准分子激光高压电源气体预电离控制技术研究

准分子激光器（如ArF、KrF等）作为深紫外波段的高功率脉冲光源，在光刻、微加工、医疗等领域具有不可替代的地位。其工作依赖于高压电源产生的高能脉冲放电，而放电的均匀性与稳定性直接决定了激光输出的能量稳定性、光束质量和设备寿命。其中，气体预电离技术是实现高均匀性放电的核心环节，其控制精度直接影响激光器的综合性能。 
一、预电离的技术意义
准分子激光器的气体放电仅在放电区域内的自由电子密度满足阈值条件时才会发生。预电离机制即在主放电之前通过火花放电或电晕放电产生的光子将放电区域内的微量杂质电离，形成满足主放电阈值条件的初始电子密度。若预电离不足，主放电会退化为局部电弧，导致能量沉积不均、气体成分劣化、电极烧蚀及激光能量波动。研究表明，预电离与主放电的时间间隔需控制在数十纳秒（ns）内：过早或过晚均会降低放电均匀性，进而影响输出光束质量。 
二、预电离的关键实现方式
1. 电晕预电离： 
   通过电极边缘的强电场引发电晕放电产生紫外光子，适用于中小型激光器。改进的前端面电晕预电离结构将预电离电极置于主电极前端，利用石英管形成均匀等离子层，使放电间距从4.5 mm提升至7.3 mm，显著提高输出能量和效率。其优势在于结构简单、能耗低（预电离能量仅占主放电的极小部分），且减少电极溅射污染，延长气体寿命（单次充气寿命达6小时以上）。 
2. 紫外预电离： 
   适用于高气压（>2 atm）场景。例如在XeCl激光器中，通过火花隙阵列产生紫外光子电离气体，在2 atm气压下实现43毫焦耳输出，能量密度达3焦耳/升，效率1.4%。紫外预电离的效能受气体成分影响：多原子分子（如CCl₄）会吸收紫外光子，降低电离效率；而以HCl为氯施主时，其离解产物可通过光化学反应循环补充氯源，延长激光器寿命至5000次脉冲。 
3. 表面滑闪预电离： 
   利用绝缘介质板（如陶瓷或环氧板）表面的多通道放电产生紫外光。相比自由火花预电离，其电子产出率提高3倍，且放电电压更低。窄金属片（如镍片）与主阴极通过介质板形成并联通道，每个通道连接独立高压陶瓷电容，确保放电同步性。介质板倾角需小于30°，以优化气流并减少重频运转时的湍流损失。 
三、时序控制的核心技术
预电离与主放电的时序漂移是影响稳定性的关键因素。传统开环控制受电路噪声和温漂影响，难以动态响应。现代方案采用闭环反馈控制： 
• 时间测量单元：通过光电二极管监测主放电起始时间（T₂），拾波线圈确定预电离起始时间（T₁）。 
• 磁开关调节：预电离和主放电回路采用独立末级脉冲压缩电路，通过调节饱和电感（磁开关）的重置电流（I_b），改变磁通量摆动（ΔB），从而精确控制饱和截止时间（Δt ∝ N·A_c·ΔB / V，其中N为线圈匝数，A_c为磁芯截面积）。 
• 动态补偿算法：若实测时差TD=T₂-T₁偏离目标值T_DT，控制单元基于ΔI_b ∝ ΔTD的公式重设电流，实时修正时序。 
四、预电离控制对激光器性能的影响
1. 提升放电均匀性：脉冲前沿优化至50–100 ns，抑制放电通道收缩，减少局部电弧。 
2. 延长气体寿命：均匀放电降低卤素气体消耗，例如XeCl激光器在HCl气体下可维持200小时连续运转。 
3. 降低运行能耗：谐振触发控制技术（如LC电路振荡）在直流电压上叠加高频脉冲，避免持续高压导致的无效电离，能耗降低20%以上。 
五、总结与展望
气体预电离控制是准分子激光器高压电源的核心技术，其发展从开环式预电离向智能化闭环控制演进。未来需进一步探索新型绝缘材料（如BaTiO₃介质板）的抗烧蚀性，以及多物理场耦合模型（放电-气流-温度）的实时调控算法，以支撑更高重频（>1 kHz）、更长寿命的工业级激光器发展。