CN111929962B - 多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置与方法 - Google Patents

多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置与方法。其主要元件包括：近红外飞秒激光器、分束片、延时线、缩束系统、倍频晶体、二分之一波片、四分之一波片、聚焦透镜、气腔、滤波片等。在该装置中，近红外飞秒激光经过一块分束片分成两束光，一束作为近红外泵浦光，另一束用于产生波长可调谐的紫外泵浦光。近红外泵浦光在CO气腔中进行分子电离和双光子共振激发，并与紫外泵浦光进行共振四波混频输出窄带DUV/VUV相干辐射。通过改变紫外泵浦光的椭圆偏振度，可以产生任意偏振态的窄带DUV/VUV相干辐射。本发明能够实现多个波长、窄线宽、偏振灵活可控的窄带DUV/VUV相干辐射。

Description

多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置与方法
技术领域
本发明涉及短波长相干光源，特别是一种多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置与方法，对于纳米光刻、表面分析、精密测量具有重要意义。
背景技术
真空紫外(Vacuum Ultraviolet,VUV,100-200nm)和深紫外(Deep Ultraviolet,DUV,200-300nm)相干光源是高分辨光谱学、表面科学、光化学等研究的重要工具。目前自由电子激光器，由于其超高的亮度，好的相干性已经在短波长光源产生方面获得了巨大成功。但是，这类大科学装置体积庞大，造价较高，限制了其广泛应用(可参阅C.Pellegrini,etal.,Rev.Mod.Phys.88,015006(2016))。因此，研究台式化DUV/VUV光源以及相应的光场调控技术是非常必要的。近年来，基于KBe2BO3F2的非线性光学晶体迅速发展，为实现高能量DUV/VUV光源提供了简单有效的解决方案，但是其最短波长受限于非线性晶体的吸收边。对于这类非线性光学晶体而言，波长调谐可通过调节相位匹配角实现，但是相位匹配的要求限制了偏振控制的灵活性。与固体相比，气体介质通常具有更宽的紫外透明窗口、更高的损伤阈值和更低的色散，有助于将相干辐射拓展到更短的波长，可以更为灵活地调控辐射光场。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明旨在提供一种多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置与方法。本发明产生的DUV/VUV相干辐射具有带宽窄、脉宽短、偏振完全可控、多个波长切换等特点，并且该方案在椭偏度、旋度和主轴方向等偏振控制方面具有很大的灵活性，可以实现对DUV/VUV相干辐射偏振的全面控制。
本发明技术解决的基本思想是：
强场电离产生的CO+的电子态具有合适的能级间隔和较大的偶极矩，因此为产生DUV/VUV相干辐射提供了合适的量子体系。利用CO+的三个电子态(X2Σ+、A2Πi、B2Σ+)构建级联量子相干体系，并采用双色泵浦光实现这些能级间的共振激发。近红外泵浦激光的强度足以电离CO分子，通过近红外和紫外激光脉冲在CO+中的共振四波混频可以产生窄带DUV/VUV相干辐射。由于这些电子态包含丰富的振动能级，通过调节紫外激光的波长，可以选择性地激发CO+第二激发态(B2Σ+)到基态(X2Σ+)不同振动能级的跃迁，进而产生不同波长的窄带DUV/VUV相干辐射。利用非线性极化与泵浦光偏振的关系，通过改变紫外泵浦光的偏振可对窄带DUV/VUV相干辐射偏振进行控制。
本发明的技术解决方案如下：
一种多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置，该装置包括近红外飞秒激光器、分束片、第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜、第四高反镜、第五高反镜、第六高反镜、延时线、第七高反镜、第八高反镜、第九高反镜、缩束系统、凸透镜、凹透镜、倍频晶体、双色镜、第一滤波片、偏振器、二分之一波片、四分之一波片、合束镜、聚焦透镜、气腔、准直透镜、第二滤波片；
所述的近红外飞秒激光器输出近红外泵浦激光经所述的分束片分为反射光束和透射光束，所述的反射光束依次经第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜、第四高反镜、第五高反镜，作为近红外泵浦光入射到合束镜；所述的透射光束依次经过第六高反镜、延时线、第九高反镜和缩束系统，再进入倍频晶体，该倍频晶体的相位匹配角符合共振四波混频所需的紫外泵浦光的要求，经该倍频晶体输出的紫外泵浦光依次经过双色镜、第一滤波片、偏振器、二分之一波片和四分之一波片，然后入射到所述的合束镜；其中延时线由两块高反镜和电动位移台组成，用于调节紫外泵浦光相对于近红外泵浦光的延时，所述缩束系统由沿光路依次放置的凸透镜和凹透镜组成；
所述的紫外泵浦光和近红外泵浦光经过合束镜合束，且确保所述近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间重合，经聚焦透镜入射到所述气腔中，将紫外泵浦光的延时滞后于近红外泵浦光，即可产生窄带DUV/VUV相干辐射，该窄带DUV/VUV相干辐射与剩余泵浦光依次经准直透镜和第二滤波片后输出窄带DUV/VUV相干辐射。通过调节紫外泵浦光波长，产生不同波长的窄带DUV/VUV相干辐射。通过调节紫外泵浦光的偏振控制窄带DUV/VUV相干辐射的偏振。
利用上述的装置进行多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生，包括下列步骤：
①开启近红外飞秒激光器；
②打开接入气腔的解压阀，使气瓶中的气体充入气腔，并通过旋转微调阀控制气腔中的气压；
③调节倍频晶体的相位匹配角，得到共振四波混频所需的紫外泵浦光；
④调节所述二分之一波片和四分之一波片的角度，使所述紫外泵浦光和近红外泵浦光的偏振平行；
⑤调节合束镜的角度，以及移动延时线的位置，通过观察等离子体衍射效应，初步使得所述近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间基本重合；
⑥精细移动延时线的位置，找到双色泵浦光在CO气体中的宽带四波混频信号，确定零延时，并调节合束镜的角度，使所述近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间完全重合，从而产生光谱强度最强的宽带四波混频信号；
⑦再次移动延时线的位置，使得两束泵浦光时间上分开，并且紫外泵浦光滞后于近红外泵浦光，产生窄带DUV/VUV相干辐射；
⑧通过改变聚焦透镜的焦距，使产生的窄带DUV/VUV相干辐射的光谱强度最强；
⑨通过旋转微调阀改变气腔中的气压，并调节缩束系统中凹透镜和凸透镜的距离，产生光谱强度最强的窄带DUV/VUV相干辐射；
⑩通过转动倍频晶体的角度，调节紫外泵浦光的波长，实现CO+第二激发态(B2Σ+)与基态(X2Σ+)之间不同振动能级的跃迁，重复步骤③、⑤、⑥、⑦和⑨，产生不同波长的窄带DUV/VUV相干辐射；
Figure BDA0002560285260000031
调节二分之一波片角度，产生水平和垂直偏振的线偏振紫外泵浦光，并测量两束泵浦激光的偏振方向垂直和平行情况下产生的窄带DUV/VUV相干辐射强度的比值，并取平方根得到共振四波混频的去极化率
Figure BDA0002560285260000032
Figure BDA0002560285260000033
调节二分之一波片角度，产生不同椭圆偏振度ξ的紫外泵浦光，且紫外泵浦光的偏振主轴方向与近红外泵浦光的偏振方向垂直，产生不同椭偏度
Figure BDA0002560285260000034
的窄带DUV/VUV相干辐射，且窄带DUV/VUV相干辐射的旋向与紫外泵浦光相同。
本发明的技术效果如下：
①本发明利用分子离子中的共振四波混频，得到皮秒DUV/VUV相干辐射，具有带宽窄、脉宽短、偏振完全可控、多波长可切换等特点。
②本发明在椭偏度、旋度和主轴方向等偏振控制方面具有很大的灵活性，可以产生任意偏振的窄带DUV/VUV相干辐射。
③本发明采用一台近红外飞秒激光器，操作方便。
附图说明
图1是多波长真空紫外及深紫外相干光源产生装置的光路示意图。
其中：1为近红外飞秒激光器，2为分束片、3为第一高反镜、4为第二高反镜、5为第三高反镜、6为第四高反镜、7为第五高反镜、8为第六高反镜、9为延时线、10为第七高反镜、11为第八高反镜、12为第九高反镜、13为缩束系统、14为凸透镜、15为凹透镜、16为倍频晶体、17为双色镜、18为第一滤波片、19为偏振器、20为二分之一波片、21为四分之一波片、22为合束镜、23为聚焦透镜、24为气腔、25为准直透镜、26为第二滤波片，27为光栅光谱仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明实现多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置的示意图。由图可见，本发明基于量子相干体系实现多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置，包括双色泵浦光产生部分、窄带DUV/VUV相干辐射产生和探测部分以及偏振控制部分。
双色泵浦光产生部分：近红外飞秒激光器1输出近红外泵浦激光经所述的分束片2分为反射光束和透射光束，所述的反射光束依次经第一高反镜3、第二高反镜4、第三高反镜5、第四高反镜6、第五高反镜7，作为近红外泵浦光入射到合束镜22；所述的透射光束经过第六高反镜8，再经过所述的延时线9调控与近红外泵浦光的时间延迟，然后依次经过第九高反镜12和缩束系统13，倍频晶体16，以产生波长可调谐的紫外泵浦光，产生的紫外泵浦光依次经过双色镜17、第一滤波片18、偏振器19、二分之一波片20和四分之一波片21，然后入射到所述的合束镜22。其中，缩束系统13用于提高倍频效率，同时调节缩束系统13中两个透镜的距离还可以适当补偿两束泵浦光在聚焦透镜23中的色差。双色镜17和第一滤波片18用于滤除倍频后剩余的近红外光。偏振器19用于提高紫外泵浦光的线偏振度，二分之一波片20和四分之一波片21用于调节紫外泵浦光的偏振。
窄带DUV/VUV相干辐射产生和探测部分：产生的紫外泵浦光经过合束镜22与所述的近红外泵浦光合束，并使近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间重合，然后经聚焦透镜23入射到所述气腔24中。再调节延时使紫外泵浦光滞后于近红外泵浦光，产生窄带DUV/VUV相干辐射。产生的窄带DUV/VUV相干辐射与剩余泵浦光经准直透镜25和第二滤波片26，输出窄带DUV/VUV相干辐射。其中，调节紫外泵浦光和近红外泵浦光的偏振平行、优化气压、聚焦条件以及缩束系统，使该窄带DUV/VUV相干辐射光谱强度最强。调节紫外泵浦光的波长，实现不同波长窄带DUV/VUV相干辐射的产生。产生的窄带DUV/VUV相干辐射入射到光栅光谱仪27进行光谱强度的探测。
偏振控制部分：利用所述二分之一波片20和四分之一波片21的组合调节紫外泵浦光的椭圆偏振度，并保持椭圆偏振光的主轴不变，从而实现对窄带DUV/VUV相干辐射的偏振控制。
对于各向同性非线性介质中的共振四波混频过程ωFWM＝2ω1+ω2，非线性极化率为：
Figure BDA0002560285260000051
其中，
Figure BDA0002560285260000052
是共振四波混频的去极化率，其大小等于两束泵浦光偏振方向垂直和平行情况下的窄带DUV/VUV相干辐射强度比的平方根。
Figure BDA0002560285260000053
和
Figure BDA0002560285260000054
是三阶非线性极化率分量，E1和E2分别是近红外光电场和紫外光电场，对于近红外线偏振光
Figure BDA0002560285260000055
和紫外椭圆偏振光
Figure BDA0002560285260000056
非线性极化率可进一步写为：
Figure BDA0002560285260000057
因此，通过上述共振四波混频产生的窄带DUV/VUV相干辐射的椭偏度为
Figure BDA0002560285260000058

Claims (5)

1.一种多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置，其特征在于，该装置包括近红外飞秒激光器(1)、分束片(2)、第一高反镜(3)、第二高反镜(4)、第三高反镜(5)、第四高反镜(6)、第五高反镜(7)、第六高反镜(8)、延时线(9)、第七高反镜(10)、第八高反镜(11)、第九高反镜(12)、缩束系统(13)、倍频晶体(16)、双色镜(17)、第一滤波片(18)、偏振器(19)、二分之一波片(20)、四分之一波片(21)、合束镜(22)、聚焦透镜(23)、气腔(24)、准直透镜(25)、第二滤波片(26)；
所述的近红外飞秒激光器(1)输出近红外泵浦激光经所述的分束片(2)分为反射光束和透射光束，所述的反射光束依次经第一高反镜(3)、第二高反镜(4)、第三高反镜(5)、第四高反镜(6)、第五高反镜(7)，作为近红外泵浦光入射到合束镜(22)；所述的透射光束依次经过第六高反镜(8)、延时线(9)、第九高反镜(12)和缩束系统(13)，再进入倍频晶体(16)，该倍频晶体(16)的相位匹配角符合共振四波混频所需的紫外泵浦光的要求，经该倍频晶体(16)输出的紫外泵浦光依次经过双色镜(17)、第一滤波片(18)、偏振器(19)、二分之一波片(20)和四分之一波片(21)，然后入射到所述的合束镜(22)；
所述的紫外泵浦光和近红外泵浦光经过合束镜(22)合束，且确保所述近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间重合，经聚焦透镜(23)入射到所述气腔(24)中，将紫外泵浦光的延时滞后于近红外泵浦光，即可产生窄带DUV或VUV相干辐射，该窄带DUV或VUV相干辐射与剩余泵浦光依次经准直透镜(25)和第二滤波片(26)后输出窄带DUV/VUV相干辐射。
2.根据权利要求1所述的多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置，其特征在于，所述二分之一波片(20)和四分之一波片(21)用于调节紫外泵浦光的椭圆偏振度，并保持椭圆偏振光的主轴不变，实现对窄带DUV或VUV相干辐射的偏振控制。
3.根据权利要求1所述的多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置，其特征在于，所述延时线(9)由第七高反镜(10)、第八高反镜(11)和电动位移台组成，用于调节紫外泵浦光相对于近红外泵浦光的延时。
4.根据权利要求1所述的多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置，其特征在于，所述缩束系统(13)由沿光路依次放置的凸透镜(14)和凹透镜(15)组成。
5.利用权利要求1-4任一所述的多波长真空紫外及深紫外相干光源的产生装置的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①开启近红外飞秒激光器；
②打开接入气腔的解压阀，使气瓶中的气体充入气腔，并通过旋转微调阀控制气腔中的气压；
③调节倍频晶体的相位匹配角，得到共振四波混频所需的紫外泵浦光；
④调节所述二分之一波片和四分之一波片的角度，使所述紫外泵浦光和近红外泵浦光的偏振平行；
⑤调节合束镜的角度，以及移动延时线的位置，通过观察等离子体衍射效应，初步使得所述近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间重合；
⑥精细移动延时线的位置，找到双色泵浦光在CO气体中的宽带四波混频信号，确定零延时，并调节合束镜的角度，使所述近红外泵浦光和紫外泵浦光的时间和空间完全重合，从而产生光谱强度最强的宽带四波混频信号；
⑦再次移动延时线的位置，使得两束泵浦光时间上分开，并且紫外泵浦光滞后于近红外泵浦光，产生窄带DUV或VUV相干辐射；
⑧通过改变聚焦透镜的焦距，使产生的窄带DUV或VUV相干辐射的光谱强度最强；
⑨通过旋转微调阀改变气腔中的气压，并调节缩束系统中凹透镜和凸透镜的距离，产生光谱强度最强的窄带DUV/VUV相干辐射；
⑩通过转动倍频晶体的角度，调节紫外泵浦光的波长，实现CO+第二激发态(B2Σ+)与基态(X2Σ+)之间不同振动能级的跃迁，重复步骤③、⑤、⑥、⑦和⑨，产生不同波长的窄带DUV或VUV相干辐射；
Figure FDA0003496203890000021
调节二分之一波片角度，产生水平和垂直偏振的线偏振紫外泵浦光，并测量两束泵浦激光的偏振方向垂直和平行情况下产生的窄带DUV或VUV相干辐射强度的比值，并取平方根得到共振四波混频的去极化率
Figure FDA0003496203890000022
Figure FDA0003496203890000023
调节二分之一波片角度，产生不同椭圆偏振度ξ的紫外泵浦光，且紫外泵浦光的偏振主轴方向与近红外泵浦光的偏振方向垂直，产生不同椭偏度
Figure FDA0003496203890000024
的窄带DUV或VUV相干辐射，且窄带DUV或VUV相干辐射的旋向与紫外泵浦光相同。
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