RU2812336C1

RU2812336C1 - Method for forming optical discharge

Info

Publication number: RU2812336C1
Application number: RU2023114630A
Authority: RU
Inventors: Сергей Юрьевич Лаврентьев; Николай Германович Соловьев; Михаил Алтаевич Котов; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Filing date: 2023-06-02
Publication date: 2024-01-30

Abstract

FIELD: optical discharge.

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 forming an optical discharge, which consists in igniting an optical discharge located in the discharge chamber using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, the radiation of two lasers is focused by a mirror - an off-axis paraboloid. Laser beams are directed at the edges of the mirror parallel to its axis so that the angle between them during reflection and focusing is at least 60 degrees.

EFFECT: expansion of the range of technical means.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к способу формирования оптического разряда с целью получения широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях. The invention relates to a method for forming 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.

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 104 W/m2/nm/sr at a radiation power level of several watts, makes them preferable for many applications.

Известен способ-аналог формирования 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 the formation of an optical discharge (patent US 7435982 “Laser-driven light source”), which consists in irradiating laser radiation focused using a focusing system in 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 незначительно 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 analogous 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 формирования оптического разряда (RU 157892, 16.03.2005, МПК H01J 65/04, H05G 2/00, H01J 27/24), 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 forming an optical discharge (RU 157892, 03/16/2005, IPC H01J 65/04, H05G 2/00, H01J 27/24), 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 IΣ 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 IΣ significantly exceeds the arithmetic sum of the plasma brightnesses I1 + I2, where I1, I2 are the plasma brightness in the case of operation of only one laser (the first or second, respectively).

Недостаток прототипа заключается в необходимости использовать две системы фокусировки. Также недостатком является расположение лазеров или оптоволокна с подводимым лазерным излучением (располагаются с противоположных сторон от оптического разряда), что в свою очередь приводит к увеличению габарита установки, также имеется ограничение на близость расположения оптического разряда к другим объектам (непосредственно облучаемому объекту или системе вывода излучения).The disadvantage of the prototype is the need to use two focusing systems. Another disadvantage is the location of lasers or optical fibers with supplied laser radiation (located on opposite sides of the optical discharge), which in turn leads to an increase in the size of the installation; there is also a limitation on the proximity of the optical discharge to other objects (directly irradiated object or radiation output system ).

Существуют зеркала в форме внеосевого параболоида, например, (Parabolic Mirror 50328AU, https://www.newport.com/p/50328AU). Все лучи, попадающие на зеркало параллельно его оси, фокусируются в одной точке.There are mirrors in the shape of an off-axis paraboloid, for example, (Parabolic Mirror 50328AU, https://www.newport.com/p/50328AU). All rays hitting the mirror parallel to its axis are focused at one point.

Заявляемый способ формирования оптического разряда направлен на устранение недостатков прототипа, а именно дает возможность реализовать двухлучевую схему формирования оптического разряда с применением одной фокусирующей системы и при этом подвод поддерживающего излучения располагается с одной стороны от оптического разряда.The inventive method for forming an optical discharge is aimed at eliminating the shortcomings of the prototype, namely, it makes it possible to implement a two-beam scheme for forming an optical discharge using one focusing system and the supply of supporting radiation is located on one side of the optical discharge.

Указанный результат достигается тем, что в способе формирования оптического разряда, заключающемся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, с помощью двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, излучение двух лазеров фокусируют зеркалом - внеосевым параболоидом, лазерные лучи направляют на края зеркала параллельно его оси таким образом, чтобы угол между ними при отражении и фокусировке составлял не менее 60 градусов.This result is achieved by the fact that in the method of forming an optical discharge, which consists in igniting an optical discharge located in the discharge chamber using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, the radiation of two lasers is focused by a mirror - an off-axis paraboloid, laser beams are directed at the edges of the mirror parallel to its axis so that the angle between them during reflection and focusing is at least 60 degrees.

Поставленная задача также достигается тем, что лазеров может быть более двух. The goal is also achieved by the fact that there can be more than two lasers.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическими материалами. На Фиг.1 - Фиг.4 представлена схема примера реализации заявляемого способа. На Фиг.1 показан вид сверху, на Фиг.2 - вид сбоку, на Фиг.3 - вид спереди (со стороны лазеров), на Фиг.4 показа изометрия падения лучей лазера, их отражение и фокусировка (для удобства сами лазеры, а также герметичная камера не показаны).The essence of the claimed invention is illustrated by an example of its implementation and graphic materials. Figure 1 - Figure 4 shows a diagram of an example implementation of the proposed method. Figure 1 shows a top view, Figure 2 a side view, Figure 3 a front view (from the laser side), Figure 4 shows the isometry of the incidence of laser beams, their reflection and focusing (for convenience, the lasers themselves, and also the sealed chamber is not shown).

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение 1 двух лазеров 2 фокусируют зеркалом - внеосевым параболоидом 3. Лучи 1 лазеров 2 направляют на зеркало - внеосевой параболоид параллельно его оси таким образом, чтобы при отражении они пересекались под углом не менее 60 градусов внутри герметичной камеры 4, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда 5, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда 5. Зеркало - внеосевой параболоид 3 подбирают так, чтобы он максимально эффективно отражал излучение на длине волны лазеров 2, и чтобы его размеры позволяли достаточно удалить друг от друга лучи 1, для образования между отраженными лучами 6 угла не менее 60 градусов. Целесообразно располагать лучи 1 на краях зеркала 3, в самом широком месте, для достижения наибольшего угла между отраженными лучами 6 при их фокусировке. Для первоначального поджига оптического разряда 5 применяют два штыревых электрода (на Фиг.1 - Фиг.4 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 5, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения либо внешний импульсный лазер (на Фиг.1 - Фиг.4 не показан) излучение которого фокусируют на пересечении лучей 6, либо увеличением мощности используемых для оптического разряда 5 лазеров 2. При этом на пересечении сфокусированных лучей 6 лазерного излучения образуется облако плазмы оптического разряда 5, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 5 поддерживают за счет поглощения излучения лазеров 2.The invention works as follows. Laser radiation 1 of two lasers 2 is focused by a mirror - an off-axis paraboloid 3. The beams 1 of lasers 2 are directed to the mirror - an off-axis paraboloid parallel to its axis so that when reflected they intersect at an angle of at least 60 degrees inside a sealed chamber 4 filled with a gas mixture capable of transmit both laser radiation for igniting and maintaining the plasma of the optical discharge 5, and the broadband output radiation of the optical discharge 5 itself. The mirror - off-axis paraboloid 3 is selected so that it most effectively reflects radiation at the wavelength of lasers 2, and so that its dimensions allow sufficient removal rays 1 from each other, to form an angle of at least 60 degrees between the reflected rays 6. It is advisable to place the rays 1 at the edges of the mirror 3, at the widest point, to achieve the largest angle between the reflected rays 6 when focusing them. For the initial ignition of the optical discharge 5, two pin electrodes are used (not shown in Fig. 1 - Fig. 4), located near the optical discharge 5, between which a breakdown voltage pulse or an external pulse laser is applied (not shown in Fig. 1 - Fig. 4 ) the radiation of which is focused at the intersection of beams 6, or by increasing the power of lasers 2 used for the optical discharge 5. In this case, at the intersection of the focused beams 6 of laser radiation, a cloud of plasma of the optical discharge 5 is formed, intensely absorbing laser radiation. Next, the optical discharge plasma 5 is maintained by absorbing radiation from lasers 2.

Таким образом, достигается формирование оптического разряда на пересечении лучей двух лазеров при использовании только одного фокусирующего элемента, при этом подвод излучения осуществляется с одной стороны от оптического разряда.Thus, the formation of an optical discharge is achieved at the intersection of the beams of two lasers using only one focusing element, while the radiation is supplied from one side of the optical discharge.

Claims

A method for forming an optical discharge, which consists in igniting an optical discharge located in the discharge chamber using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, characterized in that the radiation of two lasers is focused by a mirror - an off-axis paraboloid, and the mirror is selected so that it reflects radiation at the wavelength of lasers as efficiently as possible, and its geometric dimensions allow it to reflect laser beams with intersection at an angle of more than 60 degrees, laser beams are directed to the edges of the mirror parallel to its axis so that the angle between them when reflected and focused was at least 60 degrees.