能紫外激光系统中待测镜片透过率的方法，采用上述测量装置，包括如下步骤：

S1、在测量装置中不放入待测镜片，使所述激光光源发射激光，记录此时第一能量探测器和第二能量探测器的读数E₁(f)和E₂(f)，得到此重频下能量比值c＝E₁(f)/E₂(f)，使所述激光光源停止发射激光；

S2、将待测镜片插入所述测量光的光路中，使所述激光光源再次发射激光，记录此时第一能量探测器和第二能量探测器的读数E₁′(f)和E₂′(f)；

S3、通过下式计算待测镜片透过率T：T＝E₂’(f)/(E₁’(f)/c)＝E₂’(f)·c/E₁’(f)。

(三)有益效果

本发明的测试装置和方法消除了激光光源能量抖动，以及分光片由于衬底吸收、色心产生等导致分光比抖动对光学镜片透过率测量的影响，得出较为精确的待测镜片透过率测量的方案。本发明对待测镜片的厚度和尺寸无要求，能够对用于紫外脉冲激光器的任何光学镜片透射率实现精确且方便的测量。

附图说明

图1是现有技术的利用分光片测试光学镜片透过率装置的光路示意图；

图2是本发明提出的利用反射光栅测试光学镜片透过率的装置的光路示意图。

具体实施方式

本发明为解决上述技术问题，提出一种用于精确测量大能量、高重频紫外激光系统光学镜片透过率的装置方法。通过设计合适的光路并优化测量条件，可以在大能量、高重频条件下实现光学镜片透过率的高精度测量。

本发明的方法采用双光路等光程测量，达到了实时在线测量的目的，其特点在于其构成包括紫外光源、针对紫外光的反射光栅以及待测镜片。紫外光源发出的光以一定入射角照射到反射光栅上，经光栅衍射后会产生多级衍射光，取其中两级作为测量光路和参考光路，其测试原理如下：

设激光源在某一时刻的输出能量为E₀，光栅对第一衍射光的衍射率为R₁，对第二衍射光的衍射率为R₂(R₁、R₂为定值)，设激光源到光栅的距离为l₁，对应大气吸收系数为α₁；光栅至第一衍射光探测位置距离为l₂，对应大气吸收系数为α₂；光栅至第二衍射光探测位置距离为l₃，对应大气吸收系数为α₃，则未加入待测镜片时，两路衍射光的能量E₁和E₂分别表示如下：

$>E_1=E_0{e}^{-{\alpha }_1{l}_1}{R}_1{e}^{-{\alpha }_2{l}_2}$>

$>E_2=E_0{e}^{-{\alpha }_1{l}_1}{R}_2{e}^{-{\alpha }_3{l}_3}$>

设两路能量比值为c，使l₃＝l₂，则在不同的测量时刻有：

$>c=\frac{E_2}{E_1}=\frac{E_0{e}^{-{\alpha }_1{l}_1}{R}_2{e}^{-{\alpha }_3{l}_3}}{E_0{e}^{-{\alpha }_1{l}_1}{R}_1{e}^{-{\alpha }_2{l}_2}}=\frac{R_2{e}^{-{\alpha }_3{l}_3}}{R_1{e}^{-{\alpha }_2{l}_2}}=c^{\prime }{e}^{l_2({\alpha }_2-{\alpha }_3)},$>

其中，c′为常数。

当保证测试环境无变化时(如：测试各元件置于真空密封盒内)，认为α₂、α₃波动极小，近似为常数，则：

$>c=c^{\prime }{e}^{l_2({\alpha }_2-{\alpha }_3)}=c^{\prime \prime },$>

其中，c″为常数，于是，两路衍射光的能量比值c为常数。

综上，使用光栅法进行镜片透过率测量时，若用衍射光一路标定另外一路，则理论上可以得到稳定的c值。即使有高能照射、时间推移等累计效应的影响，由于所用的为光栅衍射(光路中未涉及分光片的透射光，也即没有衬底吸收、色心等的影响)，所以c值也不会发生抖动。因此完全可以用其中一路衍射光能来标定另外一路衍射光能，从而在将待测镜片插入一路光路时，可通过同时记录此时两衍射光路的能量值，并利用c值计算得出待测镜片的透过率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2是本发明的一个实施例的测量装置的光路示意图。如图2所示。激光光源1用于产生高能紫外脉冲激光；高能紫外脉冲激光不经过反射光栅6的衬底内部；反射光栅6接收激光光源1发射的高能紫外脉冲激光，并利用光栅表面的周期性金属刻槽将该高能紫外脉冲激光进行衍射分束，取其中能量最强的一级作为测量光，能量次强的一级作为参考光；第一能量探测器4用于探测参考光的能量；第二能量探测器5用于探测测量光的能量；待测镜片3(虚箭头指向为待测镜片插放处)放置于测量光的光路上；第一能量探测器4和第二能量探测器5距离反射光栅6的衍射出光点距离相同。

在该实施例中，从激光光源1发出的重频为f的高重频紫外激光经反射光栅6衍射分束后，取其中能量最强的两级分别作为测量光路和参考光路。其中，能量最强的一级作为测量光，安放第二能量探测器5用于测试测量光的能量；能量次强的一级作为参考光，安放第一能量计4用于测量参考光的能量。利用特定控制装置将第一能量探测器4和第二能量探测器5关联后，便可以同时记录某一时刻第一能量探测器4和第二能量探测器5的测量数值。

在具体测量时，首先不在测量装置中放入待测镜片，打开激光光源1的电源发射激光，记录此时第一能量探测器4和第二能量探测器5的读数E₁(f)和E₂(f)，得到此重频下能量比值c＝E₁(f)/E₂(f)，关闭激光光源1的电源。接着，将待测镜片3插入测量光的光路中，再次打开激光光源1的电源，记录此时第一能量探测器4和第二能量探测器5的读数E₁′(f)和E₂′(f)。由于在光路不变的情况下，光栅6对各级衍射光的衍射效率不会发生变化，所以待测镜片透过率T为E₂’(f)/(E₁’(f)/c)＝E₂’(f)·c/E₁’(f)。

若改变激光光源1的重频和能量，重复上述步骤，则可以得到不同重频、能量状态下，待测镜片的透过率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。