摘要：准分子激光器作为半导体光刻、医疗及工业加工的核心光源，其性能直接受限于高压电源激励下工作气体的放电特性。气体配比优化是实现高脉冲能量、高稳定性和长寿命的核心环节，涉及缓冲气体选择、卤素浓度控制、惰性气体掺杂及多参数协同调控等多个维度。

准分子激光器作为半导体光刻、医疗及工业加工的核心光源，其性能直接受限于高压电源激励下工作气体的放电特性。气体配比优化是实现高脉冲能量、高稳定性和长寿命的核心环节，涉及缓冲气体选择、卤素浓度控制、惰性气体掺杂及多参数协同调控等多个维度。
一、气体配比与放电稳定性的关联机制
在放电激励过程中，工作气体（如Ar/F₂、Kr/F₂混合物）的配比直接影响电子雪崩效应和等离子体均匀性。研究表明：
• F₂分压需精准控制在0.3 kPa附近（占总气压约0.1%）。过高的F₂浓度会导致电子附着效应增强，自由电子数量锐减，降低放电效率；而过低的F₂则减少准分子（如ArF、KrF）生成路径。
• 缓冲气体占比超过95%，其分子量显著影响电子温度。以Ne（分子量20）替代He（分子量4）时，电子平均自由程缩短，碰撞频率提高，阴极鞘层宽度从20 μm降至11 μm，使放电更易维持均匀辉光模式，抑制弧光放电。
二、缓冲气体选择的科学依据
缓冲气体不仅维持气压，更通过微观碰撞过程调控放电动力学：
• Ne的阶梯电离效应：Ne激发态粒子（Ne）可进一步电离（Ne + e⁻ → Ne⁺ + 2e⁻），持续补充自由电子，提升等离子体密度。相较之下，He的激发态电离路径较少，电子密度波动更显著。
• 热力学特性：Ne的导热系数低于He，气体温升较慢，有利于高重复频率运行。实验显示，以Ne为缓冲气体时，放电周期从90 ns延长至120 ns，光脉冲宽度从15 ns增至25 ns，降低了电极热负载。
表：不同缓冲气体放电特性对比
参数 He缓冲气体 Ne缓冲气体
阴极鞘层宽度 20 μm 11 μm
放电周期 90 ns 120 ns
光脉冲宽度 15 ns 25 ns
电子密度稳定性 较低 较高
三、卤素气体浓度的精准控制
F₂作为卤素源，其分压需与放电电路参数匹配：
• 三体碰撞主导机制：在KrF激光器中，Kr分压与脉冲能量呈二次函数关系。当Kr分压为19.5 kPa时，三体反应（Kr⁺ + 2Kr → Kr₂⁺）速率最大化，能量转换效率提升至1.64%。
• 阈值电压调控：F₂分压每增加0.05 kPa，击穿电压上升约2 kV。需同步调整高压电源的脉冲幅值（通常28–30 kV）和前沿陡度（<100 ns）以维持稳定击穿。
四、惰性气体掺杂的创新应用
微量掺杂可显著改善预电离效果：
• Xe的光离解机制：在Ne缓冲气体中添加0.46%的Xe（电离能12.1 eV），85 nm紫外光子（单光子能量14.6 eV）可电离Xe原子（Xe + hν → Xe⁺ + e⁻），增加初始电子密度，使放电阈值电压降低15%–20%。
• 混合气体优化实例：XeF激光器的最佳配比为F₂/He/Xe/Ne = 0.73%/2.90%/0.46%/95.91%（总压0.33 MPa），单脉冲能量达153 mJ，电光转换效率0.88%。
五、多参数协同优化的系统方法
气体配比需与电路参数、腔体设计联合优化：
• 电容匹配法则：储能电容（Cₛ）与放电电容（Cₐ）比值β = Cₛ/Cₐ ≈ 1.14时，能量转移效率（η）与电压增益（g）达到平衡。β > 1时残余能量引发电极腐蚀，β < 1时激励强度不足。
• 气流温控保障：高重复频率下需强制气体循环（流速>20 m/s），及时移除放电产生的氟化氢（HF）等蚀性杂质，并将气体温度控制在45°C以下，防止光学元件损伤。
表：气体配比优化目标参数
性能指标 优化目标 实现路径
脉冲能量 >150 mJ Kr/Xe分压优化、β≈1.14
能量不稳定度 <4% Ne缓冲气体、预电离增强
电光转换效率 >0.8% F₂分压控制、Xe掺杂
重复频率 >80 Hz 高速气体循环、温控系统
结论
准分子激光器气体配比的优化是高压电源激励效能的核心保障。通过选择阶梯电离型缓冲气体（如Ne）、精准调控卤素分压、引入微量光电离介质（如Xe），并与电路参数形成多物理场协同，可显著提升脉冲能量与系统稳定性。未来研究需进一步探索非平衡等离子体动力学模型，实现气体配比的自适应控制，以满足高功率、高重复频率准分子激光器的工业化需求。

来源：泰思曼高压电源