CN102231935A - 一种产生相干极紫外辐射的方法及装置 - Google Patents

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雷建国
高�勋
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Abstract

一种产生相干极紫外辐射的方法及装置，属于光学技术领域。利用高次谐波方法来产生极紫外辐射，一般是采用结构复杂、造价昂贵的飞秒激光放大器来实现，这一方法依赖于飞秒激光放大器。本发明之方法及装置采用飞秒激光振荡器，利用聚焦激光束照射真空室内金纳米阵列结构和惰性气体组成的复合靶，而表面等离子体激元共振可大幅度提高入射光场强度，满足产生极紫外波段高次谐波的场强度阈值，因此由飞秒激光振荡器就可以获得相干极紫外辐射，使其产生的设备变得简单和紧凑。本发明之方法及装置结构简单，获得的极紫外波段高次谐波的工作频率可高达70～80MHz，这种新的光源将非常有利于提高光源的光子流量。

Description

一种产生相干极紫外辐射的方法及装置
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种利用共振表面等离子体激元对光场提高产生相干极紫外辐射的方法及装置。
背景技术
极紫外辐射在极紫外显微术、极紫外光刻、光谱研究、材料分析等方面有着重要应用。利用同步辐射、激光(放电)等离子体和高次谐波方法均可获得极紫外辐射。但是同步辐射方法其设备庞大、造价昂贵，而激光(放电)等离子体方法其光源工作时伴随着大量的靶材碎屑产生，污染光学系统。而高次谐波是一种优良的极紫外光源，它具有体积小、洁净、超短光谱探测、高空间及时间相干性的优点。
高次谐波能够产生的阈值光场强度大约为1013W/cm2(参见X.F.Li et al.，Physical ReviewA，39，5751-5761，1989)，现在利用高次谐波来产生极紫外辐射的一般方法是使用结构复杂、造价昂贵的飞秒激光放大系统。近年来研究人员发现利用纳米结构等离子体激元共振可使局域光场强度提高3～5个数量级(参见Stockman et al.，Nature Photonics，1，2007；Stockman，NewJournal of Physics，10，2008等)。一般来说，紧聚焦普通飞秒激光振荡器，其焦点处光场强度可达1011W/cm2。再利用纳米尺度表面等离子体激元共振对入射光场的提高，可使纳米结构附近的局域场强提高到1013W/cm2以上，这一光场强度值已超过产生极紫外波段高次谐波所需的场强度阈值。借助于这一物理机制，直接利用飞秒激光振荡器作用于纳米结构附近的原子气体就可以产生极紫外波段的高次谐波，从而使高次谐波产生的设备变得简单、紧凑。
本方法及装置，将非常有利于一些需要极紫外光源的研究场合，而且随着纳米尺度等离子体激元共振研究的深入，该方法及装置产生的高次谐波最终有望延伸到X射线波段。
发明内容
传统的产生高次谐波的方法是采用结构复杂、造价昂贵的飞秒激光放大器，其产生的阈值光场强度约为1013W/cm2，该方法依赖于飞秒激光放大器，而且产生的光源，其工作频率受飞秒激光放大器限制，最高工作频率只有几千Hz。为了克服所述已知技术的缺点，使利用高次谐波来产生极紫外辐射的方法简单，成本降低，工作频率提高，我们发明了一种产生相干极紫外辐射的方法及装置。
系统由飞秒激光振荡器1、激光束2，窗口3、真空室4、聚焦透镜5、金纳米结构6、喷嘴7、氩气8、平移台9、窗口10、极紫外平像场光谱仪11、X射线CCD12组成。如图3所示，光源系统采用飞秒激光振荡器1，接收和检测系统采用极紫外平像场光谱仪11和X射线CCD12。利用平移台9将聚焦透镜5、金纳米结构6和喷嘴7固定好，且聚焦透镜5、平移台9、金纳米结构6和喷嘴7都位于真空室4内。先利用参考光调节其位置，使经过会聚透镜5的激光束2刚好聚焦在金纳米结构6上，而且金纳米结构6的蓝宝石衬底刚好与激光束2相垂直，调整好喷嘴7位置和角度，使氩气8刚好喷射在金纳米结构6上。调节好真空室4内部各器件位置后，封闭真空室4，抽真空。由飞秒激光振荡器1产生的激光束2，经窗口3和会聚透镜5后，聚焦到金纳米结构6上，喷嘴7向纳米金纳米结构6喷射氩气8，利用局域表面等离子体激元共振光场增强原理产生极紫外波段的高次谐波，高次谐波经窗口10后由极紫外平像场光谱仪11和X射线CCD12来检测和分析。
利用上述方法可以获得相干极紫外辐射，该方法大大降低了产生高次谐波的阈值条件，从而使高次谐波产生的设备变得简单，成本也得到了降低，而且利用该方法产生的高次谐波的工作频率可达70～80MHz，非常有利于提高光源的光子流量。
附图说明
图1是三角形纳米天线结构示意图。图2是金纳米结构阵列示意图。图3是利用表面等离子体激元共振的光场增强原理产生相干极紫外辐射的装置图。
具体实施方式
(1)加工纳米结构，如图1所示，采用三角形天线结构(bow-tie结构)，材料选为金，等腰三角形的高为120～180nm，顶角为20～45°，厚度为30～60nm，两三角形顶点间距为20～50nm。如图2所示，在蓝宝石衬底上采用电子束光刻法制备纳米天线阵列结构。蓝宝石衬底双面抛光，其厚度选取为300～500μm，边长可取为1～2cm，在蓝宝石和金纳米结构6的接触面上镀铬，铬的厚度取为5～10nm。在纳米结构制备过程中，视场大小可取为100μm，视场数量可根据需要设定。
(2)本发明按图3所示的结构实施，结构装置由飞秒激光振荡器1、激光束2，窗口3、真空室4、聚焦透镜5、金纳米结构6、喷嘴7、氩气8、平移台9、窗口10、极紫外平像场光谱仪11、X射线CCD12组成。其中飞秒激光振荡器1中心波长为800nm，产生30nJ/100fs的激光束2。聚焦透镜5、金纳米结构6、喷嘴7都由平移台9来精确调节位置，且都置于真空室4内。
先利用参考光调整好聚焦透镜5位置，确保焦点位于金纳米结构6阵列上。激光束2聚焦后焦点处的功率密度可达1011W/cm2，另外，激光束2要与蓝宝石衬底相垂直，激光束2先穿过蓝宝石，再照射到金纳米结构6阵列上，同时喷嘴7对准金纳米结构6喷射氩气8，使金纳米结构6沐浴在惰性气体中，形成金纳米结构6和惰性气体组成的“复合靶”。聚焦飞秒激光束2于“复合靶”上，利用表面等离子体激元共振光场增强原理可将光场提高到1013W/cm2以上，满足高次谐波的产生阈值条件。喷嘴7直径为100～200μm，控制好气体流量，真空室4也要同时抽真空，以保证真空室4的真空度优于10-5torr。产生的极紫外辐射由窗口10出射，最后由极紫外平像场光谱仪11和X射线CCD12来检测和分析。在真空室4内高次谐波的出射方向放置滤光片，消除透射的干扰激光束2。
最后可通过优化结构尺寸，同时采用高电离阈值的惰性气体氖以及飞秒光参量振荡器的闲频光(2200～3000nm)输出，可以提高高次谐波级次，使波长向水窗波段靠近。

Claims (7)

1.一种产生相干极紫外辐射的方法及装置，部件包括飞秒激光振荡器(1)、激光束(2)、窗口(3)、真空室(4)、聚焦透镜(5)、金纳米结构(6)、喷嘴(7)、氩气(8)、平移台(9)、窗口(10)、极紫外平像场光谱仪(11)、X射线CCD(12)，其特征在于，由飞秒激光振荡器(1)发出的激光束(2)，经窗口(3)进入真空室(4)，经过聚焦透镜(5)，入射在金纳米结构(6)上，同时喷嘴(7)向金纳米结构(6)喷射氩气(8)，真空室(4)同时抽真空，产生的极紫外辐射由极紫外平像场光谱仪(11)和X射线CCD(12)来进行分析。
2.根据权利要求1所述的金纳米结构，其特征在于，采用的是三角形天线(bow-tie)结构，材料选为金(Au)，等腰三角形的高为120～180nm，顶角为20～45°，厚度为30～60nm，两三角形顶点间距为20～50nm，衬底采用蓝宝石，衬底厚度为300～500μm，并且衬底与金纳米结构(6)的接触面上镀5～10nm厚的铬(Cr)。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光振荡器，其特征在于，光源中心波长为800nm，输出指标为30nJ/100fs。
4.根据权利要求1所述的真空室，其特征在于，聚焦透镜(5)、金纳米结构(6)、喷嘴(7)和平移台(9)都处于真空室(4)内，且要保证真空室(4)的真空度优于10-5torr。
5.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，喷嘴(7)的直径为100～200μm。
6.根据权利要求1所述，其特征在于，激光束(2)经聚焦透镜(5)聚焦后垂直入射蓝宝石衬底，再照射在金纳米结构(6)阵列上。
7.根据权利要求1所述，其特征在于，产生的极紫外辐射由极紫外平像场光谱仪(11)和X射线CCD(12)来检测和分析，并且X射线CCD(12)对极紫外辐射有较好的灵敏度。
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