DE102011113681A1

DE102011113681A1 - Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung

Info

Publication number: DE102011113681A1
Application number: DE102011113681A
Authority: DE
Inventors: Gunther Desinger
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Bei einer bekannten Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung (1; 61; 71; 81) ist eine Entladungskammer (5; 65; 75; 85), die ein Füllgas (6) enthält, eine Zündquelle zum Erzeugen einer Plasmazone (7; 67; 77; 87) innerhalb der Entladungskammer (5; 65; 75; 85) und ein Laser (2) zum Bereitstellen von Energie an die Plasmazone (7; 67; 77; 87) mittels eines Laserstrahls (4; 64; 74; 84) vorgesehen. Um hiervon ausgehend eine Lampeneinheit mit besonders hoher Leuchtdichte und hoher Lagestabilität der Plasmazone bereit zu stellen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in der Entladungskammer (5; 65; 75; 85) ein Mittel zur örtlichen Fixierung der Plasmazone (7; 67; 77; 87) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung, aufweisend eine Entladungskammer, die ein Füllgas enthält, eine Zündquelle zum Erzeugen einer Plasmazone innerhalb der Entladungskammer und einen Laser zum Bereitstellen von Energie an die Plasmazone mittels eines Laserstrahls.
Als Lichtquellen für die Erzeugung optischer Strahlung im sichtbaren, ultravioletten oder Infrarot-Bereich werden häufig Entladungslampen eingesetzt. Diese Entladungslampen bestehen aus einer mit einem Füllgas gefüllten Entladungskammer, in der zwei Elektroden angeordnet sind. In Abhängigkeit einer an den Elektroden angelegten Spannung findet in der Entladungskammer eine Gasentladung statt, die mit der Emission optischer Strahlung verbunden ist, wobei die Wellenlänge der emittierten Strahlung durch eine geeignete Auswahl des Füllgases beeinflusst werden kann.
Die Gasentladung geht mit dem Vorhandensein eines Plasmazustandes innerhalb des Füllgases einher. Im Plasmazustand besteht das Füllgas teilweise oder vollständig aus freien positiv und negativ geladenen Teilchen (Ionen, Elektronen), die sich gegenseitig in ihrer Bewegung beeinflussen. Der Übergang des Füllgases in den Plasmazustand erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Füllgases oder der Stärke des Feldes zwischen beiden Elektroden.
Bei einer Weiterentwicklung dieser Lichtquellen erfolgt eine zusätzliche Anregung des erzeugten Plasmazustandes mittels eines Lasers. Bei diesen Lichtquellen wird vielfach zunächst innerhalb der Entladungskammer eine Plasmazone erzeugt, die in einem zweiten Schritt mit einem Laser zusätzlich angeregt wird.
Die Anregung der vorhandenen Plasmazone mittels eines Lasers besitzt den Vorteil, dass ein Plasma hoher Dichte erzeugt werden kann, das eine optische Strahlung mit erhöhter Leuchtdichte emittiert. Dabei wird optische Strahlung mit besonders hoher Leuchtdichte erhalten, wenn ein Laserstrahl hoher Leistung auf das Plasma fokussiert wird.
Stand der Technik
Für die Erzeugung eines Lichtes durch ergänzende Laseranregung eines Plasmas sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt.
Eine laserangeregte Lichtquelle ist beispielsweise aus der JP 611 93 358 A bekannt, bei der ein Laserstrahl in eine gasgefüllte Entladungskammer fokussiert wird. In der Fokuslage wird gleichzeitig ein elektromagnetisches Feld erzeugt, so dass das Gas zur Entladung angeregt und eine Plasmazone hoher Temperatur erhalten wird. Die eingebrachte Energie wird durch die angeregten Bestandteile des Plasmas als Strahlungsemission in Form von Licht wieder freigesetzt.
Eine weitere laserangeregte Lichtquelle bestehend aus zwei Lasern wird beispielsweise in der US 2004 0 264 512 A1 für die Erzeugung von extrem ultravioletter Strahlung vorgeschlagen. Der erste Laser wird hier zur Erzeugung eines Plasmas geringer Plasmadichte in einer Entladungskammer verwendet. Dieses zuerst erzeugte Plasma erleichtert die Absorption des zweiten Laserstrahls und ermöglicht so einen erhöhten Energieeintrag, der mit einer erhöhten Emission extrem ultravioletter Strahlung verbunden ist.
Aus der US 7 435 982 B2 sind eine Lichtquelle und ein Verfahren zur Erzeugung eines Lichts mit besonders hoher Leuchtdichte bekannt. Zur Erzeugung des Lichts wird eine mit einem Laser betriebene Lampeneinheit verwendet, die aus einem Laser, einer Zündquelle und einer Entladungskammer besteht. Die Entladungskammer ist mit einem geeigneten ionisierbaren Stoff oder Stoffgemisch, beispielsweise einem Edelgas, gefüllt. Innerhalb der Entladungskammer wird unter Verwendung der Zündquelle zunächst eine Plasmazone erzeugt. Die Anordnung der Zündquelle kann dabei sowohl außerhalb (beispielsweise mittels eines Lasers) als auch innerhalb der Entladungskammer (beispielsweise mittels Elektroden) erfolgen. Der von dem Laser emittierte Laserstrahl wird auf die erzeugte Plasmazone fokussiert und bewirkt einen Energieeintrag in die Plasmazone, wodurch ein Plasma mit einer besonders hohen Plasmadichte erzeugt wird.
Durch Strahlungsemission der angeregten Bestandteile des Plasmas wird die eingebrachte Energie wieder freigesetzt und ein Licht mit hoher Leuchtdichte erhalten.
Technische Aufgabe
Die Plasmazone ist innerhalb des von der Entladungskammer umschlossenen Gasraumes angeordnet. Der Laserstrahl ist auf die Plasmazone fokussiert. Durch den hohen Energieeintrag in die Plasmazone werden Temperaturunterschiede innerhalb des Gasraumes hervorgerufen, die die Ursache für eine Konvektion und Teilchenbewegung innerhalb des Gasraumes sind. Diese Teilchenbewegung umfasst auch die Teilchen der Plasmazone, wodurch sowohl die Lage der Plasmazone innerhalb des Gasraumes als auch die Größe der Plasmazone beeinflusst wird.
Für eine Lichtquelle zur Erzeugung einer hohen Leuchtdichte ist eine effiziente Umwandlung der mittels Laser eingebrachten Energie wünschenswert. Hierfür ist es notwendig eine Plasmazone zu erzeugen, auf die der Laser möglichst exakt zu fokussieren ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lampeneinheit mit besonders hoher Leuchtdichte und hoher Lagestabilität der Plasmazone bereit zu stellen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Lampeneinheit der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Entladungskammer ein Mittel zur örtlichen Fixierung der Plasmazone angeordnet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lampeneinheit ist für die Erzeugung optischer Strahlung hoher Leuchtdichte in der Entladungskammer ein Mittel zur örtlichen Fixierung der Plasmazone vorgesehen. Für die Erzielung einer besonders hohen Leuchtdichte ist es notwendig, dass der Laser exakt auf die Plasmazone fokussiert ist und die Plasmazone eine möglichst hohe Dichte geladener Teilchen aufweist. Der Energieeintrag durch den auf die Plasmazone gerichteten Laserstrahl führt unvermeidlich zu Temperaturunterschieden innerhalb des Gasraums der Entladungskammer. Durch die Temperaturunterschiede wird eine Konvektion hervorgerufen, die sowohl die Lage als auch die Größe der Plasmazone und damit die Leuchtdichte der emittierten Strahlung beeinflusst. Diese Konvektion wird durch den thermischen Auftrieb und die Gravitation bestimmt. Die Konvektion und die Teilchenbewegung ist im Zentrum des Gasraumes tendenziell nach „oben” gerichtet, das heißt entgegen der Richtung der Gravitation, die nach „unten” wirkt.
Die örtliche Fixierung wirkt dem Einfluss der Konvektion auf die Plasmazone entgegen und vermindert die Verschiebung und Verbreiterung der Plasmazone. Eine Plasmazone geringerer Ausdehnung und höherer Dichte wird erhalten. Die Lagestabilität der Plasmazone ermöglicht zusätzlich eine leichtere Fokussierung des Laserstrahls auf die Plasmazone, so dass aufgrund des effizienteren Energieeintrags in die Plasmazone eine optische Strahlung mit höherer Leuchtdichte emittiert wird.
Im einfachsten Fall ist das Mittel zur örtlichen Fixierung ein Strömungshindernis, das einen Durchlass aufweist, der die Plasmazone oben und unten begrenzt.
Das Strömungshindernis wird durch eine geeignete Geometrie der Entladungskammer oder durch ein separates Bauteil, das innerhalb der Entladungskammer angeordnet ist, verwirklicht. Es weist einen von einer Wandung umgebenen Durchlass auf, der zum Gasraum hin offen ausgeführt ist. Durch die erfindungsgemäße Positionierung der Plasmazone im Durchlass des Strömungshindernisses ist die Plasmazone vor den auftretenden Konvektionsströmen geschützt. Im Gegensatz zur freien Anordnung der Plasmazone fixiert die Durchlasswandung die Lage der Plasmazone mindestens in einer Raumrichtung, vorzugsweise in zwei Raumrichtungen. Gleichzeitig wird auch die räumliche Ausdehnung der Plasmazone begrenzt, so dass eine besonders kompakte und lagestabile Plasmazone erhalten wird, die einen effizienten Energieeintrag durch den Laserstrahl und die Emission optischer Strahlung hoher Leuchtdichte ermöglicht. Unter „oben” und „unten” sind die durch die Gravitation vorgegebenen Richtungen zu verstehen, wie weiter oben bereits erläutert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Strömungshindernis eine Blende ist, die sich quer zum Laserstrahl erstreckt, und die eine Blendenöffnung aufweist, die den Durchlass bildet.
Eine Blende als Strömungshindernis ist einfach zu fertigen. Die Flächennormale der Blende verläuft senkrecht oder um höchstens 10° verkippt zur Gravitationsrichtung. Die Blende hat einen quasi zweidimensionalen Durchlass, nämlich die Blendenöffnung.
Gegenüber der Anordnung der Plasmazone innerhalb eines dreidimensional ausgebildeten Durchlasses hat diese Ausführungsform den zusätzlichen Vorteil, dass Strahlungsverluste durch Reflexionen an der Durchlasswandung vermindert auftreten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Lampeneinheit ist vorgesehen, dass der Durchlass als ein sich in Richtung des Laserstrahls erstreckender Kanal ausgebildet ist.
Ein Kanal gewährleistet durch seine dreidimensionale Ausbildung eine besonders gute Abschirmung der darin fixierten Plasmazone gegenüber der Gasströmung außerhalb des Kanals. In dem Kanal kann eine große Plasmazone fixiert werden, die die Erzeugung einer optischen Strahlung höherer Leuchtdichte ermöglicht.
Eine andere bevorzugte Variante der Lampeneinheit sieht vor, dass der Kanal entlang der optischen Achse des Laserstrahls einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist.
Durch die Anordnung der Plasmazone im Bereich des verjüngten Kanalquerschnitts kann eine Plasmazone geringer Ausdehnung erhalten werden. Gleichzeitig wird die Verwendung einer Laserstrahlung mit einem größeren Einfallswinkel ermöglicht. Der sich verjüngende Querschnitt kann an den Einfallswinkel und/oder den Ausfallswinkel der Laserstrahlung angepasst werden, so dass der Energieeintrag des Lasers in die Plasmazone nicht beeinträchtigt wird. Der Kanal kann beispielsweise einseitig oder beidseitig konisch ausgeführt sein.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Kanal eine Länge von 0,1 mm bis 2 mm aufweist.
Durch die Längserstreckung des Kanals in Richtung des Laserstrahls wird eine bessere Fixierung der Plasmazone erreicht. Bei einer Länge von weniger als 0,1 mm ist diese Fixierungswirkung gering und bei einer Länge von mehr als 2 mm ergeben sich zunehmend Strahlungsverluste aufgrund der Reflexion an der Hohlraumwandung.
Bei einer bevorzugten Variante der Lampeneinheit zeigt der Durchlass in Richtung des Laserstrahls gesehen einen elliptischen oder rechteckigen Öffnungsquerschnitt.
Die Plasmazone kann durch die Verwendung eines Durchlasses mit einem elliptischen oder rechteckigen Öffnungsquerschnitt in ihrer Ausdehnung an die Form des Öffnungsquerschnittes angepasst werden, so dass eine in ihrer Form bestimmte, ausgedehnte Lichtquelle erhalten wird, die beispielsweise an den Eintrittsspalt eines Spektrometers angepasst ist.
In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Durchlass einen Durchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweist.
Bei einem Durchlass mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm wird das Plasma von der Durchlasswandung beeinträchtigt. Bei einem Durchmesser von mehr als 0,5 mm verliert sich der Effekt der örtlichen Fixierung des Plasmas.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Lampeneinheit sieht vor, dass das Strömungshindernis für die erzeugte optische Strahlung durchlässig ist.
Die Durchlässigkeit kann beispielsweise durch einen optisch transparenten Werkstoff und/oder durch eine optisch durchlässige Konstruktion erreicht werden, wie zum Beispiel durch ein Netz oder ein filigranes Gerüst. Eine optisch durchlässige Konstruktion ermöglicht die Emission einer möglichst isotropen Strahlung in alle Raumrichtungen. Insbesondere bei einer Ausführungsform mit Reflektor, der die gestreute Strahlung durch die Entladungskammer zurückreflektiert, erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Strömungshindernis optisch durchlässig ausgebildet ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Strömungshindernis aus Aluminiumoxid, Molybdän oder Wolfram besteht.
Es handelt sich um chemisch inerte und hochtemperaturfeste Werkstoffe.
Es hat sich bewährt, wenn das Strömungshindernis über ein Verbindungselement mit der Entladungskammer verbunden ist.
Bei dieser Ausführungsform der Lampeneinheit ist das Strömungshindernis als separates Bauteil ausgeführt, das mit der Wandung der Entladungskammer verbunden ist. Die Verbindung erfolgt mittels des Verbindungselementes, das beispielsweise als Steg, Gitter oder Scheibe ausgeführt ist.
Vorzugsweise besteht das Verbindungselement aus demselben Werkstoff wie das Strömungshindernis.
Ein Vorteil liegt darin, dass Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten vermieden werden.
Bei einer bevorzugten Modifikation ist vorgesehen, dass der Laser ein Dioden-Laser ist.
Es können verschiedene Lasertypen verwendet werden, zu denen beispielsweise Infrarotlaser, CO₂-Laser, Diodenlaser, Faserlaser, Ytterbium-Laser und YAG-Laser zählen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Laser um einen Dioden-Laser mit einer Wellenlänge von 823 nm. Dieser Laser ist besonders geeignet, wenn als Füllgas Xenon verwendet wird.
Eine bevorzugte Variante der Lampeneinheit sieht vor, dass der Laser eine Fokussiereinheit zur Fokussierung des Laserstrahls in die Plasmazone aufweist.
Die Fokussiereinheit ermöglicht die Fokussierung des Laserstrahls in die Plasmazone.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung mit einer Blende als Mittel zur örtlichen Fixierung der Plasmazone,
2 eine dem Stand der Technik entsprechende Ausführungsform der Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung ohne ein Mittel zur Fixierung der Plasmazone,
3 eine Draufsicht auf die Blende aus 1 mit einer im Querschnitt kreisförmigen Blendenöffnung,
4 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Blende mit einer im Querschnitt elliptischen Blendenöffnung
5 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Blende mit einer im Querschnitt rechteckigen Blendenöffnung
6 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung, bei der der Durchlass des Strömungshindernisses als Kanal ausgebildet ist,
7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung, bei der der Durchlass des Strömungshindernisses als sich entlang der optischen Achse verjüngender Kanal ausgebildet ist, und
8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung, die ein Strömungshindernis in Form einer Verengung der Entladungskammer aufweist.
9 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer zweiteiligen Blende mit einer Blendenöffnung in Form eines Spaltes
1 zeigt eine Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Die Lampeneinheit 1 setzt sich zusammen aus einer Entladungskammer 5, einer Zündquelle (nicht dargestellt), einem Laser 2 und einer Fokussiereinheit 3 zur Fokussierung des Laserstrahls 4. Die Entladungskammer 5 enthält ein Füllgas 6. Die Zündquelle ist ein weiterer Laser.
In einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform ist die Zündquelle eine kapazitive Zündquelle oder eine induktive Zündquelle oder ein Mikrowellengenerator oder als ein innerhalb der Entladungskammer sich gegenüberliegendes Elektrodenpaar ausgeführt.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass in der Entladungskammer 5 ein Strömungshindernis in Form einer Blende 8 angeordnet ist. Die Blende 8 ist mit der Innenwandung der Entladungskammer 5 verbunden. Sie weist einen Durchlass in Form einer Blendenöffnung 9 auf. Mit der Zündquelle wird im Füllgas 6 der Entladungskammer 5 eine Plasmazone 7 erzeugt, die in der Blendenöffnung 9 angeordnet ist. Der Laser 2 erzeugt den Laserstrahl 4, der durch die Fokussiereinheit 3 auf die Plasmazone 7 fokussiert ist. Der Laserstrahl 4 bewirkt einen zusätzlichen Energieeintrag in die Plasmazone 7. Es kommt zu einer örtlich inhomogenen Erwärmung des Füllgases 6. Die in der Entladungskammer 5 hervorgerufenen Temperaturunterschiede sind Ursache für das Auftreten einer Konvektion 10 innerhalb des Füllgases 6.
Erfindungsgemäß ist die Plasmazone 7 in der Blendenöffnung 9 vor der auftretenden Konvektion 10 geschützt, so dass der Einfluss der Konvektion 10 auf die Lage und die Größe der Plasmazone 7 vermindert wird.
Die Blende 8 ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Die Blendenöffnung 9 ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und ihr Durchmesser beträgt 0,2 mm. Die Dicke der Blende 8 liegt bei 0,5 mm. Die Blende 8 ist aus Molybdän gefertigt. Als Laser 2 wird ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 823 nm verwendet. Als Zündquelle zur Erzeugung der Plasmazone 7 wird ein zweiter Laser verwendet. Bei der Entladungskammer 5 handelt es sich um eine Entladungskammer aus Quarzglas. Als Füllgas 6 wird Xenon verwendet.
Sofern in den 2 bis 7 dieselben Bezugsziffern wie in 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit näher erläutert sind.
2 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Ausführungsform der Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung, der insgesamt die Bezugsziffer 21 zugeordnet ist. Die Lampeneinheit 21 setzt sich zusammen aus einer Zündquelle (nicht dargestellt), einem Laser 2 mit einer Fokussiereinheit 3 zur Fokussierung des Laserstrahls 4 und einer Entladungskammer 25. Die Entladungskammer 25 enthält ein Füllgas 6. Bei der Lampeneinheit 21 wird mit der Zündquelle im Füllgas 6 der Entladungskammer 25 eine Plasmazone 27 erzeugt. Der Laser 2 erzeugt einen Laserstrahl 4, der durch die Fokussiereinheit 3 auf die Plasmazone 27 fokussiert ist. Der Laserstrahl 4 bewirkt einen zusätzlichen Energieeintrag in die Plasmazone 27. Es kommt zu einer örtlich inhomogen Erwärmung des Füllgases 6. Die in der Entladungskammer 25 hervorgerufenen Temperaturunterschiede des Füllgases 6 sind die Ursache für das Auftreten einer Konvektion 20 innerhalb des Füllgases 6. Die Plasmazone 27 ist der Konvektion 20 ungehindert ausgesetzt, so dass die Konvektion 20 die Lage und die Größe der Plasmazone 27 innerhalb des Füllgases 6 verändert.
In 3 ist die Draufsicht auf die Blende 8 aus 1 dargestellt, die eine im Querschnitt kreisförmige Blendenöffnung 9 aufweist. Der Durchmesser der kreisförmigen Blendenöffnung 9 liegt bei 0,2 mm. Die Blende 8 besteht aus Molybdän.
4 zeigt als eine alternative Ausführungsform der Blende 8 eine Draufsicht auf eine Blende 41 mit einer im Querschnitt elliptischen Blendenöffnung 42.
Die Blendenöffnung 42 ist im Querschnitt elliptisch ausgebildet, wobei die Länge der Hauptachse der elliptischen Blendenöffnung 42 2,0 mm und die Länge der Nebenachse 0,5 mm beträgt. Die Blende 41 ist aus Molybdän gefertigt.
5 zeigt als eine alternative Ausführungsform der Blende 8 eine Draufsicht auf eine Blende 51 mit einer im Querschnitt rechteckigen Blendenöffnung 52.
Die Blendenöffnung 52 ist im Querschnitt rechteckig ausgebildet, wobei die Länge der rechteckigen Blendenöffnung 52 2,0 mm und die Breite 0,1 mm beträgt. Die Blende 51 besteht aus Molybdän.
9 zeigt als eine alternative Ausführungsform eine Draufsicht auf eine zweiteilige Blende 91. Die Blende 91 ist aus einem oberen Blendenteil 93 und einem unteren Blendenteil 94 zusammengesetzt. Die Blendenöffnung ist in Form eines durchgängigen Spaltes 92 zwischen den genannten Blendenteilen 93, 94 ausgeführt.
Die Spaltbreite beträgt 0,1 mm. Die Blendenteile 93 und 94 sind aus Molybdän gefertigt.
In 6 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung dargestellt, der insgesamt die Bezugsziffer 61 zugeordnet ist. Die Lampeneinheit 61 setzt sich zusammen aus einer mit einem Füllgas 6 gefüllten Entladungskammer 65, einem Laser 2, der gleichzeitig als Zündquelle verwendet wird, und einer Fokussiereinheit 3 zur Fokussierung des Laserstrahls 64. Mit dem Laser 2 wird im Füllgas 6 der Entladungskammer 65 eine Plasmazone 67 erzeugt.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass in der Entladungskammer 65 ein Strömungshindernis 68 angeordnet ist, das einen Durchlass 69 aufweist, der als Kanal ausgebildet ist und die Plasmazone 67 teilweise umschließt. Das Strömungshindernis 68 ist mit der Innenwand der Entladungskammer 65 verbunden. Der Laser 2 erzeugt einen Laserstrahl 64, der auf die Plasmazone 67 fokussiert ist. Der Laserstrahl 64 bewirkt einen Energieeintrag in die Plasmazone 67. Es kommt zu einer örtlich inhomogenen Erwärmung des Füllgases 6. Die in der Entladungskammer 65 hervorgerufenen Temperaturunterschiede des Füllgases 6 sind die Ursache für das Auftreten einer Konvektion 60 innerhalb des Füllgases 6.
Durch die Anordnung der Plasmazone 67 innerhalb des Durchlasses 69 des Strömungshindernisses 68 ist die Plasmazone 67 vor der auftretenden Konvektion 60 geschützt, so dass der Einfluss der Konvektion auf die Lage und die Größe der Plasmazone 67 vermindert ist.
Der Durchlass 69 des Strömungshindernisses 68 ist als Kanal zylindrisch ausgebildet. Die Länge des Kanals beträgt 2,0 mm. Der Durchmesser des Kanals liegt bei 0,5 mm. Das Strömungshindernis 68 besteht aus Molybdän. Als Laser 2 wird ein Dioden-Laser verwendet. Die Entladungskammer 65 ist aus Quarzglas gefertigt. Als Füllgas 6 wird Xenon verwendet.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit, der insgesamt die Bezugsziffer 71 zugeordnet ist. Die Lampeneinheit 71 setzt sich zusammen aus einer Entladungskammer 75, einer Zündquelle (nicht dargestellt), einem Laser 2 und einer Fokussiereinheit 3 zur Fokussierung des Laserstrahls 74. Die Entladungskammer 75 enthält ein Füllgas 6.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass in der Entladungskammer 75 ein Strömungshindernis 78 angeordnet ist, das einen Durchlass 79 aufweist. Der Durchlass 79 ist doppel-konisch ausgeführt. In Richtung der Strahlachse 80 gesehen verjüngt sich der Durchlass 79 zunächst bis zur Mitte und erweitert sich dann wieder. Das Strömungshindernis 78 ist mit der Innenwandung der Entladungskammer 75 verbunden. Mit der Zündquelle wird im Füllgas 6 der Entladungskammer 75 eine Plasmazone 77 erzeugt, die im Durchlass 79 angeordnet ist. Der Laser 2 erzeugt den Laserstrahl 74, der durch die Fokussiereinheit 3 auf die Plasmazone 77 fokussiert ist. Der Laserstrahl 74 bewirkt einen zusätzlichen Energieeintrag in die Plasmazone 77. Es kommt zu einer örtlich inhomogenen Erwärmung des Füllgases 6. Die in der Entladungskammer 75 hervorgerufenen Temperaturunterschiede des Füllgases 6 sind die Ursache für das Auftreten einer Konvektion 70 innerhalb des Füllgases 6.
Erfindungsgemäß ist die Plasmazone 77 durch die Anordnung im Durchlass 79 vor der auftretenden Konvektion 70 geschützt, so dass der Einfluss der Konvektion 70 auf die Lage und die Größe der Plasmazone 77 vermindert wird. Gleichzeitig ermöglicht die sich verjüngende Form des Durchlasses 79 einen größeren Ein- und Ausfallswinkel der anregenden Laserstrahlung 74.
Die Länge des Durchlasses 79 in Richtung des Laserstrahls gesehen beträgt 2,0 mm. Der Durchmesser des Durchlasses 79 beträgt in seinem Maximum 0,5 mm und verjüngt sich auf 0,2 mm. Das Strömungshindernis 78 besteht aus Molybdän. Als Laser 2 wird ein Dioden-Laser verwendet. Die Entladungskammer 75 ist aus Quarzglas gefertigt. Als Füllgas 6 wird Xenon verwendet.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lampeneinheit, der insgesamt die Bezugsziffer 81 zugeordnet ist. Die Lampeneinheit 81 setzt sich zusammen aus einer Entladungskammer 85, einer Zündquelle (nicht dargestellt), einem Laser 2 und einer Fokussiereinheit 3 zur Fokussierung des Laserstrahls 84. Die Entladungskammer 85 enthält ein Füllgas 6.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass die Entladungskammer 85 ein Strömungshindernis 88 in Form einer Verengung der Entladungskammer 85 aufweist. Die Verengung der Entladungskammer 85 umschließt einen Durchlass 89. Mit der Zündquelle wird im Füllgas 6 der Entladungskammer 85 eine Plasmazone 87 erzeugt, die im Durchlass 89 angeordnet ist. Der Laser 2 erzeugt den Laserstrahl 84, der durch die Fokussiereinheit 3 auf die Plasmazone 87 fokussiert ist. Der Laserstrahl 84 bewirkt einen zusätzlichen Energieeintrag in die Plasmazone 87. Es kommt zu einer örtlich inhomogenen Erwärmung des Füllgases 6. Die in der Entladungskammer 85 hervorgerufenen Temperaturunterschiede des Füllgases 6 sind die Ursache für das Auftreten einer Konvektion 90 innerhalb des Füllgases 6.
Erfindungsgemäß ist die Plasmazone 87 durch die Anordnung im Durchlass 89 vor der auftretenden Konvektion 90 geschützt, so dass der Einfluss der Konvektion 90 auf die Lage und die Größe der Plasmazone 87 vermindert wird.
Entlang der optischen Achse beträgt die Gesamtlänge der Entladungskammer 20 mm. Der Durchmesser des Durchlasses 89 beträgt im Minimum 0,2 mm. Als Laser 2 wird ein Dioden-Laser verwendet. Die Entladungskammer 85 ist aus Quarzglas gefertigt. Als Füllgas 6 wird Xenon verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 61193358 A [0007]
US 20040264512 A1 [0008]
US 7435982 B2 [0009]

Claims

Lampeneinheit für die Erzeugung optischer Strahlung (1; 61; 71; 81), aufweisend eine Entladungskammer (5; 65; 75; 85), die ein Füllgas (6) enthält, eine Zündquelle zum Erzeugen einer Plasmazone (7; 67; 77; 87) innerhalb der Entladungskammer (5; 65; 75; 85) und einen Laser (2) zum Bereitstellen von Energie an die Plasmazone (7; 67; 77; 87) mittels eines Laserstrahls (4; 64; 74; 84), dadurch gekennzeichnet, dass in der Entladungskammer (5; 65; 75; 85) ein Mittel zur örtlichen Fixierung der Plasmazone (7; 67; 77; 87) angeordnet ist.
Lampeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur örtlichen Fixierung ein Strömungshindernis (8; 41; 51; 68; 78; 88) ist, das einen Durchlass (9; 42; 52; 69; 79; 89) aufweist, der die Plasmazone (7; 67; 77; 87) oben und unten begrenzt.
Lampeneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungshindernis (8; 41; 51; 68; 78; 88) eine Blende (8; 41; 51) ist, die sich quer zum Laserstrahl (4; 64; 74; 84) erstreckt und die eine Blendenöffnung (9; 42; 52) aufweist, die den Durchlass bildet.
Lampeneinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (9; 42; 52; 69; 79; 89) als ein sich in Richtung des Laserstrahls (4; 64; 74; 84) erstreckender Kanal (69; 79; 89) ausgebildet ist.
Lampeneinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (69; 79; 89) entlang der optischen Achse des Laserstrahls (4; 64; 74; 84) einen sich verjüngenden Querschnitt (79) aufweist.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (69; 79; 89) eine Länge von 0,1 mm bis 2 mm aufweist.
Lampeneinheit nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (9; 42; 52; 69; 79; 89) in Richtung des Laserstrahls (4; 64; 74; 84) gesehen einen elliptischen oder rechteckigen Öffnungsquerschnitt zeigt.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlass (9; 42; 52; 69; 79; 89) einen Durchmesser im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweist.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungshindernis (8; 41; 51; 68; 78; 88) für die erzeugte optische Strahlung durchlässig ist.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungshindernis (8; 41; 51; 68; 78; 88) aus Aluminiumoxid, Molybdän oder Wolfram besteht.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungshindernis (8; 41; 51; 68; 78; 88) über ein Verbindungselement mit der Entladungskammer (5; 65; 75; 85) verbunden ist.
Lampeneinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement aus demselben Werkstoff wie das Strömungshindernis (8; 41; 51; 68; 78; 88) besteht.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (2) ein Dioden-Laser ist.
Lampeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Laser (2) eine Fokussiereinheit (3) zur Fokussierung des Laserstrahls (4; 64; 74; 84) in die Plasmazone (7; 67; 77; 87) aufweist.