提高深紫外光刻照明系统扩束单元光束均匀性的方法

在曝光线宽为90nm节点的投影光刻机照明系统中,针对准分子激光光源扩束后出射光束均匀性较差的问题,用高斯光束边缘叠加能够提高均匀性的原理对反射式扩束单元进行了分析。结果表明,平行反射式扩束单元出射光束之间叠加尺寸与反射板某区域透射率存在矛盾,制约了照明光束均匀性的提高。为此,提出了非平行反射扩束镜组,推导了出射光束尺寸、叠加子光束个数与两反射镜楔角之间的关系式,确定了楔角的取值范围和扩束单元的结构形式。通过建模分析,验证了设计的扩束单元在实现光束一维扩束的同时,不仅减小了叠加光束的干涉散斑效应,还提高了光束均匀性。     

可压缩混合层流场光学效应分析与实验研究

利用量级分析和风洞实验研究了末制导光学外冷窗口典型流动(可压缩混合层流动)气动光学效应的规律性.理论分析主要针对视线误差(boresight error, BSE)与混合层流场特征参数之间的关系进行了讨论. 研究结果表明: 在可压缩混合层中影响时均BSE的特征参数主要有 对流马赫数、雷诺数、自由流与混合层界面剪切应力、自由流速度比和密度比等因素; 采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的关系. 关键词： 气动光学效应 可压缩混合层 对流马赫数     

单光束扩束扫描激光周视探测系统参数对探测能力的影响

针对现有单光束激光同步扫描周视探测对脉冲重复频率要求较高,难以实际应用的问题,提出单光束扩束扫描激光周视探测方法.基于单光束扩束扫描激光周视探测工作原理,推导了最低扫描频率和脉冲频率解析式;分析了圆柱目标回波特性及关键参数截面衰减系数,建立了脉冲扩束激光圆柱目标回波功率数学模型,讨论了系统参数对截面衰减系数的影响,得到最大相邻脉冲光束夹角表达式;重点分析了脉冲频率、光束角和光束入射角对不同直径目标的探测能力的影响;得到了探测系统对典型条件下最大光束角、最低脉冲频率的计算方法.结果表明,对扫描光束稍加扩束可有效降低脉冲重复频率要求.研究结果可为单光束脉冲激光周视探测系统设计、优化提供理论依据.     

深紫外光刻照明系统扩束单元设计

在曝光线宽为90nm的投影光刻机中,准分子激光光源发出的矩形截面光束,需要进行一维扩束,以获得光束整形单元所需的正方形截面分布。现有的这类扩束单元分别存在严重的相干散斑效应和严格的装调公差等不足。基于此,提出了多组元平行反射扩束镜组。通过求解各组元透射率值的线性方程组,得到若干种扩束单元结构,其中的四组元扩束单元每个组元只有一种透射率,有效降低了镀膜的工艺成本。分别从公差分析、系统透射率和出射光束均匀性等方面对各类扩束单元结构进行综合比较,并通过建模仿真,验证了设计的四组元扩束单元的散斑效应和装调公差灵敏度都明显降低,而且出射光束较均匀,有利于提高照明均匀性。     

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束仿真研究

光束质量因子M²是表征高功率激光器横模特性的主要参数,针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题,开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术原理与仿真研究。建立了衰减缩束组件的仿真模型,利用有限元的方法对光学元件在高功率激光下的热致像差进行研究,得出热致像差的峰谷(PV)值小于82 nm时,对光束质量因子的影响小于5%。当光束通过衰减组件时,如果发生退偏,光束质量因子将偏小。基于泽尼克多项式和光束质量因子计算模型,研究分析了缩束组件波前畸变对测量的影响,并通过Zemax仿真分析看出,在装调时入射光与缩束组件中心光轴夹角视场小于7°时,对光束质量因子测量的影响小于5%。     

扩束准直光学系统中光学元件失调对高斯光束传输变换的影响分析

基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 以高斯光束为激光束模型,推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式,分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响,并在此基础上进行了仿真。实验结果表明,高斯光束通过失调扩束准直光学系统时,出射光束变为偏心高斯光束,光学元件失调程度越大,输出光束越偏离光轴,光束质量越差。在同样的失调下,长焦距光学元件对输出光束影响更大,因此在激光扩束准直光学系统中,调整长焦距光学元件更为重要。     

可压缩混合层光学传输效应理论分析与实验研究

利用量级分析和风洞实验研究了可压缩混合层流动第二发展阶段气动光学效应的规律性.理论分析主要针对二维大尺度结构存在时视线误差(boresight error,BSE)与混合层流场及其特征参数之间的关系进行了讨论.研究结果表明:在混合层发展的第二阶段,时均BSE与对流马赫数呈现出复杂的非线性关系;同时还发现流场中的湍动能和混合层界面处的雷诺应力分布也是影响时均BSE的重要因素;采用细光束穿越混合层流场的风洞试验结果主要证实了时均BSE与对流马赫数之间的非线性关系.     

激光变倍准直扩束系统设计

激光准直扩束系统可应用在激光测距,激光切割,空间光学激光干涉仪等各个领域。其主要作用是通过改善激光束的空间发散角,提高光束的准直性,使激光束达到对孔径的要求。基于无焦变倍原理运用Zemax软件模拟设计了一激光准直扩束系统,入射激光波长为1064 nm,发散角小于5 mrad,入射直径为1 mm,准直扩束系统的扩束比4~24倍连续可调,可实现压缩光束的发散角(出射光发散角可压缩至0.208 mrad),扩大光斑尺寸,达到对激光准直和扩束的目的。不同倍率下波像差最大均方根(RMS)值为0.1769λ,均小于λ/4,满足像质评价要求。此设计结构简单,易于加工装调,具有较高的实际应用价值。     

高功率激光器光束质量测量的衰减缩束实验

针对目前光束质量分析仪只能用于小口径、低功率激光器光束质量评估的问题，开展了高功率激光器光束质量测量的衰减缩束技术实验研究，搭建了缩束激光的波像差及光束质量测量装置，开展了缩束组件装调误差对光束质量影响的实验。实验结果表明，随着装调视场角度的增加，1/3倍缩束组件在1.2°视场处M²测量偏差小于5%。搭建了偏振分光装置，研究了衰减组件对光束稳定性的影响。实验结果表明，随机偏振的准单模激光器的稳定性比多模激光更易受到衰减组件退偏的影响。搭建了高反式与楔板式高功率激光光束质量测量装置，对1 kW准单模激光进行光束质量测量。实验结果表明，在高反式测量装置中，待测光束通过高反镜时产生了退偏，从而导致光束质量测量结果偏小，楔板式测量装置的测量结果更能准确反映待测光的光束质量。     

连续模式相干测风激光雷达性能优化分析及实验研究

基于风场探测的需求,采用1550 nm波长连续激光种子源搭建了一套全光纤结构多普勒相干测风雷达系统.从雷达方程出发,对连续激光相干雷达载噪比方程和不同雷达收发望远镜聚焦位置下风速合成权重进行了分析.针对测风雷达要求设计了5～200 m的变焦激光收发望远镜模块.扩束系统采用伽利略折射式结构,发射光束准直下扩束比为23,光...     

共形转塔气动光学效应时空特性研究

研究了相同马赫数、相近雷诺数、不同口径(400 mm和2 000 mm)共形转塔的气动光学效应, 系统地给出了发射方向不同时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。发现多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分, 平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明,缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性, 但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择, 指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时, 气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小, 并且发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加, 但湍流效应基本不变。     

高速流动PIV示踪粒子跟随性分析

通过理论推导提出了一种评价高速流动PIV示踪粒子随流能力的松弛特性分析模型,在法向Mach数大于1.4时具有良好的适用性.将新模型应用于试验测量,发展了高速流动PIV系统和示踪粒子布撒技术,验证了高速流动PIV的定量化测量能力.针对空间发展的二维超声速气固两相混合层,数值模拟了不同Stokes数和对流Mach数（M_c）下的粒子跟随性以及弥散和迁徙运动,结果表明:相同对流Mach数,粒径越小的示踪粒子跟随性越好,Stokes数在[1, 10]范围内的粒子有最大扩散距离.示踪粒子的直径大小决定其在超声速混合层大涡拟序结构中的分布特征,且粒径越小,气体与粒子的掺混越剧烈.相同粒径的粒子,对流Mach数越大跟随性越差.      

有厚度平板尾缘可压缩剪切层中的涡结构数值模拟

采用一个新型Fu Ma高精度UCD5 SCD6紧致差分算法,通过直接求解二维Navier Stokes方程,成功实现了有厚度平板尾缘可压缩剪切层中涡结构的数值模拟,并考查了平板厚度对其的影响.计算对流马赫数M_c=0.3,平板厚度分别为1,2,3,4个参考长度.结果表明,增加平板厚度可促使平板尾缘可压缩剪切层中的涡提前卷起,有利于两股气流混合.     

超声速混合层MHz级超高频流动可视化实验

研究发展了超高频基于纳米示踪的平面激光散射（nano-tracer planar laser scattering,NPLS）技术。基于多腔并联脉冲激光器技术、棱锥分光与短曝光相机集成技术以及高精度同步控制技术,实现了MHz级流场可视化和精细测量。采用超高频NPLS技术研究了对流Mach数Ma_c=0.17,0.26混合层流场,获得了时间序列的混合层高分辨率NPLS图像。采用阵列型涡流发生器开展流动控制研究,分析涡流发生器对混合层发展的影响特性。通过选取典型涡结构,分析了超声速混合层不同发展阶段的涡运动和发展演化规律。发现混合层中段的不稳定性发展阶段,涡结构以平移和旋转为主,伴随一定的拉伸;混合层后段以变形和破碎为主,有大量小尺度结构产生。并且小尺度结构会受到剪切、大尺度结构以及小激波的影响,发生明显的非定常运动。      

Planar nearfield acoustical holography in moving fluid medium at subsonic and uniform velocity

Nearfield acoustical holography (NAH) data measured by using a microphone array attached to a high-speed aircraft or ground vehicle include significant airflow effects. For the purpose of processing the measured NAH data, an improved nearfield acoustical holography procedure is introduced that includes the effects of a fluid medium moving at a subsonic and uniform velocity. The convective wave equation along with the convective Euler's equation is used to develop the proposed NAH procedure. A mapping function between static and moving fluid medium cases is derived from the convective wave equation. Then, a conventional wave number filter designed for static fluid media is modified to be applicable to the moving fluid cases by applying the mapping function to the static wave number filter. In order to validate the proposed NAH procedure, a monopole simulation at the airflow speed of Mach=-0.6 is conducted. The reconstructed acoustic fields obtained by applying the proposed NAH procedure to the simulation data agree well with directly-calculated acoustic fields. Through an experiment with two loudspeakers performed in a wind tunnel operating at Mach=-0.12, it is shown that the proposed NAH procedure can be also used to reconstruct the sound fields radiated from the two loudspeakers.     

高速流场下凸台周围的气动光学效应

针对高速流场下凸台周围的气动光学效应,对不同马赫数下的三种凸台形状周围的流场进行仿真计算,计算得到流场的密度变化,计算了光线经流场传输后的光程差。仿真结果表明:随马赫数增大,光程差逐步增大;同等条件下,不同出射角度对应的光程差不同,凸台存在强烈的尾流区域,从而导致较大的光程差;在马赫数达到跨音速时,凸台顶端也会产生较大的光程差;曲率较小的凸台结构对周围流场的影响较小。     

Experimental study on supersonic film cooling on the surface of a blunt body in hypersonic flow

The experimental study focuses on the heat flux on a double cone blunt body in the presence of tangential-slot super- sonic injection into hypersonic flow. The tests are conducted in a contoured axisymmetric nozzle with Mach numbers of 7.3 and 8.1, and the total temperature is about 900 K. The injection Mach number is 3.2, and total temperature is 300 K. A constant voltage circuit is developed to supply the temperature detectors instead of the normally used constant current circuit. The schlieren photographs are presented additionally to visualize the flow and help analyze the pressure relationship between the cooling flow and the main flow. The dependence of the film-cooling effectiveness on flow parameters, i.e. the blow ratio, the convective Mach number, and the attack angle, is determined. A semi-empirical formula is tested by the present data, and is improved for a better correlation.     

On whistling of pipes with a corrugated segment: Experiment and theory

Corrugated pipes are commonly used because of their local rigidity combined with global flexibility. The flow through such a pipe can induce strong whistling tones, which is an environmental nuisance and can be a threat to the mechanical integrity of the system. This paper considers the use of a composite pipe: a shorter corrugated pipe segment embedded between smooth pipe segments. Such a pipe retains some flexibility, while the acoustical damping in the smooth pipe reduces whistling tones. Whistling is the result of coherent vortex shedding at the cavities in the wall. This vortex shedding is synchronized by longitudinal acoustic waves traveling along the pipe. The acoustic waves trigger the vortex shedding, which reinforces the acoustic field for a critical range of the Strouhal number values. A linear theory for plane wave propagation and the sound production is proposed, which allows a prediction of the Mach number at the threshold of whistling in such pipes. A semi-empirical approach is chosen to determine the sound source in this model. This source corresponds to a fluctuating force acting on the fluid as a consequence of the vortex shedding. The functional form of the Strouhal number dependency of the dimensionless sound source amplitude is based on numerical simulations. The magnitude of the source and the Strouhal number range in which it can drive whistling are determined by matching the model to results for a specific corrugated pipe segment length. This semi-empirical source model is then applied to composite pipes with different corrugated segment lengths. In addition, the effect of inlet acoustical convective losses due to flow separation is considered. The Mach number at the threshold of whistling is predicted within a factor 2.