高亮度激光泵浦等离子体光源和用于降低像差的方法与流程

本发明涉及具有连续光放电的高亮度宽波段光源。

背景技术：

1、在预先产生的相对致密的等离子体中由激光辐射维持的静止气体放电被称为连续光放电(cod)。由连续波(cw)激光器的聚焦射束维持的cod在各种气体中实现，特别是在高达200个大气压下的高气压xe中实现(carlhoff等人，“continuous optical dischargesat very high pressure”(极高压力下的连续光放电)，physica 103c(《物理学c》第103卷)，1981，第439-447页)。具有约20,000k的等离子体温度的基于cod的光源(raizer，“optical discharges”(光放电)，sov.phys.usp(《苏联物理学进展》)，23(11)，nov.1980，第789-806页)是在约0.1μm到1μm的宽光谱范围中亮度最高的连续光源之一。

2、为了进一步提高亮度，同样可以使用具有高脉冲速率的脉冲激光器，也可以与功率不低于稳定地维持cod所需的阈值的cw激光器组合使用，例如，如2015年12月20日公布的俄国专利2571433中所述。

3、与弧光灯相比，基于cod的光源不仅具有更高的亮度，还具有更长的寿命，这使其成为各种应用的更优之选。

4、在2016年6月14日公布的美国专利9368337中已知的宽波段光源中，cod等离子体沿着激激光射束轴线具有细长的形状，并且沿纵向收集等离子体辐射，从而提供高亮度的光源。

5、然而，在纵向收集等离子体辐射的情况下，存在激光辐射锁定在等离子体辐射的有用射束内的问题。

6、这一缺点在2016年5月31日公布的美国专利9357627中已知的宽波段光源中被克服，其中沿除激光射束传播方向之外的方向收集辐射。在这种情况下，通过选择腔室、激光射束(沿着腔室轴线向上)和辐射等离子体区域(靠近腔室的上部)的相对位置，为宽波段源实现了更高的空间稳定性和功率稳定性。

7、然而，要实现光源的最高可能亮度，腔室的形状和设计以及cod维持条件可能不是最佳的，特别是由于通过腔室的透明壁部将光学像差引入到了辐射等离子体射线的路径中。

8、这一缺点在2013年3月9日公布的美国专利8525138中已知的激光泵浦光源中被部分克服，其中通过修改光学收集器(例如椭圆镜)的形状，消除了通过腔室的透明壁部而被引入到辐射等离子体射线的路径中的光学像差。

9、然而，对于大多数激光泵浦光源而言，实际上很难实现对反射器形状的修改。

10、这些缺点在2016年1月5日公布的美国专利9232622中已知的光源中被部分克服，其中使用具有高数值孔径(na)的镜系统将cw激光射束聚焦在腔室中。聚焦的cw激光射束通过其被引入的腔室的透明壁部具有可变厚度，消除了系统中由于高压气体引起的光学像差。这提供了cw激光射束的锐聚焦，从而提高了光源的亮度。

11、然而，光源没有设施用来消除当等离子体辐射的有用射束穿过腔室的透明壁部时被引入到有用射束的光学像差，降低了光源的亮度。此外，由用于启动等离子体点火的电极引起的缺陷是光源固有的。这种设计的另一个缺陷是等离子体辐射和穿过等离子体的未吸收的激光辐射通过透明的腔室壁部传播，这需要特殊措施来阻挡它。

12、一般而言，激光泵浦光源的特征在于以下一些缺点：

13、-含有高压气体的腔室产生光学像差，降低了光源的亮度，

14、-需要阻挡等离子体辐射射束中的激光辐射，

15、-腔室形状不理想，特别是由于使用的点火电极限制了等离子体辐射输出的立体角，并且增加了高温等离子体区域与低温周围气体之间的对流气流，以及

16、-腔室中对流气流存在高湍流，降低了光源的空间稳定性和功率稳定性。

技术实现思路

1、鉴于以上所述，需要创建高亮度和高稳定性的激光泵浦光源，该光源至少部分地不受一个或多个、优选所有的上述缺陷的影响。

2、本发明的技术问题和技术效果涉及创建具有最高可能亮度和稳定性的宽波段光源，其特征还在于无论是当激光辐射入射到腔室时还是当宽波段等离子体辐射从其射出时，都会进行像差补偿。

3、上述目的能够借助于激光泵浦等离子体光源实现，该激光泵浦等离子体光源包含：充填高压气体的腔室、该腔室中由连续波(cw)激光器的聚焦射束维持的辐射等离子体区域、离开该腔室的至少一束等离子体辐射射束、和等离子体点火装置。

4、该激光泵浦光源的特征在于该腔室包括或由以下组成：管道、底部和盖子；该管道的一端与该底部气密连接，而该管道的另一端与该盖子气密连接；该管道和该底部由光学透明材料制成；该底部被布置成引入该cw激光器的该聚焦射束；该管道可被配置为使该等离子体辐射射束以至少70％、80％、90％或者甚至100％的全方位角度范围从该腔室中离开。该方位角可以指垂直于该cw激光器的射束的轴线(例如，对应于管道的纵向轴线或轴向，例如，对称轴线)并且穿过上述辐射等离子体区域的平面(方位面)。例如，不包括其末端部分的管道可以被布置成使等离子体辐射射束以所有方位(例如，相对于方位面)从腔室中离开。可选地，该盖子可以由金属制成和/或可以配备有进气口。

5、在一个实施例中，该等离子体点火装置是产生在该腔室中聚焦的至少一束脉冲激光射束的脉冲激光系统。该腔室的底部可以被布置成将该一个或多个、优选每个脉冲激光射束引入到该腔室中。

6、在本发明的一个优选实施例中，该管道的被布置成使该等离子体辐射射束离开的一部分具有对称轴线、对称中心、圆柱形形状的内表面、桶状或环形形状的外表面，并且该对称中心位于该辐射等离子体区域。

7、在本发明的一个优选实施例中，该cw激光器的该射束借助于光学系统聚焦在该腔室中，该光学系统包括该腔室的该底部和聚焦光学元件，该聚焦光学元件的表面最大限度地减小了该光学系统的总像差。

8、在本发明的一个优选实施例中，该聚焦光学元件是非球面透镜。

9、在本发明的一个实施例中，该聚焦光学元件(例如，透镜)固定于轮辋中，该轮辋又在该管道的设置有该底部的末端固定到该管道的末端部分。

10、在本发明的一个实施例中，该腔室的该底部为透镜的形式。

11、在本发明的一个实施例中，该盖子的一部分或细节被设计为凹形球面镜，其中心位于该辐射等离子体区域中。

12、在本发明的一个实施例中，该凹形球面镜的半径不大于5mm。

13、在本发明的一个优选实施例中，该cw激光器的该聚焦射束垂直向上被引导至该腔室中。

14、在本发明的一个实施例中，该盖子的一部分由耐火材料制成，诸如钨、钼或基于它们的合金。

15、在本发明的一个优选实施例中，该管道的内表面的半径不大于5mm，优选地不大于3mm。特别地，该半径可以是垂直于该管道的对称轴线(例如，垂直于该管道的纵向轴线)的半径。

16、在本发明的一个实施例中，该管道和/或该腔室的该底部由属于由蓝宝石、无色蓝宝石、熔融石英、晶体石英组成的组的材料制成。

17、在本发明的一个优选实施例中，为了密封该腔室，使用该管道的该末端部分。该管道和该腔室的该底部可以用玻璃水泥密封。该腔室的该盖子和该管道可以使用焊接密封。

18、在本发明的一个实施例中，该盖子配备有进气口，该进气口被布置成向该腔室充填气体或/和控制该腔室中该气体的压力和成分。

19、在本发明的一个实施例中，该腔室的该盖子配备有加热器。

20、在本发明的一个优选实施例中，该等离子体点火装置是在q开关模式下产生脉冲激光射束并且在自由运行模式下产生脉冲激光射束的固态激光系统。

21、在本发明的一个实施例中，该腔室位于外部灯泡中，该外部灯泡在该腔室的外部，特别是环绕或包围该腔室。

22、在本发明的一个实施例中，该激光泵浦等离子体光源还包括光学收集器。

23、在本发明的一个实施例中，该光学收集器具有多通道，包括至少三个通道。

24、在另一个方面，本发明涉及一种用于减少激光泵浦等离子体光源的像差的方法，其特征在于，在充填气体的腔室中通过连续波(cw)激光器的聚焦射束维持辐射等离子体，并且使等离子体辐射射束从该腔室中离开。

25、该方法可以包括使用该腔室，该腔室包括管道、底部和盖子，而该盖子配备有进气口，该底部被布置成将该cw激光器的聚焦射束引入到该腔室中，该管道被布置成使该等离子体辐射射束离开。该管道可以被布置成使该等离子体辐射射束在垂直于该cw激光器的射束的轴线(例如，对应于该管道的纵向轴线或轴向，例如对称轴线)并且穿过上述辐射等离子体区域的平面(方位面)中，以至少70％、80％、90％或者甚至100％的方位角从该腔室中离开。特别地，该管道可以被布置成使该等离子体辐射射束以所有方位离开。

26、该方法还可以包括：通过利用具有对称轴线和可以位于等离子体区域处的对称中心的管道，减少该等离子体辐射射束的射线穿过该管道的壁部时扭曲其路径的像差。优选地，该管道可以具有圆柱形形状的内表面和/或桶形或环形形状的外表面。该对称轴线可以对应于该圆柱形形状的圆柱轴线。

27、在本发明的一个优选实施例中，该cw激光器的该射束借助于光学系统聚焦，该光学系统包括该底部和非球面透镜，该非球面透镜的表面最大限度地减小了该光学系统的总像差。

28、在本发明的一个优选实施例中，该等离子体辐射射束以不小于9sr的立体角离开该腔室。

29、如果根据所提出的实施例实现，由于抑制了腔室中对流气流的湍流，则可以显著提高亮度激光泵浦等离子体光源的空间稳定性和功率稳定性，这可能是由以下条件的组合所致：

30、使用激光点火消除了高温等离子体区域附近存在的温度相对较低的电极；

31、实现了优化气体的密度、温度和组成以及腔室尺寸的可能；

32、腔室温度稳定化；

33、使用的腔室几何形状垂直引入激光射束；以及

34、在一些实施例中使用外壳。

35、在不使用点火电极的情况下对连续光放电(cod)进行点火显著增加了输出射束的立体角和等离子体辐射的有用射束中的功率。

36、在所提出的光源设计中，盖子用于抑制腔室中对流气流的湍流，并且还阻断通过等离子体传输的激光辐射，这既提高了光源的输出稳定性，又高效消除了等离子体宽波段辐射射束中的激光辐射。

37、使用配备有进气口的金属盖子提供了对腔室内气体压力和温度进行优化以获得光源的最大亮度和稳定性的可能性。与已知的解决方案不同，将进气口置于盖子上优化了光源设计，因为这在所有方位角中提供了对来自腔室的等离子体辐射射束的不受阻碍的输出。以凹形球面镜的形式制作腔室盖子的一部分并使其中心位于辐射等离子体区域，可额外增加光源的亮度。

38、所提出的光源提供了激光射束在辐射等离子体区域中的锐聚焦。所提出的腔室形状减少了等离子体辐射射束离开腔室时而被引入其中的像差。所有这些加上气体温度和压力的优化增加了光源的亮度。

39、还实现了使用可扩大所应用的气体成分的种类、特别是当与蓝宝石一起使用时的金属卤化物添加剂的腔室材料的可能性。

40、因此，本发明提供了一种增加激光泵浦光源的亮度、功率容量和辐射质量的可能性，显著改善了其空间稳定性和功率稳定性，并且扩展了控制等离子体辐射光谱的选项。

41、应当明确的是，除非另有相反说明，否则上述不同实施例的特征可以相互组合。

42、从以下参考附图以举例的方式给出的对本发明实施例的非限制性描述中，本发明的上述以及其他的目的、优点和特征将变得更加显而易见。