一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)。納秒脈沖激光器輸出的激光脈沖的光路上，依次設(shè)置聚焦透鏡組和氣室；所述激光脈沖經(jīng)所述聚焦透鏡組聚焦至所述氣室中，產(chǎn)生的等離子體火焰發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)收集裝置收集，得到高亮度脈沖白光光源。本發(fā)明高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)收集后的白光可以用于光譜分析，成像與照明以及光刻和轉(zhuǎn)印等諸多領(lǐng)域。本發(fā)明的激發(fā)系統(tǒng)于實現(xiàn)了脈沖時間短，瞬時強度高，時間和光譜性能穩(wěn)定，光譜范圍廣的白光輸出。
【專利說明】一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，屬于寬光譜光源領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]寬光譜范圍高強度高亮度的脈沖光源(又稱高亮度脈沖白光光源)在光譜分析、成像與照明以及光刻和轉(zhuǎn)印的諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。高亮度脈沖白光光源的要點顧名思義在于瞬間高強度的脈沖，以及寬光譜范圍的白光輸出。
[0003]常用的高亮度脈沖白光光源為Xe閃光燈，其原理是高壓大電流瞬間放電產(chǎn)生的等離子放電發(fā)光，其寬光譜的白光發(fā)射來自高壓的氙氣在等離子狀態(tài)下形成的復(fù)雜多樣的準(zhǔn)分子激發(fā)態(tài)發(fā)光。這種光源的脈沖時間常隨其具體應(yīng)用而有很大范圍的變化。以用于攝影照明的閃光燈為例，固定式的影室閃光燈其燈管長(100毫米以上)放電能量大，但發(fā)光維持時間(單次脈沖完全放電)可達(dá)10毫秒以上。安裝在照相機上的內(nèi)藏式或獨立便攜式的閃光燈其燈管短，放電能量小，其發(fā)光維持時間一般在毫秒左右。光譜技術(shù)中的探測光源常用高壓短弧Xe閃光燈。通常的型號(以日本濱松公司的L7685型號為例)其放電電弧間距在3?4毫米，發(fā)光脈沖的半高寬約為10微秒，單脈沖發(fā)光能量約為I個焦耳。
[0004]高亮度脈沖白光光源的瞬間高亮度特性一方面需要較高的峰值功率，另一方面需要較短的脈沖時間?；跉怏w放電發(fā)光的Xe閃光燈由于受電激發(fā)原理的限制，兩方面的性能都受到一定的限制。首先是由于放電電流密度受到電子之間排斥的作用不可能太大；其次常規(guī)情況下放電時間受電容容量和放電電流共同控制，在要求高亮度得情況下放電時間不可能太短。閃光燈得放電時間可以通過開關(guān)管，閘流管等技術(shù)縮短，但是同時脈沖發(fā)光的能量也有所縮短，且由于電路系統(tǒng)自身得電容特性，放電時間也不可能無限縮短，很難達(dá)到納秒量級。
[0005]高亮度脈沖白光光源用于快速過程的照明或光譜動力學(xué)探測光源的主要目的是為了 “凝固”觀測對象的“動作”。因此提高峰值功率并縮短脈沖時間是開發(fā)新型高亮度脈沖白光光源的關(guān)鍵所在。納秒量級的脈沖時間是探測眾多物理化學(xué)反應(yīng)或?qū)Ω咚龠\動變化的物體進行照明所急需的光源技術(shù)特點，納秒激光器雖然在脈沖時間和亮度上都能夠滿足要求，但是其良好的單色性在作為探測和照明光源時又成了明顯的缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖時間短、瞬時強度高、時間和光譜性能穩(wěn)定以及光譜范圍廣的白光光源的輸出。
[0007]本發(fā)明所提供的高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，納秒脈沖激光器輸出的激光脈沖的光路上，依次設(shè)置聚焦透鏡組和氣室；所述激光脈沖經(jīng)所述聚焦透鏡組聚焦至所述氣室中，產(chǎn)生的等離子體火焰發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)收集裝置收集，得到高亮度脈沖白光光源。
[0008]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述氣室為燈泡或裝填有至少一個光學(xué)窗口的腔室；
[0009]所述燈泡和所述腔室內(nèi)充填有惰性氣體如氙氣、鹵素和汞中至少一種。
[0010]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述激光脈沖的波長為下述波段中的任一種或其組合:
[0011]266nm、355nm、527nm、532nm、1054nm和1064nm，具體依據(jù)實施納秒脈沖激光器的類型不同而不同；
[0012]所述激光脈沖的脈寬為是數(shù)百皮秒至數(shù)百納秒；
[0013]所述氣室內(nèi)的工作氣壓可為數(shù)個至百個大氣壓之間。
[0014]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述聚焦透鏡組可為下述任一種:
[0015]I) 一個凸透鏡或凸透鏡組；
[0016]2) 一個凹面反射鏡或一個凹面鏡與平面反射鏡的組合；
[0017]3)凸透鏡與反射鏡的組合。
[0018]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述聚焦透鏡組前設(shè)置有擴束透鏡組；
[0019]所述擴束透鏡組包括依次設(shè)置的凹面鏡和凸透鏡；
[0020]本發(fā)明通過所述擴束透鏡組，先進行擴束后進行聚焦的目的在于增大聚焦頂角，從而減小由焦點處的高光強導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)，縮小焦點和等離子火焰大小。根據(jù)需求也可以通過縮短焦距并縮小氣室大小，減小擴束倍數(shù)或不必擴束。
[0021]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述聚焦透鏡組的有效相對孔徑(F數(shù))不大于2。
[0022]本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)中，可以通過采用使用非球面透鏡、以及遮蔽聚焦透鏡組中靠近主光軸的區(qū)域等方法來進一步減小等離子體火焰大小。
[0023]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述光學(xué)收集裝置可為下述任一種:
[0024]I) 一個凸透鏡
[0025]2) 一個凸透鏡組；
[0026]3) 一個凹面鏡或凹面鏡組；
[0027]4)凹面鏡與凸透鏡的組合。
[0028]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述光學(xué)收集裝置的主光軸與所述等離子體火焰發(fā)出的光的光路的主光軸呈O度或90度，即分別進行對向收集或側(cè)向收集。
[0029]所述的激發(fā)系統(tǒng)中，所述光學(xué)收集裝置可以包括至少一片濾光片，所述濾光片包括但不限于介質(zhì)膜帶阻濾光片、介質(zhì)膜帶通濾光片、有色玻璃長通濾光片、有色玻璃中性濾光片、金屬鍍膜中性濾光片等。
[0030]本發(fā)明高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，利用納秒激光器輸出的近紅外激光脈沖，通過光束整型和匯聚在發(fā)光體一如高壓Xe氣室中，形成瞬間的高濃度等離子體放電發(fā)光，由于這種等離子體是由激光激發(fā)/誘導(dǎo)產(chǎn)生的，其濃度不像電流轟擊那樣受限，在瞬間可以達(dá)到更高的密度。同時由于激光聚焦的特性，發(fā)光點尺度可以控制在微米量級，一方面提高了亮度(以cd/m2計)另一方面避免了大發(fā)光體導(dǎo)致的自吸收。發(fā)出的白光可以進行側(cè)向或?qū)ο蚴占?。收集后的白光可以用于光譜分析，成像與照明以及光刻和轉(zhuǎn)印等諸多領(lǐng)域。本發(fā)明的激發(fā)系統(tǒng)于實現(xiàn)了脈沖時間短，瞬時強度高，時間和光譜性能穩(wěn)定，光譜范圍廣的白光輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1是本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)的光路示意圖之一。
[0032]圖2是本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)的光路示意圖之二。
[0033]圖3是本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)中聚焦方式的示意圖。
[0034]圖4是本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)中收集方式的示意圖之一。
[0035]圖5是本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)中收集方式的示意圖之二。
[0036]圖6是本發(fā)明激發(fā)系統(tǒng)中收集方式的示意圖之三。
[0037]圖中各標(biāo)記如下:
[0038]I激光脈沖、2擴束透鏡組、3聚焦透鏡、4氣室、5收集透鏡組、6收集透鏡1、7收集透鏡I1、8偏心拋物面鏡、9球面鏡。

【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實施例。
[0040]如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，納秒脈沖激光器輸出的激光脈沖I的光路上，依次固定擴束透鏡組2、聚焦透鏡3和氣室4 (高壓氙燈燈泡)，并保證激光焦點位于氣室4中。激光脈沖I經(jīng)聚焦透鏡3聚焦至氣室4中，產(chǎn)生的等離子體火焰發(fā)出的光經(jīng)收集透鏡組5收集，得到高亮度脈沖白光光源，且收集透鏡組5的中心軸線垂直于激光光路方向，并使得激光焦點位于透鏡組的一個焦點處。
[0041]如圖2所示，為本發(fā)明提供的另一種高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，該激發(fā)系統(tǒng)中，激光脈沖1、擴束透鏡組2、聚焦透鏡3和氣室4(高壓氙燈燈泡)的設(shè)置同圖1所示激發(fā)系統(tǒng)中一致，不同之處在于:收集透鏡組5的中心軸線與激光光路中心重合。在圖2所示的激發(fā)系統(tǒng)中，需要在收集透鏡組5中增加一片或者多片激光濾光片，以消除收集到的激發(fā)脈沖激光的影響；或者可以通過遮擋聚焦透鏡3中心附近的激光并使用適當(dāng)大小和焦距的收集透鏡，來避免激發(fā)脈沖激光的影響。
[0042]在圖1和圖2所示的激發(fā)系統(tǒng)中，擴束透鏡組2具體可為圖3所示的光器件組合:如圖3中虛線框中所示，由一個短焦距凹透鏡和一個長焦距凸透鏡組成，再用一個短焦距非球面凸透鏡作為聚焦透鏡3，將擴束后的激光以大頂角會聚入氣室4 (高壓氙燈燈泡)中。
[0043]在圖1和圖2所示的激發(fā)系統(tǒng)中，收集透鏡組5具體可為圖4所示的光器件的組合:如圖4中虛線框中所示，由兩個凸透鏡組成，激光焦點即白光光點位于收集透鏡I 6的焦點上，樣品或孔徑光闌置于收集透鏡II 7的焦點上。
[0044]在圖1和圖2所示的激發(fā)系統(tǒng)中，收集透鏡組5具體還可為如圖5所示的光器件的組合:由一個偏心拋物面鏡和一個凸透鏡組合(還可由兩個偏心拋物面鏡組合)而成，激光焦點位于一個偏心拋物面鏡8的焦點上，樣品或孔徑光闌置于另一凸透鏡(或偏心拋物面鏡)的焦點上。
[0045]如圖6所示，當(dāng)使用側(cè)向收集時，可在氣室4與收集光路對稱的一側(cè)加裝一個球面鏡9，球心位于激光焦點處，可用以提高白光的收集效率。
【權(quán)利要求】
1.高亮度脈沖白光光源激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:納秒脈沖激光器輸出的激光脈沖的光路上，依次設(shè)置聚焦透鏡組和氣室；所述激光脈沖經(jīng)所述聚焦透鏡組聚焦至所述氣室中，產(chǎn)生的等離子體火焰發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)收集裝置收集，得到高亮度脈沖白光光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述氣室為燈泡或裝填有至少一個光學(xué)窗口的腔室； 所述燈泡和所述腔室內(nèi)充填有惰性氣體、鹵素和汞中至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述激光脈沖的波長為下述波段中的任一種或其組合:
266nm、355nm、527nm、532nm、1054nm 和 1064nmo
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述聚焦透鏡組為下述任一種: 1)一個凸透鏡或凸透鏡組； 2)一個凹面反射鏡或一個凹面鏡與平面反射鏡的組合； 3)凸透鏡與反射鏡的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述聚焦透鏡組前設(shè)置有擴束透鏡組； 所述擴束透鏡組包括依次設(shè)置的凹透鏡和凸透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述聚焦透鏡組的有效相對孔徑不大于2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)收集裝置為下述任一種: 1)一個凸透鏡 2)一個凸透鏡組； 3)一個凹面鏡或凹面鏡組； 4)凹面鏡與凸透鏡的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)收集裝置的主光軸與所述等離子體火焰發(fā)出的光的光路的主光軸呈O度或90度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的激發(fā)系統(tǒng)，其特征在于:所述光學(xué)收集裝置包括至少一片濾光片。
【文檔編號】G02B19/00GK104460186SQ201410707874
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】付立民, 劉禹辰, 艾希成, 張建平 申請人:中國人民大學(xué)