CN106908950B - 一种电磁辐射产生装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于强场物理光学领域，尤其涉及一种电磁辐射产生装置及其使用方法，用以克服现有技术在高次谐波产生过程中的相位匹配不佳、光谱转换效率较低的缺陷。包括依次设置的脉冲驱动源、位置可三维调整的气体储藏室、滤光片和CCD探测器，所述脉冲驱动源和CCD探测器设置在真空腔室外，气体储藏室和滤光片设置在真空腔室内，脉冲驱动源透过石英窗进入真空腔室。本发明通过靶源(即气体储藏室)相对位置的“粗调”和“微调”以定量监测高次谐波产率，实现高次谐波过程相位匹配的最优化，同时也使得产生的脉冲电磁辐射具有与驱动场相类似的空间强度分布属性，具备光束空间分布特性可控的优点，达到提高光谱转换效率的有益效果。

Description

一种电磁辐射产生装置及其使用方法
技术领域
本发明属于强场物理光学领域，尤其涉及一种电磁辐射产生装置及其使用方法。
背景技术
载波-包络相位(Carrier-Envelop Phase,CEP)锁定的少周期超强光脉冲技术的出现，使得光学已经从微扰非线性光学机制阶段进入非微扰非线性光学机制—强场非线性光学机制阶段，其中最引人注目的研究成果当属源于该机制的新型光源——阿秒光脉冲源技术的实现。但截至目前，阿秒光脉冲辐射的单脉冲能量却仅仅达到纳焦量级，这个低能量技术缺陷限制了此类新型光源的实际应用广度。因此，寻求高效率阿秒光脉冲电磁辐射是当前强场物理领域急需解决的主要技术问题。
阿秒光脉冲电磁辐射的产生过程，即强场高次谐波过程的本质是基于强光场隧穿电离效应的频率变换过程，也即光场电离高次谐波过程。这意味着，无论采用哪种孤立阿秒光脉冲技术，高次谐波过程中的相位匹配问题都是解决问题的核心，相位匹配程度通过影响多原子体系的宏观响应而最终决定高次谐波过程的光谱转换效率。根据光场电离“三步模型”理论知，该相位匹配问题涉及多种微观因素，如驱动场、高次谐波场及光场电离过程形成的等离子体场，而这些微观因素在宏观上则直接取决于驱动场与气体靶的空间耦合情况，对此进行完备准确的理论分析几乎不可能。至今，已有的技术理论分析更多偏重于对某一种影响因素的研究，因而其对工程实践的理论指导价值不高，这导致阿秒脉冲电磁辐射源工程实践因缺乏精准理论指导而陷入盲目的尝试和反复。截至目前，基于惰性气体原子与强光场相互作用的高效阿秒脉冲电磁辐射产生方法仍然处于探索中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁辐射产生装置及其使用方法，用以克服现有技术在高次谐波产生过程中的相位匹配不佳、光谱转换效率较低的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种电磁辐射产生装置，其特殊之处在于：包括依次设置的脉冲驱动源、位置可三维调整的气体储藏室、滤光片和CCD探测器，所述脉冲驱动源和CCD探测器设置在真空腔室外，气体储藏室和滤光片设置在真空腔室内，脉冲驱动源透过石英窗进入真空腔室。
进一步地，所述气体储藏室设置在三维高精度调整台上。
进一步地，所述脉冲驱动源为近红外飞秒脉冲驱动源。
进一步地，所述近红外飞秒脉冲驱动源的脉冲宽度为3fs-20fs。
进一步地，所述气体储藏室为镍管，所述镍管内部充满惰性气体。
进一步地，所述惰性气体为氦气或氖气。
进一步地，所述滤光片为铝滤光片或锆滤光片。
进一步地，所述真空腔室内部压强为10-3～10-4Pa。
进一步地，所述真空腔室上设置有透明密封盖。
本发明还提供一种基于上述电磁辐射产生装置的使用方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)驱动脉冲聚焦点的确定：
去掉透明密封盖，将气体储藏室和滤波片从驱动脉冲传播光路上移走，关闭CCD探测器，CCD探测器前面放置光束拦截器，将脉冲驱动源调节到实验光学状态：保证如果移去光束拦截器，驱动脉冲光场能完全辐照在CCD探测器芯片上；聚焦光强度根据所需电磁辐射确定，在黑暗条件下，驱动脉冲源所形成的空气击穿等离子体的纵向中点，即为驱动脉冲源的聚焦点；
2)气体储藏室位置的粗调及激光钻孔：
以步骤1)中确定的驱动脉冲聚焦点为基准，将气体储藏室放置在驱动脉冲聚焦点后，但同时要保证此时气体储藏室不在驱动脉冲光路上，降低驱动脉冲功率，将气体储藏室缓慢移至驱动脉冲光路上，且使得驱动脉冲光斑位于气体储藏室横向中心，盖上透明密封盖，恢复驱动脉冲强度至步骤1)中的聚焦光强度，对气体储藏室进行钻孔以形成光路，钻孔时间在20～40分钟，关闭脉冲驱动源，移去光束拦截器，清理真空腔室中的烧蚀物，如果远场出现小孔衍射图像，则说明钻孔过程顺利完成；
3)气体储藏室位置的微调及高效光谱变换：
将滤波片安装在固定架上，并置于驱动脉冲光路中，盖上透明密封盖，启动真空泵使真空腔室内逐渐达到所需真空度，开启脉冲驱动源，开启惰性气体管道控制阀，启动CCD探测器，采集所需电磁辐射光束轮廓及强度信息，调整气体储藏室的位置，同时扫描惰性气体的流量，便可获得所需电磁辐射光谱强度与气体储藏室位置的依赖关系，进而确定出高次谐波最优相位匹配时气体储藏室的空间位置。
本发明的有益效果是：
1.本发明提出的电磁辐射产生装置，通过靶源(即气体储藏室)相对位置的“粗调”和“微调”以定量监测高次谐波产率，实现高次谐波过程相位匹配的最优化，因而具备较好的可操作性。同时也使得产生的脉冲电磁辐射具有与驱动场相类似的空间强度分布属性，具备光束空间分布特性可控的优点，达到提高光谱转换效率的有益效果。
2.本发明提出的电磁辐射产生装置，适用于各种类型和尺寸的靶源，以及不同类型空间强度分布特性的驱动场，因而具备普适性。
附图说明
图1为实施例使用方法中步骤1)的示意图；
图2为实施例使用方法中步骤2)的示意图；
图3为实施例使用方法中步骤3)的示意图；
图4为实施例中极紫外射线光谱强度与镍管相对聚焦点位置的依赖关系图；
图5为高次谐波最优相位匹配时，镍管位置处的飞秒驱动场光束轮廓；
图6为高次谐波最优相位匹配时，CCD探测器探测到的极紫外射线光束轮廓。
图中，1-近红外飞秒脉冲驱动源；2-石英窗；3-真空腔室；4-透明密封盖；5-惰性气体管道；6-三维高精度调整台；7-滤光片固定架；8-驱动脉冲聚焦点；9-镍管；10-滤光片；11-CCD探测器；12-真空泵、13-空气击穿等离子体、14-光束拦截器。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明加以详细说明。
实施例提供一种极紫外射线脉冲电磁辐射产生装置，包括依次设置的近红外飞秒脉冲驱动源1、镍管9、滤光片10和CCD探测器11，近红外飞秒脉冲驱动源和CCD探测器设置在真空腔室3外，镍管9和滤光片10设置在真空腔室3内，近红外飞秒脉冲驱动源透过石英窗2进入真空腔室。近红外飞秒脉冲驱动源的脉冲宽度为3fs-20fs，镍管9设置在三维高精度调整台6上，并与惰性气体管道5联通，镍管内部充满惰性气体。滤光片10设置在滤光片固定架7上，真空腔室3内部压强为10-3～10-4Pa。真空腔室3上设置有透明密封盖4和真空泵12。
本实施例的使用方法可分为如下三步：
1)驱动脉冲聚焦点8的确定：
这一步是在大气环境中实施的，也即去掉透明密封盖，如图1所示，同时，在允许驱动脉冲进入真空腔室之前，必须首先保证：①镍管不在驱动脉冲传播光路上；②滤波片不在驱动脉冲传播光路上或暂时将滤波片从滤波片固定架上卸掉；③CCD探测器处于关闭状态，前面放置光束拦截器14，以保证驱动脉冲不能辐照在CCD探测器上。首先将近红外飞秒脉冲驱动源调节到实验光学状态：保证如果移去光束拦截器，驱动脉冲光场能完全辐照在CCD探测器芯片上。聚焦光斑在几十个微米量级，聚焦光强度应在3×1013-1×1015W/cm2范围。该聚焦脉冲将形成空气击穿等离子体13，其沿光束传播方向的长度一般在4～6厘米，颜色为蓝紫色。在黑暗条件下即可大致确定等离子体纵向的中点，即为驱动脉冲的聚焦点。
2)镍管位置的粗调及激光钻孔：
这部分后续步骤以前述确定的驱动脉冲聚焦点为基准，如图2所示，依次为：①将镍管放置在驱动脉冲聚焦点后3～5mm的位置，通过横向偏离驱动脉冲保证此时镍管不在驱动脉冲光路上；②降低驱动脉冲功率，将镍管缓慢移至驱动脉冲光路上，且使得驱动脉冲光斑位于镍管横向中心。在移动过程中要时刻观察镍管，以保证镍管不被烧蚀；③盖上透明密封盖，将驱动脉冲强度调回至3×1013-1×1015W/cm2范围，对镍管进行钻孔以形成光路，钻孔时间在20～40分钟，期间要保持驱动脉冲光路指向稳定；④钻孔结束后，关闭近红外飞秒脉冲驱动源，移去光束拦截器，用酒精清理真空腔中的烧蚀物。如果远场出现小孔衍射图像，则说明钻孔过程顺利完成。
3)镍管位置的微调及高效光谱变换：
该部分用以实现极紫外射线脉冲电磁辐射产生过程的最优化设计，如图3所示。具体步骤依次为：①将滤波片安装在固定架上，并置于驱动脉冲光路中。②盖上透明密封盖，启动真空泵使真空腔室内逐渐达到真空度10-3～10-4Pa。③开启近红外飞秒脉冲驱动源，开启惰性气体管道控制阀，启动CCD探测器，采集极紫外射线光束轮廓及强度信息。④通过三维高精度调整台前后调整镍管的位置，同时扫描惰性气体的流量，便可获得极紫外射线光谱强度与镍管位置的依赖关系，如图4所示，进而确定出高次谐波最优相位匹配时镍管的空间位置，即约在驱动脉冲聚焦点后4mm处。图5为高次谐波最优相位匹配时，镍管位置处的飞秒驱动场光束轮廓，图6为高次谐波最优相位匹配时，CCD探测器探测到的极紫外射线光束轮廓，据此可知，在实现最佳相位匹配的条件下，驱动场及对应极紫外射线电磁辐射场具有相类似的空间分布特性。

Claims (9)

1.一种电磁辐射产生装置的使用方法，所述电磁辐射产生装置包括依次设置的脉冲驱动源、位置可三维调整的气体储藏室、滤光片和CCD探测器，所述脉冲驱动源和CCD探测器设置在真空腔室外，气体储藏室和滤光片设置在真空腔室内，脉冲驱动源透过石英窗进入真空腔室，其特征在于，包括以下步骤：
1)驱动脉冲聚焦点的确定：
去掉透明密封盖，将气体储藏室和滤波片从驱动脉冲传播光路上移走，关闭CCD探测器，CCD探测器前面放置光束拦截器，将脉冲驱动源调节到实验光学状态：保证如果移去光束拦截器，驱动脉冲光场能完全辐照在CCD探测器芯片上，聚焦光强度根据所需电磁辐射确定，在黑暗条件下，驱动脉冲源所形成的空气击穿等离子体的纵向中点，即为驱动脉冲源的聚焦点；
2)气体储藏室位置的粗调及激光钻孔：
以步骤1)中确定的驱动脉冲聚焦点为基准，将气体储藏室放置在驱动脉冲聚焦点后，但同时要保证此时气体储藏室不在驱动脉冲光路上，降低驱动脉冲功率，将气体储藏室缓慢移至驱动脉冲光路上，且使得驱动脉冲光斑位于气体储藏室横向中心，盖上透明密封盖，恢复驱动脉冲强度至步骤1)中的聚焦光强度，对气体储藏室进行钻孔以形成光路，钻孔时间在20～40分钟，关闭脉冲驱动源，移去光束拦截器，清理真空腔室中的烧蚀物，如果远场出现小孔衍射图像，则说明钻孔过程顺利完成；
3)气体储藏室位置的微调及高效光谱变换：
将滤波片安装在固定架上，并置于驱动脉冲光路中，盖上透明密封盖，启动真空泵使真空腔室内逐渐达到所需真空度，开启脉冲驱动源，开启惰性气体管道控制阀，启动CCD探测器，采集所需电磁辐射光束轮廓及强度信息，调整气体储藏室的位置，同时扫描惰性气体的流量，便可获得所需电磁辐射光谱强度与气体储藏室位置的依赖关系，进而确定出高次谐波最优相位匹配时气体储藏室的空间位置。
2.根据权利要求1所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述气体储藏室设置在三维高精度调整台上。
3.根据权利要求2所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述脉冲驱动源为近红外飞秒脉冲驱动源。
4.根据权利要求3所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述近红外飞秒脉冲驱动源的脉冲宽度为3fs-20fs。
5.根据权利要求3或4所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述气体储藏室为镍管，所述镍管内部充满惰性气体。
6.根据权利要求5所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述惰性气体为氦气或氖气。
7.根据权利要求6所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述滤光片为铝滤光片或锆滤光片。
8.根据权利要求7所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述真空腔室内部压强为10-3～10-4Pa。
9.根据权利要求8所述的电磁辐射产生装置的使用方法，其特征在于：所述真空腔室上设置有透明密封盖。
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