CN101515105B - 基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光技术领域的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，包括飞秒激光器、聚焦透镜、超声换能器、条形喷嘴、金属膜、X射线谱仪、计算机、真空室、减压气阀和控制面板，飞秒激光器输出光路上依次有聚焦透镜、超声换能器、惰性气体、金属膜、X射线谱仪，飞秒激光器出射的激光经透镜聚焦到条形喷嘴下方，与喷嘴喷出的经超声场调制的密度周期变化的惰性气体相互作用，辐射出高次谐波，经金属膜过滤后入射到X射线谱仪上，再送入计算机处理。本发明实现了利用超声波调制气体密度以满足高次谐波的准相位匹配条件，操作方便，简单易行，可以把高次谐波软X射线相干光源向更短波段推进。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光技术领域的装置，具体的讲，涉及的是一种基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置。
背景技术
软X射线波段相干光源由于在平板印刷术、高分辨率成像、以及生物活体细胞显微成像具有重要的应用价值，成为近年来激光科学研究的一个前沿课题。利用超快强激光场与惰性气体相互作用产生高次谐波(High Harmonic Generation，HHG)是获得相干软X射线的一种主要方法。然而由于基波与谐波在传输过程中的相位失配，HHG的转换效率相当低，只有10-11，严重制约着HHG的应用。尽管目前有些技术可把高次谐波推进到极紫外区并提高了1-2个量级的转换效率，但由于实验上的高要求和难实现，在实际应用中的作用并不大。
经过对现有技术文献的检索发现，奥地利维也纳大学的J.Seres和德国马普光学研究所的F.Krausz等人在2007年11月在《Nature Physics》杂志上发表论文“Coherent superposition of laser-driven soft-X-ray harmonics fromsuccessive sources”(《激光入射连续介质源产生的相干叠加软X射线谐波辐射》)，该文献报道了2-5nm水窗波段的高次谐波的产生可通过气体介质密度的调制来实现。即在激光束传播方向上放置外径0.8mm、内径0.2mm的两个镍管，镍管内通以均匀流动的He气，激光通过0.1mm厚的镍管壁时，烧蚀出通光孔，两个镍管固定在各自的三维精密平移台上，距离在0.4mm-1.7mm之间可调，通过移动两镍管之间的距离，来形成气体密度的空间调制，进而获得增强的水窗波段高次谐波辐射。与单一气体源产生HHG相比，它利用了准相位匹配技术，较好的解决了HHG的相位失配问题。其不足之处在于：两镍管之间的距离最短只有0.4mm，这很难产生更短波段的谐波辐射，而且只有两个镍管，激光与气体作用区域有限，不能产生较高强度的谐波辐射，如若增加镍管数量，则需增加三维精密控制平移台，操作成本较大。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出一种基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，即利用超声波作为机械波的传播特性，在气体中传播形成介质密度的疏密变化，以实现高次谐波产生过程中的准相位匹配。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：飞秒激光器、聚焦透镜、超声换能器、条形喷嘴、金属膜、X射线谱仪、计算机、真空室、减压气阀和控制面板。在飞秒激光器的输出光路上依次为聚焦透镜、超声换能器、惰性气体(由条形喷嘴喷出)、金属膜、X射线谱仪，其中超声换能器、条形喷嘴、金属膜、X射线谱仪均置于真空室中。超声换能器紧贴条形喷嘴，其中心轴线在飞秒激光器的激光束下方，换能器通过导线与真空室外的控制面板相连，并通过真空室外的控制面板可以人工调节输出功率、工作频率等；条形喷嘴通过一根输气管与真空室外的减压气阀相连，通过减压气阀的控制，可均匀向真空喷气，并且条形喷嘴喷口在飞秒激光器的激光束上方；X射线谱仪置于金属膜后，并通过导线与真空室外的计算机相连。飞秒激光器出射的激光经透镜聚焦到条形喷嘴下方，与喷嘴喷出的经超声场调制的密度周期变化的惰性气体相互作用，辐射出高次谐波，经金属膜过滤后入射到X射线谱仪上，再送入计算机处理。
所述飞秒激光器是一台商品化的掺钛蓝宝石飞秒激光器。
所述超声换能器是大功率超声换能器，其输出功率可调范围为1kW到2kW。
所述超声换能器是宽频带的高频超声换能器，其频率调节范围为20kHz到1MHz。
所述超声换能器在中心轴线上侧3mm处开有一个直径2mm的小孔。
所述条形喷嘴为喷嘴口形状为长1cm，宽约0.2cm条形超声喷嘴。
所述金属膜为铝膜、银膜或碳膜等金属薄膜的组合。
所述X射线谱仪为现有技术，一般由球面镜、平面镜、平场光栅以及X射线CCD等集成组合而成。激光与气体相互作用产生的高次谐波辐射依次经过球面镜的聚焦，然后经过平面镜的反射，再经过狭缝，最后经过平常光栅的色散作用，入射到X射线CCD上。
本发明工作时，条形喷嘴在减压气阀的控制下，向真空中均匀喷气，同时超声换能器在真空室外控制面板控制下发射大功率强超声波，在喷出气体中传播，对气体密度形成疏密调制。飞秒激光器发出的激光经过聚焦透镜，穿过超声换能器的中心上侧小孔，聚焦到条形喷嘴向下喷出的密度周期性调制的惰性气体中，与惰性气体相互作用，产生高次谐波辐射。产生的辐射波经金属膜过滤基频光，入射到X射线谱仪进行探测，即可从与谱仪相连接的计算机上读出谐波信号。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：本发明利用超声换能器发射超声波有效的调制了气体空间密度分布，通过调节超声换能器的工作频率，可以产生周期变化范围为17mm到0.34mm的空间周期气体密度分布，对应的满足此准相位匹配条件的高次谐波转换效率提高了2个数量级。通过使用更高工作频率的超声换能器，可以把高次谐波向水窗更短波段推进。该发明参数可调范围大，操作简单，方便了实际应用。
附图说明
图1本发明结构示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：飞秒激光器1、聚焦透镜2、超声换能器3、条形喷嘴4、金属膜5、X射线谱仪6、计算机7、真空室8、减压气阀9、控制面板10。在激光器1的输出光路上依次有聚焦透镜2、超声换能器3、He气(由条形喷嘴3喷出)、金属膜5、X射线谱仪6，其中超声换能器3、条形喷嘴4、金属膜5、X射线谱仪6均被置于真空室8中，超声换能器3紧贴条形喷嘴4，其中心轴线在飞秒激光器1的激光束下方，超声换能器3通过导线与真空室8外的控制面板相连，通过真空室8外的控制面板10可以人工调节输出功率、工作频率等；条形喷嘴4的喷嘴口在飞秒激光器1的激光束上方，并通过输气管与真空室8外的减压气阀9相连，通过减压气阀9的控制，可均匀向真空喷气；X射线谱仪6通过导线与真空室8外的计算机7相连。条形喷嘴4在减压气阀9的控制下，向真空中均匀喷气，同时超声换能器3在真空室8外控制面板10控制下发射大功率强超声波，在喷出气体中传播，对气体密度形成疏密调制。飞秒激光器1发出的激光经过聚焦透镜2，穿过超声换能器3的中心上侧小孔，聚焦到条形喷嘴4向下喷出的密度周期性调制的惰性气体中，与惰性气体相互作用，产生高次谐波辐射。产生的辐射波经金属膜5过滤基频光，入射到X射线谱仪6进行探测，即可从与X射线谱仪6相连接的计算机7上读出谐波信号。
所述飞秒激光器是一台钛宝石激光器，输出脉冲宽度为15fs，单脉冲能量为2.5mJ，中心波长为800nm，工作频率为1kHz。
所述聚焦透镜2，是厚度为2mm的镀了增透膜的熔融石英薄透镜。
所述超声换能器3，其中心轴线上侧3mm处开有一个直径2mm的小孔。
所述超声换能器3，其中心轴线在激光束下方约4mm处。
所述超声换能器3，其输出超声波的功率范围为1kW到2kW。
所述超声换能器3，其工作频率可调范围为20kHz到1MHz。
所述条形喷嘴4，其喷嘴口为长1cm、宽0.2cm的条形超声喷嘴，条形喷嘴4的喷嘴口在激光束上方约3mm处。
所述条形喷嘴3，其喷嘴口距离超声换能器中心轴线为7mm，在减压气阀控制下向真空均匀喷He气。
所述金属膜，是厚度为200nm的银膜加厚度100nm的碳膜的组合金属薄膜。
所述X射线谱仪6，采用现有技术实现，是由球面镜、平面镜、狭缝、平场光栅、X射线CCD以及其控制采集系统组成。
所述X射线谱仪6，其X射线CCD是Roper Scientific的SX/NET/CCD-1340/400EMB减薄型、软X射线敏感CCD。
所述计算机7，是一台能实时显示高次谐波信号的计算机。
所述真空室8，是一个真空度为10-3Pa的真空室。
所述减压气阀9和控制面板10均放于真空室8外，前者通过输气细管与条形喷嘴3相连，后者通过导线与超声换能器3相连，位置不限，只要在真空室8外即可，计算机7的位置要求与这两个器件的位置要求相同。
本实施例工作时，减压气阀9控制着气压为9torr的He气向真空均匀喷出，超声换能器3工作频率设定为1MHz，在1cm长的He气喷气中形成周期为0.34mm的密度调制；飞秒激光器1输出脉宽15fs的激光脉冲，聚焦到He气中的功率密度约为1×1015W/cm2，这样的功率密度可以在He气产生大量高次谐波辐射。飞秒激光脉冲与密度周期调制的He气相互作用，辐射出软X射线波段的高次谐波。X射线谱仪探测到高达400阶次的高次谐波信号，产生的高次谐波进入水窗波段。
本实施例在超声波作用下进行了气体密度的周期调制，探测到了水窗波段的高次谐波，很好的实现了激光与密度周期调制的气体相互作用的准相位匹配技术。本实施例可以通过调节超声换能器的工作频率来调节气体密度变化的周期，进而获得不同谐波波段的高次谐波。本实施例还可以通过增大超声换能器的发射功率来增大气体密度疏密变化程度，进而实现谐波的高效辐射。
Claims (9)
1.一种基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征在于包括：飞秒激光器、聚焦透镜、超声换能器、条形喷嘴、金属膜、X射线谱仪、计算机、真空室、减压气阀和控制面板，其中：飞秒激光器的输出光路上依次为聚焦透镜、超声换能器、由条形喷嘴喷出的惰性气体、金属膜、X射线谱仪，超声换能器、条形喷嘴、金属膜、X射线谱仪均置于真空室中，超声换能器紧贴条形喷嘴，超声换能器中心轴线在飞秒激光器的激光束下方，超声换能器通过导线与真空室外的控制面板相连，条形喷嘴通过输气管与真空室外的减压气阀相连，条形喷嘴喷口在飞秒激光器的激光束上方，X射线谱仪置于金属膜后，并通过导线与真空室外的计算机相连，飞秒激光器出射的激光经透镜聚焦到条形喷嘴下方，与喷嘴喷出的经超声场调制的密度周期变化的惰性气体相互作用，辐射出高次谐波，经金属膜过滤后入射到X射线谱仪上，再送入计算机处理。
2.根据权利要求1所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述飞秒激光器是一台钛宝石激光器，输出脉冲宽度为15fs，单脉冲能量为2.5mJ，中心波长为800nm，工作频率为1kHz。
3.根据权利要求1所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述超声换能器，其中心轴线上侧3mm处设有一个直径为2mm的小孔，让激光束通过。
4.根据权利要求1或3所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述超声换能器，其输出超声波的功率范围为1kW到2kW。
5.根据权利要求1或3所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述超声换能器，其工作频率范围从20kHZ到1MHz。
6.根据权利要求1所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述条形喷嘴，是喷嘴口长1cm、宽0.2cm的条形超声喷嘴。
7.根据权利要求1或6所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述条形喷嘴，其喷嘴口距离超声换能器中心轴线为7mm。
8.根据权利要求1所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述金属膜，是厚度为200nm的银膜及厚度100nm的碳膜的组合金属薄膜。
9.根据权利要求1所述的基于超声波调制的准相位匹配高次谐波装置，其特征是，所述真空室，其真空度维持在10-3Pa。
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