CN116235277B - 高亮度激光泵浦等离子体光源和用于降低像差的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种激光泵浦等离子体光源。该等离子体光源包括充填高压气体的腔室、等离子体点火装置、在所述强势中由连续波(CW)激光器的聚焦射束维持的辐射等离子体区域、和离开所述腔室的等离子体辐射射束。该腔室包括管道、底部和盖子。该管道的一端与该底部气密连接，而该管道的另一端与该盖子气密连接。该管道和该底部由光学透明材料制成。该底部被布置成将该CW激光器的该聚焦射束引入到该腔室中。该管道被配置为使所述等离子体辐射射束在垂直于该CW激光器的该射束并且穿过该辐射等离子体区域(2)的平面中，以至少70％的方位角从该腔室中离开。该盖子配备有进气口。

Description

高亮度激光泵浦等离子体光源和用于降低像差的方法

相关申请的交叉引用

本申请是2020年3月10日提交的美国专利申请16/814317(现为美国专利10770282)的延续案以及2020年8月6日提交的美国专利申请16/986424(现为美国专利10964523)的延续案，上述申请的全部内容和公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及具有连续光放电的高亮度宽波段光源。

背景技术

在预先产生的相对致密的等离子体中由激光辐射维持的静止气体放电被称为连续光放电(COD)。由连续波(CW)激光器的聚焦射束维持的COD在各种气体中实现，特别是在高达200个大气压下的高气压Xe中实现(Carlhoff等人，“Continuous Optical Dischargesat Very High Pressure”(极高压力下的连续光放电)，Physica 103C(《物理学C》第103卷)，1981，第439-447页)。具有约20,000K的等离子体温度的基于COD的光源(Raizer，“Optical Discharges”(光放电)，Sov.Phys.Usp(《苏联物理学进展》)，23(11)，Nov.1980，第789-806页)是在约0.1μm到1μm的宽光谱范围中亮度最高的连续光源之一。

为了进一步提高亮度，同样可以使用具有高脉冲速率的脉冲激光器，也可以与功率不低于稳定地维持COD所需的阈值的CW激光器组合使用，例如，如2015年12月20日公布的俄国专利2571433中所述。

与弧光灯相比，基于COD的光源不仅具有更高的亮度，还具有更长的寿命，这使其成为各种应用的更优之选。

在2016年6月14日公布的美国专利9368337中已知的宽波段光源中，COD等离子体沿着激激光射束轴线具有细长的形状，并且沿纵向收集等离子体辐射，从而提供高亮度的光源。

然而，在纵向收集等离子体辐射的情况下，存在激光辐射锁定在等离子体辐射的有用射束内的问题。

这一缺点在2016年5月31日公布的美国专利9357627中已知的宽波段光源中被克服，其中沿除激光射束传播方向之外的方向收集辐射。在这种情况下，通过选择腔室、激光射束(沿着腔室轴线向上)和辐射等离子体区域(靠近腔室的上部)的相对位置，为宽波段源实现了更高的空间稳定性和功率稳定性。

然而，要实现光源的最高可能亮度，腔室的形状和设计以及COD维持条件可能不是最佳的，特别是由于通过腔室的透明壁部将光学像差引入到了辐射等离子体射线的路径中。

这一缺点在2013年3月9日公布的美国专利8525138中已知的激光泵浦光源中被部分克服，其中通过修改光学收集器(例如椭圆镜)的形状，消除了通过腔室的透明壁部而被引入到辐射等离子体射线的路径中的光学像差。

然而，对于大多数激光泵浦光源而言，实际上很难实现对反射器形状的修改。

这些缺点在2016年1月5日公布的美国专利9232622中已知的光源中被部分克服，其中使用具有高数值孔径(NA)的镜系统将CW激光射束聚焦在腔室中。聚焦的CW激光射束通过其被引入的腔室的透明壁部具有可变厚度，消除了系统中由于高压气体引起的光学像差。这提供了CW激光射束的锐聚焦，从而提高了光源的亮度。

然而，光源没有设施用来消除当等离子体辐射的有用射束穿过腔室的透明壁部时被引入到有用射束的光学像差，降低了光源的亮度。此外，由用于启动等离子体点火的电极引起的缺陷是光源固有的。这种设计的另一个缺陷是等离子体辐射和穿过等离子体的未吸收的激光辐射通过透明的腔室壁部传播，这需要特殊措施来阻挡它。

一般而言，激光泵浦光源的特征在于以下一些缺点：

-含有高压气体的腔室产生光学像差，降低了光源的亮度，

-需要阻挡等离子体辐射射束中的激光辐射，

-腔室形状不理想，特别是由于使用的点火电极限制了等离子体辐射输出的立体角，并且增加了高温等离子体区域与低温周围气体之间的对流气流，以及

-腔室中对流气流存在高湍流，降低了光源的空间稳定性和功率稳定性。

发明内容

鉴于以上所述，需要创建高亮度和高稳定性的激光泵浦光源，该光源至少部分地不受一个或多个、优选所有的上述缺陷的影响。

本发明的技术问题和技术效果涉及创建具有最高可能亮度和稳定性的宽波段光源，其特征还在于无论是当激光辐射入射到腔室时还是当宽波段等离子体辐射从其射出时，都会进行像差补偿。

上述目的能够借助于激光泵浦等离子体光源实现，该激光泵浦等离子体光源包含：充填高压气体的腔室、该腔室中由连续波(CW)激光器的聚焦射束维持的辐射等离子体区域、离开该腔室的至少一束等离子体辐射射束、和等离子体点火装置。

该激光泵浦光源的特征在于该腔室包括或由以下组成：管道、底部和盖子；该管道的一端与该底部气密连接，而该管道的另一端与该盖子气密连接；该管道和该底部由光学透明材料制成；该底部被布置成引入该CW激光器的该聚焦射束；该管道可被配置为使该等离子体辐射射束以至少70％、80％、90％或者甚至100％的全方位角度范围从该腔室中离开。该方位角可以指垂直于该CW激光器的射束的轴线(例如，对应于管道的纵向轴线或轴向，例如，对称轴线)并且穿过上述辐射等离子体区域的平面(方位面)。例如，不包括其末端部分的管道可以被布置成使等离子体辐射射束以所有方位(例如，相对于方位面)从腔室中离开。可选地，该盖子可以由金属制成和/或可以配备有进气口。

在一个实施例中，该等离子体点火装置是产生在该腔室中聚焦的至少一束脉冲激光射束的脉冲激光系统。该腔室的底部可以被布置成将该一个或多个、优选每个脉冲激光射束引入到该腔室中。

在本发明的一个优选实施例中，该管道的被布置成使该等离子体辐射射束离开的一部分具有对称轴线、对称中心、圆柱形形状的内表面、桶状或环形形状的外表面，并且该对称中心位于该辐射等离子体区域。

在本发明的一个优选实施例中，该CW激光器的该射束借助于光学系统聚焦在该腔室中，该光学系统包括该腔室的该底部和聚焦光学元件，该聚焦光学元件的表面最大限度地减小了该光学系统的总像差。

在本发明的一个优选实施例中，该聚焦光学元件是非球面透镜。

在本发明的一个实施例中，该聚焦光学元件(例如，透镜)固定于轮辋中，该轮辋又在该管道的设置有该底部的末端固定到该管道的末端部分。

在本发明的一个实施例中，该腔室的该底部为透镜的形式。

在本发明的一个实施例中，该盖子的一部分或细节被设计为凹形球面镜，其中心位于该辐射等离子体区域中。

在本发明的一个实施例中，该凹形球面镜的半径不大于5mm。

在本发明的一个优选实施例中，该CW激光器的该聚焦射束垂直向上被引导至该腔室中。

在本发明的一个实施例中，该盖子的一部分由耐火材料制成，诸如钨、钼或基于它们的合金。

在本发明的一个优选实施例中，该管道的内表面的半径不大于5mm，优选地不大于3mm。特别地，该半径可以是垂直于该管道的对称轴线(例如，垂直于该管道的纵向轴线)的半径。

在本发明的一个实施例中，该管道和/或该腔室的该底部由属于由蓝宝石、无色蓝宝石、熔融石英、晶体石英组成的组的材料制成。

在本发明的一个优选实施例中，为了密封该腔室，使用该管道的该末端部分。该管道和该腔室的该底部可以用玻璃水泥密封。该腔室的该盖子和该管道可以使用焊接密封。

在本发明的一个实施例中，该盖子配备有进气口，该进气口被布置成向该腔室充填气体或/和控制该腔室中该气体的压力和成分。

在本发明的一个实施例中，该腔室的该盖子配备有加热器。

在本发明的一个优选实施例中，该等离子体点火装置是在Q开关模式下产生脉冲激光射束并且在自由运行模式下产生脉冲激光射束的固态激光系统。

在本发明的一个实施例中，该腔室位于外部灯泡中，该外部灯泡在该腔室的外部，特别是环绕或包围该腔室。

在本发明的一个实施例中，该激光泵浦等离子体光源还包括光学收集器。

在本发明的一个实施例中，该光学收集器具有多通道，包括至少三个通道。

在另一个方面，本发明涉及一种用于减少激光泵浦等离子体光源的像差的方法，其特征在于，在充填气体的腔室中通过连续波(CW)激光器的聚焦射束维持辐射等离子体，并且使等离子体辐射射束从该腔室中离开。

该方法可以包括使用该腔室，该腔室包括管道、底部和盖子，而该盖子配备有进气口，该底部被布置成将该CW激光器的聚焦射束引入到该腔室中，该管道被布置成使该等离子体辐射射束离开。该管道可以被布置成使该等离子体辐射射束在垂直于该CW激光器的射束的轴线(例如，对应于该管道的纵向轴线或轴向，例如对称轴线)并且穿过上述辐射等离子体区域的平面(方位面)中，以至少70％、80％、90％或者甚至100％的方位角从该腔室中离开。特别地，该管道可以被布置成使该等离子体辐射射束以所有方位离开。

该方法还可以包括：通过利用具有对称轴线和可以位于等离子体区域处的对称中心的管道，减少该等离子体辐射射束的射线穿过该管道的壁部时扭曲其路径的像差。优选地，该管道可以具有圆柱形形状的内表面和/或桶形或环形形状的外表面。该对称轴线可以对应于该圆柱形形状的圆柱轴线。

在本发明的一个优选实施例中，该CW激光器的该射束借助于光学系统聚焦，该光学系统包括该底部和非球面透镜，该非球面透镜的表面最大限度地减小了该光学系统的总像差。

在本发明的一个优选实施例中，该等离子体辐射射束以不小于9sr的立体角离开该腔室。

如果根据所提出的实施例实现，由于抑制了腔室中对流气流的湍流，则可以显著提高亮度激光泵浦等离子体光源的空间稳定性和功率稳定性，这可能是由以下条件的组合所致：

使用激光点火消除了高温等离子体区域附近存在的温度相对较低的电极；

实现了优化气体的密度、温度和组成以及腔室尺寸的可能；

腔室温度稳定化；

使用的腔室几何形状垂直引入激光射束；以及

在一些实施例中使用外壳。

在不使用点火电极的情况下对连续光放电(COD)进行点火显著增加了输出射束的立体角和等离子体辐射的有用射束中的功率。

在所提出的光源设计中，盖子用于抑制腔室中对流气流的湍流，并且还阻断通过等离子体传输的激光辐射，这既提高了光源的输出稳定性，又高效消除了等离子体宽波段辐射射束中的激光辐射。

使用配备有进气口的金属盖子提供了对腔室内气体压力和温度进行优化以获得光源的最大亮度和稳定性的可能性。与已知的解决方案不同，将进气口置于盖子上优化了光源设计，因为这在所有方位角中提供了对来自腔室的等离子体辐射射束的不受阻碍的输出。以凹形球面镜的形式制作腔室盖子的一部分并使其中心位于辐射等离子体区域，可额外增加光源的亮度。

所提出的光源提供了激光射束在辐射等离子体区域中的锐聚焦。所提出的腔室形状减少了等离子体辐射射束离开腔室时而被引入其中的像差。所有这些加上气体温度和压力的优化增加了光源的亮度。

还实现了使用可扩大所应用的气体成分的种类、特别是当与蓝宝石一起使用时的金属卤化物添加剂的腔室材料的可能性。

因此，本发明提供了一种增加激光泵浦光源的亮度、功率容量和辐射质量的可能性，显著改善了其空间稳定性和功率稳定性，并且扩展了控制等离子体辐射光谱的选项。

应当明确的是，除非另有相反说明，否则上述不同实施例的特征可以相互组合。

从以下参考附图以举例的方式给出的对本发明实施例的非限制性描述中，本发明的上述以及其他的目的、优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

所提出的装置的技术本质和工作原理通过附图进行解释，其中：

图1是根据一个实施例的激光泵浦等离子体光源的示意图；

图2A和图2B是由于管道壁部引起的像差而导致的光源亮度降低(图2A)及其抑制机制(图2B)的图示；

图3A和图3B是聚焦光学系统(图3A)以及所计算的焦点中的激光功率分布(图3B)的示意图，

图4、图5是根据实施例的光源的示意图，

图6是具有三通道光学收集器的光源的示意图；并且

图7是配备有外部灯泡的光源腔室的示意图。

在附图中，装置的匹配元件具有相同的附图标号。

这些附图并不涵盖并且此外不限制本技术方案的实施例的整个范围，而只是其特定实现方式的说明性示例。

具体实施方式

该描述是为了说明可以如何实现本发明，而不是在限制意义上进行描述。相反，各个元素的表示被选择成使得其功能和一般目的对本领域技术人员而言变得显而易见。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式的“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”应被解释为开放式术语(即意指“包含，但不限于，”)。

根据本发明实施例的示例(图1)，激光泵浦光源包括腔室1，该腔室充填通常高于10个大气压的高压气体。腔室1含有由CW激光器4的聚焦射束3维持的辐射等离子体区域2。被引导至光学收集器6并且适用于后续使用的至少一束等离子体辐射射束5离开腔室1。根据本发明的实施例，该光学收集器包括形成等离子体辐射射束7的抛物面镜6，该等离子体辐射射束例如经由光纤或镜系统被传递到使用宽波段等离子体辐射的光学消耗系统8。

光源的特征在于，等离子体点火装置是脉冲激光系统9，该脉冲激光系统产生在腔室1中(即进入适用于维持辐射等离子体的区域2)聚焦的至少一束脉冲激光射束10。

根据本发明，腔室1包括或由以下组成：管道11、底部12和盖子13组成。管道11的一端与底部12紧密连接，并且管道11的另一端与盖子13紧密连接。盖子13适用于例如通过在充填后密封的管道14为腔室充填气体。腔室的管道11和底部12由光学透明材料制成。

底部适用于将CW激光器4的聚焦射束3引入到腔室中，以及引入用于等离子体点火的一个或多个、优选每个脉冲激光射束10。

由光学透明材料制成的腔室管道11适用于从腔室1输出等离子体辐射射束5。

如果根据所提出的实施例实现，则有可能实现激光泵浦光源的腔室和工作模式的优化，从而增加亮度以及空间稳定性和功率稳定性。

在等离子体辐射射束5中，不垂直于管道的内表面和/或外表面的射线的路径在射线穿过管道11的壁部时被扭曲。由于这些像差，可能会显著降低光源的亮度。

为了增加光源的亮度，在本发明的优选实施例中，管道11的形状涵盖了减少使等离子体辐射的射线的路径在射线穿过管道壁部时扭曲的像差的功能。当腔室的外表面和内表面的一部分(等离子体辐射射束5通过其离开腔室)是两个同心球的一部分时，实现像差的完全消除，这可能难以实现。

特别地，为了简化腔室的制造工艺，优选地，管道11的内表面的一部分为圆柱形，如图1所示。

在本发明的优选实施例中显著降低了像差，其中管道11的被布置成使等离子体辐射射束5离开的一部分具有对称轴线、对称中心、圆柱形形状的内表面、桶状或环形形状的外表面，并且该对称中心位于辐射等离子体区域2(图1)。在本发明的这些实施例中，通过使用相对简单且易于制造的腔室1减少了像差。

图2a显示了从准零维辐射等离子体区域2穿过圆形和圆柱形形状的管道11的壁部的同心射束的示意图。紧邻辐射等离子体区域2的射束开度角用射线15表示。在界面处(即在腔室的管道11的表面上)，射线根据斯涅尔折射定律进行折射：

n₁ sinθ₁ ＝ n₂ sinθ₂ (1)。

其中n₁为光从其落在界面上的介质的折射率，n₂为光在穿过界面后传播到其的介质的折射率，θ₁为入射角，即入射到表面上的射线与表面的法线之间的角，θ₂为光折射角，即穿过表面的射线与表面的法线之间的角。

下面将穿过腔室的透明管道11的射线15指定为射线15’，其从射线15移位并且与射线15平行，如图2a所示。与法线所成的角越大，移位越大。由于穿过腔室的圆柱形管道，射束变得散光，即，射线穿过腔室壁部后停止汇聚到一个点。从射线15’(其延伸部分用虚线15示出)离开腔室的角度来看，准零维辐射源(射线15的假想中心)由于像差而呈现圆盘形状2’(图2a)，结果，显著增加了从腔室外侧可见的表面积。因此，当使用腔室的简单的圆形和圆柱形管道时，像差在管道表面法向以外的方向上，大大降低了光源的亮度。

如果根据本发明的实施例实现管道11的外表面(图2b)，则射线15’在穿过管道壁部之后，不仅从射线15移位，而且还在辐射等离子体区域2附近向射线15的传播方向倾斜。结果，具有以射线15’指定的开度角的射束几乎保持同心，并且从射线15’的一侧可见的、已经穿过腔室管道的辐射等离子体区域2’保持准零维。

因此，使用穿过腔室的相应形状的管道11的射束(图2b)，使光源保持准零维以用于光学消耗系。这为高效消除像差提供了证据，这可以显著降低具有图2a的示例所示的管道配置的光源的亮度。

一般而言，管道的外表面以消除色差和球面像差的方式成形。

根据所进行的计算，对于尺寸为0.1×0.2mm的椭圆形辐射等离子体区域和腔室的具有圆柱形内表面的管道(例如半径约为3mm)，以及具有优化配置的环形外表面(例如，曲率半径接近20mm)，与球形腔室相比，在相当宽的立体角内只能降低11％的光源亮度。例如，如果环形外表面的曲率半径R位于取决于管道11的内表面的曲率变径r及其厚度d的量的2至4倍的范围内，则可能是特别有利的。确定合适的曲率半径R的表达式可以通过R＝F*r*(1+r/d)给出，其中因子F位于2至4的范围内。在穿过管道的壁部后，射线因此似乎来自点状光源，从而有效消除了像差并且提高了亮度。

激光泵浦等离子体光源的工作原理如下。CW激光器4的聚焦射束3被引导至包括管道11的腔室1中，该管道的末端与腔室的底部12和盖子13紧密连接(图1)。盖子13适用于为腔室充填高压气体，例如超过10个大气压的氙气。其他惰性气体及其混合物可用于充填，包括含有金属蒸汽(例如汞)的那些，或者各种气体混合物(包括含有卤素的那些)。脉冲激光系统9产生在腔室的区域2中聚焦的至少一束脉冲激光射束10，该区域适用于维持辐射等离子体2。CW激光器4和脉冲激光系统9的射束通过聚焦光学元件16和腔室的底部12被引入到腔室1中。脉冲激光系统9提供光学击穿和产生初始等离子体，该初始等离子体的密度高于连续光放电(COD)的阈值等离子体密度，该阈值等离子体密度的值约为每立方厘米1018个电子。初始等离子体的浓度和体积足以用功率相对较低(不超过300W)的CW激光器4的聚焦射束3来稳定地维持COD。在静止模式下，高亮度宽波段辐射从COD的辐射等离子体区域2由等离子体辐射的至少一束输出射束5输出，以便后续使用。等离子体辐射射束5通过管道11离开腔室，该管道的外表面被成形为用于减少等离子体辐射射线穿过管道的壁部时扭曲其路径的像差。

图1显示了根据本发明的腔室管道11(除了其用于密封腔室的近末端部分外)适用于使等离子体辐射射束5以所有方位从腔室中离开。这意味着在穿过垂直于CW激光器的射束3轴线的辐射等离子体区域2的方位面中，等离子体辐射射束以0°至360°的所有方位离开腔室。优选地，射束5的开度角(在图1的绘制平面内)不小于90°。这意味着有用等离子体辐射射束5以立体角从腔室1离开到光学收集器6，该立体角不小于9sr或大于全立体角的70％。

为了提供高亮度的激光泵浦光源，需要对CW激光器3的射束进行锐聚焦。这继而需要最大限度地减少像差，特别是聚焦光学系统的球面像差。根据本发明，借助于包括腔室的底部12和聚焦光学元件16的光学系统，使CW激光器4的射束3在腔室1中聚焦。例如，镜、离轴抛物面镜或由于其小尺寸而优选的透镜16(如图1所示)可以用作聚焦光学元件。

为了简化腔室的设计，其底部12优选地以光学元件的形式制成，例如以具有球形或平坦表面的板件的形式可相当简单地使其商业化。根据本实施例，位于腔室外部并且具有比腔室的底部更复杂的形状的光学元件16并入了最大限度地减小包括光学元件16本身和腔室的底部12的光学系统的总像差的功能。

为了便于说明，图3a显示了适用于聚焦激光射束的光学系统的示意图，该光学系统包括平凸球面透镜形式的腔室底部12和平凸非球面透镜形式的聚焦光学元件16。优选地，腔室的底部和非球面透镜由不同的材料制成，这允许更灵活地优化这两个元件的光学系统的特性。

图3b中的计算结果表明，一般而言，根据本实施例实现的光学系统允许在距腔室底部的距离d为≈4mm处，将90％的激光射束功率聚焦在半径小至2.5μm的空间区域中。

然而，本发明准许以下其他实施例，其中CW激光器的射束3的锐聚焦仅由作为腔室的底部12的一个聚焦透镜、特别是非球面聚焦透镜提供。

在本发明的一个优选实施例中，CW激光器4的聚焦射束3的轴线接近垂直或垂直向上(即与重力17相反)定向(图4)。如果根据所提出的实施例实现，则达到了激光泵浦光源的最高辐射功率稳定性。这与以下事实有关：辐射等离子体区域2通常从朝向CW激光器的聚焦射束3的焦点位移，一直到聚焦激光射束的其中CW激光器的聚焦射束3的强度仍然高到足以维持辐射等离子体区域2的横截面。当CW激光器的聚焦激光射束3从底部被引导向上时，含有最高温度和低质量密度等离子体的辐射等离子体区域2易于在浮力的作用下飘浮。辐射等离子体区域2在上升时，最终到达最靠近焦点的位置，在该位置中，CW激光器的聚焦射束3的横截面较小，并且激光辐射强度较高。一方面，这增加了等离子体辐射的亮度，另一方面，这平衡了作用在辐射等离子体区域上的力，从而确保高亮度激光泵浦等离子体光源的辐射功率的高稳定性。

为了实现这些积极效果，优选地，腔室1具有轴对称性，并且CW激光射器的聚焦射束3的轴线与腔室的对称轴线对齐。

特别地，借助于减小腔室尺寸，使腔室中对流的湍流得到抑制。这在所提出的激光泵浦光源设计中很容易实现，该激光泵浦光源的实施例的特征在于，管道的圆柱形内表面的半径小于5mm，优选地不超过3mm。

激光泵浦光源的输出参数的稳定性还受到浮力作用下由辐射等离子体区域2中受热的气体获得的动量值的影响。等离子体辐射区域5越靠近腔室的上壁部，气体获得的动量和对流的湍流就越小。在这一方面，为了增加图4所示实施例中光源输出特性的稳定性，使腔室的盖子13的一部分或部分18以小于3mm(最小的可能)的距离靠近辐射等离子体区域2处，以避免对光源寿命产生明显的负面影响。

在这一方面，盖子的部分18可以由耐火材料制成，诸如钨、钼或基于它们的合金。

盖子的部分18还可以制成在辐射等离子体区域2中，对穿过辐射等离子体区域的激光辐射并且对宽波段等离子体辐射进行反射和聚焦的功能。这增加了等离子体温度、以及光源的亮度和效率。根据本发明的该实施例，如图4所示，盖子的部分18被制成凹球面镜19的形式，其中心(球面镜表面的中心)位于辐射等离子体区域2中。

在本发明的实施例中，腔室的管道11和底部12可以由单块材料制成一个整体单元(图4)。

在其他实施例中，腔室的管道11和底部12使用耐火玻璃纤维增强水泥紧密密封，从而确保光源在高温(900K以上)下具有较长的寿命。

管道11的近末端部分(即靠近圆柱形管道的轴向末端的部分)用于密封腔室。在这种情况下，腔室的盖子13和管道11借助于使用高温钎焊料的钎焊紧密密封，优选地，该高温钎焊料的熔点不低于900K。在钎焊之前，对腔室的管道11的近末端部分进行金属化处理。

腔室的盖子可以包含或由以下组成：由金属或陶瓷制成的数个部件或部分。

优选地，腔室的管道11和底部12由包括蓝宝石、无色蓝宝石、熔融石英和结晶石英的组的材料制成，这些材料具有最出众的光学、物理、化学和机械特性。

根据本发明的光源的详细示例在图5的示意图中示出。在本发明的实施例中，为了启动等离子体点火，使用了固态激光系统，该固态激光系统包括在Q开关模式下产生第一激光射束21的第一激光器20和在自由运行模式下产生第二激光射束23的第二激光器22。具有有源元件24、25的脉冲激光器配备有例如闪光灯26的形式的光学泵浦源，并且优选地带腔体的普通镜27、28。第一激光器20配备有Q开关29。

两个脉冲激光射束21、23在腔室中在适用于维持辐射等离子体的区域2中聚焦(图4)。第一激光射束21适用于启动等离子体点火或光学击穿。第二激光射束23适用于产生等离子体，该等离子体的体积和密度足以用CW激光器的聚焦射束3来固定地维持辐射等离子体区域2。

优选地，将具有对光纤29的输出的高效率近红外二极管激光器作为CW激光器4。在光纤29的出口处，扩展的激光射束被引导至例如收集透镜形式的准直器30。在准直器30之后，CW激光器的扩展的平行射束31被引导至例如非球面收集透镜形式的聚焦光学元件16。包括光学元件16和腔室的底部12的聚焦光学系统确保了CW激光器4的射束3的锐聚焦，以便实现高亮度的光源。

优选地，CW激光器的波长λ_CW与第一和第二脉冲激光射束21、23的波长λ₁、λ₂不同。例如，CW激光器的波长可以为λ_CW＝0.808μm或0.976μm，并且脉冲激光器的波长可以为λ₁＝λ₂＝1.064μm。这允许使用二向色镜32引入CW激光器31的激光射束和脉冲激光器21、23的射束。为了传输脉冲激光射束21、23的射束，也可以使用旋转镜33(图5)。

等离子体辐射射束5被引导至的光学收集器6形成等离子体辐射射束7，该等离子体辐射射束例如使用旋转镜34和包括光纤的另一个光学系统，被传输到使用宽波段等离子体辐射的光学消耗系统。

在本发明的实施例中，腔室的盖子配备有加热器，该加热器包含或由以下组成：例如，加热线圈36、电流源37，该电流源通过温度桥38与加热线圈连接，该温度桥适用于提供加热线圈36和载流母线39之间的温差。此外，载流母线39可以配备有例如风冷散热器形式的热交换器(未示出)。腔室的盖子13还可以配备有用来测量腔室温度的热电偶40。此外，腔室的具有加热线圈36的盖子13可以放置在隔热外壳(未示出)中。

加热器36适用于将腔室预启动加热到工作温度，这有利于启动等离子体点火，并且确保了具有腔室最佳预设高温(优选在600K至900K的范围内)的光源的稳定运行模式的快速开始。

在本发明的优选实施例中，高亮度光源含有控制单元41，该控制单元并入了为被引导至消耗系统的等离子体辐射射束7自动保持预设功率的功能(图5)。为此，光源配备有功率计42，使用耦合器(未示出)向该功率计供应来自被引导至消耗系统的等离子体辐射射束7的光通量的一小部分。优选地，控制单元与加热器35、热电偶40、功率计42、脉冲激光系统9和CW激光器4的电源单元连接。等离子体辐射射束7中的预设功率由控制单元41经由功率计42和CW激光器4的电源单元之间的反馈电路保持。此外，控制单元41可以并入将腔室的温度稳定在最佳高温下的功能。在本发明的该实施例中，实现了激光泵浦光源的功率和亮度的高稳定性。

除了将等离子体辐射射束5的输出一起输出到光学收集器6(其收集所有方位的辐射)(图1)之外，根据本发明的光源不限于该实施例。在其他实施例中，等离子体辐射可以由多通道光学收集器收集，该多通道光学收集器包括至少三个通道6a、6b、6c(如图6所示)，其中光源横截面位于穿过辐射等离子体区域2的水平面中。图6中的进行点火并保持连续光放电的激光射束位于绘图平面下方。许多工业应用都需要为一个光源使用多通道光学收集器。在本发明的实施例中，激光泵浦等离子体光源的腔室1可以放置在外壳43中，该外壳配备有包括三个通道6a、6b、6c的光学收集器，每个通道接收等离子体辐射射束的对应部分5a、5b、5c。光学收集器的通道6a、6b、6c形成了等离子体辐射射束7a、7b、7c，该等离子体辐射射束例如经由光纤被传输到使用宽波段等离子体辐射的光学消耗系统8a、8b、8c中。这允许将一个光源用于三个或更多个光学消耗系统，从而确保系统具有小尺寸并且确保宽波段等离子体辐射的参数在所有光学通道中具有等效性。

在本发明的另一个实施例中(如图7所示)，将腔室1放置在带有插槽45的外部壳体44中。该插槽可用于附接腔室1并且可以部分充填密封材料46。紧密密封的连接如图7中实线所示。

为了最大限度地减少像差，优选地，外部壳体具有中心位于辐射等离子体区域2中的球形部分。

优选地，在特定情况下为透镜的聚焦光学元件16也放置在外部壳体中。在这种情况下，聚焦透镜16被固定在轮辋47中，该轮辋继而例如借助于玻璃纤维增强水泥或钎焊被固定在腔室1的管道11的近末端部分(图7)。

为了消除腔室1外的对流并且增加光源的亮度稳定性，优选地，将外部壳体抽真空。

在本发明的实施例中，外部灯泡可以由光学材料制成，其材料并入了过滤切断波长低于240-260mm的辐射(其会产生臭氧)的功能，即，该材料可用于对激光泵浦光源进行无臭氧修改。

如果根据所提出的实施例实现，则可提高激光泵浦光源的耐久性、亮度和工作稳定性。

总之，所提出的发明可创建出具有最高空间稳定性和功率稳定性的、并且能够以超过9sr的立体角收集等离子体辐射的无电极高亮度宽波段光源。

本文所公开主题的特定方面在以下编号条款中列出。本公开的权利要求或任何分案申请的权利要求可能涉及这些方面中的一个或多个方面。

1、一种激光泵浦等离子体光源，所述激光泵浦等离子体光源包括：充填高压气体的腔室、等离子体点火装置、所述腔室中由连续波(CW)激光器的聚焦射束维持的辐射等离子体区域、离开所述腔室的至少一束等离子体辐射射束、等离子体点火装置，其特征在于，所述等离子体点火装置是产生在所述腔室中聚焦的至少一束脉冲激光射束的脉冲激光系统；所述腔室由管道、底部和盖子组成；所述管道的一端与所述底部气密连接，而所述管道的另一端与所述盖子气密连接，所述盖子配备有进气口；所述管道和所述底部由光学透明材料制成；所述底部被布置成将所述CW激光器的所述聚焦射束和每个脉冲激光射束引入到所述腔室中，并且不包括其末端部分的所述管道被布置成使所述等离子体辐射射束从所述腔室中离开，并且被配置为通过所述管道的被布置成使所述等离子体辐射射束离开的一部分具有对称轴线、对称中心、圆柱形形状的内表面、桶状或环形形状的外表面这一事实，减少所述等离子体辐射射束的射线穿过管道壁部时扭曲其路径的像差，并且所述对称中心位于所述辐射等离子体区域。

2、根据条款1所述的激光泵浦光源，其中所述腔室的所述管道和所述底部借助于玻璃水泥被密封，或者由单块材料一体制成。

3、一种激光泵浦等离子体光源，所述激光泵浦等离子体光源包括：充填高压气体的腔室、等离子体点火装置、所述腔室中由连续波(CW)激光器的聚焦射束维持的辐射等离子体区域、离开所述腔室的至少一束等离子体辐射射束、等离子体点火装置，其特征在于，所述等离子体点火装置是固态激光系统，所述固态激光系统含有用于在Q开关模式下产生脉冲激光射束的第一激光器并且含有在自由运行模式下产生第二激光射束的第二激光器，所述腔室由管道、底部和盖子组成；所述管道的一端与所述底部气密连接，并且所述管道的另一端与所述盖子气密连接，所述盖子配备有进气口；所述腔室的所述管道和所述底部由光学透明材料制成；所述底部被布置成将所述CW激光器的所述聚焦射束和每个脉冲激光射束引入到所述腔室中，并且不包括其末端部分的所述管道被布置成使所述等离子体辐射射束从所述腔室中离开。

4、一种激光泵浦等离子体光源，所述激光泵浦等离子体光源包括：充填高压气体的腔室、所述腔室中由连续波(CW)激光器的聚焦射束维持的辐射等离子体区域、离开所述腔室的至少一束等离子体辐射射束、等离子体点火装置，其特征在于，所述等离子体点火装置是产生在所述腔室中聚焦的至少一束脉冲激光射束的脉冲激光系统，所述腔室由管道、底部和盖子组成；所述管道的一端与所述底部气密连接，而所述管道的另一端与所述盖子气密连接，所述盖子配备有进气口；所述管道和所述底部由光学透明材料制成；所述腔室的所述管道和所述底部由光学透明材料制成；所述底部被布置成将所述CW激光器的所述聚焦射束和每个脉冲激光射束引入到所述腔室中，所述管道被布置成使所述等离子体辐射射束从所述腔室中离开，并且所述腔室位于外部灯泡中。

5、根据条款4所述的光源，其中所述外部灯泡配备有所述腔室固定在其上的底座。

6、根据条款4或5所述的光源，其中所述CW激光器的射束借助于光学系统聚焦在所述腔室中，所述光学系统包括所述腔室的底部和固定在所述腔室上的聚焦光学元件。

7、根据条款4至6中任一项所述的光源，其中所述外部灯泡被气密密封。

8、根据条款4至7中任一项所述的光源，其中所述外部灯泡被抽真空。

9、根据条款4至8中任一项所述的光源，其中所述外部灯泡具有居中位于所述辐射等离子体区域的球面部分。

10、根据条款4至9中任一项所述的光源，其中所述外部灯泡被布置成防止产生臭氧。

虽然本文公开了具体实施例，但是在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种更改和修改。本实施例在所有方面均被视为说明性的和非限制性的，并且在所有权利要求的含义和等效范围内的所有更改均包含在其中。

工业实用性

根据本发明设计的高亮度高稳定性激光泵浦等离子体光源可以用在各种投影系统中，用于光谱化学分析、生物学和医学中的生物物体的光谱微量分析、微毛细管道液相色谱法，用于检查光学光刻工艺、用于分光光度法并且用于其他目的。

Claims (14)

1.一种激光泵浦等离子体光源，所述激光泵浦等离子体光源包括：充填高压气体的腔室(1)、等离子体点火装置、所述腔室(1)中由连续波CW激光器(4)的聚焦射束维持的辐射等离子体区域(2)、和等离子体辐射射束(5)，其特征在于

所述腔室(1)包括管道(11)、底部(12)和盖子(13)；所述管道(11)的一端与所述底部(12)气密连接，而所述管道(11)的另一端与所述盖子(13)气密连接；

所述管道(11)和所述底部(12)由光学透明材料制成；

所述底部(12)被布置成将所述CW激光器(4)的所述聚焦射束引入到所述腔室(1)中；

所述管道(11)被配置为使所述等离子体辐射射束(5)在垂直于所述CW激光器(4)的所述射束并且穿过所述辐射等离子体区域(2)的平面中，以至少70％的方位角从所述腔室中离开；并且

所述盖子(13)配备有进气口(14)；

其中所述CW激光器的所述射束借助于光学系统聚焦在所述腔室中，所述光学系统包括所述腔室的所述底部(12)和聚焦光学元件(16)，所述聚焦光学元件的表面被配置为最大限度地减小所述光学系统的总像差，其中所述聚焦光学元件(16)是非球面透镜。

2.根据权利要求1所述的光源，其中所述管道(11)的被布置成用于使所述等离子体辐射射束(5)离开的一部分具有对称轴线和对称中心，其中所述对称中心位于所述辐射等离子体区域处，其中所述管道的所述部分还具有圆柱形形状的内表面和桶状或环形形状的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的光源，其中所述聚焦光学元件(16)固定于轮辋(47)中，所述轮辋又在所述管道(11)的设置有所述底部(12)的末端固定到所述管道(11)的末端部分。

4.根据权利要求1所述的光源，其中所述腔室的所述底部(12)为透镜的形式。

5.根据权利要求1所述的光源，其中所述盖子(13)的一部分(18)或细节被设计为凹形球面镜，其中心位于所述辐射等离子体区域(2)中，其中所述凹形球面镜的半径不大于5mm。

6.根据权利要求1所述的光源，其中所述CW激光器(4)的所述聚焦射束(3)垂直向上被引入到所述腔室(1)中。

7.根据权利要求2所述的光源，其中所述管道(11)的所述内表面的半径不大于5mm，其中所述管道(11)和/或所述腔室的所述底部(12)由属于由蓝宝石、熔融石英、晶体石英组成的组的材料制成。

8.根据权利要求3所述的光源，其中为了密封所述腔室，使用所述管道(11)的所述末端部分，并且所述管道(11)和所述腔室的所述底部(12)用玻璃水泥密封，和所述腔室的所述盖子(13)和所述管道(11)使用焊接密封。

9.根据权利要求1所述的光源，其中所述盖子(13)由金属制成且，其中所述腔室的所述盖子(13)配备有加热器(35)。

10.根据权利要求1所述的光源，其中所述等离子体点火装置是产生在所述腔室中聚焦的至少一束脉冲激光射束(21、23)的脉冲激光系统(9)，其中所述底部(12)被布置成将所述至少一束脉冲激光射束(21、23)引入到所述腔室(1)中，其中所述脉冲激光系统是在Q开关模式下产生脉冲激光射束(21)并且在自由运行模式下产生脉冲激光射束(23)的固态激光系统(9)，所述两种脉冲激光射束聚焦到所述腔室中。

11.根据权利要求1所述的光源，所述光源还包括光学收集器(6)，其中所述光学收集器(6)是包括至少三个通道(6A、6B、6C)的多通道收集器。

12.根据权利要求1所述的光源，其中不包括其末端部分的所述管道(11)被布置成用于使等离子体辐射射束(5)在所有方位中从所述腔室(1)离开。

13.一种用于减少激光泵浦等离子体光源的像差的方法，其中所述方法包括：

提供充填高压气体的腔室(1)，所述腔室包括管道(11)、底部(12)和盖子(13)，其中所述盖子(13)配备有进气口(14)并且所述底部(12)被布置成用于将连续波CW激光器(4)的聚焦射束引入到所述腔室中，其中所述管道的一端与所述底部气密连接，而所述管道的另一端与所述盖子气密连接，其中所述腔室(1)充填高压气体，并且所述管道(11)和所述底部(12)由光学透明材料制成，

由所述CW激光器(4)的所述聚焦射束在所述腔室(1)中维持辐射等离子体区域(2)中的辐射等离子体，其中部包括其末端部分的所述管道(11)被布置成使等离子体辐射射束在垂直于所述CW激光器(4)的所述射束的平面中以所有方位角离开所述腔室并且穿过所述辐射等离子体区域(2)，以及

其中所述CW激光器(4)的所述射束借助于光学系统聚焦，所述光学系统包括所述底部(12)和非球面透镜(16)，所述非球面透镜的表面最大限度地减小了所述光学系统的总像差；

所述方法进一步包括，通过为所述管道(11)提供具有对称轴线、对称中心、圆柱形形状的内表面和桶状或环形形状的外表面，减少所述等离子体辐射射束(5)的射线穿过所述管道(11)的壁部时扭曲其路径的像差，其中所述对称中心位于所述辐射等离子体区域。

14.根据权利要求13所述的方法，其中不包括其末端部分的所述管道(11)被配置为使所述等离子体辐射射束(5)在平面中以所有方位角从所述腔室(1)中离开，其中所述等离子体辐射射束(5)以不小于9sr的立体角离开所述腔室。