ВЫСОКОЯРКОСТНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА С ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2021 года по МПК H01J65/04 H01J61/54 

Настоящая заявка является продолжением заявки на патент РФ 2020109782 поданной 5 марта 2020 г. с положительным решением о выдаче патента от 24.07.2020, которая включена в настоящее описание посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к высокояркостным широкополосным источникам света с непрерывным оптическим разрядом.

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.

В широкополосном источнике света, известном из патента US 9368337, опубл. 14.06.2016, плазма НОР имеет удлиненную вдоль оси лазерного пучка форму, а сбор излучения плазмы производится в продольном направлении, что обусловливает высокую яркость источника.

Однако при продольном сборе излучения плазмы возникает проблема блокировки лазерного излучения в пучке полезного излучения плазмы.

Этого недостатка лишен широкополосный источник света, известный из US Patent 9357627, опубл. 31.05.2016, в котором сбор излучения осуществляется в направлениях, отличных от направлений распространения лазерного пучка. При этом за счет выбора взаимного расположения камеры, лазерного пучка (направленного вертикально вверх по оси камеры) и области излучающей плазмы (в непосредственной близости от верхней части камеры) обеспечивается высокая энергетическая и пространственная стабильность широкополосного источника света.

Однако форма или конструкция камеры, а также условия поддержания НОР могут быть неоптимальны для достижения максимально высокой яркости источника света, в частности, из-за оптических аберраций, вносимых прозрачными стенками камеры в ход оптических лучей излучения плазмы.

Частично этого недостатка лишен источник света с лазерной накачкой, известный из патента US 8525138, опубл. 09.03.2013, в котором оптические аберрации, вносимые прозрачными стенками камеры в ход оптических лучей излучения плазмы, компенсируются за счет использования модификации формы оптического коллектора, например, эллиптического зеркала.

Однако изменение формы отражателя трудно реализовать на практике для большинства источников света с лазерной накачкой.

Частично этих недостатков лишен источник света, известный из US Patent 9232622, опубл. 05.01.2016, в котором пучок непрерывного лазера сфокусирован в камеру зеркальной оптической системой с большой числовой апертурой NA. Прозрачная стенка камеры, через которую осуществляется ввод сфокусированного лазерного пучка непрерывного лазера, имеет переменную толщину, что компенсирует оптические аберраций в системе, вносимые газом высокого давления. Это улучшает остроту фокусировки пучка непрерывного лазера, повышая яркость источника света.

Однако, в источнике света не предусмотрена компенсация оптических аберраций, вносимых в пучок полезного излучения плазмы при его прохождении через прозрачные стенки камеры и за счет этого снижающих яркость источника света. Кроме этого, источнику света присущи недостатки, обусловленные использованием в нем электродов для стартового зажигания плазмы.

В целом, источникам света с лазерной накачкой присущи те или иные из следующих недостатков:

- оптические аберрации, создаваемые камерой с газом при высоком давлении и снижающие яркость источника,

- неоптимальная форма камеры, в частности, из-за использования для стартового зажигания плазмы электродов, ограничивающих пространственный угол вывода излучения плазмы и усиливающих конвективные потоки газа между областями горячей плазмы и окружающих более холодных газов,

- высокий уровень турбулентности конвективных газовых потоков в камере, снижающий пространственную и энергетическую стабильность источника света.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с вышесказанным, существует потребность в создании высокояркостных высоко стабильных источников света с лазерной накачкой, по меньшей мере, частично свободных от указанных недостатков.

Эта потребность удовлетворяется посредством признаков, содержащихся в независимых пунктах формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения.

В соответствии с вариантом осуществления изобретения источник света с лазерной накачкой содержит: камеру, заполненную газом при высоком давлении, область излучающей плазмы, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком непрерывного лазера; по меньшей мере, один пучок излучения плазмы, выходящий из камеры, средство для зажигания плазмы.

Отличие источника света с лазерной накачкой состоит в том, что средство для зажигания плазмы представляет собой импульсную лазерную систему, генерирующую, по меньшей мере, один импульсный лазерный пучок, который сфокусирован в камеру; камера состоит из трубки, дна и крышки; один торец трубки герметично соединен с дном, а другой торец трубки герметично соединен с крышкой; трубка и дно камеры выполнены из оптически прозрачного материала; дно камеры предназначено для ввода в камеру пучка непрерывного лазера и каждого импульсного лазерного пучка; трубка, за исключением ее приторцевых частей, предназначена для выхода пучка излучения плазмы из камеры по всем азимутам; крышка выполнена из металла, предназначена для заполнения камеры газом, и часть или деталь крышки выполнена в виде вогнутого сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы..

В предпочтительном варианте осуществления изобретения форма трубки выполнена с функцией уменьшения аберраций, искажающих ход лучей пучка излучения плазмы при его прохождении через стенку трубки, следующим образом: часть трубки осесимметрична, имеет центр симметрии, цилиндрическую внутреннюю поверхность, бочкообразную или тороидальную форму наружной поверхности, при этом область излучающей плазмы совмещена с центром симметрии трубки.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения пучок непрерывного лазера сфокусирован в камеру посредством оптической системы, включающей в себя дно камеры и фокусирующий оптический элемент с поверхностью, минимизирующей суммарные аберрации указанной оптической системы.

Предпочтительно фокусирующий оптический элемент представляет собой асферическую линзу.

В варианте осуществления изобретения фокусирующий оптический элемент представляет собой линзу в оправе, закрепленной на камере.

В одном из вариантов осуществления изобретения дно камеры выполнено в виде

линзы.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения сфокусированный пучок непрерывного лазера направлен в камеру вертикально вверх.

В варианте осуществления изобретения радиус вогнутого сферического зеркала менее 3 мм.

В варианте осуществления изобретения часть крышки выполнена из тугоплавкого материала, относящегося к вольфраму, молибдену или сплавам на их основе.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения радиус внутренней поверхности трубки камеры менее 5 мм, предпочтительно не более 3 мм.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения трубка и дно камеры выполнены из материала, относящегося к группе сапфир, лейкосапфир, плавленый кварц, кристаллический кварц.

Предпочтительно для герметизации камеры используются приторцевые части трубки, причем герметизация трубки и дна камеры осуществлена с помощью стекло цемента, а герметизация крышки и трубки камеры осуществлена с помощью пайки.

В варианте выполнения изобретения крышка снабжена газовым портом, предназначенным для управления давлением и/или составом газа в камере.

В одном из вариантов осуществления изобретения крышка камеры снабжена нагревателем.

Предпочтительно средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему, генерирующую в режиме модуляции добротности и в режиме свободной генерации два импульсных лазерных пучка, которые сфокусированы в камеру.

В одном из вариантов осуществления изобретения камера помещена во внешнюю колбу.

В источнике света, выполненном в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается острая фокусировка лазерного пучка в область излучающей плазмы, а предложенная форма камеры снижает аберрации, вносимые в пучок полезного излучения плазмы при его выходе из камеры. Деталь крышки камеры в виде сферического зеркала обеспечивает отражение и фокусировку лазерного излучения, прошедшее через область излучающей плазмы, и части широкополосного излучения плазмы в область излучающей плазмы, что повышает ее температуру и увеличивает эффективность источника. Все это, наряду с оптимизацией температуры и давления газа, повышает яркость источника света.

При выполнении в предложенном виде достигается значительное повышение пространственной и энергетической стабильности высоко яркостного источника света с лазерной накачкой за счет подавления турбулентности конвективных потоков в камере, что обусловлено совокупностью следующих мер:

- применение лазерного зажигания, устраняющего наличие относительно холодных электродов вблизи области высокотемпературной плазмы

- реализация возможностей оптимизации плотности, температуры, состава газа, размеров камеры,

- термостабилизация камеры,

- использование геометрии камеры с вертикальным вводом лазерного пучка,

- применение в некоторых вариантах внешней колбы.

Зажигание непрерывного оптического разряда без использования поджигающих электродов позволяет значительно увеличить пространственный угол вывода излучения и повысить мощность в пучке полезного излучения плазмы. Геометрия источника света также обеспечивает высокоэффективное устранение лазерного излучения в пучке широкополосного излучения плазмы.

Также реализуется возможность применения материала камеры, расширяющего возможности использования различных составов газа, в частности, добавок металло гало генов при использовании сапфира.

Таким образом, изобретение обеспечивает возможность повышения яркости, мощности, качества излучения источника света с лазерной накачкой, значительно улучшает его пространственную и энергетическую стабильность, расширяет возможности управления спектром излучения плазмы.

Техническим результатом изобретения является создание широкополосных источников света с максимально высокими яркостью и стабильностью, характеризующихся также компенсацией аберраций, как при вводе лазерного излучения накачки, так и при выводе из камеры широкополосного излучения плазмы.

Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:

Фиг. 1 - схематичное изображение источника света с лазерной накачкой в соответствии с вариантом реализации изобретения,

Фиг. 2 - иллюстрации уменьшения яркости источника света из-за аберраций, вносимых в ход лучей стенками камеры (Фиг. 2а), и механизма их подавления за счет профилирования наружной поверхности трубки камеры (Фиг. 2b),

Фиг. 3 - схематическое изображение фокусирующей оптической системы (Фиг. 3а), и расчетная характеристика фокуса лазерного пучка (Фиг. 2b),

Фиг. 4, 5 - схематичное изображение источника света в соответствии с вариантами реализации изобретения,

Фиг. 6 - схематичное изображение источника света с трехканальным выводом излучения плазмы,

Фиг. 7 - схематичное изображение камеры источника света с внешней колбой.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.

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 при высоком давлении, обычно превышающем 10 атм. В камере 1 расположена область излучающей плазмы 2, поддерживаемой сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4. По меньшей мере, один пучок 5 излучения плазмы, направленный на оптическую систему сбора излучения 6 и предназначенный для дальнейшего использования, выходит из камеры 1. Оптическая система сбора излучения, включающая, в варианте реализации изобретения параболическое зеркало 6, формирует пучок излучения плазмы 7, транспортируемый, например, по оптоволокну или системой зеркал к оптической системе 8, использующей широкополосное излучение плазмы.

Источник света также содержит средство для зажигания плазмы, в качестве которого используется импульсная лазерная система 9, генерирующая, по меньшей мере, один импульсный лазерный пучок 10, который сфокусирован в камеру 1, а именно в область камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2.

В соответствии с изобретением камера 1 состоит из трубки 11, дна 12 и крышки 13. Один из двух торцов трубки 11 герметично соединен с дном 12, а другой торец трубки 11 герметично соединен с крышкой 13. Крышка 13 камеры предназначена для заполнения камеры газом, например, через трубку 14, запаиваемую после заполнения. Трубка 11 и дно 12 камеры выполнены из оптически прозрачного материала.

Дно камеры предназначено для ввода в камеру сфокусированного пучка 3 непрерывного лазера 4 а также для ввода каждого импульсного лазерного пучка 10, обеспечивающего стартовое зажигания плазмы.

Трубка 11 камеры, выполненная из оптически прозрачного материала, предназначена для вывода пучка 5 излучения плазмы из камеры 1.

При выполнении в предложенном виде реализуется возможность оптимизации конструкции камеры и режимов работы источника света с лазерной накачкой для повышения его яркости, а также пространственной и энергетической стабильности.

В пучке пучка 5 излучения плазмы ход лучей, не перпендикулярных внутренней и/или наружной поверхностям трубки, искажается при их прохождении через стенку трубки 11 камеры. В результате этих аберраций яркость источника света может существенно снижаться.

Для повышения яркости источника света в предпочтительных вариантах реализации изобретения форма трубки 11 выполнена с функцией уменьшения аберраций, искажающих ход лучей излучения плазмы при их прохождении через стенку трубки. Полностью отсутствие аберраций достигается, когда части внешней и внутренней поверхностей камеры, через которые выходит пучок 5 излучения плазмы, являются частями двух концентрических сфер, что может быть трудно реализуемым.

В частности, для упрощения технологии изготовления камеры предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть внутренней поверхности трубки 11 была цилиндрическая, как показано на Фиг. 1.

Значительное снижение аберраций достигается в вариантах реализации изобретения, в которых часть трубки 11 камеры имеет ось симметрии 15, центр симметрии, совмещенный с областью излучающей плазмы 2, и бочкообразную или тороидальную форму наружной поверхности, Фиг. 1. В этих вариантах реализации изобретения снижение аберраций достигается при использовании относительно простой и технологичной камеры 1.

Фиг. 2а схематично иллюстрирует прохождение через стенки круглоцилиндрической трубки 11 гомоцентрического пучка излучения из квазиточечной области излучающей плазмы 2. Угол раскрытия пучка излучения непосредственно вблизи области излучающей плазмы 2 обозначен оптическими лучами 15. На границах раздела сред, то есть на поверхностях трубки 11 камеры, лучи претерпевают преломление в соответствии с законом преломления Снелла:

n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂ (1)

где n₁ - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела, n₂ - показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела, θ₁ - угол падения света, то есть угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности, θ₂ - угол преломления света - угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

Обозначим лучи 15, прошедшие через прозрачную трубку 11 камеры, как лучи 15’, которые смещены относительно лучей 15 и параллельны им, как показано на Фиг. 2а. Чем больше угол к нормали поверхности трубки, тем больше это смещение. В результате прохождения цилиндрической трубки камеры пучок излучения становится астигматичным, то есть лучи, прошедшие стенку камеры перестают сходиться в точку. Со стороны вышедших из камеры лучей 15’, продолжение которых обозначено пунктирными линиями 15’’, квазиточечный источник излучения (мнимый центр лучей 15’) вследствие аберраций приобретает вид диска 2’ (Фиг. 2а), за счет этого видимая снаружи камеры площадь поверхности источника света существенно увеличивается. Таким образом, при использовании простой круглоцилиндрической трубки камеры аберрации значительно снижают яркость источника света в направлениях, отличных от нормали к поверхности трубки.

При выполнении наружной поверхности трубки 11 камеры в соответствии с изобретением, Фиг. 2b, лучи 15’ после прохождения стенки трубки камеры не только смещены относительно лучей 15, но и имеют наклон к направлению хода лучей 15 вблизи области излучающей плазмы 2. В результате пучок излучения, угол раскрытия которого обозначен лучами 15’, практически остается гомоцентрическим, и область излучающей плазмы 2’, видимая со стороны лучей 15’, прошедших трубку камеры, остается квазиточечной.

Таким образом, источник света остается квазиточечным для оптических систем, использующих пучок излучения, прошедший через профилированную соответствующим образом трубку 11 камеры, Фиг. 2b. Это свидетельствует об эффективном подавлении аберраций, которые в конфигурациях трубки камеры, показанных для примера на Фиг. 2а, могут значительно уменьшать яркость источника света.

В общем случае внешняя поверхность трубки камеры сконфигурирована для коррекции хроматической аберрации и сферической аберрации.

В соответствии с выполненными расчетами, для области излучающей плазмы эллипсоидальной формы с размерами 0,1×0,2 мм и трубки камеры с внутренней цилиндрической поверхностью, например, с радиусом около 3 мм, и внешней тороидальной поверхностью, профилированной оптимальным образом, например, с радиусом кривизны близким к 20 мм, возможна потеря лишь 11% яркости источника света в достаточно большом телесном угле, по сравнению с использованием сферической камеры.

Работа высокояркостного источника света с лазерной накачкой происходит следующим образом. Сфокусированный пучок 3 непрерывного лазера 4 направляют в камеру 1, содержащую трубку 11, торцы которой герметично соединены с дном 12 и крышкой 13 камеры, Фиг. 1. Крышка камеры 13 предназначена для заполнения камеры газом при высоком, более 10 атм, давлении. В качестве газа может использоваться ксенон, другие инертные газы и их смеси, в том числе с парами металлов, например, ртути, и различные газовые смеси, в том числе, галогеносодержащие. С помощью импульсной лазерной системы, генерируют, по меньшей мере, один импульсный лазерный пучок 10, который сфокусирован в область 2 камеры, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2. Ввод в камеру 1 пучков непрерывного лазера 4 и импульсной лазерной системы 9 осуществляют через фокусирующий оптический элемент 16 и дно камеры 12. С помощью импульсной лазерной системы 9 обеспечивают оптический пробой и создание начальной плазмы, плотность которой выше пороговой плотности плазмы непрервывного оптического разряда, имеющей величину около 10¹⁸ электронов/см³. Концентрация и объем начальной плазмы достаточны для надежного поддержания непрервывного оптического разряда сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера 4. относительно малой мощности, не превышающей 300 Вт. В стационарном режиме из области излучающей плазмы 2 непрерывного оптического разряда осуществляют вывод широкополосного излучения высокой яркости, по меньшей мере, одним пучком 5 излучения плазмы, предназначенным для дальнейшего использования. Пучок 5 излучения плазмы выходит из камеры через трубку 11, внешняя поверхность которой профилирована для уменьшения аберраций, искажающих ход лучей излучения плазмы при их прохождении через стенку трубки.

Из Фиг. 1 видно, что в соответствии с настоящим изобретением трубка камеры 11, за исключением ее приторцевых частей, используемых для герметизации камеры, предназначена для выхода пучка излучения плазмы 5 из камеры по всем азимутам. Это означает, что в азимутальной плоскости, проходящей через область излучающей плазмы 2 перпендикулярно оси пучка 3 непрерывного лазера, излучение плазмы выходит по всем азимутам от 0 до 360 градусов. Предпочтительно угол раскрытия (на Фиг. 1 - в плоскости чертежа) пучка 5 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.

Для обеспечения высокой яркости источника света с лазерной накачкой необходима острая фокусировка пучка 3 непрерывного лазера. В свою очередь, это требует минимизации аберраций, в частности, сферической аберрации фокусирующей оптической системы. В соответствии с изобретением, пучок 3 непрерывного лазера 4 сфокусирован в камеру 1 посредством оптической системы, включающей в себя дно 12 камеры и фокусирующий оптический элемент 16. В качестве фокусирующего элемента может использоваться либо зеркало, например, внеосевой параболоид, либо линза 16, как показано на Фиг. 1, что предпочтительнее из-за ее компактности.

С целью упрощения конструкции камеры ее дно 12 предпочтительно выполнено в виде оптического элемента, достаточно простого для обеспечения его коммерческой доступности, например, в виде пластины или линзы со сферическими и/или плоскими поверхностями. В соответствии с изобретением, расположенный вне камеры оптический элемент 16, имеющий более сложную форму, чем дно камеры, выполнен с функцией минимизации суммарных аберраций оптической системы, в которую входит сам оптический элемент 16 и дно 12 камеры.

Для иллюстрации на Фиг. 3а схематично представлен вариант оптической системы, предназначенной для фокусировки лазерного пучка, которая включает в себя дно 12 камеры виде плоско выпуклой сферической линзы и фокусирующий оптический элемент 16 в виде плоско выпуклой асферической линзы. Предпочтительно дно камеры и асферическая линза выполнены из различных материалов, что позволяет наиболее гибко оптимизировать характеристики оптической системы состоящей из этих двух элементов.

Результаты расчета, приведенные на Фиг. 3b, показывают, что оптическая система, выполненная в соответствии с настоящим изобретением, в принципе, позволяет фокусировать около 90% мощности лазерного пучка в пространственную область с радиусом всего лишь 2,5 мкм на расстоянии d≈ 4 мм от дна камеры.

Однако изобретение допускает другие варианты реализации, при которых острая фокусировка пучка 3 непрерывного лазера обеспечена только одной фокусирующей линзой, в частности, асферической, служащей дном 12 камеры.

В предпочтительном варианте реализации изобретения сфокусированный пучок 3 непрерывного лазера направлен вертикально вверх, то есть против силы тяжести 17, Фиг. 4, то есть ось сфокусированного пучка непрерывного лазера вертикальна или близка 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.

Подавление турбулентности конвективных потоков в камере достигается, в частности, за счет уменьшения ее размеров. Это легко реализуется в предложенной конструкции источника света с лазерной накачкой, в вариантах реализации которого радиус внутренней цилиндрической поверхности трубки камеры составляет менее 5мм, предпочтительно не более 3 мм.

На стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой, также влияет величина импульса, приобретаемого под действием архимедовой силы газом, нагреваемым в области излучающей плазмы 2. Приобретаемый газом импульс и турбулентность конвективных потоков тем меньше, чем ближе область излучения плазмы 5 к верхней стенке камеры. В связи с этим для повышения стабильности выходных характеристик источника света в варианте реализации, показанном на Фиг. 4, часть или деталь 18 крышки 13 камеры приближена к области излучающей плазмы 2 на расстояние менее 3мм, минимально возможное для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света.

В связи с этим деталь 18 крышки камеры может быть выполнена из тугоплавкого материала, относящегося к вольфраму, молибдену или сплавам на их основе.

Также деталь 18 крышки камеры может быть выполнена с функцией отражения и фокусировки в область излучающей плазмы 2 лазерного излучения, прошедшего через область излучающей плазмы, и широкополосного излучения плазмы. Это повышает температуру плазмы, яркость источника света и повышает его эффективность. В соответствии с этим вариантом изобретения, показанном на Фиг. 4, часть 18 крышки камеры выполнена в виде вогнутого сферического зеркала 19 с центром в области излучающей плазмы 2.

В вариантах реализации трубка 11 и дно 12 камеры могут быть выполнены как одно целое из единого куска материала, Фиг. 4.

В других вариантах изобретения герметизация трубки 11 и дна 12 камеры осуществлена с помощью жаростойкого стеклоцемента, обеспечивающего высокое время жизни источника света при рабочих температурах свыше 900 К.

Для герметизации камеры используются приторцевые части трубки 11. При этом герметизация крышки 13 и трубки 11 камеры осуществлена с помощью пайки с использованием высокотемпературного припоя, предпочтительно с температурой плавления не менее 900 К. Перед пайкой приторцевая часть трубки 11 камеры металлизируется.

Крышка камеры может состоять из нескольких частей или деталей, выполненных как из металла, так и из керамики.

Предпочтительно трубка 11 и дно 12 камеры выполнены из материала, относящегося к группе сапфир, лейкосапфир, плавленый кварц, кристаллический кварц, обладающего наиболее выдающимися оптическими, физико-химическими и механическими характеристиками.

Более детально пример выполнения источника света в соответствии с настоящим изобретением, схематично представлен на Фиг. 5. В этом варианте реализации изобретения для стартового зажигания плазмы используется твердотельная лазерная система, которая содержит первый лазер 20 для генерации первого лазерного пучка 21 в режиме модуляции добротности и содержит второй лазер 22 для генерации второго лазерного пучка 23 в режиме свободной генерации. Импульсные лазеры с активными элементами 24, 25 снабжены источниками оптической накачки, например, в виде импульсных ламп 26 и предпочтительно имеют общие зеркала 27, 28 резонатора. Первый лазер 20 снабжен модулятором добротности 29.

Два импульсных лазерных пучка 21, 23 сфокусированы в камеру, в область, предназначенную для поддержания излучающей плазмы 2, Фиг. 4. Первый лазерный пучок 21 предназначен для стартового зажигания плазмы или оптического пробоя. Второй лазерный пучок 23 предназначен для создания плазмы, объем и плотность которой достаточны для стационарного поддержания области излучающей плазмы 2 сфокусированным пучком 3 непрерывного лазера.

В качестве непрерывного лазера 4 предпочтительно используется высокоэффективный диодный лазер ближнего инфракрасного диапазона с выводом излучения в оптоволокно 29. На выходе из оптического волокна 29 расширяющийся лазерный пучок направлен на коллиматор 30, например, в виде собирающей линзы. После коллиматора 30 расширенный параллельный пучок 31 непрерывного лазера направлен на фокусирующий оптический элемент 16, например, в виде асферической собирающей линзы. Фокусирующая оптическая система, включающая оптический элемент 16 и дно камеры 12, обеспечивает острую фокусировку пучка 3 непрерывного лазера 4, необходимую для обеспечения высокой яркости источника света.

Предпочтительно, что длина волны непрерывного лазера λ_CW, отлична от длин волн λ₁, λ₂ первого и второго импульсных лазерных пучков 21, 23. В качестве примера длина волны непрерывного лазера может быть равной λ_CW= 0,808 мкм или 0,976 мкм, а импульсные лазеры могут иметь длину волны излучения λ₁=λ₂=1,064 мкм. Это позволяет использовать дихроичное зеркало 32 для ввода лазерного пучка 31 непрерывного лазера и импульсных лазерных пучков 21, 23. Для транспортировки импульсных лазерных пучков 21, 23 может дополнительно использоваться поворотное зеркало 33, Фиг. 5.

Оптическая система сбора излучения 6, на которую направлен пучок 5 излучения плазмы, формирует пучок излучения плазмы 7, транспортируемый, например, с использованием поворотного зеркала 34 и другой, в том числе волоконной, оптики к оптической системе, использующей широкополосное излучение плазмы.

В вариантах реализации изобретения крышка камеры снабжена нагревателем, состоящим, например, из нагревательной обмотки 36, источника тока 37, которой подсоединен к ней через температурный мост 38, предназначенный для обеспечения разницы температур между нагревательной обмоткой 36 и токоведущими шинами 39. Дополнительно токоведущие шины 39 могут быть снабжены теплообменником (не показан), например, в виде радиаторов с воздушным охлаждением. Крышка камеры 13 также моет быть оснащена термопарой 40 для измерения температуры камеры. Кроме этого, крышка камеры 13 с нагревательной обмоткой 36 может быть помещена в теплоизолирующий кожух (не показан).

Нагреватель 36 предназначен для предстартового прогрева камеры до рабочей температуры, что облегчает стартовое зажигание плазмы и обеспечивает быстрый выход источника света на установившийся режим работы с заданной оптимально высокой температурой камеры, которая предпочтительно находится в диапазоне от 600 до 900 К.

В предпочтительном варианте реализации изобретения высокояркостный источник света содержит блок управления 41, выполненный с функцией автоматизированного поддержания заданной мощности в пучке излучения плазмы 7, поставляемом потребителю, Фиг. 5. Для этого источник света снабжен измерителем мощности 42, на который с помощью ответвителя (не показан) подается малая часть светового потока от пучка 7 излучения плазмы, поставляемого потребителю. Предпочтительно блок управления соединен с нагревателем 35, термопарой 40, измерителем мощности 42, импульсной лазерной системой 9, блоком электропитания непрерывного лазера 4. Поддержание заданной мощности в пучке излучения плазмы 7 осуществляется блоком управления 41 по схеме обратной связи между измерителем мощности 42 и блоком электропитания непрерывного лазера 4. Кроме этого, блок управления 41 может быть выполнен с функцией термостабилизации камеры при ее оптимально высокой температуре. В данном варианте изобретения достигается высокая стабильность мощности и яркости источника света с лазерной накачкой.

Наряду с выводом пучка 5 излучения плазмы на систему сбора излучения 6 по всем азимутам, источник света в соответствии с настоящим изобретением не ограничен только этим вариантом. В других вариантах реализации изобретения источник света может иметь, по меньшей мере, три расходящихся пучка 5a, 5b, 5c полезного излучения плазмы, как иллюстрируется Фиг. 6, на которой показано сечение источника света в горизонтальной плоскости, проходящей через область излучающей плазмы 2. Лазерные пучки на Фиг. 6, осуществляющие зажигание и поддержание непрерывного оптического разряда, 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 может быть размещена в корпусе 43, 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.

Еще в одном из вариантов реализации изобретения, показанном на Фиг. 7, камера 1 помещена во внешнюю колбу 44 с цоколем 45. Цоколь может служить для крепления камеры 1 и частично быть заполнен герметизирующим материалом 46. Герметичные соединения показаны на Фиг. 7 толстыми линиями.

Для минимизации аберраций внешняя колба предпочтительно имеет сферическую часть с центром в области излучающей плазмы 2.

Фокусирующий оптический элемент 16, в частном случае представляющий собой линзу, предпочтительно также помещен во внешнюю колбу. В этом случае фокусирующая линза 16 закреплена на оправе 47, которая, в свою очередь закреплена, например, посредством стеклоцемента или пайки на приторцевой части трубки 11 камеры 1, Фиг 7.

Для устранения конвективных потоков снаружи камеры 1 и повышения стабильности яркости источника света внешняя колба предпочтительно вакуумирована.

В вариантах реализации внешняя колба может быть выполнена с функцией фильтра, обрезающего излучение с длинами волн ниже 240-260мм, приводящего к образованию озона, то есть использоваться в без озоновых модификациях источника света с лазерной накачкой.

При выполнении в указанном виде увеличиваются долговечность, яркость и стабильность работы источника света с лазерной накачкой.

В целом, предлагаемое изобретение позволяет создать 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 высокояркостных широкополосных источников света. Технический результат - повышение пространственной и энергетической стабильности высокояркостного источника света с лазерной накачкой. Источник света с лазерной накачкой содержит камеру, заполненную газом при высоком давлении, область излучающей плазмы, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком непрерывного лазера; по меньшей мере один пучок излучения плазмы, выходящий из камеры, средство для зажигания плазмы. Средство для зажигания плазмы представляет собой импульсную лазерную систему, генерирующую по меньшей мере один импульсный лазерный пучок, который сфокусирован в камеру, которая состоит из трубки, дна и крышки; один торец трубки герметично соединен с дном, а другой торец трубки герметично соединен с крышкой. Крышка выполнена из металла, предназначена для заполнения камеры газом, и часть или деталь крышки выполнена в виде вогнутого сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Источник света с лазерной накачкой, содержащий: камеру, заполненную газом при высоком давлении, область излучающей плазмы, поддерживаемой в камере сфокусированным пучком непрерывного лазера; по меньшей мере один пучок излучения плазмы, выходящий из камеры, средство для зажигания плазмы, отличающийся тем, что

средство для зажигания плазмы представляет собой импульсную лазерную систему, генерирующую по меньшей мере один импульсный лазерный пучок, который сфокусирован в камеру;

камера состоит из трубки, дна и крышки; один торец трубки герметично соединен с дном, а другой торец трубки герметично соединен с крышкой;

трубка и дно камеры выполнены из оптически прозрачного материала;

дно камеры предназначено для ввода в камеру пучка непрерывного лазера и каждого импульсного лазерного пучка,

трубка, за исключением ее приторцевых частей, предназначена для выхода пучка излучения плазмы из камеры по всем азимутам,

крышка выполнена из металла, предназначена для заполнения камеры газом, и часть или деталь крышки выполнена в виде вогнутого сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы.

2. Источник света по п. 1, в котором форма трубки выполнена с функцией уменьшения аберраций, искажающих ход лучей пучка излучения плазмы при его прохождении через стенку трубки, следующим образом:

часть трубки камеры осесимметрична, имеет центр симметрии, цилиндрическую внутреннюю поверхность, бочкообразную или тороидальную форму наружной поверхности, при этом область излучающей плазмы совмещена с центром симметрии трубки.

3. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором пучок непрерывного лазера сфокусирован в камеру посредством оптической системы, включающей в себя дно камеры и фокусирующий оптический элемент с поверхностью, минимизирующей суммарные аберрации указанной оптической системы.

4. Источник света по п. 3, в котором фокусирующий оптический элемент представляет собой асферическую линзу.

5. Источник света по п. 3, в котором фокусирующий оптический элемент представляет собой линзу в оправе, закрепленной на камере.

6. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором дно камеры выполнено в виде линзы.

7. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором сфокусированный пучок непрерывного лазера направлен в камеру вертикально вверх.

8. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором радиус вогнутого сферического зеркала менее 3 мм.

9. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором часть крышки выполнена из тугоплавкого материала, относящегося к вольфраму, молибдену или сплавам на их основе.

10. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором по радиус внутренней поверхности трубки камеры менее 5 мм, предпочтительно не более 3 мм.

11. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором трубка и дно камеры выполнены из материала, относящегося к группе сапфир, лейкосапфир, плавленный кварц, кристаллический кварц.

12. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором для герметизации камеры используются приторцевые части трубки, причем герметизация трубки и дна камеры осуществлена с помощью стеклоцемента, а герметизация крышки и трубки камеры осуществлена с помощью пайки.

13. Источник света по любому из пунктов предыдущих пунктов, в котором крышка предназначена для заполнения камеры газом.

14. Источник света по любому из пунктов предыдущих пунктов, в котором крышка снабжена газовым портом, предназначенным для управления давлением и/или составом газа в камере.

15. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором крышка камеры снабжена нагревателем.

16. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему, генерирующую в режиме модуляции добротности и в режиме свободной генерации два импульсных лазерных пучка, которые сфокусированы в камеру.

17. Источник света по любому из предыдущих пунктов, в котором камера помещена во внешнюю колбу.