CN204668714U

CN204668714U - 一种极紫外激光放大装置

Info

Publication number: CN204668714U
Application number: CN201520183857.1U
Authority: CN
Inventors: 尉鹏飞; 郁慧珍; 俞军; 杨丁中; 董一鸣; 连进玲; 梁奇锋
Original assignee: University of Shaoxing
Current assignee: University of Shaoxing
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2025-03-31

Abstract

本实用新型涉及一种极紫外激光放大装置，包括光源,光源的一侧安装有分束片,分束片将光源分为激发光束和驱动光束,激发光束的一侧安装有延时装置,延时装置的一侧安装有第一全反镜和第二全反镜,第一全反镜和第二全反镜之间安装有能量控制器,且第二全反镜的下方安装有1/4波片,1/4波片的下方安装有合束片；驱动光束的下方安装有第三全反镜，第三全反镜位于合束片的一侧，合束片的另一侧安装有聚焦透镜，聚焦透镜的一侧安装有气体盒，气体盒的一侧安装有铝膜，铝膜的一侧为极紫外激光。本实用新型结构简单，操作简易，适用性强，不仅可以用于极紫外激光的产生和放大，而且可以用于其余原子分子气体的激发态特性研究。

Description

一种极紫外激光放大装置

技术领域

本实用新型涉及一种极紫外激光放大装置，利用特殊设计的驱动光源与处于激发态的惰性气体相互作用来产生和放大高次谐波，从而得到极紫外激光，适用于极紫外激光（高次谐波）的产生和放大等领域，也适用于激发态气体（原子或分子）的动力学研究领域。

背景技术

极紫外光源在现代生产或生活中极其重要且不可或缺。例如，在现代生产中，极紫外光源在高精度微纳结构加工、高精度雕刻、高精度成像等领域发挥着重要作用；在现代生活中，CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)、DR(Digital Radiography，放射线照相术)广泛应用，所需光源也是极紫外乃至X射线波段。然而，极紫外激光源的性能明显优于普通极紫外光源，这是因为极紫外激光源是相干光源，能够获得更加精确可靠的相位信息。

极紫外激光一般以高次谐波的形式获得(强场激光与物质相互作用产生高阶非线性效应，获得基频光的高倍频输出，从而得到极紫外激光)，但这种方式极难产生且效率低下。因此，提出本实用新型。

实用新型内容

针对现有技术的上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种极紫外激光放大装置，通过特殊设计的驱动光源与处于激发态的惰性气体相互作用来产生和放大高次谐波，从而获得高效的高次谐波输出，该方法的高次谐波产生效率比传统的高次谐波产生方法的效率高一个数量级（十倍），不仅提供了极紫外激光高效输出的新手段，而且将促进相关领域的极大发展。

为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种极紫外激光放大装置，包括光源,所述光源的一侧安装有分束片,所述分束片将光源分为激发光束和驱动光束,所述激发光束的一侧安装有延时装置,所述延时装置的一侧安装有第一全反镜和第二全反镜,所述第一全反镜位于第二全反镜的上方，所述第一全反镜和第二全反镜之间安装有能量控制器,且第二全反镜的下方安装有1/4波片,所述1/4波片的下方安装有合束片；所述驱动光束的下方安装有第三全反镜，所述第三全反镜位于合束片的一侧，所述合束片的另一侧安装有聚焦透镜，所述聚焦透镜的一侧安装有气体盒，所述气体盒的一侧安装有铝膜，所述铝膜的一侧为极紫外激光，因为极紫外激光容易被大气吸收，所以整个相互作用过程放在真空环境中，因此气体盒、铝膜和极紫外激光均置于真空环境中。

所述的能量控制器包括半波片和检偏器，所述半波片位于检偏器的上方，通过半波片的旋转调谐能量。

所述的延时装置为由两个全反镜组成直角反射器并放置在延时导轨上。

本实用新型的极紫外激光产生和放大原理如下：首先，激发光束将惰性气体（或其余原子分子气体）激发到高能激发态；然后驱动光束与处于高能激发态的惰性气体相互作用（高阶非线性过程）来产生和放大高次谐波；最后，输出的混合光束通过铝膜过滤掉基频光，最终获得放大的极紫外激光。一般情况下，驱动光束与处于基态（未被激发）的惰性气体也能相互作用产生高次谐波，不过效率低下；但惰性气体通过激发光束预激发后再与驱动光束相互作用，输出的高次谐波能得到一个数量级（十倍）的增强，从而获得放大的极紫外激光输出。

本实用新型的有益效果如下：

1、延时装置用于调节两束激光的时间延迟，并使得激发光束的脉冲先于驱动光束的脉冲到达气体盒，从而实现惰性气体的预激发；

2、半波片和检偏器组成的能量控制器用于调节激发光束的输出能量，使其在气体盒处的功率密度接近于惰性气体电离所需的功率密度；

3、1/4波片用于调节激发光束的椭偏度，从而抑制高次谐波的自发辐射，提高惰性气体的激发态反转数；

4、驱动光束用于驱动受激发的惰性气体产生高次谐波，因此其在气体盒处的功率密度要求大于惰性气体电离所需的功率密度；

本实用新型通过特殊的光路设计在时域上分成激发光束和驱动光束，激发光束主要用于激发惰性气体产生激发态（将惰性气体从基态激发到激发态），驱动光束主要用于驱动惰性气体产生并放大高次谐波。该装置和方法可用于极紫外激光的产生和放大，也可用于激发态气体（原子或分子）的动力学研究；利用该装置产生的极紫外激光可用于微纳结构的探测和雕刻，也可用于内部切面的穿透拍摄。该装置光光转换效率高，操作简单，适用性强。

本实用新型结构简单，操作简易，适用性强，不仅可以用于极紫外激光的产生和放大，而且可以用于其余原子分子气体的激发态特性研究。

附图说明

图1为本实用新型的极紫外激光放大装置示意图；

图2为本实用新型实施例1的装置示意图；

图3和图4为本实用新型实施例1的极紫外激光放大效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

如图1所示，本实用新型的极紫外激光放大装置，包括光源13,光源13的一侧安装有分束片1,分束片1将光源分为激发光束14和驱动光束15,激发光束14的一侧安装有延时装置2, 延时装置2为由两个全反镜组成直角反射器并放置在延时导轨上。延时装置2的一侧安装有第一全反镜9和第二全反镜10,第一全反镜9位于第二全反镜10的上方，第一全反镜9和第二全反镜10之间安装有能量控制器, 能量控制器包括半波片3和检偏器4，半波片3位于检偏器4的上方，通过半波片3的旋转调谐能量。

本实用新型中的第二全反镜10的下方安装有1/4波片5,1/4波片5的下方安装有合束片6；驱动光束15的下方安装有第三全反镜8，第三全反镜8位于合束片6的一侧，合束片6的另一侧安装有聚焦透镜7，聚焦透镜7的一侧安装有气体盒11，气体盒11的一侧安装有铝膜12，铝膜12的一侧为极紫外激光16，因为极紫外激光16容易被大气吸收，所以整个相互作用过程放在真空环境中，因此气体盒11、铝膜12和极紫外激光16均置于真空环境中。

本实用新型的极紫外激光放大装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）驱动光源13，通过分束片1将光源分成激发光束14和驱动光束15；

（2）将步骤（1）中的激发光束14通过延时装置2调节两束激光之间的时间延迟，并通过半波片3和检偏器4组成的能量控制器调节激发光束14的输出能量；通过1/4波片5调节激发光束14的椭偏度；

（3）将步骤（2）中的激发光束14和步骤（1）中的驱动光束15通过合束片6进行合束，再通过聚焦透镜7聚焦于气体盒11处；

（4）将步骤（3）中聚焦后的合束激光与气体盒11内的惰性气体相互作用产生并放大高次谐波，输出的高次谐波通过铝膜12进行基频光的过滤，最终得到极紫外激光源16。

实施例1

如图2所示为应用于800nm飞秒激光驱动氩气产生高效的极紫外输出实验：1为800nm分束片，能量分束比例为1:1；2为200mm光程可控的延时装置；3为800nm半波片；4为反射式薄膜偏振片，即检偏器；5为800nm的1/4波片；6为800nm合束片；7为焦距500mm的聚焦透镜；8为800nm的第三全反镜、9为800nm的第一全反镜、10为800nm的第二全反镜；11是长度为20mm的气体盒，内部充有气压为20torr的氩气；12是500nm厚的铝膜；17是美国相干公司生产的800nm钛宝石飞秒激光器，输出参数为8mJ/40fs/1kHz；18是极紫外光源专用CCD（型号Princeton Instruments, SX 400）；19是普通程控电脑；20和21是程控线。延时装置2和专用CCD 18通过程控线与程控电脑19相连，因此，延时控制和数据采集都有电脑程控完成。

具体过程如下：（1）按图2所示连接好实验装置，并启动激光系统和程控系统；（2）控制延时装置2调节两束激光的时间延迟，调节范围为-5~80ps（皮秒，即10^-12s，正号表示激发光束14的脉冲先于驱动光束15的脉冲到达气体盒11）；（3）通过能量控制器调节激发光束14的输出能量，使其在气体盒11处的功率密度0~2×10¹⁴ W/cm²可调谐，包含氩气电离所需的功率密度1×10¹⁴W/cm²；（4）通过1/4波片5调节激发光束14的椭偏度，从而抑制高次谐波的自发辐射，旋转角度大约10~20°；（5）驱动光束15在气体盒11处的功率密度约1.5×10¹⁴ W/cm²，与处于激发态的氩气相互作用产生高次谐波，并通过CCD记录所输出的高次谐波信号。

应用如图2所示的极紫外放大装置，得到的实验输出结果如图3-图4所示，氩气尚未激发（处于基态），零表示两束激光刚好重叠，正数表示氩气已被激发（处于高能激发态），可以发现，激发后的高次谐波产率明显高于激发前的高次谐波产率。可以发现，只有激发光束的功率密度接近于氩气电离所需的功率密度1×10¹⁴ W/cm²附近时，输出的高次谐波才能被增强放大。这是因为，如果激发光束14的功率密度过低，则不足以产生足够的高能激发态粒子数；如果激发光束14的功率密度过高，则导致束缚态电子远离，从而从激发态成为离子态，同样不利于高次谐波的产生和放大。为了更清晰地表达出激发前后的放大效果，我们提取高次谐波输出强度进行对比。如图3所示，输出级次为19th~33rd，对应波长24~42nm，可以发现，激发前（负数）的强度仅为0.2×10⁶附近，重叠时（零）的输出强度甚至为零，而激发后（正数）的强度高达2×10⁶，增强近十倍；此外，还可以发现，增强效果的寿命约30皮秒左右。同样，我们单独提取25th高次谐波（对应波长32nm）进行对比，如图4所示，也可以发现存在类似的增强效果。

本实用新型通过特殊的光路设计在时域上分成激发光束14和驱动光束15，激发光束14主要用于激发惰性气体产生激发态（将惰性气体从基态激发到激发态），驱动光束15主要用于驱动惰性气体产生并放大高次谐波。该装置和方法可用于极紫外激光的产生和放大，也可用于激发态气体（原子或分子）的动力学研究；利用该装置产生的极紫外激光可用于微纳结构的探测和雕刻，也可用于内部切面的穿透拍摄。该装置光光转换效率高，操作简单，适用性强。

上述实施例仅用于解释说明本实用新型的发明构思，而非对本实用新型权利保护的限定，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种极紫外激光放大装置，其特征在于：包括光源,所述光源的一侧安装有分束片,所述分束片将光源分为激发光束和驱动光束,所述激发光束的一侧安装有延时装置,所述延时装置的一侧安装有第一全反镜和第二全反镜,所述第一全反镜位于第二全反镜的上方，所述第一全反镜和第二全反镜之间安装有能量控制器,且第二全反镜的下方安装有1/4波片,所述1/4波片的下方安装有合束片；所述驱动光束的下方安装有第三全反镜，所述第三全反镜位于合束片的一侧，所述合束片的另一侧安装有聚焦透镜，所述聚焦透镜的一侧安装有气体盒，所述气体盒的一侧安装有铝膜，所述铝膜的一侧为极紫外激光，所述气体盒、铝膜和极紫外激光均置于真空环境中。

2.如权利要求1所述的极紫外激光放大装置，其特征在于：所述的能量控制器包括半波片和检偏器，所述半波片位于检偏器的上方。

3.如权利要求1所述的极紫外激光放大装置，其特征在于：所述的延时装置为由两个全反镜组成直角反射器并放置在延时导轨上。