一种激光维持等离子体宽带光源及应用的制作方法

1.本发明属于光源技术领域，尤其涉及一种激光维持等离子体宽带光源及应用。


背景技术：

2.目前，当今在半导体、材料和生命科学领域的尖端研究和制造应用中，要求光源能够在长寿命内提供高亮度和稳定的辐射，而激光维持等离子体(lsp)技术目前是一种在宽波长范围内具有高光谱亮度的等离子体光源。其主要应用领域包括高光谱成像、薄膜检测、光学元件测试、生物分析仪器、显微镜和材料研究等。
3.目前所存在的光源技术在光谱范围、高亮度、稳定性及寿命等方面都存在着一定的局限性。传统弧光氙灯中电极的蒸发限制气体温度的升高，从而带来有限的duv强度，电极的损耗影响光源的寿命，电弧闪烁会降低有效亮度并增加噪声。氘灯的光谱范围只分布在190nm
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400nm，发光等离子体区域大，亮度较低，且在1000小时输出功率衰减50％，寿命较短。卤素灯寿命短，灯丝面积大，在400nm之下功率低，通常与氘灯组合使用，从而达到宽光谱，但两个独立光源耦合会导致亮度较低，且光谱输出随着2个不同光源寿命而改变，影响其稳定性。
4.针对目前光源技术存在的局限问题，一种激光驱动光源(us007435982b2)被提出，此光源包含一个充满高压气体的石英灯泡，灯泡中的高压气体首先由两个电极所激发，其后用聚焦到石英灯泡中的连续激光光束来维持高密度等离子体，等离子体位置位于聚焦光束的焦点附近。由于在等离子体维持期间，没有电极的参与，使得等离子体的温度能达到10000k
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20000k，且激光维持的等离子体中的功率沉积和等离子体维持的位置是可以通过控制激光的聚焦特性来改变，为实现更高亮度、长寿命、宽带光谱的光源提供了可能性。但此结构中气体的容器为密封石英灯泡腔，只能通过更换灯泡的方式，来进行内部气体以及压强的改变，限制了内部气体条件更多的可能性。且石英灯泡的冷却不容易解决，在等离子体发光期间，等离子体的热辐射会导致腔壁温度的升高，不利于等离子体的维持条件和光谱输出的稳定性，内部气体温度和压强较高的情况下，石英材质的灯泡存在一定的安全隐患，且等离子体输出强的uv和duv光会导致石英灯泡紫外线变形，从而容易出现破裂现象。等离子体“点火”阶段仍需要电极的参与，对内部气体有一定的污染性，“点火”后等离子体仍维持在两电极中心，过高的等离子体温度对电极仍有损伤的可能性，而电极和激光两者不容易做同步控制，不利于等离子体不同时刻特性的分析，同时此结构仍需另外设计对等离子体光的收集装置，增加了整体装置的复杂性。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.现有的光源限制了内部气体条件更多的可能性，容易导致腔壁温度的升高，不利于等离子体的维持条件和光谱输出的稳定性，内部气体温度和压强较高的情况下，石英材质的灯泡容易出现变形、破裂现象。
7.现有光源的等离子体“点火”阶段仍需要电极的参与，对内部气体有一定的污染性，“点火”后等离子体仍维持在两电极中心，过高的等离子体温度对电极仍有损伤的可能
性，而电极和激光两者不容易做同步控制，不利于等离子体不同时刻特性的分析，同时此结构仍需另外设计对等离子体光的收集装置，增加了整体装置的复杂性。
8.解决以上问题及缺陷的难度为：
9.目前激光驱动光源为了追求商业价值而比较注重低成本和实用性，例如关注光源的高亮度、宽光谱等宏观特性，而对等离子体在能量注入下如何演变发展则关注较少，以及例如选择直接购买商业所现有的传统的短弧氙灯，利用其固有的电极来“点火”激发等离子体，传统氙灯作为气体容纳装置，作为商品非常容易得到，不需要自行设计，但目前所现有的短弧氙灯存在的种类有限，气体组分和压强等可改变量较少，广义上可以形成一定效果的宽带光源，但其结构非常不利于对激光维持的等离子体的物理原理层面的基本特性进行研究。同时现有的短弧氙灯的自身石英材料、椭圆形状等也带来了一定的弊端，而本发明更侧重对等离子体的特性的科研探索，尽量避免外在条件为光源带来的影响，因此选择自行设计放电腔和等离子体控制装置，避免现有激光驱动光源为了减少成本而选择商业短弧氙灯所带来的一系列弊端，同时本发明所描述的光源结构在实验室实现的技术原理方面是完全可行的。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：
11.本发明更注重等离子体特性的探索，利用自制的气体放电腔，以及外部条件控制装置，在避免电极的弊端同时，可以通过改变不同条件来方便的探究不同气体的等离子体在不同状态下的特性，例如改变气体组分和压强、腔体温度等，而双激光结构也容易同步控制，观察同一等离子体从被激发到维持存在的不同时刻的演变过程。而等离子体的基础原理研究则能更好的指导激光维持光源的设计，进一步优化光源的高亮度、宽光谱等宏观特性。


技术实现要素：

12.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光维持等离子体宽带光源及应用。
13.激光维持等离子体(lsp)技术是在“点火”后，经过聚焦系统聚焦后的近红外连续激光光束在充满高压xe或混合惰性气体的容器中维持了一个高密度等离子体，而产生宽带高亮度光源，不同于co2激光器维持等离子体的逆韧致辐射吸收原理，近红外激光器维持等离子体是通过原子激发态能级之间跃迁的激光辐射吸收。而xe和ar等惰性气体在近红外的吸收系数更低，使得可以在更高的气体压强下获得更小的等离子体，相比于co2激光器维持的等离子体尺寸在十几厘米级别，近红外激光器维持的等离子体的体积更小，其尺寸在几百微米，而且亮度更亮。因此此光源基本结构主要需要包括“点火”装置，工作气体，容纳气体的容器，维持等离子体的激光。此发明中，“点火”装置为脉冲激光器，工作气体为xe或者其他气体，容纳气体的容器为自制的可以容纳高压气体的腔体，维持等离子体的激光为连续激光器。为进一步分析不同条件下的等离子体特性，需要控制工作气体的种类和气体压强以及维持等离子体的激光功率，因此需要气体控制装置和可以承受高压的气体腔，腔体需要设计激光进入窗口以及等离子体诊断窗口，为了增加光源的稳定性，需要设计循环水冷结构，控制腔体温度，减少腔体温度变化对等离子体状态带来的影响。而维持的等离子体所发出的光需要应用到具体实验中，因此需要设计等离子体光收集装置，使得等离子体光
以平行或聚焦的光输入到具体应用中。
14.本发明是这样实现的，一种激光维持等离子体宽带光源包括腔体、工作气体、充放气装置、入射窗口、出射窗口、两个激光器、透镜、平面镜、反射面和循环水冷；
15.所述腔体内填充有高压工作气体，所述腔体左侧通过连接管路与充放气装置连接，所述腔体外侧开设有入射窗口和出射窗口，一个脉冲激光器的光束由透镜聚焦经过其中一个入射窗口到达密封腔内，另一连续激光光束经平面镜反射，聚焦透镜聚焦，经另一入射窗口到达腔体内；
16.所述腔体内部包含一个反射面，镜面涂有高反材料，等离子体所产生的光经腔内反射面反射，经出射窗口后被平面镜、透镜收集使用；
17.所述腔体周围设置有循环水冷结构，所述循环水冷结构用于控制腔体的温度，避免等离子体的热辐射使得腔体温度过高。
18.进一步，所述腔体为导热性良好的金属材质腔体，所述腔体内部没有电极存在。
19.进一步，所述工作气体为汞蒸气、氢气、氧气、氩气、氙气或其它惰性气体中的一种，或两种及以上不同比例的混合气体，气体压强为1atm～200atm。
20.进一步，所述充放气装置包括储气瓶、压力传感器、气压表、阀门、真空泵，工作气体种类和压强由充放气装置控制。
21.进一步，所述入射窗口和出射窗口的材料对其所透过的激光或等离子体光透明。
22.进一步，两个激光器分别为脉冲激光器和连续激光器，所述脉冲激光器用于激发腔内气体形成等离子体，所述连续激光器用于维持等离子体，脉冲激光器光束的聚焦焦点与连续激光器光束的聚焦焦点相同，都位于反射面的焦点处，同时设置脉冲激光器和连续激光器的同步，在脉冲激光器单个或几个脉冲后连续激光器能量输入到等离子体内部。
23.进一步，反射面形状为抛物面型和椭球型等，反射面表面涂有高反材料，用于聚焦激光光束或者反射等离子体发出的光。
24.进一步，所述腔体周围的循环水冷结构的温度通过外部温度控制仪器控制，气体未激发时的外部水冷温度和等离子体稳定后的水冷温度可不同。
25.本发明另一目的在于提供一种激光维持等离子体宽带光源的控制方法包括：
26.通过气体控制装置控制工作气体的种类和气体压强；抽气系统将腔内抽为真空环境，充气系统的外部储气瓶装有特定工作气体，气压表设置气体压强在1atm
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200atm范围，抽气系统和充气系统两端都安装有阀门来控制气体的进出及压强。
27.通过设计激光进入窗口和等离子体诊断窗口来方便不同功率的激光进入腔内以及等离子体特性的诊断；不同激光功率的聚焦激光光束通过腔体上的平面入射窗口进入到腔体内部维持等离子体，而等离子体可以用光谱仪、ccd等光学设备通过诊断窗口探究其特性，例如电子温度、电子密度、光谱等。
28.通过循环水冷结构控制气体腔体温度，减少腔体温度变化对等离子体状态带来的影响；腔体设计有水冷循环管道以及水进出口，循环水从进口进入腔体，经循环管道经过整个腔体，使得腔体温度维持在由温度控制仪器特定设置的温度，而后循环水经出口出腔体，通常来说，在激光维持等离子体之前，控制腔体温度在高于室温的温度(50
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80℃)，有利于降低维持等离子体的激光阈值功率，而在等离子体维持阶段，控制腔体温度在一较低温度，减少等离子体热辐射引起腔体温度升高对等离子体状态的不利影响。
29.通过等离子体光收集装置使等离子体光以平行或聚焦的光输入到具体应用场景中。利用不同形状的光学反射面对光束的几何反射光学特性来收集向四周发散类似于点光源的等离子体光并将其变成平行光或聚焦光，使其输出腔体外。
30.本发明另一目的在于提供一种所述激光维持等离子体宽带光源在半导体、材料和生命科学领域上的应用。
31.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
32.本发明利用一种双激光结构，达到无电极激发及维持等离子体，从而形成宽带光源，其目的在于完全避免电极对激光维持等离子体发光特性的影响，避免密封灯泡不方便气体组分和压强控制以及冷却问题不容易解决的弊端，将气体容器和等离子体光收集装置结合，简化激光维持等离子体光源整体装置的复杂性，其次，双激光结构容易控制同步，对于分析不同时刻等离子体状态及特性提供便利。
33.本发明中的无电极的双激光结构可以完全避免电极对激光维持等离子体的影响，两个激光器方便同步控制，最大限度的探究激光维持等离子体的特性，水冷的循环结构能方便的控制腔体的温度，为等离子体激发和维持提供最佳的外部条件，充放气装置可以控制腔体内部高压气体的组分和压强，探究不同状态下的等离子体光谱，优化光谱输出，同时气体容纳结构和光收集结构结合以及无电极结构简化了整体实验装置的复杂性。
34.本发明中的自制腔体取代石英灯泡，腔体上设置多个进出口及平面窗口，减少石英灯泡椭球形状对激光及等离子体光传播的散焦影响，避免材质存在的潜在安全风险性，同时方便等离子体诊断。
35.本发明中设置充放气装置，相对于石英灯泡，更方便的改变腔内气体的组分和压强，探究不同气体不同状态下的等离子体特性，为应用需求，优化等离子体光源光谱的输出。
36.本发明利用双激光结构取代电极结构，避免电极污染气体、容易被损伤、限制等离子体形成等弊端，同时双激光结构容易做同步控制，有利于不同时刻等离子体的特性研究。
37.本发明中的腔体外部设置有循环的水冷结构，传统石英灯泡的冷却问题不容易解决，但等离子体的高温容易使灯泡炸裂，同时对等离子体的稳定性和光谱输出有不利影响，而在腔体外部设置循环的水冷结构，可以通过温度传感器控制腔体温度，更好的控制等离子体维持的外部实验环境条件。
38.本发明中的腔体内部设置有反射面，使得腔体将气体容纳功能和等离子体光收集功能结合，不用另外设计等离子体光收集装置，从而简化了整体的实验装置。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1是本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第一实施例的结构示意图。
41.图2是本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第二实施例的结构示意
图。
42.图3是本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第三实施例的结构示意图。
43.图4是本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第四实施例的结构示意图。
44.图5是本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第五实施例的结构示意图。
45.图中：1、腔体；2、工作气体；3、循环水冷结构；4、反射面；5、入射窗口；6、透镜；7、脉冲激光器；8、入射/出射窗口；9、反射镜；10、透镜；11、连续激光器；12、平面镜；13、等离子体；14、充气系统；15、抽气系统；16、等离子体收集窗口。
具体实施方式
46.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
47.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光维持等离子体宽带光源，下面结合附图对本发明作详细的描述。
48.如图1所示，为本发明实施例提供的一种激光维持等离子体宽带光源的第一实施例的示意图。该结构中包含金属材质腔体1，腔体1的内部可容纳工作气体2，腔周围装有循环水冷3，腔内部形状构成反射面4，腔体上包含入射窗口5，透镜6起到聚焦激光的作用，脉冲激光7输出脉冲光，腔体上存在另一入射/出射窗口8，用于入射激光，出射等离子体光，反射镜9反射等离子体光，透镜10起到聚焦激光的作用，连续激光器11输出高功率连续光束，平面反射镜12用来改变激光传输方向，等离子体13发出高亮度宽光谱的白光，充气系统14为腔体内部输送工作气体2，抽气系统15可以将腔内气体抽为真空。
49.抽气系统15可以为真空泵，将腔体1内部抽为真空环境，充气系统14可以包括储气瓶和气压表，向腔体内部充入压强由1atm～200atm不等的氙气，两端均安装有阀门用于控制腔体内部气压，脉冲激光7为nd:yag激光器，单脉冲能量约为100mj，半高全宽为10ns，波长为1064nm，脉冲激光7的光束经焦距为35mm的c膜平凸镜6聚焦，经石英玻璃入射窗口5到达腔体内部激发压强约为40atm的高压氙气，在聚焦焦点处形成初始的激发等离子体，nd:yag激光器持续单个脉冲或多个激光脉冲，连续激光器11为光纤激光器，最高输出功率为250w，波长为1080nm，光束质量m2≤1.3，连续激光光束经平面反射镜12反射，改变光束传播方向，将连续激光由下方垂直向上传播，经焦距为50mm的c膜平凸镜10聚焦，透过平面镜9，进入入射窗口8，到达高压氙气中脉冲激光形成的激发等离子体的内部，维持氙等离子体13的稳定性发光，连续激光由下方垂直入射维持等离子体，有利于减小热重力对流对其的影响，脉冲激光光束的聚焦点和连续激光光束的聚焦点应相同，都位于反射面4的焦点，等离子体13所发出的光经涂有高反材料的抛物反射面4所收集，形成平行光，传播出出射窗口8，经平面反射镜9改变光束方向从而被收集使用。腔体周围的循环水冷系统3用于控制腔体的温度，在气体未被激发之前和等离子体维持期间分别维持一个不同的合适的温度，从而分别降低激光激发等离子体的难度以及增加等离子体维持的稳定性。
50.如图2所示，为本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第二实施例的示意图。与图1的第一实施例相比，其激光聚焦方式和等离子体光收集方式略有不同，腔体1内装有高压工作气体2，工作气体2的组分和压强由充放气系统14，15所控制，脉冲激光器7的光束由聚焦透镜6所聚焦经入射窗口5进入到腔内在焦点处激发工作气体形成激发等离子体，连续激光器11的光束由聚焦透镜10所聚焦经平面反射镜改变聚焦光束的方向，使其经入射窗口8到达腔内高压气体维持等离子体13持续发光，脉冲激光光束的聚焦点和连续激光光束的聚焦点应相同，都位于反射面4的焦点，等离子体13发出的光经抛物面反射面4反射，变为平行光，传输出射窗口8，被收集使用。
51.如图3所示，为本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第三实施例的示意图。与图1和图2的实施例相比，脉冲激光7和连续激光11共同作用维持等离子体13的方法相同，但是改变了腔体结构，将连续激光11的入射窗口8与等离子体收集窗口16位置分开，在连续激光入射窗口8同侧设置反射面4，反射面为椭圆型，主要用于收集等离子体13的连续激光入射端所发出光线，实验得，激光入射端等离子体13的温度较高，更容易发出高强度光谱，等离子体光经过椭圆反射面4反射，经出射窗口16，被聚焦到椭圆反射面4的另一个焦点，能量被聚焦，更有利于得到高强度的等离子体光，用于实际应用。
52.如图4所示，为本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第四实施例的示意图。此实施例中，脉冲激光器7和连续激光器11的光束由同一方向被聚焦进入腔内，腔体1中包含高压工作气体2，工作气体2的组分和压强由充放气系统14，15所控制，腔体内部反射镜4为椭圆反射镜，脉冲激光器7的光束透过平面反射镜12，被聚焦透镜10所聚焦，经入射窗口8，进入到腔体内部，脉冲激光光束的聚焦焦点与椭圆反射面4的一个焦点重合，同样的，连续激光器11的光束经平面反射镜12反射，改变传播方向，被聚焦透镜10所聚焦，经入射窗口8，进入到腔体内部，连续激光光束的聚焦点和脉冲激光光束聚焦点以及椭圆反射面4的一个焦点重合，控制脉冲激光器7和连续激光器11的同步，在脉冲激光器一个或几个脉冲激发高压气体后，连续激光器11维持等离子体13。等离子体13发出的光被椭圆反射面4所收集，经出射窗口16，被聚焦到椭圆反射面4的另一个焦点。
53.如图5所示，为本发明实施例提供的激光维持等离子体宽带光源的第五实施例的示意图。与上述三个实施例相比，腔体1中反射面4仍为椭圆反射面，但改变连续激光11的聚焦方式，连续激光光束最终由椭圆反射面4反射聚焦至等离子体13内部。连续激光器11的光束经聚焦透镜10聚焦，平面反射镜12改变光束传播方向后光束聚焦至焦点后继续传播，此聚焦焦点位于反射面4的一个焦点处，光束透过平面反射镜9，经入射窗口8进入到充满高压工作气体2的腔体1中，由腔内的椭圆反射面4反射聚焦到反射面4的另一个焦点，脉冲激光器7的光束也聚焦到这个焦点，脉冲激光7和连续激光11的光束共同作用，在椭圆反射面的此焦点处维持了等离子体13，等离子体13发出的光由椭圆反射面4反射收集传输出腔外，经平面反射镜9反射改变光束传播方向，最终聚焦被用于实际应用。
54.本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或
暗示相对重要性。
55.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。