本发明涉及具有连续光学放电(cod)的宽带光源，以及启动由连续激光辐射维持的等离子体点火的方法。
背景技术：
1、与创建高亮度基于cod的光源相关的挑战之一涉及cod的可靠启动点火。
2、例如，从2016年6月14日公布的专利us9368337中可知，在激光泵浦等离子体光源中，位于透明室轴线上的两个针电极用于启动等离子体点火，在这两个针电极之间会产生短时间的电弧放电。cw激光束聚焦在腔中心两个电极之间的间隙中。光源的特点是高亮度和易于使用。后者主要是由于含有气体，特别是高压xe(10atm或更高，即1mpa或更高)的具有两个电极的石英室或灯泡是市售产品。
3、然而，位于高温等离子体区域附近的相对较冷的电极会对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，辐射等离子体区域附近存在的电极的特征在于限制等离子体辐射出射的“死”空间角度。此外，电极材料溅射可能导致灯泡壁的透明度降低，并相应地导致光源随着时间的推移而退化。
4、2016年5月31日公布的专利us9357627中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点火之后，激光束聚焦区域以及相应的辐射等离子体区域从点火电极之间的间隙朝向室壁移动。通过选择激光束、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。
5、然而，移动辐射等离子体区域的需求使光源设计和操作变得复杂。此外，这使得使用激光束的锐聚焦更加困难，这可能限制光源的高亮度的实现。包含电极的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室形状，这导致在高气压下操作时室的强度较低。
6、从1986年8月27日公布的专利申请jps61193358中获知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火和cod维持。
7、然而，等离子体点火所需的激光辐射阈值功率通常为约十至数百千瓦或更高，而足以维持cod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同一激光器用于等离子体点火和cod维持会导致光源寿命缩短(当全部激光功率用于cod维持时)，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。
8、2018年8月21日公布的专利us10057973提出通过使用功率小于250瓦、波长小于1.1pm的单个cw激光器来克服这一挑战。建议通过cw激光束的锐聚焦来提供cod点火和维持，聚焦区域交叉尺寸小于1-15微米(即，1-15μm)，聚焦区域长度为6微米或更小(即，6μm或更小)。
9、然而，该解决方案并不通用，因为对激光聚焦的要求非常高，且不能保证所提议光源的高功能可靠性。此外，提供给光源的大约250瓦的激光功率对于各种应用来说可能太高。
10、从1985年5月3日公布的专利fr2554302中获知的光源克服了这些缺点，其中用于初始等离子体点火或光学击穿的聚焦脉冲激光束用作等离子体点火的手段，cw激光用于cod维持。上述方法消除了激光泵浦等离子体光源寿命的问题。
11、然而，等离子体点火和确保激光泵浦等离子体光源的高亮度都需要激光束的锐聚焦。因此，需要对脉冲和cw激光聚焦区域进行极其精确的调整。这导致激光点火的复杂性和差的可靠性，使得在高亮度光源中稳定的cod点火成为问题。
12、2017年5月25日公布的专利us10244613中的光源部分克服了这些缺点。在本发明的实施例中，用于cod维持的一个或多个点火激光器的光束和一个或多个cw激光器的光束被引入用于将所述激光器的辐射传输到凝聚或聚焦光学系统的光纤中。在所述设备中，如果所述激光的波长相似，则实现脉冲激光和cw激光的聚焦区域的叠加。
13、然而，如果脉冲激光和cw激光的波长不同，它们的聚焦区域会由于色差而发散。此外，通过光纤传输用于可靠的cod点火的高功率激光脉冲(数百kw)可能导致光纤损坏，这决定了该解决方案的缺点。
14、最接近的技术解决方案(在本文中偶尔被称为原型)为2020年9月28日公布的专利ru2732999(同样地us10770282b2)中的光源，其中等离子点火装置为固态激光器系统，可产生两束聚焦在室内的激光束。在q开关模式下产生的激光束被设计成光学击穿气体。同时，在自由运行模式下产生的激光束本身不能被光学击穿，该激光束被设计成在光学击穿后产生等离子体，该等离子体的体积和密度足以通过连续激光保持其稳定。换句话说，在巨脉冲模式下产生的两个激光束的共同作用和自由运行导致等离子体的形成，其燃烧由连续激光器拾取。因此，提供了激光泵浦等离子体光源的可靠的无电极点火。这允许创建具有高空间和能量稳定性以及在大空间角度收集等离子体辐射的最高亮度宽带光源成为可能。
15、然而，两个有源元件的存在使固态激光器系统和光源变得复杂，降低了其操作的可靠性和便利性。当使用脉冲激光器系统的公共谐振器时，对制成棒状的两个有源元件的端部的平行度有相当严格的要求。获得两个平行光束的另一个问题是不同棒中热效应的差异。此外，使用在空间上分开的两个脉冲激光束使它们与连续激光束一起引入室变得复杂，需要使用分色镜。后者又导致必须使用通过分色镜的偏振激光辐射来减少反射损失，并对点火和连续激光辐射的波长选择施加限制，使得难以使用辐射波长相近的脉冲和cw激光器。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题涉及创建用于连续光学放电的高度可靠激光点火的方法和设备，并在此基础上开发高亮度、高稳定性的激光泵浦等离子体光源。
2、本发明的技术成果在于确保简化光源设计，提高其可靠性和易用性，并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。
3、可通过激光泵浦等离子体光源实现该目的，光源包括：充气室，至少部分充气室是光学透明的，通过连续波(cw)激光的聚焦光束在充气室中维持的辐射等离子体区域，以及用于等离子体点火的装置。
4、光源的特征在于，用于等离子体点火的装置为固态激光器系统，产生两个脉冲激光束，并聚焦到室中；所述两个脉冲激光束中的一束以自由运行模式产生，另一束以q开关模式产生。
5、固态激光器系统包含单个有源元件(即，仅一个有源元件)、用于泵浦有源元件的辐射源和光学谐振器，光学谐振器提供腔内激光束通过有源元件的多个通道(即，重复的通道)；光学谐振器配备有安装在腔内激光束路径上的q开关，使得q开关仅与腔内激光束的部分横截面重叠。
6、在本发明的实施例中，q开关是由掺铬钇铝石榴石晶体cr4+：yag制成的可饱和吸收体。
7、在本发明的实施例中，q开关与腔内激光束横截面的一小部分重叠，不超过其面积的30％。
8、在本发明的实施例中，聚焦光学元件将脉冲激光束和cw激光束聚焦到室中，聚焦光学元件上的cw激光束与聚焦光学元件上的脉冲激光束不相交。
9、在本发明的实施例中，偏转镜安装在脉冲激光束路径之外的cw激光器的光束路径上。
10、在本发明的实施例中，偏转镜安装在cw激光光束通过路径之外的脉冲激光束通过路径上。
11、在本发明的实施例中，足以点火和维持辐射等离子体的cw激光器的输出功率不超过30瓦。
12、在本发明的实施例中，cw激光聚焦光束的轴线垂直向上或接近垂直方向，与垂直方向的夹角不超过10度。
13、在本发明的实施例中，室内气体颗粒的密度小于90·1019cm-3，相当于室温下33atm(即，3.3mpa)的气压，室内表面的温度不低于600k。
14、在本发明的实施例中，室内表面的温度不超过900k，气体颗粒的密度不小于45·1019cm-3，这相当于室温下16.5atm(即，1.6mpa)的气压。
15、在本发明的优选实施例中，辐射等离子体的特征在于高光谱亮度(大于50mw/(mm2·nm·sr)和亮度σ的相对不稳定性较低(小于1％)。
16、在本发明的优选实施例中，气体属于一组惰性气体。组包括元素氙、氪、氩、氖，但是气体也可以是这些元素的混合物。
17、另一方面，本发明涉及一种在激光泵浦等离子体光源中进行等离子体点火的方法，包括：将连续波(cw)激光的聚焦光束导入充气室，充气室的至少一部分是光学透明的，通过使用cw激光的聚焦光束进行等离子体点火和辐射等离子体的稳定维持。
18、该方法的特征在于，等离子体由具有单个有源元件的固态激光器系统点火，该系统产生聚焦到室中的两个平行脉冲激光束；所述两个脉冲激光束中的一束以自由运行模式产生，另一束脉冲激光束由安装在光学腔中的q开关以q开关模式产生，仅与腔内激光束的部分横截面重叠。换句话说，第一光束在自由运行模式下产生，第二光束在q开关模式下产生。
19、在本发明的实施例中，聚焦光学元件将脉冲激光束和cw激光束聚焦到用于维持辐射等离子体的区域，聚焦光学元件上的cw激光束与聚焦光学元件上的脉冲激光束不相交。
20、当采用提出的形式的光源时，由于使用仅具有一个用于等离子体点火的有源元件的激光器系统，激光器系统的元件数量减少，设计尽可能简化，用于激光等离子体点火的装置和辐射源的可靠性增加。与原型相比，消除了由于两个有源元件的不同棱镜度而与两个脉冲激光束的焦点组合相关的问题以及由于热效应而与两个有源元件可能分离相关的问题。
21、与此同时，由于两个脉冲激光束由一个有源元件产生，因此两个脉冲激光束在空间中的最大会聚允许不使用分色镜将脉冲和连续激光束注入室，从而消除了使用穿过分色镜的偏振激光辐射的需要。
22、此外，采用cr4+：yag晶体(特别是平板)形式的饱和吸收体形式的无源q开关，提供了双光束激光器系统的自动操作。
23、这些还简化了辐射源的设计，提高了其可靠性和操作简便性。
24、由于以下因素，实现了连续光学放电的可靠点火。光学击穿由q开关调制模式下产生的激光束提供。然而，仅用一束激光束点火cod是有问题的。原因之一是难以将连续激光的聚焦区域与光学击穿区域结合起来，光学击穿区域的尺寸通常非常小，不超过约50μm。即使将脉冲和连续激光束的聚焦区域结合起来，仅用一束激光束点火cod仍然难以实现。这是因为激光辐射产生的光学击穿具有爆炸性。爆炸型过程(尤其是冲击波)可能导致低功率(通常不超过300瓦)连续激光器持续的光学放电猝灭。根据本发明，这个问题通过以下事实得到解决：在自由运行模式下产生的并且自身不能进行光学击穿的激光束在由q开关模式下产生的激光束进行光学击穿之后提供等离子体点火。选择在自由运行模式下产生的激光束的参数，使得由其维持的光学放电本身没有爆炸现象，同时抵抗由先前的光学击穿引起的干扰。与此同时，在点火激光脉冲结束后，在自由运行模式下产生的激光束提供的等离子体的体积和密度足以通过功率较低(高达30瓦)的连续激光器实现可靠的稳定维持。
25、因此，实现了连续光学放电的可靠无电极点火。电极的消除减少了发射等离子体区域附近的对流气流的扰动，简化了室，允许优化其设计以减少对流气流的湍流并最小化光学像差，特别是当等离子体辐射通过腔的透明部分输出时，以及增加等离子体辐射收集的空间角度。
26、根据本发明，具有高光谱亮度(大于50mw/(mm2·nm·sr)和相对亮度σ不稳定(小于0.1％)的等离子体辐射的连续产生是通过以下事实实现的：室内气体颗粒的密度应尽可能低，并且在操作期间室内表面的温度应尽可能高，同时确保室内气压约为50atm。还有更多。
27、所有这些使得有可能创建具有大空间角度的等离子体辐射收集的最高亮度宽带光源，其特征在于最高的空间和能量稳定性。
28、本发明的特定目的、特征和优点以及本发明本身，将从本发明实施选项的后续描述中更容易理解，如附图所示。
1.一种激光泵浦等离子体光源(100)，包括：充气室(1)，所述充气室(1)的至少一部分是光学透明的；辐射等离子体的区域(2)，其由连续波激光器(4)的聚焦光束(3)维持在所述室中，所述连续波激光器(4)在下文中被称为cw激光器；以及用于等离子体点火的装置，所述激光泵浦等离子体光源(100)的特征在于
2.根据权利要求1所述的光源(100)，其中所述q开关(14)是由掺铬钇铝石榴石晶体cr4+：yag制成的可饱和吸收体。
3.根据权利要求1或2所述的光源(100)，其中所述q开关(14)与腔内激光束(15)横截面的一小部分(15b)重叠，不超过其面积的30％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光源(100)，其中所述脉冲激光束(8、9)和所述cw激光器(4)的光束(17)通过聚焦光学元件(16)聚焦到所述室中，并且cw激光器(4)的指向所述聚焦光学元件(16)的光束(17)不与指向所述聚焦光学元件(16)的脉冲激光束(8、9)相交。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光源(100)，其中偏转镜(18)安装在所述脉冲激光束(8、9)路径之外的cw激光器(4)的光束(17)的路径上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光源(100)，其中偏转镜(18)安装在cw激光器(4)的光束通过路径之外的脉冲激光束(8、9)的通过路径上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光源(100)，其中足以点火和维持辐射等离子体的cw激光器(4)的输出功率不超过30瓦。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光源(100)，其中所述cw激光器的聚焦光束(3)的轴线垂直向上或接近垂直方向，与垂直方向的角度不超过10度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光源(100)，其中所述室(1)中气体颗粒的密度小于90·1019cm-3，这对应于室温下33atm的气压，并且其中所述室的内表面的温度不低于600k。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的光源(100)，其中所述室的内表面的温度不超过900k，并且气体颗粒的密度不小于45·1019cm-3，这对应于室温下16.5atm的气压。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光源(100)，其中所述辐射等离子体的特征在于高光谱亮度(大于50mw/(mm2·nm·sr)和亮度σ的低相对不稳定性(小于1％)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的光源(100)，其中所述气体属于一组惰性气体，包括氙、氪、氩、氖，或者其中所述气体包括氙、氪、氩、氖的混合物。
13.一种用于激光泵浦等离子体光源(100)中的等离子体点火的方法，包括：将连续波(cw)激光器(4)的聚焦光束(3)引导到充气室(1)中，所述充气室的至少一部分是光学透明的，通过所述cw激光器(4)的聚焦光束(3)来进行点火和辐射等离子体(2)的稳定维持，其特征在于
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述脉冲激光束(8、9)和所述cw激光器(4)的光束(3)通过聚焦光学元件(16)聚焦到用于维持辐射等离子体的区域(2)中，并且cw激光器的指向所述聚焦光学元件的光束(17)不与指向所述聚焦光学元件(16)的脉冲激光束(8、9)相交。
