Устройство и способ устранения неустойчивостей оптического разряда Российский патент 2020 года по МПК H01J61/00 G01J3/10 H01J65/04 

Заявляемое техническое решение относится к устройствам и способу устранения неустойчивостей 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 устранения неустойчивостей 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 устранять колебательные неустойчивости оптического разряда.

Недостатком введения конуса снизу оптического разряда для устранения неустойчивостей 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 устранения неустойчивостей 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 устраняет неустойчивости газа в окрестностях оптического разряда.

Недостатком известных устройства и способа устранения неустойчивостей 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 устранения неустойчивостей 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 устранять колебательные неустойчивости в оптическом разряде.

Недостатком известного способа устранения неустойчивостей является 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.

Недостатком также является необходимость введения в рабочий газ лампы заряженных частиц, например, электронной эмиссией, коронным разрядом, фотоэмиссией, термоэлектронной эмиссией или нагревом электрода электрической дугой. Все это усложняет конструкцию лампы, а также уменьшает суммарный КПД источника света за счет поглощения выходного излучения дополнительными элементами (электроды, источники заряженных частиц, подводящие провода).

Заявляемые устройство и способ устранения неустойчивостей оптического разряда направлены на улучшение его характеристик, а именно на устранение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.

Указанный результат достигается тем, что устройство устранения неустойчивостей оптического разряда, состоит из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, причем внутренний объем разрядной камеры герметично соединен с внешним резервуаром, представляющим собой резонатор Гельмгольца.

Указанный результат также достигается тем, что в способе устранения неустойчивостей 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 модулируют синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей резонансной акустической частоте резонатора Гельмгольца.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и чертежами.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства.

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

На фиг. 3 изображена теневая фотография возможного применения заявляемого изобретения.

Устройство устранения неустойчивостей оптического разряда 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. При этом внутренний объем разрядной камеры 1 герметично соединен с внешним резервуаром 2, представляющим собой резонатор Гельмгольца. Оптический разряд 3 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 4 и лазер 5, излучение 6 которых фокусируется в центре оптического разряда 3 линзами 7. К лазеру 5 подключен модулирующий блок 8, позволяющий модулировать мощность излучения лазера 5 синусоидальным сигналом требуемой частоты и амплитуды. Подобные модулирующему блоку 8 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 8.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров (в данном случае показаны два лазера 4 и 5) фокусируется через прозрачные стенки разрядной камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 3. 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 3 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 3. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 3 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры 9. Облако горячего газа, ограниченное фронтом температуры 9, поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают колебания, причина которых поясняется 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 3 и относительно холодным газом в остальном объеме разрядной камеры 1. Модулированное лазерное излучение от лазера 5 фокусируется в оптическом разряде 3 и модулирует тепловую мощность, поглощаемую оптическим разрядом 3 от лазеров 4 и 5, что сопровождается синхронным изменением размеров плазменного облака оптического разряда 3. Периодическое движение плазменного облака оптического разряда 3 способно генерировать акустические волны в разрядном объеме. При частоте повторения синусоидальных колебаний, совпадающей с резонансной частотой резонатора Гельмгольца 2, в нем возникают резонансные акустические колебания, определяемые по формулам, известным для резонатора Гельмгольца. В результате на входе в камеру 1 возникает так называемый акустический ветер, известный из уровня техники, описанный, например, в [6] ([6] Стретт, Дж. В. (Лорд Рэлей), Теория звука, 2 изд., т. 2, М., 1955, с. 212). Если направить акустический ветер в сторону оптического разряда 3, то образуется направленный поток газа, охлаждающий и стабилизирующий разогретый оптическим разрядом 3 газ, ограниченный фронтом температуры 9. Интенсивности акустического ветра, производимого резонатором Гельмгольца 2 при воздействии на него резонансной частоты, достаточно для того, чтобы ускорить движение газа вокруг оптического разряда 3 тем самым устраняя неустойчивости, вызванные колебаниями горячего газа.

Вариант возможного осуществления изобретения приведен на фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда в ксеноне при давлении около 20 бар (снимки сделаны авторами), поясняющие образование колебательных неустойчивостей. 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 возможного применения заявляемого изобретения (снимок сделан авторами). Оптический разряд 3 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 возможное применение изобретения. Акустический ветер, формируемый на выходе резонатора Гельмгольца (на фотографии не показан), образованный за счет модуляции мощности излучения одного из двух полупроводниковых лазеров частотой, соответствующей резонансной акустической частоте резонатора Гельмгольца, изменяет направление теплового факела, увеличивает скорость газа вокруг него и устраняет колебательную неустойчивость оптического разряда. Показанная на этой фотографии картинка остается стабильной во времени, что свидетельствует об устранении неустойчивостей и стабилизации оптического разряда. Фотографии сделаны при заполнении разрядной камеры ксеноном при давлении 20 бар. Реальный размер кадров, изображенных на фотографиях, 4х4 мм. Резонансная частота резонатора Гельмгольца определяется его параметрами и выбирается обычно значительно выше частоты колебаний облака горячего газа вокруг оптического разряда 3 для устранения возможных биений частот и раскачки колебаний облака горячего газа.

Экспериментальный способ определения частоты модуляции мощности лазерного излучения для устранения колебаний оптического разряда состоит в следующем. По известным из уровня техники формулам оценивается резонансная частота резонатора Гельмгольца при заданных условиях. Зажигается оптический разряд и производится модуляция лазерного излучения одного или нескольких лазеров, поддерживающих оптический разряд, с вычисленной резонансной частотой резонатора Гельмгольца. Проводится скоростная видеосъемка либо теневой картины области нагретого газа, либо самого оптического разряда, максимально точно устанавливается резонансная частота, подавляющая колебания либо теневой картины, либо формы и положения оптического разряда. Подбирается также амплитуда модуляции.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в использовании резонатора Гельмгольца, обладающего высокой добротностью. При этом можно значительно снизить глубину модуляции лазерного излучения при резонансной частоте, что желательно в некоторых применениях оптического разряда, например, при спектральных измерениях с цифровой обработкой сигнала.

(57) Изобретение относится к устройствам и способу устранения неустойчивостей оптического разряда для стабилизации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях. Устройство устранения неустойчивостей оптического разряда состоит из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, отличающееся тем, что внутренний объем разрядной камеры герметично соединен с внешним резервуаром, представляющим собой резонатор Гельмгольца. Технический результат - устранение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности за счет модуляции лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, с частотой, соответствующей резонансной акустической частоте резонатора Гельмгольца. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство устранения неустойчивостей оптического разряда, состоящее из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, отличающееся тем, что внутренний объем разрядной камеры герметично соединен с внешним резервуаром, представляющим собой резонатор Гельмгольца.

2. Способ устранения неустойчивостей 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 моделируют синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей резонансной акустической частоте резонатора Гельмгольца, который герметично соединен с внутренним объемом разрядной камеры.