CN103688337B - 等离子体光源 - Google Patents

Abstract

一种透明波导等离子体光源（LUWPL）（1）具有石英波导主体（2），其具有中心的通孔（3）。孔在其相对端部具有孔口（4，5），其在主体（2）的平的端面（6，7）的中心开口。在端面之间，主体具有圆柱形外围（8）。拉制石英管（10）被插入主体中。管使其一个端部（11）密封并且具有将管定位在孔中的领部（12），管在孔的孔口处熔融至面（6，7）。管被抽空并填充可激发材料（1），并封闭为密封中空（16），其至少延伸至主体和管之间、孔的孔口处的熔融件。法拉第罩（21）和主体中的孔（23）中的天线（22）被设置为用于将微波能量提供至光源。当利用微波供能时，在波导中建立谐振并且在中空中产生等离子体。来自于此的光从中空中辐射并从外围（8）径向离开波导和法拉第罩。

Description

等离子体光源

技术领域

本发明涉及等离子体光源。

背景技术

在以我们的名称授权的欧洲专利No EP1307899中，请求保护了一种光源，该光源包括波导和灯泡，波导被配置为连接至能量源并且用于接收电磁能量，灯泡耦合至波导并且包含当从波导接收到电磁能量时发光的气体填充物，其特征在于：

(a)波导包括主要包含介电材料的主体，该介电材料具有大于2的介电常数、小于0.01的损耗因数和大于200千伏/英寸的DC击穿阈值，1英寸是2.54cm，

(b)波导的形状和大小能够以0.5～30GHz的范围内的至少一个操作频率来在波导主体内支持至少一个电场最大值，

(c)腔体从波导的第一侧向内部延伸，

(d)灯泡位于操作期间腔体中电场最大的位置处，气体填充物在接收到来自谐振波导主体的微波能量时形成发光等离子体，以及

(e)位于波导主体内的微波馈源适用于从能量源接收微波能量并且与波导主体紧密接触。

在我们的欧洲专利No2188829中，描述并请求保护了一种由微波能量供能的光源，该光源具有：

·其中具有密封中空的主体，

·围绕主体的微波密封法拉第罩，

·法拉第罩内的主体为谐振波导，

·在所述中空中的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，以及

·布置在主体中的天线，用于将诱导等离子体的微波能量传输到填充物，该天线具有：

·在主体外部延伸的连接部，用于耦合至微波能量源；

其中：

·所述主体为固态等离子体坩埚，其材料是透明的，用于使光从中离开，以及

·法拉第罩至少部分透光，用于使光从该等离子体坩埚离开；

该布置使得来自该中空中的等离子体的光能够传播通过该等离子体坩埚并且经由该罩从等离子体坩埚中辐射出去。

我们将此称为我们的发光谐振器（Light Emitting Resonator，LER）或LER专利。上文刚刚所述的主权利要求，就像其现有技术部分所述，是基于首先描述的我们的EP1307899所公开的内容的。

我们已经提交了以No:EP2399269、EP2438606、EP2430647和WO2011073623（改进申请）公布的LER改进和修改申请。

在我们的公开号为No WO2010055275的欧洲专利申请No08875663.0中，描述和请求保护了一种光源，包括：

·固态介电材料的透明波导，具有：

·围绕波导的至少部分透光的法拉第罩，法拉第罩适于径向透光，

·波导和法拉第罩内的灯泡腔体，以及

·波导和法拉第罩内的天线凹陷，以及

·具有微波可激发填充物的灯泡，灯泡被容纳在灯泡腔体中。

我们将此称为我们的蚌壳（Clam Shell）申请，其中透明波导围绕灯泡形成蚌壳。

如在我们的LER专利、我们的LER改进申请、我们的蚌壳申请和本说明书中所使用的：

·“微波”不旨在指精确的频率范围。我们使用“微波”来指从大约300MHz至大约300GHz的三个量级的范围；

·“透明”是指构成被描述为透明的物品的材料是透明的或半透明的；

·“等离子体坩埚”是指包封等离子体的封闭体，当中空中的填充物由来自天线的微波能量激发时，该等离子体位于中空中；

·“法拉第罩”是指电磁辐射的导电外壳，其至少对操作频率（即微波）的电磁波是基本不透过的。

LER专利、蚌壳申请和以上的LER改进申请的共同点在于以下方面：

透明波导等离子体光源，具有：

·固态介电透明材料的制造件，具有：

·密封中空，包含电磁波、通常地微波可激发的材料；以及

·法拉第罩：

·限定波导，

·至少部分透明，并且通常对于从其发出的光至少是部分透射的，

·通常具有不透明的外壳；以及

·包封制造件；

·用于将激发电磁波，通常为微波，的等离子体引入波导中的装置；

该布置使得在引入确定的频率的电磁波、通常为微波时，在中空中产生等离子体并且光经由法拉第罩发出。

在本说明书中，我们将透明波导等离子体光源（LUCENT WAVEGUIDE PLASMA LIGHTSOURCE）称为LUWPL。

目前，由于透明材料可以是石英和/或可以包含玻璃，这种材料具有典型固体的特定性质和典型液体的特定性质并且被称为超冷液体，为了本说明书的目的，超冷液体被认为是固体。

在我们的LER专利的优选实施例中，中空直接形成在通常是石英主体的透明波导中。如果等离子体导致波导材料的微小裂纹，它之后会传播通过主体，这可能导致问题。

在我们的蚌壳申请中，该问题不存在，因为具有中空和可激发材料的石英灯泡与透明波导分开并且被插入至透明波导中。波导可以由两半形成，其间夹有灯泡，或者波导可以由单一主体形成，该单一主体具有容纳灯泡的孔。

发明内容

本发明的目标是提供一种改进的LUWPL，其中实现了LER专利的益处，并具有与蚌壳申请相似的结构。

根据本发明，提供一种透明波导等离子体光源，具有：

·固态介电透明材料的制造件，具有：

·密封中空，包含电磁波，通常为微波，可激发的材料；以及

·法拉第罩：

·限定波导，

·至少部分透明，并且通常对于从其发出的光至少是部分透射的，

·通常具有不透明的外壳，以及

·包封制造件；

·用于将激发电磁波，通常为微波，的等离子体引入波导中的装置；

该布置使得在引入确定的频率的电磁波，通常为微波时，在中空中产生等离子体并且光经由法拉第罩发出，以及其中制造件包括：

·具有孔的透明波导主体，以及

·孔中的透明管，该管提供密封中空并且该管具有：

·第一密封端部和第二密封端部，以及

·在主体和管之间的、位于孔的一个孔口处的、管的第一密封端部处或附近的熔融件，

其中，中空至少延伸至主体和管之间的、在孔的孔口处的熔融件。

优选地，管在主体和管之间的熔融件处在一个位置处形成有隆起部以相对于主体定位管。

可以想到，中空可以延伸超出熔融件和/或管的隆起部。然而，优选的是，中空延伸至熔融件和/或管的隆起部。

通常，管的一个端部在插入至孔中之前密封。

理论上可行的是，管在熔融至波导主体之前形成为灯泡。然而，优选的是，其中填充有可激发材料的中空在管熔融至主体之后被密封。

同时可以想到，透明波导主体和透明管可以由不同的材料制成，优选地，由相同的材料制成，该材料通常为石英。

在本发明的第一实施例中，优选地：

·孔是通孔，

·波导主体中的孔被穿孔和抛光成能利用滑动适配容纳管的内径，

·管在离端部包封大致孔的长度处形成隆起部/领部，

·管在两个孔口处熔融至主体，

·管在填充有等离子体材料并密封之前在两个孔口处熔融至主体。

在本发明的第二实施例中，优选地：

·波导主体中的孔被穿孔和抛光，

·环形间隙被设置在孔和管之间，

·管在一个位置处形成有领部以相对于主体定位管，

·管的第二密封端部在孔内是自由的，

·孔被密封并抽空或填充有惰性气体，以及

·管在填充有等离子体材料并密封之前在孔的孔口处熔融至主体。

附图说明

为了帮助理解发明，现在将通过示例的方式并参考附图来描述本发明的具体实施例，其中：

图1是根据本发明的透明波导等离子体光源的横截面视图；以及

图2是图1的光源的制造中使用的等离子体中空管的类似视图。

图3是根据本发明的透明波导等离子体光源的横截面视图；以及

图4是图1的光源的制造中使用的透明主体和两个所附接的管的类似视图。

具体实施方式

参考图1和2，LUWPL1具有石英波导主体2，其具有短的、20mm的长度并具有圆形的、49mm的外部直径。其具有中心的、6mm的通孔3。该孔被抛光至光学光滑度，但不需要被抛光至去除石英主体内的微小裂纹的所有可能性的程度。该孔在其相对端部处具有孔口4、5，其在主体的平的端面6、7的中心开口。在端面6、7之间，主体具有圆柱形外围8。

在穿孔之后，拉制石英管10被插入主体中。其具有与孔相同的公称尺寸，并滑动适配在孔中。其具有1mm的壁厚。在插入阶段，管使其一个端部11密封并且通过在与密封端部的圆顶14距离25mm处突出而形成领部12。领部使管位于孔中并且之后在孔的孔口处通过通常的玻璃加工技术被熔融至面6、7。

管具有延伸部，通过该延伸部，管可以被抽空并填充可激发材料15，并且被封闭为密封中空16。这可以通过我们的早期欧洲专利No.1,831,916——我们的密封专利来实现。图2中示出了管的远端和近端颈部17、18，用于管的第一次和第二次密封——在其被熔融至主体之后。

图1中包括的是网状法拉第罩21和主体中的孔23中的天线22，用于将微波能量供给至光源。法拉第罩通过固态金属支撑件24密封，固态金属支撑件24被夹紧至罩上。当利用微波供能时，典型地如我们的LER专利和我们的国际专利申请No.PCT/GB2010/000911中所述的那样，在波导中建立谐振并且在中空中产生等离子体。来自于此的光从中空中辐射并从外围8径向离开波导和法拉第罩。

参考图3和4，LUWPL101具有石英波导主体102，其具有短的、20mm的长度并具有圆形的、49mm的外部直径。其具有中心的、6mm的孔103。该孔被抛光至光学透明度，但不需要被抛光至去除石英主体内的微小裂纹的所有可能性的程度。该孔在其端部处具有孔口104，其在主体的平的端面105的中心开口。另一端面106具有孔的包封部107。在主体的端面105、106之间具有圆柱形外围108。

在使得孔103穿过主体之后，6mm内径的拉制石英管110被熔融至面106并将形成如下所述的包封部107。另一4mm内径的拉制石英管111被密封并在一个端部112形成圆顶，并且在距离拱形端部17mm处形成有突起的领部114。密封管111被插入孔中，利用领部将管定位在面106中的孔的孔口104处。领部被熔融至孔口处的面。

现在主体具有两个附接的管，较小的管延伸至中心孔，以及较大的管将孔延伸。较小的/内部的管被抽空并填充可激发材料115，并且被封闭为密封中空116。这可以通过我们的早期欧洲专利No.1,831,916——我们的密封专利来实现。图4中示出了管的远端和近端颈部117、118，用于内部管的第一次和第二次密封——在其被熔融至主体之后。较大的管也被抽空，使围绕内部管的空间被抽空，并可能填充有氮气。其以与内部管相同的方式被密封，但是仅需要一个颈部119。

结果是由内部管形成的内部石英包封部具有其中心的中空，该中空填充有可激发材料，并由窄的圆柱形腔120围绕，该圆柱形腔120使内部管绝缘，允许其变热。

图3中包括的是网状法拉第罩121和主体中的孔123中的天线122，用于将微波能量供给至光源。法拉第罩通过固态金属支撑件124密封，固态金属支撑件124被夹紧至罩上。当利用微波供能时，典型地如我们的LER专利和我们的国际专利申请No.PCT/GB2010/000911中所述，在波导中建立谐振并且在中空中产生等离子体。来自于此的光从中空中辐射并从外围108径向离开波导和法拉第罩。

本发明不意于局限于上述实施例的细节。例如，孔可以被钻成为没有开口的。其中密封有内部管的腔120之后保持填充有空气，或者任何周围大气，可能地真空。可选地，孔可以是通孔并开口，腔保持填充空气。空气仍然提供内部管和主体之间的可观的绝缘。此外，尽管熟悉我们的LER技术的读者理解优选实施例的LUWPL制造件的尺寸在2.45GHz处适用于TM010模式，但本发明可应用于其他频率和模式，诸如TE111模式。这种用于2.45GHz的制造件的外径是44mm并且长度是64mm，即，直径稍小但更长。该模式具有在较高功率处具有较高的Q值的优点。

Claims (16)

1.一种透明波导等离子体光源，具有：

·固态介电透明材料的制造件，具有密封中空，所述密封中空包含电磁波可激发的材料；

·法拉第罩：限定波导，至少部分透明，并且对于从其发出的光至少是部分透射的，具有不透明的壳，以及包封所述制造件；

·用于将激发电磁波的等离子体引入所述波导中的装置；

所述制造件、所述法拉第罩和所述装置被布置为使得在引入确定的频率的电磁波时，在所述中空中产生等离子体并且光经由所述法拉第罩发出，以及其中所述制造件包括：

·具有孔的透明波导主体，以及

·所述孔中的透明管，该管提供所述密封中空并且该管具有：第一密封端部和第二密封端部，以及在所述主体和所述管之间的、位于所述孔的一个孔口处的、所述管的第一密封端部处或附近的熔融件，

其中，所述中空至少延伸至所述主体和所述管之间的、所述孔的所述孔口处的所述熔融件，以及所述管在所述主体和所述管之间的熔融件处形成有隆起部，所述隆起部在所述主体的外部。

2.根据权利要求1所述的透明波导等离子体光源，其中：

·所述中空延伸超出所述熔融件和所述管的隆起部，和/或

·所述管的第二密封端部在所述孔内是自由的，和/或

·所述管在所述主体和所述管之间、在所述孔的另一孔口处具有第二熔融件，所述孔是通孔。

3.根据权利要求1或2所述的透明波导等离子体光源，其中：

·所述波导主体中的孔被穿孔和抛光成能利用滑动适配容纳所述管的内径，和/或

·环形间隙被设置在所述孔和所述管之间。

4.根据权利要求1或2所述的透明波导等离子体光源，其中，所述孔：

·被抽空，和/或

·被填充有惰性气体，和/或

·在至少一个端部开口。

5.根据权利要求1或2所述的透明波导等离子体光源，其中，所述透明波导主体和所述透明管由相同的或不同的材料制成。

6.根据权利要求1或2所述的透明波导等离子体光源，其中，所述透明波导主体和所述透明管中至少之一由石英制成。

7.根据权利要求1所述的透明波导等离子体光源，其中，所述电磁波为微波。

8.一种制造透明波导等离子体光源的方法，该方法包括以下步骤：

·提供具有孔的透明波导主体；

·密封透明管的一个端部；

·在所述管中一个位置处形成隆起部以相对于所述波导主体定位所述管；

·将所述透明管插入所述主体中的孔中；

·在所述孔的第一孔口处将所述管熔融至所述主体；

·利用可激发材料填充所述管；以及

·密封所述管的另一个端部以形成包含可激发材料的中空；

其中，所述中空至少延伸至所述主体和所述管之间、所述孔的孔口处的熔融件，所述隆起部在所述主体的外部。

9.根据权利要求8所述的制造透明波导等离子体光源的方法，其中，在将所述管插入所述孔中之前，密封所述管的至少一个端部。

10.根据权利要求8或9所述的制造透明波导等离子体光源的方法，还包括在所述孔的第二孔口处将所述管熔融至所述主体的步骤。

11.根据权利要求8或9所述的制造透明波导等离子体光源的方法，其中，在利用可激发材料填充所述管并密封所述管之前，所述透明管被插入所述孔中并在所述孔的至少第一孔口处熔融至所述波导主体。

12.根据权利要求8或9所述的制造透明波导等离子体光源的方法，其中，在利用可激发材料填充所述管并密封所述管之后，所述透明管被插入所述孔中并在所述孔的至少第一孔口处熔融至所述波导主体。

13.根据权利要求8或9所述的制造透明波导等离子体光源的方法，还包括以下步骤：

·将所述孔抽空，以及

·密封所述孔。

14.根据权利要求13所述的制造透明波导等离子体光源的方法，还包括在密封所述孔之前利用惰性气体填充所述孔的步骤。

15.一种用于透明波导等离子体光源的固态介电透明材料的制造件，所述制造件具有：

·密封中空，包含电磁波可激发的材料，

其中，所述制造件包括：

·具有孔的透明波导主体，以及

·所述孔中的透明管，该管提供密封中空并且该管具有：第一密封端部和第二密封端部，以及隆起部，以及在所述主体和所述管之间的、在所述孔的一个孔口处的、所述管的第一密封端部处或附近的熔融件，

以及其中，所述中空至少延伸至所述主体和所述管之间的、在所述孔的所述孔口处的所述熔融件，所述隆起部在所述主体的外部。

16.根据权利要求15所述的制造件，其中，所述电磁波为微波。