RU2815740C1 - Method of producing optical discharge - Google Patents
Method of producing optical discharge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815740C1 RU2815740C1 RU2023132322A RU2023132322A RU2815740C1 RU 2815740 C1 RU2815740 C1 RU 2815740C1 RU 2023132322 A RU2023132322 A RU 2023132322A RU 2023132322 A RU2023132322 A RU 2023132322A RU 2815740 C1 RU2815740 C1 RU 2815740C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polarization
- discharge
- radiation
- optical
- beams
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 19
- 239000006100 radiation absorber Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
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 K, тогда как в дуговом, обычно, 7000-8000 K, 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 HF 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 получения 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 producing an optical discharge (patent US 7435982 "Laser-driven light source") which consists of irradiating a chamber filled with a high-pressure gas environment with laser radiation focused using a focusing system. 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 получения 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 for producing 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 поляризационные кубы (http://holographypro.com/ru/spravochnik/elementy-opticheskikh-skhem/polyarizatsionnyj-svetodelitel), конструктивно выполненные в виде сборки из двух склеенных прямоугольных призм Порро. На плоскость гипотенузы одной из призм нанесено специальное многослойное диэлектрическое покрытие, которое отражает S компоненту излучения и пропускает Р компоненту. Применение кубических поляризационных светоделителей с просветляющими покрытиями снижает потери на отражение. Просветляющие и диэлектрические покрытия подбираются под длину волны излучения для минимизации потерь и повышения эффективности применения такого светоделителя. Такие поляризационные светоделительные кубы зачастую имеют маркировку, показывающую направление для падающего луча, а также направления отраженного и прошедшего лучшей и их поляризации. Наилучшая эффективность применения таких кубов достигается при перпендикулярном падении неполяризованного излучения на входную грань куба. Куб может использоваться и в обратном направлении.There are polarization cubes (http://holographypro.com/ru/spravochnik/elementy-opticheskikh-skhem/polyarizatsionnyj-svetodelitel), structurally made in the form of an assembly of two glued rectangular Porro prisms. A special multilayer dielectric coating is applied to the plane of the hypotenuse of one of the prisms, which reflects the S component of radiation and transmits the P component. The use of cubic polarization beam splitters with antireflection coatings reduces reflection losses. Antireflective and dielectric coatings are selected to match the radiation wavelength to minimize losses and increase the efficiency of using such a beam splitter. Such polarization beamsplitter cubes are often marked to show the direction of the incident beam, as well as the direction of the reflected and transmitted beam, and their polarization. The best efficiency of using such cubes is achieved with perpendicular incidence of unpolarized radiation on the input face of the cube. The cube can also be used in the opposite direction.
Заявляемый способ получения оптического разряда направлен на устранение недостатков прототипа, а именно дает возможность реализовать двухлучевую схему получения 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 producing an optical discharge is aimed at eliminating the shortcomings of the prototype, namely, it makes it possible to implement a two-beam scheme for producing 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 заключающийся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, в котором излучение лазера подают на поляризационный куб под углом Брюстера, проходящий через поляризационный куб луч с р-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку и фокусируют в разрядном объеме, отраженный от поляризационного куба луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме, зеркала располагают таким образом чтобы лучи пересекались в разрядном объеме, а угол между лучами составлял более 60 градусов, отраженные от плазмы обратные лучи с измененной относительно прямых лучей поляризацией пропускают по их оптическим путям обратно до поляризационного куба и отводят в поглотитель излучения.This result is achieved by the fact that in the method of maintaining an optical discharge, which consists of igniting an optical discharge located in the discharge chamber, in which laser radiation is applied to a polarizing cube at the Brewster angle, a beam with p-polarization passing through the polarizing cube is passed through an appropriate quarter-wave plate and focused in the discharge volume, a beam with s-polarization reflected from the polarization cube 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 rays intersect in the discharge volume, and the angle between the rays is more than 60 degrees, reflected from plasma, reverse rays with a polarization changed relative to the direct rays are passed along their optical paths back to the polarization cube and redirected to the 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. In fig. 1 and fig. 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 поляризационный светоделительный куб 3 перпендикулярно входной грани. Поляризационный светоделительный куб 3 подбирают под длину волны лазера 2. Поляризационный светоделительный куб 3 пропускает луч 4, имеющий линейную р-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 получения 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 - р-поляризацию. Луч 16 отражают от поляризационного светоделительного куба 3 в поглотитель излучения 18, а луч 17 пропускают сквозь поляризационный светоделительный куб 3 в поглотитель излучения 18.The invention works as follows. Laser unpolarized radiation 1 from laser 2 is supplied to the polarizing beam splitter cube 3 perpendicular to the input face. The polarization beam splitter cube 3 is selected to match the wavelength of the laser 2. The polarization beam splitter cube 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 obtaining an 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 polarizing beam-splitting cube 3 into the radiation absorber 18, and beam 17 is passed through the polarizing beam-splitting cube 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 Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2023109619A Division RU2814312C1 (en) | 2023-04-14 | Method of maintaining optical discharge |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2815740C1 true RU2815740C1 (en) | 2024-03-21 |
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 |
|---|---|---|
| KR102588483B1 (en) | Highly efficient laser-sustained plasma light source | |
| US6382957B1 (en) | Laser ignition | |
| US9941655B2 (en) | High power broadband light source | |
| EP2043205B1 (en) | Optical amplifier | |
| US4910746A (en) | Multiple crystal pumping cavity laser with thermal and mechanical isolation | |
| JPH0533837B2 (en) | ||
| KR20080108111A (en) | Laser-driven light source | |
| US5162940A (en) | Multiple energy level, multiple pulse rate laser source | |
| WO2011064059A1 (en) | Optical arrangement for homogenizing a laser pulse | |
| US5268913A (en) | Frequency-doubling solid state laser | |
| US6996141B1 (en) | Device for reducing the peak power of a pulsed laser light source | |
| TWI738675B (en) | Polariser arrangement, euv radiation generating apparatus and method for the linear polarisation of a laser beam | |
| RU2815740C1 (en) | Method of producing optical discharge | |
| NO309218B1 (en) | Self-aligning intracavity Raman lasers | |
| RU2809338C1 (en) | Method for generating optical discharge | |
| RU2814312C1 (en) | Method of maintaining optical discharge | |
| WO2001069136A1 (en) | Laser ignition | |
| CN100383656C (en) | Laser pulse width control method and device | |
| EP0256047A1 (en) | A compact slab laser oscillator-amplifier system | |
| NO170184B (en) | Device for controlling the resonator gain of a pulse laser device | |
| RU2812336C1 (en) | Method for forming optical discharge | |
| JP5180854B2 (en) | Light source device and exposure apparatus provided with the light source device | |
| US3701048A (en) | Multi-rod single pump source laser | |
| US7804866B1 (en) | Pulse stretcher | |
| RU2144722C1 (en) | Laser system and double-pulse laser |