ИСТОЧНИК СВЕТА С ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER-PUMPED LIGHT SOURCE AND METHOD FOR GENERATION OF LIGHT EMISSION

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к устройству источников света с лазерной накачкой и способам генерации излучения высокой яркости в УФ и видимом спектральных диапазонах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
4
2
Оптический разряд можно использовать в качестве источника света очень большой яркости, поскольку 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. Плазма оптического разряда в различных газах, в частности в Хе, 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. В качестве высокоэффективной плазмообразующей среды также могут использоваться пары ртути, в том числе в смеси с инертными газами, а также пары других металлов, и различные газовые смеси, в том числе галогеносодержащие. По сравнению с дуговыми лампами такие источники обладают большим временем жизни. Высокая спектральная яркость источников света с лазерной накачкой, около 10 Вт/м/нм/ср при уровне мощности излучения в несколько ватт делает их предпочтительными для многих применений.
Такие источники света высокой яркости можно использовать для спектрохимического анализа, спектрального микроанализа биообъектов в биологии и медицине, в микрокапиллярной жидкостной хроматографии, для инспекции процесса оптической литографии. Они также могут использоваться в различных проекционных системах, в микроскопии, спектрофотометрии и для других целей. Параметры источника света, например длина волны, уровень мощности и яркости излучения, варьируются в зависимости от области применения.
2
Для получения плазмы оптического разряда нашли применение лазеры различного типа с лазерным излучением в диапазоне длин волн от 0,26 мкм (4-я гармоника излучения Nd:YAG лазера) до 10,6 мкм (излучение лазера на СО) [1]. При длительном или непрерывном оптическом разряде для стартового зажигания плазмы в камере, наполненной газом высокого давления, используют различные методы, в том числе вспомогательный лазер, параметры которого отличны от параметров лазера для длительного ввода мощности лазерного излучения в плазму [2]. Недостатком указанных устройств и методов, созданных более 40 лет назад, была недостаточно высокая стабильность работы в долговременном непрерывном режиме с высокой эффективностью.
Этого недостатка частично лишен источник света с лазерной накачкой, содержащий камеру с газом; оптический элемент для фокусировки лазерного луча, формирующего в камере область плазмы с широкополосным высокояркостным излучением и обеспечивающего непрерывный ввод мощности лазерного излучения в плазму [3]. В предпочтительном варианте реализации способа генерации излучения для стартового зажигания плазмы используют два штыревых электрода, размещенных на оси кварцевой камеры, лазерный пучок фокусируют в центр камеры, в промежуток между двумя электродами, при этом ось лазерного пучка, направленная по оси X, и оси электродов, направленные по оси Y, расположены в горизонтальной плоскости XY, Фиг.15 [3].
Указанный источник света характеризуется высокими эффективностью, надежностью, ресурсом работы. Он снабжен эффективной оптической системой сбора излучения плазмы, снабженной блокатором прошедшего сквозь плазму не поглощенного лазерного излучения.
Однако геометрия источника света, определяемая направлением лазерного пучка и положением области излучающей плазмы, создаваемой в разрядном промежутке для стартового зажигания плазмы, не оптимальна для достижения высокой стабильности выходных характеристик высокояркостного источника света. Главным образом, это связано с отрицательным влиянием конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и соответственно на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой.
Частично этого недостатка лишен источник света, в котором стартовое зажигание плазмы в камере и создание в непрерывном режиме области плазмы с высокояркостным излучением осуществляются с помощью пучков двух различных лазеров [4].
Изобретение позволяет за счет подбора параметров двух лазерных пучков оптимизировать параметры плазмы с целью повышения яркости излучения.
Хотя указанные устройство и метод, в принципе, позволяют варьировать в достаточно широких пределах геометрию высокояркостного источника света, его оптимальная конфигурация, позволяющая минимизировать негативное влияние конвективных потоков газа в камере на стабильность выходных параметров излучения, не была определена. Это обусловливает возможность достаточно высокой энергетической и пространственной нестабильности источника света, вызываемой конвекцией газа в камере и ограничивающей круг его применений.
Частично этого недостатка лишен источник света с лазерной накачкой. Частично этого недостатка лишен источник света с лазерной накачкой, включающий в себя камеру, содержащую газ; лазер, генерирующий лазерный пучок; оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы, создаваемую в камере на оси сфокусированного лазерного пучка; и оптическую систему сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы [5]. При реализации способа генерации излучения зажигают плазму в газонаполненной камере и в непрерывном режиме фокусируют в область плазмы пучок лазера. В варианте изобретения стартовое зажигание и затем поддержание плазмы оптического разряда осуществляется в центре камеры между двумя вспомогательными электродами. Для снижения нестабильности выходных параметров источник света оснащен устройством обратной связи. Устройство обратной связи осуществляет измерение параметров части излучения, генерируемого источником света, оцифровывает данные, определяет их отклонение от заданной величины и на этой основе вырабатывает сигнал управления лазером для уменьшения нестабильности в источнике света.
Указанный источник света характеризуется высокой яркостью и относительно высокой стабильностью выходных характеристик за счет использования устройства обратной связи.
Однако геометрия источника света не оптимальна для уменьшения нестабильностей или шума, обусловленных интенсивными турбулентными потоками газа в камере из-за тепловой конвекции в поле силы тяжести. Это снижает возможности эффективного подавления нестабильности выходных параметров источника света с лазерной накачкой даже при наличии устройства обратной связи.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание высокостабильного компактного источника света очень большой яркости с высоким ресурсом работы.
Техническим результатом изобретения является повышение пространственной и энергетической стабильности высокояркостного источника света с лазерной накачкой, а также повышение его надежности.
Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого источника света с лазерной накачкой, включающего в себя камеру, содержащую газ; лазер, генерирующий лазерный пучок; оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы, создаваемую в камере на оси сфокусированного лазерного пучка; и оптическую систему сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы, в котором 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 на расстоянии от верхней стенки камеры, меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы до нижней стенки камеры.
Предпочтительно, что ось сфокусированного лазерного пучка направлена вверх по вертикали либо близко к вертикали.
В вариантах изобретения область излучающей плазмы расположена на расстоянии от верхней стенки камеры, минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света с лазерной накачкой.
Предпочтительно, что ось стенки камеры имеют плоскость симметрии, содержащую ось симметрии сечения стенок камеры, камера установлена таким образом, чтобы ось симметрии сечения стенок камеры была вертикальна либо близка к вертикали.
Предпочтительно, что ось сфокусированного лазерного пучка направлена по оси симметрии сечения стенок камеры либо близко к оси симметрии сечения стенок камеры.
Предпочтительно, что область излучающей плазмы расположена на оси симметрии сечения стенок камеры.
В вариантах изобретения ось сфокусированного лазерного пучка составляет с вертикалью угол, величина которого не превышает 45 градусов.
В вариантах изобретения с нижней стороны камеры ось лазерного пучка, генерируемого лазером, имеет направление, близкое к горизонтальному, при этом на оси лазерного пучка установлен оптический элемент, направляющий лазерный пучок в сторону камеры.
В вариантах изобретения источник света с лазерной накачкой содержит оптический элемент, направляющий ось пучка излучения плазмы по горизонтали либо близко к горизонтали.
1
2
1
2
1
В вариантах изобретения числовая апертура NA сфокусированного лазерного пучка и мощность лазера выбраны таким образом, чтобы область излучающей плазмы была протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, имея малое, находящееся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектное отношение d/l поперечного d и продольного l размеров области излучающей плазмы, яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси сфокусированного лазерного пучка была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера, числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка с верхней стороны камеры была меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка с нижней стороны камеры: NA<NA, при этом оптическая система сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы.
2
При этом в варианте изобретения расходящийся пучок излучения плазмы с числовой апертурой NA, выходящий на оптическую систему сбора излучения плазмы, не пересекает прошедший через область излучающей плазмы расходящийся лазерный пучок с верхней стороны камеры; в соответствии с чем угол между осью расходящегося пучка излучения плазмы и осью сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA+arctg NA).
В других вариантах ось расходящегося пучка излучения плазмы, выходящего на оптическую систему сбора излучения плазмы, направлена преимущественно по оси сфокусированного лазерного пучка.
В вариантах изобретения с нижней стороны камеры установлено вогнутое сферическое зеркало либо модифицированное вогнутое сферическое зеркало, с центром в области излучающей плазмы, имеющее отверстие, в частности оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка в область излучающей плазмы.
В вариантах изобретения в камере размещены два электрода для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком.
В вариантах изобретения в камере размещены два штыревых электрода для стартового зажигания плазмы, продольные оси которых горизонтальны.
В вариантах изобретения в камере размещены два электрода для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком, область излучающей плазмы расположена вне разрядного промежутка, при этом оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка в разрядный промежуток на время стартового зажигания плазмы.
В вариантах изобретения в источнике света с лазерной накачкой размещен вентилятор.
В вариантах изобретения в источнике света с лазерной накачкой размещено, по меньшей мере, одно сопло, к которому подсоединен выход мини-компрессора.
В вариантах изобретения камера размещена в герметичном корпусе с защитным газом, в частности, отличным от воздуха.
В вариантах изобретения камера размещена в герметичном корпусе с защитным газом, в корпусе размещено, по меньшей мере, одно сопло, обеспечивающее обдув верхней стенки камеры потоком защитного газа, к соплу через теплообменник подсоединен выход мини компрессора, вход которого соединен с герметичным корпусом.
В вариантах изобретения введена автоматизированная система управления с отрицательной обратной связью и функцией поддержания заданной мощности источника света с лазерной накачкой, включающая в себя измеритель мощности пучка излучения плазмы и контроллер, обрабатывающий данные измерителя мощности пучка излучения плазмы и управляющий выходной мощностью лазера.
В другом аспекте изобретение относится к способу генерации излучения, при котором направляют сфокусированный лазерный пучок снизу вверх: от нижней стенки камеры к противоположной ей верхней стенке камеры, кратковременно обеспечивают фокусировку лазерного пучка в разрядный промежуток между электродами для стартового зажигания плазмы, осуществляют зажигания плазмы и перемещают фокус лазерного пучка снизу вверх, и сфокусированным лазерным пучком, в непрерывном режиме формируют область излучающей плазмы вне разрядного промежутка вблизи верхней стенки камеры.
В вариантах реализации изобретения сфокусированный лазерный пучок направляют в камеру вдоль вертикальной оси симметрии сечения стенок, камеры и формируют область излучающей плазмы на оптимально малом расстоянии от верхней стенки камеры, при котором близость плазмы к верхней стенке камеры не оказывает заметного влияния на время жизни источника света.
В вариантах реализации изобретения охлаждают камеру потоком защитного газа, направленным на верхнюю стенку камеры.
В вариантах реализации изобретения предварительно задают требуемое значение мощности излучения источника света с лазерной накачкой и в процессе долговременной работы с помощью автоматизированной системы управления обеспечивают поддержание заданной мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
Указанные объекты, особенности и преимущества изобретения, а также само изобретение будет более понятным из последующего описания вариантов реализации изобретения, иллюстрируемых прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Техническая сущность и принцип действия предложенного устройства поясняются чертежами, на которых:
Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 показывают схематичное изображение источника света в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения,
Фиг.5 показывает различные конфигурации источника света с лазерной накачкой, отличающиеся уровнем нестабильности мощности излучения плазмы.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.
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 включает в себя камеру 1, содержащую газ; лазер 2, генерирующий лазерный пучок 3; оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок; область излучающей плазмы 5, создаваемую в камере 1 на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7; и оптическую систему 8 сбора излучения плазмы, формирующую пучок излучения плазмы 9. Сфокусированный лазерный пучок 7 направлен в область излучающей плазмы 5 снизу вверх: от нижней стенки камеры 10 к противоположной ей верхней стенке 11 камеры 1. Область излучающей плазмы 5 расположена на расстоянии от верхней стенки 11 камеры, меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы 5 до нижней стенки камеры 10.
<mrow><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mo>=</mo><mi>m</mi><mover accent="true"><mi>g</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
На Фиг.1, как и на других иллюстрациях, ось Z координат параллельна силе тяжести
и направлена вертикально вверх.
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 5 несколько сдвигается от фокуса навстречу сфокусированному лазерному пучку 7 до того сечения сфокусированного лазерного пучка, где интенсивность сфокусированного лазерного пучка еще достаточна для поддержания области излучающей плазмы 5. При направлении сфокусированного лазерного пучка 7 снизу вверх область излучающей плазмы 5, содержащая наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, стремится всплывать под действием архимедовой силы. Поднимаясь, область излучающей плазмы 5 попадает в место, более близкое к фокусу, где сечение сфокусированного лазерного пучка 7 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.
В связи с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлена вертикально вверх, то есть по оси Z (Фиг.1), либо близко к вертикали Z.
Здесь и далее, если не оговорено особо, близость объектов означает, что расстояние между объектами в пределах камеры 1 во много раз меньше размеров камеры 1.
Другой фактор, влияющий на стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой, определяется действием конвективных потоков 12 газа в камере 1. Импульс, приобретаемый под действием архимедовой силы газом, нагреваемым в области излучающей плазмы 5, тем меньше, чем ближе область излучения плазмы к верхней стенке 11 камеры. В связи с этим скорость и турбулентность конвективных потоков 12 газа тем меньше, чем ближе область излучения плазмы 5 к верхней стенке 11 камеры.
В соответствии с этим в предпочтительных вариантах реализации изобретения область излучающей плазмы 5 расположена на расстоянии h от верхней стенки 11 камеры 1, минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света. Предпочтительно величина h находится в диапазоне от 0.5 до 7 мм.
Для того чтобы область излучающей плазмы не была подвержена воздействию горизонтальных сил, обусловленных конвективными потоками 12 газа, желательно, чтобы тепловая конвекция в камере 1 имела ось симметрии, совмещенную с осью 6 сфокусированного лазерного пучка 7.
В связи с этим в вариантах изобретения стенки 10, 11 камеры 1 имеют плоскость симметрии (ZY на Фиг.1), сечение стенок 10, 11 в плоскости симметрии камеры 1 имеет ось симметрии 13, камера установлена таким образом, чтобы ось симметрии 13 сечения стенок 10, 11 камеры 1 была вертикальна либо близка к вертикали. При этом предпочтительно, что ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлена по оси 13 симметрии сечения стенок 10, 11 камеры 1 либо близко к оси 13 симметрии сечения стенок 10, 11 камеры 1 и область излучающей плазмы 5 расположена на оси 13 симметрии сечения стенок (10,11) камеры 1.
Отклонения от вертикали оси сфокусированного лазерного пучка 6, при которых еще наблюдается значительное снижение нестабильности мощности излучения источника света с лазерной накачкой, находятся в определенных пределах. В связи с этим в вариантах изобретения ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 составляет с вертикалью Z угол, величина которого не превышает 45 градусов.
При выполнении источника света в предложенном виде могут возрастать его размеры по вертикали. В связи с этим для обеспечения компактности устройства в вариантах реализации изобретения ось 14 лазерного пучка 3, генерируемого лазером 2, может быть направлена близко к горизонтали, при этом на оси 14 лазерного пучка 3, генерируемого лазером 2, установлен отклоняющий оптический элемент 15, направляющий ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 вверх в сторону камеры 1. На Фиг.1 отклоняющий оптический элемент 15 и оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, выполнены как отдельные элементы, но они могут быть объединены в одном оптическом элементе, например, в виде поворотного фокусирующего зеркала.
В варианте изобретения (Фиг.1) оптическая система 8 сбора излучения плазмы включает в себя вогнутое зеркало 16, расположенное вокруг оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и формирующее в фокусе зеркала 16 удаленный точечный источник света 17, удобный для использования. Поскольку отражаемый от вогнутого зеркала 16 пучок 18 излучения плазмы направлен преимущественно по вертикали, высота источника света с лазерной накачкой, выполненного в соответствии с изобретением, может стать неоправданно большой.
В связи с этим для обеспечения компактности устройства в варианте реализации изобретения, иллюстрируемом Фиг.1, источник света с лазерной накачкой содержит отклоняющий оптический элемент 19, направляющий ось 20 пучка излучения плазмы 9 по горизонтали либо близко к горизонтали.
В варианте изобретения (Фиг.1) выход излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы осуществляется пучком излучения плазмы 21, выходящим под большими углами к оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и исключающим пространственные углы, включающие в себя ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7. Это, в частности, определяет наличие темной области 15 в отражаемом от вогнутого зеркала 16 пучке 18 излучения плазмы.
Для устранения в пучке излучения плазмы 9 лазерного излучения устройство также содержит установленный с верхней стороны камеры 1 блокатор 23 расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Блокатор 23 установлен в темной области 22 отраженного от вогнутого зеркала 16 пучка 18 излучения плазмы (Фиг.1). Блокатор 23 может быть выполнен в виде зеркала, отражающего лазерное излучение, либо в виде элемента, полностью поглощающего излучение.
В вариантах изобретения используется, как это подробно описано в [6], обнаруженный нами полезный эффект самофокусировки расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5, за счет реализации условий образования плазменной линзы в области излучающей плазмы 5.
1
2
1
2
1
В вариантах реализации изобретения (Фиг.2) числовая апертура NA сфокусированного лазерного пучка 7 и мощность лазера 2 выбраны таким образом, чтобы область излучающей плазмы 5 была протяженной вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, имея малое, находящееся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектное отношение d/l поперечного d и продольного l размеров области излучающей плазмы 5, яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера, числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы 5 расходящегося лазерного пучка 24 с верхней стороны камеры 1 была меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 с нижней стороны 5 камеры: NA<NA. При этом оптическая система 8 сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 6.
1
1
Здесь числовая апертура NA пучка определяется как NA=n·sin θ, где n - показатель преломления среды, в которой распространяется пучок, θ - абсолютное значение угла между крайним или граничным лучом пучка и его осью. Здесь и далее можно считать, что n=1 и NA=sinθ. В соответствии с этим для числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка также справедливо соотношение NA=a/f, где а - радиус лазерного пучка на выходе из оптического элемента, фокусирующего лазерный пучок, f - фокусное расстояние оптического элемента.
2
В варианте изобретения, иллюстрируемом Фиг.2, расходящийся пучок излучения плазмы 25 с числовой апертурой NA не пересекает прошедший через область излучающей плазмы 5 расходящийся лазерный пучок 24 с верхней стороны камеры 1, в соответствии с этим угол между осью 26 расходящегося пучка 25 излучения плазмы и осью 6 сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA+arctg NA).
В данном варианте наряду с высокой стабильностью высокояркостного источника света с лазерной накачкой обеспечивается простота конструкции в сочетании с надежным и простым устранением лазерного излучения в пучке 25 излучения плазмы при отсутствии в нем темной области. Высокая яркость излучения обеспечивается с одной стороны, наибольшей яркостью протяженной области излучающей плазмы 5 вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, с другой - близким к ней расположением расходящегося пучка излучения плазмы 25.
Яркость устройства может быть повышена при размещении с нижней стороны камеры 1 на оси 26 расходящегося пучка излучения плазмы 25 вогнутого сферического зеркала либо модифицированного вогнутого сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы 5 (для упрощения не показано).
В варианте изобретения (Фиг.2) оптическая система 8 сбора излучения плазмы содержит входную линзу 27, на которую осуществлен выход излучение плазмы в виде расходящегося пучка 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 5. В вариантах изобретения оптическая система 8 сбора излучения плазмы может быть более сложной и содержать не преломляющую, а отражающую оптику или их комбинацию.
На Фиг.3 проиллюстрированы варианты реализации изобретения, направленные на дальнейшее улучшение выходных характеристик источника света с лазерной накачкой.
1
2
1
2
1
В соответствии с предпочтительными вариантами реализации изобретения числовая апертура NA сфокусированного лазерного пучка 7 и мощность лазера 2 выбраны таким образом, чтобы область излучающей плазмы 5 была протяженной вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, имея малое, находящееся в диапазоне от 0,1 до 0,5., аспектное отношение d/l поперечного d и продольного l размеров области излучающей плазмы 5, яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера, числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы 5 расходящегося лазерного пучка 24 с верхней стороны камеры 1 была меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 с нижней стороны 5 камеры: NA<NA. При этом оптическая система 8 сбора излучения плазмы расположена с верхней стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 6. Кроме этого, ось 26 расходящегося пучка 25 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 5 направлена преимущественно по оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7.
2
2
Для устранения лазерного излучения в формируемом системой 8 сбора излучения плазмы пучке излучения плазмы 9 устройство содержит установленный с верхней стороны камеры 1 блокатор 23 расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Образование плазменной линзы в области излучающей плазмы 5 и значительное снижение числовой апертуры NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 24, блокируемого с верхней стороны 11 камеры 1, позволяет при NA<<NA использовать для малой приосевой зоны пучка 15 излучения плазмы простые и надежные не селективные блокаторы, либо отражающие излучение в широком спектральном диапазоне, либо полностью поглощающие. Это может упрощать источник света, обеспечивая его надежность, высокую стабильность и большое время жизни. Блокатор 23 может быть выполнен в виде отражающего лазерное излучение покрытия малой части поверхности входной линзы 27 оптической системы 8 сбора излучения плазмы (Фиг.3).
При выполнении источника света с лазерной накачкой в предложенном виде с малым аспектным отношением d/l области излучающей плазмы яркость ее излучения максимальна вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, значительно, в несколько раз, превосходя яркость излучения в поперечном к оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлении. Поэтому при предложенном осуществлении осевого сбора излучения плазмы достигается максимальная яркость источника, которая согласно принципу инвариантности яркости без изменений при отсутствии потерь переносится оптической системой. При этом самофокусировка прошедшего через область излучающей плазмы 5 расходящегося лазерного пучка 24 упрощает его блокировку без значительных потерь в расходящемся пучке излучения плазмы 25.
Эффективность сбора излучения увеличивается в вариантах изобретения, в которых с нижней стороны камеры 1 установлено вогнутое сферическое зеркало 28, с центром в области излучающей плазмы 5, имеющее отверстие 29 для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 5.
В этом варианте изобретения пучок 25 излучения плазмы усилен пучком 30 излучения плазмы, отраженным от установленного с нижней стороны камеры 1 сферического зеркала 28 с центром в области излучающей плазмы 5. Это позволяет увеличить яркость в пучке 25 излучения плазмы, значительно увеличить эффективность сбора излучения плазмы и повысить эффективность источника света в целом. В соответствии с экспериментом увеличение яркости и эффективности сбора составляет около 70%.
В варианте изобретения вогнутое сферическое зеркало 28 прозрачно для сфокусированного лазерного пучка 7 вблизи его оси 6, в этом варианте вогнутое сферическое зеркало 28 имеет оптическое отверстие 29. Данный вариант упрощает конструкцию вогнутого сферического зеркала 28.
В варианте изобретения с нижней стороны камеры установлено вогнутое модифицированное сферическое зеркало 28 с центром в области излучающей плазмы 5, имеющее отверстие 29, в частности оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 5. Как это подробно описано в [5], использование модифицированного сферического зеркала 28 предпочтительно для компенсации искажения хода оптических лучей стенками камеры 1, что повышает эффективность источника света с лазерной накачкой.
В вариантах изобретения (Фиг.3) оптическая система 8 сбора излучения плазмы формирует пучок излучения плазмы 9, вводимый в оптоволокно 31, которое, транспортируя излучение плазмы, обеспечивает высокояркостный удаленный точечный источник света 17 в необходимом для использования месте.
В вариантах изобретения в камере 1 размещены два электрода 32, 33 для стартового зажигания плазмы с расположенным между ними разрядным промежутком 34. Их применение, как это достаточно подробно описано, например, в [7], облегчает зажигание плазмы, поддерживаемой затем в непрерывном режиме с помощью лазера. В некоторых случаях плотность мощности лазерного излучения в камере недостаточна для зажигания плазмы, поэтому использование электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы является необходимым условием создания области излучающей плазмы 5.
Предпочтительно, что продольные оси электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы горизонтальны. Это упрощает расположение камеры 1 так, чтобы ось 13 симметрии сечения стенок камеры была вертикальна, что повышает стабильность излучения плазмы.
Для упрощения конструкции камеры 1 в вариантах изобретения область излучающей плазмы 5 расположена вне разрядного промежутка 34. При этом в вариантах изобретения для облегчения стартового зажигания плазмы предпочтительно, что оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 33 на время стартового зажигания плазмы. С этой целью в одном из вариантов оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, может быть установлен на управляемом линейном трансляторе 35, перемещаемом в направлениях, показанных стрелками 36. В другом варианте оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, может быть выполнен в виде объектива с переменным фокусным расстоянием
В вариантах изобретения для устранения образования озона камера 1 размещена в герметичном корпусе 37, и герметичный корпус 37 заполнен защитным газом 38. В качестве защитного газа может быть использован газ, не содержащий кислород, например, азот.
Для поддержания необходимой для долговременной работы камеры 1, допустимой температуры верхней стенки 11, в вариантах изобретения в камере 1 размещен вентилятор 39. Предпочтительно, что газовый поток 40 защитного газа, создаваемый вентилятором 39, направлен на верхнюю стенку 11 камеры 1, вблизи которой формируют область горячей излучающей плазмы. При этом предпочтительно, что стенка либо стенки герметичного корпуса 37 выполнены в виде радиатора, высокоэффективно осуществляющего теплообмен с окружающим корпус 37 воздухом.
Фиг.4 иллюстрирует варианты изобретения, в которых для организации потока защитного газа, более эффективно охлаждающего камеру 1, введена система циркуляции защитного газа в герметичном корпусе 37, содержащая, по меньшей мере, одно сопло 41, обеспечивающее обдув камеры 1 направленным потоком 40 защитного газа, мини-компрессор 42 и теплообменник 43. При этом выход 44 мини-компрессора 42 подсоединен к соплу 41 через теплообменник 43, а вход 45 мини-компрессора 42 соединен с герметичным корпусом 37.
В вариантах изобретения введена автоматизированная система управления (АСУ) источником света с лазерной накачкой, характеризующаяся отрицательной обратной связью между мощностью пучка излучения плазмы и мощностью лазера. АСУ включает в себя контроллер 46, управляющий выходной мощностью лазера 2 на основании результатов обработки данных измерителя 47 мощности излучения плазмы. Предпочтительно, что измеритель 47 мощности излучения плазмы установлен после оптоволокна 31, обеспечивающего на выходе удаленный точечный источник света 17 в месте, необходимом для формирования конечного пучка излучения плазмы 48. Предпочтительно, что измеритель 47 мощности излучения плазмы совмещен с оптическим блоком формирования конечного пучка излучения плазмы 48, в котором установлен светоделитель, ответвляющий малую часть мощности пучка излучения плазмы на фотоприемное устройство (фотодиод) измерителя мощности 47. Контроллер 46 соединен с входом блока управления лазера 2 посредством, например, оптоволокна 49. Применение АСУ позволяет поддерживать заданный стабилизированный уровень мощности источника света в долговременном режиме или его изменение со временем по заданной программе. В вариантах изобретения в состав АСУ источником света с лазерной накачкой могут входить системы контроля и управления температурами лазера 2, защитного газа в камере 37, стенок камеры 1.
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¯</mo></mover><mo>/</mo><mi>I</mi><mo>−</mo><mn>3</mn><mi>σ</mi></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¯</mo></mover><mo>/</mo><mo>/</mo><mi>I</mi><mo>+</mo><mn>3</mn><mi>σ</mi></mrow>
<mover accent="true"><mi>I</mi><mo>¯</mo></mover>
Фиг.5 показывает различные конфигурации источника света с лазерной накачкой, отличающиеся направлением оси 6 сфокусированного лазерного пучка, ориентацией электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы и различными положениями I-VI области излучающей плазмы на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, отличающиеся соответственно нестабильностью мощности излучения источника света 3σ. Здесь 3σ - относительная нестабильность мощности излучения I источника света с лазерной накачкой определяет интервал (
;
) около среднего значения
, в котором не менее чем с 99,7% достоверностью лежат измеренные значения мощности I источника света с лазерной накачкой. Усреднение мощности излучения/ источника света проводилось на временном интервале 0,1 сек.
В таблице 1 для иллюстрируемых Фиг.5 конфигураций источника света с лазерной накачкой с различными положениями I-VI области излучающей плазмы представлены измеренные значения относительной нестабильности 3σ мощности его излучения.
Таблица 1.
Измеренная относительная нестабильность мощности излучения плазмы для различных конфигураций источника света с лазерной накачкой.
Конфигурация источника света с лазерной накачкой (Фиг.5)
I
II
III
IV
V
VI
Относительная нестабильность мощности излучения 3σ, %
0,6
>2
0,67
0.38
0,09
0,06
Плазма создавалась в лампе "OSRAM" XB0150W/4, заполненной Хе при давлении 20 атм. Для лазерной накачки использовался иттербиевый лазер YLPM-1-A4-20-20 IPG IRE-Polus с мощностью излучения 125 Вт на длине волны излучения λ=1070 нм. Плотность мощности лазерного излучения была недостаточна для зажигания плазмы, поэтому использовались два штыревых электрода 32, 33 для стартового зажигания плазмы. Из данных таблицы 1 видно, что в зависимости от конфигурации источника света с лазерной накачкой нестабильность мощности его излучения изменяется более, чем на порядок величины.
Аналогичные результаты получены при использовании лазера с длиной волны излучения 980 нм.
В соответствии с результатами измерений наивысшая стабильность мощности излучения достигается для конфигурации VI источника света с лазерной накачкой, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В этой конфигурации:
- ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направлена в область излучающей плазмы 5 вертикально снизу вверх,
- область излучающей плазмы 5 расположена, как показано стрелкой VI, на расстоянии от верхней стенки 11 камеры меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы 5 до нижней стенки 10 камеры,
- область излучающей плазмы 5 расположена на расстоянии до верхней стенки 11 камеры 1, минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света с лазерной накачкой;
- стенки 10, 11 камеры симметричны относительно вертикальной плоскости ZY; в вертикальной плоскости симметрии ZY сечение стенок 10, 11 камеры 1 симметрично относительно вертикальной оси 13; ось 6 сфокусированного лазерного пучка направлена по вертикальной оси 13 симметрии сечения стенок 10,11 камеры 1,
- область излучающей плазмы создана вне разрядного промежутка 34, расположенного между двумя электродами 32, 33 для стартового зажигания плазмы; оси электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы горизонтальны,
- оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок 7, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка в разрядный промежуток 34 на время стартового зажигания плазмы.
Способ генерации излучения, преимущественно широкополосного излучения высокой яркости посредством источника света с лазерной накачкой, иллюстрируемый Фиг.1, реализуют следующим образом. Включают лазер 2, обеспечивающий лазерный пучок 3. Зажигают плазму в камере 1, содержащую газ, в частности Хе, высокого, 10-20 атм, давления. Оптическим элементом 4 фокусируют в камеру 1 лазерный пучок 7. С помощью сфокусированного лазерного пучка 7 в камере 1 создают область излучающей плазмы 5 на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и обеспечивают непрерывный ввод лазерной мощности в область излучающей плазмы 5 для поддержания высокояркостного излучения плазмы в непрерывном режиме. Сфокусированный лазерный пучок 7 направляют в область излучающей плазмы 5 снизу вверх: от нижней стенки 10 камеры 1 к противоположной ей верхней стенке 11 камеры 1 таким образом, чтобы область излучающей плазмы 5 была расположена на расстоянии от верхней стенки 11 камеры 1, меньшем, чем расстояние от области излучающей плазмы 5 до нижней стенки
10 камеры 1. При этом осуществляют сбор излучения плазмы оптической системой 8 сбора излучения плазмы, с помощью которой формируют пучок излучения плазмы 9.
В предпочтительных вариантах изобретения ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 направляют вверх по вертикали, по оси Z, либо близко к вертикали.
В предпочтительных вариантах изобретения сфокусированный лазерный пучок 7 направляют в камеру 1 вдоль вертикальной оси 13 симметрии сечения стенок 10, 11 камеры 1 либо близко к вертикальной оси 13 симметрии сечения стенок 10, 11 камеры 1 и создают область излучающей плазмы 5 на оси симметрии 13 сечения стенок 10, 11 камеры 1.
В вариантах изобретения формируют область излучающей плазмы 5 на оптимально малом расстоянии от верхней стенки 11 камеры 1, при котором близость плазмы к стенке 11 камеры 1 не оказывает заметного влияния на время жизни источника света.
В вариантах изобретения сфокусированный лазерный пучок 7 направляют в камеру 1 таким образом, чтобы ось 6 сфокусированного лазерного пучка 7 составляла с вертикалью (Z) угол, величина которого не превышает 45 градусов.
В вариантах изобретения лазерный пучок 3, генерируемый лазером 2, имеющий направление, близкое к горизонтальному направлению, отклоняют вверх в сторону камеры 1 с помощью отклоняющего оптического элемента 15, установленного на оси лазерного пучка 3, генерируемого лазером 2.
В варианте изобретения (Фиг.1) выход излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы осуществляется пучком излучения плазмы 21, выходящим под большими углами к оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 и исключающим пространственные углы на оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 с общим центром в области излучающей плазмы. Сбор излучения плазмы осуществляют посредством оптической системы 8, включающей в себя вогнутое зеркало 16, расположенное вокруг оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. В фокусе вогнутого зеркала 16 формируют удаленный точечный источник света 17. Это, в частности, определяет наличие темной области 15 в отражаемом от вогнутого зеркала 16 пучке 18 излучения плазмы.
При формировании пучка излучения плазмы 9 устраняют присутствие в нем лазерного излучения посредством установленного с верхней стороны камеры 1 блокатора 23 расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Блокатор 23, который может быть установлен в темной области 22 отраженного от вогнутого зеркала 16 пучка 18 излучения плазмы, поглощает излучение лазера 2 либо отражает его в сторону от пучка излучения плазмы 9.
В вариантах изобретения ось 20 пучка 9 излучения плазмы, сформированного оптической системой 8 сбора излучения плазмы, направляют по горизонтали либо близко к горизонтали с помощью оптического элемента 19, установленного на оси 20 пучка излучения плазмы, что обеспечивает компактность устройства.
1
В вариантах изобретения за счет выбора мощности лазера 2 и числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 в камере 1 формируют протяженную вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка область излучающей плазмы 5, характеризующуюся:
- малым аспектным отношением d/l поперечного d и продольного l размеров, находящимся в диапазоне от 0,1 до 0,5,
- яркостью излучения плазмы вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка, близкой к максимально достижимой для данной мощности лазера 2,
2
1
2
1
- свойствами плазменной линзы, обеспечивающими уменьшение числовой апертуры NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 24 с вехней стороны камеры 1 по сравнению с числовой апертурой NA сфокусированного лазерного пучка 7 с нижней стороны камеры: NA<NA.
При этом осуществляют выход излучения плазмы на расположенную с верхней стороны камеры 1 оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящимся пучком 15 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы.
2
В варианте изобретения (Фиг.2) осуществляют выход излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящимся пучком излучения плазмы, не пересекающим расходящийся лазерный пучок, прошедший через область излучающей плазмы; в соответствии с чем угол между осью расходящегося пучка излучения плазмы, характеризующегося числовой апертурой NA, и осью сфокусированного лазерного пучка больше, чем (arctg NA+arctg NA).
В предпочтительных вариантах изобретения (Фиг.3, Фиг.4) осуществляют вывод излучения плазмы на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы, расходящимся пучком 13 излучения плазмы, направление оптической оси 17 которого преимущественно совпадает с направлением оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7.
В вариантах изобретения сбор излучения плазмы осуществляют посредством оптической системы 8, включающей в себя входную линзу 27. С помощью блокатора 23, предотвращают распространение по оптической системе 8 сбора излучения плазмы расходящегося лазерного пучка 24, прошедшего через область излучающей плазмы 5. Блокатор 23 может быть выполнен, например, в виде отражающего, в частности селективно отражающего, лазерный пучок покрытия части поверхности входной линзы 27. В последнем случае формируемый оптической системой сбора излучения плазмы 8 пучок излучения плазмы 9 не имеет зоны затенения.
В вариантах изобретения (Фиг.3, Фиг.4) с помощью оптической системы 8 сбора излучения плазмы формируют пучок излучения плазмы 9, который вводят в оптоволокно 31, обеспечивая высокояркостный удаленный точечный источник света 17 в необходимом для использования месте.
В вариантах изобретения направляют сфокусированный лазерный пучок 7 снизу вверх: от нижней стенки 10 камеры 1 к противоположной ей верхней стенке 11 камеры 1, кратковременно обеспечивают фокусировку лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 34 между электродами 32, 33 для стартового зажигания плазмы, осуществляют зажигание плазмы и перемещают фокус лазерного пучка 7 снизу вверх и сфокусированным лазерным пучком 7 в непрерывном режиме формируют область излучающей плазмы 5 вне разрядного промежутка 34 вблизи верхней стенки 11 камеры 1. Зажигание плазмы предпочтительно осуществляют между штыревыми электродами 32, 33 для стартового зажигания плазмы, продольные оси которых горизонтальны. При этом оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, выполнен с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 34 на время стартового зажигания плазмы. В вариантах изобретения оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок, перемещают в направлениях, показанных стрелками 36 (Фиг.3) с помощью управляемого линейного транслятора 35. В другом варианте фокус лазерного пучка 7 перемещают за счет выполнения оптического элемента 4, фокусирующего лазерный пучок, в виде объектива с переменным фокусным расстоянием
В вариантах изобретения направляют поток 40 защитного газа на верхнюю стенку 11 камеры 1. При этом в вариантах изобретения формируют поток 40 защитного газа, отличного от воздуха, вентилятором 39. В предпочтительных вариантах камера 1 и вентилятор размещены в герметичном корпусе 37.
В других вариантах направляют поток 40 защитного газа на верхнюю стенку 11 камеры 1 с помощью, по меньшей мере, одного сопла 41, к которому подсоединен выход 44 мини-компрессора 42 (Фиг.4). В предпочтительном варианте осуществляют обдув верхней стенки 11 камеры 1 направленным потоком 40 защитного газа, формируемым с помощью системы циркуляции защитного газа, включающей в себя, по меньшей мере, одно сопло 41, мини-компрессор 42 и теплообменник 43. Предпочтительно, что выход 44 мини-компрессора 42 подсоединен к соплу 41 через теплообменник 43, а вход 45 мини-компрессора 43 соединен с герметичным корпусом 37.
В вариантах изобретения предварительно задают требуемое значение мощности излучения источника света с лазерной накачкой и в процессе долговременной работы с помощью автоматизированной системы управления с отрицательной обратной связью обеспечивают поддержание заданной мощности излучения источника света с лазерной накачкой. В процессе работы входящий в состав АСУ контроллер 46 определяет на основе обработки данных измерителя мощности 47 отклонения мощности конечного пучка излучения плазмы 48 от заданного уровня и вырабатывает управляющий сигнал, посылаемый, например, по оптоволокну 48 на вход блока управления лазера 2.
В вариантах изобретения с помощью АСУ обеспечивают запрограммированное поведение во времени мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
При выполнении в предложенном виде источник света с лазерной накачкой приобретает существенные новые положительные качества.
При предложенном вводе сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 5 снизу вверх, предпочтительно вертикально, с формированием области излучающей плазмы 5 вблизи верхней стенки 11 камеры 1 достигается наибольшая стабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой. Положительный эффект обусловлен тем, что движение области излучающей плазмы от фокуса вниз навстречу сфокусированному лазерному пучку 7 до сечения, где лазерная интенсивность еще достаточна для поддержания области излучающей плазмы 5, уравновешивается всплыванием области излучающей плазмы 5. Всплывание области излучающей плазмы 5, содержащей наиболее горячую и обладающую низкой массовой плотностью плазму, происходит под действием архимедовой силы. В результате область излучающей плазмы 5 расположена в месте, наиболее близком к фокусу, где сечение сфокусированного лазерного пучка 7 меньше, а интенсивность лазерного излучения выше. Это, с одной стороны, повышает яркость излучения плазмы, а с другой стороны, за счет равновесия сил, действующих на область излучающей плазмы, обеспечивает высокую стабильность мощности излучения высокояркостного источника света с лазерной накачкой.
В результате увеличивается яркость источника света и значительно, вплоть до порядков величины, снижается нестабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
Чем ближе к верхней стенке 11 камеры область излучающей плазмы, в которой происходит основное выделение тепла, тем меньше тяга и соответственно меньше скорость и турбулентность конвективных потоков 12 газа в камере. Это повышает стабильность выходных характеристик источника света с лазерной накачкой при предложенном расположении области излучающей плазмы на расстоянии от верхней стенки 11 камеры 1, минимально возможном для того, чтобы не оказывать заметного негативного воздействия на время жизни источника света.
Размещение камеры 1 в герметичном корпусе 37, заполненном защитным газом 38, устраняет образование озона.
Обдув верхней стенки 11 камеры 1 потоком защитного газа 40 с помощью вентилятора 39 или, что более эффективно, с помощью системы циркуляции защитного газа в герметичном корпусе 37 позволяет поддерживать температуру наиболее нагреваемой верхней стенки 11 камеры 1 на уровне, необходимом для обеспечения большого времени жизни источника света. Также эффективное охлаждение камеры 1 позволяет повышать мощность лазерной накачки и соответственно увеличивать яркость источника света.
Отклонение в вариантах изобретения оси 6 сфокусированного лазерного пучка от вертикали Z на величину, не превышающую 45 градусов, позволяет снижать в результате отмеченных причин нестабильность мощности излучения источника света с лазерной накачкой.
2
1
Формирование протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка области излучающей плазмы с малым аспектным отношением d/l, свойствами плазменной линзы (NA<NA) и яркостью излучения плазмы вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, близкой к максимально достижимой для данной мощности лазера, определяет следующие основные преимущества.
1
2
2
Наибольшие преимущества достигаются при выводе излучения плазмы на расположенную с верхней стороны камеры оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящимся пучком 25 излучения плазмы, направление оси 26 которого преимущественно совпадает с направлением оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7 (Фиг.3, Фиг.4). Для области излучающей плазмы 5, преимущественно прозрачной для собственного излучения, его наибольшая яркость при малом, от 0,1 до 0,5, аспектном отношении d/l реализуется в направлении вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. За счет выбора оптимальной числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 для каждого выбранного значения мощности лазера, при котором возможна высокоэффективная работа устройства, обеспечивается близкая к максимально возможной яркость излучения плазмы именно в направлении оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7. Достигаемая таким образом максимальная яркость источника света с лазерной накачкой инвариантно (без учета потерь) передается оптической системой сбора 8 излучения плазмы, осуществляющей сбор излучения в осевом направлении (Фиг.3, Фиг.4). Это определяет получение существенно большей яркости в источнике света, выполненном в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с конфигурациями источника света (Фиг.1), использующими внеосевой сбор излучения плазмы. При этом высокая эффективность сбора излучения плазмы реализуется при выборе величины числовой апертуры пучка излучения плазмы NA, удовлетворяющей условию NA≥d/l. Формирование области излучающей плазмы со свойствами плазменной линзы, является в соответствии с экспериментальными данными одним из условий эффективной работы устройства. Кроме этого, обеспечивается значительное уменьшение числовой апертуры NA расходящегося лазерного пучка, прошедшего через область излучающей плазмы, и при NA<<NA можно использовать блокаторы, затеняющие лишь очень малую приосевую зону расходящегося пучка 25 излучения плазмы. В этом случае можно использовать простые и надежные блокаторы, либо отражающие излучение в широком спектральном диапазоне, либо полностью поглощающие. Это упрощает источник света, обеспечивает его надежность, высокую стабильность и большое время жизни.
Усиление расходящегося пучка излучения плазмы 25 пучком 39 излучения плазмы, отраженным сферическим зеркалом 28 либо модифицированным зеркалом, установленным с нижней стороны камеры 1 (Фиг.3, Фиг.4), значительно в соответствии с экспериментальными данными на ~ 70% повышает эффективность сбора излучения плазмы и КПД источника света с лазерной накачкой в целом.
Вывод в одном из вариантов изобретения на оптическую систему 8 сбора излучения плазмы расходящегося пучка 25 излучения плазмы, не пересекающего расходящийся лазерный пучок 24, прошедший через область излучающей плазмы, обеспечивает простоту и надежность устройства (Фиг.2). В данном варианте наряду с высокой стабильностью высокояркостного источника света с лазерной накачкой обеспечивается надежное и простое устранение лазерного излучения в пучке 25 излучения плазмы при отсутствии в нем затененной области. Высокая яркость излучения обеспечивается с одной стороны, наибольшей яркостью протяженной области излучающей плазмы 5 вдоль оси 6 сфокусированного лазерного пучка 7, с другой стороны, близким к этой оси расположением расходящегося пучка излучения плазмы 25.
Применение электродов 32, 33 для стартового зажигания плазмы, поддерживаемой затем в непрерывном режиме с помощью лазера 2, облегчает зажигание плазмы. При горизонтальном расположении продольных осей электродов 32, 33 упрощается возможность расположение камеры с вертикальной осью 13 симметрии стенок 10, 11, что повышает стабильность излучения плазмы.
Создание области излучающей плазмы 5 вне разрядного промежутка 34 упрощает конструкции камеры 1 источника света с лазерной накачкой, выполненного в соответствии с изобретением. При этом выполнение в вариантах изобретения оптического элемента 4, фокусирующего лазерный пучок, с функцией кратковременного перемещения фокуса лазерного пучка 7 в разрядный промежуток 34 обеспечивает надежное стартовое зажигание плазмы.
Применение АСУ позволяет поддерживать заданный стабилизированный уровень мощности источника света в долговременном режиме, а также управлять мощностью излучения устройства в программируемом режиме.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить пространственную и энергетическую стабильность широкополосного источника света с лазерной накачкой, а также увеличить его яркость при обеспечении компактности и простоты конструкции, надежном устранении нежелательного попадания лазерного излучения в систему сбора излучения плазмы. Все это расширяет функциональные возможности устройства.
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.
ИСТОЧНИКИ ИФОРМАЦИИ
1. G.V. Ostrovskaya, A.N. Zaidel' "Laser spark in gases" Soviet Physics-Uspekhi, 16 834-855 (1974).
2. B.F. Mul'chenko, Yu.P. Raizer, V.A. Epshtein Soviet Physics Jetp V. 32, Number 6 June, 1971 High-pressure laser spark ignited by an external plasma source.
3. Патент US 8309943.
4. Заявка US 2013/0001438.
5. Заявка US 20110181191.
6. Заявка RU 2012154354.
7. D.A. Cremers, F.L. Archuleta, R.J. Martinez. "Evaluation of the Continuous Optical Discharge for Spectrochemical Analysis". Spectrochimica Acta, V. 4B; No 4, pp.665-679 (1985).
8. Патент US 7435982.