RU2780202C1 - Широкополосный плазменный источник света с лазерной накачкой - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к широкополосным высокояркостным источникам света на основе непрерывного оптического разряда. Технический результат - расширение в ВУФ диапазоне спектра излучения плазменных источников света с лазерной накачкой при обеспечении их высокой яркости и стабильности. Источник света с областью излучающей плазмы (2), поддерживаемой в газонаполненной камере (1) сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера (4). Газ относится к инертным газам с чистотой не хуже 99,99%. Камера содержит металлический корпус (5) с окном (6а) для ввода пучка непрерывного лазера и, по меньшей мере, одним окном (6b) из MgF₂ для вывода пучка излучения плазмы (8). Каждое окно расположено с внутренней стороны камеры на ближнем к области излучающей плазмы торце втулки (7a, 7b), расположенной в отверстии корпуса. Каждое окно спаяно с втулкой посредством стеклоцемента (13), и каждая втулка с припаянным к ней окном вварена наружным швом (14) в отверстие металлического корпуса. Втулки и корпус камеры выполнены из сплава с коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), согласованным с КЛТР кристаллического фторида магния в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла MgF₂. 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ПАТЕНТЫ И ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка является продолжением заявки на патент РФ 2020109782 от 25.03.2020, ныне патент РФ 2732999, опубл. 28.09.2020, заявки на патент РФ 2020126279 от 06.08.2020, ныне патент РФ 2754150, опубл. 30.08.2021 и заявки на патент РФ 2020126302, ныне патент РФ 2752778, опубл. 03.08.2021 от 06.08.2020, которые во всей своей полноте включены в настоящее описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к широкополосным высокояркостным источникам света на основе непрерывного оптического разряда, применяемой в них газонаполненной камере и к способу ее изготовления.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Стационарный газовый разряд, поддерживаемый лазерным излучением в уже имеющейся относительно плотной плазме, называют непрерывным оптическим разрядом (НОР).

НОР, поддерживаемый в газонаполненной камере сфокусированным пучком непрерывного лазера реализуется в различных газах, в частности, в Xe при высоком давлении, до 200 атм (Carlhoff et al., “Continuous Optical Discharges at Very High Pressure,” Physica 103C, 1981, pp. 439-447). Источники света на основе НОР с температурой плазмы около 20000 К (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 вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) до ближнего инфракрасного диапазона.

Одна из проблем, связанная с созданием высокояркостных источников света на основе НОР, относится к увеличению выхода вакуумного ультрафиолетового излучения, что, в частности, определяет особые требования к коротковолновой границе λ_b прозрачности оптических материалов, используемых для вывода из камеры широкополосного излучения плазмы НОР.

Как известно из патентной заявки JP2006010675, опубликованной 01.12.2006, в оптическом разряде высокий оптический выход в ВУФ диапазоне достигается, когда чистота инертного газа в камере не хуже 99,99%. При этом коротковолновая граница спектра излучения источника света определяется материалом выходного окна камеры, в качестве которого может использоваться фторид лития - LiF, фторид магния - MgF₂, фторид кальция - CaF₂, сапфир - Al₂O₃ или кварц - SiO₂.

Из этих материалов самой коротковолновой границей прозрачности, около 110 нм, обладают LiF и MgF₂. В свою очередь, из этих двух материалов лучшими механическими и термическими свойствами, а также технологичностью обладает MgF₂, поэтому его использование наиболее предпочтительно для расширения спектра излучения до вплоть до 110 нм в ВУФ диапазоне.

В устройстве, описанном в патентной заявке JP2006010675, возбуждение оптического разряда осуществлялось в импульсном режиме, поэтому недостатком устройства являются низкие средние мощность и яркость источника излучения. В импульсном режиме возбуждения оптического разряда оптимальное давления в камере около 1 атм, а температура камеры близка к комнатной, поэтому проблем с герметизацией выходного окна, выполненного из любого указанного оптического материала, нет. Однако ситуация кардинально меняется в отношении высокояркостных плазменных источников излучения с непрерывным оптическим разрядом.

Как известно, например, из патента US 10964523, опубл. 30.03.2021, включенного в настоящее описание посредством ссылки, оптимальная непрерывная генерация излучения плазмы НОР, характеризующаяся спектральной яркостью более 50 мВт/(мм² нм ср) и относительной нестабильностью яркости σ, менее 0,1%, достигается тем, что предпочтительно рабочая температура внутренней поверхности камеры как можно более высока, от 600 до 900 К или выше, при оптимальном давлении газа в камере около 50 атм или более, а стенки камеры удалены от области излучающей плазмы на расстояние менее 5 мм, предпочтительно не более 3 мм. По меньшей мере, частично этим условиям удовлетворяют отпаянные колбы из плавленого кварца, используемые в качестве камеры.

Однако граница прозрачности кварца, λ_b≈170 нм, уступает другим вышеуказанным оптическим материалам, в частности, MgF₂ (λ_b≈110 нм). При этом возможность замены материала колбы на MgF₂ проблематично из-за механических свойств данного материала, а применение MgF₂-окон также проблематично из-за сложности их герметизации при высоких температуре и давлении.

Для того чтобы повысить рабочую температуру камеры, в патенте US 10109473, опубликованном 23.10.2018, предложено использовать механическое уплотнение окон камеры с использованием уплотнительных колец C-образного сечения из упругого металла, в частности, из стали.

Однако это решение в основном относится к использованию сапфировых окон с λ_b≈145 нм. Применение окон из MgF₂ с таким уплотнением проблематично из-за их недостаточной механической прочности.

В патенте US 10609804, опубл. 31.05.2020, плазменный источник света с лазерной накачкой содержит газонаполненную камеру с металлическим колоновидным корпусом, состоящим из двух корпусных деталей, и соосными входным и выходным окнами, герметично установленными на торцах корпуса. Каждое окно, боковая цилиндрическая поверхность которого никелирована, помещено внутрь кольцевой никелированной втулки из ковара и спаяно с внутренней поверхности втулки Ag- припоем. В свою очередь, каждая кольцевая втулка с впаянным в нее окном припаяна или приварена к одной из корпусных деталей наружным швом. После установки внутрикамерных деталей (эллипсоидного зеркала и блокатора лазерного излучения) корпусные детали с установленными на них окнами свариваются между собой. Корпус откачан после сварки и заполнен газом через патрубок, завариваемый или запаиваемый под давлением. Коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР) коваровой втулки, в которую впаивается окно, согласуется с КЛТР сапфира, поэтому камера предполагает использование сапфировых окон.

По сравнению с обычно используемыми кварцевыми колбами (λ_b≈170 нм), указанный источник света характеризуется более широким спектром излучения в ВУФ диапазоне при использовании сапфировых окон (λ_b≈145 нм). Кроме этого, он обладает более прочной камерой, позволяя повышать мощность лазерной накачки и, соответственно, увеличивать мощность выходного излучения, в том числе, в УФ и ВУФ диапазонах.

Однако в плазменном источнике света подобного типа ограничено дальнейшее расширение ВУФ спектра из-за сложности применения в нем MgF₂- окон. КЛТР кристалла MgF₂ существенно различен в направлении оптической оси кристалла и в перпендикулярном ей направлении, составляя соответственно 13.7⋅10^-6/К и 8.48⋅10^-6/К. В связи с этим герметичность соединения изотропной металлической кольцевой втулки с впаянным внутрь нее анизотропным кристаллом MgF₂ ненадежна при нагреве камеры до 600-900 К, необходимого для оптимальной генерации излучения из плазмы непрерывного оптического разряда. Ненадежность такой герметизации обусловлена и тем, что КЛТР металлических припоев (~ 20 10^-6/К) также существенно отличается от КЛТР MgF₂. Кроме того, давление газа на окно направлено на сдвиг и разрыв герметичного соединения, уменьшая его надежность. Расширение спектра подобных плазменных источников света в ВУФ диапазоне малоэффективно и потому, что пучок излучения плазмы формируется только за счет отражения излучения плазмы от внутрикамерного металлического зеркала. Коэффициент отражения металлического зеркала в ВУФ диапазоне низок (~20% на длине волны 110 нм для алюминия). Наличие внутрикамерного зеркала обусловливает размещение линзы, фокусирующей пучок непрерывного лазера, вне корпуса камеры. Это ограничивает остроту фокусировки пучка непрерывного лазера и снижает яркость источника света. Также наличие зеркала не позволяет минимизировать размеры внутрикамерного пространства для подавления конвективных потоков, обусловливающих нестабильность мощности выходного излучения. Недостатком указанной конструкции также является распространение пучка лазерного излучения в направлении выходного окна, что требует специальных мер по его блокировке.

Раскрытие изобретения

Таким образом, существует потребность в создании свободных от указанных недостатков более высокояркостных и высокостабильных источников света с более широким спектром излучения в ВУФ диапазоне.

Технической задачей и техническим результатом изобретения является расширение спектра излучения плазменных источников света с лазерной накачкой в ВУФ диапазоне при обеспечении высоких яркости и стабильности их широкополосного излучения.

Суть изобретения заключается в том, что в качестве материала окна для вывода из камеры пучка излучения плазмы используют высокотехнологичный оптический материал с наименьшей границей прозрачности (λ_b≈110 нм), а именно MgF₂. Это позволяет расширить спектр излучения плазменных источников света с лазерной накачкой в ВУФ диапазоне.

Газ в камере относится к инертным газам с чистотой не хуже 99,99%, чтобы устранить самопоглощение ВУФ излучения примесями.

Кристаллический фторид магния обладает анизотропией и слабым двойным лучепреломлением. В соответствии с изобретением, для устранения двойного лучепреломления пучка излучения плазмы, поверхность торца осесимметричной втулки и примыкающая к ней поверхность выходного окна из MgF₂, по существу, перпендикулярны оптической оси кристалла MgF₂.

Возможность работы при высоких температуре, не ниже 600 К, и давлении, около 50 атм или более для обеспечения высоких яркости и стабильности источника излучения достигается за счет герметизации окон камеры с помощью их припайки стеклоцементом. В соответствии с изобретением технология пайки стеклоцементом предусматривает применение однократного отжига соединения при температуре не менее 400°С, после чего реализуется возможность работы соединения при температуре до 900 К. Пайку окна производят с отдельной металлической частью корпуса в виде втулки. После отжига металлические части корпуса камеры соединяют между собой посредством сварки так, чтобы не подвергать герметичное соединение повторному отжигу, способному снизить надежность герметичного соединения.

Чтобы обеспечить высокую надежность герметизации выходного окна из MgF₂, втулки и корпус выполнены из железоникелевого сплава с заданным КЛТР, согласованным с КЛТР кристаллического фторида магния в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла, например сплав 47НД.

Чтобы избежать растрескивания окон из-за их несимметричного остывания, напайку окон производят не на сложные корпусные детали камеры, а на торцы осесимметричных металлических втулок длиной около 1 см или более. Пайку производят в оптимальном относительно силы тяжести пространственном положении компонент герметичного соединения, имеющих согласованные коэффициенты линейного теплового расширения (КЛТР). Затем втулки с напаянными окнами вваривают в корпус наружным швом. В другом варианте втулки с напаянными окнами вваривают в корпусные детали и после монтажа внутрикратерных элементов корпус сваривают окончательно. При этом осесимметричные втулки компенсируют неравномерность нагрева и остывания всей конструкции камеры.

В соответствии с изобретением окна установлены с внутренней стороны камеры с газом. Это, с одной стороны, повышает надежность герметичного соединения благодаря высокому давлению газа в камере, сжимающему элементы уплотнения. С другой стороны, реализуется возможность изготовления камеры с оптимально малыми размерами, когда стенки камеры, в том числе ее оптические элементы, удалены от области излучающей плазмы на расстояние менее 5 мм, что подавляет турбулентность конвективных потоков в камере и обеспечивает высокую стабильность источника излучения.

К внутрикамерным элементам относится линза, фокусирующая пучок непрерывного лазера. Фокусирующая линза, предпочтительно выполненная асферической, размещена между входным окном и областью излучающей плазмы, что за счет максимально острой фокусировки пучка непрерывного лазера повышает яркость источника света. С этой же целью в камере также может быть размещен, по меньшей мере, один ретрорефлектор, например, в виде сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы, расположенный напротив выходного окна и/или на оси сфокусированного лазерного пучка. Также выходное окно может представлять собой линзу, выполненную с функцией уменьшения аберраций, искажающих ход лучей пучка излучения плазмы при их прохождении через выходное окно, и/или уменьшения угловой апертуры выходящего пучка излучения плазмы.

Чтобы избежать образования озона и поглощения пучка излучения плазмы, снаружи выходного окна из MgF₂ может быть расположена вакуумная или газовая среда, не поглощающая ВУФ излучение с длинами волн от 110 нм и более. Для этого в варианте реализации изобретения камера может быть герметично подсоединена к внешней камере с объектами, к которым транспортируется пучок излучения плазмы, заполненной вакуумной или газовой средой, не поглощающей излучение плазмы, вышедшее из камеры через MgF₂-окно. Поскольку оптимальная температура камеры высока, 600 К или более, камера может быть подсоединена к внешней камере с помощью патрубка, выполненного с функцией температурного моста между камерой и внешней камерой. Кроме этого, патрубок может быть оснащен радиатором охлаждения для устранения нагрева внешней камеры.

Другие признаки изобретения направлены на дальнейшее повышение яркости и стабильности плазменного источника излучения с лазерной накачкой, а также на улучшение эго эксплуатационных характеристик.

Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1, Фиг. 2 - показанный в разрезе широкополосный плазменный источник света с лазерной накачкой в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения,

Фиг. 3 - внешний вид камеры широкополосного плазменного источника света с лазерной накачкой,

Фиг. 4, Фиг. 5 - схема широкополосного плазменного источника света с лазерной накачкой, в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения,

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с примером осуществления изобретения, показанном на Фиг. 1, широкополосный источник света с лазерной накачкой содержит камеру 1, заполненную газом при высоком давлении, с областью излучающей плазмы 2, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4. Камера 1 включает в себя металлический корпус 5, содержащий окно 6а для ввода в камеру пучка непрерывного лазера и, по меньшей мере, одно окно 6b для вывода из камеры пучка излучения плазмы 8, предназначенного для дальнейшего использования.

Источник света также содержит средство для стартового зажигания плазмы. В качестве средства для зажигания плазмы может служить импульсная лазерная система 9, генерирующая, по меньшей мере, один импульсный лазерный пучок 10, который сфокусирован в область камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2. В других вариантах реализации изобретения в качестве средства для зажигания плазмы могут использоваться поджигающие электроды.

В соответствии с изобретением, пучок непрерывного лазера может быть направлен в камеру с помощью дихроичного зеркала 11 и сфокусирован с помощью линзы 12, установленной в камере между окном 6а и областью излучающей плазмы 2, что увеличивает остроту фокусировки пучка непрерывного лазера, повышая яркость источника света. Линза 12 одновременно может служить и для фокусировки импульсного лазерного пучка 10 при стартовом зажигания плазмы.

Повышение яркости источника света за счет максимально острой фокусировки пучка непрерывного лазера обеспечивается оптической системой, включающей в себя окно 6а и фокусирующую линзу 12, предпочтительно выполненную асферической, чтобы минимизировать суммарные аберрации указанной оптической системы. Фокусирующая линза 12 предпочтительно расположена на минимально возможном расстоянии от области излучающей плазмы 2, не превышающем 5 мм. С целью упрощения конструкции камеры окно 6а может быть достаточно простым в изготовлении, например, в виде пластины или линзы со сферической поверхностью. Асферическая линза 12 может быть выполнена из стекла или кварца для упрощения ее изготовления.

По меньшей мере, одно окно 6b для вывода из камеры пучка излучения плазмы 8 выполнено из кристаллического фторида магния (MgF₂). MgF₂ характеризуется высокой технологичностью и, наряду с этим, имеет самую коротковолновую границу прозрачности среди оптических материалов. Соответственно, коротковолновая граница спектра в пучке излучения плазмы 8, вышедшего из камеры, определяется границей пропускания MgF₂ в области вакуумного ультрафиолета, приблизительно равной 110 нм. При этом газ относится к инертным газам с чистотой не хуже 99,99% или их смесям, чтобы устранить самопоглощение ВУФ излучения газовыми примесями. Таким образом, в источнике света достигается расширение спектра его излучения в область вакуумного ультрафиолета.

На Фиг. 1 пучок излучения плазмы 8 направлен из области излучающей плазмы 2 на окно 6b из MgF₂ без отражений напрямую. В отличие от источников с формированием пучка излучения плазмы внутрикамерным металлическим зеркалом, коэффициент отражения которого в ВУФ диапазоне низок (менее 20% на λ=110 нм), это обеспечивает отсутствие отсечки или подавления ВУФ составляющей в спектре пучка излучения плазмы.

Каждое из окон 6a, 6b расположено с внутренней стороны камеры на ближнем к области излучающей плазмы 2 торце одной из втулок 7а, 7b. Каждое из окон 6a, 6b спаяно с одной из втулок 7а, 7b посредством стеклоцемента 13. Припайка окон, осуществляемая в процессе отжига, обеспечивает возможность работы герметичного соединения и камеры в целом при температуре до 900 К, что оптимально для достижения высоких яркости и стабильности источника света.

Каждая из втулок 7а, 7b с напаянным окном 6a, 6b расположена в одном из отверстий корпуса 5 и вварена в отверстие металлического корпуса 5 наружными сварочными швами 14. При этом внутренние части осесимметричных втулок 6а, 6b являются наружной частью камеры, не соприкасающейся с наполняющим ее газом. Это, наряду с установкой окон с внутренней стороны камеры, повышает надежность герметичного соединения благодаря высокому давлению газа в камере, сжимающему герметизирующий материал - стеклоцемент 13 и способствующему герметизации оптических элементов.

В соответствии с изобретением, поверхность торца втулки 7b и примыкающая к ней поверхность выходного окна 6b из MgF₂, по существу, перпендикулярны оптической оси кристалла MgF₂. Коэффициенты линейного теплового расширения (КЛТР) стеклоцемента 13 и материала втулок 7а, 7b и корпуса 5 согласованы с КЛТР кристаллического фторида магния в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла MgF₂. Все это обеспечивает высокую надежность и большой срок жизни окон и камеры в целом. Предпочтительно втулки и корпус камеры выполнены из железо- никелевого сплава 47 НД, удовлетворяющего этим требованиям.

Заполнение камеры 1 газом при высоком давлении осуществляют через либо запаиваемый завариваемый штенгель, либо газовый порт 15, предназначенный для управления давлением и/или составом газа в камере.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет произвести высоконадежные камеры с MgF₂ окнами для работы при высоких давлениях (около 50 атм) и температурах (около 900° К) и создать наиболее яркие и стабильные источники света на основе НОР с наиболее широким спектром излучения в ВУФ диапазоне.

В соответствии с вариантом реализации изобретения, показанном на Фиг. 1, снаружи окна 6b из MgF₂, предназначенного для вывода из камеры пучка излучения плазмы 8, расположена вакуумная или газовая среда, например, гелий, аргон и др., не поглощающая ВУФ излучение с длинами волн от 110 нм и более. Для этого при помощи патрубка 16 камера 1 может быть герметично подсоединена к внешней камере 17 с объектами, к которым транспортируется пучок излучения плазмы 8.

В этом случае транспортировка пучка осуществляется без образования озона и без потерь ВУФ составляющей излучения плазмы.

Для достижения высокой стабильности и высокой яркости излучающей плазмы в непрерывном режиме работы давление газа в камере составляет около 50 атм или более, а температура камеры около 600 К или более. Из-за высокой температуры камеры 1 патрубок 16 выполнен с функцией температурного моста между камерой 1 и внешней камерой 17. Для этого, по меньшей мере, часть патрубка 16 выполнена с низкой теплопроводностью, например, из тонкой нержавеющей стали. Для охлаждения удаленной от окна 6b части патрубка 16 она выполнена в виде радиатора охлаждения 18, что устраняет нагрев внешней камеры 17. Герметичное соединение патрубка 16 с камерой 1 и внешней камерой 17 может производиться посредством уплотняющих прокладок 19, которые могут быть выполнены из меди, по меньшей мере, со стороны нагреваемой камеры 1.

В варианте изобретения, Фиг. 1, все осесимметричные втулки 7а, 7b с припаянными к ним окнами 6a, 6b приварены к одной общей корпусной детали 5. При этом область излучающей плазмы 2 расположена в полости корпуса 5, образованной пересечением, по меньшей мере, двух отверстий, в каждом из которых расположена одна из втулок 7а, 7b с окном с одним из окон 6a, 6b. Втулки 7а, 7b имеют переменный наружный диаметр, и окна 6a, 6b расположены на торцах втулок с меньшим наружным диаметром.

Работа широкополосного источника света с лазерной накачкой происходит следующим образом. Предварительно изготавливают камеру 1 источника света, содержащую металлический корпус 5, по меньшей мере, с двумя окнами 6а, 6b, Фиг. 1. По меньшей мере, одно окно 6b выполняют из MgF₂. Материалом, по меньшей мере, одного из окна 6а может быть стекло с КЛТР, согласованным с КЛТР MgF₂. Корпус камеры изготавливают из прецизионного сплава 47 НД с КЛТР, также согласованным с КЛТР MgF₂. Каждое из окон 6а, 6b,… спаивают с одной из втулок 7а, 7b,… посредством стеклоцемента 13 с применением отжига при температуре не менее 400°С. Каждую втулку с припаянным к ней окном вваривают в отверстие металлического корпуса 5. Осуществляют заполнение камеры газом при высоком давлении через либо запаиваемый штенгель, либо газовый порт 15.

Генерацию широкополосного излучения плазмы НОР осуществляют следующим образом. Сфокусированный пучок 3 непрерывного лазера 4 направляют в область 2 камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы. В качестве газа предпочтительно используют инертные газы высокой чистоты и их смеси. С помощью импульсной лазерной системы 9 генерируют, по меньшей мере, один импульсный лазерный пучок 10. Ввод в камеру 1 пучка непрерывного лазера и импульсного лазерного пучка осуществляют через окно 6а. При этом оптическая система, состоящая из окна 6а и фокусирующей линзы 12, обеспечивает острую фокусировку лазерных пучков. С помощью импульсной лазерной системы 9 обеспечивают оптический пробой и создание начальной плазмы, плотность которой выше пороговой плотности плазмы НОР, имеющей величину около 10¹⁸ электронов/см³. Концентрация и объем начальной плазмы достаточны для надежного поддержания непрерывного оптического разряда сфокусированным пучком непрерывного лазера 3 относительно малой мощности, не превышающей 300 Вт. В стационарном режиме из области излучающей плазмы 2 непрерывного оптического разряда осуществляют вывод широкополосного излучения высокой яркости, по меньшей мере, одним пучком 8 излучения плазмы. Коротковолновая граница спектра излучения плазмы, вышедшего из камеры, определяется границей пропускания MgF₂, приблизительно равной 110 нм. Пучок 8, выходящий из камеры через выходное окно 7b из MgF2, предназначен для дальнейшего использования, например, во внешней камере 17. Камера 1 может быть герметично подсоединена к внешней камере 17, заполненной вакуумной или газовой средой, не поглощающей вышедшее из камеры 1 ВУФ излучение плазмы. В рабочем режиме температура камеры 1 предпочтительно составляет около 600 К или выше. При этом тепловую развязку между камерой 1 и внешней камерой 17 осуществляют с помощью патрубка 17, выполненного с функцией температурного моста и оснащенного радиатором охлаждения 19.

В варианте изобретения, показанном на Фиг. 2, камера 1 содержит сварной металлический корпус 5, состоящий, по меньшей мере, из двух корпусных деталей 5a, 5b, к каждой из которых приварена втулка 7a, 7b с припаянным к ней окном 6a, 6b.

После установки внутрикамерных элементов, к которым относятся фокусирующая линза 12 с креплением или оправой 20 и вставка 21, корпусные детали 5а, 5b с окнами 6a, 6b сваривают между собой сварным швом 22. При сварке корпусных деталей 5а, 5b вваренные в них осесимметричные втулки 7а, 7b с окнами 6a, 6b компенсируют неравномерность нагрева и остывания всей конструкции камеры 1.

Внешний вид сварного корпуса источника света схематично показан на Фиг. 3.

Для упрощения конструкции камеры сварные швы 14, 22 расположены на наружной поверхности корпуса 5.

На Фиг. 4 схематично показан еще один вариант, в котором окно 6b из MgF₂ для вывода из камеры пучка излучения плазмы 8 представляет собой линзу, выполненную с функцией уменьшения угловой апертуры пучка излучения плазмы или уменьшения аберраций, искажающих ход лучей пучка излучения плазмы при их прохождении через окно 6b. В общем случае окно 6b выполнено в виде мениска или другой согласующей линзы. Это повышает яркость источника излучения, уменьшает габариты источника света, повышает удобство его исследования.

Также для увеличения яркости источника света в камере источника света, Фиг. 4, размещены ретрорефлекторы 23,24 в виде сферических зеркал с центром в области излучающей плазмы 2. Ретрорефлекторы 23 и 24 расположены напротив окна 6b из MgF₂ и на оси сфокусированного лазерного пучка 3.

Для устранения нежелательного присутствия излучения непрерывного лазера в пучке излучения плазмы, направление пучка излучения плазмы 8 отлично от направления пучка непрерывного лазера 3, прошедшего область излучающей плазмы 2. Это условие легко реализуется в конструкции камеры 1, корпус которой, как изображено на Фиг. 1, Фиг.2, Фиг. 3, Фиг. 4 выполнен в виде куба, либо прямоугольной призмы, при этом сфокусированный пучок непрерывного лазера 3 и каждый пучок и излучения плазмы 8 расположены на взаимно ортогональных осях, пересекающихся в области излучающей плазмы 2.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения ось сфокусированного пучка непрерывного лазера 3 направлена вертикально вверх, то есть против силы тяжести, Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 4 или близко к вертикали. При выполнении в предложенном виде достигается наибольшая стабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой. Это связано с тем фактом, что обычно область излучающей плазмы 2 несколько сдвигается от фокуса навстречу сфокусированному пучку 3 непрерывного лазера до того сечения сфокусированного лазерного пучка, где интенсивность сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера еще достаточно для поддержания области излучающей плазмы 2. При направлении сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера снизу вверх область излучающей плазмы 2, содержащая наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, стремится всплывать под действием архимедовой силы. Поднимаясь, область излучающей плазмы 2 попадает в место, более близкое к фокусу, где сечение сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера меньше, а интенсивность лазерного излучения выше. Это с одной стороны повышает яркость излучения плазмы, а с другой стороны, уравновешивает силы, действующие на область излучающей плазмы, что обеспечивает высокую стабильность мощности излучения высокояркостного источника света с лазерной накачкой.

На стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой, также влияет величина импульса, приобретаемого под действием архимедовой силы газом, нагреваемым в области излучающей плазмы 2. Приобретаемый газом импульс и турбулентность конвективных потоков тем меньше, чем ближе область излучения плазмы 2 к верхней стенке камеры. В связи с этим, для повышения стабильности выходных характеристик источника света верхняя стенка корпуса камеры расположена на расстоянии от области излучающей плазмы 2, не превышающем 5 мм.

Подавление турбулентности конвективных потоков в камере и повышение стабильности выходных характеристик источника света достигается за счет уменьшения ее внутреннего объема. Для этого в предпочтительных вариантах реализации изобретения стенки камеры, а также фокусирующая линза 13 и каждое окно 6b для вывода пучка излучения плазмы расположены на расстоянии от области излучающей плазмы, не превышающем 5 мм.

Еще один вариант выполнения источника света в соответствии с настоящим изобретением схематично представлен на Фиг. 5. В этом варианте корпус камеры содержит несколько окон 6b, 6c для вывода из камеры 1 нескольких пучков излучения плазмы 8, что требуется для ряда применений источника света.

Предпочтительно в качестве непрерывного лазера 4 используется высокоэффективный диодный лазер ближнего инфракрасного диапазона с выводом излучения в оптоволокно 25. На выходе из оптического волокна 25 расширяющийся лазерный пучок направлен на коллиматор 26, например, в виде собирающей линзы. После коллиматора 26 и дихроичного отклоняющего зеркала 11 расширенный пучок непрерывного лазера направлен в камеру 1. Оптическая система, окно 6а и фокусирующую линзу 12, обеспечивает острую фокусировку пучка 3 непрерывного лазера, необходимую для обеспечения высокой яркости источника света.

В варианте реализации изобретения, Фиг. 5, для стартового зажигания плазмы используется твердотельная лазерная система, которая содержит первый лазер 27 для генерации первого лазерного пучка 28 в режиме модуляции добротности и содержит второй лазер 29 для генерации второго лазерного пучка 30 в режиме свободной генерации. Импульсные лазеры с активными элементами 31 снабжены источниками оптической накачки, например, в виде импульсных ламп 32 и предпочтительно имеют общие зеркала 33, 34 резонатора. Первый лазер 27 снабжен модулятором добротности 35.

Два импульсных лазерных пучка 28, 30 направлены в камеру и сфокусированы в область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2, Фиг. 5. Первый лазерный пучок 28 предназначен для стартового зажигания плазмы или оптического пробоя. Второй лазерный пучок 30 предназначен для создания плазмы, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания области излучающей плазмы 2 сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера.

Предпочтительно, что длина волны непрерывного лазера λ_CW, отлична от длин волн λ₁, λ₂ первого и второго импульсных лазерных пучков 28, 30. В качестве примера длина волны непрерывного лазера может быть равной λ_CW=0,808 мкм или 0,976 мкм, а импульсные лазеры могут иметь длину волны излучения λ₁=λ₂=1,064 мкм. Это позволяет использовать дихроическое зеркало 11 для ввода лазерного пучка 36 непрерывного лазера 4 и импульсных лазерных пучков 28, 30. Для транспортировки импульсных лазерных пучков 28, 30 может дополнительно использоваться поворотное зеркало 37, Фиг. 5.

В этом варианте реализации обеспечивается 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.

В остальном части устройства в этом варианте осуществления являются такими же, как в вышеописанных вариантах осуществления, имеют на Фиг. 5 те же номера позиций, и их подробное описание опущено.

В целом, заявленное изобретение позволяет: расширить спектр излучения в ВУФ области спектра и обеспечить высокие яркость и 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 (26)

1. Плазменный источник света с лазерной накачкой, содержащий: камеру, заполненную газом при высоком давлении, средство для зажигания плазмы, область излучающей плазмы, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком непрерывного лазера, в котором указанная камера включает в себя металлический корпус, содержащий окно для ввода в камеру пучка непрерывного лазера и, по меньшей мере, одно окно для вывода из камеры пучка излучения плазмы, отличающийся тем, что

пучок непрерывного лазера сфокусирован с помощью линзы, установленной в камере между входным окном и областью излучающей плазмы,

газ относится к инертным газам с чистотой не хуже 99,99% или их смесям,

каждое окно расположено с внутренней стороны камеры на ближнем к области излучающей плазмы торце втулки, расположенной в отверстии корпуса,

каждое окно спаяно с втулкой посредством стеклоцемента, и каждая втулка с припаянным к ней окном вварена в отверстие металлического корпуса,

по меньшей мере, одно окно для вывода из камеры пучка излучения плазмы выполнено из кристаллического фторида магния (MgF₂), причем поверхность торца втулки и примыкающая к ней поверхность окна из MgF₂, по существу, перпендикулярны оптической оси кристалла MgF₂.

2. Источник света по п. 1, в котором каждая втулка и корпус камеры выполнены из железоникелевого сплава с заданным коэффициентом линейного теплового расширения (КЛТР), согласованным с КЛТР кристаллического фторида магния в направлении, перпендикулярном оптической оси кристалла MgF₂.

3. Источник света по п. 2, в котором марка сплава - 47 НД.

4. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором коротковолновая граница спектра в пучке излучения плазмы, вышедшего из камеры, определяется границей пропускания MgF₂ в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ), приблизительно равной 110 нм.

5. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором снаружи окна из MgF₂ расположена вакуумная или газовая среда, не поглощающая ВУФ излучение с длинами волн от 110 нм и более.

6. Источник света по любому из предыдущих пунктов, характеризующийся тем, что камера герметично подсоединена к внешней камере с объектами, к которым пучок излучения плазмы транспортируется через окно из MgF₂, причем внешняя камера заполнена вакуумной или газовой средой, не поглощающей ВУФ излучение.

7. Источник света по п. 6, в котором камера герметично подсоединена к внешней камере с помощью патрубка, выполненного с функцией температурного моста и оснащенного радиатором охлаждения.

8. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором пучок излучения плазмы направлен из области излучающей плазмы на окно из MgF₂ без отражений напрямую.

9. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором все осесимметричные втулки с припаянными к ним окнами приварены к корпусу, выполненному в виде одной корпусной детали.

10. Источник света по п. 9, в котором область излучающей плазмы расположена в полости корпуса, образованной пересечением, по меньшей мере, двух отверстий, в каждом из которых расположена втулка с окном.

11. Источник света по п. 9, в котором втулка имеет переменный наружный диаметр, и окно расположено на торце втулки с меньшим наружным диаметром.

12. Источник света по любому из пп. 1-9, в котором корпус состоит, по меньшей мере, из двух корпусных деталей, которые сварены между собой после размещения внутрикамерных деталей.

13. Источник света по п. 12, в камере которого размещен, по меньшей мере, один ретрорефлектор, например, в виде сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы.

14. Источник света по любому из предшествующих пунктов, в котором сварные швы расположены на наружной поверхности корпуса.

15. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором средством для зажигания плазмы служит твердотельная лазерная система, генерирующая в режиме модуляции добротности и в режиме свободной генерации два импульсных лазерных пучка, вводимых в камеру через входное окно, а в непрерывном режиме давление газа в камере составляет около 50 атм или более при температуре внутренней поверхности камеры не менее 600°К.

16. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором сфокусированный пучок непрерывного лазера направлен в камеру вертикально вверх, и верхняя стенка корпуса камеры расположена на расстоянии от области излучающей плазмы, не превышающем 5 мм.

17. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором фокусирующая линза и каждое окно для вывода пучка излучения плазмы расположены на расстоянии от области излучающей плазмы, не превышающем 5 мм.

18. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором окно представляет собой линзу, выполненную с функцией уменьшения аберраций, искажающих ход лучей пучка излучения плазмы при их прохождении через окно, и/или уменьшения угловой апертуры пучка излучения плазмы.

19. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором направление пучка излучения плазмы отлично от направления пучка непрерывного лазера, прошедшего область излучающей плазмы,

20. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором корпус камеры выполнен в виде прямоугольной призмы, при этом сфокусированный пучок непрерывного лазера и пучки излучения плазмы расположены на взаимно ортогональных осях, пересекающихся в области излучающей плазмы.

21. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором корпус содержит либо запаиваемый штенгель, либо газовый порт, предназначенный для заполнения камеры газом и/или управления давлением и составом газа в камере.

Images