УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам передачи излучения лазерных систем, в частности к устройствам передачи лазерного пучка в литографических системах.

Известно устройство передачи излучения эксимерного лазера, патент США №5771260. В этом устройстве для передачи излучения эксимерного лазера от излучателя к проекционному устройству установлены поворотные зеркала. Каждое зеркало расположено в корпусе с прозрачными съемными крышками, что позволяет заменять зеркало. В результате воздействия высоких лучевых нагрузок в ультрафиолетовом диапазоне качество рабочей поверхности зеркала может ухудшиться. Это приводит к нежелательным изменениям параметров лазерного пучка, таких как энергия, распределение плотности энергии излучения в поперечном сечении пучка, расходимость. В этом случае вышедшее из строя зеркало необходимо заменить. Однако для того, чтобы определить, какое зеркало необходимо заменить, пользователю нужно остановить техпроцесс и проконтролировать каждое зеркало. Это снижает эффективность технического процесса.

Известно устройство доставки излучения, заявка США №20040179560. В этом устройстве несколько зеркал и призм направляют луч ультрафиолетового излучения по заданной траектории и установлены в экранирующих корпусах. Для выявления неисправного оптического элемента требуется остановка всей системы и тестирование каждого оптического элемента. Для обеспечения надежной работоспособности устройства нужна профилактическая замена всех оптических элементов после выработки условно назначенного ресурса, что существенно увеличивает эксплутационные расходы.

Задачей данного изобретения является создание устройства передачи лазерного пучка с контролем состояния оптических элементов в процессе работы, оперативной заменой вышедших из строя оптических элементов и, таким образом, имеющего низкие эксплуатационные расходы.

Устройство передачи лазерного пучка, содержащее герметичный корпус, экранирующий зону распространения лазерного пучка, оптические элементы, установленные в корпусе, формирующие и направляющие лазерный пучок, отличается тем, что в корпусе, вне зоны распространения лазерного пучка, напротив поверхности, взаимодействующей с лазерным пучком, хотя бы одного оптического элемента, установлен фотодетектор, соединенный с устройством контроля.

Оптические элементы устройства передачи лазерного пучка, формирующие и направляющие лазерный пучок, работают в режиме высоких лучевых нагрузок в таких системах, как литографическая система, лазерные системы сварки и резки материалов. Такие системы непрерывно работают в круглосуточном режиме. Если поверхность оптического элемента не имеет дефектов и загрязнений, уровень рассеянного от оптического элемента излучения минимален. Увеличение уровня рассеянного излучения свидетельствует о появлении дефекта или загрязнения. Это может оказаться пыль и аэрозоли, осевшие на поверхности, взаимодействующей с лазерным пучком, микротрещины материала и оптического покрытия оптического элемента вследствие лучевого или теплового воздействия и т.п. Установка в корпусе фотодетектора, расположенного вне зоны распространения лазерного пучка, напротив оптического элемента, позволяет отслеживать изменение уровня рассеянного излучения от оптического элемента. Информация от фотодетектора передается на устройство контроля. При этом фотодетектор установлен вне зоны распространения лазерного пучка, это позволяет контролировать состояние оптического элемента устройства передачи лазерного пучка в процессе работы, не влияя на характеристики лазерного пучка.

Против поверхности, взаимодействующей с лазерным пучком, каждого оптического элемента, расположен фотодетектор, соединенный с устройством контроля. Фотодетектор регистрирует рассеянное излучение от оптического элемента, вблизи которого он установлен. Каждый фотодетектор соединен с устройством контроля, и при изменении уровня рассеянного излучения на определенном оптическом элементе, сигнал от соответствующего фотодетектора информирует о дефектах в конкретном оптическом элементе. Это позволяет своевременно определить, какой именно оптический элемент нуждается в замене, и своевременно его заменить.

Фотодетектор имеет протяженную приемную часть. При возникновении локального дефекта, рассеянное излучение может оказаться пространственно неоднородным. Фотодетектор с протяженной приемной частью собирает излучение из большего угла рассеяния и является более эффективным для контроля состояния оптического элемента, чем фотодетектор с малой приемной частью. Приемная часть фотодетектора может охватывать весь угол рассеяния от поверхности, взаимодействующей с лазерным пучком.

Рабочий спектральный диапазон фотодетектора содержит длины волн рассеянного на оптическом элементе излучения передаваемого пучка. Фотодетектор, установленный вне зоны распространения лазерного пучка, измеряет рассеянное излучение от взаимодействия лазерного пучка с оптическим элементом. Рассеянное излучение может содержать в своем спектре длины волн, отличающиеся от длины волны передаваемого излучения. Поэтому использование фотодетектора с более широким спектральным диапазоном повышает эффективность контроля оптического элемента.

Во входной части устройства передачи лазерного излучения установлен измеритель энергии лазерного излучения, соединенный с устройством контроля. Данные от измерителя энергии лазерного излучения, установленного на входе в устройство передачи лазерного излучения, передаются на устройство контроля. Это позволяет более корректно анализировать количественную информацию от фотодетекторов, вычитая изменения сигнала с фотодетекторов, связанные с изменениями энергии на входе устройства.

Оптический элемент, напротив которого установлен фотодетектор, является зеркалом. Оптический элемент, напротив которого установлен фотодетектор, является призмой. Оптический элемент, напротив которого установлен фотодетектор, является линзой. Зеркала, призмы и линзы позволяют формировать и передавать лазерный пучок с заданными параметрами на большое расстояние. Установка фотодетекторов напротив поверхности оптических элементов, взаимодействующей с лазерным пучком, позволяет эффективно контролировать состояние зеркал, призм и линз в процессе работы.

Оптические элементы установлены на механизмах автоматической замены, соединенных с устройством контроля. При установке оптических элементов на механизме автоматической замены, соединенных с устройством контроля, замена оптических элементов может осуществляться автоматически, по сигналу от устройства контроля, без участия оператора. При этом остановка работы системы на восстановление может составлять всего несколько секунд.

Техническим результатом предлагаемого технического решения является устройство передачи лазерного пучка, обеспечивающее в процессе работы эффективный контроль состояния оптических элементов, взаимодействующих с лазерным пучком, и позволяющее оперативно заменять именно те оптические элементы, которые нуждаются в замене, что обеспечивает низкие эксплуатационные расходы.

На чертеже представлен сегмент устройства передачи лазерного излучения.

Устройство передачи лазерного пучка содержит входную диафрагму 2, делитель излучения 3, фотодетектор 9, измеритель энергии пучка 10, установленные в корпусе 1; зеркало 2, фотодетектор 11, установленные в корпусе 6; призму 16, фотодетектор 17, установленные в корпусе 14. Корпуса 1, 6, 14 герметично, через уплотнители 5, соединены трубами 4, 12. Корпуса 1, 6, 14 и трубы 5, 12 образуют герметичный корпус устройства передачи лазерного пучка, экранирующий зону распространения лазерного пучка.

Зеркало 7 установлено на юстируемой оправе 8. Призма 16 установлена на юстируемой оправе 15.

Измеритель энергии лазерного пучка 10 и фотодетекторы 11, 17 соединены с управляющим компьютером 13.

Фотодетектор 9 установлен напротив делителя излучения 3. Фотодетектор 11 установлен напротив зеркала 7 и имеет протяженную приемную часть С, установленную вдоль поверхности В зеркала 7. Фотодетектор 17 установлен напротив призмы 16, в зоне рассеянного излучения.

Спектральный диапазон фотодетекторов 9, 11, 16 содержит длину волны рассеянного излучения от передаваемого пучка.

Лазерный пучок входит в устройство передачи лазерного пучка, направляется по заданной траектории оптическими элементами 2, 3, 7, 16 и выходит из устройства в зоне технологического применения. Диафрагма 2 служит для формирования поперечного сечения пучка и отсечки фонового излучения. Если оптические элементы, делитель излучения 3, зеркало 11 и призма 16, не имеют дефектов и/или загрязнений, фотодетекторы 9, 11, 17 соответственно принимают минимальное количество рассеянного излучения. Информация о состоянии оптических элементов передается на управляющий компьютер 13. При возникновении дефекта и/или загрязнения на делителе 3, зеркале 7 или призме 16, сигнал, содержащий информацию об изменении качества поверхности оптического элемента, от соответствующего фотодетектора 9, 11 или 17 передается на управляющий компьютер 13. Так как фотодетекторы 9, 11, 17 установлены вне зоны А распространения лазерного пучка, контроль состояния оптических элементов не оказывает влияния на характеристики самого лазерного пучка. Оператор в процессе работы имеет информацию о состоянии оптических элементов устройства передачи лазерного излучения, а в случае возникновения дефекта может своевременно заменить именно тот оптический элемент, который нуждается в замене.

При изменении энергии пучка на входе в систему, что фиксируется измерителем энергии пучка 10, уровень рассеянного излучения на оптических элементах 3, 7, 16 соответственно изменяется. Управляющий компьютер 13 принимает и анализирует сигналы от фотодетекторов 9, 11, 17 с учетом изменения сигнала от измерителя энергии 10. Таким образом, контроль состояния оптических элементов системы осуществляется с учетом изменения энергии передаваемого лазерного излучения, что повышает точность оценки состояния оптических элементов.

Для поддержания оптических элементов и зоны распространения лазерного пучка в чистоте, устройство прокачивается чистым нейтральным газом, или внутри корпуса устройства создается вакуум.

Расстояние от входа в устройство до выхода может составить несколько десятков метров. Устройство может содержать несколько зеркал, призм и линз. Для обеспечения стабильности передачи лазерного пучка на большие расстояния корпуса оптических элементов базируются на общем жестком опорном устройстве.

Таким образом, устройство передачи лазерного пучка обеспечивает в процессе работы эффективный контроль состояния оптических элементов, взаимодействующих с лазерным пучком.