ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЫСОКОЙ ЯРКОСТЬЮ

Заявляемое техническое решение относится к источникам широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии, медицине и других областях.

Известен источник широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, представляющий собой возбуждаемую дуговым разрядом герметичную камеру, заполненную газом высокого давления. Камера представляет собой прозрачную колбу (лампу) из кварцевого стекла, в качестве заполняющего газа применяется ксенон (смесь ксенона с ртутью) при давлении ~ 1 МПа. Электроды дугового разряда размещены в лампе, межэлектродный промежуток составляет несколько миллиметров, у ламп специального назначения даже 0,5-1 ,5 м ([1]: Рохлин Г. Н. «Разрядные источники света». 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Энергоатом издат, 1991-720 с; раздел 19.3). Подобные лампы серийно выпускаются многими производителями, в частности компанией Hamamatsu Photonics К.К. (Япония), описание соответствующих ламп представлено на сайте компании (см.. например [2]: http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/Xe-HgXe TLSX 1044E.pdf). Известные источники генерируют излучение с непрерывным спектром в диапазоне от -180-220 нм до >1 ООО нм (нижняя граница спектра определяется границей прозрачности используемого для колбы лампы материала) при достаточно высоких стабильности (лучше 1%) и интегральной яркости излучения. Однако ресурс непрерывной работы таких источников ограничен и определяется деградацией электродов самих по себе в сильноточном дуговом разряде, а также осаждением продуктов эрозии электродов на внутреннюю поверхность лампы, что снижает ее прозрачность. В результате гарантированный срок службы источника составляет, как правило, до -3000 часов, что недостаточно для многих приложений. Кроме того, при высокой общей спектральной силе света {в единицах Вт/(нм*ср)} спектральная яркость известного источника {в единицах Вт/(нм*ср*мм2)} недостаточна, в частности для приложений в микроэлектронике, поскольку освещенность объекта определяется именно яркостью единицы поверхности источника излучения.

Известен источник широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью, включающий заполненную газовой средой высокого давления

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) камеру, облучающий камеру лазер, систему фокусировки излучения лазера в камеру ([3]: патент US 7435982 "Laser-driven light source"). Фактически известный источник представляет собой один из вариантов реализации явления непрерывного оптического разряда, обнаруженного в 1970 г. в СССР ([4]: Генералов Н.А., Зимаков В. П. и др. «Непрерывно горящий оптический разряд». Письма в ЖЭТФ, 1970, т. 11 , с. 447-449). Источники на базе такого оптического разряда выпускает, в частности, компания Energetiq Technology, Inc. (США), они подробно описаны на сайте этой компании ([5]: htt р : //www. en erge ti q . com, ⁷ ) , а именно EQ-99 (в версиях X, XFC, CAL), а также EQ-1500 и др. Известные источники включают камеру в виде прозрачной для ультрафиолетового излучения колбы, заполненной, как правило, ксеноном с давлением вплоть до ~3 МПа (давление указано при комнатной температуре), лазер мощностью от ~20 Вт до -300 Вт (как правило, диодный лазер с длиной волны ~1 мкм), систему фокусировки лазерного излучения в камеру с газом с достаточно большой числовой апертурой NA до 0,45-0,50. В заполненной газом камере дополнительно размещены электроды для предварительной ионизации газа дуговым разрядом или импульсным электрическим пробоем, после которых плазма поддерживается сфокусированным лазерным излучением уже в отсутствие электрического тока и напряжения на электродах.

Важными достоинствами известного источника являются безэлектродный способ подвода энергии к плазме (за исключением момента ее инициирования), а также компактность и достаточно стабильное положение источника широкополосного излучения. Отсутствие сколько-нибудь заметной эрозии электродов позволяет многократно увеличить ресурс источника излучения— до > 9 тыс. часов и более, как указано в спецификациях продукции компании Energetiq Technology, Inc., когда ресурс определяется, по-видимому, деградацией прозрачных стенок колбы под действием коротковолнового излучения лазерной плазмы, Далее, известный источник имеет существенно большую спектральную яркость, чем лампы дугового разряда: выигрыш в яркости по сравнению с ксеноновой лампой при сопоставимой потребляемой мощности составляет до 10 раз в дальнем ультрафиолетовом диапазоне 190-250 нм и до 2-3 раз в спектральном диапазоне 300-700 нм. Однако спектральная яркость известного источника не является максимальной и при этом важно отметить, что его яркость увеличивается очень медленно по мере роста мощности используемого лазера, поскольку вместе с ростом мощности лазера увеличивается и объем излучающей плазмы. Например, при увеличении мощности лазера от 20 Вт (источник EQ-99) до 60 Вт (источник EQ-1500) размер излучающей плазмы по

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) уровню 50% от максимальной яркости увеличивается от 060 мкм х 140 мкм до 0125 мкм х 300 мкм, то есть объем плазмы возрастает в 9 раз. Это означает, что мощность энерговыделения в единице объема плазмы с увеличением мощности лазера уменьшается, как и максимальная температура плазмы. То есть, рост спектральной яркости источника достигается неэффективным способом— за счет увеличения оптической толщины плазмы, в основном прозрачной для собственного теплового излучения, а спектральное распределение излучения соответствует меньшей температуре плазмы.

Медленный рост яркости лазерной плазмы при увеличении лазерной мощности в известном техническом решении авторы настоящего изобретения связывают с рефракцией лазерного излучения в нагретом газе: с увеличением мощности лазерного излучения увеличивается и тепловыделение в фокальной области. В результате возрастает размер и оптическая сила «рассеивающей тепловой линзы», возникающей в области излучающей плазмы и вокруг этой области, что ухудшает условия фокусировки лазерного излучения.

Далее, по мнению авторов заявляемого технического решения, увеличение размера плазмы (в частности, за счет теплопроводности) при увеличении мощности поддерживающего плазму лазера приводит к росту поглощения лазерного излучения на большем расстоянии от фокальной области — это особенно существенно при использовании диодных лазеров, когда поглощение лазерного излучения происходит с возбужденных уровней ксенона (или другого инертного газа). Соответственно, рост температуры на периферии фокальной области приводит к росту населенности соответствующих атомных состояний и коэффициентов поглощения — в результате интенсивность лазерного излучения непосредственно в фокальной области может с ростом мощности лазера даже уменьшаться, а не возрастать.

Изменения мощности лазерного излучения в известном источнике приводят к вариациям не только яркости излучения плазмы самой по себе, но также и положения области лазерной плазмы с максимальной яркостью, что дополнительно увеличивает нестабильность излучения— как интегральной, так и спектральной яркости известного источника, особенно на значительных временных интервалах.

Кроме того, для фокусировки лазерного излучения в известном источнике используется сложная (и дорогая) асферическая оптика с большой числовой апертурой, что позволяет частично снизить влияние рефракции. Как следствие, размер лазерного луча на поверхности колбы лампы достаточно велик и аберрации на неоднородностях стенок самой колбы дополнительно ухудшают качество фокусировки лазерного излучения. Далее,

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) поскольку короткофокусная фокусирующая система занимает значительный телесный угол в окружающем плазму пространстве, то в известном источнике снижается доля излучения плазмы, которую возможно вывести и использовать.

Аналогично минимальный рост яркости плазмы (и даже снижение ее максимальной температуры) при увеличении мощности лазерного излучения проявляется в источниках широкополосного излучения на базе поддерживаемой лазером (длина волны лазерного излучения ~1 мкм) мощностью до 1 кВт компактной плазмы в заполненных ксеноном высокого давления лампах, производимых компанией KLA-Tencor Corporation ([6]: https://w\^v.research :ate.net/publication/277130938 High Power Laser- Sustained Plasma Light Sources for KLA-Tencor Broadband Inspection Tools). В этом источнике также используется сложная фокусирующая система ([6]) и, как один из вариантов ее упрощения, в патенте ([7]: US 7,705,331 : «METHODS AND SYSTEMS FOR PROVIDING ILLUMINATION OF A SPECIMEN FOR A PROCESS PERFORMED ON THE SPECIMEN))) предлагается использовать возбуждение лазерной плазмы одновременно с нескольких направлений, например с двух взаимно перпендикулярных направлений (п. п. 68-69 формулы изобретения, в частности п. 68) с по существу совпадающими фокальными областями. В этом случае каждая в отдельности фокусирующая система может быть выполнена значительно проще (см. также ниже). Специально отметим, что в известном источнике оптимальным считается поддержание плазмы непрерывным (cw) лазерным излучением. Укажем также, что в известном источнике [6, 7] используется безэлектродная лампа с газом высокого давления, а инициирование плазмы производится извне по отношению к лампе.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение спектральной яркости, уменьшение колебаний положения плазмы и стабилизация яркости ее излучения, а также увеличение ресурса источника широкополосного оптического излучения.

Технический результат достигается тем, что источник широкополосного излучения с высокой яркостью представляет собой заполненную газовой средой высокого давления камеру, два облучающих камеру лазера с двумя системами фокусировки излучения с по существу совпадающей фокальной областью и углом между направлением излучения лазеров не менее 60°, причем по меньшей мере один лазер представляет собой импульсно- периодический лазер.

В предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения один

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) лазер представляет собой непрерывный лазер, а второй— импульсно-периодический лазер Авторами настоящего технического решения неожиданно обнаружено, что комбинация непрерывного лазера мощностью P i и импульсно-периодического лазера мощностью (в импульсе) Р2 позволяет генерировать существенно более яркую плазму, чем при использовании двух непрерывных лазеров с мощностью Pi и ?2 ^или ( ^тем более) одного непрерывного лазера мощностью (Pj + Р2), причем рост импульсной яркости может быть кратным. Вероятно, это связано с тем, что средний по времени энерговклад в плазму в предлагаемом авторами источнике существенно ниже, поскольку средняя мощность импульсно-периодического лазера в скважность раз меньше ее импульсного значения (для близких к прямоугольным лазерных импульсов), что снижает негативное влияние рефракции лазерного излучения на плазме и окружающем ее горячем газе, а также нежелательное поглощение лазерного излучения на периферии излучающей области плазменного источника. В результате излучение импульсно-периодического лазера с большей эффективностью достигает фокальной области фокусирующей системы, обеспечивая большую яркость плазмы. Этим же, видимо, объясняется и большая стабильность положения области максимальной яркости плазмы в предлагаемом авторами настоящей заявки техническом решении.

Аналогично, при возбуждении плазмы сфокусированным излучением двух лазеров с по существу совпадающими фокусами область высокой яркости такого оптического разряда (например, по уровню 50% от максимальной яркости) сосредоточена вблизи области пересечения фокальных областей каждого из лучей и может быть существенно меньше, чем занимаемая плазмой область для каждого из лазерных лучей в отдельности. Как следствие, при достаточно большом угле Θ между направлением оптических осей каждого из лазерных лучей, а именно при Θ > 60° дополнительно увеличивается стабильность положения области оптического разряда с максимальной яркостью, яркая область «совместной» плазмы оказывается значительно меньше размера яркой области плазмы, генерируемой каждым из используемых лазеров в отдельности, а яркость излучения плазмы оптического разряда ΙΣ значительно превосходит арифметическую сумму яркостей плазмы I ] + 12, где 1 \ , 12 - яркость плазмы в случае работы только одного лазера (соответственно, первого или второго)

В рамках настоящего технического решения угол между направлением излучения лазеров Θ— это меньший из углов между соответствующими оптическими осями, как

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) указано на фиг. 1. В предпочтительном варианте реализации заявляемого технического решения угол в составляет около 90°— в этом случае при фиксированной мощности лазеров яркость излучения плазмы оказывается максимальной, а ее положение— наиболее стабильным.

В предпочтительной реализации заявляемого технического решения непрерывный лазер поддерживает оптический разряд на уровне вблизи порогового (в общепринятом понимании этого термина — вблизи порога поддержания оптического разряда доля поглощаемой плазмой энергии лазерного излучения мала, см. например [8]: Райзер Ю.П. «Физика газового разряда». М, Наука, 1987— 592 с.) с минимальным выделением тепла в газе, минимальным размером плазмы и малой излучаемой плазмой мощностью, соответственно, минимальными рефракционными искажениями и минимальным поглощением на периферии плазменного сгустка а импульсно-периодический лазер генерирует импульсно-периодическую лазерную плазму, которая демонстрирует при этом при этом максимальную яркость при минимальном размере. В этом случае яркость плазмы определяется импульсной мощностью лазера Pim, а дефокусировка излучения за счет рефракции и поглощение на периферии плазмы определяются средней мощностью импульсно-периодического лазера Pav. Для предпочтительного режима генерации по существу прямоугольных лазерных импульсов соотношение между Pav и Pim определяется их скважностью G: G = Pim/Pav и для существенного снижения рефракционных искажений и потерь на периферийное поглощение целесообразно, как установлено авторами, использовать импульсно-периодический лазер со скважностью >2.

В распространенном случае применения диодных лазеров (аналогично известным источникам) применение импульсно-периодического лазера согласно заявляемому техническому решению в ряде случаев позволяет дополнительно увеличить импульсную мощность при использовании лазеров с умеренной средней мощностью. Это связано с тем, что предельная мощность непрерывного диодного лазера обусловлена максимально допустимой температурой в области генерации, а в импульсно-периодическом режиме для достаточно коротких лазерных импульсов температура в области генерации излучения определяется в значительной степени средней мощностью излучения (нагрев перехода за время отдельного лазерного импульса сравнительно мал), импульсная мощность при этом может быть гораздо выше средней. В частности, при скважности импульсов ~5 для диодного лазерного модуля ДЛМ-50 производства компании НТО «ИРЭ-Полюс»/1РС Photonics (http://www.iitoire-polus.ru/products low dlm.html) с максимальной мощностью в

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) непрерывном режиме работы 50 Вт авторами настоящего технического решения был реализован устойчивый импульсно-периодический режим работы лазера (и генерации лазерной плазмы) с импульсной мощностью излучения П О Вт и длительностью отдельного лазерного импульса 20 мкс (частота следования лазерных импульсов 10 кГц). При этом средняя мощность лазера составляла 22 Вт и рефракционные эффекты в плазме, а также поглощение на ее периферии соответствовали приблизительно такой средней мощности импульсно-периодического лазера (возможно и меньшей, но в любом случае не большей). Для лазерных импульсов большой длительности (обычно ~ 100 мкс и более, когда в течение отдельного импульса температура лазерного перехода достигает стационарного значения) существенного увеличения импульсной мощности по сравнению с мощностью лазера в непрерывном режиме реализовать не удается.

Использование импульсно-периодической лазерной плазмы с достаточно высокой частотой следования импульсов вместо непрерывной плазмы, как в известных технических решениях, не приводит к ограничению использования заявляемого источника в подавляющем большинстве приложений, по крайней мере, при длительности отдельного импульса широкополосного излучения в микросекундном диапазоне. Это связано с тем, что чувствительность современных оптоэлектронных приемников с временным разрешением от 200- ЗОО не (1 мкс) не хуже чувствительности оптоэлектронных приемников непрерывного (квазинепрерывного) излучения. Соответственно, при анализе поверхности (наиболее частое применение рассматриваемых источников света в микроэлектронике) при необходимом уровне интенсивности света на поверхности достаточно одного импульса длительностью от ~1 мкс. При этом на время перемещения облучающей поверхность и регистрирующей систем облучение поверхности возможно отключить. Для частоты следования импульсов широкополосного излучения 10 кГц и размере облучаемой за один импульс площади всего 350 х 350 мкм (при экстремально высокой яркости заявляемого источника это вполне реальный размер) производительность анализа поверхности составит ~ 12 см ² /с и, таким образом, пластина диаметром 300 мм может быть исследована за ~ 1 минуту, при этом скорость сканирования поверхности составляет 3,5 м/с.

Как обнаружено и установлено авторами заявляемого технического решения, уже вблизи порога оптического разряда, когда яркость плазмы и тепловыделение в ней низкие, коэффициент поглощения лазерного излучения достаточен для того, чтобы нагрев ядра плазмы, поддерживаемой непрерывным лазером «околопороговой» мощности, до

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) максимальной яркости производится лазерным импульсом достаточно быстро, за это время размер плазмы заметно не увеличивается, а устойчивость положения яркого керна и воспроизводимость его яркости от импульса к импульсу остается высокой вплоть до частоты следования импульсов 10 кГц и выше. При этом длительность отдельного лазерного импульса второго (импульсно-периодического) лазера предпочтительно выбирать незначительно больше (на время масштаба 0,3-10 мкс) той длительности, при которой обеспечивается нагрев плазмы до максимальной яркости ее излучения, поскольку, как указывалось выше, длительности «яркой выспышки» плазмы ~ 1 мкс (и даже меньше) достаточно для предельно высокой чувствительности оптоэлектронных систем регистрации, а дальнейший нагрев плазмы лазерным импульсом приводит только к увеличению среднего энерговклада в плазму и, как следствие, к росту рефракционных искажений и поглощения на периферии яркого ядра плазмы.

Соответственно, в любом случае предпочтительно, чтобы длительность отдельного лазерного импульса не превышала время формирования стационарной плазмы, включая ее геометрию, соответствующей одновременному облучению плазмы двумя непрерывными лазерами суммарной мощностью (Р] + Р2). Время формирования стационарной плазмы зависит от мощности лазеров, давления газа и условий фокусировки излучения, составляя обычно 10-200 мкс.

Важно также указать, что заявляемое техническое решение позволяет варьировать частоту следования ультраярких импульсов широкополосного излучения в широких пределах от десятков килогерц до 1 Гц и менее без дополнительного инициирования плазмы перед каждым отдельным импульсом излучения. Изменение частоты следования импульсов позволяет в широких пределах варьировать среднюю мощность заявляемого источника без изменения его спектральной яркости (поскольку она определяется импульсной мощностью), что невозможно в известных источниках и полезно для ряда приложений.

При достаточно высокой частоте следования лазерных импульсов, как установлено авторами, возможно поддержание стабильного импульсно-периодического режима горения плазмы в случае, когда оба используемых лазера работают в импульсно-периодическом режиме. В этом случае минимально допустимая частота следования импульсов определяется как длительностью отдельного лазерного импульса, так и временем, в течение которого охлаждающаяся в отсутствие лазерного излучения плазма сохраняет достаточно высокий коэффициент поглощения, чтобы быстрый разогрев плазмы

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) следующим импульсом (импульсами) мог быть реализован без внешнего инициирования. Для заполненных тяжелым инертным газом камер это время определяется скоростью образования и радиационного распада эксимерных молекул R2* (R - инертный газ) при температуре остывающей плазмы (для ксенона 7-10 кК) и составляет в ксеноне с давлением ~ 15 атм при комнатной температуре 100-200 мкс. Таким образом, для длительности лазерных импульсов 100 мкс минимальная частота следования импульсов, когда оба лазера работают в импульсно-периодическом режиме, составляет в ксеноне с «холодным» давлением -15 атм 3-5 кГц. При большем давлении в лампе скорость образования эксимерных молекул возрастает и частоту следования лазерных импульсов необходимо увеличивать.

Тот факт, что яркая лазерная плазма расположена в области пересечения фокальных областей каждого из используемых лазеров, причем именно в этой (в оптимальном случае небольшой) области поглощается значительная часть лазерной мощности, позволяет использовать простые фокусирующие системы с небольшой числовой апертурой, например с NA<0,2. В качестве выходного элемента такой фокусирующей системы может быть применена, например, длиннофокусная линза с отношением фокусного расстояния F к световому диаметру D F/D > 3 с плоскими и сферическими оптическими поверхностями. Такого типа линзы с NA<0,2 существенно проще короткофокусных асферических систем. В этом случае для диодного лазера с характерным размером луча на линзе - 6-Н О мм возможно использовании линзы с F ~ 30 мм (и больше). Тогда при диаметре колбы с газовой средой высокого давления ~10 мм размер лазерного пучка на стенке колбы не превышает 1 ,5-2 мм, что минимизирует связанные со стенками колбы аберрации, в частности дефокусировку луча на неоднородностях стенки колбы или толщины колбы. В результате при использовании двух простых длиннофокусных фокусирующих систем, обеспечивающих характерный размер каждой предфокальной области ~ 0200 мкм х 400 мкм (при использовании одного лазера и значительном превышении порога поддержания плазмы лазерная плазма обычно располагается именно в предфокальной области— до «точки» фокуса), для угла между направлением лазерных лучей ~ 90° при соответствующей настройке реализуется размер яркой плазмы - 0150 мкм х 150 мкм и меньше. Использование длиннофокусных фокусирующих систем позволяет не только упростить и удешевить оптическую систему источника, но и увеличить телесный угол, в котором можно собрать излучение лазерной плазмы и использовать его в приложениях (фокусирующая система лазера, очевидно, не позволяет использовать излучение плазмы в

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) соответствующий телесный угол, который пропорционален NA2).

В одном из вариантов реализации, с целью увеличения стабильности излучения источника широкополосного излучения, согласно заявляемому техническому решению, источник включает элемент обратной связи по меньшей мере одного из лазеров по мощности или спектральной мощности источника широкополосного излучения. Элемент обратной связи контролирует мощность излучения плазмы на одной или нескольких длинах волн и при изменении сигнала соответствующим образом корректирует мощность одного из лазеров, генерирующих лазерную плазму, предпочтительно непрерывного лазера. Авторами установлено, что, в отличие от известных источников с плазмой, поддерживаемой мощным непрерывным лазером, при изменении мощности непрерывного лазера в достаточно широких пределах в области порога поддержания плазмы, положение яркой области лазерной плазмы не изменяется, что позволяет поддерживать стабильным излучение плазмы именно за счет изменения мощности лазера без учета перемещения яркой области плазмы.

В одном из вариантов заявляемого технического решения источник дополнительно включает блокиратор широкополосного излучения, синхронизированный с импульсно- периодическим лазером. В предпочтительном случае блокиратор пропускает излучение плазмы в течение лазерного импульса или, исключив начальный этап разогрева плазмы в каждом импульсе, даже несколько меньшее время, при этом излучение плазмы в остальное время — в частности, между лазерными импульсами — блокируется. В этом случае облучаемый источником широкополосного излучения изучаемый объект подвергается воздействию только излучения с максимальной яркостью, что минимизирует возможное вредное воздействие источника, например, избыточный нагрев биологического объекта или протекание фотохимических реакций под действием постоянного фона излучения плазмы. Заметим, что при «околопороговом» режиме работы непрерывного лазера отношение яркости плазмы во время работы импульсного лазера и в период паузы может составлять 100-500 и более даже без использования блокиратора.

Таким образом, в предпочтительном варианте заявляемого технического решения заявляемый источник света представляет собой фактически импульсно-периодический источник широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, частота следования световых импульсов которого определяется частотой импульсно- периодического лазера (лазеров), а в промежутках между импульсами мощность широкополосного излучения на порядки меньше максимальной, с использованием

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) блокиратора широкополосное излучение между яркими вспышками плазмы в течение лазерного импульса отсутствует.

Известны импульсно-периодические короткодуговые лампы высокого давления с ксеноновым наполнением, например, того же производителя Hamamatsu Photonics К.К. ([9]: http://www.hamamatsu.com/us/en/product/category/1001/3024/L9 456/index.htmn. Эти лампы генерируют световые импульсы длительностью 2-4 мкс (по полувысоте), что достаточно для регистрации сигнала оптоэлектронными приборами с высокой чувствительностью. Однако такие лампы не работают на частотах > 500 Гц (обычно частота следования импульсов не превышает 70-200 Гц), что не достаточно для многих приложений, в том числе в микроэлектронике. Кроме того, ресурс работы таких ламп ограничен и составляет 109 импульсов при частоте 500 Гц (108 импульсов для более мощных импульсных ламп частотой 50-70 Гц), что соответствует длительности работы лампы не более месяца. Укажем также меньшую по сравнению с непрерывными короткодуговыми лампами и, тем более, по отношению к заявляемому техническому решению стабильность положения наиболее яркой области разряда, которая перемещается от импульса к импульсу.

Блокиратор излучения может быть выполнен различными способами, включая как электрооптические прерыватели света, так и механические, например вращающийся диск с прорезями. Возможность использования указанного варианта периодического прерывания излучения связана с тем, что излучение широкополосного источника света, как правило, передается с помощью световодов малого диаметра, для плазмы малого размера диаметр световода может составлять 100-200 мкм. В этом случае при легко обеспечиваемой окружной скорости вращения диска 20 м/с (например, диаметр диска 16 см, частота вращения 2400 об/мин) и ширине отдельной прорези в нем 0,2 мм длительность отдельного пропускаемого прорезью светового импульса составит ~ 10 мкс (для диаметра световода 100 мкм); при окружной скорости вращения 30 м/с длительность отдельного пропускаемого прорезью светового импульса составит ~6-7 мкс.

Лазерная плазма может генерироваться в инертном газе высокого давления (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон) или смеси инертных газов высокого давления, в состав газовой смеси может быть также включен по меньшей мере один компонент из группы: ртуть, водород, азот. В предпочтительном варианте облучаемая сфокусированным лазерным излучением камера заполнена тяжелым инертным газом (аргон, криптон, ксенон) или смесью тяжелых инертных газов высокого давления вплоть до нескольких МПа (при

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) комнатной температуре).

Аналогично, инициирование плазмы может проводиться с помощью размещенных в камере электродов или с помощью внешнего по отношению к камере источника.

Далее заявляемое техническое решение поясняется с помощью примеров, которыми оно, однако не ограничено, со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах показаны:

Фиг. 1 : определение угла Θ между направлениями излучения используемых в полезной модели лазеров; 1 — оптическая ось излучения первого лазера, 2— второго лазера.

Фиг. 2: оптическая схема варианта изобретения; 3,4 — лазеры, 5,6 — фокусирующие системы, 7— заполненная газом высокого давления камера, 8— система сбора излучения плазмы.

В качестве камеры с газом использовалась заполненная ксеноном высокого давления лампа OSRAM ХВО 75W со стенками из кварцевого стекла, внешний диаметр лампы ~10 мм. В качестве лазеров использовались диодные лазерные модули ДЛМ-30 и PLD-70 компании НТО «ИРЭ-Полюс»/1РС Photonics, угол между направлением излучения лазеров составлял -90°. В качестве выходного элемента фокусирующих систем использовались линзы с эффективным фокусным расстоянием F=\ 6 мм и =32 мм, диаметр лазерных лучей на линзах составлял, соответственно 4 и 8 мм, что соответствует числовой апертуре фокусирующей системы NA~0, 12, при этом диаметр лазерных лучей на поверхности лампы не превышал 1 ,5 мм, что меньше характерного пространственного масштаба неоднородности оптической толщины кварцевой оболочки лампы. В этом случае влияние оболочки лампы сводится, в основном, к смещению фокуса, а не к увеличению размера фокальной области; смещение фокуса может быть практически полностью скомпенсировано при совместной настройке фокусирующих систем.

Предварительная ионизация в газе создается дуговым разрядом, после зажигания плазмы в лазерных лучах дуговой разряд отключается. Взаимное расположение фокальных областей двух используемых лазеров предварительно выполнялось совпадающим и затем точно настраивалось для получения максимальной яркости плазмы, при этом фокальные области лазеров оставались по существу совпадающими.

При одновременном использовании двух непрерывных лазеров мощностью 26 Вт и 37 Вт (суммарная мощность 63 Вт, вариант соответствующий [8]) была получена спектральная яркость, которая практически точно совпадает со спектральной яркостью установки EQ-1500 с диодным лазером мощностью около 60 Вт и существенно более

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) «острой» фокусировкой с NA ~ 0,5. При этом суммирование интенсивностей излучения плазмы, генерируемой отдельно каждым из непрерывных лазеров (при выключенном втором лазере) с указанной выше мощностью дает значение в ~3 раза меньше в области длин волн 400-600 нм, в ~5 раз меньше для λ ~ 300 нм и еще большее различие для λ < 250 нм. При сравнении с плазмой, генерируемой при использовании одного непрерывного лазера мощностью 56 Вт при аналогичной (ΝΑ~0,12) числовой апертуре фокусирующей системы, яркость при использовании двух лазеров с близкой суммарной мощностью (около 60 Вт) выше в ~2 раза в области длин волн 300-600 нм, в ~3 раза больше для λ ~ 250 нм.

При одновременном использовании согласно заявляемому техническому решению непрерывного лазера мощностью 27 Вт (при этом порог поддержания плазмы составлял 20-22 Вт) и лазера, работающего в импульсно-периодическом режиме (импульсная мощность 63 Вт, частота следования импульсов 10 кГц, длительность отдельного лазерного импульса 22 мкс, длительность отдельного импульса излучения плазмы 15-17 мкс) импульсная яркость плазмы в 2,5 раза превышает яркость источника по прототипу (EQ-1500) в области длин волн 350-600 нм и в ~3 раза в области λ ~ 300 нм. При этом средняя суммарная мощность двух используемых лазеров составила -40 Вт— в 1 ,5 раза меньше, чем у прототипа EQ-1500 при значительно более простой системе фокусировки лазерного излучения. При увеличении импульсной мощности излучения до 1 10 Вт (остальные параметры импульсно-периодического лазера, а также мощность непрерывного лазера не изменились) яркость излучения плазмы выросла еще в 1 ,7-4 раза в зависимости от спектрального диапазона и превысила яркость прототипа в 3-5 раз при близкой суммарной мощности лазерного излучения.

Использование наряду с импульсно-периодическим лазером непрерывного лазера с мощностью, поддерживающей оптический разряд вблизи порога такого разряда позволяет, с одной стороны, минимизировать тепловыделение в плазме при поглощении непрерывного излучения и, с другой стороны, как установлено авторами, обеспечить достаточный уровень поглощения импульсно-периодического излучения уже на переднем фронте лазерного импульса. В результате лазерный импульс быстро (в течение 3-5 мкс в описываемом примере) разогревает плазму до максимально возможной температуры, обеспечивающей предельную яркость излучения оптического разряда. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет эффективно использовать импульсно- периодический лазер, генерирующий достаточно короткие импульсы с достаточно высокой скважностью— например, как указано выше, длительностью ~20 мкс и скважностью ~5

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (быстрый разогрев плазмы также позволяет уменьшить длительность лазерного импульса до ~10 мкс, а скважность импульсов увеличить при этом до -10 и т.д.). Именно такой диапазон сочетания параметров позволяет в диодном лазере получить кратно большую импульсную мощность лазерного излучения, чем максимально допустимая мощность в непрерывном режиме работы, и, соответственно, максимально высокую спектральную яркость широкополосного источника излучения. Кроме того, использование поддерживающего оптический разряд непрерывного лазера позволяет независимо и в широких пределах варьировать длительность и частоту следования импульсов излучения импульсно-периодического лазера, то есть реализовать необходимую для конкретного приложения частоту и длительность импульсов широкополосного излучения высокой спектральной яркости. В отсутствие излучения непрерывного лазера, как установлено авторами, необходимо использовать лазерные импульсы существенно большей длительности или частоты (то есть, меньшей скважности), что существенно ограничивает характеристики источника широкополосного оптического излучения.

Важно также отметить, что авторами заявляемого технического решения было обнаружено, что в предлагаемом варианте реализации яркого импульсно-периодического источника света значительный импульсный нагрев плазмы в течение каждого лазерного импульса и охлаждение плазмы между последовательными импульсами с неизбежным возникновением при этом газодинамических возмущений, тем не менее, не приводит (как следовало ожидать) к снижению устойчивости положения керна (наиболее яркой области) плазмы и стабильности яркости от импульса к импульсу, по крайней мере, до частоты следования импульсов масштаба 10-20 кГц, что достаточно для большинства приложений.

Вариация мощности излучения непрерывного лазера, как установлено авторами, позволяет со временем отклика не более 250-300 мкс (это соответствует времени тепловой релаксации яркой области плазмы) регулировать в широких пределах импульсную мощность плазмы (если используется импульсно-периодический лазер), что дает возможность реализовать обратную связь, управляя импульсной мощностью плазмы, в том числе по заданной программе, а также обеспечить активную стабилизацию параметров излучения импульсной лазерной плазмы, контролируя интенсивность излучения плазмы в одном или нескольких спектральных диапазонах и соответствующим образом изменяя мощность одного из лазеров, предпочтительно непрерывного, если исполдьзуется комбинация из непрерывного и импульсно-периодического лазеров.

Необходимо также указать, что средняя мощность излучения плазмы по

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) заявляемому техническому решению не превосходит (и может быть существенно меньше) мощность излучения плазмы в известных источниках, и, соответственно, скорость деградации пропускания стенок лампы со сжатым газом в заявляемом техническом решении не больше, чем у аналогов. Это означает, что ресурс заявляемого источника не меньше ресурса работы прототипа (во многих случаях и больше), при этом импульсная яркость заявляемого источника кратно превосходит яркость прототипа.

Таким образом, техническим результатом, обеспечиваемым приведенной в заявляемом изобретении совокупностью признаков, является повышение спектральной яркости, уменьшение колебаний положения плазмы и стабилизация яркости ее излучения, а также увеличение ресурса источника и возможность изменения его средней мощности и частоты следования импульсов в широких пределах.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения и известных аналогов выявляет наличие существенных отличительных признаков, что обеспечивает ей соответствие критериям «новизна» и «существенные отличия».

Возможность создания заявляемого источника на базе известных комплектующих: диодные лазеры, фокусирующие системы на базе линзовой оптики, лампы с тяжелыми инертными газами высокого давления (прежде всего, с ксеноном) со встроенными электродами для инициирования плазмы электрическим разрядом, а также целесообразность использования заявляемого источника широкополосного излучения с высокой яркостью в микроэлектронике, спектроскопии и пр. обеспечивает промышленную применимость заявляемого технического решения.

Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой отрасли изменения описанных выше вариантов выполнения импульсно-периодического источника широкополосного оптического излучения с высокой яркостью, а также его переделка без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, может использоваться другой материал (не кварцевое стекло) для камеры, в которой находится газовая смесь высокого давления (например, для работы при более высоком давлении в десятки атмосфер); камера может иметь окно из прозрачного в дальнем УФ и ВУФ материала (MgF2 и т.п.) для лучшего вывода коротковолнового излучения, в широких пределах может варьироваться состав и давление газовой смеси. Фокусировка лазерного излучения может осуществляться не только линзовыми системами, но и более сложными оптическими элементами (например, внеосевым параболоидальным или эллипсоидальным

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) зеркалом) или оптическими системами с различной числовой апертурой, расположенными под различными углами друг к другу и к направлению силы тяжести (вертикали), предпочтительным, но не единственно возможным, представляется освещение камеры с газовой средой непрерывным лазером по направлению «снизу-вверх». Различной может быть конкретная реализации оптической схемы вывода излучения плазмы из заполненной газовой средой камеры, включая применение световодов. В оптической схеме формирования оптического разряда возможно использование блокираторов (поглотителей) лазерного излучения, прошедшего оптический разряд, а также системы возврата и повторной фокусировки этого лазерного излучения для дополнительного увеличения вклада лазерной энергии в плазму. Последнее технически упрощается за счет положительного эффекта снижения влияния рефракции на импульсно-периодическое лазерное излучение. Предварительная ионизация газа может осуществляться как источником, расположенным внутри камеры (аналогично приведенному примеру реализации заявляемого способа), так и внешним источником — например, мощным импульсным лазером. Для облучения газа могут использоваться волоконные лазеры, диодные лазеры, газовые лазеры (например, С02-лазеры) и т.д., в том числе два лазера с разными длинами волн излучения. В качестве блокиратора широкополосного излучения источника могут использоваться системы на базе колеблющегося или вращающегося зеркала, блокиратор может быть реализован на электро- или магнитооптических эффектах, за счет дополнительных спектральных приборов может выделяться важный для конкретного приложения участок спектра широкополосного источника, возможно использование различных алгоритмов обратной связи и т.д.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)