RU2790613C1 - Источник света с лазерной накачкой и способ лазерного зажигания плазмы - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к широкополосным высокояркостным источникам света на основе непрерывного оптического разряда. Технический результат – упрощение конструкции источника света, повышение его надежности и удобства эксплуатации, создание на этой основе мощных безэлектродных высокояркостных широкополосных источников света с максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью. Источник света содержит заполненную газом камеру (1) с областью излучающей плазмы (2), поддерживаемой сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера (4). Средством зажигания плазмы является твердотельная лазерная система (7), генерирующая два импульсных лазерных пучка (8), (9): в режиме свободной генерации и в режиме модуляции добротности. При этом твердотельная лазерная система (7) содержит только один активный элемент (10), а ее оптический резонатор (12), (13) снабжен модулятором добротности (14), перекрывающим часть (15b) апертуры внутрирезонаторного потока лазерного излучения (15). Способ зажигания плазмы характеризуется тем, что одним импульсным лазерным пучком (9) твердотельной лазерной системы (7) осуществляют оптический пробой, после которого другим импульсным лазерным пучком (8) зажигают плазму, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ПАТЕНТЫ И ПАТЕНТНЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка является продолжением международной заявки PCT/RU2021050049, опубликованной 10.09.2021 под номером WO2021177859, испрашивающей приоритет заявки на патент РФ 2020109782, поданной 5 марта 2020 г., ныне патент РФ 2732999, опубл. 28.09.2020, и патента US10964523, опубликованного 30 марта 2021 г., испрашивающего приоритет заявки на патент РФ 2020126279, поданной 6 августа 2020 г., ныне патент РФ 2752778, опубл. 30 августа 2021 г., включенных во всей своей полноте в настоящее описание посредством ссылки.

Область изобретения

Изобретение относится к широкополосным источникам света с непрерывным оптическим разрядом (НОР), а также к способу стартового зажигания плазмы, поддерживаемой излучением непрерывного лазера.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Одна из проблем, связанных с созданием высокояркостных высокостабильных источников света на основе НОР, относится к надежному стартовому зажиганию НОР.

Как известно, например, из патента US 9368337, опубл. 14.06.2016, в высокояркостных широкополосных источниках света на основе НОР для стартового зажигания плазмы находят применение два штыревых электрода, размещенных на оси прозрачной колбы, между которыми на короткое время формируют дуговой разряд. При этом лазерный пучок, поддерживающий НОР, фокусирован в центре колбы, в промежутке между двумя электродами. Источник характеризуется высокой яркостью при достаточно простой конструкции. Последнее в значительной степени обусловлено тем, что кварцевые колбы с двумя электродами, содержащие газ, в частности, Xe высокого давления (10 атм и более) являются коммерчески доступными изделиями.

Однако относительно холодные электроды, расположенные вблизи области высокотемпературной излучающей плазмы, вызывают возмущение конвективных потоков газа в колбе и, как результат, ухудшают пространственную и энергетическую стабильность источника света. Наряду с этим, наличие электродов вблизи области излучающей плазмы характеризуется наличием «мертвых» углов, ограничивающих выход полезного излучения плазмы. Кроме этого, распыление материала электродов, может приводить к снижению прозрачности стенок колбы и, соответственно, к деградации источника света со временем.

Этого недостатка в значительной степени лишен широкополосный источник света, известный из US Patent 9357627, опубл. 31.05.2016, в варианте реализации которого после зажигания НОР область фокусировки лазерного пучка и, соответственно, область излучающей плазмы перемещают из промежутка между поджигающими электродами к стенке колбы. За счет выбора взаимного расположения оси лазерного пучка, колбы и области излучающей плазмы обеспечивают высокую энергетическую и пространственную стабильность широкополосного источника света.

Однако необходимость передвижения области излучающей плазмы усложняет конструкцию источника света и его эксплуатацию. Кроме этого, затрудняется использование максимально острой фокусировки лазерного пучка, что может ограничивать достижение максимально возможной яркости источника света. К недостаткам колбы, содержащей электроды, можно также отнести сложную технологию герметизации соединения металл-стекло и сложную форму колбы, обусловливающую наличие концентрации напряжений, ведущих к повреждению герметичного соединения металл-стекло и снижению прочности лампы в процессе эксплуатации источника света при высоких давлениях газа.

От указанных недостатков свободен известный из патентной заявки JPS61193358, опубликованной 27.08.1986, безэлектродный источник света на основе НОР, в котором лазер используется как для стартового зажигания плазмы, так и для поддержания НОР в безэлектродной колбе.

Однако пороговая мощность лазерного излучения, необходимая для стартового зажигания плазмы обычно составляет от примерно десяти до нескольких сотен кВт и выше. В то же время, интенсивность лазерного излучения, достаточная для поддержания НОР, обычно составляет лишь несколько десятков Ватт. Таким образом, использование одного мощного лазера, как для зажигания, так и для поддержания плазмы, ведет либо к сокращению времени жизни источника света (при использовании полной мощности лазера для поддержания НОР), либо является избыточным, дорогостоящим и непрактичным в случае поддержания НОР с помощью очень малой доли от полной мощности лазера.

Для решения этой проблемы в патенте US 10057973, опубл. 21.08.2018, предлагается использовать единственный непрерывный лазер с мощностью ниже 250 Ватт и длиной волны менее 1100 нм. Зажигание и поддержания НОР предлагается обеспечивать за счет острой фокусировки, при которой поперечный размер фокальной области менее 1-15 микрон, а ее длина- 6 микрон или меньше.

Однако такое решение не является универсальным, поскольку требования к фокусировке лазера очень высоки и не гарантируют высокой надежности функционирования предложенного источника света. Кроме того, подводимая к источнику мощность на уровне около 250 Вт может быть слишком высока для целого ряда применений.

Этих недостатков лишен источник света, известный из патента FR2554302, опубликованного 03.05.1985, в котором в качестве средства для стартового зажигания плазмы используется сфокусированный пучок импульсного лазера, предназначенный для начального зажигания плазмы или оптического пробоя. Для поддержания НОР используется непрерывный лазер. В указанном устройстве решается проблема долговечности источника излучения на основе НОР.

Однако для стартового зажигания плазмы и для обеспечения высокой яркости НОР необходима острая фокусировка обоих лазеров. Таким образом, требуется очень точное сведение областей фокусировки пучков импульсного и непрерывного лазеров. Это усложняет осуществление лазерного зажигания и снижает его надежность, делая устойчивое зажигание НОР в высокояркостном источнике света проблематичным.

Частично этих недостатков лишен источник света, известный из US Patent 10244613, опубл. 25.05.2017, в варианте реализации которого пучки одного или нескольких лазеров, предназначенных для стартового зажигания плазмы, и один или несколько пучков непрерывных лазеров, предназначенных для поддержания НОР, введены в оптическое волокно, используемое для доставки излучения указанных лазеров к системе фокусировки их излучения в область излучающей плазмы. В указанном устройстве достигается совмещение областей фокусировки импульсных поджигающих и непрерывных лазеров, если длины волн указанных лазеров близки.

Однако в случае различия длин волн импульсных и непрерывных лазеров области их фокусировки не совпадают из-за хроматических аберраций. Кроме этого, передача по оптоволокну лазерных импульсов высокой мощности (в сотни кВт), используемой для надежного стартового зажигания НОР, может приводить к разрушению оптоволокна, что обусловливает недостатки этого решения.

Наиболее близким техническим решением является источник света, известный из патента РФ 2732999, опубл. 28.09.2020, в котором средством зажигания плазмы является твердотельная лазерная система, генерирующая два лазерных пучка, сфокусированных в камеру. Лазерный пучок, генерируемый в режиме модуляции добротности, предназначен для оптического пробоя газа. При этом лазерный пучок, генерируемый в режиме свободной генерации, не способный сам по себе осуществить оптический пробой, предназначен для создания после оптического пробоя плазмы, объем и плотность которой достаточные для ее стационарного поддержания непрерывным лазером. Иными словами, совместное воздействие двух лазерных пучков, генерируемых в режиме гигантского импульса и свободной генерации, приводит к образованию плазмы, горение которой подхватывается непрерывным лазером. Таким образом, обеспечивается надежное безэлектродное зажигание плазменного источника света с лазерной накачкой. Изобретение позволяет создать наиболее высокояркостные широкополосные источники света с высокой пространственной и энергетической стабильностью и сбором излучения плазмы в большом пространственном угле.

Однако наличие двух активных элементов усложняет твердотельную лазерную систему и источник света в целом, снижает надежность и удобство его эксплуатации. В частности, при использовании общего резонатора импульсной лазерной системы предъявляются достаточно жесткие требования к параллельности торцов двух активных элементов, выполненных в виде стержней. Также проблематичным для получения двух параллельных пучков является различие тепловых эффектов в разных стержнях. Кроме этого, использование разнесенных в пространстве двух импульсных лазерных пучков усложняет их ввод в камеру совместно с пучком непрерывного лазера, требуя применения дихроичного зеркала. Последнее, в свою очередь, приводит к необходимости использования поляризованного лазерного излучения, проходящего через дихроичное зеркало, для уменьшения потерь на отражение, и накладывает ограничение на выбор длин волн поджигающего и непрерывного лазерного излучения, затрудняя использование импульсного и непрерывного лазеров с близкими длинами волн излучения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание свободных от указанных недостатков способов и устройств высоконадежного, удобного в эксплуатации лазерного зажигания плазмы непрерывного оптического разряда в составе высокояркостных высокостабильных источников света с лазерной накачкой.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции источника света, повышение его надежности и удобства эксплуатации, создание на этой основе мощных безэлектродных высокояркостных широкополосных источников света с максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью.

Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого источника света с лазерной накачкой, содержащего: заполненную газом камеру, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна; область излучающей плазмы, поддерживаемой в указанной камере сфокусированным пучком непрерывного лазера, и средство для зажигания плазмы.

Отличие источника света состоит в том, что средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему, выполненную с функцией генерации двух лазерных пучков, которые сфокусированы в камеру; один из двух импульсных лазерных пучков генерируется в режиме свободной генерации, а другой лазерный пучок генерируется в режиме модуляции добротности, при этом твердотельная лазерная система содержит только один активный элемент, источник излучения накачки активного элемента и оптический резонатор, обеспечивающий многократное прохождение потока лазерного излучения через активный элемент, причем оптический резонатор снабжен модулятором добротности, установленным на пути прохождения потока лазерного излучения так, что модулятор добротности перекрывает только часть апертуры потока лазерного излучения. Другими словами можно сказать, что модулятор добротности перекрывает лишь часть апертуры активного элемента.

В варианте реализации изобретения модулятор добротности является пассивным и представляет собой насыщающийся поглотитель в виде кристалла алюмоиттриевого граната, легированного хромом Cr⁴⁺:YAG.

В варианте реализации изобретения модулятор добротности перекрывает малую часть апертуры потока лазерного излучения, не более 30% ее площади.

В варианте реализации изобретения импульсные лазерные пучки и пучок непрерывного лазера сфокусированы в камеру с помощью фокусирующего оптического элемента, причем пучок непрерывного лазера, направленный на фокусирующий оптический элемент, не пересекает импульсные лазерные пучки, направленные на фокусирующий оптический элемент.

В варианте реализации изобретения поворотное зеркало установлено на пути прохождения пучка непрерывного лазера вне пути прохождения импульсных лазерных пучков.

В варианте реализации изобретения поворотное зеркало установлено на пути прохождения импульсных лазерных пучков вне пути прохождения пучка непрерывного лазера.

В варианте реализации изобретения минимальная выходная мощность непрерывного лазера, достаточная для зажигания и поддержания излучающей плазмы, составляет не более 30 Вт.

В варианте реализации изобретения ось сфокусированного пучка непрерывного лазера направлена вертикально вверх или близко к вертикали, под углом не более 10 градусов от нее.

В варианте реализации изобретения плотность частиц газа в камере менее 90⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре 33 атм, а температура внутренней поверхности камеры не менее 600 К.

В варианте реализации изобретения температура внутренней поверхности камеры не более 900 K, а плотность частиц газа составляет не менее 45⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре не менее 16,5 атм.

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

Предпочтительно газ относится к группе инертных газов, включающей в себя ксенон, криптон, аргон, неон или их смеси.

В другом аспекте изобретение относится к способу зажигания плазмы в источнике света с лазерной накачкой. Способ включает в себя: направление сфокусированного пучка непрерывного лазера в камеру с газом высокого давления, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна, зажигание плазмы и стационарное поддержание излучающей плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

Способ зажигания плазмы непрерывного оптического разряда характеризуется тем, что зажигание плазмы обеспечивается твердотельной лазерной системой с одним активным элементом, генерирующей два параллельных импульсных лазерных пучка, сфокусированных в камеру, из которых один импульсный лазерный пучок генерируется в режиме свободной генерации, а другой импульсный лазерный пучок генерируется в режиме модуляции добротности за счет использования модулятора добротности, установленного в резонаторе на пути прохождения потока лазерного излучения так, что модулятор добротности перекрывает только часть апертуры потока лазерного излучения.

При выполнении источника света в предложенном виде за счет использования для зажигания плазмы лазерной систем только с одним активным элементом уменьшается количество элементов лазерной системы, максимально упрощается конструкция и повышается надежность средства для лазерного зажигания плазмы и источника излучения в целом. В частности, по сравнению с прототипом, устраняются проблемы, связанные с совмещением фокусов двух импульсных лазерных пучков из-за различной призматичности двух активных элементов и с возможной разъюстировкой двух активных элементов из-за тепловых эффектов.

Наряду с этим, максимальное сближение в пространстве двух импульсных лазерных пучков, за счет их генерирования одном активном элементе, позволяет не использовать дихроичное зеркало для ввода импульсных и непрерывного лазерных пучков в камеру, устраняет необходимость использования поляризованного лазерного излучения, проходящего через дихроичное зеркало.

Кроме того, применение пассивного модулятора добротности в виде насыщающегося поглотителя в виде кристалла Cr⁴⁺:YAG, в частности, в форме пластины, обеспечивает автоматическое срабатывание двухлучевой лазерной системы.

Все это также упрощает конструкцию источника излучения, повышает его надежность и удобство эксплуатации.

Надежное зажигание непрерывного оптического разряда достигается за счет следующих факторов. Оптический пробой обеспечивается лазерным пучком, генерируемым в режиме модуляции добротности. Однако зажигание НОР только одним лазерным пучком является проблематичным. Одна из причин - трудность совмещения области фокусировки непрерывного лазера с областью оптического пробоя, размер которой обычно очень мал и не превышает величину около 50 мкм. Даже если области фокусировки импульсного и непрерывного лазерного пучков совмещены, зажигание НОР только одним лазерным пучком все равно является труднодостижимым. Это связано с тем, что оптический пробой, генерируемый лазерным излучением, обладает взрывными свойствами. Процессы взрывного типа, в частности, ударные волны могут приводить к тушению оптического разряда, поддерживаемого непрерывным лазером небольшой мощности, обычно не превышающей 300 Вт. В соответствии с изобретением эта проблема решается тем, что лазерный пучок, генерируемый в режиме свободной генерации и не способный сам по себе осуществить оптический пробой, обеспечивает зажигание плазмы после оптического пробоя лазерным пучком, генерируемым в режиме модуляции добротности. Параметры лазерного пучка, генерируемого в режиме свободной генерации, выбраны так, что поддерживаемый им оптический разряд сам по себе свободен от явлений взрывного типа и при этом устойчив к возмущениям, вызванным предшествующим оптическим пробоем. Наряду с этим, лазерный пучок, генерируемый в режиме свободной генерации, обеспечивает объем и плотность плазмы, достаточные для ее надежного стационарного поддержания непрерывным лазером относительно малой мощности, до 30 Вт, после выключения окончания поджигающего лазерного импульса.

Таким образом, достигается надежное безэлектродное зажигание непрерывного оптического разряда. Устранение электродов снижает возмущения конвективных потоков газа вблизи области излучающей плазмы, упрощает камеру, позволяя оптимизировать ее конструкцию для уменьшения турбулентности конвективных газовых потоков и минимизировать оптические аберрации, в частности, при выводе излучения плазмы через прозрачные части камеры, а также увеличить пространственный угол сбора излучения плазмы.

В соответствии с изобретением непрерывная генерация излучения плазмы с высокой спектральной яркостью, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср), и относительной нестабильностью яркости σ, менее 0,1%, достигается тем, что плотность частиц газа в камере 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 атм. и более.

Все это позволяет создать наиболее высокояркостные широкополосные источники света с большим пространственным углом сбора излучения плазмы, характеризующиеся максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью.

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 с импульсной твердотельной лазерной системой для зажигания плазмы и поперечного сечения средства для лазерного зажигания плазмы в области его оптического резонатора,

Фиг. 2 – характерная осциллограмма интенсивности излучения твердотельной лазерной системы, используемой для зажигания плазмы.

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 камеру 1, заполненную газом высокого давления. По меньшей мере, часть камеры 1 оптически прозрачна. На Фиг 1. показан вариант камеры, выполненной из оптически прозрачного материала, например, из плавленого кварца. В камере 1 расположена область излучающей плазмы 2, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4.

По меньшей мере, один пучок 5 излучения плазмы, направленный на оптическую систему сбора излучения 6 и предназначенный для дальнейшего использования, выходит из камеры 1. Оптическая система сбора излучения 6, которая может включать в себя осесимметричное эллипсоидное зеркало (Фиг. 1), формирует пучок излучения плазмы, транспортируемый, например, по оптоволокну или системой зеркал к оптической системе, использующей широкополосное излучение плазмы.

Источник света также содержит средство для зажигания плазмы, в качестве которого используется твердотельная лазерная система 7, выполненная с функцией генерации двух лазерных пучков 8, 9, которые сфокусированы в камеру 1. Один из двух лазерных пучков 8 генерируется в режиме свободной генерации, а другой лазерный пучок 9 генерируется в режиме модуляции добротности. При этом твердотельная лазерная система содержит только один активный элемент 10, источник излучения 11, например, компактную импульсную ксеноновую лампу, для накачки активного элемента и оптический резонатор с зеркалами 12, 13 и с модулятором добротности 14. Оптический резонатор обеспечивает многократное прохождение потока лазерного излучения 15 через активный элемент 10. При этом модулятор добротности 14 установлен на пути прохождения внутрирезонаторного потока лазерного излучения 15, так, что он перекрывает лишь часть апертуры потока лазерного излучения 15.

Одна часть внутрирезонаторного потока лазерного излучения 15a не имеет на своем пути модулятор добротности 14, что приводит к генерации лазерного пучка 8 в режиме свободной генерации.

Другая часть внутрирезонаторного потока лазерного излучения 15b имеет на пути распространения модулятор добротности 14, что приводит к генерации лазерного пучка 9 в режиме модуляции добротности.

Как видно из поперечного сечения А-А твердотельной лазерной системы 7 на Фиг. 1, апертуры потоков лазерного излучения 15а и 15b и соответствующие им апертуры пучков лазерного излучения 8, 9, выходящего из резонатора, в варианте реализации изобретения имеют форму сегментов круга разного сечения.

Лазерный пучок 8, генерируемый в режиме модуляции добротности, и лазерный пучок, генерируемый в режиме свободной генерации, 9, сфокусированы в камеру 1, а именно в область камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы.

Лазерный пучок 8, генерируемый в режиме модуляции добротности, предназначен для начального зажигания плазмы или оптического пробоя в камере 1. Лазерный пучок 9, генерируемый в режиме свободной генерации, предназначен для зажигания плазмы после оптического пробоя, осуществляемого лазерным пучком, генерируемым в режиме модуляции добротности, 8. При этом модулятор добротности 14 предпочтительно перекрывает лишь малую часть 15b апертуры потока лазерного излучения 15, предпочтительно не более 30% ее площади, для обеспечения оптимального, с точки зрения зажигания плазмы, соотношения энергии лазерных пучков 8 и 9.

В качестве активного элемента 10 может использоваться стержень из прозрачного базового материала, например иттрий-алюминиевого граната (YAG), легированного ионами металлов, например, неодимом (Nd). В этом варианте реализации изобретения генерация импульсного лазерного излучения в твердотельной лазерной системе 7 осуществляется на длине волны λ₁=1,064 мкм.

Модулятор добротности 14 может быть пассивным, выполненным из фототропного материала и представлять собой насыщающийся поглотитель, например, в виде кристалла алюмоиттриевого граната, легированного хромом: Cr⁴⁺:YAG. Модулятор добротности 14 может быть выполнен в виде пластины, не ограничиваясь только этим вариантом. В других вариантах реализации изобретения модулятор добротности 14 может быть активным.

В предпочтительном варианте реализации изобретения фокусировка всех лазерных пучков в область камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2, осуществляется одним фокусирующим оптическим элементом 16, например, в виде собирающей линзы 16, не ограничиваясь только этим вариантом.

В варианте реализации устройства, показанного на Фиг. 1, пучок непрерывного лазера 17, направлен в камеру с помощью поворотного зеркала 18, установленного вне путей прохождения импульсных лазерных пучков 8, 9. Импульсные лазерные пучки 8, 9 также могут быть направлены в камеру с помощью другого поворотного зеркала, установленного вне пути прохождения пучка непрерывного лазера. В этих вариантах реализации изобретения пучок непрерывного лазера 17 направленный на фокусирующий оптический элемент 16, не пересекает пучки 8, 9 твердотельной лазерной системы, также направленные на фокусирующий оптический элемент 16.

В этом варианте реализации изобретения снимаются известные ограничения, связанные с применением дихроичного зеркала.

Способ зажигания плазмы в плазменном источнике света с лазерной накачкой реализуется следующим образом. Сфокусированный пучок 3 непрерывного лазера 4 направляют, например, с помощью полностью отражающего поворотного зеркала 18, в камеру 1 с газом высокого давления, Фиг. 1. В качестве высокоэффективной плазмообразующей среды используют ксенон или другие инертные газы и их смеси, в том числе с парами металлов, например, ртути, и различные газовые смеси, в том числе, галогеносодержащие.

Стартовое зажигание плазмы обеспечивают твердотельной лазерной системой 7 с одним активным элементом 10. После включения источника излучения 11, предназначенного для импульсной накачки активного элемента 10, генерируют два параллельных лазерных пучка 8, 9, сфокусированных в камеру, в область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2. При этом один импульсный лазерный пучок 8 генерируют в режиме свободной генерации, а другой импульсный лазерный пучок 9 генерируют в режиме модуляции добротности за счет использования модулятора добротности 14, установленного в резонаторе с зеркалами 12, 13, обеспечивающими многократное прохождение потока лазерного излучения 15 через активный элемент 10. Модулятор добротности 14 установлен на пути прохождения внутрирезонаторного потока лазерного излучения 15 так, что он перекрывает только часть апертуры потока лазерного излучения 15b. При этом генерируемый в режиме модуляции добротности импульсный лазерный пучок 9 используют для обеспечения оптического пробоя, после чего импульсный лазерный пучок 8, генерируемый в режиме свободной генерации используют для зажигания плазмы, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4.

В стационарном режиме из области излучающей плазмы 2 непрерывного оптического разряда осуществляют вывод широкополосного излучения высокой яркости, по меньшей мере, одним пучком 5 полезного излучения плазмы, выходящим через оптически прозрачные части камеры 1 и предназначенным для дальнейшего использования.

В примере реализации изобретения давление газа Xe в камере составляет 30 атм при комнатной температуре; длина волны непрерывного лазера - λ_CW= 0,808 мкм, а его мощность варьируется от 30 до 100 Вт.

Характерная временная зависимость мощности лазерного излучения, генерируемого твердотельной лазерной системой, представлена на Фиг. 2. В данном примере энергия лазерного пучка, генерируемого в пичковом режиме свободной генерации, составляет около 150 мДж, длительность – около 100 мкс, длина волны излучения λ₁=1,064 мкм. Генерация в режиме с пассивной модуляцией добротности возникает с временной задержкой и характеризуется энергией лазерного импульса 3 мДж при его длительности 20 нс. Плазма оптического пробоя имеет характерный размер 50- 100 мкм.

Режим оптического пробоя не обеспечивает надежного зажигания непрерывного оптического разряда. Поэтому после оптического пробоя лазерным пучком, генерируемым в режиме свободной генерации, зажигают плазму, объем (вплоть до 1 мм³) и плотность (свыше 10¹⁸ см^-3) которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера. Предпочтительно, что импульс излучения лазерного пучка, генерируемого в режиме свободной генерации, заканчивается не раньше чем через 50 мкс после окончания импульса излучения лазерного пучка, генерируемого в режиме модуляции добротности, как иллюстрируется Фиг. 2. Время около 50 мкс обеспечивает затухание возмущений от оптического пробоя и эволюцию размеров и плотности плазмы до значений, достаточных для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера относительно малой мощности.

Другие варианты реализации изобретения направлены на дальнейшее усовершенствование плазменного источника света с лазерной накачкой.

Поскольку мощность излучения твердотельной лазерной системы 7 при генерации гигантского импульса не позволяет использовать для транспортировки его излучения оптоволокно, которое может быть повреждено, в вариантах реализации изобретения только непрерывный лазер имеет оптоволоконный вывод излучения (не показано).

В то же время, вывод излучения непрерывного лазера 4 предпочтительно осуществляется в оптоволокно (не показано). При этом на выходе из оптического волокна расширяющийся лазерный пучок направлен на коллиматор (не показан), после которого расширенный параллельный пучок непрерывного лазера направлен на фокусирующий оптический элемент 16, например, в виде асферической собирающей линзы. Фокусирующий оптический элемент 16 обеспечивает острую фокусировку пучка 3 непрерывного лазера 4, необходимую для обеспечения высокой яркости источника света.

Благодаря лазерному зажиганию плазмы и отсутствию поджигающих электродов, в предпочтительных вариантах изобретения выход пучка 5 полезного излучения плазмы из камеры по всем азимутам, Фиг. 1. Это означает, что в азимутальной плоскости, проходящей через область излучающей плазмы 2 перпендикулярно оси пучка 3 непрерывного лазера, полезное излучение плазмы выходит по всем азимутам от 0 до 360 градусов. В предпочтительных вариантах реализации изобретения плоский угол раскрытия (на Фиг. 1 – в плоскости чертежа) пучка 5 полезного излучения плазмы составляет не менее 90°. Это означает, что выход пучка 5 полезного излучения плазмы из камеры 1 на систему сбора излучения 6 осуществляется в пространственном угле, составляющем не менее 9 ср или более 70% от полного телесного угла.

В варианте реализации ось сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера направлена вертикально вверх, то есть против силы тяжести, или близко к вертикали, в пределах ±10° от нее. Предпочтительно, чтобы камера 1 была осесимметрична и ось сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера была совмещена с осью симметрии камеры. При выполнении в предложенном виде достигается наибольшая стабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой.

В соответствии с изобретением в режиме поддержания излучающей плазмы температура внутренней поверхности камеры находится в диапазоне от 600 до 900 К или выше, если более высокая температура не оказывает заметного негативного воздействия на прочность камеры и ее прозрачность. Положительный 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 15 000 К, 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.

Увеличение яркости также 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.

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 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.

Предпочтительно в качестве непрерывного лазера 4 используется высокоэффективный диодный лазер ближнего инфракрасного диапазона. Выбор предпочтительной длины волны, выбираемой из двух длин волн: 976 нм и 808 нм, высокоэффективных диодных лазеров 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.

В других вариантах в качестве непрерывного лазера могут использоваться высокоэффективные твердотельные или волоконные лазеры. При этом длины волн излучения непрерывного лазера и твердотельной лазерной системы могут быть близкими или совпадать.

Наряду с обеспечением высокой стабильности выходных параметров настоящее изобретение реализует возможность достижения наибольшей яркости широкополосных источников света с лазерной накачкой, в частности, за счет оптимизации формы и размеров безэлектродной камеры. В соответствии с этим, в предпочтительных вариантах реализации изобретения наружная поверхность и внутренняя поверхность либо камеры, либо ее прозрачных частей имеют форму концентрических сфер, и область излучающей плазмы 2 расположена в центре указанных концентрических сфер, Фиг. 1. В данном варианте изобретения устраняются аберрации, искажающие ход лучей в пучке 5 полезного излучения плазмы, повышает его яркость.

Для обеспечения вывода излучения плазмы в широком спектральном диапазоне, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, оптически прозрачные части камеры предпочтительно выполнены из материала, относящегося к группе: кристаллический фторид магния (MgF₂), кристаллический фторид кальция (CaF₂), кристаллический сапфир или лейкосапфир (Al₂O₃), плавленый или кристаллический кварц.

В целом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить высокую надежность зажигания плазмы, поддерживаемой излучением лазера, и создать на этой основе безэлектродные высокояркостные широкополосные источники света с максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью, а также с возможностью сбора излучения плазмы в пространственном угле более 9 ср.

При выполнении источника света в предложенном виде максимально упрощается конструкция и повышается надежность средства для лазерного зажигания плазмы и источника излучения в целом. По сравнению с прототипом, устраняются проблемы совмещения фокусов двух импульсных лазерных пучков и разъюстировки двух активных элементов лазерной системы в процессе эксплуатации. Снимаются ограничения, связанные с применением дихроичного зеркала, обычно применяемого для ввода нескольких лазерных пучков в камеру. В целом, при выполнении источника света в предложенном виде достигается надежное зажигание НОР. Наряду с оптимизацией условий поддержания НОР это позволяет создать безэлектродные высокояркостные широкополосные источники света с лазерной накачкой, характеризующиеся максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью.

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 (17)

1. Плазменный источник света с лазерной накачкой, содержащий: заполненную газом камеру (1), по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна; область излучающей плазмы (2), поддерживаемой в камере сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера (4), и средство для зажигания плазмы, отличающийся тем, что

средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему (7), выполненную с функцией генерации двух импульсных лазерных пучков (8), (9), которые сфокусированы в камеру; один из двух импульсных лазерных пучков (10) генерируется в режиме свободной генерации, а другой импульсный лазерный пучок (11) генерируется в режиме модуляции добротности, при этом

твердотельная лазерная система содержит только один активный элемент (10), источник излучения (13) для накачки активного элемента и оптический резонатор (12), (13), обеспечивающий многократное прохождение потока лазерного излучения (15) через активный элемент (10), причем оптический резонатор снабжен модулятором добротности (14), установленным на пути прохождения потока лазерного излучения так, что модулятор добротности перекрывает только часть апертуры потока лазерного излучения (15b).

2. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что модулятор добротности (14) является пассивным и представляет собой насыщающийся поглотитель в виде кристалла алюмоиттриевого граната, легированного хромом Cr⁴⁺:YAG.

3. Источник света по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что модулятор добротности перекрывает малую часть (15b) апертуры потока лазерного излучения (15), не более 30% ее площади.

4. Источник света по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что импульсные лазерные пучки (8), (9) и пучок (17) непрерывного лазера сфокусированы в камеру с помощью фокусирующего оптического элемента (16), причем пучок непрерывного лазера (17), направленный на фокусирующий оптический элемент, не пересекает импульсные лазерные пучки (8), (9), направленные на фокусирующий оптический элемент.

5. Источник света по любому из предыдущих пунктов, содержащий поворотное зеркало (18), установленное на пути прохождения пучка непрерывного лазера (4) вне пути прохождения импульсных лазерных пучков (8), (9).

6. Источник света по любому из предыдущих пунктов, содержащий поворотное зеркало, установленное на пути прохождения импульсных лазерных пучков вне пути прохождения пучка непрерывного лазера.

7. Источник света по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выходная мощность непрерывного лазера (4), достаточная для зажигания и поддержания излучающей плазмы, составляет не более 30 Вт.

8. Источник света по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что ось сфокусированного пучка (3) непрерывного лазера направлена вертикально вверх или близко к вертикали, под углом не более 10 градусов от нее.

9. Источник света по любому из предшествующих пунктов, в котором плотность частиц газа в камере менее 90⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре 33 атм, а температура внутренней поверхности камеры не менее 600°K.

10. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором температура внутренней поверхности камеры не более 900°K, а плотность частиц газа составляет не менее 45⋅10¹⁹ см^-3, что соответствует давлению газа при комнатной температуре не менее 16,5 атм.

11. Источник света по любому из предшествующих пунктов, в котором генерация пучка излучения плазмы в установившемся режиме характеризуется высокой спектральной яркостью, более 50 мВт/(мм²⋅нм⋅ср), и низкой относительной нестабильностью яркости σ, менее 1%.

12. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором газ относится к группе инертных газов, включающей в себя ксенон, криптон, аргон, неон или их смеси.

13. Способ зажигания плазмы в плазменном источнике света с лазерной накачкой, включающий: направление сфокусированного пучка (3) непрерывного лазера (4) в камеру (1) с газом высокого давления, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна, зажигание плазмы и стационарное поддержание излучающей плазмы (2) сфокусированным пучком непрерывного лазера, отличающийся тем, что

зажигание плазмы обеспечивают твердотельной лазерной системой (7) с одним активным элементом (10), посредством которой генерируют два параллельных импульсных лазерных пучка (8), (9), сфокусированных в камеру, из которых один импульсный лазерный пучок (10) генерируют в режиме свободной генерации, а другой импульсный лазерный пучок (11) генерируют в режиме модуляции добротности за счет использования модулятора добротности (14), установленного в резонаторе (12), (13) на пути прохождения потока лазерного излучения (15) так, что модулятор добротности (14) перекрывает только часть апертуры потока лазерного излучения (15b).

14. Способ по п. 13, в котором импульсные лазерные пучки и пучок непрерывного лазера фокусируют в область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы (2), с помощью фокусирующего оптического элемента (16), причем пучок непрерывного лазера (17), направленный на фокусирующий оптический элемент, не пересекает апертуры импульсных лазерных пучков (8), (9), направленных на фокусирующий оптический элемент (16).

Images