[发明专利]一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法

说明书

本申请公开了一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，包括：CO₂激光器，用于发出激光光束；指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节激光光束的指向；分光模块，用于将激光光束分成第一光束和第二光束；第一光束轰击锡靶；第二光束传输至指向位置监测模块；指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；工控机，用于根据第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块的驱动信号，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度。这样可以实现对激光指向的准直稳定控制，显著降低光束的抖动情况。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法。

背景技术

极紫外(Extreme Ultraviolet，EUV)光刻技术的出现，给半导体产业注入了新的活力，有望推动其继续高速发展，使摩尔定律得以延续。从目前研究来看，用高功率的窄脉宽、高重频CO₂激光轰击锡靶是获取高质量EUV的最优方法，即激光诱导等离子体(LaserProduced Plasma，LPP)技术。获得高质量的EUV光，必须以高精度、高稳定性的激光光束持续轰击液滴锡靶，但激光器内部的热漂移、空气湍流和温度梯度、光学元件和反射镜中的热效应、机械支架的振动等因素会使激光光束产生抖动，严重影响了EUV的转化效率。

为了保证高功率CO₂激光能够稳定、精确地轰击锡滴，需要对激光光束进行指向控制，以提高激光光束的指向精确性。而现有的激光光束指向控制系统采用两支基于PSD的测量光路，分别对激光光束的位置和指向进行测量，得到激光指向位置的四路反馈测量值，采用两套快速反射镜对激光光束的位置和指向进行纠正。该系统基于多变量输入输出形式，需要测量得到光路中各段光程距离、PSD探测器前端聚焦镜焦距，光束控制传递矩阵中各变量表达式复杂，双反射镜转动调节过程中会引入耦合误差，影响控制精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，可以降低光束抖动情况，提高光束指向稳定性，进而有效提高光束准直精度。其具体方案如下：

一种四自由度激光指向控制系统，包括：

CO₂激光器，用于发出激光光束；

指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节所述激光光束的指向；

分光模块，用于将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；

所述指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；

工控机，分别与所述指向位置监测模块和所述指向调节模块电连接，用于根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述工控机，具体用于根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：