準(zhǔn)分子激光高壓電源脈沖整形研究
1 引言
準(zhǔn)分子激光器以其短波長(zhǎng)（紫外至深紫外波段）、高功率密度和納秒級(jí)脈沖輸出能力，在光刻、材料加工、醫(yī)療及慣性約束聚變（ICF）等領(lǐng)域具有不可替代的地位。其核心驅(qū)動(dòng)單元——高壓電源的脈沖整形技術(shù)，直接決定了激光輸出的能量穩(wěn)定性、波形精度及系統(tǒng)可靠性。本文從高壓電源的技術(shù)挑戰(zhàn)出發(fā)，系統(tǒng)分析脈沖整形的核心方法、關(guān)鍵技術(shù)突破及應(yīng)用展望。
2 脈沖整形技術(shù)分類與原理
2.1 分時(shí)淬滅法
通過(guò)控制自發(fā)輻射放大（ASE）脈沖的增益飽和與猝滅時(shí)序，實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。典型方案包括：
• 理論模型：基于放電腔內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)方程，建立分時(shí)淬滅的延時(shí)與強(qiáng)度表達(dá)式，優(yōu)化脈沖寬度。
• 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在KrF準(zhǔn)分子激光器（248 nm）中，通過(guò)調(diào)節(jié)反射鏡位置與偏轉(zhuǎn)角，將初始脈寬16.06 ns壓縮至2.59 ns，穩(wěn)定性提升8.4倍。
2.2 堆積整形法
利用多子脈沖非相干組束構(gòu)建復(fù)雜波形：
• 平頂脈沖生成：通過(guò)控制子脈沖數(shù)量、寬度及延時(shí)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)平頂波形（脈寬5.29 ns，平頂平整度3.26%）。
• 穩(wěn)定性控制：引入評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（如平頂平整度穩(wěn)定性≤1.45%），解決能量漂移問(wèn)題。
2.3 增益損耗整形法
適用于沖擊點(diǎn)火等需多峰波形的場(chǎng)景：
• 競(jìng)爭(zhēng)放大機(jī)制：注入控制脈沖與ASE競(jìng)爭(zhēng)，利用增益飽和效應(yīng)耦合特定波形（如慢上升沿、快下降沿）。
• 偏振復(fù)用：通過(guò)1/4波片與偏振分光片分離預(yù)脈沖（Picket）和點(diǎn)火脈沖（Spike），降低光路損耗。
3 高壓電源的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)
3.1 高精度電壓控制
• PI算法優(yōu)化：針對(duì)超調(diào)與非超調(diào)脈沖分別設(shè)計(jì)PI控制器，超調(diào)部分公式為：
\Delta HV_{em+1,i} = K_{eo} \cdot (E_{m,i} E_t) + I_{eo} \cdot \sum (E_{m,i} E_t)
結(jié)合遺傳算法平衡能量穩(wěn)定性與劑量精度。
• 實(shí)時(shí)響應(yīng)：熱釋電探測(cè)器+峰值保持電路實(shí)現(xiàn)5 kHz高頻脈沖的快速監(jiān)測(cè)，電壓調(diào)節(jié)精度達(dá)0.5‰。
3.2 熱效應(yīng)抑制
放電過(guò)程中氣體溫升導(dǎo)致鹵素濃度下降，引發(fā)能量衰減：
• 熱管理模型：放電能量 p 與溫升關(guān)系為：
HV_{te} = \frac{p}{m \cdot c} \cdot r
其中 m 為介質(zhì)質(zhì)量，c 為比熱容，r 為熱阻。
• 閉環(huán)冷卻系統(tǒng)：水冷回路（流量≤5 L/min）結(jié)合氣體循環(huán)風(fēng)扇，維持放電腔溫度穩(wěn)定性。
3.3 快速放電與諧振充電
• 固態(tài)開(kāi)關(guān)技術(shù)：采用磁脈沖壓縮（MPC）模塊，生成15–30 kV高壓脈沖，上升時(shí)間≤20 ns。
• 諧振充電拓?fù)洌航档烷_(kāi)關(guān)損耗，提升重復(fù)頻率（≥1 kHz）下的效率。
4 系統(tǒng)集成與應(yīng)用案例
4.1 光刻光源
• 雙腔MOPA架構(gòu)：主振蕩腔（線寬壓窄至0.2 pm）與功率放大腔協(xié)同，滿足7 nm光刻分辨率需求。
• 劑量控制：能量穩(wěn)定性（1σ）≤0.75%，保障關(guān)鍵尺寸套刻誤差＜1 nm。
4.2 慣性約束聚變
• 沖擊點(diǎn)火脈沖：平頂主脈沖（2.35 ns平頂寬度）與百皮秒點(diǎn)火脈沖延時(shí)疊加，實(shí)現(xiàn)靶丸壓縮。
• 束靶診斷：整形脈沖同步用于等離子體診斷，提升裝置利用率。
5 未來(lái)發(fā)展方向
1. 智能化控制：結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，預(yù)演放電過(guò)程參數(shù)變化，動(dòng)態(tài)優(yōu)化PI算法權(quán)重系數(shù)。
2. 寬波段適配：拓展至157 nm（F?）及351 nm（XeF）波段，解決深紫外的非線性吸收問(wèn)題。
3. 模塊化電源設(shè)計(jì)：集成諧振充電、磁壓縮、溫控單元，提升工業(yè)場(chǎng)景的部署效率。
6 結(jié)論
高壓電源的脈沖整形是準(zhǔn)分子激光性能躍升的核心驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)融合放電物理模型、高精度電壓控制及熱管理技術(shù)，可突破能量穩(wěn)定性與波形精度的極限。未來(lái)需進(jìn)一步探索多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，推動(dòng)準(zhǔn)分子激光在高端制造與能源領(lǐng)域的深度應(yīng)用。
