一种产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法及装置.pdf

本发明公开一种产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法及装置，所述方法为：产生飞秒激光光束,将激光光束聚焦于工作气体处，在真空环境下所述激光光束与所述工作气体相互作用产生高次谐波；调整所述激光光束的入射能量或所述工作气体的气压，以改变高次谐波的相位匹配条件，使得高次谐波频率发生红移或蓝移，从而实现极紫外光源各阶次谐波辐射波长的连续调谐。本发明还提供了实现上述方法的装置。实施本发明可实现极紫外光源各阶次谐波辐射波长的连续调谐。

权利要求书1.  一种产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法，其特征在于， 所述方法为：产生飞秒激光光束,将激光光束聚焦于工作气体处，在真空环 境下所述激光光束与所述工作气体相互作用产生高次谐波；调整所述激光 光束的入射能量或所述工作气体的气压，以改变高次谐波的相位匹配条件， 使得高次谐波频率发生红移或蓝移，从而实现极紫外光源各阶次谐波辐射 波长的连续调谐。 2.  如权利要求1所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法， 其特征在于，保持工作气体气压不变，增大激光脉冲能量，使得高次谐波 频率发生红移。 3.  如权利要求1所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法， 其特征在于，保持激光脉冲能量不变，增大工作气体气压，使得高次谐波 频率发生蓝移。 4.  如权利要求1-3任一项所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光 源的方法，其特征在于，所述工作气体为惰性气体或分子气体中的一种。 5.  一种实现如权利要求1-4任一项所述方法的装置，其特征在于，所 述装置包括：飞秒激光驱动光源、半波片和偏振片组合、光阑、聚焦透镜、 第一真空腔、气体盒子，所述气体盒子位于第一真空腔内部的聚焦透镜焦 点处； 所述飞秒激光驱动光源用于产生飞秒激光，半波片和偏振片组合用于 对所述飞秒激光光束进行能量调节，光阑用于调节光束直径并将调节后的 激光光束垂直入射到聚焦透镜上，再由聚焦透镜聚焦，激光光束与气体盒 子中的工作气体在聚焦透镜焦点处相互作用产生高次谐波。 6.  如权利要求5所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的装置， 其特征在于，所述装置还包括设置于气体盒子通气管道上的调压阀门，用 于调节气体盒子中通入的工作气体的压力。 7.  如权利要求5所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的装置， 其特征在于，所述装置还包括第二真空腔、狭缝、平焦场光栅、MCP荧光 板、CCD照相机，所述狭缝、平焦场光栅位于第二真空腔内部； 所述高次谐波穿过狭缝由平焦场光栅聚焦于同一平面，所述MCP荧光 板、CCD照相机用于对所述聚焦于同一平面的高次谐波信号进行探测。 8.  如权利要求5所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的装置， 其特征在于，所述气体盒子中的工作气体为惰性气体或分子气体中的一种。 9.  如权利要求5所述的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的装置， 其特征在于，所述聚焦透镜为平凸透镜、球面透镜或抛物透镜。

说明书一种产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法及装置
技术领域
本发明涉及强场激光物理与阿秒科学技术领域，更具体地，涉及一种 产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法及装置。
背景技术
极紫外光的波长位于10～121nm的光谱区，是一种高能电子辐射，它能 引起其他方法难以实现的物质能级跃迁和化学反应。可调谐极紫外光源在 激光光谱学研究中具有十分重要的意义，它是实现高分辨率成像的主要方 法，此外在超高密度光学磁盘、材料处理技术及生物医学上也有很大应用 前景。
现有方法中，相干光源的产生一般是通过工作介质的受激辐射或晶体 的倍频或差频来实现，输出波段多见于可见波段和红外波段，在极紫外波 段(10～121nm)很难利用上述方法产生。因此采用新的方法和手段实现极紫 外光源是必要的。申请号为201310188870.1的专利描述的产生极紫外可调 谐单色相干光源的方法，其涉及多色激光场和气体的相互作用、宏观相位 匹配和原子内相位匹配技术，但是其只能调谐特定谐波阶次的波长，而不 能同时实现极紫外光源各阶次谐波辐射波长的连续调谐。因此，现有技术 的不足，约束了可调谐极紫外光源在实际中的应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种产生宽谱带 可连续调谐相干极紫外光源的方法及装置，利用飞秒激光与气体相互作用， 在产生高次谐波的基础上，调节激光脉冲能量或气压，使高次谐波的相位 匹配条件发生改变，产生使光谱变宽的红移或蓝移，从而实现极紫外光源 各阶次谐波辐射波长的连续调谐。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种产生宽谱带可连续调谐相 干极紫外光源的方法，所述方法为：产生飞秒激光光束，将所述飞秒激光 光束聚焦于工作气体处，在真空环境下所述激光光束与所述工作气体相互 作用产生高次谐波；调整所述激光光束的入射能量或所述工作气体的气压， 以改变高次谐波的相位匹配条件，使得高次谐波频率发生红移或蓝移，从 而实现极紫外光源各阶次谐波辐射波长的连续调谐。
作为进一步优选地，保持工作气体气压不变，增大激光脉冲能量，使 得高次谐波频率发生红移。
作为进一步优选地，保持激光脉冲能量不变，增大工作气体气压，使 得高次谐波频率发生蓝移。
作为进一步优选地，所述工作气体为惰性气体或分子气体中的一种。
相应地，本发明还提供一种实现方法的装置，所述装置包括：飞秒激 光驱动光源、半波片和偏振片组合、光阑、聚焦透镜、第一真空腔、气体 盒子，所述气体盒子位于第一真空腔内部的聚焦透镜焦点处；
所述飞秒激光驱动光源用于产生飞秒激光，半波片和偏振片组合用于 对所述飞秒激光光束进行能量调节，光阑用于调节光束直径并将调节后的 激光光束垂直入射到聚焦透镜上，再由聚焦透镜聚焦，激光光束与气体盒 子中的工作气体在聚焦透镜焦点处相互作用产生高次谐波。
作为进一步优选地，所述装置还包括设置于气体盒子通气管道上的调 压阀门，用于调节气体盒子中通入的工作气体的压力。
作为进一步优选地，所述装置还包括第二真空腔、狭缝、平焦场光栅、 MCP荧光板、CCD照相机，所述狭缝、平焦场光栅位于第二真空腔内部；
所述高次谐波穿过狭缝由平焦场光栅聚焦于同一平面，所述MCP荧光 板、CCD照相机用于对所述聚焦于同一平面的高次谐波信号进行探测。
作为进一步优选地，所述气体盒子中的工作气体为惰性气体或分子气 体中的一种。
作为进一步优选地，所述聚焦透镜为平凸透镜、球面透镜或抛物透镜。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要 具备以下的技术优点：本发明方法利用强飞秒脉冲单色激光场与气体相互 作用，产生高次谐波，再通过调节激光脉冲能量和气压，使其相位匹配条 件发生改变，导致高次谐波发生频移(红移或蓝移)，即实现了输出波长 可调谐。应用本发明方法以及装置，可通过精确控制激光脉冲能量以及气 压的变化量，实现极紫外光源输出波长的精确调谐，也可通过相位匹配技 术对特定阶次的谐波进行调谐。
附图说明
图1为本发明产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光的装置结构示意图；
图2为本发明一个实施例的产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光的装 置结构示意图；
图3为本发明装置气压一定时，激光脉冲能量取不同值时，各阶次谐 波强度以及波长变化示意图；
图4为本发明装置气压一定时，各阶次(13～27次)谐波的中心波长随 激光脉冲能量的变化示意图；
图5为本发明装置激光脉冲能量一定时，气压取不同值时，各阶次谐 波强度及波长的变化示意图；
图6为本发明装置激光脉冲能量一定时，各阶次(13～27次)谐波的中 心波长随气压的变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，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。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。
本发明提供一种产生宽谱带可连续调谐相干极紫外光源的方法，所述 方法为：产生飞秒激光光束,将激光光束聚焦于工作气体处，在真空环境下 所述激光光束与所述工作气体相互作用产生高次谐波；调整所述激光光束 的入射能量或所述工作气体的气压，以改变高次谐波的相位匹配条件，使 得高次谐波频率发生红移或蓝移，从而实现极紫外光源各阶次谐波辐射波 长的连续调谐。
如图1所示，基于上述方法，本发明还提供一种实现上述方法的装置。 装置包括：飞秒激光驱动光源1、半波片和偏振片组合2、光阑3、聚焦透 镜4、第一真空腔5和气体盒子9。其中，气体盒子9位于第一真空腔5内 部。
上述飞秒激光驱动光源1用于产生飞秒激光，半波片和偏振片组合2 用于进行飞秒激光光束能量调节；再通过光阑3调节光束直径(即光斑大 小)，调节后的激光光束经光阑3垂直入射到聚焦透镜4上，经聚焦透镜4 聚焦。所述气体盒子9经调节后位于透镜焦点处，上述飞秒激光与气体盒 子9中的工作气体相互作用产生高次谐波。
其中，半波片与偏振片组合2用于进行光束能量的调节，通过控制半 波片的转动角度以调节飞秒激光驱动光源的出射光能量。本发明中亦可用 其它具有调节光束能量的装置代替。
聚焦透镜4可选用平凸透镜、球面透镜或抛物透镜。
第一真空腔5还与第一分子泵7相连，第一分子泵7用于对第一真空 腔5进行抽真空，使其保持在真空状态。激光与空气可发生相互作用，真 空状态保证了光束只与指定的单一气体作用。
本发明气体盒子9与进气管10相连，其输入的工作气体为Ne、Ar、 Kr、Xe等惰性气体或N2、O2、H2、D2等分子气体。气体盒子9与进气管 10之间还设置由一个调压阀门，通过调压阀门调节通入的工作气体的流量， 从而实现对气体盒子中工作气体压力的调节。同时，还可通过控制第一真 空腔内的位移平台控制气体盒子的位置，使得聚焦透镜4聚焦得到的焦点 位于气体盒子9正中央。气体盒子9可选用铜管或镍管等。
如图2所示，作为一种优选的方式，本发明装置还包括第二真空腔6、 狭缝11、平焦场光栅12、MCP荧光板13、CCD照相机14。狭缝11、平 焦场光栅12位于第二真空腔6内部，高次谐波穿过狭缝11由平焦场光栅 12聚焦于同一平面，再通过MCP荧光板13、CCD照相机14进行对所述 高次谐波信号的探测，观察高次谐波频率的红移或蓝移现象。
其中，第二真空腔6还与第二分子泵8相连，第二分子泵8用于对第 二真空腔6进行抽真空，使其保持在真空状态。真空状态有利于避免激光 光束与空气中的其他气体相互作用，使得可以更清晰地观察到高次谐波频 率的红移或蓝移现象。
本发明装置的工作过程为：
S1、启动飞秒激光驱动光源，调节光阑、聚焦透镜使得激光束位于狭 缝中央；
S2、气体盒子处于真空状态下，向气体盒子充入工作气体，调节半波 片角度使得激光光束达到成丝所需能量，调节气体盒子位置使其位于聚焦 透镜焦点位置，气体盒子中的工作气体与激光光束相互作用产生高次谐波；
S3、转动半波片角度，调节飞秒激光驱动光源的入射激光脉冲能量或 调节气体盒子中通入工作气体的气压，使得所述高次谐波的频率发生红移 或蓝移，从而实现极紫外光源输出波长的连续调谐。
上述步骤S2中，具体实现方式为：首先检查气体盒子是否漏气，在气 体盒子不漏气的状态下，调节气体盒子所在的位移平台，使激光束射在气 体盒子中央。调节激光能量调节装置(若为半波片与偏振片组合，则调节 半波片转动角度)，使得激光能量达到成丝所需的能量。寻找透镜焦点位置 (即成丝位置)，使得气体盒子处于透镜焦点处。然后用保护屏(挡光板) 挡住激光束，密封两个真空腔，启动两个分子泵将真空腔抽成真空，并维 持在高真空状态。拿下挡光板，启动飞秒激光驱动光源，把波长为800nm 的飞秒激光经透镜聚焦后打入真空腔；此时向气体盒子充入工作气体，飞 秒激光与工作气体在气体盒子中相互作用，并在透镜的焦点(气体盒子中) 处成丝，产生高次谐波，即产生极紫外光源。
本发明方法利用强飞秒脉冲单色激光场与气体相互作用，产生高次谐 波，再通过调节激光脉冲能量和气压，使其相位匹配条件发生改变，导致 高次谐波发生频移(红移或蓝移)，即实现了输出波长可调谐。本发明根 据各阶次谐波辐射的波长与激光脉冲能量、气压的值存在一定的函数关系， 通过精确控制激光脉冲能量以及气压的变化量，可实现极紫外光源输出波 长的精确调谐，也可通过相位匹配技术对特定阶次的谐波进行调谐。
以下结合具体实施例对本发明方案作进一步说明。
在本发明一个实施例中，飞秒激光驱动光源采用能发射中心波长为 800nm、脉宽35fs、能量10mJ、重复频率1KHz的脉冲的强飞秒激光驱动光 源；气体盒子采用直径为3mm的铜管，通入的工作气体采用N2；平焦场光 栅掠入射角取87°，平均光栅常数d＝1/1200mm；MCP(微通道板)与荧 光板上所加电压分别为1.3KV、3.5KV。
图3为气压取29.4torr，入射激光功率分别取1mJ、2mJ、3mJ时，各 阶次谐波强度以及中心波长的变化。由图3可知，对于同一激光脉冲能量， 谐波阶次越高，其谐波强度越小；对特定某一阶次的谐波，随着激光脉冲 能量的增大，谐波波长向波长增大的方向移动(即红移现象)。
图4是当气压取29.4torr时，随激光脉冲能量的变化，第13～27次谐 波中心波长的变化。从图中可看出，随着激光脉冲能量的增大，谐波波长 增大(即红移现象)。各阶次谐波辐射的波长与激光脉冲能量存在一定的线 性关系(且拟合后，斜率大小很接近)，故精确控制激光脉冲能量的大小， 可实现极紫外光源输出波长的精确调谐。
图5为当入射激光脉冲能量取3mJ，气压取7.9torr、30.5torr、49.0torr 时，各阶次谐波强度及中心波长的变化。从图中可看出，对同一气压值， 谐波阶次越高，其谐波强度越小；对特定某一阶次的谐波，随着气压的增 大，谐波波长向波长减小的方向移动(即蓝移现象)。
图6为当入射激光脉冲能量取3mJ时，随气压的变化，第13～27次谐 波中心波长的变化。从图中可看出，随着气压的增大，谐波波长减小(即 蓝移现象)。各阶次谐波辐射的波长与气压存在一定的线性关系(且拟合后， 斜率大小很接近)，故精确控制气压的大小，可实现极紫外光源输出波长的 精确调谐。
表1是第13～27次谐波在不同激光脉冲能量(1mJ～3.35mJ)或气压(2.6 torr～62.9torr)下的波长调谐范围及能量调谐宽度。从表中可看出，对特定某 一阶次的谐波，改变激光脉冲能量或气压，频率红移、蓝移引起的波长调 谐范围有一定的重合部分，波长调谐宽度0.4～1.0nm左右；谐波总的波长 调谐区域为27～62nm；调节激光脉冲能量，特定阶次的谐波能量调谐宽度 可达0.9ev。
表1

表2是第13～27次谐波波长与入射激光脉冲能量、气压的线性关系。 从表中可看出，精确控制入射激光脉冲能量与气压的大小，可实现极紫外 光源输出波长的精确调谐。第3列、第6列数据分别代表在气压22.9torr (激光脉冲能量为0)时、在激光脉冲能量3mJ(气压为0)时，第13～27 次谐波的波长值。
表2

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。