RU2734074C1

RU2734074C1 - Device and method of stabilizing optical radiation

Info

Publication number: RU2734074C1
Application number: RU2020118929A
Authority: RU
Inventors: Николай Германович Соловьев; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-10-12

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to an apparatus and a method of stabilizing broadband optical radiation with high spectral brightness and can be used in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields. Optical discharge radiation stabilization device consists of a discharge chamber which is transparent for input laser radiation and output optical radiation filled with a gas mixture of one or more lasers located outside the discharge chamber, which radiation is focused near discharge chamber center. Inside the chamber in its upper part there is a heat-removing rod, the end of which is located above the optical discharge surface, providing intense heat release from the heated gas, without contact with the plasma itself, optical discharge, wherein heat-removing rod diameter is larger than maximum size of hot gas cloud and is limited by size of discharge chamber section.EFFECT: improved characteristics of the stabilization process, reduced oscillation instability of the optical discharge and improved spatial stability owing to use of a heat-removing rod located above the optical discharge.3 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое техническое решение относится к приспособлениям и способу стабилизации широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.The claimed technical solution relates to devices and a method for stabilizing broadband optical radiation with high spectral brightness and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields.

Оптический разряд в газе, поддерживаемый сфокусированным лазерным излучением, является одним из самых ярких источников непрерывного оптического излучения в широкой области спектра. Температура плазмы в оптическом разряде существенно выше, чем в других – 15000-20000 К, тогда как в дуговом обычно 7000-8000 К, в ВЧ разряде – 9000-10000 К. [1] ([1] Генералов Н.А., Зимаков В.П. И др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11, с. 447-449).An optical discharge in a gas, supported by focused laser radiation, is one of the brightest sources of continuous optical radiation in a wide spectral region. Plasma temperature in an optical discharge is significantly higher than in others - 15000-20000 K, while in an arc usually 7000-8000 K, in an HF discharge - 9000-10000 K. [1] ([1] Generalov N.A., Zimakov VP et al. “Continuously burning optical discharge.” Letters to ZhETF, 1970, v. 11, pp. 447-449).

Источники широкополосного излучения на базе такого оптического разряда выпускает, например, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq ). Sources of broadband radiation based on such an optical discharge are produced, for example, by Energetiq Technology, Inc. (USA), they are described in detail on the website of this company [2]. ([2] https://www.energetiq.com/ldls-laser-driven-light-source-products-energetiq).

Малые геометрические размеры лазерной плазмы, составляющие доли миллиметра, наряду с ее высокой температурой препятствуют достижению необходимой во многих случаях стабильности выходных характеристик широкополосного источника света. Главным образом, это связано с влиянием колебаний конвективных потоков газа в камере на область излучающей плазмы и соответственно на энергетическую и пространственную стабильность источника света с лазерной накачкой. The small geometric dimensions of the laser plasma, which are fractions of a millimeter, along with its high temperature, impede the attainment of the stability of the output characteristics of a broadband light source, which is required in many cases. This is mainly due to the influence of oscillations of the convective gas flows in the chamber on the region of the emitting plasma and, accordingly, on the energy and spatial stability of the laser-pumped light source.

Известен способ борьбы с неустойчивостью оптического разряда, принятый за аналог, описанный в [3]. ([3] А. Барановский, З. Муха, 3. Перадзыньский (Польша) «Неустойчивость непрерывного оптического разряда в газах». Успехи механики, 1978, том 1, выпуск 3/4, с. 125-147). Авторы предположили, что колебания генерируются снизу оптического разряда, то есть между плазмой и нижним фронтом температуры нагреваемого оптическим разрядом газа. Для подавления колебаний оптического разряда вблизи нижнего градиентного слоя по оси симметрии вводилась вершина твердого конуса. Приближение к оптическому разряду вызывает нагрев конуса, а также нагрев обтекающего его вверх газа. Это вызывало полное исчезновение колебаний во всем потоке. Необходимая температура конуса для подавления колебаний составляла 500-800 градусов Кельвина. Вне оси симметрии это явление не обнаруживается. Второй способ подавления колебаний, предложенный в этом же источнике, состоит в размещении снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток для нагрева восходящего потока газа до нескольких сот градусов Цельсия. Оба способа, как конус, так и вольфрамовая сетка, позволяют подавлять колебательные неустойчивости оптического разряда.A known method of dealing with the instability of an optical discharge, taken as an analogue described in [3]. ([3] A. Baranovsky, Z. Mucha, 3. Peradzynsky (Poland) “Instability of a continuous optical discharge in gases.” Uspekhi mekhaniki, 1978, volume 1, issue 3/4, pp. 125-147). The authors assumed that the oscillations are generated from below the optical discharge, that is, between the plasma and the lower front of the temperature of the gas heated by the optical discharge. To suppress the oscillations of the optical discharge near the lower gradient layer, the apex of a solid cone was introduced along the symmetry axis. The approach to the optical discharge causes heating of the cone, as well as heating of the gas flowing around it. This caused the complete disappearance of vibrations in the entire flow. The required cone temperature to suppress oscillations was 500-800 Kelvin. This phenomenon is not detected outside the axis of symmetry. The second method of suppressing oscillations, proposed in the same source, consists in placing a grid of tungsten wire below the optical discharge, through which an electric current was passed to heat the ascending gas flow to several hundred degrees Celsius. Both methods, both the cone and the tungsten grid, allow suppressing the vibrational instabilities of the optical discharge.

Недостатком введения конуса снизу оптического разряда для подавления колебаний при помощи его разогрева является сильный нагрев вершины конуса вблизи высокотемпературного (15-20 тыс. градусов) оптического разряда, что может вызвать плавление и распыление материала конуса тем самым приводя к изменению характеристик оптического разряда. The disadvantage of introducing a cone from the bottom of the optical discharge to suppress oscillations by heating it is a strong heating of the top of the cone near a high-temperature (15-20 thousand degrees) optical discharge, which can cause melting and sputtering of the cone material, thereby leading to a change in the characteristics of the optical discharge.

Недостатком размещения снизу оптического разряда сетки из вольфрамовой проволоки, по которой пропускался электрический ток, является усложнение конструкции, а также дополнительный разогрев разрядного объема, что может потребовать использования внешнего охлаждения. The disadvantage of placing a grid of tungsten wire, through which an electric current was passed, from the bottom of the optical discharge, is the complication of the design, as well as additional heating of the discharge volume, which may require the use of external cooling.

Недостатком размещения как конуса, так и вольфрамовой сетки снизу оптического разряда является также невозможность использовать часто применяемый способ подачи лазерного излучения снизу вверх по геометрической оси оптического разряда с целью минимизации оптических искажений. The disadvantage of placing both the cone and the tungsten grid at the bottom of the optical discharge is also the impossibility of using the frequently used method of supplying laser radiation from the bottom up along the geometric axis of the optical discharge in order to minimize optical distortions.

Известен способ борьбы с неустойчивостью оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] Патент US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). В известном патенте источник света с поддержанием плазмы лазерным излучением включает в себя плазменную лампу, содержащую поток рабочего газа, приводимый в движение электрическим током, поддерживаемым внутри плазменной лампы. В рабочий газ плазменной лампы вводятся заряженные частицы. Расположение электродов, поддерживаемых при разных уровнях напряжения, приводит к движению заряженных частиц через рабочий газ. Движение заряженных частиц в свою очередь приводит к тому, что рабочий газ течет в направлении движения заряженных частиц за счет эффекта увлечения. Результирующий поток рабочего газа усиливает конвекцию вокруг плазмы и увеличивает взаимодействие лазерного излучения с плазмой. Поток рабочего газа в плазменных лампах может быть стабилизирован и управляться регулировкой напряжений, присутствующих на каждом из электродов. Стабильный поток рабочего газа через плазму способствует более стабильной форме и положению плазмы внутри лампы. Известный способ позволяет подавлять неустойчивости в оптическом разряде.A known method of dealing with the instability of an optical discharge, taken as an analogue given in [4]. ([4] Patent US20130342105 Pub. Date: Dec. 26, 2013 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH ELECTRICALLY INDUCED GAS FLOW). In a prior art patent, a laser-supported plasma light source includes a plasma lamp containing a working gas flow driven by an electric current maintained within the plasma lamp. Charged particles are introduced into the working gas of the plasma lamp. The arrangement of the electrodes, maintained at different voltage levels, causes charged particles to move through the working gas. The movement of charged particles, in turn, leads to the fact that the working gas flows in the direction of movement of charged particles due to the drag effect. The resulting flow of working gas enhances convection around the plasma and increases the interaction of laser radiation with plasma. The working gas flow in plasma lamps can be stabilized and controlled by adjusting the voltages present at each of the electrodes. A stable flow of working gas through the plasma contributes to a more stable shape and position of the plasma inside the lamp. The known method makes it possible to suppress instabilities in an optical discharge.

Недостатком известного способа борьбы с неустойчивостью является необходимость размещения внутри объема лампы дополнительных электродов (в вариантах патента размещение дополнительных электродов снаружи лампы), дополнительного источника различных напряжений для электродов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров плазменной лампы.The disadvantage of the known method of dealing with instability is the need to place additional electrodes inside the volume of the lamp (in the variants of the patent, placement of additional electrodes outside the lamp), an additional source of various voltages for the electrodes, which leads to a more complex design and an increase in the overall dimensions of the plasma lamp.

Недостатком также является необходимость введения в рабочий газ лампы заряженных частиц, например, электронной эмиссией, коронным разрядом, фотоэмиссией, термоэлектронной эмиссией или нагревом электрода электрической дугой. Все это усложняет конструкцию лампы, а также уменьшает суммарный КПД источника света за счет поглощения выходного излучения дополнительными элементами (электроды, источники заряженных частиц, подводящие провода). The disadvantage is also the need to introduce charged particles into the working gas of the lamp, for example, by electron emission, corona discharge, photoemission, thermionic emission or heating the electrode with an electric arc. All this complicates the design of the lamp, and also reduces the total efficiency of the light source due to the absorption of the output radiation by additional elements (electrodes, sources of charged particles, supply wires).

Известен способ борьбы с неустойчивостями оптического разряда, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] Патент на изобретение RU 2534223 C1 «ИСТОЧНИК СВЕТА С ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯ». Опубликовано 27.11.2014 Бюл. № 33). Повышение пространственной и энергетической стабильности источника света с лазерной накачкой обеспечивается тем, что сфокусированный лазерный пучок направлен в область излучающей плазмы снизу вверх: от нижней стенки камеры к противоположной ей верхней стенке камеры, и область излучающей плазмы расположена вблизи верхней стенки камеры. В вариантах изобретения сфокусированный лазерный луч направляют вдоль вертикальной оси симметрии стенок камеры, область излучающей плазмы создают на оптимально малом расстоянии от верхней стенки камеры, не оказывающем негативного воздействия на ресурс устройства, охлаждают камеру потоком защитного газа, направленным на верхнюю стенку камеры. Известный способ позволяет подавлять неустойчивости в оптическом разряде. The known method of dealing with instabilities of the optical discharge, taken as the prototype, given in [5]. ([5] Patent for invention RU 2534223 C1 "SOURCE OF LIGHT WITH LASER PUMPED AND METHOD OF RADIATION GENERATION". Published on November 27, 2014 Bul. No. 33). An increase in the spatial and energy stability of the laser-pumped light source is ensured by the fact that the focused laser beam is directed into the region of the emitting plasma from bottom to top: from the lower wall of the chamber to the opposite upper wall of the chamber, and the region of the emitting plasma is located near the upper wall of the chamber. In embodiments of the invention, a focused laser beam is directed along the vertical axis of symmetry of the chamber walls, the region of emitting plasma is created at an optimally small distance from the upper wall of the chamber that does not adversely affect the life of the device, the chamber is cooled with a flow of shielding gas directed to the upper wall of the chamber. The known method makes it possible to suppress instabilities in an optical discharge.

Недостатком известного способа является расположение области излучающей плазмы вблизи верхней стенки камеры, вызывающее смещение области плазмы относительно центра симметрии камеры, что неизбежно приводит к оптическим искажениям как лазерного пучка, так и излучения плазмы оптического разряда из-за неперпендикулярности волнового фронта и поверхности корпуса камеры, что в конечном итоге приводит к искажению формы оптического разряда и неравномерности выходного излучения.The disadvantage of this method is the location of the region of emitting plasma near the upper wall of the chamber, which causes a displacement of the plasma region relative to the center of symmetry of the chamber, which inevitably leads to optical distortions of both the laser beam and the radiation of the optical discharge plasma due to the non-perpendicularity of the wavefront and the surface of the chamber body, which ultimately leads to distortion of the shape of the optical discharge and uneven output radiation.

Кроме того, недостатком известного способа является необходимость охлаждать камеру потоком защитного газа, направленным на ее верхнюю стенку, в направлении которой смещен оптический разряд, что приводит к усложнению конструкции. In addition, the disadvantage of the known method is the need to cool the chamber with a flow of protective gas directed to its upper wall, in the direction of which the optical discharge is displaced, which leads to a complication of the design.

Заявляемые приспособление и способ стабилизации излучения оптического разряда направлены на улучшение характеристик процесса стабилизации, а именно на уменьшение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.The claimed device and method for stabilizing radiation of an optical discharge are aimed at improving the characteristics of the stabilization process, namely, at reducing the vibrational instability of the optical discharge and improving its spatial stability.

Указанный результат достигается тем, что приспособление стабилизации излучения оптического разряда, состоит из разрядной камеры, прозрачной для входного лазерного излучения и выходного оптического излучения, заполненной газовой смесью, одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры, излучение которых сфокусировано вблизи центра разрядной камеры, причем внутрь камеры в верхней ее части введен теплоотводящий стержень, торцевой конец которого расположен над поверхностью оптического разряда, обеспечивая интенсивную теплоотдачу от нагретого газа, без контакта с самой плазмой оптического разряда, причем диаметр теплоотводящего стержня больше максимального размера облака горячего газа и ограничен размером сечения разрядной камеры.This result is achieved by the fact that the device for stabilizing the radiation of the optical discharge consists of a discharge chamber, transparent for the input laser radiation and output optical radiation, filled with a gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, and inside the chamber, in its upper part, a heat removal rod is introduced, the end end of which is located above the surface of the optical discharge, providing intense heat transfer from the heated gas, without contact with the optical discharge plasma itself, and the diameter of the heat removal rod is larger than the maximum size of the hot gas cloud and is limited by the size of the section of the discharge chamber ...

Приспособление стабилизации излучения оптического разряда имеет теплоотводящий стержень, который может быть изготовлен из металла, керамики или их комбинации.The device for stabilizing the radiation of the optical discharge has a heat sink rod, which can be made of metal, ceramic, or a combination thereof.

Указанный результат также достигается тем, что в способе стабилизации излучения оптического разряда , расположенного в разрядной камере, при котором первоначальный поджиг плазмы осуществляют внешним импульсным лазером, либо кратковременным увеличением мощности одного или нескольких из используемых для оптического разряда лазеров, либо применением двух штыревых электродов, расположенных вблизи оптического разряда, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения, отличающийся тем, что при расширении области нагретого газа вокруг оптического разряда проводят интенсивное охлаждение области нагретого газа, стабилизацию ее формы и прекращение колебаний путем соприкосновения ее с поверхностью введенного сверху теплоотводящего стержня, диаметром больше максимального размера облака горячего газа, но не более размера сечения разрядной камерыСущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами. This result is also achieved by the fact that in the method of stabilizing the radiation of an optical discharge located in the discharge chamber, in which the initial plasma ignition is carried out by an external pulsed laser, either by a short-term increase in the power of one or more of the lasers used for the optical discharge, or by using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, characterized in that when the heated gas region expands around the optical discharge, the heated gas region is intensively cooled, its shape is stabilized and oscillations are stopped by contacting it with the surface of a heat sink rod introduced from above, with a diameter greater than the maximum size clouds of hot gas, but not more than the size of the section of the discharge chamber The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and graphic materials.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого приспособления. FIG. 1 shows a schematic representation of the inventive device.

На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда для пояснения возникновения колебательной неустойчивости. FIG. 2 shows sequential shadow photographs of the optical discharge to explain the occurrence of vibrational instability.

На фиг. 3 изображено возможное применение заявляемого изобретения.FIG. 3 shows a possible application of the claimed invention.

Приспособление стабилизации излучения оптического разряда состоит из прозрачной герметичной камеры 1, заполненной газовой смесью, способной пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда, так и широкополосное выходное излучение самого оптического разряда. Оптический разряд 2 располагается преимущественно в центре камеры 1 для обеспечения минимальных оптических искажений. Его положение определяется местом фокусировки лазерного излучения (лазерное излучение на фиг. 1 не показано). Через верхнюю стенку камеры 1 внутрь объема с газовой смесью введен (впаян, вварен, вклеен) неподвижный теплоотводящий стержень 3, который может состоять из металла, керамики или их комбинации. Стержень 3 расположен таким образом, чтобы его нижняя часть находилась вблизи оптического разряда 2, но не контактировала с нагретой до высокой температуры плазмой оптического разряда 2 для предотвращения расплавления и испарения материала с его поверхности.The device for stabilizing the radiation of an optical discharge consists of a transparent sealed chamber 1 filled with a gas mixture capable of transmitting both laser radiation for igniting and maintaining the optical discharge plasma, and the broadband output radiation of the optical discharge itself. The optical discharge 2 is located mainly in the center of the chamber 1 to ensure minimal optical distortion. Its position is determined by the place of focusing of the laser radiation (laser radiation is not shown in Fig. 1). Through the upper wall of the chamber 1, a stationary heat sink 3, which can consist of metal, ceramics, or their combination, is introduced (sealed, welded, glued in) into the volume with the gas mixture. The rod 3 is located in such a way that its lower part is near the optical discharge 2, but does not come into contact with the plasma of the optical discharge 2 heated to a high temperature to prevent melting and evaporation of the material from its surface.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров фокусируется через прозрачные стенки разрядной камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 2. Для первоначального поджига оптического разряда могут быть использованы известные из уровня техники способы, состоящие в подаче импульса от внешнего лазера, вызывающего пробой газа внутри разрядной камеры 1, либо в кратковременном повышении мощности одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры 1, излучение которых сфокусировано в области оптического разряда 2 вблизи центра разрядной камеры, либо применение двух штыревых электродов (на фиг. 1 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 2, между которыми прикладывается импульс пробойного напряжения. При этом образуется облако плазмы, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазма поддерживается за счет поглощения поступающего лазерного излучения, образуя так называемый оптический разряд 2. Интенсивное выделение тепла оптическим разрядом 2 нагревает окружающую газовую смесь, образующую разогретый объем газа 4, увеличивающийся в размерах. При этом соприкосновение горячего газа 4 с холодным теплоотводящим стержнем 3, введенным внутрь газоразрядной камеры 1, приводит к его охлаждению. Стержень 3 расположен сверху оптического разряда, куда по закону Архимеда движется поток разогретого оптическим разрядом 2 газа 4. При соприкосновении с поверхностью стержня 3 происходит интенсивное охлаждение горячего газа 4, при этом чем больше размер области нагретого оптическим разрядом газа, тем интенсивнее происходит его охлаждение за счет увеличения площади его соприкосновения с поверхностью теплоотводящего стержня 3. Диаметр теплоотводящего стержня 3 должен быть больше максимально возможного размера облака горячего газа в области, куда установлен стержень 3. Таким образом возникает баланс между потоком тепла от нагретого оптическим разрядом 2 газа 4, и потоком тепла, отводимого теплоотводящим стержнем 3, которое рассеивается в окружающую среду либо за счет конвекции с внешней стороны стрежня 3, либо за счет его принудительного воздушного или водяного охлаждения (на фиг. 1 способы охлаждения не показаны). Интенсивный отток тепла через теплоотводящий стержень 3 останавливает расширение области нагретого газа, ограниченного фронтом температуры 4, тем самым стабилизируя ее размер и подавляя колебания. The invention works as follows. Laser radiation from one or several lasers is focused through the transparent walls of the discharge chamber 1 in the region of its center, where it is supposed to ignite the optical discharge 2. For the initial ignition of the optical discharge, methods known from the prior art can be used, consisting in applying a pulse from an external laser causing a breakdown gas inside the discharge chamber 1, or in a short-term increase in the power of one or more lasers located outside the discharge chamber 1, the radiation of which is focused in the region of the optical discharge 2 near the center of the discharge chamber, or the use of two pin electrodes (not shown in Fig. 1) located near optical discharge 2, between which a breakdown voltage pulse is applied. In this case, a plasma cloud is formed, intensely absorbing laser radiation. Further, the plasma is maintained by absorbing the incoming laser radiation, forming the so-called optical discharge 2. Intense heat release by the optical discharge 2 heats the surrounding gas mixture, which forms a heated volume of gas 4, increasing in size. In this case, the contact of the hot gas 4 with the cold heat-removing rod 3, introduced into the gas-discharge chamber 1, leads to its cooling. Rod 3 is located on top of the optical discharge, where, according to the Archimedes' law, the flow of gas 4 heated by the optical discharge 2 moves. When it comes into contact with the surface of the rod 3, the hot gas 4 is intensively cooled, and the larger the size of the region of the gas heated by the optical discharge, the more intensively it is cooled after by increasing the area of its contact with the surface of the heat sink 3. The diameter of the heat sink 3 must be greater than the maximum possible size of the hot gas cloud in the area where the rod 3 is installed. Thus, a balance arises between the heat flow from the gas 4 heated by the optical discharge 2 and the heat flow removed by the heat sink rod 3, which is dissipated into the environment either due to convection from the outer side of the rod 3, or due to its forced air or water cooling (cooling methods are not shown in Fig. 1). Intensive outflow of heat through the heat removal rod 3 stops the expansion of the heated gas region, limited by the temperature front 4, thereby stabilizing its size and suppressing oscillations.

Вариант осуществления изобретения приведен на фиг. 2 и фиг. 3. Фиг. 2 поясняет процесс возникновения колебательной неустойчивости вокруг оптического разряда. На фиг. 2 изображены последовательные по времени теневые фотографии оптического разряда в ксеноне при давлении около 20 бар (снимки сделаны авторами). Сам оптический разряд 2 виден как яркое эллиптическое пятно в нижней части фотографий. Светлые линии вокруг него представляют собой градиент температуры между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и более холодным объемом газа в остальной части разрядной камеры 1. Фото А на фиг. 2 показывает, что вокруг оптического разряда формируется объем нагретого газа, ограниченный снизу и с боков полусферическим пространством диаметром около 1,5 мм. На следующих фото Б и В видно, что облако нагретого газа увеличивается в размере приблизительно до 2 мм из-за нагрева газа оптическим разрядом. Фото Г показывает, что пузырь горячего газа начинает всплывать вверх согласно закону Архимеда. На фото А виден этот всплывающий пузырь уже выше оптического разряда, а на его месте возникает следующий объем горячего газа. Этот процесс повторяется циклически с частотой около 40 Гц, вызывая, таким образом, периодические колебания холодного и горячего газа вокруг оптического разряда. Так как коэффициент преломления оптического излучения зависит от плотности среды, то такие колебания приводят к отклонениям как лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, так и широкополосного излучения самого оптического разряда. Отклонение лазерного излучения, поддерживающего оптический разряд, приводит к смещению пространственного положения оптического разряда, а отклонение его выходного излучения ухудшает качество фокусировки и стабильность световых характеристик. An embodiment of the invention is shown in FIG. 2 and FIG. 3. FIG. 2 explains the process of occurrence of vibrational instability around an optical discharge. FIG. 2 shows sequential shadow photographs of an optical discharge in xenon at a pressure of about 20 bar (photographs taken by the authors). The optical discharge 2 itself is visible as a bright elliptical spot at the bottom of the photographs. The light lines around it represent the temperature gradient between the hot gas around the optical discharge 2 and the colder volume of gas in the rest of the discharge chamber 1. Photo A in FIG. 2 shows that a volume of heated gas is formed around the optical discharge, limited from below and from the sides by a hemispherical space with a diameter of about 1.5 mm. The next photos B and C show that the heated gas cloud increases in size up to about 2 mm due to the heating of the gas by the optical discharge. Photo D shows that a bubble of hot gas begins to float upwards according to Archimedes' law. Photo A shows this floating bubble already above the optical discharge, and in its place there is the next volume of hot gas. This process repeats cyclically with a frequency of about 40 Hz, thus causing periodic oscillations of cold and hot gas around the optical discharge. Since the refractive index of optical radiation depends on the density of the medium, such oscillations lead to deviations of both the laser radiation supporting the optical discharge and the broadband radiation of the optical discharge itself. The deflection of the laser radiation supporting the optical discharge leads to a shift in the spatial position of the optical discharge, and the deflection of its output radiation deteriorates the focusing quality and the stability of the light characteristics.

На фиг. 3 изображено возможное применение заявляемого изобретения. Оптический разряд 2 виден в форме яркого эллипса в нижней части рисунка. Сверху от него изображен теплоотводящий стержень 3, нижняя часть которого расположена на некотором расстоянии от оптического разряда. Температура нагретого газа в промежутке между оптическим разрядом и концом теплоотводящего стрежня согласно расчетам и непосредственным измерением составляет приблизительно 3000 градусов Кельвина [6] ([6] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1394/1/012012/pdf ). При этом тепловой поток через газ от оптического разряда существенно меньше отвода тепла через теплоотводящий стержень, что предотвращает оплавление и испарение материала с поверхности стрежня. Благодаря установившемуся тепловому балансу между объемом нагретого газа и теплоотводящим стержнем, излучение оптического разряда, его форма и положение, а также форма нагретого облака горячего газа остаются стабильными во времени и в пространстве, обеспечивая стабилизацию излучения оптического разряда. Оценка диаметра нагретой области вокруг оптического разряда, а значит форма и положения теплоотводящего стержня для различного состава и давления газа в камере могут быть вычислены компьютерным моделированием тепловых процессов в камере оптического разряда, либо получены непосредственно в эксперименте. FIG. 3 shows a possible application of the claimed invention. Optical discharge 2 is seen in the form of a bright ellipse at the bottom of the figure. Above it, a heat-removing rod 3 is shown, the lower part of which is located at some distance from the optical discharge. The temperature of the heated gas in the gap between the optical discharge and the end of the heat sink rod, according to calculations and direct measurement, is approximately 3000 Kelvin [6] ([6] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1394/1 / 012012 / pdf). In this case, the heat flux through the gas from the optical discharge is significantly less than the heat removal through the heat sink rod, which prevents melting and evaporation of the material from the rod surface. Due to the established thermal balance between the volume of the heated gas and the heat-removing rod, the radiation of the optical discharge, its shape and position, as well as the shape of the heated cloud of hot gas remain stable in time and space, providing stabilization of the radiation of the optical discharge. The estimate of the diameter of the heated area around the optical discharge, and hence the shape and position of the heat-removing rod for various compositions and gas pressures in the chamber, can be calculated by computer simulation of thermal processes in the optical discharge chamber, or obtained directly in experiment.

В общем случае теплоотводящий стержень 3 должен выбираться большего диаметра, чем предполагаемый (вычисленный, либо экспериментально измеренный) диаметр облака горячего газа 4, вплоть до размера сечения разрядной камеры в указанном месте. Это справедливо для случая, когда нет необходимости максимально собирать широкополосное излучение оптического разряда, а достаточно излучения, например, с нижней и боковой частей сферической поверхности разрядной камеры.In the general case, the heat-removing rod 3 should be selected with a larger diameter than the assumed (calculated or experimentally measured) diameter of the hot gas cloud 4, up to the size of the section of the discharge chamber at the indicated place. This is true for the case when there is no need to collect the broadband radiation of the optical discharge as much as possible, but radiation is sufficient, for example, from the lower and lateral parts of the spherical surface of the discharge chamber.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в возможности применения теплоотводящего стержня 3 для стабилизации излучения оптического разряда существенно большего диаметра, чем диаметр области горячего газа, образующегося вокруг оптического разряда. Это позволит использовать различные составы и давления газа при различных мощностях лазерного излучения для получения оптического разряда без изменения конструкции камеры. При этом оптический разряд располагается в центре разрядной камеры, что минимизирует оптические искажения, вносимые ее прозрачными стенками.A characteristic feature of the claimed invention consists in the possibility of using a heat-removing rod 3 to stabilize the radiation of an optical discharge of a substantially larger diameter than the diameter of the region of hot gas generated around the optical discharge. This will make it possible to use different compositions and gas pressures at different laser radiation powers to obtain an optical discharge without changing the design of the chamber. In this case, the optical discharge is located in the center of the discharge chamber, which minimizes the optical distortions introduced by its transparent walls.

Claims

1. A device for stabilizing optical discharge radiation, consisting of a discharge chamber transparent to the input laser radiation and output optical radiation, filled with a gas mixture, one or more lasers located outside the discharge chamber, the radiation of which is focused near the center of the discharge chamber, characterized in that the inside In the upper part of the chamber, a heat removal rod is introduced, the end end of which is located above the surface of the optical discharge, providing intense heat transfer from the heated gas, without contact with the optical discharge plasma itself, and the diameter of the heat removal rod is larger than the maximum size of the hot gas cloud and is limited by the size of the section of the discharge chamber.

2. A device for stabilizing radiation of an optical discharge according to claim 1, characterized in that the heat sink rod can be made of metal, ceramics, or a combination thereof.

3. A method for stabilizing radiation of an optical discharge located in a discharge chamber, in which the initial plasma ignition is carried out by an external pulsed laser, or by a short-term increase in the power of one or more of the lasers used for an optical discharge, or by using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, characterized in that when the heated gas region expands around the optical discharge, the heated gas region is intensively cooled, its shape is stabilized and oscillations are stopped by contacting it with the surface of a heat removal rod introduced from above with a diameter greater than the maximum size of the hot gas cloud, but not more the size of the discharge chamber section.