RU2809338C1

RU2809338C1 - Method for generating optical discharge

Info

Publication number: RU2809338C1
Application number: RU2023109614A
Authority: RU
Inventors: Николай Германович Соловьев; Михаил Алтаевич Котов; Сергей Юрьевич Лаврентьев; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2023-12-11

Abstract

FIELD: optical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to a method for generating an optical discharge in order to obtain broadband optical radiation with high spectral brightness and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields. In the method of generating an optical discharge, which consists in maintaining an optical discharge located in the discharge chamber, laser radiation is supplied to a thin-film polarizer at the Brewster angle. The reflected beam with s-polarization is directed through an appropriate quarter-wave plate, reflected from two mirrors, and focused in the discharge volume. A passing beam with p-polarization is directed through an appropriate quarter-wave plate and focused in the discharge volume. To ignite an optical discharge, laser radiation is directed to a thin-film polarizer, a laser pulse is applied, a radiation absorber is installed, the return rays reflected from plasma are reflected from two mirrors, passed through quarter-wave plates, directed to the thin-film polarizer and transferred to the radiation absorber.

EFFECT: expansion of the range of technical means.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится способам генерации оптического разряда, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.The invention relates to methods for generating an optical discharge, and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields.

Оптический разряд можно использовать в качестве источника света очень большой яркости, поскольку температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других типах разрядов - 15000-20000 К, тогда как в дуговом, обычно, 7000-8000 К, в ВЧ разряде - 9000-10000 К. Плазма оптического разряда в различных газах, в частности в ксеноне, создаваемая сфокусированным лучом непрерывного лазера при давлении газа 10-20 атм, является одним из самых высокояркостных источников непрерывного излучения, в частности в широком спектральном диапазоне 170-880 нм. По сравнению с дуговыми лампами такие источники обладают большим временем жизни. Высокая спектральная яркость источников света с лазерной накачкой, около 10⁴ Вт/м²/нм/ср при уровне мощности излучения в несколько ватт делает их предпочтительными для многих применений.An optical discharge can be used as a light source of very high brightness, since the plasma temperature in an optical discharge is significantly higher than in other types of discharges - 15000-20000 K, while in an arc discharge it is usually 7000-8000 K, in an RF discharge - 9000- 10000 K. Optical discharge plasma in various gases, in particular xenon, created by a focused beam of a continuous laser at a gas pressure of 10-20 atm, is one of the highest brightness sources of continuous radiation, in particular in a wide spectral range of 170-880 nm. Compared to arc lamps, such sources have a longer lifetime. The high spectral brightness of laser-pumped light sources, about 10 ⁴ W/m ² /nm/sr at a radiation power level of several watts, makes them preferable for many applications.

Известен способ-аналог поддержания оптического разряда (патент US 7435982 “Laser-driven light source”) заключающийся в облучении сфокусированным с помощью системы фокусировки лазерным излучением камеры, заполненной газовой средой высокого давления. Фактически приведенный способ представляет собой один из вариантов реализации явления непрерывного оптического разряда, обнаруженного в 1970 г. в СССР (Генералов Н.А., Зимаков В.П. и др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).There is a known analogue method for maintaining an optical discharge (US patent 7435982 “Laser-driven light source”), which consists of irradiating laser radiation focused using a focusing system into a chamber filled with a high-pressure gas environment. In fact, the above method is one of the options for implementing the phenomenon of continuous optical discharge, discovered in 1970 in the USSR (Generalov N.A., Zimakov V.P. et al. “Continuously burning optical discharge.” Letters to JETP, 1970, vol. 11, pp. 447-449).

Важно отметить, что в способе-аналоге яркость излучения увеличивается слабо по мере роста мощности используемого лазера, поскольку вместе с ростом мощности лазера увеличивается и объем излучающей плазмы, генерируемой лазером накачки. Например, при увеличении мощности лазера от 20 Вт (источник EQ-99, Hamamatsu Photonics) до 60 Вт (источник EQ-1500, Hamamatsu Photonics) размер излучающей плазмы по уровню 50% от максимальной яркости увеличивается от 60 мкм × 140 мкм до 125 мкм × 300 мкм, то есть объем плазмы возрастает в 9 раз. Это означает, что мощность энерговыделения в единице объема плазмы с увеличением мощности лазера даже уменьшается. При этом максимальная температура плазмы даже несколько снижается, а рост спектральной яркости достигается менее эффективным способом - за счет увеличения оптической толщины плазмы, в основном прозрачной для собственного теплового излучения. Кроме того, медленный рост яркости лазерной плазмы при увеличении лазерной мощности связан с рефракцией лазерного излучения в нагретом газе: с увеличением мощности лазерного излучения увеличивается и тепловыделение в фокальной области. В результате возрастает размер и оптическая сила «рассеивающей тепловой линзы», возникающей в области излучающей плазмы и вокруг этой области, что ухудшает условия фокусировки лазерного излучения.It is important to note that in the analogue method, the brightness of the radiation increases slightly as the power of the laser used increases, since along with the increase in laser power, the volume of the emitting plasma generated by the pump laser also increases. For example, when the laser power increases from 20 W (source EQ-99, Hamamatsu Photonics) to 60 W (source EQ-1500, Hamamatsu Photonics), the size of the emitting plasma at a level of 50% of the maximum brightness increases from 60 μm × 140 μm to 125 μm × 300 microns, that is, the plasma volume increases 9 times. This means that the power of energy release per unit volume of plasma even decreases with increasing laser power. In this case, the maximum temperature of the plasma even decreases somewhat, and the increase in spectral brightness is achieved in a less effective way - by increasing the optical thickness of the plasma, which is mainly transparent to its own thermal radiation. In addition, the slow increase in laser plasma brightness with increasing laser power is associated with the refraction of laser radiation in a heated gas: with increasing laser radiation power, the heat release in the focal region also increases. As a result, the size and optical power of the “scattering thermal lens” that appears in the region of the emitting plasma and around this region increases, which worsens the conditions for focusing the laser radiation.

Известен способ поддержания оптического разряда (RU157892 U1), принятый за прототип, заключающийся в облучении заполненной газовой средой высокого давления камеры, двумя сфокусированными лазерными лучами, полученными с помощью двух лазеров и двух систем фокусировки, причем угол между направлением излучения лазеров составляет не менее 60°.There is a known method of maintaining an optical discharge (RU157892 U1), adopted as a prototype, which consists of irradiating a chamber filled with a high-pressure gas environment with two focused laser beams obtained using two lasers and two focusing systems, and the angle between the direction of laser radiation is at least 60° .

Авторами прототипа обнаружено, что при возбуждении оптического разряда сфокусированным излучением двух лазеров с по существу совпадающими фокусами область высокой яркости такого разряда (например, по уровню 50% от максимальной яркости) сосредоточена вблизи области пересечения фокальных областей каждого из лучей и может быть существенно меньше, чем занимаемая плазмой область для каждого из лазерных лучей в отдельности. Как следствие, при достаточно большом угле θ между направлением оптических осей каждого из лазерных лучей, а именно при θ≥60° резко увеличивается стабильность положения области оптического разряда с максимальной яркостью, яркая область «совместной» плазмы оказывается значительно меньше размера яркой области плазмы, генерируемой каждым из используемых лазеров в отдельности, а яркость излучения плазмы оптического разряда I_Σ значительно превосходит арифметическую сумму яркостей плазмы I₁+I₂, где I₁, I₂ - яркость плазмы в случае работы только одного лазера (соответственно, первого или второго).The authors of the prototype discovered that when an optical discharge is excited by the focused radiation of two lasers with essentially identical foci, the high brightness region of such a discharge (for example, at a level of 50% of the maximum brightness) is concentrated near the intersection of the focal regions of each of the beams and can be significantly less than the area occupied by the plasma for each laser beam separately. As a consequence, at a sufficiently large angle θ between the direction of the optical axes of each laser beam, namely at θ≥60°, the stability of the position of the optical discharge region with maximum brightness sharply increases, the bright region of the “joint” plasma turns out to be significantly smaller than the size of the bright plasma region generated each of the lasers used separately, and the brightness of the optical discharge plasma radiation I _Σ significantly exceeds the arithmetic sum of the plasma brightnesses I ₁ + I ₂ , where I ₁ , I ₂ is the plasma brightness in the case of operation of only one laser (the first or second, respectively).

Недостаток прототипа заключается в необходимости применения двух лазеров для поддержания оптического разряда, а соответственно и двух систем фокусировки и управления излучением. Также, при отражении лазерного излучения от плазмы оптического разряда нежелательное излучение возвращается и причиняет вред выходу оптоволокна лазера, а в случае отсутствия блокиратора - и самому лазеру.The disadvantage of the prototype is the need to use two lasers to maintain the optical discharge, and, accordingly, two systems for focusing and controlling the radiation. Also, when laser radiation is reflected from the optical discharge plasma, unwanted radiation returns and causes damage to the output of the laser optical fiber, and in the absence of a blocker, to the laser itself.

Существуют тонкопленочные поляризаторы Брюстера (http://vicon-se.ru/catalog/optika/polyarizacionnye_komponenty1/tonkij_polyarizator_bryustera/), представляющие собой разновидность оптических поляризаторов, основанных на интерференционных эффектах в многослойном диэлектрическом покрытии. Это покрытие обычно помещают на прозрачную пластину. Если угол падения составляет угол Брюстера, то достигается сильно зависящая от поляризации отражательная способность: s-поляризованный свет отражается, а p-поляризованный свет проходит насквозь. Таким образом легко избежать потерь на отражении проходящего света на задней стороне. Поскольку интерференционные эффекты в многослойном покрытии зависят от длины волны, тонкопленочный поляризатор может работать только в ограниченном диапазоне длин волн и углового диапазона. Такие поляризаторы оптимизируют под основные длины волн лазеров. Преимуществом тонкопленочных поляризаторов является то, что они могут быть выполнены достаточно больших размеров, что позволяет работать с лазерным излучением большой мощности.There are thin-film Brewster polarizers (http://vicon-se.ru/catalog/optika/polyarizacionnye_komponenty1/tonkij_polyarizator_bryustera/), which are a type of optical polarizers based on interference effects in a multilayer dielectric coating. This coating is usually placed on a transparent plate. If the angle of incidence is Brewster's angle, a highly polarization-dependent reflectivity is achieved: s-polarized light is reflected and p-polarized light is transmitted through. In this way, it is easy to avoid losses due to reflection of transmitted light on the rear side. Since interference effects in a multilayer coating are wavelength dependent, a thin film polarizer can only operate over a limited wavelength and angular range. Such polarizers are optimized for the main wavelengths of lasers. The advantage of thin-film polarizers is that they can be made in fairly large sizes, which allows them to work with high-power laser radiation.

Заявляемый способ поддержания оптического разряда направлен на устранение недостатков прототипа, а именно дает возможность реализовать двухлучевую схему поддержания оптического разряда с применением одного лазера непосредственно для поддержания разряда и при этом позволяет отвести нежелательное отраженное излучение от лазера или выхода оптоволокна тем самым избегая причинения им вреда.The inventive method for maintaining an optical discharge is aimed at eliminating the shortcomings of the prototype, namely, it makes it possible to implement a two-beam scheme for maintaining an optical discharge using one laser directly to maintain the discharge and at the same time makes it possible to divert unwanted reflected radiation from the laser or the output of the optical fiber, thereby avoiding causing harm to them.

Указанный результат достигается тем, что в способе генерации оптического разряда, расположенного в разрядной камере, излучение лазера подают на тонкопленочный поляризатор под углом Брюстера, отраженный луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме, проходящий луч с p-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку фокусируют в разрядном объеме, для поджига оптического разряда излучение лазера для поджига направляют на тонкоплёночный поляризатор, подают лазерный импульс, устанавливают поглотитель излучения, отраженные от плазмы обратные лучи отражают от двух зеркал, пропускают через четвертьволновые пластинки, направляют на тонкопленочный поляризатор и отводят в поглотитель излучения.This result is achieved by the fact that in the method of generating an optical discharge located in the discharge chamber, laser radiation is supplied to a thin-film polarizer at the Brewster angle, the reflected beam with s-polarization is passed through the corresponding quarter-wave plate, reflected from two mirrors and focused in the discharge volume, the transmitted beam with p-polarization, they are passed through the corresponding quarter-wave plate, focused in the discharge volume, to ignite the optical discharge, the laser radiation for ignition is directed to a thin-film polarizer, a laser pulse is applied, a radiation absorber is installed, the return rays reflected from the plasma are reflected from two mirrors, passed through the quarter-wave plates, directed to a thin-film polarizer and removed to a radiation absorber.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическими материалами. На Фиг.1 и Фиг.2 представлена схема примера реализации заявляемого способа. На Фиг.1 для наглядности показан ход лучей прямого лазерного излучения, а ход отраженных лучей не показан. На Фиг.2, наоборот, для наглядности показан ход отраженных лучей, а ход лучей прямого лазерного излучения не показан.The essence of the claimed invention is illustrated by an example of its implementation and graphic materials. Figure 1 and Figure 2 show a diagram of an example implementation of the proposed method. In Fig. 1, for clarity, the path of the rays of direct laser radiation is shown, and the path of the reflected rays is not shown. In Fig. 2, on the contrary, for clarity, the path of the reflected rays is shown, and the path of the rays of direct laser radiation is not shown.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное неполяризованное излучение 1 лазера 2 подают на тонкопленочный поляризатор 3 под углом Брюстера. Тонкопленочный поляризатор 3 подбирают под длину волны лазера 2. Тонкопленочный поляризатор 3 пропускает луч 4, имеющий линейную p-поляризацию и отражает луч 5, имеющий линейную s-поляризацию. Лучи 4 и 5 пропускают через четвертьволновые пластинки 6 и 7. Четвертьволновые пластинки 6 и 7 подбирают под длину волны лазера 2. Четвертьволновые пластинки 6 и 7 располагают их медленными или быстрыми осями под углом 45 градусов к плоскости поляризации падающих лучшей 4 и 5. Таким образом, выходящие из них лучи 8 и 9 имеют круговую поляризацию. Луч 9 отражают от двух зеркал 10 для создания необходимого (более 60 градусов) угла между лучами 8 и 9. Лучи 8 и 9 фокусируют линзами 11 так, чтобы они пересекались внутри герметичной камеры 12, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда 13. Линзы 11 подбираются таким образом, чтобы пропускать излучение на длине волны лазера 2 и блокировать остальные диапазоны, для защиты оборудования от ультрафиолетового излучения плазмы оптического разряда 13. Для первоначального поджига оптического разряда 13 применяют лазер для поджига 14. генерирующий излучение на той же длине волны, что и лазер 2. Лазер для поджига 14 устанавливают таким образом, чтобы его луч 15 при отражении от тонкопленочного поляризатора 3 был соосен лучу 4, а при прохождении луча 15 через тонкопленочный поляризатор 3 был соосен лучу 5. На поляризацию излучения лазера для поджига 14 ограничений нет: при неполяризованном излучении луч 15 разделится на отраженный и прошедший, при s-поляризации луч 15 отразится от тонкопленочного поляризатора 3, при p-поляризации - пройдет сквозь тонкопленочный поляризатор 3. При подаче излучения лазера 2 и импульса пробойной мощности лазера для поджига 14 на пересечении сфокусированных лучей 8 и 9 образуется облако плазмы оптического разряда 13, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 13 поддерживают за счет поглощения излучения только лазера 2. После поджига оптического разряда 13 между лазером для поджига 14 и тонкопленочным поляризатором 3 устанавливают поглотитель излучения 16. Часть излучения лучей 8 и 9 отражается от плазмы оптического разряда 13 и возвращается в виде лучей 17 и 18, причем круговая поляризация при отражении сохраняется, а фаза при отражении от плазмы оптического разряда 13 (которая по сути является проводником), меняется на 180 градусов). При пропускании лучей 17 и 18 через четвертьволновые пластинки 6 и 7 их поляризация из круговой превращается в линейную, при этом луч 19 получает s-поляризацию, а луч 20 - p-поляризацию. Луч 19 отражают от тонкопленочного поляризатора 3 в поглотитель излучения 16, а луч 20 пропускают сквозь тонкопленочный поляризатор 3 в поглотитель излучения 16.The invention works as follows. Laser unpolarized radiation 1 from laser 2 is fed to a thin-film polarizer 3 at the Brewster angle. Thin-film polarizer 3 is selected to match the wavelength of laser 2. Thin-film polarizer 3 transmits beam 4 having linear p-polarization and reflects beam 5 having linear s-polarization. Beams 4 and 5 are passed through quarter-wave plates 6 and 7. Quarter-wave plates 6 and 7 are selected to match the wavelength of laser 2. Quarter-wave plates 6 and 7 are positioned with their slow or fast axes at an angle of 45 degrees to the plane of polarization of the incident best 4 and 5. Thus , rays 8 and 9 emerging from them are circularly polarized. Beam 9 is reflected from two mirrors 10 to create the required (more than 60 degrees) angle between beams 8 and 9. Beams 8 and 9 are focused by lenses 11 so that they intersect inside a sealed chamber 12 filled with a gas mixture capable of transmitting laser radiation for ignition and maintaining the optical discharge plasma, as well as the broadband output radiation of the optical discharge itself 13. Lenses 11 are selected in such a way as to transmit radiation at the wavelength of laser 2 and block other ranges, to protect the equipment from ultraviolet radiation of the optical discharge plasma 13. For the initial ignition of the optical discharge 13, a laser is used to ignite 14. It generates radiation at the same wavelength as laser 2. The laser for ignition 14 is installed so that its beam 15, when reflected from the thin-film polarizer 3, is coaxial with beam 4, and when beam 15 passes through thin-film polarizer 3 was coaxial with beam 5. There are no restrictions on the polarization of laser radiation for ignition 14: with unpolarized radiation, beam 15 will be divided into reflected and transmitted; with s-polarization, beam 15 will be reflected from thin-film polarizer 3; with p-polarization, it will pass through the thin-film polarizer 3. When laser radiation 2 and a laser breakdown power pulse are applied to ignite 14, a cloud of optical discharge plasma 13 is formed at the intersection of focused beams 8 and 9, intensely absorbing laser radiation. Next, the plasma of the optical discharge 13 is supported by absorbing radiation from laser 2 only. After ignition of the optical discharge 13, a radiation absorber 16 is installed between the ignition laser 14 and the thin-film polarizer 3. Part of the radiation of beams 8 and 9 is reflected from the plasma of the optical discharge 13 and returns in the form of rays 17 and 18, and the circular polarization upon reflection is preserved, and the phase upon reflection from the plasma of the optical discharge 13 (which is essentially a conductor) changes by 180 degrees). When beams 17 and 18 are passed through quarter-wave plates 6 and 7, their polarization turns from circular to linear, with beam 19 receiving s-polarization, and beam 20 receiving p-polarization. Beam 19 is reflected from the thin-film polarizer 3 into the radiation absorber 16, and beam 20 is passed through the thin-film polarizer 3 into the radiation absorber 16.

Таким образом, одновременно достигается поглощение нежелательного отраженного лазерного излучения при эффективном поддержании оптического разряда на пересечении двух лучей с помощью одного лазера. Лазер для поджига 14 после поджига оптического разряда 13 может быть извлечен из установки. Встраивание лазера для поджига 14 в рабочую оптическую систему особенно актуально для разрядных камер 12, имеющих ограниченное количество окон, пропускающих излучение.In this way, absorption of unwanted reflected laser radiation is simultaneously achieved while effectively maintaining optical discharge at the intersection of two beams using a single laser. The ignition laser 14 can be removed from the installation after ignition of the optical discharge 13. Integrating a laser for ignition 14 into a working optical system is especially important for discharge chambers 12, which have a limited number of windows that transmit radiation.

Claims

A method for generating an optical discharge located in a discharge chamber, characterized in that laser radiation is supplied to a thin-film polarizer at the Brewster angle, a p-polarized beam passing through the thin-film polarizer is passed through a corresponding quarter-wave plate and focused in the discharge volume, a beam with p-polarization is reflected from the thin-film polarizer s-polarization is passed through the corresponding quarter-wave plate, reflected from two mirrors and focused in the discharge volume, the mirrors are positioned so that the beams intersect in the discharge volume, and the angle between the beams is more than 60 degrees; to ignite the optical discharge, the laser radiation for ignition is directed to thin-film polarizer, a laser pulse is supplied, a radiation absorber is installed in place of the laser for ignition, the reverse rays reflected from the plasma with a polarization changed relative to the direct rays are passed along their optical paths back to the thin-film polarizer and redirected to the radiation absorber.