Устройство и способ стабилизации излучения оптического разряда
DEVICE AND METHOD OF STABILIZING OPTICAL RADIATION

Заявляемое техническое решение относится к устройствам и способу стабилизации 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 борьбы с неустойчивостью 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 борьбы с неустойчивостью оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] 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. 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 подавлять неустойчивости в оптическом разряде.
Недостатком известного способа борьбы с неустойчивостью 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).
Известен способ борьбы с неустойчивостями оптического разряда, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] Патент на изобретение RU 2534223 C1 «ИСТОЧНИК СВЕТА С ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ». Опубликовано 27.11.2014 Бюл. № 33). Повышение пространственной и энергетической стабильности источника света с лазерной накачкой обеспечивается тем, что сфокусированный лазерный пучок направлен в область излучающей плазмы снизу вверх: от нижней стенки камеры к противоположной ей верхней стенке  камеры, и область излучающей плазмы расположена вблизи верхней стенки камеры. В вариантах изобретения сфокусированный лазерный луч направляют вдоль вертикальной оси симметрии стенок камеры, область излучающей плазмы создают на оптимально малом расстоянии от верхней стенки камеры, не оказывающем негативного воздействия на ресурс устройства, охлаждают камеру потоком защитного газа, направленным на верхнюю стенку камеры. Известный способ позволяет подавлять неустойчивости в оптическом разряде.
Недостатком известного способа является расположение области излучающей плазмы вблизи верхней стенки камеры, вызывающее смещение области плазмы относительно центра симметрии камеры, что неизбежно приводит к оптическим искажениям как лазерного пучка, так и излучения плазмы оптического разряда из-за неперпендикулярности волнового фронта и поверхности корпуса камеры, что в конечном итоге приводит к искажению формы оптического разряда и неравномерности выходного излучения.
Кроме того, недостатком известного способа является необходимость охлаждать камеру потоком защитного газа, направленным на ее верхнюю стенку, в направлении которой смещен оптический разряд, что приводит к усложнению конструкции.
Заявляемые устройство и способ стабилизации излучения оптического разряда направлены на улучшение характеристик  процесса стабилизации, а именно на уменьшение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.
Указанный результат достигается тем, устройство стабилизации излучения 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 внутрь камеры введен  неподвижный теплоотводящий стержень, заостренный конец которого частично входит в область боковой поверхности фронта температуры нагреваемого оптическим разрядом газа, обеспечивая интенсивную теплоотдачу от нагретого газа, без контакта с самой плазмой оптического разряда.
Устройство стабилизации излучения оптического разряда  содержит неподвижный теплоотводящий стержень, который  может быть изготовлен из металла, керамики или их комбинации.
Указанный результат также достигается тем, что в способе стабилизации излучения 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, причем при расширении области нагретого газа вокруг оптического разряда проводят интенсивное охлаждение области нагретого газа, стабилизацию ее формы и прекращение колебаний путем  соприкосновения ее с поверхностью теплоотводящего стержня.
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 применения заявляемого изобретения.
Устройство стабилизации излучения 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. Оптический разряд 2 располагается преимущественно в центре камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений. Его положение определяется местом фокусировки лазерного излучения (лазерное излучение на фиг. 1 не показано). Через стенки камеры 1 внутрь объема с газовой смесью введен (впаян, вварен, вклеен) неподвижный теплоотводящий стержень 3, который может состоять из металла, керамики или их комбинации. Теплоотводящий стержень 3 расположен таким образом, чтобы его заостренный конец частично входил внутрь боковой поверхности фронта температуры 4 нагреваемого оптическим разрядом 2 газа. Конец стержня 3 не контактирует с нагретой до высокой температуры плазмой оптического разряда 2 для предотвращения расплавления и испарения  материала с его поверхности.
Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров 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. 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. При этом соприкосновение горячего газа с холодным теплоотводящим стержнем 3, введенным внутрь газоразрядной камеры 1, приводит к его охлаждению, причем чем больше размер области нагретого оптическим разрядом газа, тем интенсивнее происходит его охлаждение за счет увеличения площади заостренного конца теплоотводящего стержня 3, находящегося в с прикосновении с горячим газом, ограниченным фронтом температуры 4. Таким образом возникает баланс между потоком тепла от нагретого оптическим разрядом 2 газа, и потоком тепла, отводимого теплоотводящим стержнем 3, которое рассеивается в окружающую среду либо за счет конвекции с внешней стороны стрежня 3, либо за счет его принудительного воздушного или водяного охлаждения (на фиг. 1 способы охлаждения не показаны). Интенсивный отток тепла через теплоотводящий стержень 3 останавливает расширение области нагретого газа, ограниченного фронтом температуры 4, тем самым стабилизируя ее размер и подавляя колебания.
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 изображена теневая фотография применения заявляемого изобретения (снимок сделан авторами). Оптический разряд 2 виден в форме яркого эллипса в нижней части рисунка. Слева от него видна теневая картина заостренного конца теплоотводящего вольфрамового стержня 3, конец которого частично введен в область разогретого оптическим разрядом газа, ограниченного на фиг. 3 светлой линией, приблизительно на 0,6 мм. Температура нагретого газа в промежутке между оптическим разрядом и концом теплоотводящего стрежня согласно расчетам и непосредственным измерением составляет приблизительно 3000 градусов Кельвина [6] ([6] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1394/1/012012/pdf). При этом тепловой поток через газ от оптического разряда существенно меньше отвода тепла через теплоотводящий стержень, что предотвращает оплавление и испарение материала с поверхности стрежня.  Благодаря установившемуся тепловому балансу между объемом нагретого газа и теплоотводящим стержнем, излучение оптического разряда, его форма и положение, а также форма нагретого облака горячего газа остаются стабильными во времени и в пространстве, обеспечивая стабилизацию излучения оптического разряда. Оценка диаметра нагретой области вокруг оптического разряда, а значит формы и положения теплоотводящего стержня для различного состава и давления газа в камере могут быть вычислены компьютерным моделированием тепловых процессов в камере оптического разряда, либо получены непосредственно в эксперименте.
Экспериментальный способ определения положения теплоотводящего стержня состоит в следующем. Оптический разряд зажигается в камере в отсутствии стержня. Проводится видеосъемка теневой картины оптического разряда с частотой, превышающей в несколько раз частоту колебаний оптического разряда, лежащую обычно в диапазоне 20-60 Гц. Определяется наименьший радиус R полусферической области нагретого газа вокруг оптического разряда. Например, острие теплоотводящего стержня должно располагаться не ближе 0,5R и не дальше 0,8R от центра оптического разряда при том же давлении и составе газовой смеси. Предпочтительной является коническая форма острия стержня для увеличения площади теплоотвода при расширении области горячего газа.
Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в применении одного теплоотводящего стержня 3, что позволяет максимально использовать остальную поверхность разрядной камеры 1 для выхода излучения оптического разряда.