Устройство и способ устранения колебаний оптического разряда
DEVICE AND METHOD FOR ELIMINATION OF OPTICAL DISCHARGE OSCILLATIONS

Заявляемое техническое решение относится к устройствам и способу устранения колебаний оптического разряда, источника широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.
Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, является одним из самых ярких источников непрерывного оптического излучения в широкой области спектра. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других – 15000-20000 К, тогда как в дуговом обычно 7000-8000 К, в ВЧ разряде – 9000-10000 К. [1] ([1] Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).
Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq ).
Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой препятствуют достижению необходимой во многих случаях стабильности выходных характеристик широкополосного источника света. Главным образом, это связано с влиянием колебаний конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и соответственно на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой.
Известен способ борьбы с неустойчивостью оптического разряда, принятый за аналог, описанный в [3]. ([3] А. Барановский, З. Муха, 3. Перадзыньский (Польша) «Неустойчивость непрерывного оптического разряда в газах». Успехи механики, 1978, том 1, выпуск 3/4, с. 125-147). Авторы предположили, что колебания генерируются снизу оптического разряда, то есть между плазмой и нижним фронтом температуры нагреваемого оптическим разрядом газа. Для подавления колебаний оптического разряда вблизи нижнего градиентного слоя по оси симметрии вводилась вершина твердого конуса. Приближение к оптическому разряду вызывает нагрев конуса, а также нагрев обтекающего его вверх газа. Это вызывало полное исчезновение колебаний во всем потоке. Необходимая температура конуса для подавления колебаний составляла 500-800 градусов Кельвина. Вне оси симметрии это явление не обнаруживается. Второй способ подавления колебаний, предложенный в этом же источнике, состоит в размещении снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток для нагрева восходящего потока газа до нескольких сот градусов Цельсия. Оба способа, как конус, так и вольфрамовая сетка, позволяют подавлять колебательные неустойчивости оптического разряда.
Недостатком введения конуса снизу оптического разряда для подавления колебаний при помощи его разогрева является сильный нагрев вершины конуса вблизи высокотемпературного (15-20 тыс. градусов) оптического разряда, что может вызвать плавление и распыление материала конуса тем самым приводя к изменению характеристик оптического разряда.
Недостатком размещения снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток, является усложнение конструкции, а также дополнительный разогрев разрядного объема, что может потребовать использования внешнего охлаждения.
Недостатком размещения как конуса, так и вольфрамовой сетки снизу оптического разряда является также невозможность использовать часто применяемый способ подачи лазерного излучения снизу вверх по геометрической оси оптического разряда  с целью минимизации оптических искажений.
Известен способ борьбы с неустойчивостью оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] Патент US20130342105 Pub. Date:  Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). В известном патенте источник света с поддержанием плазмы лазерным излучением включает в себя плазменную лампу, содержащую поток рабочего газа, приводимый в движение электрическим током, поддерживаемым внутри плазменной лампы. В рабочий газ плазменной лампы вводятся заряженные частицы. Расположение электродов, поддерживаемых при разных уровнях напряжения, приводит к движению заряженных частиц через рабочий газ. Движение заряженных частиц в свою очередь приводит к тому, что рабочий газ течет в направлении движения заряженных частиц за счет эффекта увлечения. Результирующий поток рабочего газа усиливает конвекцию вокруг плазмы и увеличивает взаимодействие лазерного излучения с плазмой. Поток рабочего газа в плазменных лампах может быть стабилизирован и управляться регулировкой напряжений, присутствующих на каждом из электродов. Стабильный поток рабочего газа через плазму способствует более стабильной форме и положению плазмы внутри лампы. Известный способ позволяет подавлять неустойчивости в оптическом разряде.
Недостатком известного способа борьбы с неустойчивостью является необходимость размещения внутри объема лампы дополнительных электродов (в вариантах патента размещение дополнительных электродов снаружи лампы), дополнительного источника различных напряжений для электродов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров плазменной лампы.
Недостатком также является необходимость введения в рабочий газ лампы заряженных частиц, например, электронной эмиссией, коронным разрядом, фотоэмиссией, термоэлектронной эмиссией или нагревом электрода электрической дугой. Все это усложняет конструкцию лампы, а также уменьшает суммарный КПД источника света за счет поглощения выходного излучения дополнительными элементами (электроды, источники заряженных частиц, подводящие провода).
Известен способ борьбы с неустойчивостью оптического разряда методом управления конвекцией, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] Патент US 2015/0034838A1, Pub. Date: Feb. 5, 2015 Method and System for Controlling Convection within a Plasma Cell). В известном патенте плазменная ячейка для управления конвекцией включает в себя передающий элемент, сконфигурированный для приема освещения от источника освещения с целью генерирования плазмы внутри плазменной области в газовом объеме. Плазменная ячейка также включает верхний элемент управления потоком, расположенный над областью генерации плазмы, который включает в себя один или несколько внутренних каналов, сконфигурированных для направления потока плазмы вверх, и нижний элемент управления потоком, расположенный ниже области генерации плазмы, который включает в себя один или несколько внутренних каналов, сконфигурированных для направления газа вверх к области генерации плазмы. В вариантах патента плазменная ячейка  содержит один или несколько элементов усиления конвекции, расположенных во внутреннем канале верхнего элемента управления потоком. Элементы усиления конвекции, в свою очередь, содержат один или несколько тепловых насосов, нагревающихся за счет поглощения излучения плазмы. В других вариантах изобретения для усиления конвекции может быть использован нагрев внешним источником, например, через теплообменник, механический насос, механический нагнетатель, внешний рециркуляционный насос. Известный способ позволяет устранять колебания в оптическом разряде методом управления конвекцией.
Недостатком известного способа борьбы с неустойчивостью является малая эффективность использования нагрева тепловых насосов за счет поглощения излучения плазмы. Из уровня техники следует, что излучение плазменного источника распространяется во все стороны равномерно, поэтому во внутренний канал управления потоком, расположенный сверху от плазменной области, как указано в известном патенте, попадает незначительная часть излучения, которой может оказаться недостаточно для образования устойчивого газового потока для управления конвекцией. Использование нагрева теплового насоса через теплообменник, механические насосы, нагнетатели или внешний рециркуляционный насос усложняют конструкцию и уменьшают КПД устройства.
Заявляемые устройство и способ устранения колебаний оптического разряда направлены на улучшение характеристик, а именно на уменьшение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.
Указанный результат достигается тем,  что устройство устранения колебаний оптического разряда, состоит из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, причем внутри камеры помещена цилиндрическая трубка, покрытая поглощающим лазерное излучение материалом изнутри и теплоизолированная снаружи, расположена преимущественно вертикально, нижняя часть которой размещается выше и преимущественно по центру оптического разряда, а верхняя часть образует зазор с внутренней поверхностью разрядной камеры, причем  высота кольцевого зазора должна быть больше одной четверти  ее диаметра, а лазеры располагают так, что их излучение после прохождения через оптический разряд попадает в основном на внутреннюю поверхность трубки.
Указанный результат достигается также тем ,  что в способе устранения колебаний оптического разряда, расположенного в разрядной  камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют либо внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, либо применением двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, причем проходящим через оптический разряд излучением лазеров нагревают внутреннюю поверхность цилиндрической трубки, которая разогревает расположенный в ней газ, образуя таким образом направленный снизу вверх поток газа.
Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами.
На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства.
На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда для пояснения возникновения колебательной неустойчивости.
На фиг. 3 изображен вариант применения заявляемого изобретения.
Устройство устранения колебаний оптического разряда состоит из прозрачной герметичной разрядной камеры 1, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда. Оптический разряд 2 располагается преимущественно в центре камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений. Его положение определяется местом фокусировки лазерного излучения (лазерное излучение на фиг. 1 не показано). Внутри камеры 1 размещена цилиндрическая трубка 3, покрытая изнутри материалом 4, поглощающим излучение лазеров, используемых для поддержания оптического разряда, и расположенных снаружи камеры 1 преимущественно снизу. В качестве материала 4, поглощающего лазерное излучение, могут быть использованы известные из уровня техники покрытия, полученные с помощью процессов оксидирования поверхности, напыления углерода, анодирования поверхности алюминия с последующим чернением и т. п. Снаружи трубка 3 покрыта материалом с малой теплопроводностью 5. В качестве материала 5 с малой теплопроводностью могут быть использованы, например, подходящие сорта стекол, пористая керамика, обмотка поверхности стеклотканью. Трубка 3 расположена преимущественно вертикально, нижняя ее часть установлена над оптическим разрядом 2 таким образом, чтобы ее нижний срез располагался выше оптического разряда 2 на расстоянии, сопоставимом с радиусом горячего газа, разогреваемого оптическим разрядом 2, ограниченным фронтом температуры 6. Диаметр трубки 3 выбирается в общем случае большего размера, чем диаметр поперечного сечение горячего газа, ограниченного фронтом температуры 6, в области оптического разряда 2 для предотвращения оплавления и испарения материала трубки 3. Внутренняя часть трубки 3, расположенная между материалом 4 и материалом 5, может быть выполнена из металла, керамики, кварца, стекла или их комбинации. Ее задача - придать механическую прочность трубке 3 и обеспечить ее крепление к корпусу разрядной камеры 1.  Верхняя часть трубки 3 расположена на некотором расстоянии от внутренней поверхности камеры 1, образуя кольцевой зазор 7 между краем трубки 3 и внутренней поверхностью камеры 1. При этом площадь кольцевого зазора 7 превышает площадь верхнего поперечного сечения трубки 3 для свободного выхода газа сверху трубки в объем камеры. То есть,  высота кольцевого зазора должна быть больше одной четверти ее диаметра (определяется расчетом). Крепление трубки 3 к поверхности камеры 1 может выполняться любым известным из уровня техники способом, например, используемым для крепления анода в электронных лампах, и представляющим собой соединение металлическими стержнями, впаянными в стеклянный корпус лампы.
Верхняя часть трубки 3 может иметь больший диаметр, чем ее нижняя часть.
Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров, расположенных преимущественно снизу камеры 1, фокусируется через прозрачные стенки камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 2. Для первоначального поджига оптического разряда могут быть использованы известные из уровня техники способы, состоящие в подаче импульса от внешнего лазера, вызывающего пробой газа внутри камеры 1, либо в кратковременном повышении мощности одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи камеры 1, излучение которых сфокусировано в области  оптического разряда 2 вблизи центра камеры 1, либо применение двух штыревых электродов (на фиг. 1 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 2, между которыми прикладывается импульс пробойного напряжения. При этом образуется облако плазмы, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазма поддерживается за счет поглощения поступающего лазерного излучения, образуя так называемый оптический разряд 2. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 2 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа, ограниченный фронтом температуры 6, увеличивающийся в размерах. Из уровня техники известно, что обычно приблизительно 30% лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд 2, излучается в виде широкополосного излучения, приблизительно 20% отводится теплопроводностью, то есть идет на образование разогретого оптическим разрядом объема газа, ограниченного фронтом температуры 6, а оставшиеся приблизительно 50% проходят сквозь оптический разряд 2. Лазеры, поддерживающие оптический разряд 2, установлены таким образом, что практически все их излучение, прошедшее через оптический разряд 2, поглощается внутренней поверхностью трубки 3, покрытой материалом 4, поглощающим излучение лазеров. Вследствие того, что внешняя поверхность трубки 3 покрыта материалом с малой теплопроводностью 5, практически все излучение лазеров, прошедшее через оптический разряд 2, идет на разогрев внутренней поверхности трубки 3 и нагревает газ, находящийся внутри трубки 3, который всплывает вверх по закону Архимеда, формируя направленный поток газа по трубке 3 снизу вверх. Этот поток увлекает за собой нагретый оптическим разрядом 2 газ, останавливает расширение области нагретого газа, ограниченного фронтом температуры 6, тем самым стабилизируя ее размер и устраняя колебания оптического разряда.
Фиг. 2 поясняет процесс возникновения колебательной неустойчивости вокруг оптического разряда. На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда в ксеноне при давлении около 20 бар для дальнейшего пояснения работы изобретения (снимки сделаны авторами). Сам оптический разряд 2 виден как яркое эллиптическое пятно в нижней части фотографий. Светлые линии вокруг него представляют собой градиент температуры между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и более холодным объемом газа в остальной части разрядной камеры 1. Фото А на фиг. 2 показывает, что вокруг оптического разряда формируется объем нагретого газа, ограниченный снизу и с боков полусферическим пространством диаметром около 1,5 мм. На следующих фото Б и В видно, что облако нагретого газа увеличивается в размере приблизительно до 2 мм из-за нагрева газа оптическим разрядом. Фото Г показывает, что пузырь горячего газа начинает всплывать вверх согласно закону Архимеда. На фото А виден этот всплывающий пузырь уже выше оптического разряда, а на его месте возникает следующий объем горячего газа. Этот процесс повторяется циклически с частотой около 40 Гц, вызывая, таким образом, периодические колебания холодного и горячего газа вокруг оптического разряда. Так как коэффициент преломления оптического излучения зависит от плотности среды, то такие колебания приводят к отклонениям как лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, так и широкополосного излучения самого оптического разряда. Отклонение лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, приводит к смещению пространственного положения оптического разряда, а отклонение его выходного широкополосного излучения ухудшает качество фокусировки и стабильность световых характеристик.
На фиг. 3 изображено возможное применение заявляемого изобретения. Оно состоит из разрядной камеры 1, в близи цента которой горит оптический разряд 2, первоначально инициированный одним из способов, известных из уровня техники, трубки 3, покрытой изнутри поглощающим материалом 4, а снаружи теплоизолирующим 5. Вокруг оптического разряда образуется разогретый объем газа, ограниченный фронтом температуры 6, который виден также на фотографиях Фиг. 2. Между верхней частью трубки 3 и корпусом камеры 1 организован кольцевой зазор 7 для выхода потока горячего газа в объем камеры. Движение газового потока внутри камеры 1 при работе изобретения показано стрелками. Лазерное излучение 8 от двух внешних лазеров фокусируется линзами 9 через стенки камеры 1 в области оптического разряда 2. Проходящая часть излучения, составляющая около 50% от излучения лазеров, практически полностью поглощается на внутренней стенке 4 трубки 3 и разогревает газ внутри трубки 3. Теплоизолирующее покрытие 5 предназначено для минимизации потерь тепла через внешнюю поверхность трубки 3. Газ внутри трубки 3, разогреваясь от ее стенок, интенсивно всплывает вверх, захватывая не только область разогретого оптическим разрядом 2 газа, но и относительно холодный газ вблизи оптического разряда, тем самым охлаждая облако горячего газа и устраняя его колебания. Соотношение тепловой энергии, оказавшейся в трубке 3 за счет поглощения прошедшего лазерного излучения для стандартной камеры оптического разряда, заполненной ксеноном при давлении 20-25 Бар (оценка приведена выше) по сравнению с тепловой энергией самого оптического разряда составляет приблизительно 2,5 раза. Нагрев излучением трубки 3 от самого оптического разряда 2 составляет, по той же оценке, единицы процентов, что определяется геометрией трубки 3, и может быть еще уменьшен увеличением верхнего диаметра трубки 3.
Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в использовании уже ненужного лазерного излучения, прошедшего через оптический разряд, для формирования газового потока, стабилизирующего размер облака горячего газа вокруг оптического разряда, устраняя его колебания.