DE202008008402U1

DE202008008402U1 - Energiemonitor, insbesondere für Excimerlaser und F2-Laser, für hohe Pulsfolgefrequenzen

Info

Publication number: DE202008008402U1
Application number: DE200820008402
Authority: DE
Original assignee: Coherent GmbH
Current assignee: Coherent GmbH
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2018-06-24

Abstract

Energiemonitor, insbesondere für einen Excimerlaser oder ein F₂-Laser, mit einem pyroelektrischen Energiesensor, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine elektronische Schaltung ein Widerstand R1 kurzzeitig auf Masse gelegt wird und somit ein schneller Ladungsabfluß aus dem pyroelektrischen Energiesensor stattfinden kann und dadurch Energiemessung bis zu 2 kHz möglich sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Energiemonitor für einen Excimerlaser und F₂-Laser, insbesondere zum Überwachen und Stabilisieren der Energie bei hohen Repetitionsraten.
Stand der Technik
Gepulste Laser, insbesondere sogenannte Excimerlaser (einschließlich Exciplexlaser) und F₂-Laser, weisen eine mit Lasergas gefüllte Laserkammer auf, in der zwei Elektroden üblicherweise parallel zur optischen Achse eines Laserresonators angeordnet sind. Der Laserresonator besteht im einfachsten Fall aus einer Laserkammer und zwei Spiegeln, wobei einer der Spiegel einen Reflektionsgrad von 100% hat. Der andere Spiegel hat einen Reflektionsgrad von kleiner als 100% und stellt somit den Auskoppelspiegel dar. Der Laserstrahl tritt durch diesen Spiegel aus dem Laser aus. Die Elektroden dienen der sogenannten Hauptentladung des Lasers. Zwischen ihnen wird eine Gasentladung, welche das aktive Medium des Lasers bildet, gezündet. Dabei werden Hochspannungskondensatoren durch eine Spannungsversorgung aufgeladen und durch einen geeigneten Schalter über die Elektroden entladen. Somit können Laserpulse einer bestimmten Repetitionsrate erzeugt werden. Um eine effektive Anregung des Lasergases für die Gasentladung zu erreichen, erfolgt vor dem Einsetzen der Hauptentladung eine Vorionisierung. Auch die Vorionisierung wird häufig mittels gesonderter, Elektroden durchgeführt, zwischen denen ein Funke gezündet wird. Die einstellbare Hochspannung, bis zu der die Kondensatoren aufgeladen werden, stellt die Steuergröße zur Einstellung der Pulsenergie des Laserpulses dar.
Ein weiterer Bestandteil eines Excimerlasers oder F₂-Lasers ist der sogenannte Energiemonitor, der das Eingangssignal für die Energieregelung des Lasers liefert. Die Energieregelung verarbeitet das Detektorsignal und berechnet daraus einen Hochspannungswert, der beim nächsten Laserpuls an den Hochspannungskondensatoren eingestellt wird. Über diesen Regelkreis erfolgt eine Stabilisierung der Laserenergie auf einen vorgegebenen Wert.
Weitere Details zu gepulsten Lasern sind im Stand der Technik hinreichend bekannt.
Im Stand der Technik sind diverse Ausführungsformen für Energiemonitore bekannt, z. B. US-Patente 6,819,698 und 6,907,058 welche UV-Fotodetektoren benutzen. Nachteilig im Stand der Technik ist, daß UV-Fotodetektoren nur über kleine Detektorflächen verfügen und somit der ursprüngliche Laserstrahl nicht ohne optische Abbildung komplett auf die Detektorfläche abgebildet werden kann. Weiterhin muß der Excimerlaserstrahl aufgrund seiner relativ hohen Pulsenergien (mJ bis J) durch passende Einrichtungen abgeschwächt werden, um herkömmliche UV Photodioden nicht zu übersteuern. Alternativ können handelsübliche pyroelektrische Energiesensoren benutzt werden, die eine hinreichend große Detektorfläche besitzen und für hohe Repetitionsraten geeignet sind. Bedingt durch Forderungen der Anwender der eingangs erwähnten Lasertypen müssen die Laser immer höhere Repetitionsraten aufweisen, damit der industrielle und medizinische Einsatz dieser Lasertypen wirtschaftlich bleibt. Hierdurch müssen die Laser ständig weiterentwickelt werden. Da diese Weiterentwicklungen kosten- und zeitintensiv sind, sollen möglicht viele bestehende Baugruppen wieder verwendet werden. Eine Baugruppe ist z. B. der Energiemonitor, welcher bereits bei Lasern zum Einsatz kam, die mit Repetitionsraten von ≤ 1 kHz betrieben wurden. Zukünftig sollen Laser gebaut werden, die Repetitionsraten von bis zu 2 kHz und mehr aufweisen, aber den bereits erwähnten Energiemonitor benutzen sollen.
Insgesamt ist also bisher das Problem der Verwendung von bestehenden Baugruppen für Laser unbefriedigend gelöst.
Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Energiemonitor, welcher für einen Betrieb bei ≤ 1 kHz ausgelegt ist, so zu modifizieren, daß er für einen 2 kHz-Betrieb benutzt werden kann.
Erfindungsgemäße Lösung
Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung einem handelsüblichen 1 kHz pyroelektrischen Sensor (Typ J14LA, Fa. Coherent) vor, der durch eine geeignete elektronische Schaltung gemäß 1 derart erweitert wird, daß mit ihm Messung bis zu 2 kHz vorgenommen werden können.
Vom Laserstrahl wird über einem im 45°-Winkel angeordneten Strahlteiler ca. 8–10% der Laserenergie ausgekoppelt und durch eine Streuscheibe auf einen pyroelektrischen Sensor gegeben. Durch den Laserpuls wird vom Sensor ein Spannungsimpuls abgegeben, welcher verstärkt (die Vorverstärkung ist durch ein Potentiometer P1 einstellbar) wird und auf einen 12 bit A/D-Wandler gegeben, der sich in IC2 des Mikrocontrollers (Typ PIC30F3012) befindet. Der Sensor ist typischerweise mit einem Widerstand R6 von 220 kΩ terminiert. Die Einstellung des Potentiometers dient zur richtigen Aussteuerung des A/D-Wandelbereiches. Ist die Verstärkung zu klein, triggert der Energiemonitor bei kleinen Energiewerten nicht mehr richtig und es wird kein Energiewert übertragen. Ist die Verstärkung zu groß, dann geht der A/D-Wandler in die Begrenzung und die Energiemessung wird im oberen Bereich stark unlinear. Deshalb wird die Verstärkung am Potentiometer so eingestellt, daß der A/D-Wandler bei maximaler Energie des Lasers zu ca. 75% ausgesteuert wird. Der eingestellte Widerstandswert des Potentiometers kann von außen im stromlosen Zustand des Energiemonitors gemessen werden. Der Widerstandwert kann also schon vor der ersten Inbetriebnahme grob voreingestellt werden. Der Widerstandswert hängt vom Lasersystem und der Wellenlänge des Lasers ab, z. B. für einen ArF-Laser bei 2 kHz-Betrieb sind es ca. 3 kΩ.
Der Spannungsimpuls des pyroelektrischen Sensors wird über den Kondensator C2 an den Komparator IC7 weitergegeben und der 102 beginnt mit der Messung. Hierzu wird die Spannung an Pin 4 des IC2 gemessen. Der Wert wird in 2 Bytes auf eine serielle Schnittstelle gegeben und über Pin 11 auf einen LWL-Sender übergeben. Somit ist der Messwert ermittelt und der IC2 schaltet den IC3 niederohmig, d. h. R1 wird auf Masse gelegt und die Ladung aus dem Sensor kann schnell abfließen. Danach wird IC3 wieder hochohmig und der IC5 wird niederohmig geschaltet, damit es zur notwendigen Nulllinienkorrektur kommen kann. Der Kondensator C2 wird so auf und entladen, daß beim nächsten Laserpuls die Spannung bei 0 V beginnt und für den nächsten Laserpuls über den A/D-Wandler die korrekte positive Spannung gemessen werden kann.
Der 12 bit A/D-Wandler im Energiemonitor gibt theoretisch digitalisierte Werte von 0 bis 4095 aus. Praktisch liegt die Triggerschwelle des Energiemonitors bei einem digitalisierten Wert von ca. 100 bis 150. Werte darunter werden nicht ausgegeben.
Auf der Prozessorplatine wird folgende Umrechnungsformel verwendet, um von dem A/D-Wandlerwert zur Energieanzeige zu gelangen:
Wird z. B. ein GATE-Wert von 4096 und ein OFFSET-Wert von 0100 eingegeben, entspricht die angezeigte Energie direkt dem vom A/D-Wandler ausgegebenem Wert.
Wie man an der Formel erkennen kann, könnte man mit dem OFFSET-Wert gewisse Unlinearitäten des Sensors ausgleichen. Dies ist aber bei dem verwendeten Sensor nicht nötig.
Durch die verwendete Schaltung kann der Energiemonitor bis zu einer Repetitionsrate von ca. 2100 Hz betrieben werden und stellt somit eine kostengünstige Variante dar, da kein 2 kHz geeigneter Sensor benutzt werden muß. Durch die aktive Nulllinienkorrektur wird auch bei Pulswiederholfrequenzen < 1 kHz ein deutlich verbessertes Signal – Rausch Verhältnis erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6819698 [0005]
- US 6907058 [0005]

Claims

Energiemonitor, insbesondere für einen Excimerlaser oder ein F₂-Laser, mit einem pyroelektrischen Energiesensor, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine elektronische Schaltung ein Widerstand R1 kurzzeitig auf Masse gelegt wird und somit ein schneller Ladungsabfluß aus dem pyroelektrischen Energiesensor stattfinden kann und dadurch Energiemessung bis zu 2 kHz möglich sind.
Energiemonitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen pyroelektrischen Energiesensor handelt, der für den 1 kHz-Betrieb ausgelegt ist.
Energiemonitor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen pyroelektrischen Energiesensor handelt, der durch aktive Nulllinienkorrektur ein deutlich verbessertes Signal-Rausch Verhältnis bei Repetitionsraten bis 2 kHz-Betrieb aufweist.