Способ предотвращения колебаний оптического разряда Российский патент 2020 года по МПК H01J61/02 H01J27/24 G01J3/10 H01J65/04 

Заявляемое изобретение относится к способам предотвращения колебаний оптического разряда, используемого в качестве источника широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.

Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, является одним из самых ярких источников непрерывного оптического излучения в широкой области спектра. 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. [1] ([1] Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).

Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq ).

Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой препятствуют достижению необходимой во многих случаях стабильности выходных характеристик широкополосного источника света. Главным образом, это связано с влиянием колебаний конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и соответственно на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой.

Известен способ предотвращения колебаний оптического разряда, принятый за аналог, описанный в [3]. ([3] А. Барановский, З. Муха, 3. Перадзыньский (Польша) «Неустойчивость непрерывного оптического разряда в газах». Успехи механики, 1978, том 1, выпуск 3/4, с. 125-147). Авторы предположили, что колебания генерируются снизу оптического разряда, то есть между плазмой и нижним фронтом температуры нагреваемого оптическим разрядом газа. Для подавления колебаний оптического разряда вблизи нижнего градиентного слоя по оси симметрии вводилась вершина твердого конуса. Приближение к оптическому разряду вызывает нагрев конуса, а также нагрев обтекающего его вверх газа. Это вызывало полное исчезновение колебаний во всем потоке. Необходимая температура конуса для подавления колебаний составляла 500-800 градусов Кельвина. Вне оси симметрии это явление не обнаруживается. Второй способ подавления колебаний, предложенный в этом же источнике, состоит в размещении снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток для нагрева восходящего потока газа до нескольких сот градусов Цельсия. Оба способа, как конус, так и вольфрамовая сетка, позволяют подавлять колебательные неустойчивости оптического разряда.

Недостатком введения конуса снизу оптического разряда для подавления колебаний при помощи его разогрева является сильный нагрев вершины конуса вблизи высокотемпературного (15-20 тыс. градусов) оптического разряда, что может вызвать плавление и распыление материала конуса тем самым приводя к изменению характеристик оптического разряда.

Недостатком размещения снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток, является усложнение конструкции, а также дополнительный разогрев разрядного объема, что может потребовать использования внешнего охлаждения.

Недостатком размещения как конуса, так и вольфрамовой сетки снизу оптического разряда является также невозможность использовать часто применяемый способ подачи лазерного излучения снизу вверх по геометрической оси оптического разряда с целью минимизации оптических искажений.

Известен способ предотвращения колебаний оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] Патент US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). В известном патенте приведено устройство, содержащее плазменную камеру, выполненную с возможностью приема лазерного излучения от источника накачки для поддержания плазмы в газе, один или несколько контуров рециркуляции газа, гидравлически связанных с плазменной камерой, причем первая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана с выходным отверстием плазменной камеры и сконфигурирована для транспортировки по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа от выхода плазменной камеры, при этом вторая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана со входом плазменной камеры и сконфигурирована для подачи охлажденного газа на вход плазменной камеры. В вариантах изобретения используются один или несколько дополнительных источников тепла, причем один или несколько дополнительных источников тепла выполнены с возможностью, по меньшей мере, частичного запуска рециркуляции газа через один или несколько контуров рециркуляции газа, при этом могут использоваться один или несколько насосов, теплообменник. В известном патенте также приведен и способ, включающий: направление лазерного излучения в плазменную камеру для поддержания плазмы в газе, протекающем через плазменную камеру, при этом плазма излучает широкополосное излучение, причем рециркуляция газа через плазменную камеру осуществляется через газовый контур рециркуляции газа, при этом рециркуляция газа через плазменную камеру содержит: транспортировку по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа из плазменной камеры в теплообменник; охлаждение по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа теплообменником; а также транспортировку охлажденного газа из теплообменника в плазменную камеру. Стабильный поток газа через камеру предотвращает колебания газа в окрестностях оптического разряда.

Недостатком известного способа предотвращения колебаний является необходимость присоединения на входе и выходе разрядной камеры одного или нескольких контуров рециркуляции газа, а также возможное размещение в них теплообменников, насосов, фильтров и других элементов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров.

Известен способ предотвращения колебаний оптического разряда, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] Патент US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). В известном патенте источник света с поддержанием плазмы лазерным излучением включает в себя плазменную лампу, содержащую поток рабочего газа, приводимый в движение электрическим током, поддерживаемым внутри плазменной лампы. В рабочий газ плазменной лампы вводятся заряженные частицы. Расположение электродов, поддерживаемых при разных уровнях напряжения, приводит к движению заряженных частиц через рабочий газ. Движение заряженных частиц в свою очередь приводит к тому, что рабочий газ течет в направлении движения заряженных частиц за счет эффекта увлечения. В вариантах изобретения поток создается за счет нагрева электрической дугой газа, расположенного ниже плазменного источника излучения. Результирующий поток рабочего газа усиливает конвекцию вокруг плазмы и увеличивает взаимодействие лазерного излучения с плазмой. Поток рабочего газа в плазменных лампах может быть стабилизирован и управляться регулировкой напряжений, присутствующих на каждом из электродов. Стабильный поток рабочего газа через плазму способствует более стабильной форме и положению плазмы внутри лампы. Известный способ позволяет предотвращать колебательные неустойчивости в оптическом разряде.

Недостатком известного способа предотвращения колебаний является недостаточная пространственная стабильность способа, необходимость размещения внутри объема лампы дополнительных электродов (в вариантах патента размещение дополнительных электродов снаружи лампы), дополнительного источника различных напряжений для электродов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров плазменной лампы.

Заявляемый способ предотвращения колебаний оптического разряда направлены на улучшение его характеристик, а именно на уменьшение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.

Указанный результат достигается тем, в способе предотвращения колебаний оптического разряда, расположенного в разрядной камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, либо применением двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, излучение по крайней мере одного из используемых лазеров модулировано синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей кратным долям резонансных акустических частот газового объема разрядной камеры.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства для реализации заявляемого способа.

На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда для пояснения возникновения колебательной неустойчивости.

На фиг. 3 изображены теневые фотографии применения заявляемого изобретения.

Способ реализуется устройством предотвращения колебаний оптического разряда которое состоит из прозрачной герметичной камеры 1, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда. Оптический разряд 2 располагается преимущественно в центре камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений. Его положение определяется местом фокусировки лазерного излучения. На фиг. 1 в качестве примера схематично показаны два лазера, лазер 3 и лазер 4, излучение 5 которых фокусируется в центре оптического разряда 2 линзами 6. К лазеру 4 подключен модулирующий блок 7, позволяющий модулировать мощность излучения лазера 4 синусоидальным сигналом требуемой частоты и амплитуды. Подобные модулирующему блоку 7 устройства известны из уровня техники и могут представлять собой, например, электронный прибор, управляющий током накачки полупроводникового или газового лазера, или прибор, позволяющий оптическими методами модулировать лазерное излучение на выходе лазера. Могут использоваться один и более лазеров, могут применяться лазеры различной мощности и диапазонов излучения. Но по крайней мере к одному из них должен быть подключен модулирующий блок 7.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров (в данном случае лазеры 3 и 4) фокусируется через прозрачные стенки разрядной камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 2. Для первоначального поджига оптического разряда подается либо импульс от внешнего лазера, вызывающий пробой газа внутри разрядной камеры 1, либо с той же целью кратковременно повышается мощность одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры 1, излучение которых сфокусировано в области оптического разряда 2 вблизи центра разрядной камеры, либо используются два штыревых электрода (на фиг. 1 не показаны), расположенные вблизи оптического разряда, между которыми прикладывается импульс пробойного напряжения. При этом образуется облако плазмы, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазма поддерживается за счет поглощения поступающего лазерного излучения, образуя так называемый оптический разряд 2. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 2 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры 8. Облако горячего газа, ограниченное фронтом температуры 8 поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают колебания, причина которых разъяснена далее. Частота этих колебаний в стандартных для оптического разряда условиях составляет десятки герц и определяется сравнительно медленными тепловыми процессами, происходящими на разделе между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и относительно холодным газом в остальном объеме разрядной камеры 1. Модулированное лазерное излучение от лазера 4 фокусируется в оптическом разряде 2 и модулирует тепловую мощность, поглощаемую оптическим разрядом 2 от лазеров 3 и 4, что сопровождается синхронным изменением размеров плазменного облака оптического разряда. Периодическое движение плазменного облака оптического разряда 2 способно генерировать акустические волны в разрядном объеме. При определенных частотах повторения синусоидальных колебаний в разрядной камере 1 возникают резонансные акустические колебания, определяемые скоростью звука в газе при данных условиях и геометрическими размерами внутреннего объема разрядной камеры 1. В результате возникает так называемый акустический ветер. Акустический ветер возникает не сразу, а постепенно, усиливаясь до ограничения, определяемого вязкостью среды. Если разрядная камера 1 имеет достаточно симметричную форму, то избранное направление акустического ветра можно получить, например, сместив на единицы процентов от диаметра разрядной камеры 1 центр оптического разряда 2, незначительно переместив место схождения лазерных лучей 5 от центра разрядной камеры 1. Это не оказывает значительного влияния на оптические качества разряда 2, но дает возможность стабилизировать положение стационарного вихря в разрядной камере 1, образующегося под действием акустического ветра. Интенсивности акустического ветра достаточно для того, чтобы ускорить движение газа вокруг оптического разряда 2 тем самым предотвращая возникновение колебаний горячего газа. Частота резонансных акустических колебаний газа в разрядной камере 1 лежит существенно выше тепловых колебаний вокруг оптического разряда и составляет десятки килогерц. Поэтому в большинстве применений оптического разряда незначительные колебания интенсивности широкополосного излучения на высоких частотах не играют существенной роли.

Вариант осуществления изобретения приведен на фиг. 2 и фиг. 3. Фиг. 2 поясняет процесс возникновения колебательной неустойчивости вокруг оптического разряда. На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда в ксеноне при давлении около 20 бар (снимки сделаны авторами). Сам оптический разряд 2 виден как яркое эллиптическое пятно в нижней части фотографий. Светлые линии вокруг него представляют собой градиент температуры между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и более холодным объемом газа в остальной части разрядной камеры 1. Фото А на фиг. 2 показывает, что вокруг оптического разряда формируется объем нагретого газа, ограниченный снизу и с боков полусферическим пространством диаметром около 1,5 мм. На следующих фото Б и В видно, что облако нагретого газа увеличивается в размере приблизительно до 2 мм из-за нагрева газа оптическим разрядом. Фото Г показывает, что пузырь горячего газа начинает всплывать вверх согласно закону Архимеда. На фото А виден этот всплывающий пузырь уже выше оптического разряда, а на его месте возникает следующий объем горячего газа. Этот процесс повторяется циклически с частотой около 40 Гц, вызывая, таким образом, периодические колебания холодного и горячего газа вокруг оптического разряда. Так как коэффициент преломления оптического излучения зависит от плотности среды, то такие колебания приводят к отклонениям как лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, так и широкополосного излучения самого оптического разряда. Отклонение лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, приводит к смещению пространственного положения оптического разряда, а отклонение его выходного излучения ухудшает качество фокусировки и стабильность световых характеристик.

На фиг. 3 изображены теневые фотографии применения заявляемого изобретения (снимок сделан авторами). Оптический разряд 2 виден в форме яркого эллипса в нижней части рисунка. Также на фотографиях видны два электрода, служащие для первоначального зажигания оптического разряда. Область разогретого газа видна на теневых фотографиях в виде темного облака, окружающего оптический разряд. На левой фотографии в ее верхней части виден уже сформировавшийся пузырь разогретого оптическим разрядом газа, всплывающий вверх. Процесс колебаний аналогичен изображенному на фиг. 2. На правой фотографии показано применение изобретения. Акустический ветер, образованный за счет модуляции мощности излучения одного из двух полупроводниковых лазеров частотой 8 кГц, соответствующей кратной доле резонансных акустических частот газового объема разрядной камеры, изменил направление теплового факела, увеличил его скорость и предотвратил возникновение колебаний. Показанная на этой фотографии картинка остается стабильной во времени, что свидетельствует о предотвращении колебаний и стабилизации оптического разряда. Эксперименты проводились при заполнении камеры ксеноном при давлении 20 бар. Реальный размер кадров, изображенных на фотографиях, 4х4 мм.

Экспериментальный способ определения частоты модуляции мощности лазерного излучения для предотвращения колебаний оптического разряда состоит в следующем. По известным из уровня техники формулам оценивается максимальная частота собственных акустических колебаний разрядной камеры при заданном составе и давлении газа. Зажигается оптический разряд и производится модуляция лазерного излучения одного или нескольких лазеров, поддерживающих оптический разряд, в диапазоне от максимальной частоты собственных колебаний до частоты приблизительно в 10 раз меньшей, при этом проводится скоростная видеосъемка либо теневой картины области нагретого газа, либо самого оптического разряда, определяется частота, подавляющая колебания либо теневой картины, либо формы и положения оптического разряда. Подбирается также амплитуда модуляции.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в том, что можно предотвратить колебания оптического разряда в разрядной камере не меняя при этом ее конструкции, а воспользоваться только небольшими изменениями в параметрах лазеров, поддерживающих оптический разряд.

Изобретение относится к способу предотвращения колебаний оптического разряда с целью стабилизации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях. Технический результат - предотвращение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности за счет модуляции лазерного излучения. Первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, либо применением двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения. Излучение по крайней мере одного из используемых лазеров модулировано синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей кратным долям резонансных акустических частот газового объема разрядной камеры. 3 ил.

Способ предотвращения колебаний оптического разряда, расположенного в разрядной камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, либо применением двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, отличающийся тем, что излучение по крайней мере одного из используемых лазеров модулировано синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей кратным долям резонансных акустических частот газового объема разрядной камеры.