CN104713642B - 一种真空紫外激光绝对能量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能测量真空紫外激光的绝对能量数值的装置，属于光电技术领域。本发明包括密闭容器及其阀门，所述密闭容器中充有目标气体，所述阀门用于控制所述密闭容器的进气量；所述密闭容器中设有：第一杯状电极，通过皮安计连接电源正极；杯状加速电极，中间开孔，开口与所述第一杯状电极的杯口相对；屏蔽桶，接地，为圆柱状，中心轴位置开孔，且孔与所述杯状加速电极的孔相对；第二杯状电极，通过皮安计接地，杯口与所述屏蔽桶的开口相对。本发明可以实时测量真空紫外的绝对能量，是一种完全‘透明’的装置，在测量能量时不影响后端的激光使用，而且对激光的位置漂移有一定的忍耐度。

Description

一种真空紫外激光绝对能量测量装置

技术领域

本发明涉及一种能测量真空紫外激光的绝对能量数值的装置，属于光电技术领域。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光被广泛应用到军事、医疗、工业和科学研究等领域，激光参数的计量工作也越来越重要，其中激光能量的计量尤为重要，激光能量的准确测量对定量分析激光对物质的作用非常重要。

目前测量激光能量一般利用光电二极管、热敏探头和热释电探头：

一个光电二极管实际上就是一个半导体p-n结。当能量足够的光子入射到p-n结上时，p-n结将会发射电子，从而在其中产生电流。光电二极管可以在光伏模式或光导模式下工作。在光伏模式下，光电二极管的阳极和阴极与一个负载电路相连接，这样一来光电二极管就可以传导电流。在光导模式下，光电二极管的两端被施加一个反向的偏压，反向电流的大小取决于入射光功率的大小。反向偏压将会大幅度减小光电二极管对入射光子的响应时间。因此，光导模式常用于高速光电探测器。光电二极管受到饱和效应的限制。如果需要将最大可测光功率值扩大到几十毫瓦时，可以在光电二极管之前放置一片衰减片来增大可测量的光功率。随着时间的增长，光电二极管的响应率会由于老化而发生改变。对于直径很小的光束，如果入射位置不同，光电二极管探头的均匀性差异会导致输出电流的不同。如果光束直径超过了光电二极管探头的有效区，可能会导致错误的数据测量。

热敏探头包含了若干个热电偶，采用的是热电效应（亦称为塞贝克效应）工作原理，即任意导体在热梯度中都会产生一定的电压。因此，如果在两个界面之间存在一个温度差异，在两个界面之间将会产生一个电势差。在一个热敏探头中，入射激光光束的能量会被热势电偶的入射表面吸收，并转化为热量。热电偶的其它表面由于与探头中的散热器相接触，仍然会保持相对低温状态。两个表面之间的温度梯度大小取决于入射光的功率。因此，冷、热表面之间产生的电压是与入射光功率成正比的。热敏探头将光功率转化为电压的能力取决于探头表面吸收光功率并将其转化为热量的能力。为了增强表面吸收，探测表面会镀上一层膜，为了达到更好的效果。该膜层吸收效率与入射波长相关，并具有较高的损伤阈值。热电偶自身是对激光波长不敏感的，它只将热转化为电压。但是，由于其附带的吸收膜层，所以表现出对波长的依赖性。

热释电探头可以直接将能量脉冲转化为电压脉冲，并且不会受到入射光波长的影响。每个探测器都镀有一层黑色吸收层，可以在185纳米至25微米的波长范围内具有近乎常数的吸收率。这些探测器具有相当高的灵敏度，在实际应用中特别有优势。这些探头不需要额外的放大器，由于它们对干扰并不敏感，所以能够测量微焦量级的激光脉冲。

以上三种测量材料对于常规的激光能量的测量无疑是非常方便的，但是他们都只是相当于把激光能量转化为别的成正比例的表现手段，都需要进行标定，也就是说他们测量的都是激光相对能量值，无法直接得到激光的绝对能量，并且由于使用损耗，测量的值经常需要校准，而且不能实时测量；并且他们对于超短脉冲，短波长的真空紫外光都无能为力（无校准基准，或者功率太高损坏探头）。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种真空紫外激光绝对能量测量装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种真空紫外激光绝对能量测量装置，包括密闭容器及其阀门，所述密闭容器中充有目标气体，所述阀门用于控制所述密闭容器的进气量；所述密闭容器中设有：

第一杯状电极，通过皮安计连接电源正极；

杯状加速电极，中间开孔，开口与所述第一杯状电极的杯口相对；

屏蔽桶，接地，为圆柱状，中心轴位置开孔，且孔与所述杯状加速电极的孔相对；

第二杯状电极，通过皮安计接地，杯口与所述屏蔽桶的开口相对。

所述两个皮安计与外部电脑连接。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.该能量测量装置可以测量真空紫外光（<200nm）的绝对能量，并且可以实现脉冲-脉冲实时测量。

2.可以实时测量真空紫外的绝对能量，是一种完全‘透明’的装置，在测量能量时不影响后端的激光使用，而且对激光的位置漂移有一定的忍耐度。

3.可以测量到激光的绝对能量，无需校准直接得到激光的光子数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的基本原理是真空紫外光对气体靶分子的单光子的电离，由搜集到的分子电离后被打飞的电子产生的电流可以反推出电子电量从而得到光子数。

当波长为λ，光子数为N_photon的真空紫外脉冲穿过长度为Z的气体吸收池时，气体分子会被部分电离成离子（数目为N_ion）和电子（数目为N_electron），设气体单位体积内的分子个数为N_atom(由气体压强可知)，光束横截面积为A，气体对此激光的电离吸收截面为σ，如果用一电场加速所产生的电子，并用一已知探测效率为η的电极搜集这些电子并记下电流I随时间t的变化。

那么所探测到的电子个数为

$N_{\mathrm{electron}}=N_{\mathrm{photon}}\&CenterDot;\frac{N_{\mathrm{atom}}\mathrm{ZA\&sigma;}}{A}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}$

又由于探测到的电子个数可由激光脉冲所在的时间范围内用探测到的电流对时间积分得到，即

$N_{\mathrm{electron}}=\underset{t_1}{\overset{t_2}{\&Integral;}}\mathrm{Idt}$

于是可以得到所测量的激光脉冲的能量为（其中c为真空光速）。

$E=\frac{c{\&Integral;}_{t_1}^{t_2}\mathrm{Idt}}{\mathrm{Z\&sigma;\&eta;\&lambda;}{N}_{\mathrm{atom}}}$

其中电流I随时间t的变化为所设计的装置的测量量，其他为已知量；如此即可得到真空紫外光的绝对能量。

如图1所示，由于真空紫外光在空气中会被空气吸收，所以这套装置是配合光源在真空中使用（<10^-8mbar）。整个装置中在密闭容器7中。7中充满稀薄的目标气体X（根据需要测量激光波长的不同可以选择，Ne，Xe，N₂等分子），气压为10^-6～10^-5mbar（分子平均自由程越几米到几十米，可防止被打出的电子飞向探测极板的过程中被分子碰撞吸收），由于整个装置放置于真空中，其中的气体分子会不断从激光入光口和出光口溢出，所以可以通过图中的阀门6来控制进气量来维持容器7中的气压。

图中1，4为圆柱杯状探测电极(也可为方形槽状以及其他一切杯状电极，以下相同)，2为中间开孔的杯状加速电极，3为中间开孔的圆柱状接地屏蔽桶。1和2分别接直流电源的+，-级，4接地。在1接电源正极中插入一个能读数到电脑上的皮安计；在4和接地之间同样有这样一个皮安计。

当真空紫外光穿越电极1，2之间时（笼罩长度为Z），部分气体分子被电离，被打出的电子由于电场作用会飞向探测电极1，这个过程中皮安计8的电流示数I随时间t的变化被电脑记录下来，由这些数据遍可得到激光的能量；同时，被激光电离的气体产生的正离子X⁺会被电场加速飞到电极4上，同样皮安计8的电流示数I随时间t的变化也会被电脑记录下来（这个数据一般不需要使用。但是由于真空紫外光中可能有基频光的高次谐波会产生X²⁺，X^{3 +}等离子，即会多出电子，会使得测量的激光能量不准确；若出现此情况，由于X⁺，X²⁺，X³⁺的电荷量不一样，那么飞向电极4所花的时间会有所不同，从皮安计5的电流示数随时间变化的数据就可以甄别和计算）。

Claims (2)

1.一种真空紫外激光绝对能量测量装置，其特征在于，包括密闭容器(7)及其阀门(6)，所述密闭容器(7)中充有目标气体，所述阀门(6)用于控制所述密闭容器(7)的进气量；所述密闭容器(7)中设有：

第一杯状电极(1)，通过皮安计(8)连接电源正极；

杯状加速电极(2)，中间开孔，开口与所述第一杯状电极(1)的杯口相对；

屏蔽桶(3)，接地，为圆柱状，中心轴位置开孔，且孔与所述杯状加速电极(2)的孔相对；

第二杯状电极(4)，通过皮安计(5)接地，杯口与所述屏蔽桶(3)的开口相对；

当真空紫外光穿越第一杯状电极(1)、杯状加速电极(2)之间时，部分气体分子被电离，被打出的电子由于电场作用会飞向第一杯状电极(1)，这个过程中皮安计(8)的电流示数I随时间t的变化被电脑记录下来，由这些数据得到激光的能量；同时，被激光电离的气体产生的正离子X⁺会被电场加速飞到第二杯状电极(4)上，同样皮安计(8)的电流示数I随时间t的变化也会被电脑记录下来。

2.根据权利要求1所述的一种真空紫外激光绝对能量测量装置，其特征在于，所述两个皮安计(5、8)与外部电脑连接。