WO2014168519A1 - Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения - Google Patents

Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения Download PDF

Info

Publication number
WO2014168519A1
WO2014168519A1 PCT/RU2014/000257 RU2014000257W WO2014168519A1 WO 2014168519 A1 WO2014168519 A1 WO 2014168519A1 RU 2014000257 W RU2014000257 W RU 2014000257W WO 2014168519 A1 WO2014168519 A1 WO 2014168519A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
chamber
laser beam
radiation
region
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000257
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Павел Станиславович АНЦИФЕРОВ
Константин Николаевич КОШЕЛЕВ
Владимир Михайлович КРИВЦУН
Александр Андреевич ЛАШ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН"
Priority to US14/782,644 priority Critical patent/US9357627B2/en
Priority to EP14782714.1A priority patent/EP2985781B1/en
Publication of WO2014168519A1 publication Critical patent/WO2014168519A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/025—Associated optical elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/52—Cooling arrangements; Heating arrangements; Means for circulating gas or vapour within the discharge space
    • H01J61/523—Heating or cooling particular parts of the lamp
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/54—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/54—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting
    • H01J61/545—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting using an auxiliary electrode inside the vessel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/70—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr
    • H01J61/76—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr having a filling of permanent gas or gases only
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc

Definitions

  • the invention relates to a device for laser-pumped light sources and methods for generating high-brightness radiation in the UV and visible spectral ranges.
  • An optical discharge can be used as a light source of very high brightness, since the plasma temperature in an optical discharge is much higher than in others - 15000-20000 K, while in an arc discharge it is usually 7000-8000 K, in an RF discharge - 9000-10000 K.
  • Plasma optical discharge in various gases, in particular in helium Xe, 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.
  • Mercury vapors, including mixtures with inert gases, as well as vapors of other metals, and various gas mixtures, including halogen containing ones, can also be used as a highly efficient plasma forming medium.
  • laser-pumped light sources about 10 4 W / m 2 / nm / sr with a radiation power level of several watts, makes them preferred for many applications.
  • Such high-brightness light sources can be used for spectrochemical analysis, spectral microanalysis of biological objects in biology and medicine, in microcapillary liquid chromatography, and for inspecting the process of optical lithography. They can also be used in various projection systems, in microscopy, spectrophotometry and for other purposes.
  • the parameters of the light source for example, wavelength, power level and brightness of the radiation vary depending on the application.
  • the specified light source is characterized by high efficiency, reliability, service life. It is equipped with an effective optical system for collecting plasma radiation, equipped with a blocker of laser radiation transmitted through the plasma and not absorbed.
  • the geometry of the light source determined by the direction of the laser beam and the position of the region of the emitting plasma created in the discharge gap for starting ignition of the plasma, is not optimal to achieve high stability of the output characteristics of the high-brightness light source. This is mainly due to the negative effect of convective gas flows in the chamber on the region of the emitting plasma and, accordingly, on the energy and spatial stability of the laser-pumped light source.
  • this drawback is deprived of a light source in which the starting ignition of a plasma in a chamber and the creation of a plasma region with high-brightness radiation in a continuous mode are carried out using beams of two different lasers, application US20130001438, publication 3.01.2013.
  • the invention allows for by selecting the parameters of two laser beams, optimize the plasma parameters in order to increase the brightness of the radiation.
  • the plasma is ignited in a gas-filled chamber and the laser beam is focused in the plasma region continuously. Starting ignition and then maintaining the plasma of the optical discharge is carried out in the center of the chamber between the two auxiliary electrodes.
  • the light source is equipped with a feedback device. The feedback device measures the parameters of part of the radiation generated by the light source, digitizes the data, determines their deviation from the set value and on this basis generates a laser control signal to reduce instability in the light source.
  • the specified light source is characterized by high brightness and relatively high stability of the output characteristics due to the use of a feedback device.
  • the geometry of the light source is not optimal and does not reduce the instability or noise caused by intense turbulent gas flows in the chamber due to thermal convection in the gravitational field. This reduces the possibility of effectively suppressing the instability of the output parameters of a laser-pumped light source even with a feedback device.
  • the objective of the invention is to provide a highly stable compact light source of very high brightness with a high service life and method of generating radiation.
  • the technical result of the invention is to increase the spatial and energy stability of a high-brightness laser pumped light source, as well as increase its reliability.
  • the task can be achieved using the proposed laser pumped light source, which includes a chamber containing gas; laser generating a laser beam; optical element focusing a laser beam; a region of emitting plasma created in the chamber on the axis of the focused laser beam; and an optical plasma radiation collection system forming a plasma radiation beam in which the focused laser beam is directed into the region of the emitting plasma from the bottom up: from the lower wall of the chamber to the upper chamber wall opposite to it, and the region of the emitting plasma is less than than the distance from the emitting plasma region to the lower wall of the chamber.
  • the axis of the focused laser beam is directed upward or close to the vertical.
  • the region of the emitting plasma can be located at a distance from the upper wall of the chamber, the minimum possible in order not to have a noticeable negative effect on the lifetime of the laser pumped light source.
  • the axis of the wall of the chamber have a plane of symmetry containing the axis of symmetry of the section of the walls of the chamber, the camera is installed so that the axis of symmetry of the section of the walls of the chamber is vertical or close to vertical.
  • the axis of the focused laser beam is directed along the symmetry axis of the section of the chamber walls, or close to the symmetry axis of the section of the chamber walls.
  • the region of the emitting plasma is located on the axis of symmetry of the cross section of the walls of the chamber.
  • the axis of the focused laser beam makes an angle with the vertical, the magnitude of which does not exceed 45 degrees.
  • the axis of the laser beam generated by the laser has a direction close to horizontal, with an optical element mounted on the axis of the laser beam directing the laser beam toward the camera.
  • a laser-pumped light source contains an optical element directing the axis of the plasma radiation beam horizontally or close to the horizontal.
  • the numerical aperture ⁇ of the focused laser beam and the laser power are selected so that the region of the emitting plasma is extended along the axis of the focused laser beam, having a small aspect ratio ⁇ transverse d and longitudinal / size of the emitting plasma region, the brightness of the plasma radiation in the direction along the axis of the focused laser beam was close to the maximum attainable for a given laser power, the numerical aperture NA 2 passed through the emitting region the plasma of the diverging laser beam from the upper side of the camera was smaller than the numerical aperture ⁇ of the focused laser beam from the lower side of the camera: ⁇ 2 ⁇ , while the optical system for collecting plasma radiation is located on the upper side of the camera, and the plasma radiation is output to the optical system for collecting plasma radiation diverging beam of plasma radiation with a peak in the region of the emitting plasma.
  • a diverging plasma radiation beam with a numerical aperture NA which enters the optical system for collecting plasma radiation, does not intersect the diverging laser beam transmitted through the region of the emitting plasma from the upper side of the chamber; according to which the angle between the axis of the diverging plasma beam and the axis of the focused laser beam is larger than (arctg NA + arctg NA 2 ).
  • the axis of the diverging plasma radiation beam that goes to the optical system for collecting plasma radiation is directed mainly along the axis of the focused laser beam.
  • a concave spherical mirror or a modified concave spherical mirror, with a center in the region of the emitting plasma, having a hole, in particular an optical hole, for introducing a focused laser beam into the region of the emitting plasma is installed on the lower side of the camera.
  • two electrodes are placed in the chamber, for starting ignition of a plasma with a discharge gap located between them.
  • two pin electrodes are placed in the chamber for starting ignition of the plasma, the longitudinal axes of which are horizontal.
  • two electrodes are placed in the chamber, for starting ignition of a plasma with a discharge gap located between them, the region of the emitting plasma is located outside the discharge gap, while the optical element focusing the laser beam is designed to briefly move the focus of the laser beam into the discharge gap for a while starting ignition plasma.
  • a fan is located in the laser pumped light source.
  • At least one nozzle to which the output of the mini compressor is connected is located in the laser pumped light source.
  • the chamber is housed in a sealed enclosure with shielding gas, in particular other than air.
  • the chamber is housed in a sealed enclosure with shielding gas, at least one nozzle is placed in the enclosure to provide a flow of shielding gas around the upper wall of the chamber, a mini compressor output connected to the nozzle through a heat exchanger, the inlet of which is connected to the sealed enclosure.
  • an automated control system with negative feedback and the function of maintaining a given power of a laser pumped light source which includes a plasma radiation power meter and a controller that processes the data of a plasma radiation beam power meter and controls the laser output.
  • a focused laser beam is directed from the bottom up: from the lower wall of the chamber to the opposite upper wall of the chamber, the laser beam is focused for a short time into the discharge gap between the electrodes.
  • start plasma ignition carry out ignition of the plasma and move the focus of the laser beam from the bottom up, and the focused laser beam, in the continuous mode, form the region of the emitting plasma outside the discharge gap near the upper wall of the chamber.
  • the focused laser beam is directed into the chamber along the vertical axis of symmetry of the wall section of the chamber and the emitting plasma region is formed at an optimally small distance from the upper chamber wall, in which the proximity of the plasma to the upper chamber wall does not significantly affect the lifetime of the light source.
  • the chamber is cooled by a flow of protective gas directed to the upper wall of the chamber.
  • the required value of the radiation power of the laser-pumped light source is pre-set and, in the course of long-term operation, by means of an automated control system, the required radiation power of the laser-pumped light source is maintained.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a light source in various particular cases of the implementation of the present invention
  • FIG. 5 shows various configurations of a laser-pumped light source that differ in the level of instability of the plasma radiation power.
  • a laser pumped light source includes a gas chamber 1; laser 2 generating a laser beam 3; an optical element 4 focusing a laser beam; the region of the emitting plasma 5 created in the chamber 1 on the axis 6 of the focused laser beam 7; and optical system 8 collecting radiation of the plasma forming the beam of plasma radiation 9.
  • the focused laser beam 7 is directed into the region of the emitting plasma 5 from the bottom up: from the lower wall of the chamber 10 to the opposite upper wall 11 of the chamber 1.
  • the region of the emitting plasma 5 is located at a distance from the upper wall 11 of the chamber, less than the distance from the region of the emitting plasma 5 to the lower wall of the chamber 10.
  • the greatest stability of the radiation power of a laser pumped light source is achieved. This is due to the fact that usually the region of the emitting plasma 5 is slightly shifted from the focus towards the focused laser beam 7 to that section of the focused laser beam, where the intensity of the focused laser beam is still sufficient to maintain the region of the emitting plasma 5.
  • the focused laser beam 7 is directed upward the region of the emitting plasma 5, containing the hottest plasma and having the lowest mass density, tends to emerge under the action of the Archimedean force. Rising, the region of the emitting plasma 5 falls into a place closer to the focus, where the cross section of the focused laser beam 7 is smaller and the laser radiation intensity is higher.
  • this increases the brightness of plasma radiation, and on the other hand, it balances the forces acting on the region of the emitting plasma, which ensures high stability of the radiation power of a high-brightness laser pumped light source.
  • the axis 6 of the focused laser beam 7 is directed vertically upward, that is, along the Z axis (Fig. 1), or close to the vertical Z.
  • the proximity of objects means that the distance between objects within camera 1 is many times smaller than the size of camera 1.
  • Another factor affecting the stability of the output characteristics of a laser-pumped light source is determined by the action of convective gas flows 12 in the chamber 1.
  • the pulse acquired by the Archimedean force by the gas heated in the region of the emitting plasma 5 is the smaller, the closer the region of plasma radiation to the upper wall 11 cameras.
  • the speed and the turbulence of convective gas flows 12 is the smaller, the closer the plasma radiation region 5 to the upper wall 1 1 of the chamber.
  • the region of the emitting plasma 5 is located at a distance h from the upper wall 1 1 of the chamber 1, which is minimally possible so as not to have a noticeable negative effect on the lifetime of the light source.
  • the value of h is in the range of 0.5 to 7 mm.
  • the thermal convection in the chamber 1 has an axis of symmetry aligned with the axis 6 of the focused laser beam 7.
  • the walls 10, 1 1 of the chamber 1 have a plane of symmetry (ZY in Fig. 1)
  • the section of the walls 10, 1 1 in the plane of symmetry of the camera 1 has a symmetry axis 13
  • the camera is installed so that the axis of symmetry 13 of the wall section 10, 1 1 of chamber 1 was vertical or close to vertical.
  • the axis 6 of the focused laser beam 7 is directed along the symmetry axis 13 of the section of the walls 10, 1 1 of the chamber 1, or close to the symmetry axis 13 of the section of the walls 10, 1 1 of the chamber 1, and the region of the emitting plasma 5 is located on the symmetry axis 13 section of the walls (10, 1 1) of the chamber 1.
  • Deviations from the vertical axis of the focused laser beam 6, at which there is still a significant reduction in the instability of the radiation power of the laser-pumped light source, are within certain limits.
  • the axis 6 of the focused laser beam 7 makes an angle with the vertical Z, the magnitude of which does not exceed 45 degrees.
  • the axis 14 of the laser beam 3 generated by the laser 2 can be directed close to the horizontal, while on the axis 14 of the laser beam 3 generated by the laser 2, a deflecting optical element 15 is installed, the guiding axis 6 of the focused laser beam 7 up towards camera 1.
  • the deflecting optical element 15 and the optical element 4 focusing the laser beam are made as separate elements, but they can be combined in one optical element, for example, in the form of a rotary focusing mirror.
  • the optical system 8 for collecting plasma radiation includes a concave mirror 16 located around the axis 6 of the focused laser beam 7 and forming a remote point light source 17 in the focus of the mirror 16, convenient for use. Since the plasma radiation beam 18 reflected from the concave mirror 16 is directed primarily vertically, the height of the laser pumped light source made in accordance with the invention may become unreasonably large.
  • the laser pumped light source contains a deflecting optical element 19, the directing axis 20 of the radiation beam of the plasma 9 horizontally or close to horizontal.
  • the output of the plasma radiation to the optical system 8 for collecting plasma radiation is carried out by the plasma radiation beam 21, emerging at large angles to the axis 6 of the focused laser beam 7, and excluding spatial angles including the axis 6 of the focused laser beam 7. This, in particular, determines the presence of a dark region 15 in the plasma radiation beam 18 reflected from the concave mirror 16.
  • the device also includes a blocker 23 of the diverging laser beam 24, which has passed through the region of the emitting plasma 5, mounted on the upper side of the camera 1.
  • the blocker 23 is installed in the dark region 22 of the plasma radiation beam 18 reflected from the concave mirror 16 (FIG. . one).
  • the blocker 23 can be made in the form of a mirror reflecting laser radiation, or in the form of an element that completely absorbs radiation.
  • the numerical aperture ⁇ of the focused laser beam 7 and the laser power 2 are selected so that the region of the emitting plasma 5 is extended along the axis 6 of the focused laser beam 7, having a small aspect ratio dJl, which is in the range from 0.1 to 0.5 transverse d and longitudinal / dimensions the area of the emitting plasma 5.
  • the brightness of the plasma radiation in the direction along the axis 6 of the focused laser beam 7 was close to the maximum achievable for a given laser power
  • the numerical aperture NA 2 passing through the region of the emitting plasma 5 of the diverging laser beam 24 from the upper side of the camera 1 was smaller than the numerical aperture ⁇ of the focused laser beam 7 from the lower side 5 of the camera: ⁇ 2 ⁇ .
  • the optical system 8 for collecting plasma radiation is located on the upper side of the chamber, and the output of the plasma radiation to the optical system for collecting the plasma radiation is realized by a diverging beam of plasma radiation 25 with a peak in the region of the emitting plasma 6.
  • NA NA-sin ⁇
  • ⁇ the refractive index of the medium in which the beam propagates
  • ⁇ the absolute value of the angle between the extreme or boundary beam of the beam and its axis.
  • a diverging plasma radiation beam 25 with a numerical aperture NA does not intersect a diverging laser beam 24 transmitted through the emitting plasma region 5 from the upper side of the chamber 1, in accordance with this, the angle between the axis 26 of the diverging plasma radiation beam 25 and the axis 6 of the focused laser beam is greater than (arctg NA + arctg NA 2 ).
  • the brightness of the device can be increased when placed on the bottom side of the camera 1 on the axis 26 of the diverging beam of plasma radiation 25 concave a spherical mirror, or a modified concave spherical mirror centered in the region of the emitting plasma 5 (not shown for simplicity).
  • the optical plasma radiation collection system 8 comprises an input lens 27 to which the plasma radiation is output in the form of a diverging plasma radiation beam 25 with an apex in the region of the emitting plasma 5.
  • the optical collection system 8 plasma radiation can be more complex and contain not refractive, but reflective optics or a combination of both.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the invention aimed at further improving the output characteristics of a laser pumped light source.
  • Numerical aperture of the focused laser beam 7 and the power of the laser 2 are selected so that the region of the emitting plasma 5 is extended along the axis 6 of the focused laser beam 7, having a small, in the range from 0.1 to 0.5, aspect ratio d / l of the transverse d and longitudinal / dimensions of the emitting plasma region 5, the brightness of the plasma radiation in the direction along the axis 6 of the focused laser beam 7 was close to the maximum attainable for a given laser power, the numerical aperture NA 2 passing through the region of the emitting plasma 5 diverging the aperture beam 24 from the upper side of the chamber 1 was smaller than the numerical aperture ⁇ of the focused laser beam 7 from the lower side 5 of the chamber: NA 2 ⁇ NAj.
  • the optical system 8 for collecting plasma radiation is located on the upper side of the chamber, and the output of the plasma radiation to the optical system for collecting plasma radiation is carried out by a diverging beam of plasma radiation 25 with a peak in the region of the emitting plasma 6.
  • the axis 26 of the diverging beam of plasma radiation 25 with a peak in the area of the emitting plasma 5 is directed mainly along the axis 6 of the focused laser beam 7.
  • the device comprises a blocker 23 of the diverging laser beam 24, which has passed through the region of the emitting plasma 5, mounted on the upper side of the camera 1.
  • the formation of a plasma lens in the region of the emitting plasma 5 and a significant reduction in the numerical the aperture NA 2 of the diverging laser beam 24 transmitted through the plasma, blocked from the upper side 11 of the chamber 1, allows for NA 2 «NA to be used for small near-axis zone of the plasma radiation beam 15 simple and reliable non-selective blockers, either reflecting radiation in a wide spectral range or completely absorbing. This can simplify the light source, ensuring its reliability, high stability and long life.
  • the blocker 23 can be made in the form of a laser reflective coating of a small part of the surface of the input lens 27 of the optical system 8 for collecting plasma radiation (Fig. 3).
  • the brightness of its radiation is maximum along the axis 6 of the focused laser beam 7, significantly, several times higher than the brightness of the radiation transverse to the axis 6 of the focused laser beam 7 direction. Therefore, with the proposed implementation of the axial collection of plasma radiation, the maximum brightness of the source is achieved, which, according to the principle of brightness invariance, is unchanged in the absence of losses by the optical system. In this case, the self-focusing of the diverging laser beam 24 transmitted through the region of the emitting plasma 5 simplifies its blocking without significant losses in the diverging plasma radiation beam 25.
  • the collection efficiency of radiation increases if a concave spherical mirror 28 is installed on the bottom of the chamber 1, centered in the region of the emitting plasma 5, having an opening 29 for introducing a focused laser beam 7 into the region of the emitting plasma 5.
  • the plasma radiation beam 25 is amplified by the plasma radiation beam 30 reflected from a spherical mirror 28 mounted on the lower side of the chamber 1 and centered in the region of the emitting plasma 5.
  • This allows increasing the brightness in the plasma radiation beam 25, significantly increasing the efficiency of collecting plasma radiation and increase the efficiency of the light source as a whole. According to the experiment, the increase in brightness and collection efficiency is about 70%.
  • the concave spherical mirror 28 is transparent to the focused laser beam 7 near its axis 6 and has an optical hole 29. This embodiment simplifies the design of the concave spherical mirror 28.
  • a concave modified spherical mirror 28 with a center in the region of the emitting plasma 5 having an aperture 29, in particular an optical hole, for introducing a focused laser beam 7 into the region of the emitting plasma 5 is mounted on the underside of the camera.
  • Using a modified spherical mirror 28 is preferable to compensate for distortion optical rays by the walls of the chamber 1, which increases the efficiency of the laser pumped light source.
  • the optical plasma radiation collection system 8 forms a plasma radiation beam 9 introduced into the optical fiber 31, which, by transporting the plasma radiation, provides a high-brightness remote point source of light 17 in a place necessary for use.
  • the chamber 1 there are two electrodes 32, 33 for starting the ignition of the plasma with a discharge gap 34 located between them. Their use facilitates the ignition of the plasma, which is then maintained in a continuous mode using a laser. In some cases, the power density of the laser radiation in the chamber is insufficient for igniting the plasma, therefore, the use of electrodes 32, 33 for starting ignition of the plasma is a necessary condition for creating a region of emitting plasma 5.
  • the longitudinal axis of the electrodes 32, 33 for starting the ignition of the plasma is horizontal. This simplifies the location of the chamber 1 so that the axis of symmetry 13 of the cross section of the walls of the chamber is vertical, which increases the stability of plasma radiation.
  • the region of the emitting plasma 5 is located outside the discharge gap 34.
  • the optical element 4 focusing the laser beam is configured to briefly move the focus of the laser beam 7 into the discharge gap 33 for the duration of the starting ignition plasma.
  • the optical element 4 focusing the laser beam can be mounted on a controlled linear translator 35 (Fig. 3), moved in the directions shown by arrows 36.
  • the optical element 4, focusing laser beam can be made in the form of a lens with a variable focal length.
  • the chamber 1 is housed in an airtight housing 37, and the airtight housing 37 is filled with a protective gas 38.
  • a gas that does not contain oxygen, such as nitrogen, can be used as a protective gas.
  • a fan 39 is placed in the chamber 1. It is preferable that the protective gas gas stream 40 generated by the fan 39 is directed to the upper wall 11 of the chamber 1, near which a region of hot emitting plasma is formed. In this case, it is preferable that the wall or walls of the sealed housing 37 is made in the form of a radiator, highly efficiently exchanging heat with the air surrounding the housing 37.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the invention in which, in order to organize a shielding gas stream cooling the chamber 1 more efficiently, a shielding gas circulation system is introduced in an airtight housing 37, comprising at least one nozzle 41 providing airflow to the chamber 1 by a directed shielding gas flow 40, a mini-compressor 42 and a heat exchanger 43.
  • the output 44 of the mini-compressor 42 is connected to the nozzle 41 through a heat exchanger 43, and the input 45 of the mini-compressor 42 is connected to a sealed housing 37.
  • An automated control system (ACS) of a laser pumped light source can be introduced into the device, characterized by a negative feedback between the power of the plasma radiation beam and the laser power.
  • the ACS includes a controller 46 that controls the output power of the laser 2, based on the results of processing the data of the plasma radiation power meter 47.
  • the plasma radiation power meter 47 is installed after the optical fiber 31, which provides the output of a remote point source of light 17 in a place necessary for the formation of the final plasma radiation beam 48.
  • the plasma radiation power meter 47 is aligned with the optical final beam forming unit the radiation of the plasma 48, in which a beam splitter is installed, branching a small part of the power of the plasma radiation beam to the photodetector (photodiode) of the power meter 47.
  • the controller 46 is connected to the input of the laser control unit 2 through, for example, optical fiber 49.
  • the use of ACS allows you to maintain a given stable power level of the light source in long-term mode or its change over time according to a given program.
  • the ACS with a laser-pumped light source may include systems for monitoring and controlling the temperatures of the laser 2, shielding gas in the chamber 37, and the walls of the chamber1.
  • FIG. 5 shows various configurations of a laser-pumped light source that differ in the direction of the axis 6 of the focused laser beam, the orientation of the electrodes 32, 33 for starting ignition of the plasma, and the different positions of the I-VI region of the emitting plasma on the axis 6 of the focused laser beam 7, which differ, respectively, by the instability of the radiation power light source 3 ⁇ .
  • 3 ⁇ is the relative instability of the radiation power / laser pumped light source determines the interval (T / 1–3 ⁇ ; ⁇ // ⁇ + 3 ⁇ ) near the average value of /, in which the measured power values lie with at least 99.7% certainty / laser pumped light source.
  • the radiation power / light source was averaged over a time interval of 0.1 sec.
  • the plasma was created in an OSRAM XBO 150 W / 4 lamp filled with Xe at a pressure of 20 atm.
  • the laser power density was insufficient for ignition of the plasma, therefore, two pin electrodes 32, 33 were used for starting ignition of the plasma. It can be seen from the data in Table 1 that, depending on the configuration of the laser-pumped light source, the instability of its radiation power varies by more than an order of magnitude.
  • the axis 6 of the focused laser beam 7 is directed into the region of the emitting plasma 5 vertically from bottom to top
  • the region of the radiating plasma 5 is located, as shown by arrow VI on, at a distance from the upper wall 11 of the chamber less than the distance from the region of the radiating plasma 5 to the lower wall 10 of the chamber,
  • the region of the emitting plasma 5 is located at a distance to the upper wall 11 of the chamber 1, the minimum possible in order not to have a noticeable negative effect on the lifetime of the laser pumped light source;
  • the section of the walls 10, 11 of the chamber 1 is symmetrical about the vertical axis 13; the axis 6 of the focused laser beam is directed along the vertical axis of symmetry 13 of the cross section of the walls 10, 1 1 of the chamber 1,
  • the region of the emitting plasma is created outside the discharge gap 34 located between the two electrodes 32, 33 for the starting ignition of the plasma; the axis of the electrodes 32, 33 for the starting ignition of the plasma are horizontal,
  • the optical element 4 focusing the laser beam 7 is made with the function of short-term movement of the focus of the laser beam in the discharge gap 34 at the time of starting the ignition of the plasma.
  • the method for generating radiation, mainly high-brightness broadband radiation, by means of a laser pumped light source, illustrated in FIG. 1 are implemented as follows. Turn on the laser 2, providing a laser beam 3. Ignite the plasma in the chamber 1 containing gas, in particular, Xe high, 10-20 atm, pressure. An optical element 4 focuses the laser beam 7 into the chamber 1. Using a focused laser beam 7 in the chamber 1, a region of emitting plasma 5 is created on the axis 6 of the focused laser beam 7 and the laser power is continuously introduced into the region of the emitting plasma 5 to maintain high-brightness plasma radiation in continuous mode.
  • the focused laser beam 7 is directed into the region of the emitting plasma 5 from the bottom up: from the lower wall 10 of the chamber 1 to the opposite upper wall 11 of the chamber 1 so that the region of the emitting plasma 5 is located at a distance from the upper wall 11 of the chamber 1, less than the distance from the region of the emitting plasma 5 to the lower wall 10 of the chamber 1.
  • the plasma radiation is collected by the optical radiation system 8 for collecting the plasma radiation, with which a beam of plasma radiation 9 is formed.
  • the axis 6 of the focused laser beam 7 is directed upward vertically, along the Z axis, or close to vertical.
  • the focused laser beam 7 is directed into the chamber 1 along the vertical axis of symmetry 13 of the section of the walls 10, 11 of the chamber 1, or close to the vertical axis of symmetry 13 of the section of the walls 10, 11 of the chamber 1, and a region of emitting plasma 5 is created on the symmetry axis 13 of the section of the walls 10, 1 1 of the chamber 1.
  • the region of the emitting plasma 5 is formed at an optimally small distance from the upper wall 11 of the chamber 1, in which the proximity of the plasma to the wall 11 of the chamber 1 does not significantly affect the lifetime of the light source.
  • the focused laser beam 7 is directed into the camera 1 so that the axis 6 of the focused laser beam 7 makes an angle with a vertical (Z) angle, the magnitude of which does not exceed 45 degrees.
  • the laser beam 3 generated by the laser 2 having a direction close to the horizontal direction, is deflected upward towards the camera 1 by means of a deflecting optical element 15 mounted on the axis of the laser beam 3 generated by the laser 2.
  • the output of plasma radiation to the optical system 8 for collecting plasma radiation is carried out by a plasma radiation beam 21, coming out at large angles to the axis 6 of the focused laser beam 7 and eliminating spatial angles on the axis 6 of the focused laser beam 7 with a common center in the region of the emitting plasma.
  • the collection of plasma radiation is carried out by means of an optical system 8, which includes a concave mirror 16 located around the axis 6 of the focused laser beam 7. At the focus of the concave mirror 16, a remote point source of light 17 is formed. This, in particular, determines the presence of a dark region 15 in reflected from concave mirror 16 beam 18 of plasma radiation.
  • Blocker 23 When forming a beam of plasma radiation 9, the presence of laser radiation in it is eliminated by means of a blocker 23 of a diverging laser beam 24 installed on the upper side of the chamber 1 and passing through the region of the emitting plasma 5.
  • Blocker 23 which can be installed in the dark region 22 of the beam reflected from the concave mirror 16 18 of the radiation of the plasma, absorbs the radiation of the laser 2, or reflects it away from the plasma radiation beam 9.
  • an area of the emitting plasma 5 extended along the axis 6 of the focused laser beam is formed, characterized by:
  • the plasma radiation is output to the optical system 8 for collecting the plasma radiation located on the upper side of the chamber 1 by a diverging beam of plasma radiation 15 with a peak in the region of the emitting plasma.
  • plasma radiation is output to an optical system 8 for collecting plasma radiation by a diverging plasma radiation beam that does not intersect the diverging laser beam transmitted through the emitting plasma region; whereby the angle between the axis of the diverging plasma beam characterized by the numerical aperture NA and the axis of the focused laser beam is larger than (arctg NA + arctg NA 2 ).
  • plasma radiation is output to the optical system 8 for collecting plasma radiation, a diverging plasma radiation beam 13, the direction of the optical axis 17 of which mainly coincides with the direction of the axis 6 of the focused laser beam 7.
  • Collecting radiation plasma is carried out by means of an optical system 8, which includes an input lens 27.
  • a blocker 23 prevent the propagation of a diverging laser radiation through the optical system 8 of collecting plasma radiation the cell 24 passing through the region of the emitting plasma 5.
  • the blocker 23 can be made, for example, in the form of a reflecting, in particular, selectively reflecting laser beam coating part of the surface of the input lens 27. In the latter case, the plasma beam 9 generated by the optical system for collecting plasma radiation 8 no shading area.
  • a beam of plasma radiation 9 is formed, which is introduced into the optical fiber 31, providing a high-brightness remote point source of light 17 in the place necessary for use.
  • the focused laser beam 7 is directed from the bottom up: from the lower wall 10 of the chamber 1 to the upper wall 1 1 of the chamber 1 opposite to it, briefly focus the laser beam 7 in the discharge gap 34 between the electrodes 32, 33 for the starting ignition of the plasma, ignite the plasma and move the focus of the laser beam 7, from the bottom up and with the focused laser beam 7, continuously form a region of the emitting plasma 5 outside the discharge gap 34 near the upper wall 1 1 of the chamber 1. Ignition of the plasma is preferably about uschestvlyayut between the interdigital electrodes 32, 33 for starting the ignition of the plasma, the longitudinal axes of which are horizontal.
  • the optical element 4 focusing the laser the beam is made with the function of short-term movement of the focus of the laser beam 7 in the discharge gap 34 at the time of starting ignition of the plasma.
  • the optical element 4 focusing the laser beam is moved in the directions shown by arrows 36 (Fig. 3) using a controlled linear translator 35.
  • the focus of the laser beam 7 is moved by making the optical element 4 focusing the laser beam in the form of a lens zoom lens
  • the shielding gas stream 40 is directed to the upper wall 1 1 of the chamber 1.
  • the shielding gas stream 40 other than air, is formed by the fan 39.
  • the chamber 1 and the fan are housed in an airtight housing 37.
  • the protective gas stream 40 is directed to the upper wall 1 1 of the chamber 1 using at least one nozzle 41 to which the output 44 of the mini-compressor 42 is connected (Fig. 4).
  • the upper wall 11 of the chamber 1 is blown by a directed shielding gas flow 40 generated by a shielding gas circulation system including at least one nozzle 41, a mini-compressor 42 and a heat exchanger 43. It is preferable that the outlet 44 the mini compressor 42 is connected to the nozzle 41 through a heat exchanger 43, and the inlet 45 of the mini compressor 43 is connected to the sealed housing 37.
  • the required value of the radiation power of a laser pumped light source is preliminarily set, and during long-term operation, using an automated control system with negative feedback, a given radiation power of a laser pumped light source is maintained.
  • the controller 46 which is part of the ACS, determines, based on the processing of the power meter 47, the deviations of the power of the final beam of plasma radiation 48 from a given level and generates a control signal sent, for example, via optical fiber 48 to the input of the laser control unit 2.
  • programmed behavior over time of the radiation power of a laser pumped light source is preliminarily set, and during long-term operation, using an automated control system with negative feedback, a given radiation power of a laser pumped light source is maintained.
  • the controller 46 which is part of the ACS, determines, based on the processing of the power meter 47, the deviations of the power of the final beam of plasma radiation 48 from a given level and generates a control signal sent, for example, via optical fiber 48 to the input of the
  • the laser pumped light source acquires significant new positive qualities.
  • the positive effect is due to the fact that the movement of the region of the emitting plasma from the focus down towards the focused laser beam 7 to the cross section where the laser intensity is still sufficient to maintain the region of the emitting plasma 5 is balanced by the emergence of the region of the emitting plasma 5.
  • the emergence of the region of the emitting plasma 5 containing the hottest having a low mass density plasma occurs under the action of Archimedean force.
  • the region of the emitting plasma 5 is located in the place closest to the focus, where the cross section of the focused laser beam 7 is smaller and the laser radiation intensity is higher.
  • this increases the brightness of plasma radiation, and on the other hand, due to the balance of forces acting on the region of the emitting plasma, it provides high stability of the radiation power of a high-brightness laser pumped light source.
  • the brightness of the light source increases and significantly, up to orders of magnitude, the instability of the radiation power of a laser pumped light source decreases.
  • the deviation of the axis 6 of the focused laser beam from the vertical Z by an amount not exceeding 45 degrees makes it possible to reduce the instability of the radiation power of a laser pumped light source as a result of the aforementioned reasons.
  • plasma radiation is output to the optical system 8 for collecting plasma radiation located on the upper side of the chamber by a diverging plasma radiation beam 25, the axis 26 of which mainly coincides with the direction of the axis 6 of the focused laser beam 7 (Fig. 3, Fig. 4).
  • the region of emitting plasma 5 which is mainly transparent to intrinsic radiation, its maximum brightness at a small, from 0, 1 to 0.5, aspect ratio d / l is realized in the direction along the axis 6 of the focused laser beam 7.
  • NAj of a focused laser beam 7 for each selected value of the laser power, at which highly efficient operation of the device is possible, a brightness of plasma radiation close to the maximum possible is provided precisely in the direction of the axis 6 of the focused laser beam 7.
  • the maximum brightness of a laser pumped light source is invariantly (excluding losses) transmitted by an optical system for collecting plasma radiation 8, collecting radiation in the axial direction (Fig. 3, Fig. 4).
  • This determines the receipt of significantly greater brightness in the light source, made in accordance with the present invention, compared with the configuration of the light source (Fig. 1), using off-axis collection of plasma radiation.
  • the high efficiency of collecting plasma radiation is realized when choosing the numerical aperture of the plasma beam NA, satisfying the condition NA> dfi.
  • the formation of the emitting plasma region with the properties of a plasma lens is, in accordance with experimental data, one of the conditions for the effective operation of the device.
  • NA 2 NA NA a significant reduction in the numerical aperture of NA 2 of the diverging laser beam passing through the region of the emitting plasma is provided, and for NA 2 NA NA, blockers can be used to obscure only the very small axial region of the diverging plasma beam 25.
  • the output to the optical system 8 of the collection of plasma radiation of a diverging beam of plasma radiation 25, not crossing the diverging laser beam 24, passed through the region of the emitting plasma, provides the simplicity and reliability of the device (Fig. 2).
  • Fig. 2 The output to the optical system 8 of the collection of plasma radiation of a diverging beam of plasma radiation 25, not crossing the diverging laser beam 24, passed through the region of the emitting plasma, provides the simplicity and reliability of the device (Fig. 2).
  • reliable and simple elimination of laser radiation in a plasma beam 25 in the absence of a shaded region is provided.
  • High brightness of the radiation is ensured on the one hand, the greatest brightness of the extended region of the emitting plasma 5 along the axis 6 of the focused laser beam 7, and secondly, the location of the diverging plasma radiation beam 25 close to this axis.
  • electrodes 32, 33 for starting ignition of a plasma, which is then supported continuously by a laser 2, facilitates the ignition of a plasma.
  • a horizontal arrangement of the longitudinal axes of the electrodes 32, 33 the possibility of arranging a chamber with a vertical axis of symmetry 13 of the walls 10, 11 is simplified, which increases the stability of plasma radiation.
  • the creation of the region of the emitting plasma 5 outside the discharge gap 34 simplifies the design of the camera 1 of the laser pumped light source made in accordance with the invention.
  • the implementation of the optical element 4 focusing the laser beam, with the function of short-term movement of the focus of the laser beam 7 in the discharge gap 34 provides a reliable starting ignition of the plasma.
  • ACS allows you to maintain a given stabilized power level of the light source in long-term mode, as well as to control the radiation power of the device in programmable mode.
  • the present invention can significantly increase the spatial and energy stability of a broadband laser pumped light source; and also increase its brightness while ensuring compactness and simplicity of design, reliable elimination of unwanted laser radiation in the plasma radiation collection system. All this extends the functionality of the device.
  • the high-brightness, highly stable laser-pumped light sources made in accordance with the present invention can be used in various projection systems, for spectrochemical analysis, spectral microanalysis of biological objects in biology and medicine, in microcapillary liquid chromatography, for inspection of the process of optical lithography, for spectrophotometry and other purposes.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к устройству источников света с лазерной накачкой и способам генерации излучения высокой яркости в УФ и видимом спектральных диапазонах. Техническим результатом изобретений является расширение функциональных возможностей источника света с лазерной накачкой за счет повышения его пространственной и энергетической стабильности, увеличения яркости, повышения надежности работы в долговременном режиме при обеспечении компактности устройства. Заявленный результат достигается за счет того, что сфокусированный лазерный пучок (7) направлен в область излучающей плазмы (5) снизу вверх: от нижней стенки (10) камеры (1) к противоположной ей верхней стенке (11) камеры (1), и область излучающей плазмы (5) расположена вблизи верхней стенки (11) камеры (1). В частных случаях реализации изобретения сфокусированный лазерный луч направляют вдоль вертикальной оси (13) симметрии стенок (10, 11) камеры, область излучающей плазмы (5) создают на оптимально малом расстоянии от верхней стенки (11) камеры (1), не оказывающем негативного воздействия на время жизни устройства, охлаждают камеру (1) потоком (40) защитного газа, направленным на верхнюю стенку (11) камеры (1) и с помощью автоматизированной системы управления (46, 47, 49) обеспечивают поддержание заданной мощности излучения в запрограммированном режиме.

Description

Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к устройству источников света с лазерной накачкой и способам генерации излучения высокой яркости в УФ и видимом спектральных диапазонах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Оптический разряд можно использовать в качестве источника света очень большой яркости, поскольку температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других- 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 гелии Хе, 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. В качестве высокоэффективной плазмообразующей среды также могут использоваться пары ртути, в том числе в смеси с инертными газами, а также пары других металлов, и различные газовые смеси, в том числе, галогеносо держащие. 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.
Такие источники света высокой яркости можно использовать для спектрохимического анализа, спектрального микроанализа биообъектов в биологии и медицине, в микрокапиллярной жидкостной хроматографии, для инспекции процесса оптической литографии. Они также могут использоваться в различных проекционных системах, в микроскопии, спектрофотометрии и для других целей. Параметры источника света, например, длина волны, уровень мощности и яркости излучения варьируются в зависимости от области применения.
Для получения плазмы оптического разряда нашли применение лазеры различного типа с лазерным излучением в диапазоне длин волн от 0,26 мкм (4-я гармоника излучения Nd:YAG лазера) до 10,6 мкм (излучение лазера на С02) (G.V. Ostrovskaya, A.N. Zaidel' "Laser spark in gases" Soviet Physics-Uspekhi, 16 834— 855, 1974). При длительном или непрерывном оптическом разряде для стартового зажигания плазмы в камере, наполненной газом высокого давления, используют различные методы, в том числе, вспомогательный лазер, параметры которого отличны от параметров лазера для длительного ввода мощности лазерного излучения в плазму (B.F. Mul'chenko, Yu.P. Raizer, V.A. Epshtein Soviet Physics Jetp V. 32, Number 6 June, 1971 High-pressure laser spark ignited by an external plasma source). Недостатком указанных устройств, и методов, созданных более 40 лет назад, была недостаточно высокая стабильность работы в долговременном непрерывном режиме с высокой эффективностью.
Этого недостатка частично лишен источник света с лазерной накачкой, содержащий камеру с газом; оптический элемент для фокусировки лазерного луча, формирующего в камере область плазмы с широкополосным высокояркостным излучением и обеспечивающего непрерывный ввод мощности лазерного излучения в плазму, патент US8309943, публикация 13..11.2012. В способе генерации излучения для стартового зажигания плазмы используют два штыревых электрода, размещенных на оси кварцевой камеры, лазерный пучок фокусируют в центр камеры, в промежуток между двумя электродами, при этом ось лазерного пучка, направленная по оси X, и оси электродов, направленные по оси Y, расположены в горизонтальной плоскости XY, Фиг. 15.
Указанный источник света характеризуется высокой эффективностью, надежностью, ресурсом работы. Он снабжен эффективной оптической системой сбора излучения плазмы, снабженной блокатором прошедшего сквозь плазму и не поглощенного лазерного излучения.
Однако геометрия источника света, определяемая направлением лазерного пучка и положением области излучающей плазмы, создаваемой в разрядном промежутке для стартового зажигания плазмы, не оптимальна для достижения высокой стабильности выходных характеристик высокояркостного источника света. Главным образом, это связано с отрицательным влиянием конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и, соответственно, на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой.
Частично этого недостатка лишен источник света, в котором стартовое зажигание плазмы в камере и создание в непрерывном режиме области плазмы с высокояркостным излучением осуществляется с помощью пучков двух различных лазеров, заявка US20130001438, публикация 3.01.2013. Изобретение позволяет за счет подбора параметров двух лазерных пучков оптимизировать параметры плазмы с целью повышения яркости излучения.
Хотя указанные устройство и метод, в принципе, позволяют варьировать в достаточно широких пределах геометрию высокояркостного источника света, его оптимальная конфигурация, позволяющая минимизировать негативное влияние конвективных потоков газа в камере на стабильность выходных параметров излучения, не была преодолена. Это обусловливает возможность достаточно высокой энергетической и пространственной нестабильности источника света, вызываемой конвекцией газа в камере и ограничивающей круг его применений.
Частично этого недостатка лишен источник света с лазерной накачкой
(заявка US20110181191, публикация 27.07.2011), включающий в себя камеру, содержащую газ; лазер, генерирующий лазерный пучок; оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы, создаваемую в камере на оси сфокусированного лазерного пучка; и оптическую систему сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы. При реализации способа генерации излучения зажигают плазму в газонаполненной камере и в непрерывном режиме фокусируют в область плазмы пучок лазера. Стартовое зажигание и затем поддержание плазмы оптического разряда осуществляется в центре камеры между двумя вспомогательными электродами. Для снижения нестабильности выходных параметров источник света оснащен устройством обратной связи. Устройство обратной связи осуществляет измерение параметров части излучения, генерируемого источником света, оцифровывает данные, определяет их отклонение от заданной величины и на этой основе вырабатывает сигнал управления лазером для уменьшения нестабильности в источнике света.
Указанный источник света характеризуется высокой яркостью и относительно высокой стабильностью выходных характеристик за счет использования устройства обратной связи.
Однако геометрия источника света не оптимальна и не уменьшает нестабильность или шум, обусловленные интенсивными турбулентными потоками газа в камере из-за тепловой конвекции в поле силы тяжести. Это снижает возможности эффективного подавления нестабильности выходных параметров источника света с лазерной накачкой даже при наличии устройства обратной связи. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание высокостабильного компактного источника света очень большой яркости с высоким ресурсом работы и способа генерации излучения.
Техническим результатом изобретений является повышение пространственной и энергетической стабильности высокояркостного источника света с лазерной накачкой, а также повышение его надежности.
Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого источника света с лазерной накачкой, включающего в себя камеру, содержащую газ; лазер, генерирующий лазерный пучок; оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы, создаваемую в камере на оси сфокусированного лазерного пучка; и оптическую систему сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы, в котором сфокусированный лазерный пучок направлен в область излучающей плазмы снизу вверх: от нижней стенки камеры к противоположной ей верхней стенке камеры, и область излучающей плазмы расположена на расстоянии от верхней стенки камеры, меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы до нижней стенки камеры.
Предпочтительно, что ось сфокусированного лазерного пучка направлена вверх по вертикали, либо близко к вертикали.
В частности, область излучающей плазмы может быть расположена на расстоянии от верхней стенки камеры, минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света с лазерной накачкой.
Предпочтительно, что ось стенки камеры имеют плоскость симметрии, содержащую ось симметрии сечения стенок камеры, камера установлена таким образом, чтобы ось симметрии сечения стенок камеры была вертикальна, либо близка к вертикали.
Предпочтительно, что ось сфокусированного лазерного пучка направлена по оси симметрии сечения стенок камеры, либо близко к оси симметрии сечения стенок камеры.
Предпочтительно, что область излучающей плазмы расположена на оси симметрии сечения стенок камеры. В частности, ось сфокусированного лазерного пучка составляет с вертикалью угол, величина которого не превышает 45 градусов.
Кроме того, с нижней стороны камеры ось лазерного пучка, генерируемого лазером, имеет направление, близкое к горизонтальному, при этом на оси лазерного пучка установлен оптический элемент, направляющий лазерный пучок, в сторону камеры.
В частности, источник света с лазерной накачкой содержит оптический элемент, направляющий ось пучка излучения плазмы по горизонтали, либо близко к горизонтали.
Кроме того, числовая апертура ΝΑι сфокусированного лазерного пучка и мощность лазера выбраны таким образом, чтобы область излучающей плазмы была протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, имея малое, находящееся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектное отношение < поперечного d и продольного / размеров области излучающей плазмы, яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси сфокусированного лазерного пучка была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера, числовая апертура NA2 прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка с верхней стороны камеры была меньше числовой апертуры ΝΑι сфокусированного лазерного пучка с нижней стороны камеры : ΝΑ2 < ΝΑι, при этом оптическая система сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы.
При этом, расходящийся пучок излучения плазмы с числовой апертурой NA, выходящий на оптическую систему сбора излучения плазмы, не пересекает прошедший через область излучающей плазмы расходящийся лазерный пучок с верхней стороны камеры; в соответствии с чем угол между осью расходящегося пучка излучения плазмы и осью сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA + arctg NA2).
Кроме того, ось расходящегося пучка излучения плазмы, выходящего на оптическую систему сбора излучения плазмы, направлена преимущественно по оси сфокусированного лазерного пучка. Помимо этого, с нижней стороны камеры установлено вогнутое сферическое зеркало, либо модифицированное вогнутое сферическое зеркало, с центром в области излучающей плазмы, имеющее отверстие, в частности, оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка в область излучающей плазмы.
В частности, в камере размещены два электрода, для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком.
Кроме того, в камере размещены два штыревых электрода, для стартового зажигания плазмы, продольные оси которых горизонтальны.
Помимо этого, в камере размещены два электрода, для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком, область излучающей плазмы расположена вне разрядного промежутка, при этом оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка в разрядный промежуток на время стартового зажигания плазмы.
В частности, в источнике света с лазерной накачкой размещен вентилятор.
Кроме того, в источнике света с лазерной накачкой размещено, по меньшей мере, одно сопло, к которому подсоединен выход мини компрессора.
В частности, камера размещена в герметичном корпусе с защитным газом, в частности, отличным от воздуха.
В частности, камера размещена в герметичном корпусе с защитным газом, в корпусе размещено, по меньшей мере, одно сопло, обеспечивающее обдув верхней стенки камеры потоком защитного газа, к соплу через теплообменник подсоединен выход мини компрессора, вход которого соединен с герметичным корпусом.
В частности, введена автоматизированная система управления с отрицательной обратной связью и функцией поддержания заданной мощности источника света с лазерной накачкой, включающая в себя измеритель мощности пучка излучения плазмы и контроллер, обрабатывающий данные измерителя мощности пучка излучения плазмы и управляющий выходной мощностью лазера.
В способе генерации излучения направляют сфокусированный лазерный пучок снизу вверх: от нижней стенки камеры к противоположной ей верхней стенке камеры, кратковременно обеспечивают фокусировку лазерного пучка в разрядный промежуток между электродами. Для стартового зажигания плазмы, осуществляют зажигание плазмы и перемещают фокус лазерного пучка снизу вверх, и сфокусированным лазерным пучком, в непрерывном режиме формируют область излучающей плазмы вне разрядного промежутка вблизи верхней стенки камеры.
В частности, сфокусированный лазерный пучок направляют в камеру вдоль вертикальной оси симметрии сечения стенок, камеры и формируют область излучающей плазмы на оптимально малом расстоянии от верхней стенки камеры, при котором близость плазмы к верхней стенке камеры не оказывает заметного влияния на время жизни источника света.
Кроме того, охлаждают камеру потоком защитного газа, направленным на верхнюю стенку камеры.
В частности, предварительно задают требуемое значение мощности излучения источника света с лазерной накачкой и в процессе долговременной работы с помощью автоматизированной системы управления обеспечивают поддержание заданной мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:
На Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4 показано схематичное изображение источника света в различных частных случаях осуществления настоящих изобретений,
Фиг. 5 показывает различные конфигурации источника света с лазерной накачкой, отличающиеся уровнем нестабильности мощности излучения плазмы.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.
В соответствии с примером осуществления изобретения показанном на Фиг. 1, источник света с лазерной накачкой включает в себя камеру 1, содержащую газ; лазер 2, генерирующий лазерный пучок 3; оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы 5, создаваемую в камере 1 на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7; и оптическую систему 8 сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы 9. Сфокусированный лазерный пучок 7 направлен в область излучающей плазмы 5 снизу вверх: от нижней стенки камеры 10 к противоположной ей верхней стенке 11 камеры 1. Область излучающей плазмы 5 расположена на расстоянии от верхней стенки 11 камеры, меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы 5 до нижней стенки камеры 10.
На Фиг. 1, как и на других иллюстрациях, ось Z координат, параллельная силе тяжести F = nig и направлена вертикально вверх.
При выполнении в предложенном виде достигается наибольшая стабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой. Это связано с тем фактом, что обычно область излучающей плазмы 5 несколько сдвигается от фокуса навстречу сфокусированному лазерному пучку 7 до того сечения сфокусированного лазерного пучка, где интенсивность сфокусированного лазерного пучка еще достаточно для поддержания области излучающей плазмы 5. При направлении сфокусированного лазерного пучка 7 снизу вверх область излучающей плазмы 5, содержащая наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, стремится всплывать под действием архимедовой силы. Поднимаясь, область излучающей плазмы 5 попадает в место, более близкое к фокусу, где сечение сфокусированного лазерного пучка 7 меньше, а интенсивность лазерного излучения выше. Это с одной стороны повышает яркость излучения плазмы, а с другой стороны,- уравновешивает силы, действующие на область излучающей плазмы, что обеспечивает высокую стабильность мощности излучения высокояркостного источника света с лазерной накачкой.
В связи с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлена вертикально вверх, то есть по оси Z (Фиг. 1 ), либо близко к вертикали Z.
Здесь и далее, если не оговорено особо, близость объектов означает, что расстояние между объектами в пределах камеры 1 во много раз меньше размеров камеры 1.
Другой фактор, влияющий на стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой, определяется действием конвективных потоков 12 газа в камере 1. Импульс, приобретаемый под действием архимедовой силы газом, нагреваемым в области излучающей плазмы 5 тем меньше, чем ближе область излучения плазмы к верхней стенке 11 камеры. В связи с этим скорость и турбулентность конвективных потоков 12 газа тем меньше, чем ближе область излучения плазмы 5 к верхней стенке 1 1 камеры.
В соответствии с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения область излучающей плазмы 5 расположена на расстоянии h от верхней стенки 1 1 камеры 1 , минимально возможном для того, чтобы не оказьшать заметного негативного воздействия на время жизни источника света. Предпочтительно величина h находится в диапазоне от 0.5 до 7 мм.
Для того чтобы область излучающей плазмы не была подвержена воздействию горизонтальных сил, обусловленных конвективными потоками 12 газа, желательно, чтобы тепловая конвекция в камере 1 имела ось симметрии, совмещенную с осью 6 сфокусированного лазерного пучка 7.
В связи с этим, стенки 10, 1 1 камеры 1 имеют плоскость симметрии (ZY на Фиг. 1 ), сечение стенок 10, 1 1 в плоскости симметрии камеры 1 имеет ось симметрии 13, камера установлена таким образом, чтобы ось симметрии 13 сечения стенок 10, 1 1 камеры 1 была вертикальна, либо близка к вертикали. При этом предпочтительно, что ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлена по оси 13 симметрии сечения стенок 10, 1 1 камеры 1, либо близко к оси 13 симметрии сечения стенок 10, 1 1 камеры 1 , и область излучающей плазмы 5 расположена на оси 13 симметрии сечения стенок (10, 1 1) камеры 1.
Отклонения от вертикали оси сфокусированного лазерного пучка 6, при которых еще наблюдается значительное снижение нестабильности мощности излучения источника света с лазерной накачкой, находятся в определенных пределах. В связи с этим, ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 составляет с вертикалью Z угол, величина которого не превышает 45 градусов.
При выполнении источника света в предложенном виде могут возрастать его размеры по вертикали. В связи с этим, для обеспечения компактности устройства ось 14 лазерного пучка 3, генерируемого лазером 2, может быть направлена близко к горизонтали, при этом на оси 14 лазерного пучка 3, генерируемого лазером 2, установлен отклоняющий оптический элемент 15, направляющий ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 вверх, в сторону камеры 1. На Фиг. 1 отклоняющий оптический элемент 15 и оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, выполнены как отдельные элементы, но они могут быть объединены в одном оптическом элементе, например, в виде поворотного фокусирующего зеркала. В варианте реализации изобретения (Фиг. 1) оптическая система 8 сбора излучения плазмы включает в себя вогнутое зеркало 16, расположенное вокруг оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и формирующее в фокусе зеркала 16 удаленный точечный источник света 17, удобный для использования. Поскольку отражаемый от вогнутого зеркала 16 пучок 18 излучения плазмы направлен преимущественно по вертикали, высота источника света с лазерной накачкой, выполненного в соответствии с изобретением, может стать неоправданно большой.
В связи с этим, для обеспечения компактности устройства (Фиг. 1), источник света с лазерной накачкой содержит отклоняющий оптический элемент 19, направляющий ось 20 пучка излучения плазмы 9 по горизонтали, либо близко к горизонтали.
Как показано на Фиг. 1 , выход излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы осуществляется пучком излучения плазмы 21, выходящим под большими углами к оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, и исключающим пространственные углы, включающие в себя ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7. Это, в частности, определяет наличие темной области 15 в отражаемом от вогнутого зеркала 16 пучке 18 излучения плазмы.
Для устранения в пучке излучения плазмы 9 лазерного излучения устройство также содержит установленный с верхней стороны камеры 1 блокатор 23 расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Блокатор 23 установлен в темной области 22 отраженного от вогнутого зеркала 16 пучка 18 излучения плазмы (Фиг. 1). Блокатор 23 может быть выполнен в виде зеркала, отражающего, лазерное излучение, либо в виде элемента, полностью поглощающего излучение.
В рассматриваемых изобретениях используется обнаруженный нами полезный эффект самофокусировки расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5, за счет реализации условий образования плазменной линзы в области излучающей плазмы 5.
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 2, числовая апертура ΝΑι сфокусированного лазерного пучка 7 и мощность лазера 2 выбраны таким образом, чтобы область излучающей плазмы 5 была протяженной вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, имея малое, находящееся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектное отношение dJl поперечного d и продольного / размеров области излучающей плазмы 5. При этом, яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера, числовая апертура NA2 прошедшего через область излучающей плазмы 5 расходящегося лазерного пучка 24 с верхней стороны камеры 1 была меньше числовой апертуры ΝΑι сфокусированного лазерного пучка 7 с нижней стороны 5 камеры: ΝΑ2 < ΝΑι. При этом оптическая система 8 сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 6.
Здесь числовая апертура NA пучка определяется как NA= n-sin Θ, где η- показатель преломления среды, в которой распространяется пучок, Θ - абсолютное значение угла между крайним или граничным лучом пучка и его осью. Здесь и далее можно считать, что п=1 и NA=sin 9. В соответствии с этим для числовой апертуры NA) сфокусированного лазерного пучка также справедливо соотношение NAi= a/f, где а- радиус лазерного пучка на выходе из оптического элемента, фокусирующего лазерный пучок,/- фокусное расстояние оптического элемента.
Расходящийся пучок излучения плазмы 25 с числовой апертурой NA не пересекает прошедший через область излучающей плазмы 5 расходящийся лазерный пучок 24 с верхней стороны камеры 1 , в соответствии с этим, угол между осью 26 расходящегося пучка 25 излучения плазмы и осью 6 сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA + arctg NA2).
В данном варианте реализации изобретения наряду с высокой стабильностью высокояркостного источника света с лазерной накачкой обеспечивается простота конструкции в сочетании с надежным и простым устранением лазерного излучения в пучке 25 излучения плазмы при отсутствии в нем темной области. Высокая яркость излучения обеспечивается с одной стороны,- наибольшей яркостью протяженной области излучающей плазмы 5 вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, во-вторых,- близким к ней расположением расходящегося пучка излучения плазмы 25.
Яркость устройства может быть повышена при размещении с нижней стороны камеры 1 на оси 26 расходящегося пучка излучения плазмы 25 вогнутого сферического зеркала, либо модифицированного вогнутого сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы 5 (для упрощения не показано).
В варианте реализации изобретения (Фиг. 2) оптическая система 8 сбора излучения плазмы содержит входную линзу 27, на которую осуществлен выход излучение плазмы в виде расходящегося пучка 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 5. В других вариантах реализации изобретения оптическая система 8 сбора излучения плазмы может быть более сложной и содержать не преломляющую, а отражающую оптику или их комбинацию.
На Фиг. 3 показан вариант реализации изобретения направленный на дальнейшее улучшение выходных характеристик источника света с лазерной накачкой. Числовая апертура
Figure imgf000014_0001
сфокусированного лазерного пучка 7 и мощность лазера 2 выбраны таким образом, чтобы область излучающей плазмы 5 была протяженной вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, имея малое, находящееся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектное отношение d/l поперечного d и продольного / размеров области излучающей плазмы 5, яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера, числовая апертура NA2 прошедшего через область излучающей плазмы 5 расходящегося лазерного пучка 24 с верхней стороны камеры 1 была меньше числовой апертуры Αι сфокусированного лазерного пучка 7 с нижней стороны 5 камеры: NA2 < NAj. При этом оптическая система 8 сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 6. Кроме этого, ось 26 расходящегося пучка 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 5 направлена преимущественно по оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7.
Для устранения лазерного излучения в формируемом системой 8 сбора излучения плазмы пучке излучения плазмы 9, устройство содержит установленный с верхней стороны камеры 1 блокатор 23 расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Образование плазменной линзы в области излучающей плазмы 5 и значительное снижение числовой апертуры NA2 прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 24, блокируемого с верхней стороны 11 камеры 1, позволяет при NA2« NA использовать для малой приосевой зоны пучка 15 излучения плазмы простые и надежные не селективные блокаторы, либо отражающие излучение в широком спектральном диапазоне, либо полностью поглощающие. Это может упрощать источник света, обеспечивая его надежность, высокую стабильность и большое время жизни. Блокатор 23 может быть выполнен в виде отражающего лазерное излучение покрытия малой части поверхности входной линзы 27 оптической системы 8 сбора излучения плазмы (Фиг. 3).
При выполнении источника света с лазерной накачкой в предложенном виде с малым аспектным отношением d/l области излучающей плазмы яркость ее излучения максимальна вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, значительно, в несколько раз, превосходя яркость излучения в поперечном к оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлении. Поэтому при предложенном осуществлении осевого сбора излучения плазмы достигается максимальная яркость источника, которая согласно принципу инвариантности яркости без изменений при отсутствии потерь переносится оптической системой. При этом самофокусировка прошедшего через область излучающей плазмы 5 расходящегося лазерного пучка 24 упрощает его блокировку без значительных потерь в расходящемся пучке излучения плазмы 25.
Эффективность сбора излучения увеличивается, если с нижней стороны камеры 1 установлено вогнутое сферическое зеркало 28, с центром в области излучающей плазмы 5, имеющее отверстие 29 для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 5.
В этом варианте реализации изобретения пучок 25 излучения плазмы усилен пучком 30 излучения плазмы, отраженным от установленного с нижней стороны камеры 1 сферического зеркала 28 с центром в области излучающей плазмы 5. Это позволяет увеличить яркость в пучке 25 излучения плазмы, значительно увеличить эффективность сбора излучения плазмы и повысить эффективность источника света в целом. В соответствии с экспериментом увеличение яркости и эффективности сбора составляет около 70%.
Вогнутое сферическое зеркало 28 прозрачно для сфокусированного лазерного пучка 7 вблизи его оси 6 и имеет оптическое отверстие 29. Данный вариант реализации упрощает конструкцию вогнутого сферического зеркала 28. С нижней стороны камеры установлено вогнутое модифицированное сферическое зеркало 28 с центром в области излучающей плазмы 5, имеющее отверстие 29, в частности, оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 5. Использование модифицированного сферического зеркала 28 предпочтительно для компенсации искажения хода оптических лучей стенками камеры 1, что повышает эффективность источника света с лазерной накачкой.
В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 3, оптическая система 8 сбора излучения плазмы формирует пучок излучения плазмы 9, вводимый в оптоволокно 31, которое, транспортируя излучение плазмы, обеспечивает высокояркостный удаленный точечный источник света 17 в необходимом для использования месте.
В камере 1 размещены два электрода 32, 33 для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком 34. Их применение облегчает зажигание плазмы, поддерживаемой затем в непрерывном режиме с помощью лазера. В некоторых случаях плотность мощности лазерного излучения в камере недостаточна для зажигания плазмы, поэтому использование электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы является необходимым условием создания области излучающей плазмы 5.
Предпочтительно, что продольные оси электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы горизонтальны. Это упрощает расположение камеры 1 так, чтобы ось 13 симметрии сечения стенок камеры была вертикальна, что повышает стабильность излучения плазмы.
Для упрощения конструкции камеры 1 область излучающей плазмы 5 расположена вне разрядного промежутка 34. При этом для облегчения стартового зажигания плазмы предпочтительно, что оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 33 на время стартового зажигания плазмы. С этой целью в одном из вариантов реализации изобретения оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, может быть установлен на управляемом линейном трансляторе 35 (Фиг. 3), перемещаемом в направлениях, показанных стрелками 36. В другом варианте реализации оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, может быть выполнен в виде объектива с переменным фокусным расстоянием.
Для устранения образования озона камера 1 размещена в герметичном корпусе 37, и герметичный корпус 37 заполнен защитным газом 38. В качестве защитного газа может быть использован газ, не содержащий кислород, например, азот.
Для поддержания необходимой для долговременной работы камеры 1, допустимой температуры верхней стенки 11 в камере 1 размещен вентилятор 39. Предпочтительно, что газовый поток 40 защитного газа, создаваемый вентилятором 39 направлен на верхнюю стенку 11 камеры 1, вблизи которой формируют область горячей излучающей плазмы. При этом предпочтительно, что стенка, либо стенки герметичного корпуса 37 выполнены в виде радиатора, высокоэффективно осуществляющего теплообмен с окружающим корпус 37 воздухом.
Фиг. 4 иллюстрирует вариант реализации изобретения, в которых для организации потока защитного газа, более эффективно охлаждающего камеру 1, введена система циркуляции защитного газа в герметичном корпусе 37, содержащая, по меньшей мере, одно сопло 41, обеспечивающее обдув камеры 1 направленным потоком 40 защитного газа, мини-компрессор 42 и теплообменник 43. При этом выход 44 мини компрессора 42 подсоединен к соплу 41, через теплообменник 43, а вход 45 мини компрессора 42 соединен с герметичным корпусом 37.
В устройство может быть введена автоматизированная система управления (АСУ) источником света с лазерной накачкой, характеризующаяся отрицательной обратной связью между мощностью пучка излучения плазмы и мощностью лазера. АСУ включает в себя контроллер 46, управляющий выходной мощностью лазера 2, на основании результатов обработки данных измерителя 47 мощности излучения плазмы. Предпочтительно, чтобы измеритель 47 мощности излучения плазмы был установлен после оптоволокна 31, обеспечивающего на выходе удаленный точечный источник света 17 в месте, необходимом для формирования конечного пучка излучения плазмы 48. Предпочтительно, что измеритель 47 мощности излучения плазмы был совмещен с оптическим блоком формирования конечного пучка излучения плазмы 48, в котором установлен светоделитель, ответвляющий малую часть мощности пучка излучения плазмы на фотоприемное устройство (фотодиод) измерителя мощности 47. Контроллер 46 соединен с входом блока управления лазера 2 посредством, например, оптоволокна 49. Применение АСУ позволяет поддерживать заданный стабилизированный уровень мощности источника света в долговременном режиме или его изменение со временем по заданной программе. В состав АСУ источником света с лазерной накачкой могут входить системы контроля и управления температурами лазера 2, защитного газа в камере 37, стенок камеры1.
На Фиг. 5 показаны различные конфигурации источника света с лазерной накачкой, отличающиеся направлением оси 6 сфокусированного лазерного пучка, ориентацией электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы и различными положениями I-VI области излучающей плазмы на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, отличающиеся, соответственно нестабильностью мощности излучения источника света 3σ. Здесь 3σ- относительная нестабильность мощности излучения / источника света с лазерной накачкой определяет интервал (Т/1- 3σ; Τ//Ι+3σ) около среднего значения /, в котором не менее чем с 99,7 % достоверностью лежат измеренные значения мощности / источника света с лазерной накачкой. Усреднение мощности излучения / источника света проводилось на временном интервале 0,1 сек.
В таблице 1 для иллюстрируемых на Фиг. 5 конфигураций источника света с лазерной накачкой с различными положениями I-VI области излучающей плазмы представлены измеренные значения относительной нестабильности 3σ мощности его излучения.
Таблица 1. Измеренная относительная нестабильность мощности излучения плазмы для различных конфигураций источника света с лазерной накачкой.
Figure imgf000018_0001
Плазма создавалась в лампе "OSRAM" ХВО 150 W/4, заполненной Хе при давлении 20 атм. Для лазерной накачки использовался иттербиевый лазер YLPM-1- А4-20-20 IPG IRE-Polus с мощностью излучения 125 Вт на длине волны излучения λ=1070 нм. Плотность мощности лазерного излучения была недостаточна для зажигания плазмы, поэтому использовались два штыревых электрода 32, 33 для стартового зажигания плазмы. Из данных таблицы 1 видно, что в зависимости от конфигурации источника света с лазерной накачкой нестабильность мощности его излучения изменяется более, чем на порядок величины.
Аналогичные результаты получены при использовании лазера с длиной волны излучения 980 нм.
В соответствии с результатами измерений наивысшая стабильность мощности излучения достигается для конфигурации VI источника света с лазерной накачкой, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В этой конфигурации:
- ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлена в область излучающей плазмы 5 вертикально снизу вверх,
- область излучающей плазмы 5 расположена, как показано стрелкой VI на, на расстоянии от верхней стенки 11 камеры меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы 5 до нижней стенки 10 камеры,
- область излучающей плазмы 5 расположена на расстоянии до верхней стенки 11 камеры 1, минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света с лазерной накачкой;
- стенки 10, 11 камеры симметричны относительно вертикальной плоскости
ZY; в вертикальной плоскости симметрии ZY сечение стенок 10, 11 камеры 1 симметрично относительно вертикальной оси 13; ось 6 сфокусированного лазерного пучка направлена по вертикальной оси 13 симметрии сечения стенок 10, 1 1 камеры 1 ,
- область излучающей плазмы создана вне разрядного промежутка 34, расположенного между двумя электродами 32, 33 для стартового зажигания плазмы; оси электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы горизонтальны,
- оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок 7, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка в разрядный промежуток 34 на время стартового зажигания плазмы.
Способ генерации излучения, преимущественно широкополосного излучения высокой яркости посредством источника света с лазерной накачкой, иллюстрируемый Фиг. 1, реализуют следующим образом. Включают лазер 2, обеспечивающий лазерный пучок 3. Зажигают плазму в камере 1, содержащую газ, в частности, Хе высокого, 10-20 атм, давления. Оптическим элементом 4, фокусируют в камеру 1 лазерный пучок 7. С помощью сфокусированного лазерного пучка 7 в камере 1 создают область излучающей плазмы 5 на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и обеспечивают непрерывный ввод лазерной мощности в область излучающей плазмы 5 для поддержания высокояркостного излучения плазмы в непрерывном режиме. Сфокусированный лазерный пучок 7 направляют в область излучающей плазмы 5 снизу вверх: от нижней стенки 10 камеры 1 к противоположной ей верхней стенке 11 камеры 1 таким образом, чтобы область излучающей плазмы 5 была расположена на расстоянии от верхней стенки 11 камеры 1 , меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы 5 до нижней стенки 10 камеры 1. При этом осуществляют сбор излучения плазмы оптической системой 8 сбора излучения плазмы, с помощью которой формируют пучок излучения плазмы 9.
В предпочтительных вариантах реализации изобретений ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направляют вверх по вертикали, по оси Z, либо близко к вертикали. Сфокусированный лазерный пучок 7 направляют в камеру 1 вдоль вертикальной оси 13 симметрии сечения стенок 10, 11 камеры 1, либо близко к вертикальной оси 13 симметрии сечения стенок 10, 11 камеры 1, и создают область излучающей плазмы 5 на оси симметрии 13 сечения стенок 10, 1 1 камеры 1. Область излучающей плазмы 5 формируют на оптимально малом расстоянии от верхней стенки 11 камеры 1 , при котором близость плазмы к стенке 11 камеры 1 не оказывает заметного влияния на время жизни источника света. Сфокусированный лазерный пучок 7 направляют в камеру 1 таким образом, чтобы ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 составляла с вертикалью (Z) угол, величина которого не превышает 45 градусов. Лазерный пучок 3, генерируемый лазером 2, имеющий направление, близкое к горизонтальному направлению, отклоняют вверх в сторону камеры 1 с помощью отклоняющего оптического элемента 15, установленного на оси лазерного пучка 3, генерируемого лазером 2.
В варианте реализации изобретения (Фиг. 1), выход излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы осуществляется пучком излучения плазмы 21 , выходящим под большими углами к оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и исключающим пространственные углы на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 с общим центром в области излучающей плазмы. Сбор излучения плазмы осуществляют посредством оптической системы 8, включающей в себя вогнутое зеркало 16, расположенное вокруг оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. В фокусе вогнутого зеркала 16 формируют удаленный точечный источник света 17. Это, в частности, определяет наличие темной области 15 в отражаемом от вогнутого зеркала 16 пучке 18 излучения плазмы.
При формировании пучка излучения плазмы 9 устраняют присутствие в нем лазерного излучения посредством установленного с верхней стороны камеры 1 блокатора 23 расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Блокатор 23, который может быть установлен в темной области 22 отраженного от вогнутого зеркала 16 пучка 18 излучения плазмы, поглощает излучение лазера 2, либо отражает его в сторону от пучка излучения плазмы 9. Ось 20 пучка 9 излучения плазмы, сформированного оптической системой 8 сбора излучения плазмы направляют по горизонтали, либо близко к горизонтали с помощью оптического элемента 19, установленного на оси 20 пучка излучения плазмы, что обеспечивает компактность устройства.
За счет выбора мощности лазера 2 и числовой апертуры ΝΑι сфокусированного лазерного пучка 7 в камере 1 формируют протяженную вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка область излучающей плазмы 5, характеризующуюся:
- малым аспектным отношением d/l поперечного d и продольного / размеров, находящимся в диапазоне от 0,1 до 0,5,
- яркостью излучения плазмы вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка, близкой к максимально достижимой для данной мощности лазера 2,
- свойствами плазменной линзы, обеспечивающими уменьшение числовой апертуры NA2 прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 24 с верхней стороны камеры 1 по сравнению с числовой апертурой ΝΑι сфокусированного лазерного пучка 7 с нижней стороны камеры: ΝΑ2 < ΝΑι.
При этом осуществляют выход излучения плазмы на расположенную с верхней стороны камеры 1 оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящимся пучком 15 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы. В варианте реализации изобретения (Фиг. 2) осуществляют выход излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящимся пучком излучения плазмы, не пересекающим расходящийся лазерный пучок, прошедший через область излучающей плазмы; в соответствии с чем угол между осью расходящегося пучка излучения плазмы, характеризующегося числовой апертурой NA, и осью сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA + arctg NA2).
В предпочтительных вариантах реализации изобретений (Фиг. 3, Фиг. 4) осуществляют вывод излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы, расходящимся пучком 13 излучения плазмы, направление оптической оси 17 которого преимущественно совпадает с направлением оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. Сбор излучения плазмы осуществляют посредством оптической системы 8, включающей в себя входную линзу 27. С помощью блокатора 23, предотвращают распространение по оптической системе 8 сбора излучения плазмы расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Блокатор 23 может быть выполнен, например, в виде отражающего, в частности, селективно отражающего лазерный пучок покрытия части поверхности входной линзы 27. В последнем случае формируемый оптической системой сбора излучения плазмы 8 пучок излучения плазмы 9 не имеет зоны затенения.
В вариантах реализации изобретения (Фиг. 3, Фиг. 4) с помощью оптической системы 8 сбора излучения плазмы формируют пучок излучения плазмы 9, который вводят в оптоволокно 31, обеспечивая высокояркостный удаленный точечный источник света 17 в необходимом для использования месте.
Направляют сфокусированный лазерный пучок 7 снизу вверх: от нижней стенки 10 камеры 1 к противоположной ей верхней стенке 1 1 камеры 1, кратковременно обеспечивают фокусировку лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 34 между электродами 32, 33 для стартового зажигания плазмы, осуществляют зажигание плазмы и перемещают фокус лазерного пучка 7, снизу вверх и сфокусированным лазерным пучком 7, в непрерывном режиме формируют область излучающей плазмы 5 вне разрядного промежутка 34 вблизи верхней стенки 1 1 камеры 1. Зажигание плазмы предпочтительно осуществляют между штыревыми электродами 32, 33 для стартового зажигания плазмы, продольные оси которых горизонтальны. При этом оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 34 на время стартового зажигания плазмы. Оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, перемещают в направлениях, показанных стрелками 36 (Фиг. 3) с помощью управляемого линейного транслятора 35. В другом варианте реализации фокус лазерного пучка 7 перемещают за счет выполнения оптического элемента 4, фокусирующего лазерный пучок, в виде объектива с переменным фокусным расстоянием
Направляют поток 40 защитного газа на верхнюю стенку 1 1 камеры 1. При этом формируют поток 40 защитного газа, отличного от воздуха, вентилятором 39. В предпочтительных вариантах реализации камера 1 и вентилятор размещены в герметичном корпусе 37.
В других случаях направляют поток 40 защитного газа на верхнюю стенку 1 1 камеры 1 с помощью, по меньшей мере, одного сопла 41, к которому подсоединен выход 44 мини- компрессора 42 (Фиг. 4). В предпочтительном варианте реализации осуществляют обдув верхней стенки 11 камеры 1 направленным потоком 40 защитного газа, формируемым с помощью системы циркуляции защитного газа, включающей в себя, по меньшей мере, одно сопло 41, мини-компрессор 42 и теплообменник 43. Предпочтительно, что выход 44 мини компрессора 42 подсоединен к соплу 41 через теплообменник 43, а вход 45 мини компрессора 43 соединен с герметичным корпусом 37.
Предварительно задают требуемое значение мощности излучения источника света с лазерной накачкой и в процессе долговременной работы с помощью автоматизированной системы управления с отрицательной обратной связью обеспечивают поддержание заданной мощности излучения источника света с лазерной накачкой. В процессе работы входящий в состав АСУ контроллер 46 определяет на основе обработки данных измерителя мощности 47 отклонения мощности конечного пучка излучения плазмы 48 от заданного уровня и вырабатывает управляющий сигнал, посылаемый, например, по оптоволокну 48 на вход блока управления лазера 2. С помощью АСУ обеспечивают запрограммированное поведение во времени мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
При выполнении в предложенном виде источник света с лазерной накачкой приобретает существенные новые положительные качества. При предложенном вводе сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 5 снизу вверх, предпочтительно вертикально, с формированием области излучающей плазмы 5 вблизи верхней стенки 11 камеры 1 достигается наибольшая стабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой. Положительный эффект обусловлен тем, что движение области излучающей плазмы от фокуса вниз навстречу сфокусированному лазерному пучку 7 до сечения, где лазерная интенсивность еще достаточна для поддержания области излучающей плазмы 5, уравновешивается всплыванием области излучающей плазмы 5. Всплывание области излучающей плазмы 5, содержащей наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, происходит под действием архимедовой силы. В результате область излучающей плазмы 5 расположена в месте, наиболее близком к фокусу, где сечение сфокусированного лазерного пучка 7 меньше, а интенсивность лазерного излучения выше. Это, с одной стороны, повышает яркость излучения плазмы, а с другой стороны,- за счет равновесия сил, действующих на область излучающей плазмы, обеспечивает высокую стабильность мощности излучения высокояркостного источника света с лазерной накачкой.
В результате увеличивается яркость источника света и значительно, вплоть до порядков величины, снижается нестабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
Чем ближе к верхней стенке 11 камеры область излучающей плазмы, в которой происходит основное выделение тепла, тем меньше тяга, и, соответственно, меньше скорость и турбулентность конвективных потоков 12 газа в камере. Это повышает стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой при предложенном расположении области излучающей плазмы на расстоянии от верхней стенки 11 камеры 1 , минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света.
Размещение камеры 1 в герметичном корпусе 37, заполненном защитным газом 38 устраняет образование озона.
Обдув верхней стенки 11 камеры 1 потоком защитного газа 40 с помощью вентилятора 39 или, что более эффективно, с помощью системы циркуляции защитного газа в герметичном корпусе 37 позволяет поддерживать температуру наиболее нагреваемой верхней стенки 11 камеры 1 на уровне, необходимом для обеспечения большого времени жизни источника света. Также эффективное охлаждение камеры 1 позволяет повышать мощность лазерной накачки и, соответственно, увеличивать яркость источника света.
Отклонение оси 6 сфокусированного лазерного пучка от вертикали Z на величину, не превьплаюшую 45 градусов, позволяет снижать в результате отмеченных причин нестабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
Формирование протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка области излучающей плазмы с малым аспектным отношением d/l, свойствами плазменной линзы (ΝΑ2 < ΝΑι) и яркостью излучения плазмы вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, близкой к максимально достижимой для данной мощности лазера, определяет следующие основные преимущества.
Наибольшие преимущества достигаются при выводе излучения плазмы на расположенную с верхней стороны камеры оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящимся пучком 25 излучения плазмы, направление оси 26 которого преимущественно совпадает с направлением оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 (Фиг. 3, Фиг. 4). Для области излучающей плазмы 5, преимущественно прозрачной для собственного излучения, его наибольшая яркость при малом, от 0, 1 до 0,5, аспектом отношении d/l реализуется в направлении вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. За счет выбора оптимальной числовой апертуры NAj сфокусированного лазерного пучка 7 для каждого выбранного значения мощности лазера, при котором возможна высокоэффективная работа устройства, обеспечивается близкая к максимально возможной яркость излучения плазмы именно в направлении оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. Достигаемая таким образом максимальная яркость источника света с лазерной накачкой инвариантно (без учета потерь) передается оптической системой сбора 8 излучения плазмы, осуществляющей сбор излучения в осевом направлении (Фиг. 3, Фиг. 4). Это определяет получение существенно большей яркости в источнике света, выполненным в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с конфигурациями источника света (Фиг. 1), использующими внеосевой сбор излучения плазмы. При этом высокая эффективность сбора излучения плазмы реализуется при выборе величины числовой апертуры пучка излучения плазмы NA, удовлетворяющей условию NA > dfi. Формирование области излучающей плазмы со свойствами плазменной линзы, является, в соответствии с экспериментальными данными, одним из условий эффективной работы устройства. Кроме этого, обеспечивается значительное уменьшение числовой апертуры NA2 расходящегося лазерного пучка, прошедшего через область излучающей плазмы, и при NA2« NA можно использовать блокаторы, затеняющие лишь очень малую приосевую зону расходящегося пучка 25 излучения плазмы. В этом случае можно использовать простые и надежные блокаторы, либо отражающие излучение в широком спектральном диапазоне, либо полностью поглощающие. Это упрощает источник света, обеспечивает его надежность, высокую стабильность и большое время жизни.
Усиление расходящегося пучка излучения плазмы 25 пучком 39 излучения плазмы, отраженным сферическим зеркалом 28, либо модифицированным зеркалом, установленным с нижней стороны камеры 1 (Фиг. 3, Фиг. 4), значительно, в соответствии с экспериментальными данными на ~ 70%, повышает эффективность сбора излучения плазмы и КПД источника света с лазерной накачкой в целом.
Вывод на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящегося пучка 25 излучения плазмы, не пересекающего расходящийся лазерный пучок 24, прошедший через область излучающей плазмы, обеспечивает простоту и надежность устройства (Фиг. 2). Наряду с высокой стабильностью высокояркостного источника света с лазерной накачкой обеспечивается надежное и простое устранение лазерного излучения в пучке 25 излучения плазмы при отсутствии в нем затененной области. Высокая яркость излучения обеспечивается с одной стороны, наибольшей яркостью протяженной области излучающей плазмы 5 вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, во-вторых,- близким к этой оси расположением расходящегося пучка излучения плазмы 25.
Применение электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы, поддерживаемой затем в непрерывном режиме с помощью лазера 2 облегчает зажигание плазмы. При горизонтальном расположении продольных осей электродов 32, 33 упрощается возможность расположение камеры с вертикальной осью 13 симметрии стенок 10, 11, что повышает стабильность излучения плазмы. Создание области излучающей плазмы 5 вне разрядного промежутка 34 упрощает конструкции камеры 1 источника света с лазерной накачкой выполненного в соответствии с изобретением. При этом выполнение оптического элемента 4, фокусирующего лазерный пучок, с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 34 обеспечивает надежное стартовое зажигание плазмы.
Применение АСУ позволяет поддерживать заданный стабилизированный уровень мощности источника света в долговременном режиме, а также управлять мощностью излучения устройства в программируемом режиме.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить пространственную и энергетическую стабильность широкополосного источника света с лазерной накачкой; а также увеличить его яркость при обеспечении компактности и простоты конструкции, надежном устранении нежелательного попадания лазерного излучения в систему сбора излучения плазмы. Все это расширяет функциональные возможности устройства.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Выполненные в соответствии с настоящими изобретениями высокояркостные высокостабильные источники света с лазерной накачкой, могут использоваться в различных проекционных системах, для спектрохимического анализа, спектрального микроанализа биообъектов в биологии и медицине, в микрокапиллярной жидкостной хроматографии, для инспекции процесса оптической литографии, для спектрофотометрии и других целей.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Источник света с лазерной накачкой, включающий в себя камеру (1), содержащую газ; лазер (2), генерирующий лазерный пучок (3); оптический элемент
(4) , фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы (5), создаваемую в камере (1) на оси (6) сфокусированного лазерного пучка (7); и оптическую систему (8) сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы (9), в котором
сфокусированный лазерный пучок (7) направлен в область излучающей плазмы (5) снизу вверх: от нижней стенки (10) камеры (1) к противоположной ей верхней стенке (11) камеры ( 1 ), и
область излучающей плазмы (5) расположена на расстоянии от верхней стенки (1 1) камеры (1), меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы
(5) до нижней стенки (10) камеры (1).
2. Устройство по п. 1, в котором ось (6) сфокусированного лазерного пучка (7) направлена вверх по вертикали (Z), либо близко к вертикали.
3. Устройство по п. 1, в котором область излучающей плазмы (5) расположена на расстоянии от верхней стенки (11) камеры (1), минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света с лазерной накачкой.
4. Устройство по п. 1, в котором стенки (10, 11) камеры имеют плоскость симметрии (ZY), содержащую ось симметрии (13) сечения стенок (10, 11) камеры (1) в плоскости симметрии (ZY), камера (1) установлена таким образом, чтобы ось симметрии (13) сечения стенок (10, 11) камеры (1) была вертикальна, либо близка к вертикали.
5. Устройство по п. 4, в котором ось (6) сфокусированного лазерного пучка (7) направлена по оси (13) симметрии сечения стенок (10, 11) камеры (1), либо близко к оси (13) симметрии сечения стенок (10, 11) камеры (1).
6. Устройство по п. 4, в котором область излучающей плазмы (5) расположена на оси (13) симметрии сечения стенок (10, 11) камеры (1).
7. Устройство по п. 1, в котором ось (6) сфокусированного лазерного пучка (7) составляет с вертикалью (Z) угол, величина которого не превышает 45 градусов.
8. Устройство по п. 1, в котором с нижней стороны камеры (1) ось (14) лазерного пучка (3), генерируемого лазером (2), имеет направление, близкое к горизонтальному, при этом на оси (14) лазерного пучка (3) установлен оптический элемент (15), направляющий лазерный пучок (3), в сторону камеры (1).
9. Устройство по п. 1, содержащее оптический элемент (19), направляющий ось (20) пучка (9) излучения плазмы по горизонтали, либо близко к горизонтали.
10. Устройство по п. 1, в котором числовая апертура ΝΑι сфокусированного лазерного пучка (7) и мощность лазера (2) выбраны таким образом, чтобы
область излучающей плазмы (5) была протяженной вдоль оси (6) сфокусированного лазерного пучка (7), имея малое, находящееся в диапазоне от 0, 1 до 0,5, аспектное отношение d/l поперечного d и продольного / размеров области излучающей плазмы (5),
яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси (6) сфокусированного лазерного пучка (7) была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера (2),
числовая апертура NA2 прошедшего через область излучающей плазмы (5) расходящегося лазерного пучка (24) с верхней стороны камеры (1) была меньше числовой апертуры ΝΑι сфокусированного лазерного пучка (7) с нижней стороны камеры ( 1 ): ΝΑ2 < ΝΑι ,
при этом оптическая система (8) сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры (1), и выход излучения плазмы на оптическую систему (8) сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком (25) излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы (5).
1 1. Устройство по п. 10, в котором расходящийся пучок (25) излучения плазмы с числовой апертурой ΝΑ, выходящий на оптическую систему (8) сбора излучения плазмы, не пересекает прошедший через область излучающей плазмы расходящийся лазерный пучок (24) с верхней стороны камеры (1); в соответствии с чем угол между осью (26) расходящегося пучка излучения плазмы (25) и осью (6) сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA + arctg NA2).
12. Устройство по п. 10, в котором ось расходящегося пучка излучения плазмы (25), выходящего на оптическую систему (8) сбора излучения плазмы, направлена преимущественно по оси (6) сфокусированного лазерного пучка.
13. Устройство по п. 10, в котором с нижней стороны камеры установлено вогнутое сферическое зеркало (28), либо модифицированное вогнутое сферическое зеркало (28), с центром в области излучающей плазмы (5), имеющее отверстие (29), в частности, оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка (7) в область излучающей плазмы (5).
14. Устройство по п. 1, в котором в камере (1) размещены два электрода (32), (33) для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком (34).
15. Устройство по п. 1, в котором в камере (1) размещены два штыревых электрода (32), (33) для стартового зажигания плазмы, продольные оси которых горизонтальны.
16. Устройство по п. 1, в котором в камере (1) размещены два электрода (32), (33) для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком (34), область (5) излучающей плазмы расположена вне разрядного промежутка (34), при этом оптический элемент (4), фокусирующий лазерный пучок (7), выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка (7) в разрядный промежуток (34) на время стартового зажигания плазмы.
17. Устройство по п. 1, в котором размещен вентилятор (39).
18. Устройство по п. 1, в котором размещено, по меньшей мере, одно сопло (41), к которому подсоединен выход (42) мини компрессора (43).
19. Устройство по п. 1, в котором камера (1) размещена в герметичном корпусе (37) с защитным газом (38), в частности, отличным от воздуха.
20. Устройство по п. 1, в котором камера (1) размещена в герметичном корпусе (37) с защитным газом (38), и введена система циркуляции защитного газа в корпусе (37).
21. Устройство по п. 20, в котором система циркуляции защитного газа содержит, по меньшей мере, одно сопло (41), обеспечивающее обдув верхней стенки (1 1) камеры (1) направленным потоком (40) защитного газа, мини- компрессор (42) и теплообменник (43); при этом выход (44) мини компрессора (42) подсоединен к соплу (41) через теплообменник (43), а вход (45) мини компрессора 43 соединен с герметичным корпусом (37).
22. Устройство по п. 1, в котором введена автоматизированная система управления с отрицательной обратной связью и функцией поддержания заданной мощности источника света с лазерной накачкой, включающая в себя измеритель мощности (47) пучка излучения плазмы и контроллер (46), обрабатывающий данные измерителя мощности (47) пучка излучения плазмы и управляющий выходной мощностью лазера (2).
23. Способ генерации излучения, при котором направляют сфокусированный лазерный пучок (7) снизу вверх: от нижней стенки (10) камеры (1) к противоположной ей верхней стенке (11) камеры (1), кратковременно обеспечивают фокусировку лазерного пучка (7) в разрядный промежуток (34) между электродами (32), (33) для стартового зажигания плазмы, осуществляют зажигание плазмы и перемещают фокус лазерного пучка (7) снизу вверх, и сфокусированным лазерным пучком (7), в непрерывном режиме формируют область излучающей плазмы (5) вне разрядного промежутка (34) вблизи верхней стенки (1 1) камеры (1).
24. Способ генерации излучения по п. 23, при котором сфокусированный лазерный пучок (7) направляют в камеру (1) вдоль вертикальной оси (13) симметрии сечения стенок (10), (11) камеры (1) и формируют область излучающей плазмы (5) на оптимально малом расстоянии от верхней стенки (1 1) камеры (1), при котором близость плазмы к верхней стенке (11) камеры (1) не оказывает заметного влияния на время жизни источника света.
25. Способ генерации излучения по п. 23, при котором охлаждают камеру (1) потоком (40) защитного газа, направленным на верхнюю стенку (1 1) камеры (1).
26. Способ генерации излучения по п. 23, при котором предварительно задают требуемое значение мощности излучения источника света с лазерной накачкой и в процессе долговременной работы с помощью автоматизированной системы управления (46,47, 49) обеспечивают поддержание заданной мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
PCT/RU2014/000257 2013-04-11 2014-04-08 Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения WO2014168519A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/782,644 US9357627B2 (en) 2013-04-11 2014-04-08 Light source with laser pumping and method for generating radiation
EP14782714.1A EP2985781B1 (en) 2013-04-11 2014-04-08 Light source with laser pumping and method for generating radiation

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013116408 2013-04-11
RU2013116408/07A RU2534223C1 (ru) 2013-04-11 2013-04-11 Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014168519A1 true WO2014168519A1 (ru) 2014-10-16

Family

ID=51689817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000257 WO2014168519A1 (ru) 2013-04-11 2014-04-08 Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9357627B2 (ru)
EP (1) EP2985781B1 (ru)
RU (1) RU2534223C1 (ru)
WO (1) WO2014168519A1 (ru)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9918375B2 (en) 2015-11-16 2018-03-13 Kla-Tencor Corporation Plasma based light source having a target material coated on a cylindrically-symmetric element
US10021773B2 (en) 2015-11-16 2018-07-10 Kla-Tencor Corporation Laser produced plasma light source having a target material coated on a cylindrically-symmetric element
US10257918B2 (en) 2015-09-28 2019-04-09 Kla-Tencor Corporation System and method for laser-sustained plasma illumination
US10880979B2 (en) 2015-11-10 2020-12-29 Kla Corporation Droplet generation for a laser produced plasma light source
JP2022023197A (ja) * 2015-05-14 2022-02-07 エクセリタス テクノロジーズ コーポレイション 安定性の改善されたレーザ駆動封止ビームランプ
WO2023059228A1 (en) * 2021-10-08 2023-04-13 Isteq B.V. Broadband laser-pumped plasma light source

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112014005518T5 (de) 2013-12-06 2016-08-18 Hamamatsu Photonics K.K. Lichtquellenvorrichtung
US9723703B2 (en) * 2014-04-01 2017-08-01 Kla-Tencor Corporation System and method for transverse pumping of laser-sustained plasma
RU2727350C1 (ru) * 2019-12-13 2020-07-21 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" Способ генерации стабилизированного квазимонохроматического инфракрасного излучения высокой интенсивности
JP6885636B1 (ja) 2020-03-05 2021-06-16 アールアンドディー−イーサン，リミテッド レーザ励起プラズマ光源およびプラズマ点火方法
RU2732999C1 (ru) * 2020-03-05 2020-09-28 Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" Источник света с лазерной накачкой и способ зажигания плазмы
RU2734026C1 (ru) * 2020-06-08 2020-10-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Устройство и способ избавления от колебаний оптического разряда
RU2738461C1 (ru) * 2020-06-08 2020-12-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Устройство и способ устранения колебаний оптического разряда
RU2734074C1 (ru) * 2020-06-08 2020-10-12 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Приспособление и способ стабилизации излучения оптического разряда
RU2734112C1 (ru) * 2020-06-08 2020-10-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Устройство и способ избавления от неустойчивостей оптического разряда
RU2735948C1 (ru) * 2020-06-08 2020-11-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Способ подавления неустойчивостей оптического разряда
RU2734162C1 (ru) * 2020-06-08 2020-10-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Устройство и способ стабилизации излучения оптического разряда
RU2735947C1 (ru) * 2020-06-08 2020-11-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук (ИПМех РАН) Устройство и способ подавления колебаний оптического разряда
RU2752778C1 (ru) * 2020-08-06 2021-08-03 Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" Плазменный источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения
WO2022029187A1 (en) * 2020-08-06 2022-02-10 Rnd-Isan, Ltd High-brightness laser-pumped plasma light source and method for reducing aberrations
RU2754150C1 (ru) * 2020-08-06 2021-08-30 Общество с ограниченной ответственностью "РнД-ИСАН" Высокояркостный плазменный источник света с лазерной накачкой
US11862922B2 (en) * 2020-12-21 2024-01-02 Energetiq Technology, Inc. Light emitting sealed body and light source device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011119200A (ja) * 2009-04-15 2011-06-16 Ushio Inc レーザー駆動光源
US20110181191A1 (en) 2006-03-31 2011-07-28 Energetiq Technology, Inc. Laser-Driven Light Source
US8309943B2 (en) 2006-03-31 2012-11-13 Energetiq Technology, Inc. Laser-driven light source
US20130001438A1 (en) 2011-06-29 2013-01-03 Kla-Tencor Corporation Optically pumping to sustain plasma

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2159976C2 (ru) * 1999-02-02 2000-11-27 Автономная некоммерческая организация Институт нанотехнологий Международного фонда конверсии Способ генерирования излучения и устройство для его осуществления
JP5322217B2 (ja) * 2008-12-27 2013-10-23 ウシオ電機株式会社 光源装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110181191A1 (en) 2006-03-31 2011-07-28 Energetiq Technology, Inc. Laser-Driven Light Source
US8309943B2 (en) 2006-03-31 2012-11-13 Energetiq Technology, Inc. Laser-driven light source
JP2011119200A (ja) * 2009-04-15 2011-06-16 Ushio Inc レーザー駆動光源
US20130001438A1 (en) 2011-06-29 2013-01-03 Kla-Tencor Corporation Optically pumping to sustain plasma

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
B.F. MUL'CHENKO; YU.P. RAIZER; V.A. EPSHTEIN, SOVIET PHYSICS JETP V., vol. 32, no. 6, June 1971 (1971-06-01)
G.V. OSTROVSKAYA; A.N. ZAIDEL: "Laser spark in gases", SOVIET PHYSICS-USPEKHI, vol. 16, 1974, pages 834 - 855, XP009086326, DOI: doi:10.1070/PU1974v016n06ABEH004094
See also references of EP2985781A4

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022023197A (ja) * 2015-05-14 2022-02-07 エクセリタス テクノロジーズ コーポレイション 安定性の改善されたレーザ駆動封止ビームランプ
JP7361748B2 (ja) 2015-05-14 2023-10-16 エクセリタス テクノロジーズ コーポレイション 安定性の改善されたレーザ駆動封止ビームランプ
US10257918B2 (en) 2015-09-28 2019-04-09 Kla-Tencor Corporation System and method for laser-sustained plasma illumination
US10880979B2 (en) 2015-11-10 2020-12-29 Kla Corporation Droplet generation for a laser produced plasma light source
US11343899B2 (en) 2015-11-10 2022-05-24 Kla Corporation Droplet generation for a laser produced plasma light source
US9918375B2 (en) 2015-11-16 2018-03-13 Kla-Tencor Corporation Plasma based light source having a target material coated on a cylindrically-symmetric element
US10021773B2 (en) 2015-11-16 2018-07-10 Kla-Tencor Corporation Laser produced plasma light source having a target material coated on a cylindrically-symmetric element
US10893599B2 (en) 2015-11-16 2021-01-12 Kla Corporation Laser produced plasma light source having a target material coated on a cylindrically-symmetric element
US11419202B2 (en) 2015-11-16 2022-08-16 Kla Corporation Laser produced plasma light source having a target material coated on a cylindrically-symmetric element
WO2023059228A1 (en) * 2021-10-08 2023-04-13 Isteq B.V. Broadband laser-pumped plasma light source

Also Published As

Publication number Publication date
US9357627B2 (en) 2016-05-31
US20160044774A1 (en) 2016-02-11
EP2985781A4 (en) 2016-06-01
RU2013116408A (ru) 2014-10-20
RU2534223C1 (ru) 2014-11-27
EP2985781B1 (en) 2016-11-30
EP2985781A1 (en) 2016-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2534223C1 (ru) Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения
JP6707467B2 (ja) レーザ駆動シールドビームランプ
RU2539970C2 (ru) Источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения
US9609732B2 (en) Laser-driven light source for generating light from a plasma in an pressurized chamber
US9723703B2 (en) System and method for transverse pumping of laser-sustained plasma
CN115380361A (zh) 具有气体涡流的激光维持等离子体光源
KR20170045949A (ko) 플라즈마 광원 장치 및 그 광원 장치를 구비한 광원 시스템
US10964523B1 (en) Laser-pumped plasma light source and method for light generation
US11191147B2 (en) High-brightness laser-pumped plasma light source
RU2732999C1 (ru) Источник света с лазерной накачкой и способ зажигания плазмы
RU2752778C1 (ru) Плазменный источник света с лазерной накачкой и способ генерации излучения
RU2754150C1 (ru) Высокояркостный плазменный источник света с лазерной накачкой
JP3246482U (ja) 高輝度レーザー励起プラズマ光源
RU2780202C1 (ru) Широкополосный плазменный источник света с лазерной накачкой
JP2019537205A (ja) 可変圧力シールドビームランプを操作するための装置及び方法
WO2016148608A1 (ru) Источник широкополосного оптического излучения с высокой яркостью

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14782714

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14782644

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2014782714

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2014782714

Country of ref document: EP