CN116260040A - 一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于准分子激光技术领域，具体涉及一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法。其中的装置包括用于容纳混合气的微型气体腔(3)，通过将激光(1)聚焦到微型气体腔(3)内与混合气相互作用发生非线性吸收，产生激光等离子体(4)，进而由激光等离子体(4)中产生准分子激光；混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。本发明提出了一种利用激光泵浦惰性气体卤化物产生超短准分子激光的技术方案，克服了放电泵浦准分子激光腔和电子束泵浦准分子激光器难以直接输出亚纳秒短脉冲的局限，为超短超强准分子激光的产生提供了简单可靠的超短准分子种子光源，简化了传统的固体/液体‑气体准分子混联放大系统的复杂性。

Description

一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法
技术领域
本发明属于准分子激光技术领域，具体涉及一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法。
背景技术
准分子激光因其波长短、光子能量大的特性，在激光与物质相互作用过程中具有空间分辨率高、光子耦合效率高、热效应小等优点，在激光加工、惯性约束聚变和科研领域具有广泛的应用。
传统的准分子激光多采用放电或电子束泵浦惰性气体卤化物准分子的方式获得紫外激光脉冲。受制于脉冲功率系统电学参数、阴极尺寸、激光增益介质体积的限制，传统的电子束或者放电泵浦激光器很难直接产生脉冲宽度小于纳秒的超短脉冲，这极大限制了准分子激光装置应用向超快、超强激光与物质相互作用领域的拓展。
为满足激光聚变、超快物理研究、光刻和激光加工等工业应用对紫外超短脉冲激光的需求，国内外发展了固体光源-准分子激光放大和染料-准分子激光放大两种技术方案。
钛宝石超短激光器可以在相当宽的红外波段调频，当其倍频光的波长与准分子激光的波长相互匹配时，可以作为准分子激光放大系统的种子光开展激光脉冲放大。但是固体激光器需要倍频才能输出紫外脉冲，效率很低，几次倍频后激光强度已经很弱，往往需要利用放电准分子激光器进行二次放大。由于混联激光系统的固体种子光源和气体激光放大器采用了不同的运行机制，这极大增加了系统协调同步的复杂程度。在电子束泵浦的准分子激光超短脉冲放大系统中，固体紫外种子光源需要在重频模式运行才能稳定输出，而电子束泵浦准分子激光装置多运行在单次或低频模式。不同机制的激光装置在光电信号的同步控制方面存在较大的困难，脉冲选单操作和同步放大的不稳定将导致放大超短脉冲激光参量的离散。
染料/准分子混联超短激光系统利用准分子泵浦液体染料可以产生飞秒或皮秒脉宽的近紫外或可见波段超短脉冲，经过倍频后匹配到准分子激光的工作波长，然后利用放电或电子束泵浦的准分子激光器进行放大。由于染料激光器的输出特性受染料种类、浓度、溶液PH值等复杂因素的影响，尤其是短波长的染料激光器，染料的使用寿命很短，维持染料激光系统的长期稳定运行存在极高的运行维护门槛。因此，基于染料-准分子混联超短脉冲激光系统使用非常不便，需要投入较大成本才能维持系统的稳定运行。
因此，超短超强准分子激光技术及应用的发展需要寻求在电子束和放电泵浦技术路线之外，直接泵浦惰性气体卤化物准分子产生超短紫外激光脉冲的解决方案，为超短超强紫外准分子激光装置的发展和相关应用提供支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单可靠的准分子激光超短脉冲产生方案。本发明在放电或电子束泵浦准分子激光路线之外，提出利用激光直接泵浦惰性气体卤化物准分子的技术方案，通过缩小增益介质体积实现超短脉冲宽度的准分子激光脉冲输出。利用激光泵浦准分子产生和放大超短激光脉冲，将大幅度简化混联准分子激光系统的复杂性，为发展超短超强紫外准分子激光系统提供一种新型种子光源，有效支持激光聚变、超短超快物理研究和激光光刻等工业应用的发展。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种产生短脉冲准分子激光的装置，其中，包括用于容纳混合气的微型气体腔，通过将激光聚焦到所述微型气体腔内与所述混合气相互作用发生非线性吸收，产生激光等离子体，进而由所述激光等离子体中产生准分子激光；所述混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。
进一步，
所述微型气体腔设置在立方体形的玻璃体的中心线位置，所述微型气体腔为横截面为正方形的立方体形腔体；
还包括与所述微型气体腔垂直连通的两个进气管道，所述微型气体腔的顶端和尾端分别连通一个所述进气管道的尾端，所述进气管道的顶端设置在所述玻璃体的顶部表面；所述进气管道的顶端开口上设有阀门连接件，用于与外部的气源连接，向所述微型气体腔提供所述混合气。
进一步，
在所述玻璃体上，四个侧面依次为第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述微型气体腔的顶端相对的一面为所述第一侧面，所述微型气体腔的尾端相对的一面为所述第三侧面；
在所述第一侧面的一侧设有第一透镜，在所述第一透镜的外侧设置激光发生器，所述激光由所述激光发生器射出并经所述第一透镜聚焦到所述微型气体腔内；
在所述第三侧面的外侧设有第二透镜和光阱；所述第二透镜用于将所述激光与所述混合气在所述微型气体腔内相互作用产生所述激光等离子体后的残余泵浦光转化为平行光，所述光阱用于将经过所述第二透镜转化后的所述平行光进行吸收；
在所述第三侧面与所述第二透镜之间还设有二向色镜用于将所述残余泵浦光传输给所述第二透镜。
进一步，
所述激光发生器为脉冲激光器，能够单次或者连续输出脉冲宽度数纳秒的基频激光，激光的发散角θ接近1mrad，激光脉冲能量数十毫焦耳；
所述第一透镜和所述第二透镜为共焦排布的石英玻璃平凸透镜；
所述第一侧面和所述第三侧面精抛光后镀激光增透膜。
进一步，还包括在所述第四侧面的中心φ3mm范围内上镀制的高反膜，所述高反膜作为后腔镜，所述高反膜的厚度与输出的所述准分子激光的波长相匹配。
进一步，还包括设置在所述第二侧面外侧的前腔镜；在所述前腔镜和所述第二侧面之间还设置了非线性晶体的光电开关；通过调节所述激光和所述光电开关的延时控制所述激光的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。
进一步，在所述第二侧面设置切削平面，所述切削平面的角度根据所述准分子激光的偏振角度确定，所述切削平面镀有偏振膜。
为达到以上目的，本发明还公开了用于如上所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的一种产生短脉冲准分子激光的方法，包括如下步骤：
步骤S1，向所述微型气体腔中充入所述混合气；
步骤S2，开启所述激光发生器，使得所述激光聚焦到所述微型气体腔中的所述混合气上；所述激光在所述混合气中发生击穿产生所述激光等离子体，形成准分子自发辐射；
步骤S3，通过调节所述激光和所述光电开关的延时控制所述激光的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种利用激光泵浦惰性气体卤化物产生超短准分子激光的技术方案，克服了放电泵浦准分子激光腔和电子束泵浦准分子激光器难以直接输出亚纳秒短脉冲的局限，为超短超强准分子激光的产生提供了简单可靠的超短准分子种子光源，简化了传统的固体/液体-气体准分子混联放大系统的复杂性，为激光加工、超短超强激光与物质相互作用研究和惯性约束核聚变提供了一种简易可靠的紫外超短脉冲激光驱动器。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的工作原理的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的示意图；
图3是图2的A向视图(俯视图)；
图4是图2的B向视图；
图中：1-激光，2-第一透镜，3-微型气体腔，4-激光等离子体，5-二向色镜，6-第二透镜，7-光阱，8-后腔镜，9-前腔镜，10-光电开关，11-激光发生器，12-玻璃体，13-进气管道，14-阀门连接件，15-偏振膜，16-第一侧面，17-第二侧面，18-第三侧面，19-第四侧面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的一种产生短脉冲准分子激光的装置(见图2、3、4)，其中，包括用于容纳混合气的微型气体腔3，通过将一定强度的激光1(泵浦光，聚焦强度109-1012W/cm2的脉冲激光)聚焦到微型气体腔3内与混合气相互作用发生非线性吸收，导致气体部分电离，产生激光等离子体4，进而由激光等离子体4中产生准分子激光(即准分子激光脉冲)；混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。
微型气体腔3设置在立方体形的玻璃体12的中心线位置，微型气体腔3的横截面无特殊要求，根据加工需要而定，可以是正方形或者圆形；玻璃体12是满足可以有效传输深紫外光(193/248/308/301)的需要的紫外透明材料即可，包括石英玻璃、氧化铝；
还包括与微型气体腔3垂直连通的两个进气管道13，微型气体腔3的顶端和尾端分别连通一个进气管道13的尾端，进气管道13的顶端设置在玻璃体12的顶部表面；进气管道13的顶端开口上设有阀门连接件14，用于与外部的气源连接，向微型气体腔3提供混合气；混合气可以是氟-氪-氖混合气体，或氯-氙混合气，或氟氩混合气；采用氟氩混合气用于输出波长193nm的激光；采用氟-氪-氖混合气时，用于输出波长248nm的激光(氟化氪激光)；激光1入射时(激光器工作时)，微型气体腔3内通过进气管道13充入一个大气压力的氟氩混合气，其中氟气含量约1％(压力体积比)。
在玻璃体12上，四个侧面依次为第一侧面16、第二侧面17、第三侧面18和第四侧面19，微型气体腔3的顶端相对的一面为第一侧面16，微型气体腔3的尾端相对的一面为第三侧面18；
在第一侧面16的一侧设有第一透镜2，在第一透镜2的外侧设置激光发生器11，激光1由激光发生器11射出并经第一透镜2聚焦到微型气体腔3内；
在第三侧面18的外侧设有第二透镜6和光阱7；第二透镜6用于将激光1与混合气在微型气体腔3内相互作用产生激光等离子体4后的残余泵浦光转化为平行光，光阱7用于将经过第二透镜6转化后的平行光进行吸收；
在第三侧面18与第二透镜6之间还设有二向色镜5用于将残余泵浦光传输给第二透镜6。
激光发生器11为常见的半导体泵浦固体脉冲激光器，能够单次或者连续输出脉冲宽度数纳秒的基频激光(1064nm)，激光的发散角θ接近1mrad，激光脉冲能量数十毫焦耳；
第一透镜2和第二透镜6为共焦排布的石英玻璃平凸透镜，焦距能够满足混合气体有效泵浦(发生击穿)，例如焦距f＝12.7mm；
第一侧面16和第三侧面18精抛光后镀激光增透膜，用于减小泵浦光散射。
还包括在第四侧面19的中心φ3mm范围内上镀制的高反膜，高反膜作为后腔镜8，高反膜的厚度与输出的准分子激光的波长相匹配。
还包括设置在第二侧面17外侧的前腔镜9，前腔镜9为石英裸片，反射率接近10％；在前腔镜9和第二侧面17之间还设置了非线性晶体的光电开关10；通过调节激光1和光电开关10的延时控制激光1的谐振放大，实现准分子激光脉冲的输出。
在第二侧面17设置切削平面，切削平面的角度根据准分子激光的偏振角度确定，切削平面镀有偏振膜15。
玻璃体12的尺寸为20mm×20mm×25mm；微型气体腔3是利用激光内雕法在玻璃体12内部加工而成，微型气体腔3的长度约10mm，横截面为1mm×1mm的方形；进气管道13同样是利用激光内雕法在玻璃体12内部加工而成。
本发明还公开了用于如上所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的一种产生短脉冲准分子激光的方法，包括如下步骤：
步骤S1，向微型气体腔3中充入混合气；
步骤S2，开启激光发生器11，使得激光1聚焦到微型气体腔3中的混合气上；激光1在混合气中发生击穿产生激光等离子体4，形成准分子自发辐射；
步骤S3，通过调节激光1和光电开关10的延时控制激光1的谐振放大，实现准分子激光脉冲的输出。
在步骤S1中，混合气为1个大气压力，其中氟气含量约1％(压力体积比)。
本发明的技术方案的原理如下(见图1)，从短脉冲激发光源发射的激光1经过第一透镜2聚焦到充满惰性气体和卤素气体的混合气的微型气体腔3中。当焦点处的激光强度低于混合气的激光击穿阈值时，通过焦点的激光脉冲被二向色镜5反射和第二透镜6整形后投射到光阱7中。当焦点处的激光强度高于混合气的激光击穿阈值时，激光脉冲在焦点处击穿激光等离子体4，激光脉冲的大部分能量被气体等离子体吸收，残余泵浦光仍通过二向色镜5和第二透镜6传输并被光阱7吸收。
在微型气体腔3中部，一定强度的泵浦激光脉冲与惰性气体-卤素气体的混合气相互作用发生非线性吸收，导致气体部分电离，产生等离子体(激光等离子体4)。惰性气体原子失去外层电子形成阳离子R+。卤素气体分子吸收激光或者电子的能量后发生光解离而原子化。等离子体中的电子被卤素原子吸附形成负离子F-。随着激光等离子体4冷却，惰性气体阳离子与吸附了电子的卤素原子短暂结合形成激发态准分子RF*。由于激发态准分子的寿命极短，在纳秒量级，准分子通过辐射光子返回基态，并发生解离，惰性气体原子和卤素原子得到重生。其主要反应动力学过程如下。
n·Hνp+R→R++e [1]
n·Hνp+F2→2·F [2]
F+e→F- [3]
R++F-→RF* [4]
2·RF*→2R+F2+2·Hνf [5]
本发明所述技术路线与传统的放电泵浦或电子束泵浦准分子激光路线的动力学过程的区别在于，等离子态的增益介质活化是通过动力学过程[1],[2]，即激光光子的非线性吸收实现的。后续增益介质演化过程的电子来自激光等离子体4中的内源电子，而非放电电流或者电子束的外源电子。
激光发生器11在双程放大自发辐射条件下的输出脉冲宽度极限可以用公式τ≈2L/C来估计。其中L为激光谐振腔长度，C为光速。极端条件下，激光谐振腔长度可以接近增益介质活性区长度。对于激光泵浦的准分子激光而言，准分子激光介质的活性区就是激光等离子体存在的区域。
由于激光具有发散角小的特性，激光1经第一透镜2聚焦后，焦点的尺度可以控制在微米量级。通过调节微型气体腔3内的气体压力和比例，可以将激光等离子体4的空间尺度约束到毫米量级甚至更小。因此激光泵浦准分子激光方案输出的超短准分子激光脉冲宽度极限τ可以接近皮秒量级甚至达到数十飞秒。
为实现激光泵浦的准分子激光输出，在微型气体腔3两端配备由后腔镜8和前腔镜9构建的谐振腔。本技术方案对激光泵浦方向无特殊要求。当泵浦光路与准分子激光振荡输出光路共轴时，装置工作在端向泵浦方式，由于激光光路的可逆性，激光无论从微型气体腔3前向入射还是后向入射均不影响准分子气体介质的泵浦和激光的产生。此时，后腔镜8和前腔镜9不但曲率需要满足准分子激光的谐振要求，还应该兼顾泵浦激光传输和准分子激光谐振的需求，兼具泵浦激光高透过率和准分子激光高反射率的特性。当泵浦光路与准分子激光振荡输出光路分离时，可视为泵浦激光侧向泵浦准分子激光介质。
准分子激光介质的激发态能级寿命在纳秒量级，对于皮秒脉冲的产生而言，可以视为稳态自发辐射放大系统，适当调整腔镜的反射率即可利用增益饱和实现被动调Q，获得超短脉冲输出。当被动调Q不能满足需求时，在微型气体腔3和后腔镜8或前腔镜9之间增加主动调Q的光电开光10，仍可以实现短脉冲准分子激光的输出。
本发明利用激光泵浦惰性气体和卤族气体混合物可以产生193nm(ArF)，248nm(KrF)和351nm(XeF)，308nm(XeCl)等多个波长的超短准分子激光脉冲。这里，以激光泵浦氟化氩准分子激光产生超短激光为例说明本发明的具体实施方式：
泵浦光(即激光1)经过第一透镜2聚焦后在微型气体腔3的中心击穿氟氩混合气产生短寿命的氟化氩准分子，残余的泵浦光经过第二透镜6以平行光的形式被光阱7吸收。激光1在微型气体腔3中的焦点尺寸φ＝f·θ，接近13um。由于本发明的装置采用激光侧向泵浦氟氩混合气体，理论上氟化氩准分子激光脉冲的宽度τ≈2φ/C，可以接近60飞秒。即使考虑激光等离子体4由于氟、氩气离子的二次碰撞发生膨胀，由于激光等离子体4被约束在微型气体腔3内部，激光等离子体4横向膨胀的最大尺寸1mm，如果利用的微型气体腔3壁构建谐振腔，激光泵浦准分子激光脉冲宽度应该宽度保持数皮秒量级。
装置在玻璃体12的后表面(第四侧面19)中心φ3mm范围内镀制的193nm高反膜作为后腔镜8。在光学加工的平面平行度足够好的前提下，玻璃体12的前表面(第二侧面17)可以作为谐振腔的前腔镜，通过调节镀膜的反射率即可实现腔内调Q，获得皮秒脉冲输出，脉冲宽度取决于玻璃体12的厚度(即腔长)和谐振腔镜反射率(Q参数)。
为方便调节，本发明所提供的装置仍采用独立的石英裸片作为谐振腔的前腔镜9，反射率接近10％。为实现主动调Q，在玻璃体12与前腔镜9之间插入非线性晶体(BBO)的快速光电开关10。通过调节激发激光1和光电开光10的延时控制激光的谐振放大，实现激光泵浦准分子气体激光器的超短脉冲输出。
为满足光电开光10所需的激光偏振条件，装置在玻璃体12的前表面(第二侧面17)中心按照准分子激光的偏振角度削切出局部平面并镀制偏振膜15，确保激光泵浦氟氩混合气产生的准分子荧光满足光电开光10所需的光学偏振条件。
本实施例描述利用激光侧向泵浦氟氩混合气的微型气体腔3产生超短氟化氩准分子脉冲的实施装置经过适当改造准分子激光谐振腔光学参数即可切换到氟化氪、氯化氙波段，为发展超短超强紫外准分子激光装置提供简单可行的种子光源。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：包括用于容纳混合气的微型气体腔(3)，通过将激光(1)聚焦到所述微型气体腔(3)内与所述混合气相互作用发生非线性吸收，产生激光等离子体(4)，进而由所述激光等离子体(4)中产生准分子激光；所述混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。
2.如权利要求1所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：
所述微型气体腔(3)设置在立方体形的玻璃体(12)的中心线位置；
还包括与所述微型气体腔(3)垂直连通的两个进气管道(13)，所述微型气体腔(3)的顶端和尾端分别连通一个所述进气管道(13)的尾端，所述进气管道(13)的顶端设置在所述玻璃体(12)的顶部表面；所述进气管道(13)的顶端开口上设有阀门连接件(14)，用于与外部的气源连接，向所述微型气体腔(3)提供所述混合气。
3.如权利要求2所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：
在所述玻璃体(12)上，四个侧面依次为第一侧面(16)、第二侧面(17)、第三侧面(18)和第四侧面(19)，所述微型气体腔(3)的顶端相对的一面为所述第一侧面(16)，所述微型气体腔(3)的尾端相对的一面为所述第三侧面(18)；
在所述第一侧面(16)的一侧设有第一透镜(2)，在所述第一透镜(2)的外侧设置激光发生器(11)，所述激光(1)由所述激光发生器(11)射出并经所述第一透镜(2)聚焦到所述微型气体腔(3)内；
在所述第三侧面(18)的外侧设有第二透镜(6)和光阱(7)；所述第二透镜(6)用于将所述激光(1)与所述混合气在所述微型气体腔(3)内相互作用产生所述激光等离子体(4)后的残余泵浦光转化为平行光，所述光阱(7)用于将经过所述第二透镜(6)转化后的所述平行光进行吸收；
在所述第三侧面(18)与所述第二透镜(6)之间还设有二向色镜(5)用于将所述残余泵浦光传输给所述第二透镜(6)。
4.如权利要求3所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：
所述激光发生器(11)为脉冲激光器，能够单次或者连续输出脉冲宽度数纳秒的基频激光，激光的发散角θ接近1mrad，激光脉冲能量数十毫焦耳；
所述第一透镜(2)和所述第二透镜(6)为共焦排布的石英玻璃平凸透镜；
所述第一侧面(16)和所述第三侧面(18)精抛光后镀激光增透膜。
5.如权利要求4所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：还包括在所述第四侧面(19)的中心φ3mm范围内上镀制的高反膜，所述高反膜作为后腔镜(8)，所述高反膜的厚度与输出的所述准分子激光的波长相匹配。
6.如权利要求5所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：还包括设置在所述第二侧面(17)外侧的前腔镜(9)；在所述前腔镜(9)和所述第二侧面(17)之间还设置了非线性晶体的光电开关(10)；通过调节所述激光(1)和所述光电开关(10)的延时控制所述激光(1)的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。
7.如权利要求6所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：在所述第二侧面(17)设置切削平面，所述切削平面的角度根据所述准分子激光的偏振角度确定，所述切削平面镀有偏振膜(15)。
8.用于如权利要求7所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的一种产生短脉冲准分子激光的方法，包括如下步骤：
步骤S1，向所述微型气体腔(3)中充入所述混合气；
步骤S2，开启所述激光发生器(11)，使得所述激光(1)聚焦到所述微型气体腔(3)中的所述混合气上，所述激光(1)在所述混合气中发生击穿产生等离子体，形成准分子自发辐射；
步骤S3，通过调节所述激光(1)和所述光电开关(10)的延时控制所述激光(1)的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。
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