RU2814312C1 - Method of maintaining optical discharge - Google Patents
Method of maintaining optical discharge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2814312C1 RU2814312C1 RU2023109619A RU2023109619A RU2814312C1 RU 2814312 C1 RU2814312 C1 RU 2814312C1 RU 2023109619 A RU2023109619 A RU 2023109619A RU 2023109619 A RU2023109619 A RU 2023109619A RU 2814312 C1 RU2814312 C1 RU 2814312C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge
- reflected
- optical
- radiation
- thin
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 33
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000006100 radiation absorber Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к способу поддержания 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 maintaining 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.
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, 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 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 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, 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, and, accordingly, two systems for focusing and controlling 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 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 a single laser 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 поддержания 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 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, 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 maintaining 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, 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 is passed through the corresponding quarter-wave plate, focused in the discharge volume, the return rays reflected from the plasma are reflected from two mirrors, transmitted through quarter-wave plates, directed to a thin-film polarizer and transferred to a radiation absorber.
Указанный результат достигается также тем, что излучение лазера подают на поляризационный куб, направляют на поляризационный куб.This result is also achieved by the fact that laser radiation is supplied to the polarizing cube and directed to the polarizing cube.
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. In FIG. 1 and Fig. Figure 2 shows a diagram of an example implementation of the proposed method. In FIG. For clarity, Fig. 1 shows the path of direct laser radiation rays, but the path of reflected rays is not shown. In FIG. 2, on the contrary, for clarity, the path of reflected rays is shown, and the path of direct laser radiation rays 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 два штыревых электрода (на фиг. 1, 2 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 13, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения либо внешний импульсный лазер (на фиг. 1, 2 не показан) излучение которого фокусируют на пересечении лучей 8 и 9, либо увеличением мощности используемого для оптического разряда 13 лазера 2. При этом на пересечении сфокусированных лучей 8 и 9 лазерного излучения образуется облако плазмы оптического разряда 13, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 13 поддерживают за счет поглощения излучения лазера 2. Часть излучения лучей 8 и 9 отражается от плазмы оптического разряда 13 и возвращается в виде лучей 14 и 15, 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 14 и 15 через четвертьволновые пластинки 6 и 7 их поляризация из круговой превращается в линейную, при этом луч 16 получает s-поляризацию, а луч 17 - p-поляризацию. Луч 16 отражают от тонкопленочного поляризатора 3 в поглотитель излучения 18, а луч 17 пропускают сквозь тонкопленочный поляризатор 3 в поглотитель излучения 18.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 uses two pin electrodes (not shown in Fig. 1, 2), located near the optical discharge 13, between which a breakdown voltage pulse or an external pulsed laser (not shown in Fig. 1, 2) is applied, the radiation of which is focused at the intersection of beams 8 and 9, or by increasing the power of the laser 2 used for the optical discharge 13. In this case, at the intersection of the focused beams 8 and 9 of the laser radiation, a cloud of optical discharge plasma 13 is formed, intensely absorbing the laser radiation. Next, the optical discharge plasma 13 is supported by absorption of laser radiation 2. Part of the radiation of beams 8 and 9 is reflected from the optical discharge plasma 13 and returns in the form of beams 14 and 15, and the circular polarization during reflection is maintained, and the phase when reflected from the optical discharge plasma 13 (which is essentially a conductor), changes by 180 degrees). When beams 14 and 15 are passed through quarter-wave plates 6 and 7, their polarization turns from circular to linear, with beam 16 receiving s-polarization, and beam 17 receiving p-polarization. Beam 16 is reflected from the thin-film polarizer 3 into the radiation absorber 18, and beam 17 is passed through the thin-film polarizer 3 into the radiation absorber 18.
Таким образом, одновременно достигается поглощение нежелательного отраженного лазерного излучения при эффективном поддержании оптического разряда на пересечении двух лучей с помощью одного лазера.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.
Claims (1)
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2023132322A Division RU2815740C1 (en) | 2023-12-07 | Method of producing optical discharge |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2814312C1 true RU2814312C1 (en) | 2024-02-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2554302A1 (en) * | 1983-11-01 | 1985-05-03 | Zeiss Jena Veb Carl | Radiation source for optical equipment, especially for reproduction systems using photolithography |
| US7435982B2 (en) * | 2006-03-31 | 2008-10-14 | Energetiq Technology, Inc. | Laser-driven light source |
| RU2539970C2 (en) * | 2012-12-17 | 2015-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" | Laser-pumped light source and method for generation of light emission |
| RU157892U1 (en) * | 2015-03-16 | 2015-12-20 | Игорь Георгиевич Рудой | HIGH-BRIGHT BROADBAND OPTICAL RADIATION SOURCE |
| RU2667335C1 (en) * | 2017-11-29 | 2018-09-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Two-beam interferometer (variants) |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2554302A1 (en) * | 1983-11-01 | 1985-05-03 | Zeiss Jena Veb Carl | Radiation source for optical equipment, especially for reproduction systems using photolithography |
| US7435982B2 (en) * | 2006-03-31 | 2008-10-14 | Energetiq Technology, Inc. | Laser-driven light source |
| RU2539970C2 (en) * | 2012-12-17 | 2015-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" | Laser-pumped light source and method for generation of light emission |
| RU157892U1 (en) * | 2015-03-16 | 2015-12-20 | Игорь Георгиевич Рудой | HIGH-BRIGHT BROADBAND OPTICAL RADIATION SOURCE |
| RU2667335C1 (en) * | 2017-11-29 | 2018-09-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Two-beam interferometer (variants) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104380544B (en) | Carbon dioxide laser with fast power control | |
| KR102588483B1 (en) | Highly efficient laser-sustained plasma light source | |
| EP2185308B1 (en) | Method for partitioning and incoherently summing a coherent beam | |
| US7259914B2 (en) | Attenuator for high-power unpolarized laser beams | |
| WO2008010956A1 (en) | Amorphous silicon crystallization using combined beams from optically pumped semiconductor lasers | |
| WO2011064059A1 (en) | Optical arrangement for homogenizing a laser pulse | |
| WO2003007679B1 (en) | High intensity and high power solid state laser amplifying system and method | |
| KR102454294B1 (en) | Carbon Monoxide Laser Machining System | |
| TWI738675B (en) | Polariser arrangement, euv radiation generating apparatus and method for the linear polarisation of a laser beam | |
| JP2007093643A (en) | Optical level controller and its control method, and laser application device using the same | |
| LT6240B (en) | Method and apparatus for laser cutting of transparent media | |
| CN103636083A (en) | Pulse laser oscillator and method for controlling pulse laser oscillation | |
| TWI421543B (en) | Dual pulsed lights generation apparatus and method for dual pulsed lights generation thereof | |
| CN111106521A (en) | Sum frequency device and laser | |
| TWI457601B (en) | Polarization azimuth adjustment device and laser processing apparatus | |
| US6996141B1 (en) | Device for reducing the peak power of a pulsed laser light source | |
| JP3410108B2 (en) | A range finding system using an eye-safe laser with a Brewster angle Q-switch in a single cavity cavity of both the pump laser and the optical parametric oscillator | |
| RU2814312C1 (en) | Method of maintaining optical discharge | |
| RU2809338C1 (en) | Method for generating optical discharge | |
| RU2815740C1 (en) | Method of producing optical discharge | |
| WO2012170567A2 (en) | Pulse circulator | |
| CN109709685A (en) | A kind of non-polarized Raman laser turns the device of linearly polarized laser | |
| RU2812336C1 (en) | Method for forming optical discharge | |
| CN114342195A (en) | Laser oscillator | |
| RU2017294C1 (en) | Laser |