Источник света с лазерной накачкой и способ лазерного зажигания плазмы / Патент
Научная библиотека 14.06.2023 Комментарии к записи Источник света с лазерной накачкой и способ лазерного зажигания плазмы / Патент отключеныОбласть изобретения
Изобретение относится к широкополосным источникам света с непрерывным оптическим разрядом (НОР), а также к способу стартового зажигания плазмы, поддерживаемой излучением непрерывного лазера.
Одна из проблем, связанных с созданием высокояркостных высокостабильных источников света на основе НОР, относится к надежному стартовому зажиганию НОР.
Как известно, например, из патента US 9368337, опубл. 14.06.2016, в высокояркостных широкополосных источниках света на основе НОР для стартового зажигания плазмы находят применение два штыревых электрода, размещенных на оси прозрачной колбы, между которыми на короткое время формируют дуговой разряд. При этом лазерный пучок, поддерживающий НОР, фокусирован в центре колбы, в промежутке между двумя электродами. Источник характеризуется высокой яркостью при достаточно простой конструкции. Последнее в значительной степени обусловлено тем, что кварцевые колбы с двумя электродами, содержащие газ, в частности, Xe высокого давления (10 атм и более) являются коммерчески доступными изделиями.
Однако относительно холодные электроды, расположенные вблизи области высокотемпературной излучающей плазмы, вызывают возмущение конвективных потоков газа в колбе и, как результат, ухудшают пространственную и энергетическую стабильность источника света. Наряду с этим, наличие электродов вблизи области излучающей плазмы характеризуется наличием «мертвых» углов, ограничивающих выход полезного излучения плазмы. Кроме этого, распыление материала электродов, может приводить к снижению прозрачности стенок колбы и, соответственно, к деградации источника света со временем.
Этого недостатка в значительной степени лишен широкополосный источник света, известный из US Patent 9357627, опубл. 31.05.2016, в варианте реализации которого после зажигания НОР область фокусировки лазерного пучка и, соответственно, область излучающей плазмы перемещают из промежутка между поджигающими электродами к стенке колбы. За счет выбора взаимного расположения оси лазерного пучка, колбы и области излучающей плазмы обеспечивают высокую энергетическую и пространственную стабильность широкополосного источника света.
Однако необходимость передвижения области излучающей плазмы усложняет конструкцию источника света и его эксплуатацию. Кроме этого, затрудняется использование максимально острой фокусировки лазерного пучка, что может ограничивать достижение максимально возможной яркости источника света. К недостаткам колбы, содержащей электроды, можно также отнести сложную технологию герметизации соединения металл-стекло и сложную форму колбы, обусловливающую наличие концентрации напряжений, ведущих к повреждению герметичного соединения металл-стекло и снижению прочности лампы в процессе эксплуатации источника света при высоких давлениях газа.
От указанных недостатков свободен известный из патентной заявки JPS61193358, опубликованной 27.08.1986, безэлектродный источник света на основе НОР, в котором лазер используется как для стартового зажигания плазмы, так и для поддержания НОР в безэлектродной колбе.
Однако пороговая мощность лазерного излучения, необходимая для стартового зажигания плазмы обычно составляет от примерно десяти до нескольких сотен кВт и выше. В то же время, интенсивность лазерного излучения, достаточная для поддержания НОР, обычно составляет лишь несколько десятков Ватт. Таким образом, использование одного мощного лазера, как для зажигания, так и для поддержания плазмы, ведет либо к сокращению времени жизни источника света (при использовании полной мощности лазера для поддержания НОР), либо является избыточным, дорогостоящим и непрактичным в случае поддержания НОР с помощью очень малой доли от полной мощности лазера.
Для решения этой проблемы в патенте US 10057973, опубл. 21.08.2018, предлагается использовать единственный непрерывный лазер с мощностью ниже 250 Ватт и длиной волны менее 1100 нм. Зажигание и поддержания НОР предлагается обеспечивать за счет острой фокусировки, при которой поперечный размер фокальной области менее 1-15 микрон, а ее длина- 6 микрон или меньше.
Однако такое решение не является универсальным, поскольку требования к фокусировке лазера очень высоки и не гарантируют высокой надежности функционирования предложенного источника света. Кроме того, подводимая к источнику мощность на уровне около 250 Вт может быть слишком высока для целого ряда применений.
Этих недостатков лишен источник света, известный из патента FR2554302, опубликованного 03.05.1985, в котором в качестве средства для стартового зажигания плазмы используется сфокусированный пучок импульсного лазера, предназначенный для начального зажигания плазмы или оптического пробоя. Для поддержания НОР используется непрерывный лазер. В указанном устройстве решается проблема долговечности источника излучения на основе НОР.
Однако для стартового зажигания плазмы и для обеспечения высокой яркости НОР необходима острая фокусировка обоих лазеров. Таким образом, требуется очень точное сведение областей фокусировки пучков импульсного и непрерывного лазеров. Это усложняет осуществление лазерного зажигания и снижает его надежность, делая устойчивое зажигание НОР в высокояркостном источнике света проблематичным.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей изобретения является создание свободных от указанных недостатков способов и устройств высоконадежного, удобного в эксплуатации лазерного зажигания плазмы непрерывного оптического разряда в составе высокояркостных высокостабильных источников света с лазерной накачкой.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции источника света, повышение его надежности и удобства эксплуатации, создание на этой основе мощных безэлектродных высокояркостных широкополосных источников света с максимально высокой пространственной и энергетической стабильностью.
Выполнение поставленной задачи возможно с помощью предлагаемого источника света с лазерной накачкой, содержащего: заполненную газом камеру, по меньшей мере, часть которой оптически прозрачна; область излучающей плазмы, поддерживаемой в указанной камере сфокусированным пучком непрерывного лазера, и средство для зажигания плазмы.
Отличие источника света состоит в том, что средство для зажигания плазмы представляет собой твердотельную лазерную систему, выполненную с функцией генерации двух лазерных пучков, которые сфокусированы в камеру; один из двух импульсных лазерных пучков генерируется в режиме свободной генерации, а другой лазерный пучок генерируется в режиме модуляции добротности, при этом твердотельная лазерная система содержит только один активный элемент, источник излучения накачки активного элемента и оптический резонатор, обеспечивающий многократное прохождение потока лазерного излучения через активный элемент, причем оптический резонатор снабжен модулятором добротности, установленным на пути прохождения потока лазерного излучения так, что модулятор добротности перекрывает только часть апертуры потока лазерного излучения. Другими словами можно сказать, что модулятор добротности перекрывает лишь часть апертуры активного элемента.
В варианте реализации изобретения модулятор добротности является пассивным и представляет собой насыщающийся поглотитель в виде кристалла алюмоиттриевого граната, легированного хромом Cr4+:YAG.
В варианте реализации изобретения модулятор добротности перекрывает малую часть апертуры потока лазерного излучения, не более 30% ее площади.
В варианте реализации изобретения импульсные лазерные пучки и пучок непрерывного лазера сфокусированы в камеру с помощью фокусирующего оптического элемента, причем пучок непрерывного лазера, направленный на фокусирующий оптический элемент, не пересекает импульсные лазерные пучки, направленные на фокусирующий оптический элемент.
В варианте реализации изобретения поворотное зеркало установлено на пути прохождения пучка непрерывного лазера вне пути прохождения импульсных лазерных пучков.
В варианте реализации изобретения поворотное зеркало установлено на пути прохождения импульсных лазерных пучков вне пути прохождения пучка непрерывного лазера.
Полное содержание на https://patenton.ru/patent/RU2790613C1.pdf
