RU2734111C1

RU2734111C1 - Method of preventing oscillations of optical discharge

Info

Publication number: RU2734111C1
Application number: RU2020118918A
Authority: RU
Inventors: Николай Германович Соловьев; Сергей Юрьевич Лаврентьев; Андрей Николаевич Шемякин; Михаил Юрьевич Якимов
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-10-13

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to a method of preventing oscillations of optical discharge in order to stabilize broadband optical radiation with high spectral brightness and is of interest for applications in microelectronics, spectroscopy, photochemistry and other fields. Initial plasma ignition is performed by external pulsed laser, or by short-term increase of power of one or several lasers used for optical discharge, or using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied. Emission of at least one of the used lasers is modulated by a sinusoidal signal with frequency corresponding to multiple portions of resonant acoustic frequencies of the gas volume of the discharge chamber.

EFFECT: prevention of oscillatory instability of optical discharge and improvement of its spatial stability due to modulation of laser radiation.

1 cl, 3 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к способам предотвращения колебаний оптического разряда, используемого в качестве источника широкополосного оптического излучения с высокой спектральной яркостью, и представляет интерес для приложений в микроэлектронике, спектроскопии, фотохимии и других областях.The claimed invention relates to methods for preventing oscillations of an optical discharge used as a source of 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 предотвращения колебаний 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 for preventing oscillations 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 предотвращения колебаний оптического разряда, принятый за аналог, приведенный в [4]. ([4] Патент US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). В известном патенте приведено устройство, содержащее плазменную камеру, выполненную с возможностью приема лазерного излучения от источника накачки для поддержания плазмы в газе, один или несколько контуров рециркуляции газа, гидравлически связанных с плазменной камерой, причем первая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана с выходным отверстием плазменной камеры и сконфигурирована для транспортировки по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа от выхода плазменной камеры, при этом вторая часть одного или нескольких контуров рециркуляции газа гидравлически связана со входом плазменной камеры и сконфигурирована для подачи охлажденного газа на вход плазменной камеры. В вариантах изобретения используются один или несколько дополнительных источников тепла, причем один или несколько дополнительных источников тепла выполнены с возможностью, по меньшей мере, частичного запуска рециркуляции газа через один или несколько контуров рециркуляции газа, при этом могут использоваться один или несколько насосов, теплообменник. В известном патенте также приведен и способ, включающий: направление лазерного излучения в плазменную камеру для поддержания плазмы в газе, протекающем через плазменную камеру, при этом плазма излучает широкополосное излучение, причем рециркуляция газа через плазменную камеру осуществляется через газовый контур рециркуляции газа, при этом рециркуляция газа через плазменную камеру содержит: транспортировку по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа из плазменной камеры в теплообменник; охлаждение по меньшей мере либо плазмы, либо нагретого газа теплообменником; а также транспортировку охлажденного газа из теплообменника в плазменную камеру. Стабильный поток газа через камеру предотвращает колебания газа в окрестностях оптического разряда. The known method of preventing oscillations of the optical discharge, taken as an analogue, given in [4]. ([4] Patent US2018043610 Pub. Date: 31.01.2019 LASER SUSTAINED PLASMA LIGHT SOURCE WITH FORCED FLOW THROUGH NATURAL CONVECTION). The known patent shows a device containing a plasma chamber configured to receive laser radiation from a pumping source to maintain plasma in a gas, one or more gas recirculation circuits hydraulically connected to the plasma chamber, the first part of one or more gas recirculation circuits being hydraulically connected to the outlet of the plasma chamber and configured to transport at least either plasma or heated gas from the outlet of the plasma chamber, wherein the second part of one or more gas recirculation loops is hydraulically connected to the inlet of the plasma chamber and configured to supply cooled gas to the inlet of the plasma chamber. In embodiments of the invention, one or more additional heat sources are used, wherein one or more additional heat sources are configured to at least partially start gas recirculation through one or more gas recirculation loops, and one or more pumps and a heat exchanger can be used. The known patent also discloses a method including: directing laser radiation into a plasma chamber to maintain the plasma in a gas flowing through the plasma chamber, while the plasma emits broadband radiation, and the gas is recirculated through the plasma chamber through the gas recirculation loop, while the recirculation gas through the plasma chamber comprises: transporting at least either the plasma or the heated gas from the plasma chamber to the heat exchanger; cooling at least either the plasma or the heated gas by a heat exchanger; as well as transportation of cooled gas from the heat exchanger to the plasma chamber. Stable gas flow through the chamber prevents gas vibrations in the vicinity of the optical discharge.

Недостатком известного способа предотвращения колебаний является необходимость присоединения на входе и выходе разрядной камеры одного или нескольких контуров рециркуляции газа, а также возможное размещение в них теплообменников, насосов, фильтров и других элементов, что приводит к усложнению конструкции и увеличению габаритных размеров.The disadvantage of the known method for preventing oscillations is the need to connect one or more gas recirculation loops at the inlet and outlet of the discharge chamber, as well as the possible placement of heat exchangers, pumps, filters and other elements in them, which leads to a more complex design and an increase in overall dimensions.

Известен способ предотвращения колебаний оптического разряда, принятый за прототип, приведенный в [5]. ([5] 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. В вариантах изобретения поток создается за счет нагрева электрической дугой газа, расположенного ниже плазменного источника излучения. 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 предотвращать колебательные неустойчивости в оптическом разряде.The known method of preventing oscillations of the optical discharge, taken as the prototype, given in [5]. ([5] 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. In embodiments of the invention, the flow is created by heating the gas located below the plasma radiation source with an electric arc. 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 prevent oscillatory instabilities in an optical discharge.

Недостатком известного способа предотвращения колебаний является недостаточная пространственная стабильность способа, 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 preventing oscillations is the insufficient spatial stability of the method, the need to place additional electrodes inside the lamp volume (in the patent variants, to place 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.

Заявляемый способ предотвращения колебаний оптического разряда направлены на улучшение его характеристик, а именно на уменьшение колебательной неустойчивости оптического разряда и улучшение его пространственной стабильности.The inventive method for preventing oscillations of an optical discharge is aimed at improving its characteristics, namely, at reducing the vibrational instability of an optical discharge and improving its spatial stability.

Указанный результат достигается тем, в способе предотвращения колебаний 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, излучение по крайней мере одного из используемых лазеров модулировано синусоидальным сигналом с частотой, соответствующей кратным долям резонансных акустических частот газового объема разрядной камеры.This result is achieved by the method for preventing oscillations of the optical discharge located in the 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 the optical discharge, or by using two pin electrodes located near the optical discharge, between which a breakdown voltage pulse is applied, the radiation of at least one of the lasers used is modulated with a sinusoidal signal with a frequency corresponding to multiple fractions of the resonant acoustic frequencies of the gas volume of the discharge chamber.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примерами его реализации и графическими материалами. The essence of the claimed invention is illustrated by examples of its implementation and graphic materials.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение заявляемого устройства для реализации заявляемого способа. FIG. 1 shows a schematic representation of the inventive device for implementing the inventive method.

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 изображены теневые фотографии применения заявляемого изобретения.FIG. 3 shows shadow photographs of the application of the claimed invention.

Способ реализуется устройством предотвращения колебаний оптического разряда которое 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. На фиг. 1 в качестве примера схематично показаны два лазера, лазер 3 и лазер 4, излучение 5 которых фокусируется в центре оптического разряда 2 линзами 6. К лазеру 4 подключен модулирующий блок 7, позволяющий модулировать мощность излучения лазера 4 синусоидальным сигналом требуемой частоты и амплитуды. Подобные модулирующему блоку 7 устройства известны из уровня техники и могут представлять собой, например, электронный прибор, управляющий током накачки полупроводникового или газового лазера, или прибор, позволяющий оптическими методами модулировать лазерное излучение на выходе лазера. Могут использоваться один и более лазеров, могут применяться лазеры различной мощности и диапазонов излучения. Но по крайней мере к одному из них должен быть подключен модулирующий блок 7. The method is implemented by a device for preventing oscillations of an optical discharge, which 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 focusing point of the laser radiation. FIG. 1 as an example, two lasers are schematically shown, laser 3 and laser 4, the radiation 5 of which is focused in the center of the optical discharge 2 by lenses 6. A modulating unit 7 is connected to the laser 4, which allows modulating the radiation power of the laser 4 with a sinusoidal signal of the required frequency and amplitude. Devices similar to the modulating unit 7 are known from the prior art and can be, for example, an electronic device that controls the pump current of a semiconductor or gas laser, or a device that allows optical modulation of laser radiation at the laser output. One or more lasers can be used; lasers of different power and radiation ranges can be used. But at least one of them must be connected to the modulating unit 7.

Изобретение работает следующим образом. Лазерное излучение от одного или нескольких лазеров (в данном случае лазеры 3 и 4) фокусируется через прозрачные стенки разрядной камеры 1 в области ее центра, где предполагается зажечь оптический разряд 2. Для первоначального поджига оптического разряда подается либо импульс от внешнего лазера, вызывающий пробой газа внутри разрядной камеры 1, либо с той же целью кратковременно повышается мощность одного или нескольких лазеров, расположенных снаружи разрядной камеры 1, излучение которых сфокусировано в области оптического разряда 2 вблизи центра разрядной камеры, либо используются два штыревых электрода (на фиг. 1 не показаны), расположенные вблизи оптического разряда, 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, увеличивающийся в размерах, и ограниченный фронтом температуры 8. Облако горячего газа, ограниченное фронтом температуры 8 поднимается вверх по закону Архимеда, но при этом возникают колебания, причина которых разъяснена далее. Частота этих колебаний в стандартных для оптического разряда условиях составляет десятки герц и определяется сравнительно медленными тепловыми процессами, происходящими на разделе между горячим газом вокруг оптического разряда 2 и относительно холодным газом в остальном объеме разрядной камеры 1. Модулированное лазерное излучение от лазера 4 фокусируется в оптическом разряде 2 и модулирует тепловую мощность, поглощаемую оптическим разрядом 2 от лазеров 3 и 4, что сопровождается синхронным изменением размеров плазменного облака оптического разряда. Периодическое движение плазменного облака оптического разряда 2 способно генерировать акустические волны в разрядном объеме. При определенных частотах повторения синусоидальных колебаний в разрядной камере 1 возникают резонансные акустические колебания, определяемые скоростью звука в газе при данных условиях и геометрическими размерами внутреннего объема разрядной камеры 1. В результате возникает так называемый акустический ветер. Акустический ветер возникает не сразу, а постепенно, усиливаясь до ограничения, определяемого вязкостью среды. Если разрядная камера 1 имеет достаточно симметричную форму, то избранное направление акустического ветра можно получить, например, сместив на единицы процентов от диаметра разрядной камеры 1 центр оптического разряда 2, незначительно переместив место схождения лазерных лучей 5 от центра разрядной камеры 1. Это не оказывает значительного влияния на оптические качества разряда 2, но дает возможность стабилизировать положение стационарного вихря в разрядной камере 1, образующегося под действием акустического ветра. Интенсивности акустического ветра достаточно для того, чтобы ускорить движение газа вокруг оптического разряда 2 тем самым предотвращая возникновение колебаний горячего газа. Частота резонансных акустических колебаний газа в разрядной камере 1 лежит существенно выше тепловых колебаний вокруг оптического разряда и составляет десятки килогерц. Поэтому в большинстве применений оптического разряда незначительные колебания интенсивности широкополосного излучения на высоких частотах не играют существенной роли. The invention works as follows. Laser radiation from one or several lasers (in this case, lasers 3 and 4) 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, either a pulse from an external laser is applied, causing a gas breakdown inside the discharge chamber 1, or for the same purpose, the power of one or several lasers located outside the discharge chamber 1, whose radiation is focused in the region of the optical discharge 2 near the center of the discharge chamber, is briefly increased, or two pin electrodes are used (not shown in Fig. 1) located near the optical discharge, 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 gas volume that increases in size, and is limited by the temperature front 8. Hot gas cloud limited by the temperature front 8 rises up according to Archimedes' law, but at the same time oscillations arise, the reason for which is explained further. The frequency of these oscillations under standard conditions for an optical discharge is tens of hertz and is determined by the relatively slow thermal processes occurring at the interface between the hot gas around the optical discharge 2 and the relatively cold gas in the rest of the volume of the discharge chamber 1. The modulated laser radiation from the laser 4 is focused in the optical discharge 2 and modulates the thermal power absorbed by the optical discharge 2 from lasers 3 and 4, which is accompanied by a synchronous change in the dimensions of the plasma cloud of the optical discharge. The periodic motion of the plasma cloud of the optical discharge 2 is capable of generating acoustic waves in the discharge volume. At certain frequencies of repetition of sinusoidal oscillations in the discharge chamber 1, resonant acoustic oscillations occur, determined by the speed of sound in the gas under the given conditions and the geometric dimensions of the internal volume of the discharge chamber 1. As a result, the so-called acoustic wind arises. Acoustic wind does not appear immediately, but gradually, increasing to the limit determined by the viscosity of the medium. If the discharge chamber 1 has a sufficiently symmetrical shape, then the selected direction of the acoustic wind can be obtained, for example, by displacing the center of optical discharge 2 by a few percent of the diameter of the discharge chamber 1, slightly displacing the convergence of laser beams 5 from the center of discharge chamber 1. This does not have a significant influence on the optical qualities of discharge 2, but makes it possible to stabilize the position of a stationary vortex in the discharge chamber 1, formed under the action of an acoustic wind. The intensity of the acoustic wind is sufficient to accelerate the movement of the gas around the optical discharge 2, thereby preventing the occurrence of vibrations of the hot gas. The frequency of resonant acoustic oscillations of the gas in the discharge chamber 1 is significantly higher than the thermal oscillations around the optical discharge and amounts to tens of kilohertz. Therefore, in most applications of an optical discharge, insignificant fluctuations in the intensity of broadband radiation at high frequencies do not play a significant role.

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 изображены теневые фотографии применения заявляемого изобретения (снимок сделан авторами). Оптический разряд 2 виден в форме яркого эллипса в нижней части рисунка. Также на фотографиях видны два электрода, служащие для первоначального зажигания оптического разряда. Область разогретого газа видна на теневых фотографиях в виде темного облака, окружающего оптический разряд. На левой фотографии в ее верхней части виден уже сформировавшийся пузырь разогретого оптическим разрядом газа, всплывающий вверх. Процесс колебаний аналогичен изображенному на фиг. 2. На правой фотографии показано применение изобретения. Акустический ветер, образованный за счет модуляции мощности излучения одного из двух полупроводниковых лазеров частотой 8 кГц, соответствующей кратной доле резонансных акустических частот газового объема разрядной камеры, изменил направление теплового факела, увеличил его скорость и предотвратил возникновение колебаний. Показанная на этой фотографии картинка остается стабильной во времени, что свидетельствует о предотвращении колебаний и стабилизации оптического разряда. Эксперименты проводились при заполнении камеры ксеноном при давлении 20 бар. Реальный размер кадров, изображенных на фотографиях, 4х4 мм. FIG. 3 shows shadow photographs of the application of the claimed invention (photo taken by the authors). Optical discharge 2 is seen in the form of a bright ellipse at the bottom of the figure. The photographs also show two electrodes that serve for the initial ignition of the optical discharge. The area of heated gas is visible in shadow photographs as a dark cloud surrounding the optical discharge. In the left photograph, in its upper part, one can see an already formed bubble of gas heated by an optical discharge, floating upwards. The oscillation process is similar to that shown in FIG. 2. The right photograph shows the application of the invention. The acoustic wind generated by modulating the radiation power of one of the two semiconductor lasers with a frequency of 8 kHz, corresponding to a multiple of the resonant acoustic frequencies of the gas volume of the discharge chamber, changed the direction of the thermal plume, increased its velocity, and prevented the occurrence of oscillations. The picture shown in this photo remains stable over time, which indicates the prevention of oscillations and stabilization of the optical discharge. The experiments were carried out while filling the chamber with xenon at a pressure of 20 bar. The actual size of the frames shown in the photographs is 4x4 mm.

Экспериментальный способ определения частоты модуляции мощности лазерного излучения для предотвращения колебаний оптического разряда состоит в следующем. По известным из уровня техники формулам оценивается максимальная частота собственных акустических колебаний разрядной камеры при заданном составе и давлении газа. Зажигается оптический разряд и производится модуляция лазерного излучения одного или нескольких лазеров, поддерживающих оптический разряд, в диапазоне от максимальной частоты собственных колебаний до частоты приблизительно в 10 раз меньшей, при этом проводится скоростная видеосъемка либо теневой картины области нагретого газа, либо самого оптического разряда, определяется частота, подавляющая колебания либо теневой картины, либо формы и положения оптического разряда. Подбирается также амплитуда модуляции. An experimental method for determining the frequency of modulation of the power of laser radiation to prevent oscillations of an optical discharge is as follows. The formulas known from the prior art are used to estimate the maximum frequency of natural acoustic vibrations of the discharge chamber at a given composition and gas pressure. An optical discharge is ignited and the laser radiation of one or more lasers supporting the optical discharge is modulated in the range from the maximum frequency of natural oscillations to a frequency of approximately 10 times lower, while high-speed video recording of either the shadow pattern of the heated gas region or the optical discharge itself is determined. the frequency that suppresses the oscillations of either the shadow pattern or the shape and position of the optical discharge. The modulation amplitude is also selected.

Характерная особенность заявляемого изобретения состоит в том, что можно предотвратить колебания оптического разряда в разрядной камере не меняя при этом ее конструкции, а воспользоваться только небольшими изменениями в параметрах лазеров, поддерживающих оптический разряд. A characteristic feature of the claimed invention is that it is possible to prevent oscillations of the optical discharge in the discharge chamber without changing its design, but to take advantage of only small changes in the parameters of the lasers supporting the optical discharge.

Claims

A method for preventing oscillations 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 pulse is applied breakdown voltage, characterized in that the radiation of at least one of the lasers used is modulated with a sinusoidal signal with a frequency corresponding to multiples of the resonant acoustic frequencies of the gas volume of the discharge chamber.