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Laserradiometrie für UV- und VUV-Laser

Categories:
  • Metrology for Economy
31.12.2004

Mit dem Abschluss des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Vorhabens "Energie- und Leistungsmessung von UV-Lasern unterhalb 200 nm2 steht in der PTB nun auch eine Einrichtung zur rückführbaren Kalibrierung von Empfängernormalen für die Laserleistungs- und Laserenergiemessung bei 157 nm zur Verfügung. Hierzu wurde ein neues Empfängernormal (LM8) für die hochpräzise Messung der Laserleistung bei 157 nm entwickelt. Dieser Detektor besitzt als Absorber einen mit Gold beschichteten Kupferkegel, dessen Erwärmung als Maß für die eingestrahlte Laserleistung dient. Die Reflexionsgrad dieses Normals bei 157 nm, welches die kritische Messgröße bei der Charakterisierung darstellt, wurde aus den optischen Konstanten von Gold unter Berücksichtigung gemessener Empfindlichkeiten bei den Wellenlängen 193 nm, 248 nm, 308 nm und 351 nm bestimmt. Dieser Empfänger ist einsetzbar unter Hochvakuum (p < 1·10-6 mbar) sowie unter verschiedenen Gasatmosphären für mittlere Laserleistungen bis zu 0,8 W mit einer erweiterten Unsicherheit (k = 2) von 1 %. Er ist über eine Reihe von Zwischenschritten an das Primärnormal für Laserleistung – das Kryoradiometer – angeschlossen. Mittels eines an den LM8 angeschlossenen Sekundärnormals sind Kalibrierungen bei bis zu 3,2 W, einer maximalen Impulsenergie von 20 mJ und einer maximalen Repetitionsrate von 200 Hz bei rechteckigem Strahlprofil (8 mm × 24 mm) möglich. Die Messunsicherheit beträgt dabei 2 %. Damit stellt die PTB nun bei allen kommerziellen Excimerlasern mit Wellenlängen bei 351 nm, 308 nm, 248 nm, 193 nm und 157 nm Kalibriermöglichkeiten zur Verfügung. Dieses umfassende Angebot wird außerhalb der PTB nur noch vom NIST unterhalten.

Zur Verifizierung der internationalen Äquivalenz wurde deshalb ein bilateraler Vergleich mit dem NIST bei der Wellenlänge 248 nm (KrF Excimerlaser) durchgeführt. Dazu wurden zwei Transfernormale zunächst an der PTB und anschließend am NIST kalibriert. Die festgestellte Abweichung der spektralen Empfindlichkeit ist kleiner 1 % und liegt damit deutlich innerhalb des Bereichs der kombinierten Messunsicherheiten. Für zukünftig anstehende Vergleichsmessungen bei 157 nm und 193 nm wurden Testmessungen mit unterschiedlichen Empfängern vorbereitet und stimmen im Rahmen der gemeinsamen Unsicherheit befriedigend überein. Die besondere Schwierigkeit von Vergleichsmessungen im VUV liegt dabei an dem unterschiedlichen Restgehalt an Sauerstoff und Ozon in den jeweiligen Strahlengängen.


Empfängernormale zur Messung der absoluten mittleren Leistung von Fluorid- und Excimerlasern. Links: LM8 für 157 nm (F2-Laser), rechts: LM4 für Excimerlaser (193 nm, 248 nm, 308 nm, 351 nm).

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