光刻用准分子激光器的能量特性在集成电路的光刻过程中至关重要,直接影响光刻机曝光线条的精度。为了实现对于衡量能量特性的能量稳定性和剂量精度的精确控制,从放电电压调节的角度对激光脉冲的能量特性控制进行了研究。为了设计能量特性控制算法,首先对准分子激光器的放电特性建立了仿真模型,并验证了模型的有效性。然后,设计了基于强化学习的准分子激光器能量特性控制算法。最后在仿真模型上,分别采用Z-N(Ziegler-Nichol)参数整定的比例积分(PI)算法、粒子群优化(PSO)整定的PI算法和基于强化学习的算法对出光脉冲进行了控制,将最终的结果进行对比。实验结果证明,在基于强化学习的能量控制算法的控制下,激光器的能量稳定性小于4%,剂量精度小于0.3%,并且动态性能要优于Z-N参数整定的PI算法、PSO整定的PI算法。证明了算法的优越性,提高了光刻用准分子激光器的鲁棒性和实用性,满足了半导体光刻需求。

通过优化驱动光栅的电机PI控制器参数确定方法，加强了伺服电机的定位精度及稳定性，提升了单光路可调谐TEA CO2激光器的弱线输出稳定性并缩短了调谐间隔。该参数确定的方法基永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的频域模型，推导出了伺服三环比例积分控制器(Proportional Integral, PI)的解析表达式，并根据工程实际需求设定超调量与峰值时间，求出截止频率，以此确定满足最大相位裕度的条件下的伺服三环PI控制器的参数。采用PML40-530B8ANL交流直驱电机及G-POLHOR10P100EE-E0驱动器搭建了光路实验装置对上述参数进行了验证，转台定位系统的超调量为4.86％，调节间隔为19.5 ms。基于该转台系统搭建了快调谐TEA CO2激光器，在20 ms调谐间隔下进行激光器弱线能量稳定性实验，9P(44)谱线的单脉冲能量小于74 mJ，能量波动范围小于±3.35%，能量稳定度提高了3.62倍。

为了满足军用远程激光测距机对小体积高峰值功率固体激光器的应用需求, 采用短腔长、正交偏振电光调Q技术, 设计了小型风冷LD抽运Nd∶YAG固体激光器, 并对样机进行了实验验证。结果表明,激光器重量630g、重频20Hz、输出能量85mJ、脉冲宽度3.9ns、激光峰值功率21.8MW、束散角1.9mrad, 满足了小型化和高峰值功率的要求。该激光器具备较强环境适应性, 目前已实现工程化应用。

为了获得稳定的、大能量重频中红外HF激光输出, 基于紧凑型、闭环放电引发非链式HF中红外化学激光器, 从能量影响因素、解决措施和实验验证三个方面系统性地研究了100 Hz重频HF激光的能量稳定性。首先结合非链式HF化学激光动力学过程和静态重频实验, 分析发现了影响重频放电引发非链式HF化学激光器脉冲能量稳定性的三个主要因素, 包括均匀体放电难以维持、基态HF分子强的消激发效应和工作气体的持续消耗。然后利用工作气体循环流动置换增益区气体, 当增益区气体流速为9 m/s时激光器100 Hz重频运行的放电状态维持良好, 获得100 Hz/ 55 W的激光输出。最后, 采用分子筛吸附分离基态HF分子纯净工作气体以及实时补给工作气体, 提升了重频HF激光器长时间运行的能量稳定性。实验结果表明：100 Hz重频放电引发非链式HF激光器获得了30 s的长时间稳定输出, 激光能量下降率可优于10%。综合工作气体循环流动、分子筛吸附基态HF分子和工作气体实时补给, 放电引发非链式HF激光器实现了高重频长时间的稳定输出。

为了解决激光二极管抽运波长随温度漂移导致激光器输出能量下降的问题, 采用激光二极管抽运源波长匹配及凹凸稳定谐振腔技术实现免温控, 并进行了理论分析和实验验证。该激光器腔长210mm, 电光转换效率5.7%; 输出单脉冲能量大于60mJ, 在10℃～30℃范围内, 能量稳定度优于5%; 激光器输出光斑直径4mm、脉冲宽度8ns、激光器10Hz工作时, 激光远场束散角为1.1mrad。结果表明, 实验与理论分析计算结果符合, 该激光二极管侧面抽运免温控激光器可在一定温度范围内保持稳定的能量输出。该理论分析与方案对研究免温控激光器具有重要意义。

为了满足308 nm准分子激光皮肤治疗仪对激光输出参数, 特别是激光能量稳定性的要求, 首先建立了激光能量衰减模型, 提出了基于激励电压补偿能量的比例积分(PI)算法, 对PI算法进行了理论分析、模拟实现; 其次对准分子激光器进行了实验研究, 设计了高压激励电源和基于快速光电二极管的激光能量无损检测模块, 实验研究了激励电压与输出能量的关系、激光器能量衰减特性以及引入PI算法后的激光器能量稳定特性; 结果表明: 激励电源和能量检测模块满足PI算法的调节精度和响应速度, 引入PI算法后, 准分子激光器输出能量在1千万个脉冲内仍能维持目标能量17.5 mJ附近, 能量方差从0.2%缓慢上升至3%, 满足准分子激光皮肤治疗仪的使用需求。

采用法布里-珀罗(F-P)标准具选模的脉冲单纵模激光器虽具有结构简单紧凑以及波长可调谐的特点, 但存在输出能量对腔长变化敏感、长期稳定性差等问题。针对这些问题并根据F-P标准具产生单纵模激光的工作原理, 分析了影响此类激光器输出能量稳定性的主要因素, 得到了频率、谐振腔长与输出激光能量之间的关系, 提出了动态反馈控制腔长的能量稳定控制方法, 设计了基于现场可编程门阵列的高速数字电路能量稳定系统。利用所提控制方法对谐振腔长进行周期性调制, 采用光电二极管探测纳秒脉冲激光信号的强度。腔长调制引起的纵模频率变化直接影响输出激光信号的强度, 通过分析激光强度变化的信息, 计算腔长失谐量, 以此为依据进行实时的腔长补偿, 从而形成闭环控制系统, 实现单纵模激光的长期稳定输出。实验结果表明, 采用所提控制系统时, 纳秒脉冲单纵模激光器能量稳定性得到显著提高, 连续工作3 h的能量不稳定度达到1.3%。

利用880 nm激光二极管端面准连续抽运Nd:YVO4激光晶体，在采用六镜环形谐振腔设计并使激光器单向行波运转的基础上研制了一台稳定输出的全固态声光调Q单纵模脉冲激光器。通过在谐振腔中插入声光Q开关和复合标准具，获得了稳定运转的单纵模脉冲激光输出。进一步优化输出耦合镜透射率，可以压窄激光脉宽和提高单脉冲能量。当峰值抽运功率为29.1 W时，获得了重复频率为1 kHz、脉冲宽度为23.5 ns、单脉冲能量为1.64 mJ的单纵模脉冲激光输出。该单脉冲能量在2.5 h内的长期稳定性优于±1.3%。

为提高非链式电激励脉冲HF激光的能量稳定性，分析了激光产生反应动力学和影响激光能量稳定性的主要因素，得知基态HF分子的生成、工作气体的温度上升以及工作气体C_{2H6的消耗是激光能量快速下降的主要原因。经实验研究，没有采用任何反应产物去除方法的情况下，激光器输出1600个脉冲激光后，激光能量下降率达31%，采用沸石分子筛吸附单元对基态HF分子进行吸附后，同样输出1600个脉冲激光，激光能量基本趋于平稳状态，且输出约5500个脉冲激光后，激光能量较初始平均值仅有10%的下降；另外，在激光器运行过程中，恢复工作气体的初始温度和补充少量的C2H6也能改善激光能量的稳定性，其中补充25%的C2H6气体可使激光能量提高近8%。由激光产生反应动力学和实验研究结果可知，增加分子筛吸附单元、工作气体温控单元和工作气体实时补给单元可提高激光能量的稳定性。output energy stability of non-chain HF laser}

为延长稀有气体卤化物准分子激光器工作气体使用寿命, 在原有供气设备基础上增加了工作气体实时补给技术.该技术采用FPGA控制系统将逐步提高放电电压、补充卤素气体和更换部分混合气体等操作有效组合起来.随着激光脉冲能量的下降, 逐步提高放电电压; 当放电电压达到最大值时, 开始补充卤素气体, 并恢复放电电压; 当补充卤素气体效果不明显时, 更换部分混合工作气体.将该技术应用于医用型ArF准分子激光器中进行实验研究, 结果表明: 在没有使用工作气体实时补给技术的情况下, 激光器累计工作14.38 h后, 输出单脉冲激光能量下降了17.2%;采用工作气体实时补给技术后, 激光器输出能量下降速率明显降低, 累计工作14.38 h, 其单脉冲能量下降率能控制在3%范围内.因此, 采用该技术可延长激光器工作气体的使用寿命、提高输出激光能量稳定性、减少停机次数并降低运行成本.