一种脉冲压缩光栅表面有机物在线去除与监测系统及其应用的制作方法

本发明属于等离子体清洗，具体涉及一种脉冲压缩光栅表面有机物在线去除与监测系统及其应用。

背景技术：

1、根据啁啾脉冲放大技术(cpa)对超短脉冲激光进行展宽和压缩的原理，高峰值功率激光装置输出能力的进一步提升主要受限于压缩池中最后一块脉冲压缩光栅的低损伤阈值，其中脉冲压缩光栅表面污染是导致光学元件损伤阈值下降的重要原因之一。由于高真空腔室中有机材料的使用、真空泵油的挥发以及金属材料加工后亚表面残留的切削液等因素，高峰值功率激光装置在长时间运行后这些有机分子有较高的分子自由程沉积到脉冲压缩光栅表面，严重影响了脉冲压缩光栅表面纳米结构形貌和光学性能，这些有机污染物在超短脉冲激光辐照后甚至会形成致密的碳化层，导致脉冲压缩光栅的衍射效率下降30％左右。脉冲压缩光栅表面由于光学性能需求镀有膜层或者微结构，其中以表面具有纳米正弦阵列结构的镀金脉冲压缩光栅和纳米梯形阵列结构的多层介质膜脉冲压缩光栅这两种大口径光学元件最具有代表性。由于脉冲压缩光栅的特殊的安装位置、自身纳米结构特征和高真空运行环境(10-6pa)等苛刻条件导致被污染的脉冲压缩光栅需要耗费大量资源进行离线清洗，同时可能引入新的污染和不确定性损伤风险，这对于高峰值功率激光装置的运行效率来说无疑是一个巨大挑战。因此，针对高峰值功率激光装置中脉冲压缩光栅表面污染问题迫切需要开展在线清洗技术的探索。

2、当前国内外学者提出了紫外线清洗、二氧化碳雪、激光清洗、等离子体清洗等多种在线清洗手段，通过综合对比分析可以发现等离子体清洗技术相比较于传统清洗技术清洗效率更高，避免了化学试剂的使用，清洗过程温和，是高峰值功率激光装置中脉冲压缩光栅表面在线洁净中最有潜力的手段之一。尽管等离子体在线清洗技术具有诸多优点，但是要实现等离子体在线清洗高峰值功率激光装置中脉冲压缩光栅的应用还面临工程设计困难等问题，例如，如何实现将放电系统集成到复杂的激光光路结构中。而面对极端工程环境下不同种膜层材料、不同结构的纳米微结构表面的污染物去除，这对等离子体放电电极的设计以及放电均匀性的控制都提出了巨大的挑战。尽管学者们在极紫外光刻、托卡马克装置和同步辐射光源等含有大口径光学元件的装置中开展了大量在线等离子体放电系统设计的研究，但是普遍采用偏压增加等离子体能量实现金属光学元件表面颗粒污染物的去除。而高峰值功率激光装置中脉冲压缩光栅表面具有纳米微结构，在去除有机污染物的同时要避免光栅表面损伤和电极二次溅射污染，这些特征属性对等离子体放电系统、电极结构、真空系统的设计以及放电均匀性的保证都造成了巨大的困难。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种脉冲压缩光栅表面有机物在线去除与监测系统，包括：

3、压缩池，其连接有真空系统，所述压缩池的侧壁固定连接有光路管道入口和光路管道出口，所述光路管道入口和所述光路管道出口上可拆卸安装有能量计；

4、四极质谱仪，其设置在所述压缩池的侧壁上；

5、镀金脉冲压缩光栅，其可拆卸设置在所述压缩池的内部；

6、可移动朗缪尔探针，其与所述镀金脉冲压缩光栅设置在同一水平高度；

7、介质膜脉冲压缩光栅，其可拆卸设置在所述压缩池的内部，所述压缩池的内部还设置有与所述介质膜脉冲压缩光栅相对应的可移动的镀金玻璃板。

8、优选的是，所述光路管道入口、光路管道出口、镀金脉冲压缩光栅、介质膜脉冲压缩光栅共同构成光路衍射结构，纳秒激光从光路管道入口入射后经一个镀金脉冲压缩光栅反射至一个介质膜脉冲压缩光栅，再反射至另一个镀金脉冲压缩光栅，再反射至另一个介质膜脉冲压缩光栅，经另一个介质膜脉冲压缩光栅反射后从光路管道出口出射，在光路管道入口和出口处通过能量计进行测量。

9、优选的是，所述压缩池侧壁上还设置有诊断窗口，所述可移动朗缪尔探针位于所述诊断窗口内。

10、优选的是，所述压缩池腔壁电性连接有低频电源，所述镀金脉冲压缩光栅和所述镀金玻璃板电性连接有高频电源。

11、优选的是，所述压缩池侧壁还设置有气源阀门、排气口、真空规。

12、优选的是，所述气源阀门可拆卸连接有流量计，所述流量计可拆卸连接有氩气气瓶、氧气气瓶、氢气气瓶、预留气瓶。

13、一种脉冲压缩光栅表面有机物在线去除与监测系统的应用，其特征在于，包括以下步骤：

14、步骤一、将污染后的镀金脉冲压缩光栅安装在压缩池内，打开真空系统将压缩池抽至高真空，即10-7～10-5pa，将镀金玻璃板移动至压缩池腔室顶部，然后从光路管道入口通入低通量的纳秒激光，纳秒激光经光路管道入口入射，纳秒激光经其中一个镀金脉冲压缩光栅反射至其中一个介质膜脉冲压缩光栅，再反射至另一个镀金脉冲压缩光栅，然后反射至另一个介质膜脉冲压缩光栅，经另一个介质膜脉冲压缩光栅反射后从光路管道出口出射，在光路管道入口和出口处通过能量计进行测量，将光路管道出口能量与光路管道入射口能量的比值与压缩池中的镀金脉冲压缩光栅未污染时的一级衍射效率进行比较，下降超过10％即需要开展在线等离子体清洗维护；

15、步骤二、关闭纳秒激光的输入，将真空系统抽气压力设置成低真空，即15～25pa，打开排气口使得压缩池空中气压快速恢复，然后再关闭排气口，真空系统一直保持运行，根据清洗污染物的种类选择合适的气源，打开气源阀门，控制气体通入到压缩池中，通过气体流量计监测气体流量，然后维持低真空环境；

16、步骤三、将镀金玻璃板缓缓下降到介质膜脉冲压缩光栅正前方，同时打开高频电源和低频电源，镀金玻璃板的金膜与压缩池的腔壁进行放电，产生大面积等离子体，对介质膜镀金脉冲压缩光栅进行清洗，通过调节电源频率和放电电压来控制等离子体浓度，通过可移动的朗缪尔探针在线监测光栅表面等离子体浓度和分布均匀程度，确定等离子体工艺参数；

17、步骤四、然后将朗缪尔探针由诊断窗口从压缩池中撤出，在步骤四中获得的工艺参数基础上，镀金脉冲压缩光栅表面金膜与压缩池腔壁进行放电，产生大面积等离子体，对镀金脉冲压缩光栅表面进行清洗；

18、步骤五、等离子体清洗一定时间完成后，通过四极质谱仪在线监测压缩池真空环境气体中的有机分子的种类和浓度，以此判断等离子体清洗过程中脉冲压缩光栅表面污染物残留程度，当含碳元素的分子基团浓度接近为零时，将镀金玻璃板进行升到压缩池腔室顶部，先关闭气源阀门和流量计，再关闭电源，打开排气口，让压缩池中充满洁净空气再关闭，将真空系统设置高真空，开始抽真空，当真空规显示压缩池中气压达到设定要求后，进行步骤一中的纳秒激光衍射效率测试，将光路管道出口能量与光路管道入射口能量的比值与压缩池中镀金脉冲压缩光栅未污染时的一级衍射效率进行比较，以衍射完全恢复来确定等离子体清洗工艺及四极质谱仪测量结果的准确性。

19、优选的是，步骤一中污染后的镀金脉冲压缩光栅由洁净的镀金脉冲压缩光栅放在cpa系统高真空环境污染一个月所得，污染前采用钛宝石飞秒激光器测量洁净的镀金脉冲压缩光栅的光学性能，偏振态采用水平p偏振，激光中心波长为800nm，入射角为30°，选取镀金脉冲压缩光栅的一级衍射效率作为光栅的衍射效率。

20、优选的是，所述步骤二中，清洗有机污染物一般采用氧气和氩气混合气体，清洗碳黑污染物一般采用氢气气体。

21、优选的是，所述步骤三中，高频电源控制等离子体密度，频率为13.56～60mhz，低频电源控制等离子体温度，频率为1.5～2.5mhz。

22、优选的是，所述步骤三中，可以提高高频电源的频率来提高等离子体对有机污染物清洗效率，可以通过提高低频电源的频率来提高等离子体对碳黑污染物清洗效率。

23、本发明至少包括以下有益效果：本发明提供了一种脉冲压缩光栅表面有机污染物在线去除与监测系统，利用低压等离子体实现脉冲压缩光栅表面有机物的去除，并实时监测压缩池中污染和清洗状态。射频电源采用双频驱动方式，实现等离子体温度和等离子体密度的解耦，极大提高了等离子体清洗脉冲压缩光栅的效率，同时避免了长时间的等离子体清洗可能对光栅表面微结构的损伤影响。针对镀金和镀多层介质膜脉冲压缩光栅，采用光栅表面和可升降镀金玻璃板作为电机，从而实现污染物的去除。针对光栅表面不同种类碳污染物，采用不同种等离子体实现污染物的彻底去除。该项发明为预防脉冲压缩光栅污染损伤，提高光栅清洗维护效率，抑制等离子体清洗过程光栅表面损伤提供了有效手段。

24、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。