準分子激光高壓電源氣體預電離控制技術研究

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、醫療等領域具有不可替代的地位。其工作依賴于高壓電源產生的高能脈沖放電，而放電的均勻性與穩定性直接決定了激光輸出的能量穩定性、光束質量和設備壽命。其中，氣體預電離技術是實現高均勻性放電的核心環節，其控制精度直接影響激光器的綜合性能。 
一、預電離的技術意義
準分子激光器的氣體放電僅在放電區域內的自由電子密度滿足閾值條件時才會發生。預電離機制即在主放電之前通過火花放電或電暈放電產生的光子將放電區域內的微量雜質電離，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十納秒（ns）內：過早或過晚均會降低放電均勻性，進而影響輸出光束質量。 
二、預電離的關鍵實現方式
1. 電暈預電離： 
   通過電極邊緣的強電場引發電暈放電產生紫外光子，適用于中小型激光器。改進的前端面電暈預電離結構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。其優勢在于結構簡單、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，通過火花隙陣列產生紫外光子電離氣體，在2 atm氣壓下實現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，其離解產物可通過光化學反應循環補充氯源，延長激光器壽命至5000次脈沖。 
3. 表面滑閃預電離： 
   利用絕緣介質板（如陶瓷或環氧板）表面的多通道放電產生紫外光。相比自由火花預電離，其電子產出率提高3倍，且放電電壓更低。窄金屬片（如鎳片）與主陰極通過介質板形成并聯通道，每個通道連接獨立高壓陶瓷電容，確保放電同步性。介質板傾角需小于30°，以優化氣流并減少重頻運轉時的湍流損失。 
三、時序控制的核心技術
預電離與主放電的時序漂移是影響穩定性的關鍵因素。傳統開環控制受電路噪聲和溫漂影響，難以動態響應?，F代方案采用閉環反饋控制： 
• 時間測量單元：通過光電二極管監測主放電起始時間（T?），拾波線圈確定預電離起始時間（T?）。 
• 磁開關調節：預電離和主放電回路采用獨立末級脈沖壓縮電路，通過調節飽和電感（磁開關）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，A_c為磁芯截面積）。 
• 動態補償算法：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小時連續運轉。 
3. 降低運行能耗：諧振觸發控制技術（如LC電路振蕩）在直流電壓上疊加高頻脈沖，避免持續高壓導致的無效電離，能耗降低20%以上。 
五、總結與展望
氣體預電離控制是準分子激光器高壓電源的核心技術，其發展從開環式預電離向智能化閉環控制演進。未來需進一步探索新型絕緣材料（如BaTiO?介質板）的抗燒蝕性，以及多物理場耦合模型（放電-氣流-溫度）的實時調控算法，以支撐更高重頻（>1 kHz）、更長壽命的工業級激光器發展。