ИСТОЧНИК СВЕТА С ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ И СПОСОБ ЗАЖИГАНИЯ ПЛАЗМЫ Российский патент 2020 года по МПК H01J65/04 

Область изобретения

Изобретение относится к широкополосным источникам света с непрерывным оптическим разрядом, а также к способу стартового зажигания плазмы, поддерживаемой излучением непрерывного лазера.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Стационарный газовый разряд, поддерживаемый лазерным излучением в уже имеющейся относительно плотной плазме, называют непрерывным оптическим разрядом (НОР). НОР, поддерживаемый сфокусированным пучком непрерывного лазера реализуется в различных газах, в частности, в Xe при высоком давлении, до 200 атм (Carlhoff et al., “Continuous Optical Discharges at Very High Pressure,” Physica 103C, 1981, pp. 439-447). Источники света на основе НОР с температурой плазмы около 20000 К (Raizer, “Optical Discharges,” Sov. Phys. Usp. 23(11), Nov. 1980, pp. 789-806) являются одними из самых высокояркостных источников непрерывного излучения в широком спектральном диапазоне от ~100 нм до ~1000 нм.

С целью дальнейшего повышения яркости для поддержания НОР также находят применение импульсные лазеры с высокой частотой повторения, в том числе, совместно с применением непрерывного лазера, мощность которого не ниже пороговой мощности, необходимой для устойчивого поддержания НОР, как известно, например, из патента RU 2571433, опубл. 20.12.2015.

По сравнению с дуговыми лампами, источники на основе НОР обладают не только более высокой яркостью, но и большим временем жизни, что делает их предпочтительными для многочисленных применений.

Одна из проблем, связанных с созданием высокояркостных высокостабильных источников света на основе НОР, относится к формированию начальной плазмы, обеспечивающей надежное стартовое зажигание НОР.

Как известно, например, из патента US 9368337, опубл. 14.06.2016, в высокояркостных широкополосных источниках света на основе НОР для стартового зажигания плазмы находят применение два штыревых электрода, размещенных на оси прозрачной колбы, между которыми на короткое время формируют дуговой разряд. При этом лазерный пучок, поддерживающий НОР, фокусирован в центре колбы, в промежутке между двумя электродами. Источник характеризуется высокой яркостью при достаточно простой конструкции. Последнее в значительной степени обусловлено тем, что кварцевые колбы с двумя электродами, содержащие газ, в частности, Xe высокого давления (10 атм и более) являются коммерчески доступными изделиями.

Однако относительно холодные электроды, расположенные вблизи области высокотемпературной излучающей плазмы, вызывают возмущение конвективных потоков газа в колбе и, как результат, ухудшают пространственную и энергетическую стабильность источника света. Наряду с этим, наличие электродов вблизи области излучающей плазмы характеризуется наличием «мертвых» углов, ограничивающих выход полезного излучения плазмы. Кроме этого, распыление материала электродов, может приводить к снижению прозрачности стенок колбы и, соответственно, к деградации источника света со временем.

Этого недостатка в значительной степени лишен широкополосный источник света, известный из US Patent 9357627, опубл. 31.05.2016, в варианте реализации которого после зажигания НОР область фокусировки лазерного пучка и, соответственно, область излучающей плазмы перемещают из промежутка между поджигающими электродами к стенке колбы. За счет выбора взаимного расположения оси лазерного пучка, колбы и области излучающей плазмы обеспечивают высокую энергетическую и пространственную стабильность широкополосного источника света.

Однако необходимость передвижения области излучающей плазмы усложняет конструкцию источника света и его эксплуатацию. Кроме этого, затрудняется использование максимально острой фокусировки лазерного пучка, что может ограничивать достижение максимально возможной яркости источника света. К недостаткам колбы, содержащей электроды, можно также отнести сложную технологию герметизации соединения металл-стекло и сложную форму колбы, обусловливающую наличие концентрации напряжений, ведущих к повреждению герметичного соединения металл-стекло и снижению прочности лампы в процессе эксплуатации источника света при высоких давлениях газа.

От указанных недостатков свободен известный из патентной заявки JPS61193358, опубликованной 27.08.1986, безэлектродный источник света на основе НОР, в котором лазер используется как для стартового зажигания плазмы, так и для поддержания НОР в безэлектродной колбе.

Однако пороговая мощность лазерного излучения, необходимая для стартового зажигания плазмы обычно составляет от примерно десяти до нескольких сотен кВт и выше. В то же время, интенсивность лазерного излучения, достаточная для поддержания НОР, обычно составляет лишь несколько десятков Ватт. Таким образом, использование одного мощного лазера, как для зажигания, так и для поддержания плазмы, ведет либо к сокращению времени жизни источника света (при использовании полной мощности лазера для поддержания НОР), либо является избыточным, дорогостоящим и непрактичным в случае поддержания НОР с помощью очень малой доли от полной мощности лазера.

Для решения этой проблемы в патенте US 10057973, опубл. 21.08.2018, предлагается использовать единственный непрерывный лазер с мощностью ниже 250 Ватт и длиной волны менее 1100 нм. Зажигание и поддержания НОР предлагается обеспечивать за счет острой фокусировки, при которой поперечный размер фокальной области менее 1-15 микрон, а ее длина- 6 микрон или меньше.

Однако такое решение не является универсальным, поскольку требования к фокусировке лазера очень высоки и не гарантируют высокой надежности функционирования предложенного источника света. Кроме того, подводимая к источнику мощность на уровне около 250 Вт может быть слишком высока для целого ряда применений.

Этих недостатков лишен источник света, известный из патента FR2554302, опубликованного 03.05.1985, в котором в качестве средства для стартового зажигания плазмы используется сфокусированный пучок импульсного лазера, предназначенный для начального зажигания плазмы или оптического пробоя. Для поддержания НОР используется непрерывный лазер. В указанном устройстве решается проблема долговечности источника излучения на основе НОР.

Однако для стартового зажигания плазмы и для обеспечения высокой яркости НОР необходима острая фокусировка обоих лазеров. Таким образом, требуется очень точное сведение областей фокусировки пучков импульсного и непрерывного лазеров. Это усложняет осуществление лазерного зажигания и снижает его надежность, делая устойчивое зажигание НОР в высокояркостном источнике света проблематичным.

Частично этих недостатков лишен источник света, известный из US Patent 10244613, опубл. 25.05.2017, в варианте реализации которого пучки одного или нескольких лазеров, предназначенных для стартового зажигания плазмы, и один или несколько пучков непрерывных лазеров, предназначенных для поддержания НОР, введены в оптическое волокно, используемое для доставки излучения указанных лазеров к системе фокусировки их излучения в область излучающей плазмы. В указанном устройстве достигается совмещение областей фокусировки импульсных поджигающих и непрерывных лазеров, если длины волн указанных лазеров близки.

Однако в случае различия длин волн импульсных и непрерывных лазеров области их фокусировки не совпадают из-за хроматических аберраций. Кроме этого, передача по оптоволокну лазерных импульсов высокой мощности (в сотни кВт), используемой для надежного стартового зажигания НОР, может приводить к разрушению оптоволокна, что обусловливает недостатки этого решения.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание свободных от указанных недостатков способов и устройств высоконадежного лазерного зажигания плазмы непрерывного оптического разряда, разработка на этой основе высокояркостных высокостабильных источников света с лазерной накачкой.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высокой надежности зажигания плазмы, поддерживаемой излучением непрерывного лазера, создание на этой основе безэлектродных высокояркостных широкополосных источников света с максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью и возможностью сбора излучения плазмы в пространственном угле более 9 ср.

Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого источника света с лазерной накачкой, содержащего: заполненную газом камеру, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна; область излучающей плазмы, поддерживаемой в указанной камере сфокусированным пучком непрерывного лазера; по меньшей мере, один пучок полезного излучения плазмы, выходящий из камеры, и средство для зажигания плазмы.

Отличие источника света состоит в том, что средством для зажигания плазмы является импульсная лазерная система, генерирующая первый и второй лазерные пучки, сфокусированные в камеру, при этом первый лазерный пучок предназначен для оптического пробоя газа, а второй лазерный пучок предназначен для зажигания плазмы после оптического пробоя.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения первый лазерный пучок имеет пиковую мощность излучения более 10⁴ Вт и длительность импульса менее 0,1 мкс.

Предпочтительно второй лазерный пучок имеет, по меньшей мере, в три раза большую энергию и, по меньшей мере, на порядок величины меньшую пиковую мощность лазерного импульса по сравнению с первым лазерным пучком.

В вариантах реализации изобретения объем плазмы, зажигаемой вторым лазерным пучком на порядок величины или более превосходит объем плазмы, созданной при оптическом пробое первым лазером.

Предпочтительно объем и плотность плазмы, зажигаемой вторым лазерным пучком, достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

В вариантах реализации изобретения второй лазерный пучок обеспечивает размер плазмы, достигающий около 1 мм, и плотность плазмы, достигающую 10¹⁸ см^-3 или более.

В вариантах реализации изобретения выходная мощность непрерывного лазера не превышает 300 Вт.

Предпочтительно импульс излучения второго лазерного пучка заканчивается не раньше чем через 50 мкс после окончания импульса излучения первого лазерного пучка.

Предпочтительно области фокусировки первого и второго лазерных пучков, по меньшей мере, частично перекрываются.

Предпочтительно импульсная лазерная система включает в себя два лазера с общими зеркалами резонатора, первый и второй лазерные пучки параллельны и введены в камеру через одну общую фокусирующую оптическую систему.

Предпочтительно импульсная лазерная система твердотельная.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения импульсная лазерная система предназначена для генерации первого лазерного пучка в режиме с модулированной добротностью резонатора или в режиме генерации гигантского импульса.

Предпочтительно импульсная лазерная система предназначена для генерации второго лазерного пучка в режиме свободной генерации.

Предпочтительно только непрерывный лазер имеет оптоволоконный вывод излучения.

Длина волны излучения непрерывного лазера может быть отлична от длин волн излучения первого и второго лазерных пучков.

Предпочтительно ось сфокусированного пучка непрерывного лазера направлена вертикально вверх или близко к вертикали.

В вариантах реализации изобретения наружная поверхность и внутренняя поверхность прозрачных частей камеры имеют форму концентрических сфер, либо их частей, и область излучающей плазмы расположена в центре указанных концентрических сфер.

Предпочтительно пучок полезного излучения плазмы выходит из камеры по всем азимутам.

В вариантах реализации изобретения пучок полезного излучения плазмы выходит из камеры в пространственный угол не менее 9 ср.

В варианте реализации изобретения источник света с лазерной накачкой характеризуется тремя или более пучками полезного излучения плазмы.

В другом аспекте изобретение относится к способу зажигания плазмы в источнике света с лазерной накачкой. Способ включает в себя: направление сфокусированного пучка непрерывного лазера в камеру с газом высокого давления, стартовое зажигание плазмы и стационарное поддержание излучающей плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

Способ зажигания плазмы непрерывного оптического разряда характеризуется тем, что стартовое зажигание плазмы осуществляют импульсной лазерной системой, генерирующей первый и второй лазерные пучки, сфокусированные в камеру, причем первым лазерным пучком, осуществляют оптический пробой, после которого вторым лазерным пучком зажигают плазму, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения с помощью импульсной твердотельной лазерной системы генерируют первый лазерный пучок в режиме с модулированной добротностью резонатора и генерируют второй лазерный пучок в режиме свободной генерации.

При выполнении источника света в предложенном виде за счет соответствующего выбора энергии, длительности и, соответственно, импульсной мощности первого и второго лазерных пучков достигается надежное зажигание непрерывного оптического разряда за счет следующих факторов. Надежный оптический пробой обеспечивается первым лазерным пучком. Однако зажигание НОР только одним лазерным пучком является проблематичным. Одна из причин - трудность совмещения области фокусировки непрерывного лазера с областью оптического пробоя, размер которой обычно очень мал и не превышает величину около 50 мкм. Даже если области фокусировки импульсного и непрерывного лазерного пучков совмещены, зажигание НОР только одним лазерным пучком все равно является труднодостижимым. Это связано с тем, что оптический пробой, генерируемый лазерным излучением, обладает свойствами взрыва. Процессы взрывного типа, в частности, ударные волны могут приводить к тушению оптического разряда, поддерживаемого непрерывным лазером небольшой мощности, обычно не превышающей 300 Вт. В соответствии с изобретением эта проблема решается тем, что второй импульсный лазерный пучок обеспечивает зажигание плазмы после оптического пробоя первым лазерным пучком. Параметры второго лазерного пучка выбраны так, что поддерживаемый им оптический разряд сам по себе свободен от явлений взрывного типа и при этом устойчив к возмущениям, вызванным предшествующим оптическим пробоем. Наряду с этим, второй лазерный пучок обеспечивает объем и плотность плазмы, достаточные для ее надежного стационарного поддержания непрерывным лазером относительно малой мощности после выключения второго лазера.

Таким образом, достигается надежное безэлектродное зажигание непрерывного оптического разряда. Устранение электродов снижает возмущения конвективных потоков газа вблизи области излучающей плазмы, упрощает камеру, позволяя оптимизировать ее конструкцию для уменьшения турбулентности конвективных газовых потоков и минимизировать оптические аберрации, в частности, при выводе излучения плазмы через прозрачные части камеры, а также увеличить пространственный угол сбора излучения плазмы. Это позволяет создать наиболее высокояркостные широкополосные источники света с большим пространственным углом сбора излучения плазмы, характеризующиеся максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью.

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:

Фиг. 1 - схематичное изображение источника света с импульсной лазерной системой для зажигания плазмы в соответствии с вариантом реализации изобретения,

Фиг. 2 - диаграмма временных зависимостей мощности излучения импульсной лазерной системы и непрерывного лазера в соответствии с одним из вариантов реализации изобретения,

Фиг. 3 - схематичное изображение источника света с твердотельной импульсной лазерной системой для зажигания плазмы,

Фиг. 4 - схематичное изображение источника света с трехканальным выводом полезного излучения плазмы,

Фиг. 5 - диаграмма временных зависимостей мощности излучения в лазерных пучках в соответствии с вариантом реализации изобретения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное описание служит для иллюстрации осуществления изобретения и ни в коей мере объема настоящего изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения (Фиг. 1) источник света с лазерной накачкой содержит камеру 1, заполненную газом высокого давления, обычно 10 атм или более. По меньшей мере, часть камеры 1 оптически прозрачна. На Фиг 1. показан вариант с полностью прозрачной камерой, выполненной из оптически прозрачного материала, например, из плавленого кварца. В камере 1 расположена область излучающей плазмы 2, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4. По меньшей мере, один пучок 5 полезного излучения плазмы, направленный на оптическую систему сбора излучения 6 и предназначенный для дальнейшего использования, выходит из камеры 1. Оптическая система сбора излучения 6 формирует пучок излучения плазмы 7, транспортируемый, например, по оптоволокну или системой зеркал к оптической системе 8, использующей широкополосное излучение плазмы.

Подробнее оптические системы сбора излучения описаны, например, в патенте U.S. 9357627, опубликованном 31 мая 2016 и включенном сюда посредством ссылки.

Источник света также содержит средство для зажигания плазмы, в качестве которого используется импульсная лазерная система 9, генерирующая первый лазерный пучок 10 и второй лазерный пучок 11, сфокусированные в камеру 1, а именно в область камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы. Для фокусировки первого и второго лазерных пучков 10, 11 используются оптические элементы, например, в виде собирающих линз, не ограничиваясь только этим вариантом. Первый лазерный пучок 10 предназначен для начального зажигания плазмы или оптического пробоя в камере 1. Второй лазерный пучок 11 предназначен для зажигания плазмы после оптического пробоя, осуществляемого первым лазерным пучком 10.

При выполнении источника света в предложенном виде за счет соответствующего выбора энергии, длительности и, соответственно, импульсной мощности двух лазерных пучков достигается надежное зажигание непрерывного оптического разряда. Это позволяет создать безэлектродные высокояркостные широкополосные источники света с лазерной накачкой, характеризующиеся максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью.

Отсутствие электродов упрощает конструкцию камеры высокого давления, повышает прочность и надежность камеры, обеспечивает в предпочтительных вариантах изобретения выход пучка 5 полезного излучения плазмы из камеры по всем азимутам, Фиг. 1. Здесь это означает, что в азимутальной плоскости, проходящей через область излучающей плазмы 2 перпендикулярно оси пучка 3 непрерывного лазера, полезное излучение плазмы выходит по всем азимутам от 0 до 360 градусов. В предпочтительных вариантах реализации изобретения плоский угол раскрытия (на Фиг. 1 – в плоскости чертежа) пучка 5 полезного излучения плазмы составляет не менее 90°. Это означает, что выход пучка 5 полезного излучения плазмы из камеры 1 на систему сбора излучения 6 осуществляется в пространственном угле, составляющем не менее 9 ср или более 70% от полного телесного угла.

Предпочтительно в качестве непрерывного лазера 4 используется высокоэффективный диодный лазер ближнего инфракрасного диапазона с выводом излучения в оптоволокно 12. При этом на выходе из оптического волокна 12 расширяющийся лазерный пучок направлен на коллиматор 13, например, в виде собирающей линзы. После коллиматора 13 расширенный параллельный пучок 14 непрерывного лазера направлен на фокусирующий оптический элемент 15, например, в виде асферической собирающей линзы. Фокусирующий оптический элемент 15 обеспечивает острую фокусировку пучка 3 непрерывного лазера 4, необходимую для обеспечения высокой яркости источника света.

В вариантах реализации изобретения мощность непрерывного лазера 4 не превышает 300 Вт, что оптимально для широкого круга применений, но недостаточно для зажигания непрерывного оптического разряда без специального средства для зажигания плазмы.

В варианте реализации изобретения импульсная лазерная система 9 содержит первый лазер 16 для генерации первого лазерного пучка 10 и второй лазер 17 для генерации второго лазерного пучка 11, Фиг. 1.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения области фокусировки первого и второго лазерных пучков, по меньшей мере, частично перекрываются.

Характерные временные зависимости мощности излучения в первом и втором лазерных пучках 10, 11, а также в пучке непрерывного лазера 4 схематично представлены в логарифмическом масштабе на Фиг. 2

Предпочтительно, что для надежного обеспечения стартового зажигания плазмы или оптического пробоя первый лазерный пучок 10 характеризуется высокой, не менее 10⁴ Вт импульсной мощностью излучения. При этом достаточно, чтобы длительность по полувысоте импульса лазерного излучения не превышала 0,1 мкс.

В соответствии с изобретением второй лазерный пучок имеет во много раз меньшие импульсную мощность, например, около 10³ Вт, и во много раз большие длительность и энергию лазерного импульса, по сравнению с первым лазерным пучком. Это позволяет после воздействия первого лазерного пучка создать вторым лазерным пучком объем плазмы, который многократно, на порядок величины или более, превосходит объем плазмы, произведенный первым лазерным пучком. В то же время, мощность излучения во втором лазерном пучке более чем на порядок величины превышает мощность непрерывного лазера, Фиг. 2.

Второй лазерный пучок предназначен для создания плазмы, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

В вариантах изобретения импульс генерации второго лазерного пучка начинается до начала импульса генерации первого лазерного пучка и заканчивается не раньше чем через 50 мкс после окончания импульса генерации первого лазерного пучка, Фиг. 2. Это, с одной стороны,- облегчает синхронизацию первого и второго лазерных пучков, с другой стороны, - дает время, достаточное для эволюции плазмы под воздействием второго лазерного пучка. В результате обеспечиваются большие объем плазмы, достигающий около 1 мм, и плотность плазмы, достигающая 10¹⁸ см^-3 или более, достаточные для надежного стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера. Плотность плазмы 10¹⁸ см^-3 соответствует 10% ионизации газа с температурой 18 000 К в области излучающей плазмы и начальным давлением в камере около 16 атм.

Работа источника света с лазерной накачкой в одном из вариантов его реализации происходит следующим образом. Сфокусированный пучок 3 непрерывного лазера 4 направляют в, по меньшей мере, частично прозрачную камеру 1 с газом высокого давления, Фиг. 1. В качестве высокоэффективной плазмообразующей среды могут использоваться ксенон, другие инертные газы и их смеси, в том числе с парами металлов, например, ртути, и различные газовые смеси, в том числе, галогеносодержащие. В область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2, направляют сфокусированный пучок 11 второго лазера 17.

В примере реализации изобретения максимальная мощность излучения во втором лазерном пучке 11 может иметь величину порядка 10³ Вт, а длительность импульса излучения - порядка 10^-4 с.

Во время импульса излучения второго лазерного пучка 11 осуществляют генерацию первого лазерного пучка 10, область фокусировки которого, по меньшей мере, частично перекрывает область фокусировки второго лазерного пучка. Коротким, менее 0,1 мкс, мощным, порядка и более 10⁴ Вт, импульсом излучения первого лазера 2, энергия которого порядка нескольких мДж, осуществляют оптический пробой с первичной локальной ионизацией газа в малом объеме с характерным размером 50- 100 мкм. Вторым лазерным пучком 11, энергия и длительность лазерного импульса которого во много раз больше, чем у первого лазерного пучка 10, поддерживают горение оптического разряда при мощности лазерного излучения (порядка или более 10³ Вт) многократно превышающей мощность излучения в пучке 3 непрерывного лазера. В процессе поддержания плазмы вторым лазерным пучком 11, длительность импульса которого около 100 мкс или более, увеличивают объем плазмы за счет ее продвижения навстречу лазерному пучку 11 вдоль каустики и ее радиального расширения вплоть до размеров плазмы, достигающих 1 мм. За счет достаточно большой (порядка 0,1 Дж/импульс или более) энергии импульса излучения второго лазерного пучка 11 в увеличенном объеме плазмы обеспечивают уровень плотности электронов, достаточный для надежного поддержания излучающей плазмы сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4 относительно малой мощности, не превышающей 300 Вт. То есть, вторым лазерным пучком обеспечивают плотность плазмы выше пороговой плотности плазмы НОР, имеющей величину около 10¹⁸ электронов/см³. В стационарном режиме из области излучающей плазмы 2 непрерывного оптического разряда осуществляют вывод широкополосного излучения высокой яркости, по меньшей мере, одним пучком 5 полезного излучения плазмы, выходящим через оптически прозрачные части камеры 1 и предназначенным для дальнейшего использования.

При выполнении источника света в предложенном виде достигается надежное зажигание непрерывного оптического разряда без использования поджигающих электродов. Это позволяет значительно улучшить конструкцию камеры за счет упрощения ее формы и устранения механических напряжений в местах герметичных вводов металла в камеру, что повышает надежность и ресурс источника света. Упрощение конструкции позволяет использовать форму камеры, снижающую аберрации, вносимые в пучок полезного излучения плазмы при его выходе из камеры, и тем самым повысить яркость источника света. Также реализуется возможность использования материала камеры с более высокой прозрачностью в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра. Снижается электромагнитный шум при запуске источника света. Повышается ресурс камеры из-за устранения металлизации ее оптически прозрачных частей. Кроме этого, отсутствие электродов позволяет значительно увеличить пространственный угол вывода излучения и повысить мощность в пучке полезного излучения плазмы. Наряду с этим, устранение поджигающих электродов значительно снижает турбулентность конвективных поток в камере и, тем самым, значительно повышает пространственную и энергетическую стабильность источника света с лазерной накачкой. Дальнейшее повышение стабильности достигается за счет возможности оптимизации размеров безэлектродной камеры. В целом, достигается повышение яркости и стабильности источника света, реализуется возможность повышения его оптического выхода в УФ диапазоне, увеличивается надежность и время жизни, повышается удобство его эксплуатации, и снижаются эксплуатационные расходы.

Указанные возможности наиболее легко реализуемы в источнике света, в котором импульсная лазерная система твердотельная, Фиг. 3. В этом варианте изобретения импульсная лазерная система 9 включает в себя два твердотельных лазера 16, 17 с источниками оптической накачки 18, 19, например, в виде импульсных ламп с отражателями. Включение ламп осуществляется с оптимизированной задержкой друг относительно друга. В качестве активных элементов 20, 21 могут использоваться стержни из прозрачного базового материала, например иттрий- алюминиевого граната (YAG), легированного ионами металлов, например, неодимом (Nd). Первый и второй лазерные пучки 10, 11 предпочтительно параллельны и введены в камеру 1 через одну общую фокусирующую оптическую систему 22, например, в виде асферической собирающей линзы. Для обеспечения параллельности лазерных пучков 10, 11 первый и второй твердотельные лазеры 16, 17 предпочтительно имеют общие зеркала 23, 24 резонатора. Это обеспечивает совмещение областей фокусировки первого и второго лазерных пучков 10, 11, необходимое для зажигания плазмы.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения импульсная лазерная система 9 генерирует первый лазерный пучок 10 в режиме с модулированной добротностью резонатора или в режиме генерации гигантского импульса, а второй лазерный пучок 11 в - режиме свободной генерации. Для реализации режима с модулированной добротностью первый лазер оснащен модулятором добротности 25, например, пассивным из фототропного материала. В других вариантах реализации изобретения модулятор добротности 25 может быть активным.

Мощность излучения импульсной лазерной системы 9 при генерации гигантского импульса не позволяет использовать для транспортировки его излучения оптоволокно, которое может быть повреждено. Вследствие этого в вариантах реализации изобретения только непрерывный лазер имеет оптоволоконный вывод излучения, Фиг. 1, Фиг. 3.

Предпочтительно, что первый и второй лазерные пучки 10, 11 имеют одинаковую длину волны излучения, например, λ₁=λ₂=1,064 мкм, отличную от длины волны непрерывного лазера λ_CW, например, λ_CW= 0,808 мкм или 0,976 мкм: λ_CWλ₁=λ₂. Это позволяет использовать дихроичное зеркало 26 для ввода лазерного пучка 14 непрерывного лазера, Фиг. 3.

Для облегчения юстировки и улучшения компоновки источника света в нем может использоваться дополнительное поворотное зеркало 27, Фиг. 3, либо несколько подобных зеркал.

В вариантах реализации изобретения на пути прохождения пучка 14 непрерывного лазера, либо в импульсной лазерной системе 9 могут быть установлены дополнительные оптические элементы (не показаны) для компенсации хроматической аберрации и более точного совмещения областей фокусировки непрерывного и импульсных лазерных пучков. В импульсной лазерной системе, в частности, внутри резонатора образованного зеркалами 23, 24 могут устанавливаться дополнительные оптические элементы, например, поляризаторы, фильтры, диафрагмы для управления параметрами первого и второго лазерных пучков.

В предпочтительном варианте реализации ось сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера направлена вертикально вверх, то есть против силы тяжести 28, Фиг. 3, или близко к вертикали. 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 2 несколько сдвигается от фокуса навстречу сфокусированному пучку 3 непрерывного лазера до того сечения сфокусированного лазерного пучка, где интенсивность сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера еще достаточно для поддержания области излучающей плазмы 2. При направлении сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера снизу вверх область излучающей плазмы 2, содержащая наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, стремится всплывать под действием архимедовой силы. Поднимаясь, область излучающей плазмы 2 попадает в место, более близкое к фокусу, где сечение сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера 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.

Для реализации этих положительных эффектов предпочтительно, чтобы камера 1 была осесимметрична и ось сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера была совмещена с осью симметрии камеры.

Наряду с обеспечением высокой стабильности выходных параметров настоящее изобретение реализует возможность достижения наибольшей яркости широкополосных источников света с лазерной накачкой, в частности, за счет оптимизации формы и размеров безэлектродной камеры. В соответствии с этим, в предпочтительных вариантах реализации изобретения наружная поверхность и внутренняя поверхность либо камеры, либо ее прозрачных частей имеют форму концентрических сфер, и область излучающей плазмы 2 расположена в центре указанных концентрических сфер, Фиг. 3. В данном варианте изобретения устраняются аберрации, вносимые стенками камеры, что позволяет обеспечить более острую фокусировку пучка 3 непрерывного лазера и повысить яркость источника света. Также устраняются аберрации, искажающие ход лучей в пучке 5 полезного излучения плазмы, повышает его яркость.

Еще одним положительным фактором изобретения является возможность минимизации размеров камеры. Это повышает остроту фокусировки пучка непрерывного лазера 3 за счет приближения фокусирующей оптической системы 22 к области излучающей плазмы. Кроме этого, чем ближе область излучения плазмы к стенкам камеры 1, в частности, к верхней стенке камеры, тем меньше импульс, приобретаемый под действием архимедовой силы газом, нагреваемым в области излучающей плазмы 2. В связи с этим скорость и турбулентность конвективных потоков газа тем меньше, чем меньше расстояние от плазмы до стенки камеры. Таким образом, обеспечивается возможность дальнейшего повышения яркости и стабильности источника света с лазерной накачкой, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.

Для обеспечения вывода излучения плазмы в широком спектральном диапазоне, от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, оптически прозрачные части камеры предпочтительно выполнены из материала, относящегося к группе: кристаллический фторид магния (MgF₂), кристаллический фторид кальция (CaF₂), кристаллический сапфир или лейкосапфир (Al₂O₃), плавленый или кристаллический кварц.

Пучок 5 полезного излучения плазмы может быть полноазимутальным Фиг. 1, Фиг. 3, не ограничиваясь только этими вариантами.

В других вариантах реализации изобретения источник света может иметь, по меньшей мере, три расходящихся пучка 5a, 5b, 5c полезного излучения плазмы, как иллюстрируется Фиг. 4, на которой показано сечение источника света в горизонтальной плоскости, проходящей через область излучающей плазмы 2. Лазерные пучки на Фиг. 4, осуществляющие зажигание и поддержание НОР расположены ниже плоскости чертежа. Использование нескольких, в частности, трех пучков излучения плазмы от одного источника света требуется для ряда промышленных применений. В этом варианте реализации изобретения камера 1 источника света с лазерной накачкой размещена в корпусе 29, который, снабжен тремя оптическими системами сбора излучения плазмы 6a, 6b, 6c. Оптические системы сбора излучения плазмы 6a, 6b, 6c формируют пучки излучения плазмы 7a, 7b, 7c, транспортируемые, например, по оптоволокну к оптическим системам-потребителям 8a, 8b, 8c, использующим широкополосное излучение плазмы. Это позволяет использовать один источник света для трех или более оптических систем- потребителей, обеспечивая компактность системы и идентичность параметров широкополосного излучения во всех оптических каналах.

В соответствии с изобретением способ зажигания плазмы в источнике света с лазерной накачкой, иллюстрируемом Фиг. 1, Фиг. 3, осуществляют следующим образом. Сфокусированный пучок 3 непрерывного лазера 4 направляют в камеру 1 с газом высокого давления, обычно 10 или более атм. Стартовое зажигание плазмы осуществляют импульсной лазерной системой 9, генерирующей первый и второй лазерные пучки 10, 11, сфокусированные в камеру. Первым лазерным пучком 10, осуществляют оптический пробой, после которого вторым лазерным пучком 11 зажигают плазму, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения используют твердотельную лазерную систему, с помощью которой генерируют первый лазерный пучок 10 в режиме с модулированной добротностью резонатора и генерируют второй лазерный пучок 11 в режиме свободной генерации, Фиг. 3. Импульсная лазерная система 9 предпочтительно включает в себя два твердотельных лазера 16, 17, например, Nd:YAG лазеры с источниками оптической накачки 18, 19 в виде импульсных ламп. Первый и второй лазерные пучки 10, 11 предпочтительно параллельны и введены в камеру 1 через фокусирующую оптическую систему 22. Для совмещения областей фокусировки первого и второго лазерных пучков 10, 11 твердотельные лазеры 16, 17 предпочтительно имеют общие зеркала 23, 24 резонатора. Первый лазер 16 оснащен модулятором добротности 25.

В примере реализации изобретения давление газа Xe в камере составляет 30 атм, энергия лазерного импульса 3 мДж при его длительности 20 нс, длине волны излучения λ₁=1,064 мкм. Плазма оптического пробоя имеет характерный размер 50- 100 мкм. Режим оптического пробоя не обеспечивает надежного зажигания непрерывного оптического разряда, поддерживаемого сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4. Поэтому после оптического пробоя вторым лазерным пучком, генерируемым в режиме с модулированной добротностью резонатора, зажигают плазму, объем (вплоть до 1 мм³) и плотность (свыше 10¹⁸ см^-3) которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4. В примере реализации изобретения энергия второго лазерного пучка 150 мДж, длительность 100 мкс, длина волны излучения λ₂=1,064 мкм.

Предпочтительно, что импульс излучения второго лазерного пучка заканчивается не раньше чем через 50 мкс после окончания импульса излучения первого лазерного пучка, как иллюстрируется Фиг. 2. Время не менее 50 мкс необходимо для затухания возмущений от оптического пробоя и для эволюции размеров и плотности плазмы до значений, достаточных для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

Генерация второго лазерного пучка может начинаться до первого лазерного импульса, Фиг. 2. Вместе с тем, изобретение не ограничивается только этими вариантами. Как показали исследования, зажигание НОР также обеспечивается при генерации второго лазерного пучка с большой, до десятка секунд и более, задержкой после генерации первого лазерного пучка, как это иллюстрируется Фиг. 5. Механизм такого зажигания плазмы, вероятно, связан с воздействием гигантского импульса на стенки камеры и созданием в результате такого воздействия долгоживущих кластеров или так называемых спарков.

В целом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечить высокую надежность зажигания плазмы, поддерживаемой излучением лазера, и создать на этой основе безэлектродные высокояркостные широкополосные источники света с максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью, а также с возможностью сбора излучения плазмы в пространственном угле более 9 ср.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Выполненные в соответствии с настоящим изобретением 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.

Изобретение относится к области светотехники. Источник света содержит заполненную газом камеру (1) с областью излучающей плазмы (2), поддерживаемой в камере сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера (4). Средством зажигания плазмы является импульсная лазерная система (9), генерирующая первый и второй лазерные пучки (10), (11), сфокусированные в камеру. Способ зажигания плазмы характеризуется тем, что первым лазерным пучком осуществляют оптический пробой, после которого вторым лазерным пучком зажигают плазму, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы пучком непрерывного лазера. Предпочтительно генерируют первый лазерный пучок в режиме с модулированной добротностью резонатора и генерируют второй лазерный пучок в режиме свободной генерации с помощью твердотельной лазерной системы. В отличие от источников с использованием электродов для стартового зажигания плазмы, достигается возможность оптимизировать геометрию камеры, уменьшить в ней турбулентность конвективных газовых потоков и минимизировать оптические аберрации, а также увеличить пространственный угол сбора излучения плазмы. Технический результат - создание наиболее высокояркостных широкополосных источников света с высокой пространственной и энергетической стабильностью и сбором излучения плазмы в пространственном угле более 9 ср. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Источник света с лазерной накачкой, содержащий: заполненную газом камеру (1), по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна; область излучающей плазмы (2), поддерживаемой в камере сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера (4); по меньшей мере, один пучок полезного излучения плазмы (5), выходящий из камеры, и средство для зажигания плазмы, отличающийся тем, что

средством для зажигания плазмы является импульсная лазерная система (9), генерирующая первый и второй лазерные пучки (10), (11), сфокусированные в камеру, при этом

первый лазерный пучок (10) предназначен для оптического пробоя газа, а

второй лазерный пучок (11) предназначен для зажигания плазмы после оптического пробоя.

2. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что первый лазерный пучок имеет пиковую мощность излучения более 10⁴ Вт и длительность импульса менее 0,1 мкс.

3. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что второй лазерный пучок имеет, по меньшей мере, в три раза большую энергию и, по меньшей мере, на порядок величины меньшую пиковую мощность лазерного импульса по сравнению с первым лазерным пучком.

4. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что объем плазмы, зажигаемой вторым лазерным пучком, на порядок величины или более превосходит объем плазмы, созданной при оптическом пробое.

5. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что объем и плотность плазмы, зажигаемой вторым лазерным пучком, достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

6. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что второй лазерный пучок обеспечивает размер плазмы, достигающий около 1 мм, и плотность плазмы, достигающую 10¹⁸ см^-3 или более.

7. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что выходная мощность непрерывного лазера не превышает 300 Вт.

8. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что импульс излучения второго лазерного пучка заканчивается не раньше чем через 50 мкс после окончания импульса излучения первого лазерного пучка.

9. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что области фокусировки первого и второго лазерных пучков, по меньшей мере, частично перекрываются.

10. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что импульсная лазерная система (9) включает в себя два лазера (16), (17) с общими зеркалами (23), (24) резонатора, первый и второй лазерные пучки (10), (11) параллельны и введены в камеру через одну общую фокусирующую оптическую систему.

11. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что импульсная лазерная система твердотельная.

12. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что импульсная лазерная система предназначена для генерации первого лазерного пучка в режиме с модулированной добротностью резонатора или в режиме генерации гигантского импульса.

13. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что импульсная лазерная система предназначена для генерации второго лазерного пучка в режиме свободной генерации.

14. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что только непрерывный лазер имеет оптоволоконный вывод излучения.

15. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что длина волны излучения непрерывного лазера отлична от длин волн излучения первого и второго лазерных пучков.

16. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что сфокусированный пучок (3) непрерывного лазера направлен вертикально вверх или близко к вертикали.

17. Источник света по п. 1, отличающийся выходом пучка (5) полезного излучения плазмы из камеры (1) по всем азимутам.

18. Источник света по п. 17, отличающийся тем, что пучок полезного излучения плазмы выходит из камеры в пространственный угол не менее 9 ср.

19. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что содержит три или более пучка полезного излучения плазмы.

20. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что наружная поверхность и внутренняя поверхность прозрачных частей камеры имеют форму концентрических сфер, либо их частей, и область излучающей плазмы расположена в центре указанных концентрических сфер.

21. Способ зажигания плазмы в источнике света с лазерной накачкой, включающий: направление сфокусированного пучка (3) непрерывного лазера (4) в камеру (1) с газом высокого давления, стартовое зажигание плазмы и стационарное поддержание излучающей плазмы (2) сфокусированным пучком (3) непрерывного лазера, отличающийся тем, что

стартовое зажигание плазмы осуществляют импульсной лазерной системой (9), генерирующей первый и второй лазерные пучки (10), (11), сфокусированные в камеру, причем

первым лазерным пучком осуществляют оптический пробой, после которого вторым лазерным пучком зажигают плазму, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания плазмы сфокусированным пучком непрерывного лазера.

22. Способ зажигания плазмы в источнике света с лазерной накачкой по п. 21, отличающийся тем, что с помощью импульсной твердотельной лазерной системы генерируют первый лазерный пучок в режиме с модулированной добротностью резонатора и генерируют второй лазерный пучок в режиме свободной генерации.