RU2752778C1 - Плазменный источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к плазменным источникам света с непрерывным оптическим разрядом (НОР) и способам генерации излучения. Технический результат - повышение яркости и стабильности широкополосных источников света. Источник света содержит заполненную газом камеру, средство для зажигания плазмы и область излучающей плазмы, поддерживаемой сфокусированным пучком непрерывного лазера. Оптимальная непрерывная генерация излучения плазмы, характеризующаяся спектральной яркостью более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср) и относительной нестабильностью яркости σ, менее 0,1%, достигается тем, что плотность частиц газа в камере менее 90⋅10¹⁹ см^-3, а температура внутренней поверхности камеры - в диапазоне от 600 до 900 K. Предпочтительно рабочая температура камеры как можно более высока, а плотность частиц газа как можно более низка при оптимальном давлении газа в камере около 50 атм или более. Предпочтительно газ - ксенон, а длина волны непрерывного лазера 808 нм. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к устройству плазменных источников света с непрерывным оптическим разрядом (НОР) и способам генерации широкополосного излучения из плазмы НОР.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Стационарный газовый разряд, поддерживаемый лазерным излучением в уже имеющейся относительно плотной плазме, называют непрерывным оптическим разрядом. Источники света на основе НОР с температурой плазмы около 15000 K (Raizer, «Optical Discharges», Sov. Phys. Usp. 23(11), Nov. 1980, pp. 789-806) являются одними из самых высокояркостных источников непрерывного излучения в широком спектральном диапазоне от ~100 нм до ~1000 нм. По сравнению с дуговыми лампами источники на основе НОР обладают не только более высокой яркостью, но и большим временем жизни, что делает их предпочтительными для многочисленных применений.

Указанная температура излучающей плазмы, около 15000 K, практически фиксирована, поскольку при попытке ее повышения за счет увеличения мощности непрерывного лазера (в пределах 2-10 раз, но не на много порядков) объем плазмы будет увеличиваться, и дополнительная мощность будет сбрасываться излучением и теплопроводностью с увеличившихся объема и поверхности границы плазмы с газом. Иными словами, температура плазмы в значительной степени стабилизирована самим НОР, условиями его существования. В связи с этим, с целью повышения яркости для поддержания НОР находят применение импульсные лазеры с высокой частотой повторения, в том числе, совместно с применением непрерывного лазера, мощность которого не ниже пороговой мощности, необходимой для устойчивого поддержания НОР, как это известно, например, из патента RU 2571433, опубл. 20.12.2015.

Однако при данном подходе существует проблема нестабильности высокояркостного плазменного источника света с лазерной накачкой.

В значительной степени этого недостатка лишен широкополосный источник света, известный из патента US 9368337, опубл. 14.06.2016, в котором оптически прозрачная плазма НОР, поддерживаемая излучением непрерывного лазера, имеет удлиненную вдоль оси лазерного пучка форму. Сбор излучения плазмы производится в продольном направлении, что обусловливает высокую яркость источника света.

Однако при продольном сборе излучения плазмы возникает проблема блокировки лазерного излучения в пучке полезного излучения плазмы. Решая проблемы повышения яркости, увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения плазмой, значительного уменьшения числовой апертуры блокируемого расходящегося лазерного пучка, прошедшего через плазму, указанное устройство не полностью решает проблему стабильности яркости источника света.

Этих недостатков частично лишен широкополосный источник света, известный из патента США 9357627, опубл. 31.05.2016, в котором сбор излучения осуществляется в направлениях, отличных от направлений распространения лазерного пучка. При этом за счет выбора взаимного расположения камеры, лазерного пучка (направленного вертикально вверх по оси камеры) и области излучающей плазмы (в непосредственной близости от верхней части камеры) обеспечивается повышение энергетической и пространственной стабильности широкополосного источника света за счет подавления турбулентности конвективных потоков в газонаполненной камере источника света.

Задача повышения стабильности и управления конвективными потоками газа, турбулентное течение которых приводит к нестабильности яркости источника света, за счет оптимизации геометрии камеры и источника света в целом также решалась в ряде патентов США: 10008378, опубл. 26.06.2018; 10109473, опубл. 23.10.2018; 9887076, опубл. 06.02. 2018; 10244613, опубл. 26.03.2019.

Однако оптимальные условия получения непрерывной генерации излучения плазмы с высокой спектральной яркостью, близкой к максимально достижимой для источников света этого типа, более 50 мВт/(мм²⋅ср⋅нм), и низкой относительной нестабильностью яркости σ, менее 0,1% не были определены.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача, решаемая изобретением, относится к созданию устройств и способов для оптимальной генерации широкополосного излучения плазмы НОР и разработке на их основе высокостабильных высокояркостных плазменных источников света с лазерной накачкой.

Сущность изобретения состоит в достижении максимально высокой яркости источника света за счет высокой плотности высокотемпературной (~15000 K) излучающей плазмы НОР, обеспечиваемой высоким, 50-100 атм или выше, давлением p окружающего ее газа. Отличительной особенностью является то, что в соответствии с соотношением p~nT столь высокие давления p обеспечиваются при минимизированной плотности атомов газа n, но с использованием как можно более высокой температуры газа Т, в диапазоне от 600 до 900 K или выше. Минимизация плотности газа и связанной с этой плотностью рефракции, в свою очередь, позволяет высокоэффективно подавлять нестабильность яркости источника света, связанную с турбулентностью конвективных газовых потоков в его газонаполненной камере.

Технический результат изобретения состоит в обеспечении условий поддержания НОР, оптимальных для достижения высокой стабильности и высокой яркости излучающей плазмы, в создании на этой основе широкополосных источников света высокой яркости с высокой пространственной и энергетической стабильностью.

Достижение цели возможно с помощью предлагаемого плазменного источника света с лазерной накачкой, содержащего: заполненную газом камеру, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна, средство для зажигания плазмы, область излучающей плазмы, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком непрерывного лазера в установившемся режиме и, по меньшей мере, один пучок излучения плазмы, выходящий из камеры.

Источник света отличается тем, что оптимальная генерация пучка излучения плазмы достигается тем, что плотность частиц газа в камере составляет менее 90⋅10¹⁹ см^-3, а температура внутренней поверхности камеры находится в диапазоне от 600 до 900 K или опционально выше.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения оптимальная непрерывная генерация пучка излучения плазмы в установившемся режиме характеризуется высокой спектральной яркостью, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср), и низкой относительной нестабильностью яркости σ, менее 0,1%.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения температура внутренней поверхности камеры в стационарном режиме работы максимально высока, а плотность частиц газа минимально низка для обеспечения давление газа в камере около 50 атм или более.

В вариантах реализации изобретения плотность частиц газа составляет не менее 46⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре не менее 17 бар.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения газ - ксенон, а длина волны непрерывного лазера 808 нм.

В вариантах реализации изобретения, по меньшей мере, часть камеры, предназначенная для выхода пучка излучения плазмы, выполнена сферической, и область излучающей плазмы расположена в центре сферической части камеры.

В вариантах реализации изобретения радиус внутренней поверхности сферической части камеры менее 5 мм, предпочтительно не более 3 мм.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения сфокусированный пучок непрерывного лазера направлен в камеру снизу вверх, и ось указанного пучка направлена по вертикали, либо близко к вертикали.

В вариантах реализации изобретения часть или деталь камеры расположена сверху над областью излучающей плазмы на минимально возможном расстоянии от нее, менее 3 мм, не оказывающем заметного негативного воздействия на срок службы камеры и ее прозрачность.

В вариантах реализации изобретения камера снабжена нагревателем.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения прозрачная часть камеры выполнены из материала, относящегося к группе сапфир, лейкосапфир (Al2O3), плавленый кварц, кристаллический кварц (SiO2), кристаллический фторид магния (MgF2).

В предпочтительных вариантах реализации изобретения средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему, генерирующую в режиме модуляции добротности и в режиме свободной генерации два импульсных лазерных пучка, которые сфокусированы в камеру.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения пучок непрерывного лазера и каждый пучок излучения плазмы, выходящий из камеры, не пересекаются друг с другом вне области излучающей плазмы.

В вариантах реализации изобретения плазменный источник света с лазерной накачкой имеет три или более пучка излучения плазмы.

В другом аспекте изобретение относится к способу генерации излучения, включающему в себя зажигание плазмы в заполненной газом камере и поддержание плазмы с помощью сфокусированного пучка непрерывного лазера для получения, по меньшей мере, одного пучка излучения плазмы, выходящего через оптически прозрачную часть камеры.

Метод характеризуется тем, что камеру заполняют с плотностью частиц газа менее 90⋅10¹⁹ см^-3, и поддерживают плазму сфокусированным пучком непрерывного лазера при температуре внутренней поверхности камеры, находящейся в диапазоне от 600 до 900 K или опционально выше.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения давление газа, заполняющего камеру при комнатной температуре, повышают при выводе источника света на установившийся режим работы, по меньшей мере, в два раза до 50 бар или более, чтобы обеспечить высокую спектральную яркость, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср).

Предпочтительно температуру внутренней поверхности камеры поддерживают как можно более высокой, чтобы минимизировать плотность частиц газа и обеспечить низкую относительную нестабильность яркости σ менее 0,1%.

В вариантах реализации изобретения перед зажиганием плазмы с помощью нагревателя, расположенного снаружи камеры, осуществляют быстрый нагрев камеры до температуры, находящейся в диапазоне от 600 до 900 K.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения сфокусированный пучок непрерывного лазера направляют в камеру снизу вверх вдоль вертикали.

В вариантах реализации изобретения турбулентность конвективных потоков в камере подавляют за счет расположения верхней стенки или части камеры на минимально возможном, не превышающем 3 мм, расстоянии от области излучающей плазмы, позволяющем избежать отрицательного воздействия на срок службы камеры и её прозрачность.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения камеру заполняют ксеноном, а поддержание плазмы осуществляют с помощью непрерывного лазера с длиной волны 808 нм.

В предпочтительных вариантах реализации осуществляют зажигание плазмы двумя сфокусированными в область излучающей плазмы импульсными лазерными пучками, генерируемыми твердотельной лазерной системой в режиме свободной генерации и в режиме с модуляцией добротности.

Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схематичное изображение источника света в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения,

Фиг. 2 - спектральная яркость источника света в зависимости от давления газа ксенона для длин волн непрерывного лазера λCW = 976 нм и λCW = 808 нм,

Фиг. 3, Фиг. 4 - схематическое изображение источника света в соответствии с вариантами реализации изобретения,

Фиг. 5, Фиг. 6 - схематическое изображение источника света с несколькими пучками излучения плазмы с лазерным и электроразрядным зажиганием плазмы.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения (Фиг. 1) источник света с лазерной накачкой содержит заполненную газом камеру 1, по меньшей мере, часть которой прозрачна. Источник света также содержит средство для зажигания плазмы, в качестве которого может служить импульсная лазерная система 2, генерирующая, по меньшей мере, один импульсный лазерный пучок 3, который сфокусирован в камеру 1, а именно в область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 4.

В других вариантах реализации изобретения в качестве средства для зажигания плазмы могут использоваться поджигающие электроды.

После зажигания область излучающей плазмы 4 поддерживается в камере в непрерывном режиме сфокусированным пучком 5 непрерывного лазера 6. По меньшей мере, один пучок 7 излучения плазмы, направленный на оптическую систему сбора излучения 8 и предназначенный для дальнейшего использования, выходит из камеры 1. Оптическая система сбора излучения, включающая в варианте реализации изобретения параболическое или эллиптическое зеркало 8, формирует пучок излучения плазмы 9, транспортируемый, например, по оптоволокну или системой зеркал к оптической системе 10, использующей широкополосное излучение плазмы.

В соответствии с настоящим изобретением оптимальная непрерывная генерация излучения плазмы достигается при условии, что в режиме поддержания излучающей плазмы температура внутренней поверхности камеры находится в диапазоне от 600 до 900 K или выше, если более высокая температура не оказывает заметного негативного воздействия на прочность камеры и ее прозрачность.

Эффект, достигаемый за счет изобретения, обусловлен тем фактором, что при заданном количестве газа в заданном объеме камеры давление газа растет с температурой камеры. Поскольку температура излучающей плазмы практически фиксирована (около 15000 K, и попытки поднять эту температуру затруднительны, поскольку сопровождаются лишь возрастанием объема плазмы), а давление в плазме равно давлению в камере, то плотность излучающей плазмы повышается с увеличением давления в камере, а значит с повышением температуры стенки камеры. Увеличение плотности излучающей плазмы ведет к увеличению объемной светимости излучающей плазмы и, как следствие, к увеличению яркости источника света в широком оптическом диапазоне, где излучающая плазма практически прозрачна.

Такое же увеличение яркости можно получить, увеличивая давление газа при заданной температуре камеры. Однако в этом случае будет повышаться плотность газа и связанная с этой плотностью рефракция, которая при турбулентном течении, как в области излучающей плазмы, так и на периферии будет приводить к значительной нестабильности (колебаниям) яркости источника.

Следует отметить, что с повышением температуры стенок камеры и газа турбулентность конвективных потоков в камере также снижается по следующим причинам. Во-первых, нагрев камеры приводит к уменьшению градиентов температур и градиентов плотности газа в камере, что ведет к подавлению конвективных потоков, создаваемых между более горячими областями плазмы и окружающим более холодным газом. Во-вторых, характер течения газа определяется числом Рейнольдса Re, и турбулентность подавляется, когда число Рейнольдса становится меньше критического. Число Рейнольдса зависит от плотности газа ρ, скорости потока газа ν и динамической вязкости η:

(1)

Динамическая вязкость увеличивается с повышением температуры:

(2)

где

- начальное значение динамической вязкости газа при комнатной температуре

(

). В соответствии с этим число Рейнольдса зависит от плотности газа, его скорости и температуры следующим образом:

(3)

В соответствии с выражением (3) подавление турбулентности течения газа возможно за счет увеличения абсолютной температуры T стенок камеры и газа. Другие возможности подавления турбулентности и повышения стабильности источника света связаны с ограничением плотности ρ газа и его скорости ν. Последнее реализуется, в частности, за счет уменьшении размеров камеры, поскольку разгон нагреваемого в области излучающей плазмы газа, всплывающего под действием архимедовой силы, ограничен размерами камеры.

В целом, чем выше давление газа и, соответственно, давление в области излучающей плазмы, тем выше яркость источника света. Согласно (3), чем меньше плотность газа, тем меньше турбулентность конвективного потока газа. Кроме того, чем ниже плотность газа ρ, тем ниже его показатель преломления и меньше аберрации, связанные с преломлением света в конвективном потоке газа. Соответственно, чем ниже плотность газа, тем меньше нестабильность яркости и других выходных параметров источника света.

В соответствии с изобретением оптимальная непрерывная генерация излучения плазмы достигается тем, что в режиме поддержания излучающей плазмы абсолютная температура внутренней поверхности камеры находится в диапазоне от 600 до 900 K или выше, если более высокая температура не оказывает заметного негативного воздействия на срок службы камеры и ее прозрачность.

Для того, чтобы относительная нестабильность яркости была достаточно малой, σ ≤ 0,1%, плотность частиц газа в камере выбирается ниже экспериментально определенной верхней границы 90⋅10¹⁹ см^-3, которая соответствует давлению газа 33.5 атм при комнатной температуре. В то же время для получения при указанной температуре спектральной яркости источника света, близкой к максимально достижимой, более 50 мВт/(мм²⋅ср⋅нм), давление газа и, соответственно, плотность излучающей плазмы должны быть достаточно высоки, чтобы обеспечить оптимальное давление газа около 50 бар или более в установившемся режиме работы. С этой целью плотность частиц газа в камере выбирается выше экспериментально определенной нижней границы 46⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре не менее 17 атм.

Таким образом, чтобы обеспечить высокую спектральную яркость и низкую относительную нестабильность яркости, плотность частиц газа должна быть как можно ниже, а температура внутренней поверхности камеры при работе должна быть как можно более высокой при обеспечении давление газа в камере около 50 бар и более.

В первом примере осуществления изобретения температура внутренней поверхности камеры при работе составляет 600 K, а плотность частиц газа равна 65⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа 24,5 атм при комнатной температуре и 50 атм в рабочем режиме источника света.

Во втором примере осуществления изобретения камера может работать при температуре ее внутренней поверхности до 860 K, что более предпочтительно, а плотность частиц газа может быть выбрана такой низкой, как 46⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа 17 атм при комнатной температуре и 50 атм в рабочем режиме.

Для иллюстрации на Фиг.2 представлены зависимости спектральной яркости источника света от давления газа ксенона в камере при комнатной температуре. Измерения проводились в спектральном диапазоне 600-500 нм в режиме непрерывного поддержания плазмы при температуре камеры 450 K. В указанном спектральном диапазоне спектральная яркость примерно на 25% ниже, чем в максимуме, наблюдаемом вблизи длин волн около 400 нм. Измерения сделаны для двух непрерывных диодных лазеров с мощностью излучения 65 Вт на длинах волн λCW = 976 нм и λCW = 808 нм.

Результаты исследований показывают, что для обеих длин волн лазерного излучения высокая спектральная яркость достигается при давлении газа в камере, составляющим не менее 25 атм при комнатной температуре. Высокая стабильность интенсивности излучения, σ ≤ 0,1%, сохраняется при величине давлении газа в камере вплоть до 36 атм при комнатной температуре.

Измерения показали уверенную тенденцию увеличения яркости при сохранении высокой стабильности выходных параметров источника света с повышением температуры камеры до 600 K и выше.

В соответствии с изобретением в качестве газа предпочтительно использование инертного ксенона, что обеспечивает безопасность эксплуатации и большое время жизни источника света. Кроме этого, по сравнению с излучающей плазмой других инертных газов Xe - плазма характеризуется наивысшим оптическим выходом в широком спектральном диапазоне, включающем УФ, видимую и ближнюю ИК области.

Выбор предпочтительной длины волны излучения непрерывного высокоэффективного диодного лазера обусловлен следующими факторами. Вблизи лазерной длины волны 976 нм лежат сильные линии поглощения Хе, у которых нижнее состояние заселяется по мере повышения температуры. Вблизи 808 нм такие линии отстоят дальше от линий поглощения и, следовательно, при заданной мощности лазера достаточное поглощение для поддержания оптического разряда достигается при большей плотности и температуре плазмы, чем в случае 976 нм.

В соответствии с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения газом, заполняющим камеру, является ксенон, а непрерывный лазер имеет длину волны излучения 808 нм.

Другие варианты реализации изобретения направлены на дальнейшее повышение стабильности выходных параметров источника света, к которым относятся интенсивность, яркость, спектр, и пространственное положение области излучающей плазмы при обеспечении максимально высокой яркости источника.

В предпочтительном варианте реализации источника света сфокусированный пучок непрерывного лазера направлен в камеру снизу вверх, и ось указанного пучка направлена по вертикали параллельно силе тяжести 11, Фиг. 3, либо близко к вертикали. В данном варианте реализации достигается дальнейшее повышение стабильности яркости источника света. Это связано с тем фактом, что обычно область излучающей плазмы 4 несколько сдвигается от фокуса навстречу сфокусированному пучку 5 непрерывного лазера до того сечения сфокусированного лазерного пучка, где интенсивность сфокусированного пучка 5 непрерывного лазера еще достаточно для поддержания области излучающей плазмы 4. При направлении сфокусированного пучка 5 непрерывного лазера снизу вверх область излучающей плазмы 4, содержащая наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, стремится всплывать под действием архимедовой силы. Поднимаясь, область излучающей плазмы 4 попадает в место, более близкое к фокусу, где сечение сфокусированного пучка 5 непрерывного лазера меньше, а интенсивность лазерного излучения выше. С одной стороны, это повышает яркость излучения плазмы, а с другой стороны, уравновешивает силы, действующие на область излучающей плазмы, что обеспечивает высокую стабильность мощности излучения и яркости высокояркостного источника света с лазерной накачкой.

Для реализации этих положительных эффектов предпочтительно, чтобы камера 1 была осесимметрична и ось сфокусированного пучка 5 непрерывного лазера была совмещена с осью симметрии камеры.

На стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой также влияет величина импульса, приобретаемого под действием архимедовой силы газом, нагреваемым в области излучающей плазмы 4. Приобретаемый газом импульс и турбулентность конвективных потоков тем меньше, чем ближе область излучающей плазмы 4 к верхней стенке камеры или к части камеры, расположенной сверху над областью излучающей плазмы 4. В связи с этим для повышения стабильности выходных характеристик источника света в варианте реализации, показанном на Фиг. 3, часть или деталь 12 камеры расположена сверху области излучающей плазмы 4 на минимально возможном расстоянии от нее, менее 3 мм, не оказывающем заметного негативного воздействия на прочность камеры и ее прозрачность.

Также деталь 12 камеры может быть выполнена с функцией отражения и фокусировки в область излучающей плазмы 4 как излучения непрерывного лазерного, прошедшего через область излучающей плазмы, и так и направленного на нее широкополосного излучения плазмы. Это снижает радиационные потери и повышает эффективность источника света. В соответствии с этим вариантом изобретения, Фиг. 3, приближенная к плазме деталь 12 камеры содержит поверхность, представляющую собой вогнутое сферическое зеркало 13 с центром в области излучающей плазмы 4.

В предпочтительных вариантах реализации, по меньшей мере, часть камеры 1, предназначенная для выхода пучка 7 излучения плазмы, выполнена сферической или близкой к сферической, и область излучающей плазмы 4 расположена в центре симметрии сферической части камеры 1, как это показано на Фиг. 1 и Фиг. 3. Это позволяет минимизировать хроматические и сферические аберрации, которые могут искажать ход лучей при прохождении излучения плазмы через прозрачные стенки камеры.

Подавление аберраций, связанных с турбулентностью конвективных потоков в камере достигается, в частности, за счет уменьшения ее размеров. В связи с этим в предпочтительных вариантах реализации радиус внутренней поверхности сферической части камеры составляет менее 5 мм, предпочтительно не более 3 мм.

На Фиг. 4 показан вариант реализации изобретения, в котором камера снабжена нагревателем. Нагреватель может состоять из нагревательной обмотки 14 и источника тока 15, подсоединенного к обмотке через температурный мост 16. Температурный мост предназначен для обеспечения разницы температур между нагревательной обмоткой 14 и токоведущими шинами 17. Дополнительно токоведущие шины 17 могут быть снабжены теплообменником (не показан), например, в виде радиаторов с воздушным охлаждением. Камера может состоять из сферической части и цилиндрической части, снаружи которой размещена нагревательная обмотка 14. Камера также может быть оснащена термопарой для измерения температуры камеры. Кроме этого, нагревательная обмотка 14 может быть помещена в теплоизолирующий кожух (не показан).

Нагреватель предназначен для предстартового прогрева камеры до рабочей температуры, что облегчает зажигание плазмы и обеспечивает быстрый выход источника света на установившийся режим работы с заданной оптимально высокой температурой камеры, которая находится в диапазоне от 600 до 900 K.

В варианте реализации изобретения оптическая система сбора излучения включает в себя параболическое зеркало 8 и отклоняющее зеркало 18 для формирования пучка излучения плазмы 9, транспортируемого предпочтительно по оптоволокну к оптической системе, использующей широкополосное излучение плазмы.

В предпочтительном варианте реализации изобретения высокояркостный источник света содержит блок управления 19 с функцией автоматизированного поддержания заданной мощности в пучке излучения плазмы 9, Фиг. 4. Для этого источник света снабжен измерителем мощности 20, на который с помощью ответвителя (не показан) подается малая часть светового потока от пучка 9 излучения плазмы. Предпочтительно блок управления соединен с нагревателем 15, измерителем мощности 20, блоком электропитания непрерывного лазера 6. Поддержание заданной мощности в пучке излучения плазмы 9 осуществляется блоком управления 19 по схеме обратной связи между измерителем мощности 20 и блоком электропитания непрерывного лазера 6. Кроме этого, блок управления 19 может быть выполнен с функцией термостабилизации камеры при ее оптимально высокой температуре. В данном варианте изобретения достигается повышение стабильности мощности и яркости источника света с лазерной накачкой в долговременном непрерывном режиме работы.

Использование непрерывного лазера 6 предпочтительно с выводом излучения в оптоволокно 21, Фиг. 4. На выходе из оптического волокна 21 расширяющийся лазерный пучок направлен на коллиматор 22, например, в виде собирающей линзы. После коллиматора 22 расширенный параллельный пучок 23 непрерывного лазера направлен с помощью отклоняющего зеркала 24 на фокусирующий оптический элемент 25, например, в виде асферической собирающей линзы, обеспечивающей острую фокусировку пучка 5 непрерывного лазера 6, необходимую для обеспечения высокой яркости источника света.

В варианте реализации изобретения для надежного стартового зажигания плазмы используется твердотельная лазерная система 2, которая содержит первый лазер 26 для генерации первого лазерного пучка 27 в режиме модуляции добротности и содержит второй лазер 28 для генерации второго лазерного пучка 29 в режиме свободной генерации. Импульсные лазеры с активными элементами 30, 31 снабжены источниками оптической накачки, например, в виде импульсных ламп 32 и предпочтительно имеют общие зеркала 33, 34 резонатора. Первый лазер 26 снабжен модулятором добротности 35. Два импульсных лазерных пучка 27, 29 сфокусированы в камеру, в область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2, Фиг. 4. Первый лазерный пучок 27 предназначен для стартового зажигания плазмы или оптического пробоя. Второй лазерный пучок 29 предназначен для создания плазмы, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания области излучающей плазмы 2 сфокусированным пучком 5 непрерывного лазера.

Предпочтительно, что длина волны непрерывного лазера λCW отлична от длин волн λ1, λ2 первого и второго импульсных лазерных пучков 27, 29. В качестве примера длина волны непрерывного лазера может быть равной λCW=0,808 мкм или 0,976 мкм, а импульсные лазеры могут иметь длину волны излучения λ1=λ2=1,064 мкм. Это позволяет использовать дихроичное зеркало 24 для ввода лазерного пучка 23 непрерывного лазера и импульсных лазерных пучков 27, 29 в камеру. Для транспортировки импульсных лазерных пучков 27, 29 может дополнительно использоваться поворотное зеркало 36, Фиг. 4.

На Фиг. 1, Фиг. 3, Фиг. 4 видно, что при использовании для зажигания плазмы импульсной лазерной системы 2 камера 1 позволяет осуществлять выход излучения плазмы по всем азимутам. В варианте реализации выход пучка излучения плазмы из камеры осуществляется в пространственный угол не менее 9 ср или более 70% от полного телесного угла.

Наряду с выводом пучка 7 излучения плазмы на систему сбора излучения 8 по всем азимутам, источник света в соответствии с настоящим изобретением не ограничен только этим вариантом. В других вариантах реализации изобретения источник света может иметь, по меньшей мере, три гомоцентричных пучка 7a, 7b, 7c излучения плазмы, как иллюстрируется Фиг. 5, на которой показано сечение источника света в горизонтальной плоскости, проходящей через область излучающей плазмы 4. Лазерные пучки на Фиг. 5, осуществляющие зажигание и поддержание непрерывного оптического разряда, расположены ниже плоскости чертежа. Использование нескольких, в частности, трех пучков излучения плазмы от одного источника света требуется для ряда промышленных применений. В этом варианте реализации изобретения камера 1 источника света с лазерной накачкой может быть размещена в корпусе 37, который снабжен тремя оптическими системами сбора излучения плазмы 8a, 8b, 8c. Оптические системы сбора излучения плазмы 8a, 8b, 8c формируют пучки излучения плазмы 9a, 9b, 9c, транспортируемые, например, по оптоволокну к оптическим системам-потребителям 10a, 10b, 10c, использующим широкополосное излучение плазмы. Это позволяет использовать один источник света для трех или более оптических систем-потребителей, обеспечивая компактность системы и идентичность параметров широкополосного излучения во всех оптических каналах.

На Фиг. 6 изображен другой вариант источника света с тремя каналами вывода излучения, в котором в качестве средства для зажигания плазмы используется два поджигающих электрода 38, 39, подключенные к импульсному источнику высокого напряжения (не показан). Части устройства, которые в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанном варианте осуществления (Фиг. 5), имеют на Фиг. 6 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.

В предпочтительном варианте реализации изобретения прозрачная часть камеры выполнена из кварца. В других вариантах реализации прозрачная часть камеры может быть выполнен из оптически прозрачного материала, относящегося к группе сапфир, лейкосапфир, плавленый кварц, кристаллический кварц, кристаллический фторид магния.

Способ генерации излучения из плазмы оптического разряда с помощью предложенного плазменного источника света с лазерной накачкой, показанного на Фиг. 1, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 осуществляют следующим образом.

Используют камеру, заполненную газом так, чтобы плотность частиц газа была менее 90⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению менее 33.5 атм при начальной комнатной температуре около 300 K. Направляют сфокусированный пучок 5 непрерывного лазера 6 в камеру 1. С помощью средства для зажигания плазмы, в качестве которого могут использоваться либо поджигающие электроды, либо импульсная лазерная система 2, осуществляют зажигание плазмы, концентрация и объем которой достаточны для надежного поддержания непрерывного оптического разряда сфокусированным пучком 5 непрерывного лазера 6. В установившемся стационарном режиме поддерживают плазму сфокусированным пучком непрерывного лазера при температуре внутренней поверхности камеры, находящейся в диапазоне от 600 до 900 K или более. Из области излучающей плазмы 4 непрерывного оптического разряда осуществляют вывод широкополосного излучения высокой яркости, по меньшей мере, одним пучком 7 излучения плазмы, предназначенным для дальнейшего использования.

За счет нагрева стенок камеры от комнатной до указанной температуры обеспечивают многократное, в два - три или более раз повышение давления газа, окружающего область излучающей плазмы. Поскольку давление в плазме равно давлению в камере, то за счет нагрева стенок камеры повышают плотность излучающей плазмы, что ведет к увеличению объемной светимости излучающей плазмы и, как следствие, к увеличению яркости источника света в широком оптическом диапазоне. При этом повышение давления газа и яркости источника света достигается без увеличения плотности газа и связанной с этой плотностью рефракции, которая при турбулентном течении может приводить к значительной нестабильности яркости источника. Как показано выше при рассмотрении выражения (3), подавление турбулентности течения возможно за счет увеличения температуры газа T, снижения или ограничения его плотности ρ и уменьшения скорости газового потока ν, что реализовано в предложенном способе генерации света.

Для достижения высокой спектральной яркости источника света, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср), давление газа в камере при работе обеспечивают близким к 50 бар или более.

Для достижения низкой относительной нестабильности яркости σ, менее 0,1%, температуру внутренней поверхности камеры обеспечивают как можно более высокой при минимально возможной плотности частиц газа.

Скорость ν потока газа, восходящего из области излучающей плазмы минимизируют за счет расположения верхней стенки или детали камеры на минимально возможном, не превышающем 3 мм, расстоянии от области излучающей плазмы. В вариантах реализации размер камеры выбирают так, чтобы стенки камеры располагались на расстоянии от области излучающей плазмы не превышающем 3 мм, что способствует подавлению турбулентности конвективных потоков в камере.

Таким образом, изобретение позволяет при высокой яркости, близкой к максимально достижимой для источников данного типа, обеспечить высокую стабильность плазменного источника света с лазерной накачкой.

В варианте реализации способа камеру нагревают после зажигания плазмы в процессе вывода источника света на стационарный режим работы за счет поступающей в камеру мощности излучения непрерывного лазера.

В другом варианте реализации перед зажиганием плазмы с помощью расположенного снаружи камеры нагревателя, включающего в себя элементы 14, 15, 16, 17, Фиг. 4, осуществляют быстрый нагрев камеры 1 до температуры, находящейся в диапазоне от 600 до 900 K. Это облегчает зажигание плазмы и сокращает время выхода источника света на стационарный режим работы, упрощая его конструкцию и повышая удобство эксплуатации. Поддерживают заданную температуру внутренней поверхности камеры за счет мощности излучения непрерывного лазера и нагревателя.

С целью дальнейшего повышения стабильности источника света сфокусированный пучок непрерывного лазера направляют в камеру снизу вверх вдоль вертикали, что повышает яркость и пространственную стабильность области излучающей плазмы. При этом пучок непрерывного лазера предпочтительно фокусируют в центре симметрии той части камеры, через которую выходит пучок излучения плазмы, Это снижает оптические аберрации, которые могут искажать ход лучей при прохождении широкополосного излучения плазмы через прозрачные стенки камеры и снижать яркость источника света.

Для достижения максимально возможной яркости источника света предпочтительно используют газ ксенон, а в качестве лазера - непрерывный диодный лазер с длиной волны 808 нм, Фиг. 2.

В варианте реализации изобретения осуществляют зажигание плазмы двумя импульсными лазерными пучками 27, 29 твердотельной импульсной лазерной системы 2, сфокусированными в область излучающей плазмы, Фиг. 4. Двумя импульсными лазерными пучками 27, 29 обеспечивают оптический пробой и создание начальной плазмы, плотность которой выше пороговой плотности плазмы непрерывного оптического разряда, имеющей величину около 10¹⁸ электронов/см³. В этом варианте реализации достигается надежность лазерного поджига и удобство эксплуатации источника света. В отличие от источников с использованием электродов для стартового зажигания плазмы, достигается возможность оптимизировать геометрию камеры, уменьшить в ней турбулентность конвективных газовых потоков и минимизировать оптические аберрации, а также увеличить пространственный угол сбора излучения плазмы.

В целом, заявленное изобретение позволяет: повысить яркость и обеспечить высокую стабильность плазменного источника излучения с лазерной накачкой.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Выполненные в соответствии с настоящим изобретением высокояркостные высокостабильные источники света с лазерной накачкой могут использоваться в различных проекционных системах, для спектрохимического анализа, спектрального микроанализа биообъектов в биологии и медицине, в микрокапиллярной жидкостной хроматографии, для инспекции процесса оптической литографии, для спектрофотометрии и других целей.

Claims (25)

1. Источник света с лазерной накачкой, содержащий: заполненную газом камеру, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна, средство для зажигания плазмы, область излучающей плазмы, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком непрерывного лазера в установившемся режиме и, по меньшей мере, один пучок излучения плазмы, выходящий из камеры, отличающийся тем, что

оптимальная генерация пучка излучения плазмы достигается тем, что плотность частиц инертного газа в камере составляет менее 90⋅10¹⁹ см^-3, а температура внутренней поверхности камеры находится в диапазоне от 600 до 900 K,

при этом плотность частиц газа составляет не менее 46⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре не менее 17 атм.

2. Источник света по п. 1, в котором оптимальная непрерывная генерация пучка излучения плазмы в установившемся режиме характеризуется высокой спектральной яркостью, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср), и низкой относительной нестабильностью яркости σ, менее 0,1%.

3. Источник света по п. 1, в стационарном режиме работы которого температура внутренней поверхности камеры максимально высока, а плотность частиц газа минимально низка для обеспечения давление газа в камере около 50 атм или более.

4. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором газ - ксенон, а длина волны непрерывного лазера 808 нм.

5. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором, по меньшей мере, часть камеры, предназначенная для выхода пучка излучения плазмы, выполнена сферической и область излучающей плазмы расположена в центре сферической части камеры.

6. Источник света по п. 6, в котором радиус внутренней поверхности сферической части камеры менее 5 мм, предпочтительно не более 3 мм.

7. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором сфокусированный пучок непрерывного лазера направлен в камеру снизу вверх, и ось указанного пучка направлена по вертикали, либо близко к вертикали.

8. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором часть или деталь камеры расположена сверху над областью излучающей плазмы на минимально возможном расстоянии от нее, менее 3 мм, не оказывающем заметного негативного воздействия на срок службы камеры и ее прозрачность.

9. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором камера снабжена нагревателем.

10. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором прозрачная часть камеры выполнены из материала, относящегося к группе сапфир, лейкосапфир (Al₂O₃), плавленый кварц, кристаллический кварц (SiO₂), кристаллический фторид магния (MgF₂).

11. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему, генерирующую в режиме модуляции добротности и в режиме свободной генерации два импульсных лазерных пучка.

12. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором пучок непрерывного лазера и каждый пучок излучения плазмы, выходящий из камеры, не пересекают друг с друга вне области излучающей плазмы.

13. Источник света по любому из предыдущих пунктов с тремя или более пучками излучения плазмы.

14. Способ генерации излучения, включающий в себя зажигание плазмы в заполненной газом камере и поддержание плазмы с помощью сфокусированного пучка непрерывного лазера для получения, по меньшей мере, одного пучка излучения плазмы, выходящего через оптически прозрачную часть камеры, отличающийся тем, что

камеру заполняют с плотностью частиц газа менее 90⋅10¹⁹ см^-3,

и поддерживают плазму сфокусированным пучком непрерывного лазера при температуре внутренней поверхности камеры, находящейся в диапазоне от 600 до 900 K.

15. Способ по п. 14, при котором давление газа, заполняющего камеру при комнатной температуре, повышают при выводе источника света на установившийся режим работы, по меньшей мере, в два раза до 50 атм или более, чтобы обеспечить высокую спектральную яркость, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср).

16. Способ по п. 15, при котором температуру внутренней поверхности камеры поддерживают как можно более высокой, чтобы минимизировать плотность частиц газа и обеспечить низкую относительную нестабильность яркости σ, менее 0,1%.

17. Способ по любому из пп. 14-16, при котором перед зажиганием плазмы с помощью нагревателя, расположенного снаружи камеры, осуществляют ее быстрый нагрев до температуры, находящейся в диапазоне от 600 до 900 K.

18. Способ по любому из пп. 14-17, при котором сфокусированный пучок непрерывного лазера направляют в камеру снизу вверх вдоль вертикали.

19. Способ по любому из пп. 14-18, при котором турбулентность конвективных потоков в камере подавляют за счет расположения верхней стенки или части камеры на минимально возможном, не превышающем 3 мм, расстоянии от области излучающей плазмы, позволяющем избежать отрицательного воздействия на срок службы камеры и ее прозрачность.

20. Способ по любому из пп. 14-19, при котором камеру заполняют ксеноном, а поддержание плазмы осуществляют с помощью непрерывного лазера с длиной волны 808 нм.

21. Способ по любому из пп. 14-20, при котором осуществляют зажигание плазмы двумя сфокусированными в область излучающей плазмы импульсными лазерными пучками, генерируемыми твердотельной лазерной системой в режиме свободной генерации и в режиме с модуляцией добротности.

Images