CN109546522A - 一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置 - Google Patents

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聂兆刚
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Abstract

本发明公开了一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置，包括位于激光脉冲传输光路上依次排列的第一聚焦透镜，第一内置中空光纤且充惰性气体的金属管，第二聚焦透镜，分束镜，棱镜对，第一平面反射镜，第二平面反射镜，第三聚焦透镜，第二内置中空光纤且充惰性气体的金属管，第三平面反射镜，第一凹面反射镜，啁啾镜组，第二凹面反射镜，第四平面反射镜，充惰性气体管状气室和铝膜滤波片。本发明采用级联中空光纤作为光谱展宽，以啁啾镜或棱镜组作为脉冲压缩装置，得到的亚15飞秒近红外脉冲可进一步在充惰性气体的管状气室产生高次谐波，从而最终可使广泛应用的光纤激光器输出的高重频近红外飞秒脉冲大跨度地转变为高重频极紫外脉冲光源。

Description

一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置
技术领域
本发明涉及脉冲产生装置领域，尤其涉及一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置。
背景技术
近几十年来，飞秒脉冲激光技术经历了快速的发展历程，脉宽压缩和脉冲能量的提高都得到了实质性的突破，目前已广泛应用于物理、化学、生物、材料与信息科学等研究领域，直接带动相关研究进入到微观超快过程领域，同时开创了诸如强场物理、飞秒化学、量子控制化学、超快光谱学等一些全新的研究领域。
如何获得脉宽更短(单个或几个光周期)，能量更高的飞秒脉冲，成为人们研究飞秒脉冲激光技术长期关注的一个焦点。在紫外波段超短波长区域(121nm-10nm，对应于光子能量10.3eV-124eV)是所谓的“极紫外”(EUV)区域。极紫外激光在极紫外光刻、高能射线光源和超高时间分辨的量子动力学过程在线观测等领域具有十分重要的应用。目前只有有限的几种方法可以产生重复频率不超过kHz的低重频极紫外光脉冲，如同步加速器装置、高密度等离子体中的电子碰撞激发等。尽管最近出现的高强度钛蓝宝石激光器现在可以在桌面装置中产生EUV光，但钛蓝宝石激光器的稳定性往往受到周围环境温度和湿度的很大影响，并且所产生的EUV光的重复频率往往仅在KHz量级。这里，我们提供一种采用对周围环境要求较低的，高重复频率(MHz量级)的近红外波段光纤激光器，大跨度地产生高重复频率的EUV光波的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、高重复频率极紫外光脉冲产生装置。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置，该脉冲产生装置主要包括按照激光脉冲传输光路依次排列的第一聚焦透镜、第一充惰性气体管、第二聚焦透镜、分束镜、棱镜对、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三聚焦透镜、第二充惰性气体管、第三平面反射镜、第一凹面反射镜、啁啾镜组、第二凹面反射镜、第四平面反射镜、管状气室、以及铝膜滤波片。
激光依次经所述第一聚焦透镜、第一充惰性气体管、第二聚焦透镜、分束镜、棱镜对和第一平面反射镜后反射回去。反射激光经棱镜对到达分束镜后再次反射。再次反射激光经第二平面反射镜、第三聚焦透镜、第二充惰性气体管、第三平面反射镜、第一凹面反射镜、啁啾镜组、第二凹面反射镜、第四平面反射镜、管状气室和铝膜滤波片后得到纯净的高重复频率极紫外光脉冲。
具体的，所述第一充惰性气体管和第二充惰性气体管均内置有中空光纤。所述管状气室填充惰性气体。
作为本发明的优选方案，为了提高聚焦透镜的耦合效率，本发明所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜均为长焦距透镜，并使输入激光束的光斑直径在焦点处小于中空光纤的内径。脉冲能量为50μJ的近红外飞秒激光经过焦距为2m的长焦透镜聚焦后，从管道入口窗片进入填充氩气的内置中空光纤管，焦点位于中空光纤输入端口处，其耦合效率最高可达60％以上。
作为本发明的优选方案，本发明所述中空光纤管的构造为将内径50-500微米，长度为0.5-2米(优选为1米)的空心熔融石英光纤置于V型金属托槽上，并放置在金属管道内，确保空心光纤与金属管道同轴。金属管道两端用石英玻璃片密封并抽真空，激光注入前填充压力为1.0-3.0bar(优选为2bar)的惰性气体。
优选的，所述中空光纤的金属管道为不锈钢管道，内置中空光纤为内半径250微米的石英光纤。所充气体可为氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任意一种。入射光束与内置的中空光纤的金属管道腔管两端的光学窗口成布儒斯特角入射，可以有效提高入射激光的偏振比，使聚焦耦合进入中空光纤的激光脉冲产生自相位调制等非线性过程。
作为本发明的优选方案，本发明所述分束镜设为两面，一面为全透面，另一面为全反面，使得从第一充惰性气体管输出的激光脉冲全部透射，从后续棱镜对返回的激光脉冲全部反射。
作为本发明的优选方案，本发明所述棱镜对可替换为其他色散补偿元件，所述其他色散补偿元件为啁啾镜组或光栅组。
作为本发明的优选方案，本发明所述平面反射镜可选为宽带介质全反镜，其反射带宽大于输入的激光脉冲的带宽。
作为本发明的优选方案，本发明所述啁啾镜组可替换为光栅对或棱镜对。
作为本发明的优选方案，本发明所述管状气室为熔石英材料，气室内径设为150-250微米，长度在2-4mm范围，内充气体可为氩气、氪气或氙气中的任意一种。
作为本发明的优选方案，本发明所述铝膜滤波片的铝膜层厚度为0.2-0.5微米，该滤膜滤波片对近红外光全反，对极紫外光全透。
本发明在工作时，从飞秒激光器输出的近红外激光经过透镜聚焦后经由第一中空光纤管入口窗片进入中空光纤管，汇聚焦点在内置的中空光纤端口附近，以达到最大耦合效率。中空光纤置于一个根据管径设计的V型槽托上，保证中空光纤和套管同轴，管内填充惰性气体。近红外飞秒脉冲通过充第一级充惰性气体中空光纤管产生自相位调制等非线性效应，光谱被展宽，从第一级中空光纤管输出窗口输出后利用棱镜对或啁啾镜组进行色散补偿，将脉宽压缩到几十飞秒量级。再将从第一级压缩后得到的几十飞秒脉冲导入第二级充惰性气体中空光纤管和啁啾镜组构成的压缩模块，利用相同的原理进一步压缩得到亚15fs近红外光脉冲。最后将第二级压缩后得到的光周期级近红外激光脉冲导入充惰性气体的气室，通过高次谐波产生输出高重复频率极紫外光脉冲。
本发明的工作过程和原理是：本发明通过将商用飞秒光纤激光器产生的脉宽为几百飞秒，重复频率为几兆赫兹的近红外光脉冲耦合到充惰性气体级联(两级)中空光纤管中进行光谱展宽，再分别使用棱镜对和啁啾镜组对两级中空光纤管输出的脉冲进行压缩，得到高能量亚15fs脉冲，最后将其耦合进充惰性气体的管状气室(gas cell)内产生高次谐波(HHG)并输出高重复频率EUV光脉冲。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的高重复频率极紫外光脉冲产生装置是基于目前常见的对周围环境要求较低的近红外波段光纤激光器搭建而成，相对于普遍采用的对环境高度敏感，高功率低重频(往往为KHz量级)的钛宝石激光器系统，更加稳定，重复频率和实用性更高。
(2)本发明所提供的高重复频率极紫外光脉冲产生装置可以产生MHz量级的高重频激光输出，比采用钛宝石激光器的重复频率(往往为KHz量级)高出两个数量级，而且装置简单，容易操作。
(3)本发明所提供的高重复频率极紫外光脉冲产生装置所用元件(如反射镜，棱镜等)为市面常见，适用范围广。中空光纤所在的真空管为不锈钢管，可以自行加工，组装成本低，易于推广。
附图说明
图1为本发明所提供的用于高重复频率极紫外激光脉冲产生装置的结构示意图。
图2为本发明所提供的通过两级中空光纤后的输出脉冲光谱图。
图3为本发明所提供的管状气室产生高次谐波后的EUV光谱图。
上述附图中的标号说明：
1-第一聚焦透镜、2-第一充惰性气体管、3-第二聚焦透镜、4-分束镜、5-棱镜对、6-第一平面反射镜、7-第二平面反射镜、8-第三聚焦透镜、9-第二充惰性气体管、10-第三平面反射镜、11-第一凹面反射镜、12-啁啾镜组、13-第二凹面反射镜、14-第四平面反射镜、15-管状气室、16-铝膜滤波片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1至图3所示，本实施例公开了一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置，该脉冲产生装置主要包括按照激光脉冲传输光路依次排列的第一聚焦透镜1、第一充惰性气体管2、第二聚焦透镜3、分束镜4、棱镜对5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、第三聚焦透镜8、第二充惰性气体管9、第三平面反射镜10、第一凹面反射镜11、啁啾镜组12、第二凹面反射镜13、第四平面反射镜14、管状气室15、以及铝膜滤波片16。
激光依次经所述第一聚焦透镜1、第一充惰性气体管2、第二聚焦透镜3、分束镜4、棱镜对5和第一平面反射镜6后反射回去。反射激光经棱镜对5到达分束镜4后再次反射。再次反射激光经第二平面反射镜7、第三聚焦透镜8、第二充惰性气体管9、第三平面反射镜10、第一凹面反射镜11、啁啾镜组12、第二凹面反射镜13、第四平面反射镜14、管状气室15和铝膜滤波片16后得到纯净的高重复频率极紫外光脉冲。
具体的，所述第一充惰性气体管2和第二充惰性气体管9均内置有中空光纤。所述管状气室15填充惰性气体。
作为本发明的优选方案，为了提高聚焦透镜的耦合效率，本发明所述第一聚焦透镜1、第二聚焦透镜3、第三聚焦透镜8均为长焦距透镜，并使输入激光束的光斑直径在焦点处小于中空光纤的内径。脉冲能量为50μJ的近红外飞秒激光经过焦距为2m的长焦透镜聚焦后，从管道入口窗片进入填充氩气的内置中空光纤管，焦点位于中空光纤输入端口处，其耦合效率最高可达60％以上。
作为本发明的优选方案，本发明所述中空光纤管的构造为将内径50-500微米，长度为0.5-2米(优选为1米)的空心熔融石英光纤置于V型金属托槽上，并放置在金属管道内，确保空心光纤与金属管道同轴。金属管道两端用石英玻璃片密封并抽真空，激光注入前填充压力为1.0-3.0bar(优选为2bar)的惰性气体。
优选的，所述中空光纤的金属管道为不锈钢管道，内置中空光纤为内半径250微米的石英光纤。所充气体可为氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任意一种。入射光束与内置的中空光纤的金属管道腔管两端的光学窗口成布儒斯特角入射，可以有效提高入射激光的偏振比，使聚焦耦合进入中空光纤的激光脉冲产生自相位调制等非线性过程。
作为本发明的优选方案，本发明所述分束镜4设为两面，一面为全透面，另一面为全反面，使得从第一充惰性气体管2输出的激光脉冲全部透射，从后续棱镜对5返回的激光脉冲全部反射。
作为本发明的优选方案，本发明所述棱镜对5可替换为其他色散补偿元件，所述其他色散补偿元件为啁啾镜组12或光栅组。
作为本发明的优选方案，本发明所述平面反射镜可选为宽带介质全反镜，其反射带宽大于输入的激光脉冲的带宽。
作为本发明的优选方案，本发明所述啁啾镜组12可替换为光栅对或棱镜对5。
作为本发明的优选方案，本发明所述管状气室15为熔石英材料，气室内径设为150-250微米，长度在2-4mm范围，内充气体可为氩气、氪气或氙气中的任意一种。
作为本发明的优选方案，本发明所述铝膜滤波片16的铝膜层厚度为0.2-0.5微米，该滤膜滤波片对近红外光全反，对极紫外光全透。
本发明在工作时，从飞秒激光器输出的近红外激光经过透镜聚焦后经由第一中空光纤管入口窗片进入中空光纤管，汇聚焦点在内置的中空光纤端口附近，以达到最大耦合效率。中空光纤置于一个根据管径设计的V型槽托上，保证中空光纤和套管同轴，管内填充惰性气体。近红外飞秒脉冲通过充第一级充惰性气体中空光纤管产生自相位调制等非线性效应，光谱被展宽，从第一级中空光纤管输出窗口输出后利用棱镜对5或啁啾镜组12进行色散补偿，将脉宽压缩到几十飞秒量级。再将从第一级压缩后得到的几十飞秒脉冲导入第二级充惰性气体中空光纤管和啁啾镜组12构成的压缩模块，利用相同的原理进一步压缩得到亚15fs近红外光脉冲。最后将第二级压缩后得到的光周期级近红外激光脉冲导入充惰性气体的气室，通过高次谐波产生输出高重复频率极紫外光脉冲。
本发明的工作过程和原理是：本发明通过将商用飞秒光纤激光器产生的脉宽为几百飞秒，重复频率为几兆赫兹的近红外光脉冲耦合到充惰性气体级联(两级)中空光纤管中进行光谱展宽，再分别使用棱镜对5和啁啾镜组12对两级中空光纤管输出的脉冲进行压缩，得到高能量亚15fs脉冲，最后将其耦合进充惰性气体的管状气室15(gas cell)内产生高次谐波(HHG)并输出高重复频率EUV光脉冲。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
实施例2：
本实施例公开了一种用于高重频极紫外光脉冲产生装置，参照图1，该装置包括：第一聚焦透镜1，第一内置中空光纤的充惰性气体管2，第二聚焦透镜3，分束镜4，棱镜对5，第一平面反射镜6，第二平面反射镜7，第三聚焦透镜8，第二内置中空光纤的充惰性气体管9，第三平面反射镜10，第一凹面反射镜11，啁啾镜组12，第二凹面反射镜13，第四平面反射镜14，充惰性气体的管状气室15和铝膜滤波片16。
内置中空光纤管2的构造为将内径250μm，长度为1m的空心熔融石英光纤，置于V型不锈钢托槽上，并放置在不锈钢管道内，确保空心光纤与管道同轴；管道两端用石英玻璃片密封并抽真空，激光注入前填充压力为2bar的氩气。从商用Yb掺杂激光器输出的重复频率为1MHz，波长为1030nm，脉冲能量为50μJ的近红外飞秒激光经过焦距为2m的长焦透镜1聚焦后，从管道入口窗片进入填充氩气的内置中空光纤管2，焦点位于中空光纤输入端口处，耦合效率最高可达60％以上。激光脉冲在填充氩气的中空光纤内产生自相位调制等非线性效应，光谱得以展宽，并通过中空光纤管2的另一窗口输出，经第二聚焦透镜3准直后，通过分束器4导入群速负色散补偿棱镜对5进行色散补偿和时域压缩，并通过第一平面反射镜6反射回分束器4，得到脉宽为30fs左右的近红外脉冲激光。经过第一级压缩后的激光通过分束器4后，经反射镜7和聚焦透镜8耦合进入第二中空光纤管9，在相同的原理下进行第二次压缩。第二中空光纤管结构参数与第一中空光纤管2相同，填充氩气压强为1.8bar。经过第二级中空光纤管后，根据测算光谱可展开至200nm带宽(1100nm中心波长，见图2)，利用介质反射镜10和凹面反射镜11将展宽后的脉冲导入啁啾镜组12进行色散补偿后，足以产生＜15fs的近红外超短脉冲。利用凹面反射镜13和平面反射镜14将经过两级压缩后得到的亚15fs，能量约为10μJ的近红外超短脉冲汇聚成焦点半径为15μm左右并耦合进一根填充氙气的长为4mm，半径为100μm，传输模式为EH11的管状气室15，产生高达1014W/cm2的光强。根据高次谐波产生的半经典模型，当光纤内填充氙气的压力为0.15bar时，通过此中空光纤可产生光子能量高达50eV的极紫外光脉冲。最后，将一个铝膜厚度为0.5μm的铝膜滤波片16放置于离管状气室15输出端口1m处用于滤去光束中的近红外成分，得到纯净的高重复频率极紫外光脉冲(～25-60nm，见图3)。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，包括按照激光脉冲传输光路依次排列的第一聚焦透镜、第一充惰性气体管、第二聚焦透镜、分束镜、棱镜对、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三聚焦透镜、第二充惰性气体管、第三平面反射镜、第一凹面反射镜、啁啾镜组、第二凹面反射镜、第四平面反射镜、管状气室、以及铝膜滤波片；
激光依次经第一聚焦透镜、第一充惰性气体管、第二聚焦透镜、分束镜、棱镜对和第一平面反射镜后反射回去；反射激光经棱镜对到达分束镜后再次反射；再次反射激光经第二平面反射镜、第三聚焦透镜、第二充惰性气体管、第三平面反射镜、第一凹面反射镜、啁啾镜组、第二凹面反射镜、第四平面反射镜、管状气室和铝膜滤波片后得到纯净的高重复频率极紫外光脉冲；
所述第一充惰性气体管和第二充惰性气体管均内置有中空光纤；所述管状气室填充惰性气体。
2.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜均为长焦距透镜，并使输入激光束的光斑直径在焦点处小于中空光纤的内径。
3.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述中空光纤管的构造为将内径50-500微米，长度为0.5-2米的空心熔融石英光纤，置于V型金属托槽上，并放置在金属管道内，确保空心光纤与金属管道同轴；金属管道两端用石英玻璃片密封并抽真空，激光注入前填充压力为1.0-3.0bar的惰性气体。
4.根据权利要求3所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述中空光纤的金属管道为不锈钢管道，所充气体可为氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的任意一种，入射光束与内置的中空光纤的金属管道腔管两端的光学窗口成布儒斯特角入射。
5.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述分束镜设为两面，一面为全透面，另一面为全反面，使得从第一充惰性气体管输出的激光脉冲全部透射，从后续棱镜对返回的激光脉冲全部反射。
6.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述棱镜对可替换为其他色散补偿元件，所述其他色散补偿元件为啁啾镜组或光栅组。
7.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述平面反射镜可选为宽带介质全反镜，其反射带宽大于输入的激光脉冲的带宽。
8.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述啁啾镜组可替换为光栅对或棱镜对。
9.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述管状气室为熔石英材料，气室内径设为150-250微米，长度在2-4mm范围，内充气体可为氩气、氪气或氙气中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的高重复频率极紫外光脉冲产生装置，其特征在于，所述铝膜滤波片的铝膜层厚度为0.2-0.5微米，该滤膜滤波片对近红外光全反，对极紫外光全透。
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