Способ получения оптического разряда Российский патент 2024 года по МПК H01J61/02 

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 K, тогда как в дуговом, обычно, 7000-8000 K, 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 получения 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 слабо 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 получения оптического разряда (RU157892 U1), 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 I_Σ 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 применения двух лазеров, а соответственно и двух систем фокусировки и управления излучением. Также, при отражении лазерного излучения от плазмы оптического разряда нежелательное излучение возвращается и причиняет вред выходу оптоволокна лазера, а в случае отсутствия блокиратора - и самому лазеру.

Существуют поляризационные кубы (http://holographypro.com/ru/spravochnik/elementy-opticheskikh-skhem/polyarizatsionnyj-svetodelitel), конструктивно выполненные в виде сборки из двух склеенных прямоугольных призм Порро. На плоскость гипотенузы одной из призм нанесено специальное многослойное диэлектрическое покрытие, которое отражает S компоненту излучения и пропускает Р компоненту. Применение кубических поляризационных светоделителей с просветляющими покрытиями снижает потери на отражение. Просветляющие и диэлектрические покрытия подбираются под длину волны излучения для минимизации потерь и повышения эффективности применения такого светоделителя. Такие поляризационные светоделительные кубы зачастую имеют маркировку, показывающую направление для падающего луча, а также направления отраженного и прошедшего лучшей и их поляризации. Наилучшая эффективность применения таких кубов достигается при перпендикулярном падении неполяризованного излучения на входную грань куба. Куб может использоваться и в обратном направлении.

Заявляемый способ получения оптического разряда направлен на устранение недостатков прототипа, а именно дает возможность реализовать двухлучевую схему получения оптического разряда с применением одного лазера и при этом позволяет отвести нежелательное отраженное излучение от лазера или выхода оптоволокна тем самым избегая причинения им вреда.

Указанный результат достигается тем, что в способе поддержания оптического разряда заключающийся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, в котором излучение лазера подают на поляризационный куб под углом Брюстера, проходящий через поляризационный куб луч с р-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку и фокусируют в разрядном объеме, отраженный от поляризационного куба луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме, зеркала располагают таким образом чтобы лучи пересекались в разрядном объеме, а угол между лучами составлял более 60 градусов, отраженные от плазмы обратные лучи с измененной относительно прямых лучей поляризацией пропускают по их оптическим путям обратно до поляризационного куба и отводят в поглотитель излучения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическими материалами. На фиг. 1 и фиг. 2 представлена схема примера реализации заявляемого способа. На фиг. 1 для наглядности показан ход лучей прямого лазерного излучения, а ход отраженных лучей не показан. На фиг. 2, наоборот, для наглядности показан ход отраженных лучей, а ход лучей прямого лазерного излучения не показан.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное неполяризованное излучение 1 лазера 2 подают на поляризационный светоделительный куб 3 перпендикулярно входной грани. Поляризационный светоделительный куб 3 подбирают под длину волны лазера 2. Поляризационный светоделительный куб 3 пропускает луч 4, имеющий линейную р-поляризацию и отражает луч 5, имеющий линейную s-поляризацию. Лучи 4 и 5 пропускают через четвертьволновые пластинки 6 и 7. Четвертьволновые пластинки 6 и 7 подбирают под длину волны лазера 2. Четвертьволновые пластинки 6 и 7 располагают их медленными или быстрыми осями под углом 45 градусов к плоскости поляризации падающих лучшей 4 и 5. Таким образом, выходящие из них лучи 8 и 9 имеют круговую поляризацию. Луч 9 отражают от двух зеркал 10 для создания необходимого (более 60 градусов) угла между лучами 8 и 9. Лучи 8 и 9 фокусируют линзами 11 так, чтобы они пересекались внутри герметичной камеры 12, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и получения плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда 13. Линзы 11 подбираются таким образом, чтобы пропускать излучение на длине волны лазера 2 и блокировать остальные диапазоны, для защиты оборудования от ультрафиолетового излучения плазмы оптического разряда 13. Для первоначального поджига оптического разряда 13 применяют два штыревых электрода (на фиг. 1, 2 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 13, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения либо внешний импульсный лазер (на фиг. 1, 2 не показан) излучение которого фокусируют на пересечении лучей 8 и 9, либо увеличением мощности используемого для оптического разряда 13 лазера 2. При этом на пересечении сфокусированных лучей 8 и 9 лазерного излучения образуется облако плазмы оптического разряда 13, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 13 поддерживают за счет поглощения излучения лазера 2. Часть излучения лучей 8 и 9 отражается от плазмы оптического разряда 13 и возвращается в виде лучей 14 и 15, причем круговая поляризация при отражении сохраняется, а фаза при отражении от плазмы оптического разряда 13 (которая по сути является проводником), меняется на 180 градусов). При пропускании лучей 14 и 15 через четвертьволновые пластинки 6 и 7 их поляризация из круговой превращается в линейную, при этом луч 16 получает s-поляризацию, а луч 17 - р-поляризацию. Луч 16 отражают от поляризационного светоделительного куба 3 в поглотитель излучения 18, а луч 17 пропускают сквозь поляризационный светоделительный куб 3 в поглотитель излучения 18.

Таким образом, одновременно достигается поглощение нежелательного отраженного лазерного излучения при эффективном поддержании оптического разряда на пересечении двух лучей с помощью одного лазера.

Изобретение относится к способу получения оптического разряда с целью генерации 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. Излучение лазера подают на поляризационный куб под углом Брюстера, проходящий через поляризационный куб, луч с р-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку и фокусируют в разрядном объеме, отраженный от поляризационного куба луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку, отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме. Зеркала располагают таким образом, чтобы лучи пересекались в разрядном объеме, а угол между лучами составлял более 60 градусов. Отраженные от плазмы обратные лучи с измененной относительно прямых лучей поляризацией пропускают по их оптическим путям обратно до поляризационного куба и отводят в поглотитель излучения. 2 ил.

Способ получения оптического разряда, заключающийся в поджиге оптического разряда, расположенного в разрядной камере, отличающийся тем, что излучение лазера подают на поляризационный куб под углом Брюстера, проходящий через поляризационный куб луч с p-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку и фокусируют в разрядном объеме, отраженный от поляризационного куба луч с s-поляризацией пропускают через соответствующую четвертьволновую пластинку, отражают от двух зеркал и фокусируют в разрядном объеме, зеркала располагают таким образом, чтобы лучи пересекались в разрядном объеме, а угол между лучами составлял более 60 градусов, отраженные от плазмы обратные лучи с измененной относительно прямых лучей поляризацией пропускают по их оптическим путям обратно до поляризационного куба и отводят в поглотитель излучения.