JP7361748B2 - 安定性の改善されたレーザ駆動封止ビームランプ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年５月１４日出願の米国仮特許出願シリアル番号６２／１６１，３８９号、表題「Ｌａｓｅｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｓｅａｌｅｄ Ｂｅａｍ Ｌａｍｐ Ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ」の利益を主張するものであり、その内容全体を参照として組み込む。

本発明は、照明装置に関連し、特に、高出力アークランプに関連する。

高出力アークランプは、高出力ビームを放射する装置である。このランプは、通常、チャンバ内のガス（イオン性媒体）を励起するために使用されるアノード及びカソードを備えたガス含有チャンバ、例えば、ガラスバルブを含む。放電は、アノードとカソードとの間に生成され、励起された（例えば、イオン化された）ガスに動力を提供し、光源の動作中、イオン化されたガスによって放射された光を維持する。

図１は、低ワット数で放物型の従来技術のキセノンランプ１００の見取図及び断面を示している。このランプは、通常、金属及びセラミックで構築される。充填ガスであるキセノンは、不燃性且つ非毒性である。ランプサブアセンブリは、アセンブリを厳しい寸法公差に制限する固定具に高温蝋付けで構築されてもよい。図２は、蝋付け後におけるこれらのランプサブアセンブリ及び固定具の一部を示している。

図１及び図２を参照すると、従来技術のランプ１００には、３つの主要サブアセンブリ、すなわち、カソード、アノード、及びリフレクタが設けられる。カソードアセンブリ３ａは、ランプカソード３ｂ、カソード３ｂをウィンドウフランジ３ｃに保持する複数の支柱、ウィンドウ３ｄ、及びゲッタ３ｅを包含する。ランプカソード３ｂは、例えば、トリウム入りタングステンから作成された小型のペンシル形状部品である。動作中、カソード３ｂは、ランプアークギャップを横切って移動し、アノード３ｇの衝突する電子を放射する。電子は、カソード３ｂから熱電子的に放射されるため、カソードチップが高温且つ低電子放射を機能させるように維持しなければならない。

カソード支柱３ｃは、カソード３ｂを定位置に強固に保持し、カソード３ｂに電流を伝導する。ランプウィンドウ３ｄは、研削及び研磨された単結晶サファイヤ（ＡｌＯ２）であってもよい。サファイヤにより、気密封止が幅広い動作温度範囲に亘って維持されるように、ウィンドウ３ｄの熱膨張をフランジ３ｃのフランジ熱膨張に合致させる。サファイヤの熱伝導率は、ランプのフランジ３ｃに熱を搬送し、ウィンドウ３ｄのひび割れを回避するために、均一に熱を分散させる。ゲッタ３ｅは、カソード３ｂ周辺で覆われ、支柱上に搭載される。ゲッタ３ｅは、動作中、ランプ内に生じる汚染ガスを吸収し、汚染物がカソード３ｂを汚染して望ましくない材料をリフレクタ３ｋ及びウィンドウ３ｄ上に搬送するのを防ぐことにより、ランプの寿命を延ばす。アノードアセンブリ３ｆは、アノード３ｇ、ベース３ｈ、及びタビュレーション３ｉからなる。アノード３ｇは、通常、純タングステンから構築され、カソード３ｂよりかなり鈍い形状を有する。この形状は、ほぼ、アークがその正極電気的接続点にて広がるようにする放電物理学の結果である。アークは、典型的に、幾分円錐形状を有し、円錐の点がカソード３ｂに接触し、円錐の底面がアノード３ｇ上に据えられるようにする。アノード３ｇは、カソード３ｂより大きく、より多くの熱を伝達する。ランプ内に伝達された廃熱の約８０％は、アノード３ｇを通じて伝達して出され、２０％は、カソード３ｂを通じて伝達される。アノードは、通常、ランプヒートシンクまで熱抵抗のより低い進路を有するように構成され、ランプベース３ｈが比較的大型となる。ベース３ｈは、ランプアノード３ｇからの熱負荷を伝達するために、鉄又は他の熱伝導性材料で構築される。タビュレーション３ｉは、ランプ１００を退避させ、それにキセノンガスを充填するためのポートである。充填後、タビュレーション３ｉは、例えば、油圧ツールで挟持又は冷間圧接で封止され、ランプ１００が同時に封止されて充填処理ステーションから遮断されるようにする。リフレクタアセンブリ３ｊは、リフレクタ３ｋと２つのスリーブ３１を含む。リフレクタ３ｋは、リフレクタに鏡面を与えるために、高温材料で蝋付けされたほぼ純粋な多結晶アルミナ本体であってもよい。そして、リフレクタ３ｋがそのスリーブ３１に封止され、反射コーティングが蝋付けされた内面に付与される。

図３Ａは、従来技術の円筒形ランプ３００の第１の斜視図を示している。２つのアーム３４５及び３４６は、封止チャンバ３２０から外側に突出している。アーム３４５及び３４６は、一対の電極３９０及び３９１を収容しており、これらは、封止チャンバ３２０の内側に突出し、チャンバ３２０内のイオン性媒体の点火のための電界を提供する。電極３９０及び３９１の電気的接続は、アーム３４５及び３４６の端部に設けられる。

チャンバ３２０は、レーザ源（図示せず）からのレーザ光がチャンバ３２０に入ってもよい侵入ウィンドウ３２６を有する。同様に、チャンバ３２０は、エネルギー供給されたプラズマからの高出力光がチャンバ３２０を出てもよい退出ウィンドウ３２８を有する。レーザからの光は、持続エネルギーを提供するために、励起ガス（プラズマ）に集光される。イオン化媒体は、制御された高圧力弁３９８でチャンバ内に添加されるか、又はチャンバから除去される。

図３Ｂは、図３Ａの図を垂直方向に９０度回転させた、円筒形ランプ３００の第２の斜視図を示している。制御された高圧力弁３９８は、ビューイングウィンドウ３１０の略反対側に配置される。図３Ｃは、図３Ｂの図を水平方向に９０度回転させた、円筒形ランプ３００の第２の斜視図を示している。通常、チャンバ３２０の内部プロファイルは、チャンバ３２０の外部プロファイルに合致する。

加熱されたガスは、チャンバ内に何らかの乱流を生じることもある。このような乱流は、プラズマ領域に影響を及ぼし、例えば、プラズマ領域を拡張、変更、又は変形することもあり、さもなければ、高出力の出力光に何らかの不安定を生じることもある。

バルブの熱勾配及び重力により、相当量の不安定を生じ、プラズマ周辺のガスに乱流を生じる。プラズマ自体は、典型的には、９，０００Ｋを上回る温度に達するため、周囲のキセノンガスは、重力とともに激しい乱流を引き起こす著しい温度勾配を見せる。この乱流は、プラズマの空間的安定性に影響を及ぼし、プラズマの熱エネルギー交換力学にも等しく影響し、引いては、光子の変換効率を直接変更する。従って、上述の欠点のうちの１つ以上に対処する必要性がある。

本発明の実施形態は、安定性が改善されたレーザ駆動封止ビームランプを提供するものである。簡単に述べると、第１の態様は、レーザ光源からレーザビームを受けるように構成された封止高出力照明装置を対象とし、その作成方法も開示する。この装置は、イオン性媒体を包含するように構成された封止円筒形チャンバを含む。このチャンバは、侵入ウィンドウと、侵入ウィンドウの反対側に配された退出ウィンドウと、を備える円筒形壁部を有する。チューブインサートは、絶縁材料で形成されたチャンバ内に配される。インサートは、インサート内径内にレーザビームを受けるように構成される。

第２の態様は、封止高出力照明装置を対象とする。この装置は、レーザ光源からレーザビームを受けるように構成される。封止チャンバは、イオン性媒体を包含するように構成され、少なくとも２次元において非対称である体積プロファイルを有する。第１の電極及び第２の電極は、チャンバ内に延びる。第１の電極及び第２の電極の間に配置された点火位置は、チャンバ内の対称の少なくとも１点からオフセットする。

本発明の他のシステム、方法、及び特徴は、以下の図面及び詳細な説明を検討することにより、当業者にとって明らかとなるであろう。このような追加のシステム、方法、及び特徴は、本発明に含まれるものであり、本発明の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されるものである。

添付の図面は、本発明のさらなる理解を促すために含まれるものであり、本明細書の一部に組み込まれ、それを構築するものである。図中の構成要素は、必ずしも寸法を表すものでなく、本発明の原則を明確に示すように強調が施されている。図面は、本発明の実施形態を示しており、本説明とともに、本発明の原則を説明するものである。

展開図における従来技術の高出力ランプの概念図である。 断面図における図１の従来技術の高出力ランプの概念図である。 従来技術の円筒形レーザ駆動封止ビームランプの概念図である。 図３Ａの円筒形レーザ駆動封止ビームランプを第２の視点から見た概念図である。 図３Ａの円筒形レーザ駆動封止ビームランプを第３の視点から見た概念図である。 オフセットキャビティを備えたチャンバを有する円筒形レーザ駆動封止ビームランプの一例としての第１実施形態の概念図である。 ダブルキャビティを備えたチャンバを有する円筒形レーザ駆動封止ビームランプの一例としての第２実施形態の概念図である。 絶縁インサートを有するレーザ駆動円筒形封止ビームランプの一例としての第３実施形態の概念図である。 斜視図において図６のランプの本体の詳細を示す概念図である。 図６のランプの本体の詳細を示す展開概念図である。 チャンバの中心から中心がオフセットした絶縁インサートを有するレーザ駆動円筒形封止ビームランプの一例としての第４実施形態の概念図である。 少なくとも部分的にチャンバ内に延びる外壁の突出部を含む、第４実施形態と同様のレーザ駆動円筒形封止ビームランプの一例としての第５実施形態の概念図である。 非対称絶縁インサートを有するレーザ駆動円筒形封止ビームランプの一例としての第６実施形態の概念図である。 ダブルキャビティ及び絶縁インサートを備えたチャンバを有する円筒形レーザ駆動封止ビームランプの一例としての第７実施形態の概念図である。 アクティブ電極の代わりに１つ以上のパッシブ非電極点火剤を使用する円筒形レーザ駆動封止ビームランプの一例としての第８実施形態の概念図である。 レーザ光源からレーザビームを受けるように構成された封止高出力照明装置を製造する方法を示すフローチャートである。

以下の定義は、本明細書に開示の実施形態の特徴に適用される用語を解釈するのに有用であり、本開示内の要素を規定することのみを意図している。特許請求の範囲内に使用された用語への限定は意図されておらず、従って、これを導き出してはならない。添付の特許請求の範囲内に使用された用語は、適用可能な分野における慣例的意味によってのみ限定されなければならない。

本明細書において使用されるコリメート光は、光線が並行である光であるため、伝播する際の広がりが最小となる。

本明細書において使用される「略」は、「非常に近い」又は正常の製造公差内であることを意味する。例えば、略平坦ウィンドウは、設計によって平坦であることが意図されるものであるが、製造による差異に基づき、完全に平坦である状態から変動することもある。

以降、添付の図面に例示された、本発明の実施形態について詳細に説明を行う。可能な限り、図中及び説明において、同一又は同様の部品について言及する際、同一の参照符号を使用する。

図４は、非対称キャビティ４３０を備えたレーザ駆動円筒形封止ビームランプ４００の一例としての第１実施形態を示している。ランプ４００は、例えば、キセノン、アルコン、又はクリプトンガスが挙げられるが、これに限定されないイオン性媒体を包含するように構成された非対称キャビティ４３０を備えた封止チャンバ４２０を含む。イオン性媒体は、制御された高圧力弁４９８により、チャンバに添加されてもよく、又はチャンバから除去されてもよい。

チャンバ４２０は、キャビティ４３０内にレーザ光を伝達する侵入ウィンドウ４２６を有し、例えば、石英ガラス又はサファイヤ等の好適な透明材料で形成されてもよい。チャンバ４２０は、外壁４２１で囲まれ、侵入ウィンドウ４２６がチャンバ４２０の第１の側方を封止し、退出ウィンドウ４２８が、侵入ウィンドウ４２６の略反対側で、チャンバ４２０の第２の側方を封止する。非対称キャビティ４３０は、キャビティの壁部４３１で囲まれ、チャンバ４２０内の領域として形成される。

高出力退出光は、ランプ４００によって出力される。高出力光は、キャビティ４３０内の点火及びエネルギー供給されたイオン性媒体で形成されたプラズマにより放出される。イオン性媒体は、キャビティ４３０内の一対の点火電極４９０及び４９１の間に配置されたプラズマ点火領域にて、キャビティ４３０内で点火及び／又は励起される。プラズマは、チャンバ４２０の外部で生成され侵入ウィンドウ４２６を介してチャンバ４２０内に入ったレーザ光によって生成されたエネルギーにより、キャビティ４３０内で連続的に生成及び持続される。図４は、各々チャンバ４２０の上部及び底部における侵入ウィンドウ４２６及び退出ウィンドウ４２８を示しているが、侵入ウィンドウ４２６及び退出ウィンドウ４２８には他の構成も可能である。

非対称キャビティ４３０は、チャンバ４２０について非対称であるが、それ自体に対しては対称であってもよいことに留意しなければならない。非対称キャビティ４３０は、例えば、円筒形の形状であってもよいが、チャンバ４２０より小さい直径を有し、ここでは、キャビティ４３０の中心４３２がチャンバ４２０の中心４２２からオフセットする。電極４９０及び４９１は、電極４９０及び４９１の間の中間点が、チャンバ４２０の略中心４２２に配置されるものの、キャビティ４３０の中心４３２に対してオフセットすることで、その中間点がキャビティ４３０の上部壁部（すなわち、天井）付近に配置されるように位置決めされてもよい。図４に示される通り、中間点は、チャンバ４２０の中心４２２に合致してもよい。充填部分４３５は、キャビティ４３０によって占有されない、チャンバ４２０の部分を充填する。充填部分４３５は、例えば、ニッケル－コバルト鉄合金等、ランプ４００のハウジングと同一の材料で形成されてもよい。

２つのアーム４４５及び４４６は、封止チャンバ４２０から外側に突出する。アーム４４５及び４４６は、電極４９０及び４９１を収容し、これらは、キャビティ４３０の内側に突出し、キャビティ４３０内のイオン性媒体の点火及び／又は励起のための電界を提供する。電極４９０及び４９１の端部のみが、充填部分４３５からチャンバ４３０の内側に突出してもよい。電極４９０及び４９１の電気的接続は、アーム４４５及び４４６の端部に設けられる。

試験では、レーザ集光が円筒形ランプのチャンバの上部壁部に近づくように移動された時、安定性が改善したことを示している。調査では、或る幾何学的チャンバ配置により、チャンバ内のガスの乱流が減速し、規模が減少することを示している。チャンバ内にオフセットしたキャビティを形成することにより、このような配置は、円筒形ランプ構成内に形成されてもよい。

従って、エネルギーが異なる割合で消散するように、キャビティ４３０内の乱流ガスストリームを分裂又は分散させる代わりに、水平方向、垂直方向、及び／又は深さに関して非対称のキャビティを使用することが望ましい。結果として、１つでなく少なくとも２つの共鳴周波数でエネルギーが分散されるので、乱流の大きさは低減する。これらの周波数は、キャビティ４３０の全体積から見ると互いに非常に近くてもよいが、ピークの広がり及び平坦化により、結果として、長期に亘ってより安定性の高い製品をもたらす。

複数のキャビティ形状の試験では、キャビティの形状に応じて、且つ、キャビティ全体のサイズに対して程度は低いが、１００Ｈｚ～１０ｋＨｚの間である従来技術のランプの通常０．１％の不安定性が、非対称キャビティにより、１．５～２分の１に低減されることを示している。

最も改善された形状としては、少なくとも２次元において対称が崩されたものであり、キャビティ内のより冷たいガスが、容積を低減した、例えば、二重放物状キャビティ（すなわち、「卵型」）チャンバ上方のより温かいガスと相互作用するように設けられた形状であった。プラズマをランプの中心から離れて配置することにより、対称を崩し、プラズマがキャビティの上部により近づいて配置された時の性能を向上させる。サファイヤウィンドウを遮蔽する下方部分壁部を備えたオフセットキャビティと、Ｄ字型輪郭形状を備えたキャビティと、を含むが、これに限定されない他のキャビティ構成も可能である。

チャンバ４２０内のキャビティ４３０は、通常、例えば、２０～６０バールの範囲内の圧力レベルまで加圧される。高圧であるほど、プラズマスポットが小さくなり、例えば、繊維開口等、小さな開口への結合に有利であってもよい。チャンバ４２０は、高出力退出光を放射するための退出ウィンドウ４２８を有する。退出ウィンドウ４２８は、例えば、石英ガラス又はサファイヤ等、好適な透明材料で形成されてもよく、特定波長を反射させる反射性材料でコーティングされてもよい。反射性コーティングは、ランプ４００からレーザビーム波長が出ることを遮断してもよく、及び／又は、ＵＶエネルギーがランプ４００から出るのを防いでもよい。反射性コーティングは、可視光等、特定範囲の波長を通過させるように構成されてもよい。

退出ウィンドウ４２８は、意図された波長の光線の透過率を増加させるために、反射防止コートも有してよい。これは、例えば、ランプ４００によって放射される退出光から望ましくない波長をフィルタリングするための部分反射又は分光反射であってもよい。侵入レーザ光の波長をチャンバ４２０内に反射して戻す退出ウィンドウ４２８のコーティングにより、チャンバ４２０内にプラズマを維持するために必要とされるエネルギー量を低下させてもよい。チャンバ４２０は、例えば、金属、サファイヤ、又は石英ガラス等のガラスで形成された本体を有してもよい。

レーザ光源（図示せず）は、例えば、単一赤外（ＩＲ）レーザダイオード等、単一レーザであってもよく、又は、例えば、ＩＲレーザダイオードの積層等、２つ以上のレーザを含んでもよい。レーザ光源（図示せず）の波長は、例えば、キセノンガス等のイオン性媒体を最適に汲みだすことに関して、近赤外域～中赤外域において選択されることが好ましい。遠赤外線光源も可能である。複数のＩＲ波長が、キセノンガスの吸収帯域との連結改善のために適用されてもよい。当然のことながら、他のレーザ光のソリューションも可能であるが、他の因子の中でも、コスト因子、熱放射、サイズ、又はエネルギー要件のために望ましくないこともある。

強い吸収線の１０ｎｍ以内でイオン化ガスを励起することが好ましいと一般的には教示されるが、これは、光共鳴プラズマの代わりに、逆制動放射による熱プラズマを生成する時には要求されないことに留意しなければならない。例えば、イオン化ガスは、非常に弱い吸収線（１％ポイントであり、通常、例えば、２０％ポイントにて９７９．９ｎｍの吸収線で９８０ｎｍの放射にて蛍光プラズマを使用するランプに比べて、２０倍弱い）から１４ｎｍ離れた、１０７０ｎｍにて励起されたＣＷであってもよい。しかしながら、１０．６μｍのレーザは、この波長付近に既知の吸収線が存在しなくても、キセノンプラズマを点火することができる。特に、キセノン中でレーザプラズマを点火及び持続させるために、ＣＯ_２レーザを使用することができる。例えば、米国特許第３，９００，８０３号を参照のこと。

ランプ４００は、蝋付け材料を含む、構成内にいずれの銅も使用しない、Ｋｏｖａｒ（登録商標）としても既知のニッケル－コバルト鉄合金で形成されてもよい。第１実施形態において、チャンバ４２０内に比較的高い圧力を使用することで、より小さなプラズマ焦点をもたらし、結果として、例えば、光ファイバー侵入等、より小さな開口への連結を改善する。

第１実施形態において、電極４９０及び４９１は、電極４９０及び４９１を損傷するプラズマガスの乱流の影響を最小にするために、例えば、１ｍｍ以上の距離、離間してもよい。電極４９０及び４９１は、非対称の電極によって生じるプラズマガス乱流への影響を最小にするように、対称に設計されてもよい。

電極４９０及び４９１はまた、侵入ウィンドウ４２６及び退出ウィンドウ４２８に対してオフセットしてもよい。例えば、電極は、点火位置が退出ウィンドウ４２８よりも侵入ウィンドウ４２６に近くなるように配置されてもよい。或いは、電極は、点火位置が侵入ウィンドウ４２６よりも退出ウィンドウ４２８に近くなるように配置されてもよい。

図５は、二重非対称キャビティ５３０及び５４０を備えたレーザ駆動円筒形封止ビームランプ５００の一例としての第２実施形態を示している。レーザ駆動円筒形封止ビームランプ４００の一例としての第１実施形態のように、ランプ５００は、イオン性媒体を包含するように構成された非対称キャビティ５３０を備えた封止チャンバ５２０を含む。イオン性媒体は、制御された高圧力弁５９８により、チャンバに添加されてもよく、又はチャンバから除去されてもよい。チャンバ５２０は、レーザをキャビティ５３０内に伝達する侵入ウィンドウ５２６を有する。チャンバ５２０は、外壁５２１、侵入ウィンドウ５２６、及び退出ウィンドウ５２８に囲まれている。非対称キャビティ５３０は、キャビティ壁部５３１に囲まれた、チャンバ５２０内の領域として形成される。図５は、各々、チャンバ５２０の上部及び底部における侵入ウィンドウ５２６及び退出ウィンドウ５２８を示しているが、侵入ウィンドウ５２６及び退出ウィンドウ５２８については、他の位置及び構成が可能である。例えば、代替の実施形態において、侵入ウィンドウ４２６は、侵入ウィンドウ４２８の反対側に配置されてもよい。

チャンバ５２０は、第１のキャビティ５３０と部分的に交差する第２のキャビティ５４０を含み、チャンバ４２０内の隔壁領域５４１を有する第２のキャビティ５４０は、第１のキャビティの直径より小さな第２のキャビティの直径を有する。充填部分５３５は、キャビティ５３０及び５４０に占有されないチャンバ５２０の部分を充填する。充填部分５３５は、例えば、ニッケル－コバルト鉄合金等、ランプ５００のハウジングと同一の材料で形成されてもよい。

高出力退出光は、キャビティ５３０内の点火及びエネルギー供給されたイオン性媒体で形成されたプラズマから、ランプ５００によって出力される。２つのアーム５４５、５４６は、封止チャンバ５２０から外側に突出する。アーム５４５及び５４６は、電極５９０及び５９１を収容し、これらは、キャビティ５３０の内側に突出し、キャビティ５３０内のイオン性媒体の点火のための電界を提供する。電極５９０及び４５１の電気的接続は、アーム５４５及び５４６の端部にて設けられる。

図５は、チャンバ５２０の中心５２２の周囲に配置された第１のキャビティ５３０内に実質的に配置された電極５９０及び５９１を示すが、代替の実施形態において、電極５９０及び５９１は、第２のキャビティ５４０内に配置されてもよく、又は第１のキャビティ５３０及び第２のキャビティ５４０の交差点に配置されてもよい。

以上の実施形態は、円筒形ランプの文脈で説明したが、オフセットした、及び／又は、非対称のキャビティを備えた加圧高出力ランプを有する代替の実施形態は、非円筒形構成における封止高出力ランプを含んでもよい。

上述の通り、バルブの熱勾配及び重力により、相当量の不安定を生じ、プラズマ周辺のガスに乱流を生じる。従って、以下の実施形態には、ランプの円筒形キャビティに挿入される絶縁石英チューブが含まれる。

図６は、絶縁インサート６５０を有するレーザ駆動円筒形封止ビームランプ６００の一例としての第３実施形態を示している。ランプ６００は、本体６１０と、本体６１０から外側に突出した２つのアーム６４５及び６４６と、を含む。本体６１０は、内部キャビティ６３０の周辺に封止チャンバ６２０を含む。図７は、本体６１０の斜視図であり、明確さのため、電極６９０及び６９１とアーム６４５及び６４６とを省略している。図８は、本体６１０の展開図を示している。

チャンバ６２０は、キャビティ６３０内にレーザ光を伝達する侵入ウィンドウ６２６にて封止され、侵入ウィンドウ６２６は、例えば、石英ガラス又はサファイヤ等の好適な透明材料で形成され、侵入ウィンドウリング６２７によって枠取りされてもよい。チャンバ６２０は、外壁６２１と、侵入ウィンドウ６２６と、退出ウィンドウリング６２９によって枠取りされた退出ウィンドウ６２８と、に囲まれている。キャビティ６３０は、外壁６２１とウィンドウ６２６及び６２８とで形成されたチャンバ６２０内の領域として形成される。外壁６２１は、少なくとも部分的にチャンバ６２０内に延びる任意の延設部分６３５を含んでもよい。延設部分６３５は、例えば、ニッケル－コバルト鉄合金等、本体６１０と同一の材料で形成されてもよい。充填ポート６９６は、本体６１０の外部からチャンバ６２０に延び、チャンバ６２０に対してイオン性媒体を添加又は除去するための制御された高圧力弁６９８を収容するように構成される。

絶縁インサート６５０は、チャンバ６２０内に配置される。絶縁インサート６５０は、略円筒形の形状であってもよいが、以下にさらに説明する通り、他の形状も可能である。特に、絶縁インサート６５０の断面形状は、円形であってもよく、又は非円形であってもよい。絶縁インサート６５０の壁部は、侵入ウィンドウ６２６及び退出ウィンドウ６２８の間に延びる。絶縁インサート６５０の侵入端部は、侵入ウィンドウ６２６に当接してもよく、絶縁インサート６５０の侵入端部が侵入ウィンドウ６２６に接触するか、又はほぼ接触するようにしてもよい。同様に、絶縁インサート６５０の退出端部は、退出ウィンドウ６２８に当接してもよく、絶縁インサート６５０の退出端部が退出ウィンドウ６２８に接触するか、又はほぼ接触するようにしてもよい。特に、絶縁インサート６５０は、侵入ウィンドウ６２６及び／又は退出ウィンドウ６２８に対して封止される必要がない。従って、絶縁インサート６５０は、チャンバ６２０内を移動してもよく、チャンバ６２０内の絶縁インサート６５０の位置は、重力等の外力の影響を受けてもよい。

絶縁インサート６５０の外径は、通常、キャビティ６３０の内径より小さくてもよい。非限定的な例として、絶縁インサート６５０は、１１ｍｍの内径を有するキャビティ６３０内で、８ｍｍの内径及び１０ｍｍの外径を有してもよく、ここでは、侵入ウィンドウ６２６から退出ウィンドウ６２８までの距離は、８ｍｍである。他の構成も可能である。例えば、ウィンドウ間の距離は、好ましくは、４～１２ｍｍであってもよく、キャビティの直径は、いくつかの適用例について、好ましくは、７～１９ｍｍの範囲であってもよい。例えば、石英インサート壁部の厚さは、０．２～２ｍｍであってもよい。

絶縁インサート６５０は、石英又は他の好適な絶縁材料で作成されてもよい。この材料は、好ましくは、キャビティの本体材料の熱膨張係数よりも小さな熱膨張係数を備えた断熱器である。本体材料の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を備えた絶縁インサート６５０の材料を使用することにより、確実に、石英又は他の断熱材料に熱－機械応力によるひび割れを生じないようにする。

高出力退出光は、ランプ６００によって出力される。高出力光は、キャビティ６３０及び絶縁インサート６５０内で点火及びエネルギー供給されたイオン性媒体で形成されたプラズマによって放射される。イオン性媒体は、キャビティ６３０及び絶縁インサート６５０内の一対のアクティブ点火電極６９０及び６９１の間に配置されたプラズマ点火領域にて、キャビティ６３０及び絶縁インサート６５０内で点火及び／又は励起される。アーム６４５及び６４６は、アクティブ電極６９０及び６９１を収容し、これらは、キャビティ６３０の内側に突出し、キャビティ６３０内のイオン性媒体の点火のための電界を提供する。アクティブ電極６９０及び６９１の電気的接続は、アーム６４５及び６４６の端部に設けられる。アクティブ電極６９０及び６９１は、例えば、絶縁インサート６５０の壁部の開口（図示せず）を通じて、絶縁インサート６５０の壁部を貫通してもよい。他の点火機構について、以下に説明する。

一旦点火及び／励起されると、プラズマは、レーザ（ランプ６００の外部）からのエネルギーで持続される。レーザは、絶縁インサート６５０内の位置に集光され、絶縁インサート６５０の壁部が、プラズマから放出される熱からチャンバ６２０の壁部を絶縁するようにする。石英は良好な絶縁を行うため、例えば、キセノンガス等のイオン性媒体は、もはや、動作中にランプ６００の壁部６２１によって直接冷却されることはない。これは、ランプ６００内のキセノンガスの乱流を大幅に低減し、引いては、プラズマ及び周辺のキセノンガスの間の熱交換バランスに対する影響を低減することにより、プラズマの空間位置に対する乱流の影響を低減する。

チャンバ６２０内のキャビティ６３０は、通常、例えば、２０～６０バールの範囲の圧力レベルに加圧される。絶縁インサート６５０の内部は、絶縁インサート６５０の外部から封止されなくてもよい。圧力が高いほど、プラズマスポット（の体積が）小さくなってもよく、これは、例えば、繊維開口等、小さな開口内への連結に有利であってもよい。チャンバ６２０の退出ウィンドウ６２８は、高出力退出光を放射する。退出ウィンドウ６２８は、例えば、石英ガラス又はサファイヤ等、好適な透明材料で形成されてもよく、特定の波長を反射する反射性材料でコーティングされてもよい。反射性コーティングは、レーザビームの波長がランプ６００から出るのを遮断し、及び／又は、ＵＶエネルギーがランプ６００から出るのを防いでもよい。反射性コーティングは、可視光等、特定範囲の波長を通過させるように構成されてもよい。

退出ウィンドウ６２８は、意図された波長の光線の透過を増加させるように非反射性コートも有してよい。これは、例えば、ランプ６００によって放射された退出光から望ましくない波長をフィルタで取り除く部分反射又はスペクトル反射であってもよい。侵入レーザ光の波長を反射してチャンバ６２０内に戻す退出ウィンドウ６２８のコーティングは、チャンバ６２０内のプラズマを維持するために必要とされるエネルギー量を低下させてもよい。

特定の測定において測定された絶縁インサートを備えないランプの典型的な不安定性は、０．０７～０．１％と評価され、後者は、遮断の仕様限界である。一方、０．０４％と測定された絶縁インサート６５０とＶＩＳ光出力とを備えたランプ６００は、壁部上に投影されたシュリーレン現象の流れを判断する裸眼に対してはるかに安定的に視認可能であった。サファイヤウィンドウの温度は、２５％上昇し、絶縁インサート６５０がランプ６００内の内部キセノン温度を上昇させることを明確に確認するものである。ランプの内部体積を低減すること及び／又はキャビティの断絶をなくすために電極を除去することで、結果として、さらなる改善をもたらす。石英インサートを備えた無電極ランプへの測定は、同一のキセノン充填圧力で、非石英インサートソリューションと比べて、不安定性が０．０２％を下回り、光出力が１０％増加する。

図９に示される通り、キャビティ６３０内の絶縁インサート６５０の位置は、第１実施形態に関して説明した通り、乱流の低減が得られるように構成されてもよい。例えば、第３実施形態と略同様であるランプ９００の第４実施形態は、チャンバ６２０の中心６２２からオフセットしたキャビティ６３０の中心９３２を有してもよく、ここでは、プラズマ持続領域がチャンバ６２０の中心６２２に配置されるように構成される。アクティブ電極又はパッシブ非電極点火剤を用いる実施形態について、電極６９０及び６９１又は点火剤は、電極６９０及び６９１又は点火剤の中間点におけるプラズマ持続領域がチャンバ６２０の略中心６２２に配置されるものの、絶縁インサート６５０の中心９３２に対してオフセットすることで、プラズマ持続領域が、絶縁インサート６５０の上部壁部（すなわち、天井）付近に配置されるように配置されてもよい。図９に示される通り、プラズマ持続領域は、チャンバ６２０の中心６２２に合致してもよい。

第４実施形態の構成では、絶縁インサート６５０を含まない以外、ランプと同様にポンプ及び充填プロセスが進行できるように、キャビティ６３０内に十分な余地を残す。これにより、絶縁インサート６５０がキャビティ６３０の底部に落ちる際、プラズマがチャンバ６２０の円筒軸上で作動されたとしても、プラズマが底部よりもインサート６５０の上部により近い状態で、ランプ９００の正常動作が行えるようにする。

図１０は、第４実施形態と同様であり、少なくとも部分的にチャンバ６２０内に延びる外壁６２１の延設部分１０３５を含む、ランプ１０００の第５実施形態を示している。延設部分１０３５は、例えば、ニッケル－コバルト鉄合金等、本体６１０と同一材料で形成されてもよい。延設部分１０３５は、チャンバ６２０内の所望の位置に絶縁インサート６５０を配置するのを支援するために、チャンバ６２０の中心６２２からオフセットした開口を有してもよい。延設部分１０３５における開口は、絶縁インサート６５０の外側寸法より大きくてもよく、延設部分１０３５が絶縁インサート６５０に対して封止されないようにし、これにより流体の自由な流れを許容し、イオン性媒体等の流れが延設部分１０３５及び絶縁インサート６５０の間で妨げられないようにする。第３実施形態及び第４実施形態のように、絶縁インサートは、同様に、絶縁インサート６５０内、及び絶縁インサート６５０を伴うことなく、イオン性媒体の自由な流動を許容するために、侵入ウィンドウ６２６及び／又は退出ウィンドウ６２８に対して封止されなくてもよい。

図１１は、非対称の絶縁インサート１１５０を有するレーザ駆動円筒形封止ビームランプ１１００の一例としての第６実施形態を示している。第６実施形態において、絶縁インサートは、非円形の断面を有してもよい。例えば、対称は、少なくとも２次元で崩されてもよく、キャビティ内のより冷たいガスが、容積を低減した、例えば、二重放物状キャビティ（すなわち、「卵型」）チャンバ上方のより温かいガスと相互作用するようにする。上述の実施形態と同じように、プラズマをランプの中心から離れて配置することにより、対称を崩し、プラズマがキャビティの上部のより近くに配置された時の性能を改善する。サファイヤウィンドウを遮蔽する下方部分壁と、Ｄ字型輪郭形状を備えたインサートを含むが、これに限定されない他のインサート形状構成も可能である。しかしながら、このようなインサート形状は、ランプの製造コストを著しく増加させることもある。

図１２は、ダブルキャビティ１２３５及び絶縁インサート６３０を備えたチャンバを有する円筒形レーザ駆動封止ビームランプ１２００の一例としての第７実施形態を示している。第７実施形態は、第２実施形態のチャンバ形状を、第３～第６実施形態の絶縁インサート６５０と組み合わせたものである。絶縁インサート６５０は、第３実施形態のように、円形断面を有してもよく、又は第６実施形態のように、非対称断面を有してもよい。プラズマ持続位置は、特定ランプの必要性に応じて選ばれてもよい。例えば、プラズマ持続位置は、ダブルキャビティ１２３５の中心、インサート６５０の中心、又は、ダブルキャビティ１２３５及びインサート６３０の一方又は双方の中心からオフセットして配置されてもよい。

ランプ１３００の第８実施形態において、図１３に示される通り、同時係属中の米国特許出願第１４／７１２，３０４号の表題「Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｌｅｓｓ Ｓｉｎｇｌｅ ＣＷ Ｌａｓｅｒ Ｄｒｉｖｅｎ Ｘｅｎｏｎ Ｌａｍｐ」で説明されるように、アクティブ電極６９０及び６９１（図６）の代わりに、１つ以上のパッシブ非電極点火剤１３９０を使用して、チャンバ内のイオン性媒体を点火／励起してもよく、その内容全体を参照としてここに組み込む。絶縁インサート６５０は、絶縁インサート６５０に内蔵されるか、又は絶縁インサート６５０の内側及び／外側に取り付けられる等、絶縁インサート６５０に組み込まれたパッシブ非電極点火剤１３９０を有してもよい。以上の実施形態の電極６９０及び６９１（図６）とアーム６４５及び６４６（図６）は、省略されてもよい。例えば、電極及びパッシブ非電極点火剤１３９０の双方を省略した実施形態において、チャンバ内のイオン性媒体は、すべて外部レーザからのエネルギーにより、点火／励起されてもよい。

絶縁インサート６５０の一例としての実施形態には、内側を向いたトリウム入りタングステンの非電極点火１３９０（ピン）、例えば、絶縁インサート６５０内のプラズマ点火領域を向いた、２つ又は４つの等間隔に配された非電極点火剤１３９０を備える、銅／タングステンのＭＩＭ構造の内蔵リング又は嵌めこみリングを含んでもよい。前述の通り、ランプ１３００の他の代替の実施形態では、電極が完全に省略され、イオン性媒体がレーザによって直接点火／励起されるようにしてもよい。

以上の実施形態（第３実施形態を除く）では、チャンバの中心（第１実施形態及び第２実施形態）又は絶縁インサート（第４～第７実施形態）の中心に対してプラズマ持続位置の位置が、通常、プラズマの安定性に影響を及ぼす。例えば、１０ｍｍオーダの内径を有するキャビティ／インサートを備えたランプにおいて、プラズマ持続位置は、好ましくは、キャビティ／インサートの壁部から少なくとも２～３ｍｍ離れている。壁部に少しでも近づくと、プラズマは消えてもよい。プラズマの安定性に対するポジティブな影響は、プラズマ持続位置がキャビティ／インサートの中心軸から１～２ｍｍ移動されるや否や、気づかれるものであってもよい。正確な距離は、キャビティ／インサートのサイズに対して相対的なものであり、イオン性媒体がキャビティの壁部に当たる時のイオン性媒体の冷却に基づく、ランプ内の熱のストリームに基づく。プラズマ持続位置は、手元での適用における安定性及び／又は照明の必要性に応じて配置されてもよい。プラズマは、最初に、例えば、電極又はパッシブ非電極点火要素の中心等、第１の位置で点火及び／又は励起されたた後、例えば、第１の位置から第２の位置にレーザの集光位置を徐々に移動させることにより、高出力光を持続するための第２の位置に再配置されてもよい。

他の実施形態も可能である。図面は、通常、アクティブ電極を備えたランプの実施形態を示しているが、代替実施形態において、アクティブ電極を使用した上述のランプの実施形態は、各々、代わりに、パッシブ非電極点火剤を備えて構成されてもよく、又は、電極を完全に省略してもよい。このような実施形態において、アーム４４５及び４４６（図４）、５４５及び５４６（図５）、並びに６４５及び６４６（図６及び図９～１２）は、省略されてもよい。他の代替実施形態では、絶縁インサートをチャンバ壁部から離間させる代わりに、ランプのチャンバ壁部が石英等の絶縁材料と並べられてもよい。ポンプ及び充填プロセスを作動させ、及び／又は、チャンバ内へのアクティブ電極のアクセスを提供するように、このような実施形態では、１つ以上の開口が設けられてもよい。

図１４は、レーザ光源からレーザビームを受けるように構成された封止高出力照明装置の製造方法を示すフローチャート１４００である。フローチャートの任意のプロセス記述又はブロックは、プロセスにおける特定の論理機能を実施するためのモジュール、セグメント、コード部分、又はステップとして理解されなければならず、代替の実現例も本発明の範囲内に含まれ、機能は、本発明の分野で合理的な技術を有する者によって理解される通り、関与する機能に応じて、略同時又は逆の順を含む、図示又は検討とは順不同で実行されてもよいことに留意しなければならない。

円筒形壁部６２１（図６）を備えた封止可能な円筒形チャンバ６２０（図６）は、ブロック１４１０に示される通り、形成される。絶縁チューブインサート６５０（図６）は、ブロック１４２０に示される通り、チャンバ円筒形壁部６２１（図６）内に挿入される。侵入ウィンドウ６２６（図６）は、ブロック１４３０に示される通り、円筒形壁部６２１（図６）の第１の端部に取り付けられる。退出ウィンドウ６２８（図６）は、ブロック１４４０に示される通り、侵入ウィンドウ６２６（図６）の反対側の円筒形壁部６２１（図６）の第２の端部に取り付けられ、インサート６５０（図６）の侵入端部は、チャンバ侵入ウィンドウ６２６（図６）に当接し、インサート６５０（図６）は、チャンバ退出ウィンドウ６２８（図６）に当接する。

まとめると、当分野の技術者は、本発明の範囲又は主旨から逸脱することなく、本発明の構造に種々の修正及び変更がなされ得ることが明らかであろう。以上に鑑み、本発明は、以下の特許請求の範囲及びそれらの同等物の範囲内である限り、本発明の修正及び変更も網羅することが意図されるものである。

Claims (12)

1. レーザ光源からレーザビームを受けるように構成された封止高出力照明装置であって、
   イオン性媒体を包含するように構成されたキャビティを画定する封止チャンバであって、前記キャビティは、壁部で囲まれることにより前記チャンバ内の領域として形成され、前記キャビティの対称の少なくとも１点が前記チャンバの対称の少なくとも１点からオフセットされている、封止チャンバと、
   前記キャビティ内に延びる第１の電極と、
   前記キャビティ内に延びる第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極及び前記第２の電極は、中間点を画定し、
   前記第１の電極及び前記第２の電極によって画定された前記中間点は、前記キャビティの対称の前記少なくとも１点からオフセットされている、装置。
2. 前記イオン性媒体は、キセノンガス、アルゴンガス、及びクリプトンガスからなる群より選択される、請求項１に記載の装置。
3. パッシブ非電極点火剤をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記封止チャンバは、ニッケル－コバルト鉄合金を備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記封止チャンバは、サファイヤ及び／又は石英を備える、請求項１に記載の装置。
6. チャンバ円筒形壁部から前記チャンバ内に突出した壁部突出部をさらに備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、略対称の形状である、請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の電極及び前記第２の電極は、１ｍｍを上回るギャップで分離される、請求項１に記載の装置。
9. 前記封止チャンバの本体は、銅を含まない、請求項１に記載の装置。
10. 前記第１の電極及び前記第２の電極によって画定された前記中間点は、前記チャンバの対称の前記少なくとも１点に配置されている、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１の電極及び前記第２の電極によって画定された前記中間点は、前記キャビティの上部壁部付近に配置されている、請求項１に記載の装置。
12. 前記キャビティは、二重放物形状を有している、請求項１に記載の装置。