СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЫСОКОЙ ЯРКОСТЬЮ
METHOD OF GENERATING BROADBAND HIGH-BRIGHTNESS OPTICAL RADIATION

Заявляемое техническое решение относится к способам генерации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии, медицине и других областях.
2
Известен способ генерации широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, включающий возбуждение дуговым разрядом камеры, заполненную газом высокого давления. Камера представляет собой прозрачную колбу (лампу) из кварцевого стекла, в качестве заполняющего газа применяется ксенон (смесь ксенона с ртутью) с давлением при комнатной температуре ~1 МПа. Электроды дугового разряда размещены в лампе, межэлектродный промежуток составляет несколько миллиметров, у ламп специального назначения даже 0,5-1,5 мм ([1]: Рохлин Г.Н. «Разрядные источники света». 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1991-720 с; раздел 19.3). Подобные лампы серийно выпускаются многими производителями, в частности компанией Hamamatsu Photonics К.К. (Япония), детальное описание параметров таких ламп представлено на сайте компании ([2]: http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/Xe-HgXe_TLSX1044E.pdf). Источники по известному способу генерируют излучение с непрерывным спектром в диапазоне от ~180-220 нм до >1000 нм (нижняя граница спектра определяется границей прозрачности используемого для колбы материала) при достаточно высоких стабильности (лучше 1%) и интегральной яркости излучения. Однако ресурс непрерывной работы таких источников ограничен и определяется деградацией электродов самих по себе в сильноточном дуговом разряде, а также осаждением продуктов эрозии электродов на внутреннюю поверхность лампы, что снижает ее прозрачность. В результате гарантированный срок службы источника составляет, как правило, до ~3000 часов, что недостаточно для многих приложений. Кроме того, при высокой общей спектральной силе света {в единицах Вт/(нм*ср)} спектральная яркость известного источника {в единицах Вт/(нм*ср*мм)} недостаточна, в частности для приложений в микроэлектронике, поскольку освещенность объекта определяется именно яркостью единицы поверхности источника излучения.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ генерации широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, включающий создание начальной ионизации в камере, заполненной газовой смесью высокого давления, освещение камеры сфокусированным лучом непрерывного лазера с находящейся в камере фокальной областью и вывод широкополосного оптического излучения из фокальной области лазера ([3]: патент US 7435982 "Laser-driven light source"). Фактически известный способ представляет собой один из вариантов реализации непрерывного оптического разряда, обнаруженного в 1970 г. в СССР ([4]: Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с.447-449), источники на базе такого оптического разряда выпускает компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании http://www.energetig.com/. Первоначальная (предварительная) ионизация газа (как правило, это ксенон высокого давления) создается отдельным источником ионизации, а затем оптический разряд поддерживается непрерывным лазерным излучением.
В прототипе источник начальной ионизации расположен в камере с газом, в которую введены электроды и в камере вначале на короткое время (масштаб времени 1 с) зажигается обычный дуговой разряд на постоянном токе, который затем отключается. Однако возможны и другие варианты создания начальной ионизации в источниках на базе лазерной плазмы, что не является принципиальным для генерации широкополосного излучения самого по себе - источник начальной ионизации может находиться вне камеры и представлять собой, например, импульсный лазер высокой мощности, как в [4], или виток, обеспечивающий безэлектродное зажигание разряда, как это реализовано в [5] ([5]: US 7,705,331: «Methods and systems for providing illumination of a specimen for a process performed on the specimen))).
Оптические системы фокусировки лазерного излучения в камеру и вывода широкополосного излучения лазерной плазмы также могут быть существенно различными.
Источники по прототипу выпускает компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании ([6]: http://www.energetiq.com/), а именно EQ-99 (в версиях X, XFC, CAL), а также EQ-1500 и др. Известные источники включают камеру в виде прозрачной для ультрафиолетового излучения колбы, заполненной, как правило, ксеноном с давлением вплоть до ~3 МПа (при комнатной температуре), лазер мощностью от ~20 Вт до ~300 Вт (как правило, диодный лазер с длиной волны ~1 мкм), систему фокусировки лазерного излучения в камеру с газом с достаточно большой числовой апертурой NA до 0,45-0,50. В заполненной газом камере дополнительно размещены электроды для предварительной ионизации газа дуговым разрядом или импульсным электрическим пробоем, после которых плазма поддерживается сфокусированным лазерным излучением уже в отсутствие электрического тока и напряжения на электродах.
Важными достоинствами известного источника являются безэлектродный способ подвода энергии к плазме (за исключением момента ее инициирования), а также компактность и достаточно стабильное положение источника широкополосного излучения. Отсутствие сколько-нибудь заметной эрозии электродов позволяет многократно увеличить ресурс источника излучения - до ≥9 тыс.часов и более, как указано в спецификациях продукции компании Energetiq Technology, Inc., когда ресурс определяется, по-видимому, деградацией прозрачных стенок колбы под действием коротковолнового излучения лазерной плазмы, Далее, известный источник имеет существенно большую спектральную яркость, чем лампы дугового разряда: выигрыш в яркости по сравнению с ксеноновой лампой при сопоставимой потребляемой мощности составляет до 10 раз в дальнем ультрафиолетовом диапазоне 190-250 нм и до 2-3 раз в спектральном диапазоне 300-700 нм. Однако спектральная яркость известного источника не является максимальной и при этом важно отметить, что его яркость увеличивается очень медленно по мере роста мощности используемого лазера, поскольку вместе с ростом мощности лазера увеличивается и объем излучающей плазмы. Например, при увеличении мощности лазера от 20 Вт (источник EQ-99) до 60 Вт (источник EQ-1500) размер излучающей плазмы по уровню 50% от максимальной яркости увеличивается от ∅60 мкм ×140 мкм до ∅125 мкм ×300 мкм, то есть объем плазмы возрастает в 9 раз. Это означает, что мощность энерговыделения в единице объема плазмы с увеличением мощности лазера уменьшается, как и максимальная температура плазмы. То есть, рост спектральной яркости источника достигается неэффективным способом - за счет увеличения оптической толщины плазмы, в основном прозрачной для собственного теплового излучения, а спектральное распределение излучения соответствует меньшей температуре плазмы.
Аналогично медленный рост яркости плазмы, прежде всего в ультрафиолетовом диапазоне без роста ее максимальной температуры при увеличении мощности лазерного излучения проявляется в источниках на базе поддерживаемой лазером мощностью до 1 кВт и выше компактной плазмы в заполненных ксеноном высокого давления безэлектродных лампах компании KLA-Tencor Corporation. В частности, при увеличении мощности поддерживающего плазму лазера от 500 Вт до 10 кВт максимальная температура плазмы даже упала от ≈16,5 кК до ≈15,5 кК при существенном росте объема плазмы ([7]: https://www.researchgate.net/publication/277130938_High_Power_Laser-Sustained_Plasma_Light_Sources_for_KLA-Tencor_Broadband_Inspection_Tools).
Медленный рост яркости лазерной плазмы при увеличении лазерной мощности в известном техническом решении авторы настоящего изобретения связывают с рефракцией лазерного излучения в нагретом газе: с увеличением мощности лазерного излучения увеличивается и тепловыделение в фокальной области. В результате возрастает размер и оптическая сила «рассеивающей тепловой линзы», возникающей в области излучающей плазмы и вокруг этой области, что ухудшает условия фокусировки лазерного излучения.
Кроме того, по мнению авторов заявляемого технического решения, увеличение размера плазмы (в частности, за счет теплопроводности) при увеличении мощности поддерживающего плазму лазера приводит к росту поглощения лазерного излучения на большем расстоянии от фокальной области - это особенно существенно при использовании диодных лазеров, когда поглощение лазерного излучения происходит с возбужденных уровней ксенона (или другого инертного газа). Соответственно, рост температуры на периферии фокальной области приводит к росту населенности соответствующих атомных состояний и коэффициентов поглощения - в результате интенсивность лазерного излучения непосредственно в фокальной области может с ростом мощности лазера даже уменьшаться, а не возрастать.
Далее, колебания мощности лазерного излучения приводят к вариациям не только яркости излучения плазмы самой по себе, но также и положения области лазерной плазмы с максимальной яркостью, что дополнительно увеличивает нестабильность излучения - как интегральной, так и спектральной яркости известного источника, особенно на значительных временных интервалах и при распространенном варианте вывода излучения плазмы проектированием ее яркой области на вход световода малого диаметра.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение спектральной яркости, стабилизация положения плазмы, а также увеличение ресурса источника широкополосного оптического излучения.
1
2
2
1
Технический результат достигается тем, что в способе генерации широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, включающем создание начальной ионизации в камере, заполненной газовой смесью высокого давления, освещение камеры сфокусированным лучом непрерывного лазера с находящейся в камере фокальной областью, вывод широкополосного оптического излучения из фокальной области лазера, мощность лазера периодически изменяют от минимального значения Р до максимального значения Р, причем отношение максимальной мощности лазера к минимальной Р/Р≥1,5.
1
2
2
2
2
1
2
1
2
1
Авторами настоящего технического решения обнаружено, что комбинация облучения плазмы лазерным излучением с мощностью P при периодическом увеличении мощности излучения до большего значения Р, позволяет во время облучения плазмы импульсом мощностью Р реализовать большую яркость широкополосного излучения, чем при облучении плазмы лазерным излучением с постоянной мощностью Р. Существенное увеличения яркости плазмы реализуется при Р/Р≥1.5, а кратный рост яркости, прежде всего в ультрафиолетовом диапазоне, реализуется при Р/Р≥2. предпочтительно Р/Р≥3 и более.
1
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
В предпочтительном варианте реализации заявляемого способа отношение времени T, в течение которого мощность лазера не превосходит Р+0,2(Р-Р) ко времени Т, в течение которого мощность лазера превышает P+0,8(P-P) удовлетворяет условию Т/Т≥2., еще больший выигрыш в яркости плазмы может быть получен при T/T≥3. предпочтительно ≥4.
Фиг. 1 иллюстрирует предлагаемый авторами настоящего изобретения режим работы лазера, генерирующего лазерную плазму, указаны:
1
Р - минимальная мощность лазера;
2
Р - максимальная мощность лазера;
1
1
2
1
Т - время, в течение которого мощность лазера соответствует значению не больше минимального плюс не более 20% от разницы между максимальной и минимальной мощностью лазера, то есть мощность лазера близка к минимальному значению: Р≤Р*=P+0,2(P-P);
2
2
2
1
Т - время, в течение которого мощность лазера превосходит минимальноге плюс не менее 80% от разницы между максимальной и минимальной мощностью лазера (или. что то же самое, соответствует значению не меньше максимального минус 20% разницы между максимальной и минимальной мощностью, то есть мощность лазера близка к максимальному значению: Р≥Р**=Р-0,2(P-P);
r
1
2
1
1
2
1
2
2
1
ΔT - время, в течение которого мощность лазера увеличивается от близкой к минимальному значению {P+0,2(P-P)} (Р*) до близкой к максимальной мощности значения {P+0,8(P-P)} или, что то же самое {P-0,2(P-P)} (Р**)
f
1
2
1
1
2
1
ΔT - время, в течение которого мощность лазера уменьшается от близкого к максимальному значению {P+0,8(P-P)} (Р**) до близкого к минимальной мощности значения {Р+0,2(Р-Р)} (Р*).
r
r
То есть, фактически время ΔT соответствует длительности переднего фронта импульса, в течение которого мощность лазера увеличивается до близкого к максимальному значения, а время ΔT соответствует продолжительности заднего фронта импульса (формальное определение фронта отличается у разных авторов, однако это отличие не является существенным для предпостительного варианта достаточно коротких по сравнению с.
В используемых нами формулировках учитывается, что зависимость мощности лазерного излучения от времени в течение периода может существенно отличаться от приведенной на фиг. 1 «идеальной» трапециедальной формы, минимальная и максимальная мощность лазера несколько меняются (флуктуируют) как во время отдельного периода, так и от периода к периоду. В то же время величина таких флуктуаций, как правило, для современных лазеров не превышает нескольких процентов и меньше 20% от соответствующего значения, которые выбрано авторами в качестве граничного.
2
2
1
1
2
Обнаруженный эффект роста яркости плазмы при периодическом повышении мощности лазерного излучения авторы заявляемого способа связывают с тем, что средний по времени энерговклад в плазму в предлагаемом способе работы лазера существенно ниже, чем при постоянной мощности лазера Р. Соответственно, снижается негативное влияние рефракции лазерного излучения на плазме и окружающем ее горячем газе, а также нежелательное поглощение лазерного излучения на периферии излучающей области плазменного источника. В значительной степени этот эффект проявляется, когда средняя мощность лазерного излучения заметно меньше максимального значения, а для этого, как очевидно из фиг. 1, предпочтительны соотношения Р/Р≥3, Т/Т≥3.
2
При выполнении указанных условий излучение мощностью Р в каждом импульсе с большей эффективностью достигает фокальной области фокусирующей системы, обеспечивая большую яркость плазмы. Этим же, видимо, объясняется и большая стабильность положения области максимальной яркости плазмы в предлагаемом авторами настоящей заявки техническом решении.
1
2
r.
Поскольку за время нарастания лазерной мощности от минимального (близкого к минимальному) уровня P до максимального (близкого к максимальному уровня Р происходит нагрев и расширение плазмы, то целесообразно минимизировать время такого нагрева, а для этого использовать лазерные импульсы с коротким передним фронтом Δт Аналогично, целесообразно насколько возможно уменьшить дополнительный нагрев плазмы во время уменьшения лазерной мощности от максимального (близкого к максимальному) значения до минимального (близкого к минимальному) значения.
1
2
1
1
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
Таким образом, предпочтительно использовать лазерные импульсы с достаточно короткими передним и задним фронтами. В качестве критерия авторами выбран и экспериментально подтвержден следующий: время увеличения мощности лазера от мощности {P+0,2(P-P)} (Р*) до мощности {P+0,8(P-P)} (Р**) не превышает 0.25Т и время уменьшения мощности лазера от мощности {P+0,8(P-P)} до мощности {P+0,2(P-P)} не превышает 0,25Т. Целесообразно использовать лазер с возможно короткими фронтами нарастания и падения мощности при условии, конечно, сохранения ресурса его работы и разумной его стоимости.
1
2
2
2
1
2
В предпочтительной реализации заявляемого способа минимальная мощность лазера Р поддерживает оптический разряд на уровне вблизи порогового с минимальным выделением тепла в газе, минимальным размером плазмы, соответственно, минимальными рефракционными искажениями и минимальным поглощением на периферии плазменного сгустка а при максимальной мощности лазера Р генерируется лазерная плазма, которая демонстрирует при этом при этом максимальную яркость при минимальном размере. В этом случае яркость плазмы определяется импульсной максимальной мощностью лазера, а дефокусировка излучения за счет рефракции и поглощение на периферии плазмы определяются даже не средней мощностью лазера, а. скорее, средней по времени мощностью его импульсов (для близких к прямоугольной форме импульсов это P*T/(T+T). Это связано с тем, что тепловыделение в плазме при пороговой для оптического разряда мощности лазера минимально.
1
Соответственно, в описываемом предпочтительном варианте минимальная мощность лазера превышает порог поддержания оптического разряда в заполненной газовой смесью высокого давления камере не более, чем в 1,5 раза, предпочтительно не более, чем в 1,2 раза. Отметим, что пороговая для поддержания оптического разряда мощность лазера Р определяется с учетом более эффективного выделения энергии в плазме в течение лазерных импульсов большей мощности, то есть для заявляемого режима работы лазера пороговая мощность поддержания плазмы будет несколько ниже, чем пороговая мощность поддержания плазмы лазером с постоянной мощностью излучения при одинаковых параметрах системы фокусировки, давлении и составе газовой смеси в облучаемой камере.
2
2
С целью минимизации вносимых лазерной плазмой искажений, уменьшающих интенсивность лазерного излучения в керне (ярком ядре) плазмы, предпочтительно, чтобы длительность отдельного лазерного импульса в любом случае не превышала время формирования стационарной плазмы, соответствующей максимальной мощности лазерного излучения Р, с сопутствующими рефракционными искажениями фокусировки и поглощением на периферии плазмы Время формирования стационарной плазмы зависит прежде всего от максимальной мощности лазера, давления газа и условий фокусировки излучения, составляя 1-200 мкс, в связи с чем время Т, в течение которого мощность лазера составляет не менее 80% от максимальной выбирается в интервале интервале 1-200 мкс, предпочтительно 3-20 мкс.
1
2
1
Таким образом, в предпочтительном варианте реализации заявляемого способа, когда минимальная мощность лазера Р обеспечивает «околопороговый» режим поддержания плазмы, яркость ее излучения в течение времени Т многократно (на порядки, до 100 раз и более) превышает яркость плазмы в течение времени Т. То есть, фактически заявляемый способ позволяет реализовать импульсно-периодический источник широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, частота следования световых импульсов которого определяется периодом модуляции мощности лазера, а в промежутках между импульсами мощность широкополосного излучения на порядки меньше максимальной.
1
2
1
1
2
1
2
В одном из вариантов заявляемого технического решения выводимое из фокальной области лазера широкополосное оптическое излучение направляют на импульсно-периодический блокиратор излучения, период которого соответствует периоду изменения мощности лазера. В предпочтительном случае блокиратор пропускает излучение плазмы в течение лазерного импульса максимальной мощности или, исключив начальный этап разогрева плазмы в каждом импульсе, то есть пропускание блокатора синхронизируют со временем, когда мощность лазерного излучения составляет не менее P+0,8(P-P). предпочтительно не менее Р+0,9(Р-Р). При этом в оптимальном варианте использования блокиратора, чтобы исключить время нагрева плазмы до максимальной температуры, его пропускание «включают» даже на несколько меньшее время, чем T при этом излучение плазмы в остальное время блокируется. В результате с использованием блокиратора широкополосное оптическое излучение между яркими вспышками плазмы в течение лазерного импульса отсутствует. В этом случае облучаемый источником широкополосного излучения объект подвергается воздействию только излучения с максимальной яркостью, что минимизирует возможное вредное воздействие источника, например, избыточный нагрев биологического объекта или протекание фотохимических реакций под действием постоянного фона излучения плазмы.
Блокиратор излучения может быть выполнен различными способами, включая как электрооптические прерыватели света, так и механические, например вращающийся диск с прорезями. Возможность использования указанного варианта периодического прерывания излучения связана с тем, что излучение широкополосного источника света, как правило, передается с помощью световодов малого диаметра, для плазмы малого размера диаметр световода может составлять 100-200 мкм. В этом случае при легко обеспечиваемой окружной скорости вращения диска 20 м/с (например, диаметр диска 16 см, частота вращения 2400 об/мин) и ширине отдельной прорези в нем 0,2 мм длительность отдельного пропускаемого прорезью светового импульса составит ~10 мкс (для диаметра световода 100 мкм); при окружной скорости вращения 30 м/с длительность отдельного пропускаемого прорезью светового импульса составит ~6-7 мкс.
2
Использование импульсно-периодической лазерной плазмы с достаточно высокой частотой следования импульсов вместо непрерывной плазмы, как в известных технических решениях, включая прототип, не приводит к ограничению использования заявляемого источника в подавляющем большинстве приложений, по крайней мере, при длительности отдельного импульса широкополосного излучения в микросекундном диапазоне. Это связано с тем, что чувствительность современных оптоэлектронных приемников с временным разрешением от 50-100 нс (1 мкс) не хуже чувствительности оптоэлектронных приемников непрерывного (квазинепрерывного) излучения. Соответственно, при анализе поверхности (наиболее частое применение рассматриваемых источников света в микроэлектронике) с генерируемым уровнем интенсивности света на поверхности достаточно одного импульса широкополосного излучения длительностью от ~1 мкс. При этом на время перемещения облучающей поверхность и регистрирующей систем (или самой поверхности) облучение возможно отключить. Например, для частоты следования импульсов широкополосного излучения 10 кГц и размере облучаемой за один импульс площадки всего 350×350 мкм (при экстремально высокой яркости источника по заявляемому способу это вполне реальный размер) производительность анализа поверхности составит ~12 см/с и, таким образом, пластина диаметром 300 мм может быть исследована за ≈1 минуту, при этом скорость сканирования поверхности составит 3,5 м/с.
2
Как обнаружено и установлено авторами заявляемого технического решения, уже вблизи порога оптического разряда, когда яркость плазмы и тепловыделение в ней низкие, коэффициент поглощения лазерного излучения достаточен для того, чтобы нагрев ядра плазмы, поддерживаемой непрерывным лазером «околопороговой» мощности, до максимальной яркости производится лазерным импульсом достаточно быстро, за это время размер плазмы заметно не увеличивается, а устойчивость положения яркого керна и воспроизводимость его яркости от импульса к импульсу остается высокой вплоть до частоты следования импульсов 10 кГц и выше. При этом длительность Т отдельною лазерного импульса большей мощности предпочтительно выбирать несколько больше (на время масштаба 0,3-10 мкс) той длительности, при которой обеспечивается нагрев плазмы до максимальной яркости ее излучения, поскольку, как указывалось выше, длительности «яркой вспышки» плазмы ~1 мкс (и даже меньше) достаточно для предельно высокой чувствительности оптоэлектронных систем регистрации, а дальнейший нагрев плазмы лазерным импульсом приводит только к увеличению среднего энерговклада в плазму и. как следствие, к росту рефракционных искажений и поглощения на периферии яркого ядра плазмы.
Важно также указать, что заявляемое техническое решение позволяет варьировать частоту следования ультраярких импульсов широкополосного излучения в широких пределах от десятков килогерц до 1 Гц и менее. Изменение частоты следования импульсов позволяет в широких пределах варьировать среднюю мощность источника широкополосного оптического излучения без изменения его спектральной яркости (поскольку она определяется импульсной мощностью), что невозможно в известных источниках и полезно для ряда приложений.
2
В качестве источника лазерного излучения могут использоваться диодные лазеры, твердотельные лазеры, в том числе твердотельные лазеры с диодной накачкой, в частности волоконные лазеры, а также газовые лазеры, например CO-лазеры. В случае диодных лазеров модулирование мощности лазерного излучения проще всего осуществить модуляцией тока, для твердотельных лазеров возможно использовать, например, модуляцию мощности оптического возбуждения, в газовых лазерах с электроразрядным возбуждением также возможно использовать модуляцию тока разряда, прежде всего в лазерах с несамостоятельным разрядом.
1
2
2
1
1
В распространенном случае применения диодных лазеров (аналогично известным источникам) применение периодической модуляции мощности лазера согласно заявляемому техническому решению в ряде случаев позволяет дополнительно увеличить импульсную мощность при использовании лазеров с умеренной средней мощностью. Это связано с тем, что предельная мощность непрерывного диодного лазера обусловлена максимально допустимой температурой в области генерации, а в импульсно-периодическом режиме для достаточно коротких лазерных импульсов температура в области генерации излучения определяется в значительной степени средней мощностью излучения (нагрев перехода за время отдельного лазерного импульса сравнительно мал), импульсная мощность при этом может быть гораздо выше средней. Так, при скважности импульсов 5 (T/T≈4) для диодного лазерного модуля ДЛМ-50 производства компании НТО «ИРЭ-Полюс»/1РС Photonics (http://www.ntoire-polus.ru/products_low_dlm.html) с максимальной мощностью в непрерывном режиме работы 50 Вт авторами настоящего технического решения был реализован устойчивый режим работы лазера (и генерации лазерной плазмы) с импульсной мощностью излучения Р=80 Вт и длительностью отдельного лазерного импульса Т2 около 20 мкс (T~80 мкс, частота следования лазерных импульсов 10 кГц), При этом минимальная мощность лазера Р составляла 20 Вт, а средняя мощность - 36 Вт и рефракционные эффекты в плазме, а также поглощение на ее периферии заведомо соответствовали не большей средней мощности непрерывного лазера с постоянной мощностью (вероятно, как указано выше, меньшей). Для лазерных импульсов большой длительности (обычно ~100 мкс и более, когда в течение отдельного импульса температура лазерного перехода достигает стационарного значения) существенного увеличения импульсной мощности по сравнению с мощностью лазера в непрерывном режиме реализовать не удается.
Тот факт, что в заявляемом способе рефракционные искажения и периферийное поглощение существенно меньше, чем в прототипе, позволяет эффективно «довести» сфокусированное лазерное излучение до фокальной области и обеспечить максимальную интенсивность лазерного излучения и, соответственно, яркость плазмы именно в этой области. Как следствие, улучшается стабильность положения яркого ядра плазмы, упрощается возможность и возрастает эффективность вывода излучения плазмы с помощью световода малого диаметра, что важно для ряда приложений.
Лазерная плазма может генерироваться в инертном газе высокого давления (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон) или смеси инертных газов высокого давления, в состав газовой смеси может быть также включен по меньшей мере один компонент из группы: ртуть, водород, азот. В предпочтительном варианте облучаемая сфокусированным лазерным излучением камера заполнена тяжелым инертным газом (аргон, криптон, ксенон) или смесью тяжелых инертных газов высокого давления вплоть до нескольких МПа (при комнатной температуре).
Аналогично, инициирование плазмы по заявляемому способу может проводиться с помощью размещенных в камере электродов или с помощью внешнего по отношению к камере источника предварительной ионизации.
Далее заявляемое техническое решение поясняется с помощью примеров, которыми оно, однако не ограничено.
В качестве камеры с газом использовалась заполненная ксеноном высокого давления лампа OSRAM ХВО 75W со стенками из кварцевого стекла, внешний диаметр лампы ~10 мм. В качестве лазера использовался диодный лазерный модуль PLD-60 компании IPG Photonics, с максимальной мощностью постоянного лазерного излучения до 60 Вт (номинальная мощность 55 Вт). В качестве выходного элемента фокусирующей системы использовалась линза с эффективным фокусным расстоянием 16 мм, диаметр лазерного луча на линзе составлял 4 мм, что соответствует числовой апертуре фокусирующей системы NA≈0,12. При этом диаметр лазерных лучей на поверхности лампы не превышал 1,5 мм, что меньше характерного пространственного масштаба неоднородности оптической толщины кварцевой оболочки лампы. В этом случае влияние оболочки лампы сводится, в основном, к смещению фокуса, а не к увеличению размера фокальной области, который составлял (в отсутствие плазмы) 120-150 мкм.
Г
f
Блок питания лазерного диода позволял генерировать модулированное по мощности лазерное излучение в соответствии с фиг. 1, при этом минимальная длительность фронта нарастания ΔТ и падения ΔT лазерной мощности составляла около 1-1,5 мкс.
Предварительная ионизация в газе создавалась дуговым разрядом с током ~3А. который включался на 2-3 секунды, после зажигания плазмы в лазерном луче дуговой разряд отключается.
λ
Система регистрации излучения позволяла контролировать форму и амплитуду отдельного импульса широкополосного излучения плазмы в спектральном интервале 230-1000 нм, определяя спектральную яркость I в единицах Вт/(нм*ср*мм2)}, а также положение керна плазмы. Поскольку чувствительность системы регистрации была постоянной, то сравнение яркости плазмы при различных условиях ее поддержания в относительных единицах является достоверным.
λ
Порог поддержания оптического разряда лазерным излучением постоянной мощности составил 22 Вт, яркость плазмы I при постоянной мощности лазера 55 Вт была принята за 100% (на всех длинах волн), сравнение яркости в разных режимах работы лазера проводилось по всему спектральному диапазону.
1
2
1
2
1
2
r
f
r
f
1. Лазер работал в режиме Р=20 Вт, Р=55 Вт, T≈100 мкс, Т≈25 мкс (T/T≈4). ΔT и ΔT~1,5 мкс, то есть средняя мощность лазерного излучения составляла ~27 Вт. Максимальная яркость в импульсе длительностью около 20 мкс составила около 150% в области спектра 250 нм и около 120% в видимом диапазоне. По мере увеличения длительности фронтов нарастания и падения мощности лазера в импульсе выигрыш в яркости снижался и для ΔT, ΔT~10 мкс не превышал ~15-20% в УФ диапазоне.
2
1
1
2
1
2
r
f
Выигрыш в яркости уменьшался по мере увеличения минимальной мощности и уменьшении отношения Р/Р: для P=40 Вт (остальные параметры лазерного излучения Р=55 Вт, T≈100 мкс, Т≈25 мкс, ΔT и ΔT ~ 2 мкс; средняя мощность лазера ~ 42 Вт) выигрыш в спектральной яркости составил не более 10÷15%.
2
1
2
Аналогично, выигрыш в яркости уменьшался по мере роста отношения Т/Т: для Т≈50 мкс выигрыш в яркости для спектрального диапазона около 250 нм уменьшился до ~20÷25%.
1
2
1
2
1
2
r
f
При увеличении длительности промежутков времени, когда лазерная мощность минимальна и максимальна с сохранением пропорции между ними: T≈600 мкс, T≈150 мкс (Т/Т≈4), остальные параметры без изменений: P=20 Вт, Р=55 Вт, ΔT и ΔT~1,5 мкс выигрыш в яркости заметно снижался в течение импульса большей мощности - как полагают авторы, вследствие приближения плазмы к своему стационарному режиму горения для мощности лазера 50 Вт.
1
2
1
2
r
f
2. Лазер работал в режиме P=20 Вт, Р=70 Вт, T≈80 мкс, Т≈20 мкс, ΔT и ΔT~2 мкс, то есть средняя мощность лазерного излучения составляла ~30 Вт. Максимальная яркость в отдельном импульсе излучения плазмы длительностью ~15 мкс составила около 200% в области спектра 250 нм и около 140% в видимом диапазоне. То есть, при средней мощности лазера практически вдвое меньшей, чем по прототипу (постоянная лазерная мощность 55 Вт) реализована генерация импульсно-периодической плазмы достаточной для практики длительности отдельного импульса (15 мкс) и частоты (10 кГц) с существенно большей яркостью.
1
1
1
1
При увеличении времени T до 180 мкс с двукратным увеличением периода (частота следования ярких импульсов плазмы 5 кГц) яркость плазмы в отдельном импульсе практически не изменилась. В случае увеличения Т до 50 мс (частота импульсов 20 Гц) мощность лазера P=20 Вт была недостаточной для поддержания «околопорогового» режима оптического разряда и импульсная плазма не генерировалась. Однако при небольшом увеличении P до ≈24 Вт была реализована практически та же импульсная яркость, что при частоте следования лазерных импульсов 5-10 кГц.
Таким образом, использование модулированного лазерного излучения, поддерживающего на своем минимальном уровне мощности оптический разряд вблизи порогового уровня позволяет независимо и в широких пределах варьировать длительность и частоту следования импульсов излучения импульсно-периодического лазера, то есть реализовать необходимую для конкретного приложения частоту импульсов широкополосного излучения высокой спектральной яркости.
1
2
1
2
r
f
3. Лазер работал в режиме P=18 Вт, Р=95 Вт, T≈85 мкс, Т≈15 мкс, ΔT и ΔT~1,5 мкс, то есть средняя мощность лазерного излучения составляла 29÷30 Вт. Максимальная яркость в отдельном импульсе излучения плазмы длительностью ~10-12 мкс составила около 300% в области спектра 250 нм и 1,7÷1,8 раза в видимом диапазоне. При этом стабильность положения керна (яркого ядра) плазмы существенно улучшилась, а его размер уменьшился не менее, чем в 1,5 раза.
В течение остальной части периода модуляции излучения лазера (период 100 мкс. частота 10 кГц) яркость излучения плазмы меньше максимального значения в ~250 раз (снижение яркости различно в разных спектральных диапазонах и максимально в УФ). При использовании в указанном варианте механического блокиратора был получен режим генерации ярких импульсов плазмы длительностью около 10 мкс на частоте 10 кГц, между яркими импульсами яркость источника на входе в регистрирующую систему равнялась нулю.
Важно указать, что при значительном росте максимальной яркости плазмы средняя мощность ее излучения существенно меньше, чем в прототипе. В описанном примере средняя мощность излучения плазмы в области спектра 250 нм составляет 30-35% от мощности прототипа, поскольку при трехкратном росте импульсной яркости скважность световых импульсов ~9 (скважность - отношение периода следования импульсов излучения плазмы ≈100 мкс к длительности отдельного светового импульса ≈11 мкс). Поскольку ресурс работы источника определяется, прежде всего, деградацией пропускания колбы под действием коротковолнового излучения (ресурс работы диодных лазеров превышает 50 тыс. часов), то заявляемый способ дает возможность существенно увеличить ресурс работы источника широкополосного оптического излучения на базе лазерной плазмы при значительном росте его максимальной яркости.
9
8
Известны импульсно-периодические короткодуговые лампы высокого давления с ксеноновым наполнением, например, того же производителя Hamamatsu Photonics К.К. ([8]: http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/1001/3024/L9456/index.html). Эти лампы генерируют световые импульсы длительностью 2-4 мкс (по полувысоте), что достаточно для регистрации сигнала оптоэлектронными приборами с высокой чувствительностью. Однако такие лампы не работают на частотах >500 Гц (обычно частота следования импульсов не превышает 70-200 Гц), что не достаточно для многих приложений, в том числе в микроэлектронике. Кроме того, ресурс работы таких ламп ограничен и составляет 10 импульсов при частоте 500 Гц (10 импульсов для более мощных импульсных ламп частотой 50-70 Гц), что соответствует длительности работы лампы не более месяца. Укажем также меньшую по сравнению с непрерывными короткодуговыми лампами и, тем более, по отношению к заявляемому техническому решению стабильность положения наиболее яркой области разряда, которая перемещается от импульса к импульсу.
Заметим также, что в прототипе [3] рассмотрен вариант поддержания плазмы лазерными импульсами, генерируемыми с высокой частотой - настолько высокой, что излучение оптического разряда существенно не меняется за время между последовательными лазерными импульсами ([3], п.п. 39-41 формулы изобретения). Однако это означает, что с точки зрения яркости плазмы и ресурса работы источника, а также стабильности положения керна плазмы этот режим работы не отличается от возбуждения плазмы непрерывным лазерным излучением, поскольку для поддержания той же яркости постоянно излучающей плазмы необходим тот же средний энерговклад в плазму. Но это значит, что рефракционные искажения и периферийное поглощение в описанном варианте будут близкими к случаю возбуждения плазмы той же яркости непрерывным излучением.
Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемом изобретении совокупностью признаков, является повышение спектральной яркости, уменьшение колебаний положения плазмы, а также увеличение ресурса источника и возможность изменения его средней мощности и частоты следования импульсов широкополосного оптического излучения в широких пределах при стабильном спектре излучения.
Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения и прототипа, а также известных аналогов выявляет наличие существенных отличительных признаков, что обеспечивает ей соответствие критериям «новизна» и «существенные отличия».
Возможность реализации заявляемого способа на базе известных комплектующих, например диодных лазеров с соответствующим блоком питания, обеспечивающим модуляцию лазерного излучения,, фокусирующие системы, в том числе на базе линзовой оптики, лампы с тяжелыми инертными газами высокого давления (прежде всего, с ксеноном) со встроенными электродами для инициирования плазмы электрическим разрядом и безэлектродные лампы с внешним инициированием, а также целесообразность использования заявляемого способа для повышения яркости источника широкополосного излучения в микроэлектронике, спектроскопии и пр. обеспечивает промышленную применимость заявляемого технического решения.
2
2
Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов реализации источника широкополосного оптического излучения с высокой яркостью на базе заявляемого способа, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, может использоваться другой материал (не кварцевое стекло) для камеры, в которой находится газовая смесь высокого давления (например, для работы при более высоком давлении в десятки атмосфер); камера может иметь окно из прозрачного в дальнем УФ и ВУФ материала (MgF и т.п.) для лучшего вывода коротковолнового излучения, в широких пределах может варьироваться состав и давление газовой смеси. Фокусировка лазерного излучения может осуществляться не только линзовыми системами, но и более сложными оптическими элементами (например, внеосевым параболоидальным или эллипсоидальным зеркалом) с различной числовой апертурой, расположенными под различными углами к направлению силы тяжести (вертикали), предпочтительным, но не единственно возможным, представляется освещение камеры с газовой средой непрерывным лазером по направлению «снизу-вверх». Различной может быть конкретная реализации оптической схемы вывода излучения плазмы из заполненной газовой средой камеры, включая применение световодов. В оптической схеме формирования оптического разряда возможно использование блокираторов (поглотителей) лазерного излучения, прошедшего оптический разряд, а также системы возврата и повторной фокусировки этого лазерного излучения для дополнительного увеличения вклада лазерной энергии в плазму. Последнее технически упрощается за счет положительного эффекта снижения влияния рефракции на импульсно-периодическое лазерное излучение в околопороговом режиме поддержания плазмы излучением минимальной мощности. Предварительная ионизация газа может осуществляться как источником, расположенным внутри камеры (аналогично приведенному примеру реализации заявляемого способа), так и внешним источником - например, мощным импульсным лазером. Для облучения газа могут использоваться волоконные лазеры, диодные лазеры, газовые лазеры (например. CO-лазеры) и т.д. В качестве блокиратора широкополосного излучения источника могут использоваться системы на базе колеблющегося или вращающегося зеркала, блокиратор может быть реализован на электро- или магнитооптических эффектах, за счет дополнительных спектральных приборов может выделяться важный для конкретного приложения участок спектра широкополосного источника, возможно использование различных алгоритмов обратной связи для дополнительной стабилизации яркости плазмы и т.д.