CN116097396A - 激光泵浦等离子体光源以及产生光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有连续光放电(COD)的等离子体光源。该光源包含带有辐射等离子体的区域的气体填充隔室，该辐射等离子体的区域通过CW激光器的聚焦束维持。隔室中的气体颗粒的密度小于90·10¹⁹cm^‑3，并且隔室的内表面的温度不低于600K。优选地，气体颗粒的密度尽可能地低并且在隔室中提供约50巴或更高的气体压力的情况下，在工作中的隔室的内表面的温度尽可能高。本发明的技术结果在于提供COD维持条件，该COD维持条件对于实现辐射等离子体的高度稳定性和高亮度是最佳的，在此基础上产生亮度和稳定性超高的宽带光源。

Description

激光泵浦等离子体光源以及产生光的方法

技术领域

本发明涉及在紫外(UV)光谱带、可见光谱带和近红外线(NIR)光谱带中产生高亮度光的激光泵浦等离子体光源，并且涉及从连续光放电(COD)的等离子体产生宽带辐射的方法。

背景技术

连续光放电是一种由激光辐射在预先形成的相对密集的等离子体中维持的稳定气体放电。等离子体温度为约15000K的基于COD的光源是在约0.1μm至1μm的宽光谱范围内的最高亮度的连续光源(Raizer，“Optical Discharges”，Sov.Phys.Usp.23(11)，1980年11月，第789页至第806页)。与弧光灯相比，此类激光泵浦等离子体光源不仅亮度更高，而且寿命更长，使得它们更适用于众多应用领域。

辐射等离子体的指示温度(约15000K)实际上是固定的，因为当试图通过提高连续波(CW)激光器的功率来使其增加时(在2倍至10倍内，但不是多个数量级)，等离子体体积将会增加，并且额外的功率将通过等离子体-气体界面的增大的体积和表面的辐射和热传导进行释放。换言之，等离子体温度在很大程度上由COD本身及其存在条件保持稳定。就这一点而言，为了增加亮度以维持COD，使用高重复率的脉冲激光器，包括结合CW激光器的使用，CW激光器的功率不低于维持COD所需的阈值功率，例如根据2015年12月20日发布的专利RU2571433中已知。

然而，使用这种方法，存在高亮度激光泵浦等离子体光源存在不稳定性的问题。

这种缺陷在2016年6月14日发布的美国专利9368337中已知的宽带光源中得到了很大程度的克服，在该宽带光源中，光学透明的COD等离子体具有沿CW激光束的轴线的细长形状。沿纵向方向聚集等离子体辐射，这导致光源的亮度高。

然而，随着纵向聚集等离子体辐射，出现了阻挡等离子体辐射的输出束的激光辐射的问题。解决了增加亮度、增加等离子体对激光辐射的吸收系数以及显著减小通过等离子体的被阻挡的发散激光束的数值孔径的问题，但是该设备未完全解决光源亮度稳定性的问题。

在2016年5月31日发布的美国专利9357627中已知的宽带光源中，沿激光束的传播方向以外的方向聚集等离子体辐射。同时，由于光源配置得到优化(其中，激光束被定向为沿摄像机轴线垂直向上并且辐射等离子体的区域紧邻隔室的上部部分)，宽带等离子体光源的能量和空间稳定性通过抑制气体填充隔室中的对流的涡流而提高。

以多项美国专利中作为一个整体，通过优化摄像机和光源的几何结构，也解决了提高对流气流的稳定性和控制的问题，对流气流的涡流导致光源亮度不稳定性：于2018年6月26日发布的10008378；于2018年10月23日发布的10109473；于2018年2月6日发布的9887076；于2019年3月26日发布的10244613。

然而，未确定用于连续产生光谱亮度高的等离子体辐射(接近这种类型的光源可达到的最大值，高于50mW/(mm²·sr·nm))，以及实现较低的相对亮度不稳定性σ(低于0.1％)的最佳条件。

发明内容

本发明待解决的技术问题涉及创建用于从COD等离子体最佳产生宽带辐射的设备和方法以及在其基础上开发出带有激光泵浦的高度稳定性的高亮度的等离子体光源。

由于高温度(～15000K)COD等离子体的密度高，因此本发明的实质是提供尽可能最高的光源亮度，由周围气体的高压力提供的所述等离子体密度等于50巴至100巴或更高。独特的特征是在使气体原子的密度n最小化，但使用尽可能高的气体温度T(在600K至900K范围内或更高)的情况下实现此类高压力p(根据比率p∝nT)。使气体密度以及与该密度相关联的折射最小化继而高效抑制了光源亮度的不稳定性，该光源亮度的不稳定性与气体填充隔室中的对流气流的湍流相关联。因此，本发明实现了其亮度不稳定性超低的等离子体光源的超高亮度。

本发明的技术结果在于提供COD维持条件，该COD维持条件对于实现辐射等离子体的高度稳定性和高亮度是最佳的，在此基础上产生亮度和稳定性超高的宽带光源。

通过所提议的激光泵浦等离子体光源可以实现该目的，该激光泵浦等离子体光源包括：气体填充隔室、等离子体点火装置、由连续波(CW)激光器的聚焦束维持在隔室中的辐射等离子体的区域，以及离开隔室的等离子体辐射的至少一个输出束，该气体填充隔室的至少一部分是光学透明的。

光源的特征在于通过隔室中的气体颗粒的密度小于90·10¹⁹cm^-3并且隔室的内表面的温度不低于600K的事实，实现最佳连续产生等离子体辐射的输出束。

在本发明的一个优选实施方案中，最佳连续产生的特征在于光源的光谱亮度高，高于50mW/(mm²·nm·sr)，并且亮度的相对标准偏差σ低，低于0.1％。

在本发明的一个优选实施方案中，气体颗粒的密度尽可能低并且在隔室中提供约50巴或更高的气体压力的情况下，在工作中的隔室的内表面的温度尽可能高。

在本发明的一个优选实施方案中，隔室的内表面的温度不高于900K，并且气体颗粒的密度不小于45·10¹⁹cm^-3，这对应于在室温下的不低于16.5巴的气体压力。

在本发明的一个实施方案中，隔室的内表面的温度不高于900K。

在本发明的一个实施方案中，气体属于惰性气体组，包括氙体、氪体、氩体、氖体或它们的混合物。

在本发明的实施方案中，气体为氙气，并且CW激光器的波长为808nm。

在本发明的一个实施方案中，被布置为用于输出等离子体的输出束的隔室的至少一部分呈球形，并且辐射等离子体的区域位于隔室的球形部分的中心。

在本发明的一个实施方案中，隔室的球形部分的内表面的半径小于5mm，优选地不大于3mm。

在本发明的一个优选实施方案中，CW激光器的聚焦束被定向为从底部到顶部进入到隔室中，并且聚焦束的轴线被定向为垂直或接近垂直线。

在本发明的一个优选实施方案中，隔室的一部分或局部位于与其相距不大过3mm的一定距离的辐射等离子体的区域上方。

在本发明的一个优选实施方案中，隔室设置有加热器。

在本发明的一个实施方案中，隔室的透明部分由属于蓝宝石、无色蓝宝石(Al₂O₃)、熔融石英、结晶石英(SiO₂)、结晶氟化镁(MgF₂)的组的材料制成。

在本发明的一个实施方案中，等离子体点火装置包括固态激光***，该固态激光***在Q开关模式下产生脉冲激光束并且在自由运行模式下产生脉冲激光束，两个脉冲激光束聚焦到隔室中。

在本发明的一个实施方案中，CW激光器的光束以及离开隔室的等离子体辐射的每个输出束在辐射等离子体的区域之外不会彼此交叉。

在本发明的一个实施方案中，光源具有等离子体辐射的三个或更多个输出束。

在另一个方面，本发明涉及一种用于产生光的方法，该方法包括：在气体填充隔室内点燃等离子体，并且通过CW激光器的聚焦束维持辐射等离子体以产生通过隔室的光学透明的部分离开辐射等离子体的区域的等离子体辐射的至少一个输出束。

该方法的特征在于使用颗粒密度不大于90·10¹⁹cm^-3的气体填充隔室，并且通过CW激光器的聚焦束在隔室的内表面的不低于600K的温度下维持等离子体。

在本发明的实施方案中，在工作中的隔室中的气体压力接近50巴或更高，以提供光源的高光谱亮度，高于50mW/(mm²·nm·sr)。

在本发明的一个优选实施方案中，在气体颗粒的密度尽可能最低的情况下，隔室的内表面的温度尽可能高，以使亮度的相对标准偏差σ低，低于0.1％。

在本发明的优选实施方案中，使用气体颗粒的密度的颗粒密度不小于45·10¹⁹cm^-3的气体填充隔室，并且将隔室的内表面的温度保持在不高于900K的温度。

在本发明的一个优选实施方案中，CW激光器的聚焦束被定向为沿垂直线从底部到顶部进入到隔室中。

在本发明的一个优选实施方案中，通过将隔室的上壁或一部分放置在与其相距尽可能小的不大过3mm的距离的辐射等离子体的区域上方，抑制隔室中的对流的涡流。

在一个优选实施方案中，使用氙气填充隔室并且通过波长为808nm的CW激光器的聚焦束维持辐射等离子体。

在一个优选实施方案中，点燃等离子体是通过将由固态激光***在自由运行模式和Q开关模式下产生的两个脉冲激光束聚焦到隔室中而产生。

根据以下参考附图给出的作为示例的其示例性实施方案的非限制性描述，本发明的优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

通过附图对本发明的实质进行说明，其中：

图1-根据本发明的一个实施方案的光源的示意图，

图2-亮度的相对标准偏差与气体密度的相关性，

图3-等离子体光源的亮度与时间的相关性，

图4-当CW激光器波长λ_CW＝976nm和λ_CW＝808nm时，光源的光谱亮度作为氙气压力的函数，

图5、图6示出了根据本发明的实施方案的光源的示意图，

图7、图8-当等离子体由激光和放电点燃时，带有若干束等离子体辐射的光源的示意图，

图9A、图9B-光源的光谱特性。

在附图中，设备的匹配元件具有相同的附图标号。

这些附图未涵盖，而且此外也不限制实现本技术解决方案的全部可选方案的范围，而是仅仅是其实施方式的特定案例的例示示例。

具体实施方式

提供本说明书是为了说明如何实现本发明，而不是为了展示本发明的范围。

根据图1中示出的本发明实施方案的示例，激光泵浦等离子体光源包括高压力气体填充隔室1，该气体填充隔室的至少一部分是光学透明的。图1示出了使用由光学透明材料(例如熔融石英)制成的完全透明的隔室的实施方案。光源也包含用于点燃等离子体的装置，该装置可以是脉冲激光***2，产生至少一个脉冲激光束3，该脉冲激光束聚焦到隔室1中，即聚焦到用于维持辐射等离子体4的区域中。

在本发明的其他实施方案中，点火电极可用作用于点燃等离子体的装置。

在点燃等离子体之后，CW激光器6的聚焦束5以连续的模式将辐射等离子体4的区域维持在隔室中。等离子体辐射的至少一个输出束(或有用束)7被定向到光学聚集器8并且供后续使用，离开隔室1。光学聚集器8形成辐射束9，该辐射束例如经由光纤和/或镜子***传输到使用宽带等离子体辐射的一个或多个光学消费***10。

根据本发明，通过隔室1中的气体颗粒的密度小于90·10¹⁹cm^-3并且隔室的内表面的温度不低于600K(优选地在600K至900K的范围内，或可选地，如果更高的温度不会对隔室的寿命及其透明度产生任何负面影响，则更高)的事实，实现最佳连续产生等离子体辐射的输出束7。

本发明实现的效果是由于对于隔室中的给定体积中的给定量的气体的因素，气体压力随着隔室的内表面的温度而增加。由于辐射等离子体的温度实际上是固定的(约15000K，并且难以尝试提高该温度，因为它们仅伴随等离子体体积的增加)，并且等离子体中的压力等于隔室中的压力，所以辐射等离子体的密度随着隔室中的压力增加而增加，并且因此随着隔室壁的温度增加而增加。辐射等离子体的密度的增加导致辐射等离子体的体积光度增加，并且因此导致光源的亮度在宽光学范围内增加，其中，辐射等离子体实际上是透明的。

通过增加在给定的隔室温度下的气体压力，可获得相同的亮度增加。然而，在这种情况下，气体颗粒密度以及与该密度相关联的折射将增加，这在涡流中，在辐射等离子体区域中和在周边均将导致光源的亮度的显著不稳定性(波动)。

因此，根据本发明，优选地，不是通过增加气体的密度，而是通过增加其温度来增加气体的压力，以便确保辐射的高亮度和光源亮度的高度稳定性。

需要说明的是，随着隔室和气体的温度增加，隔室中的对流的涡流也随之降低，原因如下。首先，加热隔室导致隔室中的温度梯度和气体密度梯度降低，这导致等离子体的较热区域和周围的较冷气体之间的对流受到抑制。其次，气流的性质由雷诺数Re决定，并且当雷诺数小于临界雷诺数时，涡流被抑制。雷诺数取决于气体密度ρ、气体流速ν和动态粘度η：

Re≈ρ·ν/η  (1)。

动态粘度随着温度增加而增加：

其中，η₀是在室温T₀(T₀≈300К)下的气体的动态粘度。根据此，雷诺数取决于气体的密度、其速度和温度，如下所示：

根据公式(3)，通过提高隔室和气体的绝对温度，可以抑制气流涡流。抑制涡流和提高光源的稳定性的其他可能性涉及限制气体的质量密度ρ以及其速度ν。尤其，由于隔室的尺寸减小而实现后者，因为在辐射等离子体的区域中加热并且在阿基米德力的作用下上浮的气体的加速度受到隔室尺寸的限制。

根据(3)，气体密度越低，对流气流的涡流就越低。此外，气体质量密度ρ越低，它的折射率就越低并且与对流气流中的光的折射相关联的像差就越低。因此，气体的密度越低，光源的亮度和其他输出参数的不稳定性就越低。如图2中所示，图2示出了光源亮度的相对标准偏差(RSD)σ与气体的质量密度ρ和数密度n两者的实验相关性。

气体的数密度n和质量密度ρ彼此相关，如以下等式所述：n＝(N_A/M)ρ，其中，M是摩尔质量，N_A是阿伏伽德罗常数。

相对标准偏差是指(数据集的标准偏差)/(数据集的均值)·100％。在时间间隔为10^-3秒的测量期间，对亮度数据集进行了采样。这足以对亮度信号进行处理，该亮度信号的与气流的对流相关联的振荡频率不超过10Hz至15Hz，可如图3的放大片段中所示，图3示出了等离子体光源的亮度与时间的相关性。

为了获得图2中所示的相关性，使用了四个相同的带有用于启动点燃等离子体的电极的密封石英隔室，在不同的压力、等同于室温下使用氙气填充该密封石英隔室：11巴、17巴、23巴和29巴。图2中给定的相关性表明，在气体密度降低三倍之后，亮度σ的相对不稳定性急剧下降了约50倍。图2应被视为σ与气体密度的相关性的定性说明，因为亮度不稳定性可能进一步降低三倍以上。尤其，通过在等离子体光源中使用无电极等离子体点燃以及带有负反馈的CW激光控制***来实现。

在图3中，给出了等离子体光源的亮度的时间相关性，其中，以60·10¹⁹cm^-3的氙气密度填充隔室，这对应于在室温下的22巴的压力。被布置用于等离子体辐射束离开的石英隔室的球形部分的内表面的直径小到4mm。在这种情况下，等离子体光源亮度的相对标准偏差σ在0.04％至0.05％的范围内。

通常，气体压力越高并且因此发射等离子体的区域中的压力越大，光源的亮度就越高。

为了使亮度的相对标准偏差足够小(σ≤0.1％)，选择隔室中的气体颗粒的密度小于实验确定的90·10¹⁹cm^-3的上限，这对应于在室温下的约33.5巴的气体压力。同时，为了在600K至900K或更高的温度范围内获得接近可达到的最大值(高于50mW/(mm²·sr·nm))的光源的光谱亮度，气体压力以及相应地辐射等离子体的密度应该足够高，以在工作中提供约50巴或更高的最佳气体压力。因此，选择隔室中的气体颗粒的密度高于实验确定的45·10¹⁹cm^-3的下限，这对应于在室温下的不低于16.5巴的气体压力。

因此，为了提供高光谱亮度和低亮度相对标准偏差，气体颗粒的密度应尽可能低，同时在隔室中提供约50巴或更高的气体压力的情况下，在工作中的隔室的内表面的温度应尽可能高。

在本发明的一个实施方案中，在工作中的隔室的内表面的温度为600K并且气体颗粒的密度为65·10¹⁹cm^-3，这对应于在室温下的24.5巴的气体压力和在工作中的50巴的气体压力。

在本发明的优选实施方案中，隔室可在其内表面的温度高达860K下工作并且气体颗粒的密度可选择为低至45·10¹⁹cm^-3，这对应于在室温下的16.5巴的气体压力和在工作中的50巴的气体。

为了说明，图4示出了光源的光谱亮度与在室温下的隔室中的氙气的压力的相关性。在隔室温度为450K的稳定工作模式下，在600nm至500nm的光谱范围内进行了测量。在所指示的光谱范围内，光谱亮度比在约400nm的波长附近观察到的最大值低约25％。在波长λ_CW＝976nm和λ_CW＝808nm下对辐射功率为65W的两个CW二极管激光器进行了测量。

研究结果表明，对于这两种波长的激光辐射，在室温下在隔室中的气体压力为至少25巴下实现了高光谱亮度。在室温下在隔室中的气体压力高达36巴下，维持了辐射强度的高度稳定性(σ≤0.1％)。

测量结果表明，随着隔室温度升高到600K或更高，在维持了光源的输出参数的高度稳定性的同时，有把握趋向于增加亮度。

根据本发明，优选使用惰性氙气作为气体，这确保了光源的安全工作和较长寿命。此外，与其他惰性气体的辐射等离子体相比，Xe等离子体的特征在于在宽光谱范围内(包括紫外区域、可见光区域和红外区域)的光学输出最高。

选择高效CW二极管激光器的优选波长是由于以下因素。在激光波长976nm附近，存在强Xe吸收线，其中，较低状态随着温度升高而被填充。在808nm附近，此类线与吸收线间隔更远，并且因此，在给定的激光功率下，与976nm的情况相比，在更高的等离子体密度和温度下实现了维持连续光放电的充足吸收。

因此，在本发明的一个优选实施方案中，填充隔室的气体是氙并且CW激光器的波长为808nm。

本发明的其他实施方案旨在进一步提高光源的输出参数的稳定性，该输出参数包括辐射等离子体的强度、亮度、光谱和空间位置，同时确保光源的亮度尽可能最高。

在一个优选实施方案中，CW激光器的聚焦束被定向为从底部到顶部进入到隔室中，并且所述光束的轴线被定向为垂直平行于重力11(图5)，或者接近垂直线。光源稳定性得到进一步改善是由于通常将辐射等离子体4的区域从聚焦点朝向CW激光器的聚焦束5稍微移动到聚焦激光束的横截面，在该横截面中，CW激光器的聚焦束5的强度仍然足够维持辐射等离子体4的区域。当CW激光器的聚焦束5被定向为从底部到顶部时，包含最热质量密度等离子体和最低质量密度等离子体的辐射等离子体4的区域在阿基米德力的作用下趋于漂浮。上升，辐射等离子体4的区域到达更接近聚焦点的位置，在该位置处，CW激光器的聚焦束5的横截面变小并且激光辐射强度变高。一方面，这增加了等离子体辐射的亮度，另一方面，它使作用在辐射等离子体的区域上的力平衡，这确保了光源的高度稳定性。

为了实现这些积极效果，优选地，隔室1是轴对称的并且CW激光器的聚焦束5的轴线与隔室的对称轴线对齐。

光源的输出特性的稳定性也受到在辐射等离子体4的区域中加热的气体在阿基米德力的作用下获得的脉冲幅度的影响。通过气体获得的动量以及对流的涡流越小，辐射等离子体4的区域就越接近隔室的上壁或隔室的位于辐射等离子体4的区域上方的部分。因此，为了提高图5中示出的实施方案中的光源的输出特性的稳定性，隔室的部分或局部12位于与其相距尽可能最小的小于3mm的距离的辐射等离子体4的区域的顶部上，这不会对隔室的寿命以及其透明度产生任何负面影响。

此外，隔室的部分12可被布置成用于将CW激光束两者反射且聚焦到等离子体4中，该等离子体穿过辐射等离子体的区域和等离子体辐射的部分。这降低了辐射损失并且提高了光源的效率。根据图5中示出的本发明的本实施方案，隔室的接近等离子体的部分12包含表面，该表面是凹球面镜13，该凹球面镜的中心在辐射等离子体4的区域中。

在一个优选实施方案中，隔室1的用于等离子体辐射的输出束7离开的至少一部分呈球形或近似球形，并且辐射等离子体4的区域位于隔室1的球形部分的对称中心内，如图1和图5中所示。这尽最大程度地减少由进入等离子体辐射的射线路径的隔室的透明壁引起的色差和球面像差。

尤其，通过减小隔室尺寸，实现抑制与对流的涡流相关联的像差。因此，在本发明的一个实施方案中，隔室的球形部分的内表面的半径小于5mm，优选地不大于3mm。

图6示出了本发明的隔室配有加热器的一个实施方案。加热器可由加热线圈14以及通过温度桥16连接到加热线圈的电流源15组成，该温度桥用于在加热线圈36和载流母线17之间提供温差。此外，载流母线17可设置有热交换器(未示出)，例如，呈空气冷却散热器的形式。隔室可由球形部分和圆柱形部分组成，加热线圈14位于该圆柱形部分上。隔室也可配备有用于测量隔室的温度的热电偶。此外，加热线圈14可容纳在绝热夹套(未示出)中。

加热器被设计用于将隔室的预启动加热到工作温度，这有利于点燃等离子体，并且使光源快速过渡到隔室达到预设最佳高温的稳态工作模式，该预设最佳高温在600K至900K的范围内。

在本发明的一个实施方案中，光学聚集器包括抛物面镜8和偏转镜18，该偏转镜用于形成等离子体辐射束9，优选地，该等离子体辐射束通过光纤传输到使用宽带等离子体辐射的光学***。

在本发明的一个优选实施方案中，高亮度等离子体光源包括控制单元19，该控制单元带有自动维持等离子体辐射输出光束7的给定功率的功能(图6)。为此，光源配备有功率计20，来自等离子体辐射束9的光通量的一小部分通过联接器(未示出)提供到该功率计。优选地，控制单元连接到加热器15、功率计20以及CW激光器6的电源单元。由控制单元19根据功率计20和CW激光器6的电源单元之间的反馈电路执行维持等离子体辐射束9的特定功率。此外，控制单元19可制成具有在其最佳高温下实现隔室的热稳定的功能。本发明的本实施方案改善了激光泵浦等离子体光源在长期的连续工作模式下的功率和亮度的稳定性。

如图6中所示，在本发明的一个优选实施方案中，使用带有光纤输出的CW激光器6。在光纤21的输出处，扩展的激光束被定向到准直器22，例如，呈聚光透镜的形式。在准直器22之后，CW激光器的扩展平行光束23借助于偏转镜24被定向到聚焦光学元件25(例如，呈非球面透镜的形式)，从而使CW激光束5锐聚焦，这对于确保光源的高亮度是必要的。

在本发明的优选实施方案中，固态激光***2用于可靠地点燃等离子体，该固态激光***包含用于在Q开关模式下产生第一激光束27的第一激光器26，并且包含用于在自由运行模式下产生第二激光束29的第二激光器28。带有有源元件30、有源元件31的脉冲激光器配备有例如呈闪光灯32的形式的光学泵浦源，并且优选地具有共同的腔镜33、腔镜34。第一激光器26配备有Q开关35。两个脉冲激光束27、29聚焦到隔室中，在用于维持辐射等离子体2的区域中(图6)。第一激光束27用于光学击穿。第二激光束29用于产生等离子体，该等离子体的体积和密度足够通过CW激光器的聚焦束5稳定地维持辐射等离子体4的区域。

优选地，CW激光器的波长λ_CW不同于第一脉冲激光束27、第二脉冲激光束29的波长λ₁、波长λ₂。例如，CW激光器的波长可以是λ_CW＝808nm或976nm，并且脉冲激光器的发射波长可以是λ₁＝λ₂＝1064nm。这允许使用二向色镜24将CW激光束23和脉冲激光束27、脉冲激光束29输入到隔室中。为了传输脉冲激光束27、脉冲激光束29，可附加使用旋转镜36(图6)。

图1、图5和图6示出当使用脉冲激光***2点燃等离子体时，隔室1允许沿所有方位角输出等离子体辐射。在一个实施方案中，等离子体辐射的输出束以至少9sr或大于总立体角的70％的空间角从隔室离开。在这种情况下，等离子体辐射的输出束7的开口角(相对于附图的平面的平角)不小于90°。

除了沿所有方位角向光学聚集器8输出等离子体辐射的输出束7之外，根据本发明的光源不仅限于本实施方案。在本发明的其他实施方案中，光源可能具有至少三个等离子体辐射的同心输出束7a、7b、7c，如图7中所示，图7示出了在穿过辐射等离子体4的区域的水平面中的光源的横截面。图7中的点燃和维持连续光放电的激光束位于附图的平面下方。对于许多工业应用领域，需要使用来自单个光源的若干束(尤其是三束)等离子体辐射。在本实施方案中，激光泵浦光源室1可容纳在壳体37中，该壳体配备有三个光学聚集器8a、8b、8c。三个光学聚集器8a、8b、8c形成等离子体辐射束9a、等离子体辐射束9b、等离子体辐射束9c，例如，等离子体辐射束9a、等离子体辐射束9b、等离子体辐射束9c通过光纤传输到使用宽带等离子体辐射的光学消费***10a、光学消费***10b、光学消费***10c。这允许将一个光源用于三个或更多个光学消费***，确保***的紧凑性和所有光学信道的宽带辐射参数的一致性。

图8示出了带有三个辐射输出信道的光源的另一种版本，其中，两个点火电极38、39用作连接到高压脉冲电源(未示出)的等离子体点火装置。本实施方案中的与上述实施方案(图7)中相同的设备的部分在图8中具有相同的附图标号并且省略它们的详细描述。

在本发明的一个优选实施方案中，隔室的透明部分由石英制成。在其他实施方案中，隔室的透明部分可由属于蓝宝石、无色蓝宝石、熔融二氧化硅、结晶二氧化硅、结晶氟化镁的组的光学透明材料制成。

使用图1、图5、图6、图7和图8中示出的所提议的激光泵浦等离子体光源从COD等离子体产生光的方法如下。使用颗粒密度小于90·10¹⁹cm^-3的气体填充隔室1，这对应于在室温下的压力35.5巴。CW激光器6的聚焦束5被定向到隔室1中。借助于等离子体点火装置点燃等离子体，该等离子体点火装置可以是点火电极也可以是脉冲激光***2。初始等离子体的浓度和体积足够通过CW激光器6的聚焦束5可靠地维持连续光放电。在稳态稳定工作模式下，通过CW激光器的聚焦束在隔室的内表面的在600K至900K或可选地更高的范围内的温度下维持辐射等离子体的区域。等离子体辐射的至少一个输出束被定向为从辐射等离子体4的区域通过隔室1的光学透明部分。

通过将隔室的壁加热到特定温度，实现将辐射等离子体的区域周围的气体的压力增加数倍、两倍至三倍或更多倍。由于等离子体的压力等于隔室中的压力，辐射等离子体的密度因对隔室的壁进行加热而增加，这导致辐射等离子体的体积光度增加，并且因此导致光源的亮度在宽光学范围内增加。在这种情况下，在没有增加气体密度以及与其成比例的折射的情况(这在涡流下导致光源亮度的显著不稳定性)下，实现增加气体压力和光源的亮度。如上所示，当考虑公式(3)时，通过增加气体温度T、降低或限制其密度ρ以及降低气体流速ν，可以在所提议的用于产生光的方法中实现抑制对流涡流。

为了实现光源的高光谱亮度(高于50mW/(mm²·nm·sr))，使在工作中的隔室中的气体压力接近50巴或更高。

为了实现低于0.1％的亮度σ的低相对不稳定性，在气体颗粒的密度尽可能最低的情况下，提供尽可能高的隔室的内表面的温度。

通过将隔室的上壁或一部分定位为与辐射等离子体的区域相距尽可能最小的不超过3mm的距离处，尽最大程度地降低从辐射等离子体的区域上升的气流的速度ν。在一个实施方案中，选择隔室的尺寸，使得隔室的壁位于与辐射等离子体的区域相距不超过3mm的距离处，这有助于抑制隔室中的对流的涡流。

因此，本发明允许在高亮度下接近该类型的光源可达到的最大值，以实现激光泵浦等离子体光源的高度稳定性。

在该方法的一个实施方案中，由于进入隔室的CW激光器的辐射功率，在使光源进入稳定工作模式的过程中点燃等离子体之后，加热了隔室。

在另一个实施方案中，在通过外部加热器(包括元件14、元件15、元件16、元件17)点燃等离子体之前(图6)，将隔室1快速加热到600K至900K的温度范围。这有利于点燃等离子体，并且缩短光源达到稳定工作模式的时间，简化了其设计并且提升了易用性。通过加热器和CW激光器的辐射功率，维持隔室的内表面的特定温度。

为了进一步提高光源的稳定性，CW激光器的聚焦束被定向为沿垂直线从底部到顶部进入到隔室中，这提高了辐射等离子体的区域的亮度和空间稳定性。在这种情况下，CW激光束优选地聚焦在隔室的该部分的对称中心，等离子体辐射输出束穿过离开该对称中心。这减少了光学像差，光学像差可能在宽带等离子体辐射穿过隔室的透明壁时扭曲光束的路径并且在传输其辐射时降低光源的亮度。

为了实现光源的尽可能最高的亮度，优选使用氙气，并且激光器是波长为808nm的连续二极管激光器(图4)。

与其他惰性气体的辐射等离子体相比，连续光放电(COD)的Xe等离子体的特征在于在包括可见光区域和近红外区域的宽光谱范围内的光输出最高。使用Xe作为惰性气体的光源的特征光谱在图9A中示出。

使用其他惰性气体，尤其是重惰性气体Kr、Ar、Ne，或以20％或更低的比例向氙气添加其他惰性气体不会对COD光学特性产生任何显著影响。紫外光谱区域、可见光谱区域和近红外光谱区域中的COD辐射接近黑体辐射并且主要由等离子体温度决定。同时，在100nm至200nm的真空紫外(VUV)区域中，观察到氙气对辐射的吸收或自吸收。因此，在将辐射光谱扩展到VUV区域的情况下，可优选地使用其他惰性气体，尤其是Kr、Ar或它们的混合物。如图9B中所示，图9B示出了当使用氙气和Kr+Ar气体混合物进行比较时的光源的VUV光谱。

通常，根据本发明，惰性气体(优选地氙气、氪气、氩气、氖气或它们的混合物)用作填充隔室的气体。

在本发明的一个实施方案中，等离子体由固态脉冲激光***2的两个脉冲激光束27、29点燃，聚焦在辐射等离子体的区域中(图6)。两个脉冲激光束27、29实现光诱导击穿以及产生密度高于连续光放电等离子体的阈值密度的初始等离子体，连续光放电等离子体的阈值密度的值约为10¹⁸电子/cm³。在本实施方案中，实现了可靠的激光点火以及光源的易用性。与使用电极启动点燃等离子体的源相比，可以优化隔室的几何结构，减少其中的对流气流的涡流并且使光学像差最小化，以及增加等离子体辐射聚集的空间角度。

通常，所要求保护的本发明可以：提高激光泵浦等离子体辐射源的亮度并且确保其高度稳定性。

工业适用性

根据本发明制成的高亮度、高度稳定的激光泵浦光源可用于各种投影***，用于光谱化学分析、生物和医学中的生物对象的光谱显微分析、微毛细管液相色谱、光学光刻工艺的检查、分光光度法和其他目的。

Claims (24)

1.一种激光泵浦等离子体光源，包括：气体填充隔室、等离子体点火装置、由连续波(CW)激光器的聚焦束维持在所述隔室中的辐射等离子体的区域，以及离开所述隔室的等离子体辐射的至少一个输出束，所述气体填充隔室的至少一部分是光学透明的，其中

通过所述隔室中的气体颗粒的密度小于90·10¹⁹cm^-3并且所述隔室的内表面的温度不低于600K的事实，实现最佳连续产生所述等离子体辐射的输出束。

2.根据权利要求1所述的光源，其中，所述最佳连续产生的特征在于所述光源的光谱亮度高，高于50mW/(mm²·nm·sr)，并且所述亮度的相对标准偏差σ低，低于0.1％。

3.根据权利要求1或2所述的光源，其中，所述气体颗粒的密度尽可能低并且在所述隔室中提供约50巴或更高的气体压力的情况下，在工作中的所述隔室的所述内表面的所述温度尽可能高。

4.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述气体颗粒的密度不小于45·10¹⁹cm^-3，这对应于在室温下的不低于16.5巴的气体压力。

5.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述隔室的所述内表面的所述温度不高于900K。

6.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述气体包括氙气、氪气、氩气、氖气和/或它们的混合物。

7.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述气体为氙气，并且所述CW激光器的波长为808nm。

8.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，被布置成用于所述等离子体的输出束离开的所述隔室的至少一部分呈球形，并且所述辐射等离子体的区域位于所述隔室的所述球形部分的中心。

9.根据权利要求8所述的光源，其中，所述隔室的所述球形部分的内表面的半径小于5mm，优选地不大于3mm。

10.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述CW激光器的所述聚焦束被定向为从底部到顶部进入到所述隔室中，并且所述聚焦束的轴线被定向为垂直或接近垂直线。

11.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述隔室的一部分或局部位于与其相距不大过3mm的一定距离的所述辐射等离子体的区域上方。

12.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述隔室设置有加热器。

13.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述隔室的透明部分由属于蓝宝石、无色蓝宝石(Al₂O₃)、熔融石英、结晶石英(SiO₂)、结晶氟化镁(MgF₂)的组的材料制成。

14.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述等离子体点火装置包括固态激光***，所述固态激光***在Q开关模式下产生脉冲激光束并且在自由运行模式下产生脉冲激光束，所述两个脉冲激光束聚焦到所述隔室中。

15.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，其中，所述CW激光器的所述光束以及离开所述隔室的等离子体辐射的每个输出束在所述辐射等离子体的区域之外不会彼此交叉。

16.根据前述权利要求中任何一项所述的光源，所述光源具有等离子体辐射的三个或更多个输出束。

17.一种用于产生光的方法，所述方法包括：在气体填充隔室内点燃等离子体，并且通过CW激光器的聚焦束维持辐射等离子体以产生通过所述隔室的光学透明的部分离开辐射等离子体的区域的等离子体辐射的至少一个输出束，其中

使用颗粒密度不大于90·10¹⁹cm^-3的气体填充所述隔室，并且

通过所述CW激光器的聚焦束在所述隔室的内表面的不低于600K的温度下维持所述等离子体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，在工作中的所述隔室中的气体压力接近50巴或更高，以使光源的光谱亮度高，高于50mW/(mm²·nm·sr)。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中，在所述气体颗粒的密度尽可能最低的情况下，所述隔室的所述内表面的所述温度尽可能高，以使亮度的相对标准偏差σ低，低于0.1％。

20.根据权利要求17至19中任何一项所述的方法，其中，使用气体颗粒的密度的颗粒密度不小于45·10¹⁹cm^-3的气体填充所述隔室，并且将所述隔室的所述内表面的所述温度保持在不高于900K的温度。

21.根据权利要求17至20中任何一项所述的方法，其中，所述CW激光器的所述聚焦束被定向为沿垂直线从底部到顶部进入到所述隔室中。

22.根据权利要求17至21中任何一项所述的方法，其中，通过将所述隔室的上壁或一部分放置在与其相距不大过3mm的距离的所述辐射等离子体的区域上方，抑制所述隔室中的对流的涡流。

23.根据权利要求17至22中任何一项所述的方法，其中，使用氙气填充所述隔室并且通过波长为808nm的所述CW激光器的所述聚焦束维持辐射等离子体。

24.根据权利要求17至23中任何一项所述的方法，其中，通过将由固态激光***在自由运行模式下和Q开关模式下产生的两个脉冲激光束聚焦到所述隔室中，产生所述点燃等离子体。

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