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在高真空环境下做激光功率或能量的测试

随着半导体制程进入到13.5nm 光源波段，激光功率或能量的检测均需要在超高真空环境下完成，另外还有一些特殊应用比如说高能物理粒子加速器，太空或仿太空环境检测时均需要考虑超高真空环境。

1. 真空环境下使用的激光功率能量计需要考虑的问题

在为高真空环境设计激光功率与能量传感器时，需解决以下若干问题：气体释放、散热问题、信号传输及校准。

气体释放outgasing 是所有高真空系统都必须面对的问题。在真空环境下，材料内部或表面吸附的气体分子或者可能挥发的物质会有逐渐释放出来的过程，从而破坏真空度，最根本的危害是形成一个可能的污染源。所以如果需要将激光功率或能量探头直接放置于真空腔内，则此探头就需要具备与高真空系统兼容的低气体逸出速率。一般而言厂家会从材料和结构两方面进行品控。另外，真空腔体利用真空泵抽取真空时，往往采用腔体加热的方式加速附着于金属表面的气体分子挥发，而传感器因吸收激光辐射产生的热量而导致探头气体逸出速率增加起到了异曲同工的作用。

散热问题上看，显然强制空气冷却在真空环境下是不可能实现了，一般可行的方案是通过导热连接件直连真空腔体的金属管壁做散热，偶尔出现需要测试大功率激光的情况，则会考虑增加闭路循环强制冷却。无论哪种方案，都需要合理的设计热管理措施。

信号传输方面，显然不能直接引用探头标配的信号线连接表头，而需要采用真空腔体适配的转接头Feed-Through 做为中介，在不破坏真空的条件下传递数据信号。

在探头校准方面，我们知道常规激光探头的校准是在空气环境下的，由于探头的热散失形式与真空环境下完全不同，其校准数据是会有一定偏离的，所以真空环境下工作的探头需要单独做校准。

相对而言，热电堆探头的信号产生依赖于热传导，所以专门的真空条件下校准最有必要。而光电二极管探头利用的是直接光电效应产生信号，且只具备小功率或能量的测试能力，受到的影响就小很多，一般可不做特别的真空环境下校准。

2.真空环境下使用的激光功率能量探头实操：

对于真空环境下使用的光电二极管探头而言相对较为简便，光电二极管塔头表面积较小，且仅适用于测量低功率信号，因此在工作过程中发热较少。首先光电二极管可采用TO 型封装或陶瓷封装，这类封装通常具有较低的释气率，再增加真空腔适配的数据转接头即可。

而热电堆激光功率探头或热释电激光能量探头具有较大的表面积，且可用于测量高功率或高能量的激光，显然会有大得多的热负载。为确保传感器适用于真空环境，则上述四点:气体释放率，热管理措施，信号中继传接和探头校准就都需要考虑了.下面是以色列Ophir 公司真空环境下使用的激光功率能量计的一个实操演示模型：

图1. 热电堆式的激光功率探头于真空环境下检测的演示模型

如图1.所示，一个小型真空腔体的上出口接驳真空度计，下出口接驳真空泵，左入口是一个熔融石英窗口，激光从此口入射;右侧所示是一个热电堆探头物理连接到真空腔管壁上（这里需要说明的是为了演示热电堆探头气体释放outgasing 效应，选用了较细的连接柱与真空腔体连接,使得导热率较小）；另外可见真空壁上的Feed-Through 就是真空腔体适配的转接头用于数据的传输，最终连接激光功率计表头。

图2. 热电堆式的激光功率探头于真空环境下释气效应的演示

如图2.所示用同样的真空泵在有和没有安装热电堆探头情况下抽真空，获得了蓝色基线和有探头安装时再次检测真空度变化获得红色曲线。测得单个热电堆传感器的排气速率上限为2.25×10-7 mbar/L/s。

图3.激光辐照下探头倍加热而增加了气体释放率

如图3.所示，用一个1000W 的1070nm 激光辐照1 秒钟，也就是在热电堆探头表面辐照了1kJ 能量，由于本演示模型选刻意用了较细的连接柱与真空腔体连接使得导热率较小，模拟出了不良散热条件下的热电堆探头气体释放率的表现，可见激光辐照期间和其后的数秒探头的气体释放率是有较大增加的，其后真空度恢复表明气体释放速率已降低，且释放出的气体未被腔室壁吸收而被真空泵迅速排出。合理选择探头吸收体涂层及散热装置可进一步降低气体释放量。

对于超高分辨率的半导体制程，高能物理粒子加速器，太空或仿太空环境检测等需要超高真空环境下检测激光功率或能量时，客户可联系Ophir 公司的中国独家代理商先锋科技，说出您的设想与要求，Ophir 公司可以为您提供适配的解决方案。

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