[发明专利]激光泵浦等离子体光源和等离子体点燃方法

说明书

光源包含充气腔室，该充气腔室具有由CW激光的聚焦光束维持的辐射等离子体区域。等离子体点燃装置是脉冲激光系统，所述系统生成聚焦在腔室内的第一和第二激光束。所述第一激光束提供光学击穿，在光学击穿之后，所述第二激光束点燃等离子体，其体积和密度足以在第二激光脉冲结束后通过CW激光维持稳定的等离子体。优选地，以Q开关模式产生所述第一激光束，以自由运行模式产生所述第二激光束。所述技术结果包括确保点燃等离子体的高可靠性，在此基础上创建具有高空间和功率稳定性的无电极高亮度宽带光源，并且提供在大于9sr的空间角度内收集宽带等离子体辐射的能力。

技术领域

本发明涉及在紫外(UV)、可见和近红外(NIR)光谱带内产生高亮度光的无电极激光泵浦等离子体光源以及启动等离子体点燃的方法。

背景技术

连续光学放电(COD)是在预先产生的相对稠密的等离子体中由激光辐射维持的稳定气体放电。由连续波(CW)激光的聚焦光束维持的COD在各种气体中实现，特别是在10-200atm的高气压下在Xe中实现(Carlhoff等人的“Continuous Optical Discharges atVery High Pressure”，Physica 103C，1981，第439-447页)。由于大约20,000K的高等离子体温度(Raizer，“Optical Discharges”，Sov.Phys.Usp.23(11)，1980年11月，第789-806页)，基于COD的光源是在大约0.1μm和1μm之间的宽光谱范围内亮度最高的连续光源。与弧光灯相比，这种激光泵浦等离子体光源不仅具有更高的亮度，而且具有更长的寿命，这使得这些光源对于各种应用是优选的。

与设计高亮度激光泵浦等离子体光源相关的其中一个挑战涉及产生初始等离子体，该初始等离子体提供COD的可靠点燃。

例如，从2016年6月14日公告的专利U.S.9368337可知，在激光泵浦等离子体光源中，位于透明腔室轴线上的两个针电极用于启动等离子体点燃，在这两个针电极之间产生短时间的电弧放电。CW激光束聚焦在腔室中心，在两个电极之间的间隙中。该光源的特点是亮度高，使用方便。使用方便很大程度上是由于含有气体(特别是高压Xe(10atm或更高))的具有两个电极的石英室或灯泡是市场上可售的产品。

然而，位于高温等离子体区域附近的相对较冷的电极会对腔室内的对流气流产生扰动，从而削弱激光泵浦等离子体光源的空间和能量稳定性。此外，在辐射等离子体区域附近存在电极，其特征在于限制等离子体辐射出射的“死”空间角。此外，电极材料溅射可能导致灯泡壁的透明度降低，并且相应地导致光源随着时间的推移而退化。

从2016年5月31日公告的专利U.S.9357627中已知的高亮度宽带光源在很大程度上克服了这一缺点。在其实施例中，在COD点燃之后，激光束聚焦区域以及相应的辐射等离子体区域从点燃电极之间的间隙向腔室壁移动。通过选择激光束、腔室轴线和辐射等离子体区域的相对位置，提供了宽带激光泵浦等离子体光源的高空间和功率稳定性。

然而，移动辐射等离子体区域的需要使光源设计和操作变得复杂。此外，这使得更加难以使用激光束的清晰聚焦(sharp focusing)，这可能会限制实现光源的高亮度。包含电极的腔室的缺点还包括用于密封金属/玻璃接头的复杂技术和产生应力集中的复杂腔室形状，应力集中导致在高气压下操作时腔室的强度较低。

1986年8月27日发布的专利申请JPS61193358中的无电极激光泵浦等离子体光源不存在上述缺点，其中，激光用于启动等离子体点燃和COD维持。

然而，等离子体点燃所需的激光辐射的阈值功率通常为约十至数百千瓦或更高，而足以用于COD维持的激光辐射强度通常仅为几十瓦。因此，将具有高输出功率的相同激光器既用于等离子体点燃又用于COD维持，或者导致光源寿命(当全部激光功率用于COD维持时)缩短，或者是多余的、昂贵的，因此，如果仅使用全部激光功率的一小部分来维持COD，是不切实际的。