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在193nm ArF准分子激光器的应用生态中,光学镜片面临着一场“看不见的战争”——弱吸收。6.4eV的高光子能量使193nm激光几乎能被所有光学材料强烈吸收,即便是膜系中ppm量级的残余吸收,也可能引发热透镜效应,导致光束波前畸变、焦点漂移,甚至成为激光诱导损伤的“导火索”。因此,精确测量193nm镜片膜系的弱吸收系数与激光损伤阈值,是保障深紫外光刻、精密加工等高能激光系统可靠运行的基石。

深紫外波段的弱吸收测量,对技术灵敏度提出了严苛要求。目前主流的解决方案基于光热偏转技术或表面热透镜技术,其核心物理机制在于“光生热,热变形”。测量时,一束强度调制的193nm泵浦激光聚焦照射待测镜片。即便膜层吸收率极低,局部吸收仍会产生周期性的热膨胀,在镜面形成微纳尺度的“热包”变形。另一束大光斑探测光照射该区域,镜面变形相当于一个动态“透镜”,反射探测光的波前发生畸变。这一畸变由夏克-哈特曼波前传感器等高灵敏度设备捕获,系统通过解析波前相位变化反推出膜层的弱吸收值。
该技术路径的显著优势在于极高的探测灵敏度。目前基于波前传感的测量系统,分辨率可达λ/10000量级,即10pm级别,足以探测ppm乃至sub-ppm级别的弱吸收信号。更重要的是,它支持对镜片表面进行微米级空间分辨率的吸收面扫描,直观呈现缺陷分布。然而,这些间接测量法获得的通常是相对数值,如需绝对吸收率,常需借助激光量热法进行标定。量热法通过高精度温度探测器测量泵浦激光辐照区域的温升,直接换算吸收值。例如,针对LaF3、MgF2等氟化物膜系,研究者已采用量热法建立了吸收率与激光能量密度的定量关系,测量灵敏度可达1ppm量级。
在损伤阈值评估方面,193nm波段的特殊性尤为突出。与红外波段的“热效应”损伤不同,193nm激光以光化学反应为主导——光子能量足以直接打断材料化学键,引发色心形成、结构缺陷增殖乃至宏观开裂。氟化物薄膜(如LaF3/MgF2)的损伤行为与制备工艺、缺陷密度密切相关。研究显示,在特定工艺下,LaF3/MgF2高反膜在193nm的激光损伤阈值约为1.0 J/cm²,损伤形貌呈现点状烧蚀特征。测量遵循ISO 21254等国际标准,采用1-on-1或S-on-1策略,辅以等离子体闪光法、散射光检测或Nomarski显微干涉判读损伤,最终确定膜系的最大耐受能量密度。
镜片膜系弱吸收与阈值测量系统,为深紫外光学薄膜的工艺优化提供了精确的“标尺”。通过弱吸收数据反演膜层消光系数,通过损伤形貌分析缺陷诱因,这套系统正在推动193nm光学薄膜向“低损耗、高耐久”的方向演进,为高功率深紫外激光系统的长期稳定运行保驾护航。
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