4. 改善 E95 的稳定性

高分辨率绕射光栅

图 5:高分辨率绕射光栅

GIGAPHOTON 为了 E95 的稳定化所着手的最大规模研发,是将直接影响 E95 大小的缩带宽模块(LNM)高效化。图 5 为 LNM 的示意图。LNM 模块设置于邻接共振腔之处,与前反射镜共同构成光学共振器。其作用为光谱的过滤。共振腔发出的原始光束中,其 E95 宽达数百 pm,但通过 LNM 后则缩减至原本的数百分之一,达到缩带宽化。LNM 由数颗棱镜与绕射光栅组成。棱镜的任务为放大激光,放大后的光束将照向绕射光栅的正面。激光会被绕射光栅反射回共振腔,但此时的反射角将根据波长而产生微妙变化。换言之,绕射光栅起了将波长分布转换为空间分布的作用。利用光栅等物仅对中心附近的光束进行反射,即可达到缩带宽化。利用此原理的技术中,使用的绕射光栅越大,可以达到更窄的光谱与 E95。

GIGAPHOTON 着手的技术,就是研发搭载全球最大分辨率绕射光栅的 LNM。图中显示了既有绕射光栅与高分辨率绕射光栅的配置比较,可以看到大小相差 1.5 倍以上。这样的大小,关键在于如何袖珍化配置绕射光栅的设计,以及达到均一光学波面的安装方法。

氟气对 E95 的影响

图 6:氟气对 E95 的影响

图 6 显示了两种绕射光栅达到的 E95 数据。纵轴显示 E95,横轴显示 E95 变动原因的共振腔内氟气压力。首先,E95 本身的差异在于使用高解析绕射光栅后可达既有值的一半。以典型氟气浓度 300 hPa 进行比较时,既有的 E95 为 1.4 pm,而高解析型则达 0.7 pm。在其他氟气浓度上也可窥见相同的差异。

E95 对于氟气浓度所产生的变动,也从既有的 0.4 pm/100 hPa 改善至 0.15 pm/100 hPa,约 1/3 以下。对于前述 E95 第一项变动原因的氟气压力变化,可获得大幅改善。

氟气控制系统

图 7:氟气控制系统

当成功研发氟气浓度变化不再大幅影响 E95 变动的 LNM 后,下一步则着手研发共振腔内氟气浓度的稳定化。目标是让氟气浓度稳定,确保 E95 的长期稳定性。

一如前述,氟气浓度不得不变化(主因注气而增加)的理由在于补充放电消耗的氟气,抑制长期性输出功率的低落。但是,氟气的课题在于过多将使 E95 大幅变动。

让 E95 稳定化且抑制输出功率低的唯一解决之道,就是常保共振腔内的氟气浓度。 为此,我们研发了精密气体控制技术。在精密气体控制技术的序列中,以质流量控制器高精密掌控注入共振腔内的氟气量。此外可由各项指标读取共振腔内的消耗氟气量。如此一来,共振腔内的氟气浓度可常保固定。再者,采用回馈系统以监控氟气过度注气,让监控模块回馈光谱宽度测量值以补正预测氟气浓度的偏差。

上述研发之下,共振腔内氟气浓度的典范值可经常控制在 300-350 hPa,与高解析绕射光栅并用,可抑制 E95 变动值达 0.1 pm 左右。