Способ формирования оптического разряда Российский патент 2024 года по МПК H01J65/04 

Изобретение относится к способу формирования оптического разряда с целью получения широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.

Оптический разряд можно использовать в качестве источника света очень большой яркости, поскольку температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других типах разрядов - 15000-20000 К, тогда как в дуговом, обычно, 7000-8000 К, в ВЧ разряде - 9000-10000 К. Плазма оптического разряда в различных газах, в частности в ксеноне, создаваемая сфокусированным лучом непрерывного лазера при давлении газа 10-20 атм., является одним из самых высокояркостных источников непрерывного излучения, в частности в широком спектральном диапазоне 170-880 нм. По сравнению с дуговыми лампами такие источники обладают большим временем жизни. Высокая спектральная яркость источников света с лазерной накачкой, около 104 Вт/м2/нм/ср при уровне мощности излучения в несколько ватт делает их предпочтительными для многих применений.

Известен способ-аналог формирования оптического разряда (патент US 7435982 “Laser-driven light source”) заключающийся в облучении сфокусированным с помощью системы фокусировки лазерным излучением камеры, заполненной газовой средой высокого давления. Фактически приведенный способ представляет собой один из вариантов реализации явления непрерывного оптического разряда, обнаруженного в 1970 г. в СССР (Генералов Н.А., Зимаков В.П. и др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).

Важно отметить, что в способе-аналоге яркость излучения увеличивается незначительно по мере роста мощности используемого лазера, поскольку вместе с ростом мощности лазера увеличивается и объем излучающей плазмы, генерируемой лазером накачки. Например, при увеличении мощности лазера от 20 Вт (источник EQ-99, Hamamatsu Photonics) до 60 Вт (источник EQ-1500, Hamamatsu Photonics) размер излучающей плазмы по уровню 50% от максимальной яркости увеличивается от 60 мкм × 140 мкм до 125 мкм × 300 мкм, то есть объем плазмы возрастает в 9 раз. Это означает, что мощность энерговыделения в единице объема плазмы с увеличением мощности лазера даже уменьшается. При этом максимальная температура плазмы даже несколько снижается, а рост спектральной яркости достигается менее эффективным способом - за счет увеличения оптической толщины плазмы, в основном прозрачной для собственного теплового излучения. Кроме того, медленный рост яркости лазерной плазмы при увеличении лазерной мощности связан с рефракцией лазерного излучения в нагретом газе: с увеличением мощности лазерного излучения увеличивается и тепловыделение в фокальной области. В результате возрастает размер и оптическая сила «рассеивающей тепловой линзы», возникающей в области излучающей плазмы и вокруг этой области, что ухудшает условия фокусировки лазерного излучения.

Известен способ формирования оптического разряда (RU 157892, 16.03.2005, МПК H01J 65/04, H05G 2/00, H01J 27/24), принятый за прототип, заключающийся в облучении заполненной газовой средой высокого давления камеры, двумя сфокусированными лазерными лучами, полученными с помощью двух лазеров и двух систем фокусировки, причем угол между направлением излучения лазеров составляет не менее 60°.

Авторами прототипа обнаружено, что при возбуждении оптического разряда сфокусированным излучением двух лазеров с по существу совпадающими фокусами область высокой яркости такого разряда (например, по уровню 50% от максимальной яркости) сосредоточена вблизи области пересечения фокальных областей каждого из лучей и может быть существенно меньше, чем занимаемая плазмой область для каждого из лазерных лучей в отдельности. Как следствие, при достаточно большом угле θ между направлением оптических осей каждого из лазерных лучей, а именно при θ≥60° резко увеличивается стабильность положения области оптического разряда с максимальной яркостью, яркая область «совместной» плазмы оказывается значительно меньше размера яркой области плазмы, генерируемой каждым из используемых лазеров в отдельности, а яркость излучения плазмы оптического разряда IΣ значительно превосходит арифметическую сумму яркостей плазмы I1+I2, где I1, I2 - яркость плазмы в случае работы только одного лазера (соответственно, первого или второго).

Недостаток прототипа заключается в необходимости использовать две системы фокусировки. Также недостатком является расположение лазеров или оптоволокна с подводимым лазерным излучением (располагаются с противоположных сторон от оптического разряда), что в свою очередь приводит к увеличению габарита установки, также имеется ограничение на близость расположения оптического разряда к другим объектам (непосредственно облучаемому объекту или системе вывода излучения).

Существуют зеркала в форме внеосевого параболоида, например, (Parabolic Mirror 50328AU, https://www.newport.com/p/50328AU). Все лучи, попадающие на зеркало параллельно его оси, фокусируются в одной точке.

Заявляемый способ формирования оптического разряда направлен на устранение недостатков прототипа, а именно дает возможность реализовать двухлучевую схему формирования оптического разряда с применением одной фокусирующей системы и при этом подвод поддерживающего излучения располагается с одной стороны от оптического разряда.

Указанный результат достигается тем, что в способе формирования оптического разряда, заключающемся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, с помощью двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, излучение двух лазеров фокусируют зеркалом - внеосевым параболоидом, лазерные лучи направляют на края зеркала параллельно его оси таким образом, чтобы угол между ними при отражении и фокусировке составлял не менее 60 градусов.

Поставленная задача также достигается тем, что лазеров может быть более двух.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическими материалами. На Фиг.1 - Фиг.4 представлена схема примера реализации заявляемого способа. На Фиг.1 показан вид сверху, на Фиг.2 - вид сбоку, на Фиг.3 - вид спереди (со стороны лазеров), на Фиг.4 показа изометрия падения лучей лазера, их отражение и фокусировка (для удобства сами лазеры, а также герметичная камера не показаны).

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение 1 двух лазеров 2 фокусируют зеркалом - внеосевым параболоидом 3. Лучи 1 лазеров 2 направляют на зеркало - внеосевой параболоид параллельно его оси таким образом, чтобы при отражении они пересекались под углом не менее 60 градусов внутри герметичной камеры 4, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда 5, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда 5. Зеркало - внеосевой параболоид 3 подбирают так, чтобы он максимально эффективно отражал излучение на длине волны лазеров 2, и чтобы его размеры позволяли достаточно удалить друг от друга лучи 1, для образования между отраженными лучами 6 угла не менее 60 градусов. Целесообразно располагать лучи 1 на краях зеркала 3, в самом широком месте, для достижения наибольшего угла между отраженными лучами 6 при их фокусировке. Для первоначального поджига оптического разряда 5 применяют два штыревых электрода (на Фиг.1 - Фиг.4 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 5, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения либо внешний импульсный лазер (на Фиг.1 - Фиг.4 не показан) излучение которого фокусируют на пересечении лучей 6, либо увеличением мощности используемых для оптического разряда 5 лазеров 2. При этом на пересечении сфокусированных лучей 6 лазерного излучения образуется облако плазмы оптического разряда 5, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 5 поддерживают за счет поглощения излучения лазеров 2.

Таким образом, достигается формирование оптического разряда на пересечении лучей двух лазеров при использовании только одного фокусирующего элемента, при этом подвод излучения осуществляется с одной стороны от оптического разряда.

Изобретение относится к способу формирования оптического разряда с целью получения широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях. Технический результат - расширение арсенала технических средств. В способе формирования оптического разряда, заключающемся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, с помощью двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, излучение двух лазеров фокусируют зеркалом - внеосевым параболоидом. Лазерные лучи направляют на края зеркала параллельно его оси таким образом, чтобы угол между ними при отражении и фокусировке составлял не менее 60 градусов. 4 ил.

Способ формирования оптического разряда, заключающийся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, с помощью двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, отличающийся тем, что излучение двух лазеров фокусируют зеркалом - внеосевым параболоидом, причем зеркало подбирают таким образом, чтобы оно максимально эффективно отражало излучение на длине волны лазеров, а его геометрические размеры позволяли отразить лазерные лучи с пересечением под углом более 60 градусов, лазерные лучи направляют на края зеркала параллельно его оси таким образом, чтобы угол между ними при отражении и фокусировке составлял не менее 60 градусов.