準分子激光高壓電源氣體預電離控制技術(shù)研究

準分子激光器（如ArF、KrF等）作為深紫外波段的高功率脈沖光源，在光刻、微加工、醫(yī)療等領(lǐng)域具有不可替代的地位。其工作依賴于高壓電源產(chǎn)生的高能脈沖放電，而放電的均勻性與穩(wěn)定性直接決定了激光輸出的能量穩(wěn)定性、光束質(zhì)量和設備壽命。其中，氣體預電離技術(shù)是實現(xiàn)高均勻性放電的核心環(huán)節(jié)，其控制精度直接影響激光器的綜合性能。 
一、預電離的技術(shù)意義
準分子激光器的氣體放電僅在放電區(qū)域內(nèi)的自由電子密度滿足閾值條件時才會發(fā)生。預電離機制即在主放電之前通過火花放電或電暈放電產(chǎn)生的光子將放電區(qū)域內(nèi)的微量雜質(zhì)電離，形成滿足主放電閾值條件的初始電子密度。若預電離不足，主放電會退化為局部電弧，導致能量沉積不均、氣體成分劣化、電極燒蝕及激光能量波動。研究表明，預電離與主放電的時間間隔需控制在數(shù)十納秒（ns）內(nèi)：過早或過晚均會降低放電均勻性，進而影響輸出光束質(zhì)量。 
二、預電離的關(guān)鍵實現(xiàn)方式
1. 電暈預電離： 
   通過電極邊緣的強電場引發(fā)電暈放電產(chǎn)生紫外光子，適用于中小型激光器。改進的前端面電暈預電離結(jié)構(gòu)將預電離電極置于主電極前端，利用石英管形成均勻等離子層，使放電間距從4.5 mm提升至7.3 mm，顯著提高輸出能量和效率。其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、能耗低（預電離能量僅占主放電的極小部分），且減少電極濺射污染，延長氣體壽命（單次充氣壽命達6小時以上）。 
2. 紫外預電離： 
   適用于高氣壓（>2 atm）場景。例如在XeCl激光器中，通過火花隙陣列產(chǎn)生紫外光子電離氣體，在2 atm氣壓下實現(xiàn)43毫焦耳輸出，能量密度達3焦耳/升，效率1.4%。紫外預電離的效能受氣體成分影響：多原子分子（如CCl?）會吸收紫外光子，降低電離效率；而以HCl為氯施主時，其離解產(chǎn)物可通過光化學反應循環(huán)補充氯源，延長激光器壽命至5000次脈沖。 
3. 表面滑閃預電離： 
   利用絕緣介質(zhì)板（如陶瓷或環(huán)氧板）表面的多通道放電產(chǎn)生紫外光。相比自由火花預電離，其電子產(chǎn)出率提高3倍，且放電電壓更低。窄金屬片（如鎳片）與主陰極通過介質(zhì)板形成并聯(lián)通道，每個通道連接獨立高壓陶瓷電容，確保放電同步性。介質(zhì)板傾角需小于30°，以優(yōu)化氣流并減少重頻運轉(zhuǎn)時的湍流損失。 
三、時序控制的核心技術(shù)
預電離與主放電的時序漂移是影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)開環(huán)控制受電路噪聲和溫漂影響，難以動態(tài)響應。現(xiàn)代方案采用閉環(huán)反饋控制： 
• 時間測量單元：通過光電二極管監(jiān)測主放電起始時間（T?），拾波線圈確定預電離起始時間（T?）。 
• 磁開關(guān)調(diào)節(jié)：預電離和主放電回路采用獨立末級脈沖壓縮電路，通過調(diào)節(jié)飽和電感（磁開關(guān)）的重置電流（I_b），改變磁通量擺動（ΔB），從而精確控制飽和截止時間（Δt ∝ N·A_c·ΔB / V，其中N為線圈匝數(shù)，A_c為磁芯截面積）。 
• 動態(tài)補償算法：若實測時差TD=T?-T?偏離目標值T_DT，控制單元基于ΔI_b ∝ ΔTD的公式重設電流，實時修正時序。 
四、預電離控制對激光器性能的影響
1. 提升放電均勻性：脈沖前沿優(yōu)化至50–100 ns，抑制放電通道收縮，減少局部電弧。 
2. 延長氣體壽命：均勻放電降低鹵素氣體消耗，例如XeCl激光器在HCl氣體下可維持200小時連續(xù)運轉(zhuǎn)。 
3. 降低運行能耗：諧振觸發(fā)控制技術(shù)（如LC電路振蕩）在直流電壓上疊加高頻脈沖，避免持續(xù)高壓導致的無效電離，能耗降低20%以上。 
五、總結(jié)與展望
氣體預電離控制是準分子激光器高壓電源的核心技術(shù)，其發(fā)展從開環(huán)式預電離向智能化閉環(huán)控制演進。未來需進一步探索新型絕緣材料（如BaTiO?介質(zhì)板）的抗燒蝕性，以及多物理場耦合模型（放電-氣流-溫度）的實時調(diào)控算法，以支撐更高重頻（>1 kHz）、更長壽命的工業(yè)級激光器發(fā)展。