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 ультрафиолетовом (УФ) и видимом спектральных диапазонах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
4
2
Плазма различных газов, создаваемая сфокусированным пучком непрерывного лазера при давлении газа 10-20 атм, является одним из самых высокояркостных источников непрерывного излучения в широком спектральном диапазоне 170-180 нм. В качестве высокоэффективной плазмообразующей среды может использоваться ксенон (Хе), 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 в сочетании с временной и пространственной стабильностью 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.
Источники света с лазерной накачкой, известные, например, из [1], характеризуются высокими эффективностью, надежностью и ресурсом работы. Однако сбор излучения осуществляется преимущественно в направлении, близком к нормали по отношению к оси сфокусированного лазерного пучка, что может быть не оптимальным для получения излучения высокой яркости. Кроме этого, в пучке излучения плазмы присутствует не полностью поглощаемое плазмой лазерное излучение, что ограничивает круг применений источника света. Однако в [1] не рассмотрены меры по подавлению лазерного излучения в пучке излучения плазмы.
Указанного недостатка лишен известный из [2] источник света с лазерной накачкой, содержащий камеру с газом, оптический элемент для фокусировки лазерного пучка, формирующего в камере область плазмы с широкополосным высокояркостным излучением и обеспечивающего непрерывный ввод мощности лазерного излучения в плазму; оптическую систему сбора излучения плазмы и блокатор расходящегося лазерного пучка, прошедшего через плазму. Оптическая система сбора излучения плазмы или оптический коллектор представляет собой вогнутое зеркало, расположенное вокруг оси сфокусированного лазерного пучка и имеющее отверстия для ввода сфокусированного лазерного пучка в плазму и вывода излучения плазмы. Указанный источник света характеризуется высокой мощностью и надежной блокировкой не поглощенного плазмой расходящегося лазерного пучка.
Однако блокатор, преимущественно закрепленный на одном из электродов, предназначенных для стартового зажигания плазмы, размещен непосредственно в камере источника света и подвержен большим радиационным нагрузкам. Это усложняет конструкцию камеры и источника света в целом. Кроме этого, блокатор не позволяет осуществлять вывод излучения по оси сфокусированного лазерного пучка. В результате излучение плазмы направляют на зеркало оптического коллектора под большими углами к оси сфокусированного лазерного пучка, что не оптимально для получения излучения высокой яркости.
Частично этих недостатков лишен известный из [3] источник света с лазерной накачкой, включающий в себя камеру, содержащую газ, лазер, обеспечивающий лазерный пучок; оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок с первой стороны камеры, область излучающей плазмы, создаваемую в камере сфокусированным лазерным пучком; блокатор, установленный на оси расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры, противоположной первой стороне, и оптическую систему сбора излучения плазмы.
При реализации способа генерации излучения зажигают плазму в камере с газом и с первой стороны камеры в непрерывном режиме фокусируют в камеру лазерный пучок.
1
.
Оптическая система сбора излучения плазмы представляет собой вогнутое зеркало, расположенное вокруг оси сфокусированного лазерного пучка. Зеркало имеет с первой стороны камеры отверстие для ввода лазерного луча в плазму, а со второй стороны камеры имеет отверстие для вывода излучения плазмы. В соответствии с геометрией источника света выход излучения плазмы на оптическую систему сбора осуществлен под большими углами к оси сфокусированного лазерного пучка. При такой геометрии повышение яркости источника света требует, чтобы яркость излучения плазмы была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера в направлении поперек оси сфокусированного лазерного пучка. При этом область излучающей плазмы предпочтительно должна иметь как можно большее или близкое к 1 аспектное отношение d/l поперечного d и продольного l размеров области излучающей плазмы. В свою очередь, это требует достаточно большой числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка
1
1
Здесь и далее 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 [4]. 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.
1
Источник света [3] характеризуется простотой камеры в виде отпаянной кварцевой колбы, высокой эффективностью, надежностью и большим ресурсом работы. За счет сравнительно больших значений NA обеспечивается возможность работы источника света при сравнительно низкой мощности лазера.
Однако геометрия источника света, его оптического коллектора, области излучающей плазмы не оптимальна в плане достижения максимально высокой яркости излучения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является оптимизация режима лазерной накачки, формы области излучающей плазмы, геометрии оптической системы сбора излучения плазмы для повышения яркости широкополосного излучения плазмы, а также совершенствование защиты оптической системы сбора излучения плазмы от лазерного излучения.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей источника света с лазерной накачкой за счет повышения яркости, повышения коэффициента поглощения лазерного излучения плазмой, значительного уменьшения числовой апертуры блокируемого расходящегося лазерного пучка, прошедшего через плазму.
1
Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого источника света с лазерной накачкой, включающего в себя камеру, содержащую газ, лазер, обеспечивающий лазерный пучок; оптический элемент, фокусирующий лазерный пучок с первой стороны камеры, область излучающей плазмы, создаваемую в камере сфокусированным лазерным пучком; блокатор, установленный на оси расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры, противоположной первой стороне, и оптическую систему сбора излучения плазмы, в котором 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,
2
1
2
1
числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры была меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка с первой стороны камеры: NA<NA,
при этом оптическая система сбора излучения плазмы расположена со второй стороны камеры, и выход излучения плазмы на оптическую систему сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы, характеризующимся числовой апертурой NA и оптической осью, направление которой преимущественно совпадает с направлением оси сфокусированного лазерного пучка.
В варианте изобретения величина числовой апертуры NA расходящегося пучка излучения плазмы приблизительно равна величине либо больше величины аспектного отношения d/l размеров области излучающей плазмы: NA≈d/l либо NA>d/l.
2
2
В варианте изобретения блокатор размещен в малой приосевой зоне расходящегося лазерного пучка с числовой апертурой NA: NA<<NA.
В варианте изобретения блокатор выполнен отражающим, в частности, селективно отражающим лазерный пучок.
В варианте изобретения блокатор выполнен поглощающим лазерный пучок.
В варианте изобретения блокатор установлен на удалении от камеры, при котором плотность мощности излучения расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры ниже порога разрушения блокатора.
В варианте изобретения оптическая система сбора излучения плазмы расположена на оси сфокусированного лазерного пучка.
В варианте изобретения оптическая система сбора излучения плазмы содержит входную линзу.
В варианте изобретения оптическая система сбора излучения плазмы содержит входную линзу, и блокатор выполнен в виде отражающего, в частности селективно отражающего, лазерный пучок покрытия, по меньшей мере, части поверхности входной линзы.
В варианте изобретения блокатор входит в систему оптических элементов, направляющих лазерный пучок со второй стороны камеры обратно в область излучающей плазмы.
В варианте изобретения оптическая система сбора излучения плазмы содержит входную линзу, при этом блокатор установлен на большем, чем входная линза, удалении от камеры и выполнен в виде покрытия пластины, отражающего лазерный пучок.
В варианте изобретения блокатор выполнен в виде оптического элемента, направляющего прошедший через плазму лазерный пучок обратно в область излучающей плазмы.
В варианте изобретения область излучающей плазмы имеет величину аспектного отношения d/l поперечного и продольного размеров в диапазоне от 0,14 до 0,4.
В варианте изобретения с первой стороны камеры установлено 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 варианте изобретения с первой стороны камеры установлено вогнутое модифицированное сферическое зеркало с центром в области излучающей плазмы, имеющее отверстие, в частности оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка в область излучающей плазмы.
В другом аспекте изобретение относится к способу генерации излучения, при котором зажигают плазму в камере с газом и с первой стороны камеры в непрерывном режиме фокусируют в камеру лазерный пучок,
2
1
2
1
формируют протяженную вдоль оси сфокусированного лазерного пучка область излучающей плазмы с малым, находящимся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектным отношением d/l ее размеров, с яркостью излучения плазмы вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, близкой к максимально достижимой для данной мощности лазера, и со свойствами плазменной линзы, обеспечивающими уменьшение числовой апертуры NA расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры по сравнению с числовой апертурой NA сфокусированного лазерного пучка с первой стороны камеры: NA<NA;
при этом осуществляют выход излучения плазмы на расположенную со второй стороны камеры оптическую систему сбора излучения плазмы расходящимся пучком излучения плазмы, направление оптической оси которого преимущественно совпадает с направлением оси сфокусированного лазерного пучка, и с помощью блокатора предотвращают прохождение расходящегося лазерного пучка по оптической системе сбора излучения плазмы.
В вариантах реализации изобретения направляют прошедший через область излучающей плазмы лазерный пучок обратно в область излучающей плазмы за счет его отражения от блокатора.
В вариантах реализации изобретения сфокусированный лазерный пучок вводят в область излучающей плазмы через отверстие, в частности оптическое отверстие, установленного с первой стороны камеры вогнутого сферического зеркала либо вогнутого модифицированного сферического зеркала с центром в области излучающей плазмы и усиливают расходящийся пучок излучения плазмы, направленный на оптическую систему сбора излучения плазмы пучком излучения плазмы, отраженным от вогнутого сферического зеркала либо вогнутого модифицированного сферического зеркала.
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 показывает схематичное изображение источника света в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, а также увеличенное фотографическое изображение области излучающей плазмы,
Фиг.2 показывает отпечаток расходящегося лазерного пучка после прохождения камеры без зажигания в ней плазмы и с плазмой для источника света, выполненного в соответствии с изобретением,
Фиг.3 - схематичное изображение источника света с блокатором, выполненным в виде покрытия пластины, селективно отражающего лазерное излучение, и с дополнительным вогнутым зеркалом в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
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 источник света с лазерной накачкой включает в себя камеру 1, содержащую газ, в частности ксенон высокого, 10-20 атм, давления; лазер 2, обеспечивающий, как это подробно описано в [5], лазерный пучок 3; оптический элемент 4, фокусирующий лазерный пучок с первой стороны 5 камеры 1, область излучающей плазмы 6, создаваемую в камере 1 сфокусированным лазерным пучком 7; блокатор 8, установленный на оси 10 расходящегося лазерного пучка 9 со второй стороны 11 камеры 1, противоположной первой стороне 5 (Фиг.1).
1
1
При этом числовая апертура NA=sinθ сфокусированного лазерного пучка 7 и мощность лазера 2 выбраны таким образом, чтобы
- область излучающей плазмы 6 была протяженной вдоль оси 10 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 6,
- яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси 10 сфокусированного лазерного пучка была близка к максимально достижимой для данной мощности лазера 2,
2
1
2
1
- числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка 9 со второй стороны 11 камеры 1 была меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 с первой стороны 5 камеры: NA<NA (Фиг.1).
1
2
2
2
Здесь θ - угол между крайним лучом сфокусированного лазерного пучка 7 и его осью 10, NA=sinθ, θ - угол между крайним лучом прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка 9 и его осью 10.
1
Увеличенная фотография 12 (Фиг.1) иллюстрирует протяженную вдоль оси сфокусированного лазерного пучка область излучающей плазмы 6 с малым аспектным отношением d/l=0,33 мм / 0,19 мм=0,17, реализуемую при выполнении источника света в соответствии с настоящим изобретением при мощности лазера 100 Вт на длине волны 1,07 мкм, числовой апертуре сфокусированного лазерного пучка NA=0,12 и давлении Хе в камере 20 атм. Диаграмма яркости 13 (Фиг.1) иллюстрирует угловое, в частности, по отношению к оси 10 сфокусированного лазерного пучка распределение яркости излучения плазмы. Построенная на основании измерений (для длины волны излучения 550 нм) диаграмма яркости 13 показывает, что при выполнении источника света с лазерной накачкой в соответствии с изобретением яркость излучения плазмы в направлении вдоль оси 10 сфокусированного лазерного пучка значительно, в данном случае примерно в 6 раз, превосходит яркость излучения в поперечном к оси 10 сфокусированного лазерного пучка направлении.
Яркость изображения источника света согласно принципу инвариантности яркости переносится оптической системой при отсутствии потерь без изменения. Поэтому в соответствии с изобретением для обеспечения наибольшей яркости источника оптическая система 14 сбора излучения плазмы расположена со второй стороны 11 камеры 1 так, что выход излучения плазмы на оптическую систему 14 сбора излучения плазмы осуществлен расходящимся пучком 15 излучения плазмы с вершиной в области излучающей плазмы 6. Направленный на оптическую систему 14 сбора излучения плазмы расходящийся пучок 15 излучения плазмы характеризуется числовой апертурой NA=sinθ и оптической осью 16, направление которой преимущественно совпадает с направлением оси 10 сфокусированного лазерного пучка 7. Здесь θ - угол между крайним лучом расходящегося пучка 15 излучения плазмы и его осью 16 (Фиг.1).
1
1
1
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
Фиг.2 иллюстрирует эффект рефакции, приводящий к самофокусировке расходящегося лазерного пучка, проходящего через плазму. Эффект реализуется при выборе числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка и мощности лазера в соответствии с настоящим изобретением. На Фиг.2 для случая NA=0.12 и P=80 Вт, где P мощность лазерного излучения в сфокусированном лазерном пучке 7 с первой стороны 5 камеры 1, показаны отпечатки прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка на экране, установленном со второй стороны 11 камеры 1 для случая без зажигания плазмы в камере - фотография 21 и при наличии плазмы в камере - фотография 22. Для отсечки видимого излучения плазмы на пути расходящегося лазерного пучка во время съемки устанавливался ИК-фильтр. В случае отсутствия плазмы в камере, иллюстрируемом фотографией 21, числовая апертура NA расходящегося лазерного пучка 9 со второй стороны 11 камеры равна по абсолютной величине числовой апертуре NA сфокусированного лазерного пучка 7 с первой стороны 5 камеры. При наличии плазмы, как видно из фотографии 22 (Фиг.2), отпечаток и, соответственно, числовая апертура NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9 со второй стороны 11 камеры значительно уменьшаются: NA<<NA. Обнаруженный эффект, сопровождающий работу устройства в оптимальном режиме, реализуется, главным образом, из-за неоднородного радиального профиля показателя преломления плазмы, то есть за счет образования плазменной линзы в области излучающей плазмы 6 и рефракции на плазменной линзе лазерного пучка. В связи с этим в соответствии с изобретением числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка 9 со второй стороны 11 камеры 1 значительно меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 с первой стороны 5 камеры: NA<NA.
2
2
2
2
Образование плазменной линзы в области излучающей плазмы 6 и значительное снижение числовой апертуры NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9, блокируемого со второй стороны 11 камеры 1, позволяет при NA<<NA использовать для малой приосевой зоны пучка 15 излучения плазмы простые и надежные неселективные 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. В связи с этим в вариантах изобретения блокатор 8 размещен в малой приосевой зоне прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9 с числовой апертурой NA: NA<<NA (Фиг.1).
В варианте изобретения величина числовой апертуры NA расходящегося пучка 15 излучения плазмы, которым осуществлен выход излучения плазмы на оптическую систему 14 сбора излучения плазмы, приблизительно равна величине либо больше величины аспектного отношения d/l поперечного и продольного размеров области излучающей плазмы 6: NA≈d/l либо NA>d/l. На Фиг.1 границы расходящегося пучка 18 с числовой апертурой NA=d/l, направленного по оси 10 сфокусированного лазерного пучка 10, показаны пунктиром. Для области излучающей плазмы 6, характеризующейся малым аспектным отношением d/l и обладающей значительной степенью оптической прозрачности для собственного излучения, яркость излучения по сечению пучка 15 в пределах указанной числовой апертуры NA=d/l изменяется, как иллюстрируется диаграммой яркости 16, незначительно: менее чем на 25%. В связи с этим при числовой апертуре расходящегося пучка излучения плазмы NA≈d/l либо NA>d/l обеспечивается высокая эффективность сбора в направлении наибольшей яркости излучения плазмы.
В предпочтительном варианте изобретения оптическая система 14 сбора излучения плазмы расположена со второй стороны 11 камеры 1 на оси 10 сфокусированного лазерного пучка 7. В отличие от аналогов, использующих оптическую систему сбора излучения плазмы, расположенную преимущественно вне оси сфокусированного лазерного пучка, это обеспечивает простоту источника света с лазерной накачкой.
При расположении оптической системы сбора излучения плазмы на оси сфокусированного лазерного пучка, в частности соосно с лазерным пучком, достигается симметричное распределение яркости излучения плазмы по апертуре пучка излучения плазмы.
B предпочтительном варианте изобретения оптическая система 14 сбора излучения плазмы содержит входную линзу 17. При этом блокатор 8 может быть выполнен в виде отражающего, в частности селективно отражающего, лазерный пучок покрытия, по меньшей мере, части поверхности входной линзы 17 (Фиг.1). Это обеспечивает простоту и эффективность оптической системы сбора излучения плазмы. Входная или передняя линза 17 может входить в состав объектива. При этом предпочтительно применение входной линзы или объектива с минимальными аберрациями, в частности хроматическими.
В предпочтительном варианте изобретения область излучающей плазмы имеет величину аспектного отношения d/l поперечного и продольного размеров в диапазоне от 0,14 до 0,4. Как показали эксперименты, при таком аспектном отношении размеров области излучающей плазмы достигались условия наиболее эффективной работы устройства в соответствии с настоящим изобретением при использовании камеры, содержащей Хе давлением 20 атм.
В варианте изобретения камера 1 содержит два электрода 19, 20 для стартового зажигания плазмы в разрядном промежутке между ними (Фиг.1). Их применение, как это достаточно подробно описано, например, в [6], 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 19, 20 для стартового зажигания плазмы является необходимым условием создания области излучающей плазмы.
Другие варианты реализации изобретения направлены на дальнейшее увеличение яркости и эффективности источника света с лазерной накачкой. В варианте, иллюстрируемом Фиг.3, оптическая система 14 сбора излучения плазмы содержит входную линзу 17, при этом блокатор 8 установлен на большем, чем входная линза 17, удалении от камеры 1 и выполнен в виде покрытия 8 пластины 23, отражающего, в частности селективно отражающего, лазерный пучок 9. При соответствующей юстировке блокатора 8 система оптических элементов 16, 8, 23 (Фиг.3) обеспечивает направление прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9 обратно в плазму 6. В соответствии с этим в варианте изобретения блокатор входит в систему оптических элементов, направляющих прошедший через область излучающей плазмы лазерный пучок обратно в область излучающей плазмы. Это увеличивает мощность лазерной накачки, что повышает эффективность и яркость источника света, расширяется диапазон условий его высокоэффективной работы.
В варианте изобретения блокатор выполнен в виде оптического элемента, направляющего прошедший через плазму лазерный пучок обратно в область излучающей плазмы. В соответствии с этим вариантом изобретения блокатор может быть выполнен в виде оптического мениска, установленного между камерой 1 и оптической системой 14 сбора излучения плазмы (не показано). При этом мениск имеет обращенную к камере сферическую либо модифицированную сферическую поверхность с центром в области излучающей плазмы 6 и покрытием, селективно отражающим лазерное излучение. Как это подробно описано в [5], использование модифицированной сферической поверхности может быть предпочтительно для компенсации искажения хода оптических лучей стенками камеры. В этом варианте также увеличивается мощность лазерной накачки, повышается эффективность и яркость источника света, расширяется диапазон условий его высокоэффективной работы.
В варианте изобретения, иллюстрируемом Фиг.3, с первой стороны 5 камеры 1 установлено вогнутое сферическое зеркало 24 с центром в области излучающей плазмы 6, имеющее отверстие 25 для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 6. В этом варианте изобретения пучок 15 излучения плазмы усилен пучком 26 излучения плазмы, отраженным от установленного с первой стороны 5 камеры 1 сферического зеркала 24 с центром в области излучающей плазмы 6. Это позволяет увеличить яркость в пучке 15 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 24 прозрачно для сфокусированного лазерного пучка 7 вблизи его оси 10, в этом варианте вогнутое сферическое зеркало 24 имеет оптическое отверстие 25. Данный вариант упрощает конструкцию вогнутого сферического зеркала 24.
В варианте изобретения с первой стороны камеры установлено вогнутое модифицированное сферическое зеркало 24 с центром в области излучающей плазмы 6, имеющее отверстие 25, в частности оптическое отверстие, для ввода сфокусированного лазерного пучка 7 в область излучающей плазмы 6. Как это подробно описано в [5], использование модифицированного сферического зеркала 24 предпочтительно для компенсации искажения хода оптических лучей стенками камеры 1, что повышает эффективность источника света с лазерной накачкой.
1
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, в частности в виде фокусирующей линзы, с первой стороны 5 камеры 1 фокусируют в камеру 1 лазерный пучок 7. С помощью сфокусированного лазерного пучка 7 в камере 1 создают область излучающей плазмы 6 и обеспечивают непрерывный ввод лазерной мощности в область излучающей плазмы для поддержания генерации излучения высокой яркости. За счет выбора мощности лазера 2 и числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка 7 в камере 1 формируют протяженную вдоль оси 10 сфокусированного лазерного пучка область излучающей плазмы 6, характеризующуюся малым аспектным отношением d/l поперечного d и продольного l размеров, находящимся в диапазоне от 0,1 до 0,5, как это иллюстрируется фотографией 15,
яркостью излучения плазмы вдоль оси 10 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 со второй стороны камеры по сравнению с числовой апертурой NA сфокусированного лазерного пучка с первой стороны камеры: NA<NA.
При этом осуществляют выход излучения плазмы на расположенную со второй стороны 11 камеры 1 оптическую систему 14 сбора излучения плазмы расходящимся пучком 15 излучения плазмы, направление оптической оси 16 которого преимущественно совпадает с направлением оси 10 сфокусированного лазерного пучка 7. С помощью блокатора 8 предотвращают прохождение прошедшего через плазму лазерного пучка 9 по оптической системе 14 сбора излучения плазмы, характеризуемого диаграммой яркости 13.
В вариантах изобретения направляют прошедший через область излучающей плазмы 6 лазерный пучок 9 обратно в область излучающей плазмы 6 за счет его отражения от блокатора 8 (Фиг.3).
В других вариантах изобретения лазерный пучок 7 вводят в область излучающей плазмы 6 через отверстие 25, в частности оптическое отверстие, установленного с первой стороны камеры сферического зеркала 24 с центром в области излучающей плазмы 6 и усиливают расходящийся пучок излучения плазмы 15, направленный на оптическую систему 14 сбора излучения плазмы пучком излучения плазмы 26, отраженным от сферического зеркала 24.
В варианте изобретения лазерный пучок 7 вводят в область излучающей плазмы 6 через отверстие 26, в частности оптическое отверстие, установленного с первой стороныкамеры модифицированного сферического зеркала 24, компенсирующего искажения, вносимые в ход лучей стенками камеры 1, и усиливают расходящийся пучок излучения плазмы 15, направленный на оптическую систему 14 сбора излучения плазмы пучком излучения плазмы 26, отраженным от модифицированного сферического зеркала 24.
Эти варианты способа генерации излучения обеспечивают увеличение яркости в пучке 15 излучения плазмы, позволяют увеличить эффективность сбора излучения плазмы и повысить эффективность источника света в целом. В соответствии с экспериментом увеличение составляет около 70%.
1
2
При работе устройства значение мощности лазера выбирают между нижней и верхней границами существования непрерывного оптического разряда, подробно описанными, например, в [7]. Регулировку мощности лазера 2 осуществляют с помощью системы управления лазера. При заданной мощности лазера выбор числовой апертуры NA=a/f сфокусированного лазерного пучка 7, обеспечивающей максимальную яркость излучающей плазмы в направлении вдоль оси 10 сфокусированного лазерного пучка 7, осуществляют варьированием радиуса а лазерного пучка 3 и/или варьированием фокусного расстояния/оптического элемента 4, фокусирующего лазерный пучок, что, как правило, удобнее. Дополнительными критериями выбора мощности лазера являются формирование области излучающей плазмы со свойствами плазменной линзы, уменьшающей числовую апертуру NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры, а также обеспечение высокой эффективности источника света с лазерной накачкой в целом.
Предпочтительно, что сбор излучения из области излучающей плазмы 7 осуществляют оптической системой 14, содержащей входную линзу 17. При этом в варианте изобретения предотвращают прохождение расходящегося лазерного пучка 9 по оптической системе 14 сбора излучения плазмы с помощью блокатора 8, выполненного в виде покрытия, по меньшей мере, части поверхности входной линзы 17, селективно отражающего лазерный пучок 9 (Фиг.1).
При выполнении в предложенном виде источник света с лазерной накачкой приобретает существенные новые положительные качества.
Реализация протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка 7 области излучающей плазмы 6 с малым, находящимся в диапазоне от 0,1 до 0,5, аспектным отношением d/l поперечного и продольного размеров увеличивает эффективность передачи мощности лазера в область излучающей плазмы 6 и повышает мощность источника света с лазерной накачкой.
При величине аспектного отношения d/l размеров области излучающей плазмы в диапазоне от 0,14 до 0,4 согласно опытным данным достигаются условия наиболее эффективной работы устройства.
Для области излучающей плазмы, преимущественно оптически прозрачной для собственного излучения, наибольшая яркость при малом аспектном отношении d/l размеров области излучающей плазмы реализуется в направлении вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, как это иллюстрируется диаграммой яркости 13 (Фиг.1). В результате, за счет предложенного формирования области излучающей плазмы 7 с малым аспектным отношением d/l и использования для сбора излучения плазмы пучка излучения плазмы 15 с оптической осью 16, направление которой преимущественно совпадает с направлением оси 10 сфокусированного лазерного пучка, достигается максимальная яркость источника широкополосного излучения, инвариантно (без учета потерь) передаваемая оптической системой 14 сбора излучения плазмы.
2
1
При работе источника света, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, NA<NA - за счет реализации условий образования плазменной линзы в области излучающей плазмы 6, что сопровождается увеличением доли мощности лазерного излучения, поглощаемого плазмой, и, соответственно, повышением эффективности источника света, приводя к дальнейшему повышению яркости источника в направлении выхода излучения плазмы на оптическую систему 14 сбора излучения.
Все это определяет получение существенно большей яркости в источнике света с лазерной накачкой, выполненном в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с известными аналогами, использующими внеосевой сбор излучения.
2
2
Наряду с этим, значительное уменьшение числовой апертуры NA расходящегося лазерного пучка, прошедшего через плазму, в частности, до величин много меньших числовой апертуры NA пучка излучения плазмы, направленного на оптическую систему сбора излучения плазмы: NA<<NA, - упрощает блокировку лазерного излучения и повышает ее надежность.
На Фиг.1 расходящийся пучок излучения плазмы с числовой апертурой NA≈d/l обозначен пунктиром 18 (Фиг.1) При величине NA числовой апертуры расходящегося пучка 15, удовлетворяющего условию NA≈d/l либо NA>d/l, обеспечивается высокая эффективность сбора высокояркостного излучения плазмы.
Размещение оптической системы сбора излучения плазмы 12 со второй стороны 5 камеры 1 обеспечивает простоту источника света с осевым сбором излучения плазмы.
Оптическая система 14 сбора излучения плазмы может содержать как отражательную, так и преломляющую оптику или их различные сочетания. Выполнение в соответствии с одним из успешно апробированных вариантов изобретения оптической системы с входной линзой 17 (Фиг.1) упрощает конструкцию источника света с лазерной накачкой.
Выполнение блокатора 8 в виде отражающего лазерное излучение покрытия на входной линзе 16 обеспечивает компактность источника и дальнейшее упрощение его конструкции. Предпочтительно, чтобы такое покрытие селективно отражало только лазерное излучение, пропуская излучение плазмы в широком спектральном диапазоне от 170 до 880 нм. Это обеспечивает надежное высокоэффективное устранение нежелательного попадания лазерного излучения в систему сбора излучения плазмы.
В вариантах реализации изобретения предпочтительно применение входной линзы или объектива с минимальными аберрациями, в частности с минимальными хроматическими аберрациями.
Приведем примеры источника света, соответствующего варианту осуществления изобретения, иллюстрируемого Фиг.1. Плазма создавалась в лампе "OSRAM" ХВО 150 W/4, заполненной Хе при давлении 20 атм. Для лазерной накачки использовался иттербиевый лазер YLPM-1-A4-20-20 IPG IRE-Polus с длиной волны излучения λ=1070 нм и радиусом пучка а=3 мм. Плотность мощности лазерного излучения была недостаточна для зажигания плазмы, поэтому использовались два электрода 19, 20 для стартового зажигания плазмы.
1
1
2
1
1
2
Экспериментально полученные характеристики источника света с различными значениями мощности лазера и с различными числовыми апертурами сфокусированного лазерного пучка NA, близкими к оптимальным, приведены в таблице 1. В таблице 1 коэффициент поглощения К - доля мощности лазерного излучения, поглощенная плазмой: К=(P-P)/P, где P и Р мощность в пучке лазерного излучения соответственно с первой и второй стороны камеры 1.
1
1
Высокоэффективный режим работы источника света с лазерной накачкой обеспечивался при мощности лазерного излучения P в диапазоне от 70 Вт до 120 Вт, верхняя граница которой определялась максимальной мощностью применявшегося лазера, при числовой апертуре NA сфокусированного лазерного пучка в диапазоне от 0.09 до 0.25, аспектном отношении d/l в диапазоне от 0.14 до 0.4.
Таблица 1
Характеристики вариантов источника света с лазерной накачкой
№
Р<sub>1</sub>, Вт
NA<sub>1</sub>
NA<sub>2</sub>
Коэффициент поглощения К
d/l (мм/мм)
Спектральная яркость 10<sup>4</sup>·Вт/(м<sup>2</sup>·ср·нм)
1
110
0.2
0.14
0.8
0.38/1.0=.038
8.6
2
110
0.12
0.04
0.8
0.4/1.9=0.21
9.1
3
110
0.09
0.03
0.66
0.3/2.0=0.15
11.8
4
70
0.12
0.065
0.6
0.3/1.6=0.19
9.0
5
37
0,09
0.05
0.5
0.17/0.75=0.23
7.4
Как отмечалось выше, предпочтительная величина NA числовой апертуры пучка 15 излучения плазмы 7 должна быть приблизительно равна или больше аспектного отношения размеров области излучающей плазмы: NA≥d/l. Для источника света с параметрами, представленными в таблице 1, для высокоэффективного сбора излучения плазмы предпочтительно иметь величину числовой апертуры пучка излучения плазмы, входящего в оптическую систему сбора излучения, в диапазоне от NA≥0.2 до NA≥0.4.
1
2
При работе источника света, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, числовая апертура NA сфокусированного лазерного пучка с первой стороны камеры в несколько раз больше числовой апертуры NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры. Образование плазменной линзы сопровождается увеличением доли мощности лазерного излучения, поглощаемого плазмой, что повышает эффективность источника света, приводя к дальнейшему повышению яркости источника в направлении выхода излучения на оптическую систему сбора излучения плазмы.
2
При NA<<NA для малой приосевой зоны пучка 15 можно использовать простые и надежные неселективные блокаторы, что упрощает источник света, обеспечивая его высокую стабильность и большое время жизни.
Все это обусловливает несомненные достоинства предложенного варианта изобретения.
2
Образование плазменной линзы и снижение числовой апертуры NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9, блокируемого со второй стороны 11 камеры 1, может сопровождаться значительным, примерно на порядок величины, повышением плотности мощности лазерного излучения на блокаторе 8. В связи с этим в вариантах изобретения блокатор 8 установлен на удалении от камеры 1, при котором плотность мощности излучения прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9 ниже порога разрушения блокатора 8 при его выполнении в виде как оптического покрытия, так и поглощающей преграды.
Следует отметить, что выполнение блокатора селективно отражающим лазерное, в частности лазерное ИК-излучение, и при этом пропускающим излучение плазмы в широком спектральном диапазоне, в частности в УФ-диапазоне, не реализовано. Поэтому в вариантах изобретения блокатор 8 выполнен либо полностью отражающим, либо полностью поглощающим лазерный пучок 9. Это обеспечивает надежность и простоту конструкции блокатора.
2
2
2
Формирование в соответствии с изобретением области излучающей плазмы 6 со свойствами плазменной линзы обеспечивает значительное уменьшение числовой апертуры NA расходящегося лазерного пучка 9 со второй стороны 11 камеры. Благодаря этому в вариантах изобретения блокатор 8 размещен в малой приосевой зоне расходящегося лазерного пучка с числовой апертурой NA<<NA. Это обеспечивает возможность получения направленного на оптическую систему сбора излучения плазмы высокояркостного пучка излучения плазмы 15 с очень малой приосевой зоной: NA<<NA, затененной неселективным блокатором. Так, например, в источнике света, соответствующего вариантам 2, 3 таблицы 1, блокатор может затенять менее 5% сечения пучка излучения плазмы.
2
При условиях работы источника света, близких к оптимальным, величина отношения NA<<NA находилась в диапазоне 0.5-0.25.
Таким образом, условия высокоэффективной работы источника света в соответствии с настоящим изобретением достигаются при следующих условиях:
- аспектное отношение d/l поперечного и продольного размеров области излучающей плазмы находится в диапазоне от 0,1 до 0,5, имея характерное значение d/l в диапазоне от 0,14 до 0,4,
2
1
2
1
- числовая апертура NA прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка с первой стороны камеры: NA<NA, - за счет реализации условий образования плазменной линзы в области излучающей плазмы и рефракции лазерного излучения на плазменной линзе,
- мощность лазера более 50-70 Вт.
В вариантах реализации изобретения при работе источника света с лазерной накачкой направляют прошедший через плазму лазерный пучок 9 обратно в область плазмы за счет его отражения от блокатора 8. В варианте изобретения, иллюстрируемом Фиг.3, оптическая система 14 сбора излучения плазмы содержит входную линзу 17, при этом блокатор 8 установлен на большем, чем линза 17, удалении от камеры 1 и выполнен в виде покрытия 8 пластины 23, селективно отражающего лазерный пучок 9. Такая система оптических элементов 23, 8 при соответствующей юстировке обеспечивает направление прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка 9 обратно в плазму 7. При этом блокатор 8 выполнен в виде системы оптических элементов (17, 8, 23), направляющих прошедший через плазму лазерный пучок 9 обратно в область излучающей плазмы.
В другом варианте блокатор может быть выполнен в виде оптического элемента, направляющего прошедший через плазму лазерный пучок обратно в область излучающей плазмы в частности. Такой оптический элемент может быть выполнен в виде оптического мениска, установленного между камерой и оптической системой сбора излучения плазмы. При этом обращенная к камере сторона мениска имеет сферическую либо модифицированную сферическую поверхность с центром в области излучающей плазмы, с покрытием, отражающим, в частности селективно отражающим, лазерное излучение.
В этих вариантах изобретения увеличивается мощность лазерной накачки, что повышает эффективность и яркость источника света, расширяется диапазон условий его высокоэффективной работы. В остальном работа источника света осуществляется, аналогично тому, как описано выше.
Таким образом, при выполнении в соответствии с настоящим изобретением источник света с лазерной накачкой приобретает ряд новых существенных положительных качеств.
При формировании протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка области излучающей плазмы с малым, от 0.1 до 0.5, аспектным отношением d/l и яркостью излучения плазмы вдоль оси сфокусированного лазерного пучка, близкой к максимально достижимой для данной мощности лазера, с выходом излучения плазмы на расположенную со второй стороны камеры оптическую систему сбора излучения плазмы расходящимся пучком излучения плазмы, направление оси которого преимущественно совпадает с направлением оси сфокусированного лазерного пучка, достигаются следующие основные преимущества.
1
Для области излучающей плазмы, 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 сфокусированного лазерного пучка. За счет выбора оптимальной числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка для каждого выбранного значения мощности лазера, при котором возможна высокоэффективная работа устройства, обеспечивается близкая к максимально возможной яркость излучения плазмы именно в направлении оси сфокусированного лазерного пучка. Достигаемая таким образом максимальная яркость источника света с лазерной накачкой инвариантно передается оптической системой сбора излучения плазмы, осуществляющей сбор излучения в осевом направлении. Это определяет получение существенно большей яркости в источнике света, выполненным в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с аналогами, использующими внеосевой сбор излучения плазмы.
2
За счет соответствующего выбора числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка и реализации протяженной вдоль оси сфокусированного лазерного пучка области излучающей плазмы увеличивается эффективность поглощения лазерного излучения плазмой, что повышает яркость излучения плазмы.
При расположении оптической системы сбора излучения плазмы на оси сфокусированного лазерного пучка, в частности соосно с лазерным пучком, достигается симметричное распределение яркости излучения плазмы по апертуре пучка излучения плазмы, в том числе при его распространении по оптической системе сбора излучения плазмы.
Применение оптической системы сбора излучения плазмы, содержащей входную линзу, обеспечивает простоту и надежность системы сбора высокояркостного излучения плазмы, а также простоту конструкции источника света в целом. Выполнение блокатора в виде отражающего лазерное излучение покрытия на входной линзе обеспечивает компактность и дальнейшее упрощение конструкции источника света.
На основании опытных данных аспектное отношение d/l размеров области излучающей плазмы в диапазоне от 0,14 до 0,4 обеспечивает наиболее эффективную работу устройства.
За счет выбора величины числовой апертуры пучка излучения плазмы NA удовлетворяющей условию NA≥d/l обеспечивается высокая эффективность сбора излучения плазмы высокой яркости.
1
2
1
2
1
2
1
Выбор числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка и мощности лазера такими, что числовая апертура NA прошедшего через область излучающей плазмы расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры меньше числовой апертуры NA сфокусированного лазерного пучка с первой стороны камеры: NA<NA, является одним из критериев высокоэффективной работы высокояркостного источника света с лазерной накачкой. Образование в области излучающей плазмы плазменной линзы, вызывающей рефракцию на ней лазерного излучения: NA<NA, в соответствии с опытными данными соответствует оптимальным условиям работы источника света. Вероятно, это связано с тем, что при условиях реализации эффекта фокусировки лазерного излучения также обеспечивается более эффективное поглощение лазерного излучения плазмой, что повышает эффективность источника света.
2
2
Размещение блокатора в малой приосевой зоне расходящегося лазерного пучка с числовой апертурой NA: NA<<NA позволяет использовать простые и надежные, в том числе неселективные 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.
2
2
Формирование области излучающей плазмы со свойствами плазменной линзы обеспечивает значительное уменьшение числовой апертуры NA расходящегося лазерного пучка со второй стороны камеры. Это обеспечивает возможность получения сопряженного с оптической системой сбора излучения высокояркостного пучка излучения плазмы с очень малой приосевой зоной NA<<NA, затененной неселективным блокатором.
Выполнение блокатора обеспечивающим направление прошедшего через плазму расходящегося лазерного пучка обратно в область излучающей плазмы увеличивает мощность лазерной накачки, что повышает эффективность и яркость источника света, расширяет диапазон условий его высокоэффективной работы.
Усиление расходящегося пучка излучения плазмы пучком излучения плазмы, отраженным сферическим зеркалом либо модифицированным зеркалом, установленным с первой стороны камеры, значительно, на ~ 70%, повышает эффективность сбора излучения плазмы и КПД источника света с лазерной накачкой в целом.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить яркость широкополосного источника света с лазерной накачкой; повысить поглощение лазерного излучения областью излучающей плазмы и увеличить эффективность источника света с лазерной накачкой в целом при обеспечении простоты и компактности его конструкции, увеличении времени его жизни и снижении эксплуатационных затрат; а также эффективно и надежно устранить нежелательное попадание лазерного излучения в систему сбора излучения плазмы. Все это расширяет функциональные возможности устройства.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Источники света высокой яркости, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут использоваться в различных проекционных системах, для инспекции, тестирования или измерения свойств полупроводниковых пластин при изготовлении интегральных схем или связанных с их производством масок или фотошаблонов, а также в микроскопии.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патентная заявка US 2007/0228300.
2. Патент US 8242695.
3. Патент US 8309943.
4. Numerical aperture, Wikipedia.
5. Патент US 7435982.
6. 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).
7. Ю.П.Райзер. Оптические разряды УФН т.132, вып.3, 1980, стр.549-581 http://bib.convdocs.org/vl9197/?cc=l&view=pdf.