CN204706764U - 一种极紫外激光的调q装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及极紫外激光的调Q装置，包括光源，光源的一侧安装有分束片，驱动光束一侧安装有第一平移台，第一平移台内部安装有驱动透镜，第一平移台一侧安装有第一全反镜、第二全反镜和第三全反镜，第三全反镜下方安装有合束片；调Q光束一侧安装有第二平移台，第二平移台内部安装有调Q透镜，第二平移台的一侧安装有第四全反镜，第四全反镜的一侧安装有椭偏器，合束片的另一侧安装有气体盒，气体盒内有惰性气体，气体盒的内部还具有调Q焦点和驱动焦点，气体盒的外部安装有铝膜，铝膜的一侧为Q值可调的极紫外激光。本实用新型结构简单，操作简易，适用性强，不仅提供了极紫外激光输出的调Q新手段，而且将促进相关领域的深入发展。

Description

一种极紫外激光的调Q装置

技术领域

本实用新型涉及一种极紫外激光的调Q装置，利用腔外透镜实现腔内Q开关功能并控制腔内工作介质（惰性气体）与驱动光源相互作用产生高次谐波，从而得到Q值可控的极紫外激光，适用于极紫外激光（高次谐波）的产生和调Q等领域。

背景技术

极紫外乃至X射线激光一般难以采用传统的激光晶体来产生，而且由于其易于被大气吸收，通常需要将激光产生元件置于真空环境中。因此，极紫外乃至X射线激光一般以高次谐波的形式产生，即强场可见激光与惰性气体相互作用获得基频光的高倍频输出，这是一种利用高阶非线性效应得到的极紫外激光，但这种方式产生的极紫外激光一般效率低下且不容易实现调Q功能。

Q开关是激光系统中一个重要的光学元件，它通过阻断或不阻断光的反射通道来抑制或产生激光脉冲，分主动Q开关和被动Q开关。主动Q开关是由外部机械或电子信号使Q值发生变化；被动Q开关是由激光器自身完成Q值的变化。他们的共同原理都是有意降低初始激发出来的光子数量，即Q值。传统的主动Q开关主要由石英晶体，压电转换器，阻抗元件，射频插头和壳体等组成。压电转换器没有施加射频信号时，石英晶体保持原有的常规折射率，使得激光棒发射出来的平行光能透过石英晶体经反光镜返回后再穿过石英晶体，从而能再次返回激光棒。一旦压电转换器没有施加射频信号，压电转换器立即在石英体内产生超声波使它的折射率发生变化，这样透过石英晶体的光线发生折射而偏离反光镜，使光线无法返回激光棒。由于光子返回激光棒是激发激光的必要条件，因此给压电转换器施加和撤除射频信号，成为关掉和释放激光的控制手段。

由于高次谐波过程不同于传统的激光产生过程，传统的Q开关不适用于极紫外乃至X射线激光（高次谐波）系统，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，本实用新型的目的是提供一种极紫外激光的调Q装置，该装置属于主动Q开关类型，利用腔外透镜的调节来实现腔内Q开关功能并控制腔内工作介质（惰性气体）与驱动光源相互作用产生高次谐波，从而得到Q值可控的极紫外激光。

为达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种极紫外激光的调Q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成驱动光束和调Q光束，所述驱动光束的一侧安装有第一平移台，所述第一平移台内部安装有驱动透镜，第一平移台的一侧安装有第一全反镜，所述第一全反镜的下方安装有第二全反镜，所述第二全反镜的一侧安装有第三全反镜，所述第三全反镜的下方安装有合束片；所述调Q光束的一侧安装有第二平移台，所述第二平移台内部安装有调Q透镜，第二平移台的一侧安装有第四全反镜，所述第四全反镜的一侧安装有椭偏器，所述椭偏器位于合束片的一侧，所述合束片的另一侧安装有气体盒，所述气体盒内有惰性气体，气体盒的内部还具有调Q焦点和驱动焦点，气体盒的外部安装有铝膜，所述铝膜的一侧为Q值可调的极紫外激光，所述的气体盒、铝膜和极紫外激光均置于真空环境中。

本实用新型极紫外激光调Q装置的原理如下：首先，驱动光束通过驱动透镜的调控将驱动焦点预设在气体盒的正中间处；而调Q光束通过调Q透镜的移动来改变气体盒内调Q焦点的位置（调Q焦点的位置可从气体盒最左侧调谐到最右侧，即可前后扫过驱动焦点的位置）。然而，调Q焦点的不同位置将引起惰性气体在驱动焦点处的不同工作状态（分基态、激发态和电离态等状态）。当调Q焦点远离驱动焦点时，惰性气体工作状态为基态，此时能产生高次谐波辐射，但效率很低；当调Q焦点接近驱动焦点时，惰性气体工作状态为激发态，此时产生高次谐波的效率极高，呈现数十倍地增强，状态最佳，相当于Q开关状态为“开”；当调Q焦点与驱动焦点几乎重合时，惰性气体工作状态为电离态，此时高次谐波的产生过程被破坏，几乎没有任何高次谐波辐射，此时状态最差，相当于Q开关状态为“关”。此外，气体盒腔内惰性气体的气压也将影响Q开关的调节效果，需要选择合适的工作气压以期达到最佳调Q效果。如此，利用腔外调Q透镜的改变和腔内工作气压的优化就能实现最佳的Q开关功能。

本实用新型的特色和创新如下：

1、本实用新型利用腔外透镜即可实现腔内Q开关功能，与传统的Q开关方式相比，无需植入或破坏激光工作腔；

2、本实用新型的本质是改变惰性气体的工作状态，与传统的Q开关方式相比，无需阻断光反射通道；

3、由于惰性气体几乎不可损坏（撤销驱动光源即可恢复原样），能无限次重复使用，因此与传统的Q开关方式相比，寿命长，耐极值；

4、本实用新型的Q开关效果由腔外的透镜位置和腔内的工作气压共同决定；

5、本实用新型结构简单，操作简易，适用于极紫外激光的调Q过程。

本实用新型是一种极紫外激光（高次谐波）的调Q (Q值，即品质因数，Quality factor)装置及其使用方法，利用腔外透镜实现腔内光开关（即Q开关）的功能，即控制腔内惰性气体与驱动光源相互作用产生高次谐波的输出强度，从而得到Q值可控的极紫外激光。驱动光源通过分束片分成驱动光束和调Q光束，驱动光束通过驱动透镜聚焦于气体盒并与惰性气体相互作用产生高次谐波，调Q光束通过调Q透镜改变气体盒（相当于激光器谐振腔）内的惰性气体的工作状态（相当于Q值），从而实现极紫外激光的调Q功能。该装置和方法不仅可实现极紫外激光的调Q功能，使其输出可控。

与传统的Q开关方式相比，本实用新型改变的是工作介质的工作状态，无需阻断光反射通道；本实用新型利用腔外透镜即可实现腔内Q开关功能，无需植入激光谐振腔。本实用新型结构简单，操作简易，适用性强，不仅提供了极紫外激光输出的调Q新手段，而且将促进相关领域的深入发展。

附图说明

图1 为本实用新型的极紫外激光调Q装置的示意图；

图2 为本实用新型实施例1的实验装置图；

图3和图4 为本实用新型实施例1的调Q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的调Q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13分成驱动光束15和调Q光束14，驱动光束15的一侧安装有第一平移台4，第一平移台4内部安装有驱动透镜2，第一平移台4的一侧安装有第一全反镜9，第一全反镜9的下方安装有第二全反镜10，第二全反镜10的一侧安装有第三全反镜11，第三全反镜11的下方安装有合束片7；调Q光束14的一侧安装有第二平移台5，第二平移台5内部安装有调Q透镜3，第二平移台5的一侧安装有第四全反镜12，第四全反镜12的一侧安装有椭偏器6，椭偏器6位于合束片7的一侧，合束片7的另一侧安装有气体盒8，气体盒8内有惰性气体，气体盒8的内部还具有调Q焦点18和驱动焦点19，气体盒8的外部安装有铝膜16，铝膜16的一侧为Q值可调的极紫外激光17，由于极紫外波段的高次谐波易于被大气吸收，相互作用过程需放在真空中，如图1虚线框所示，气体盒8、铝膜16和极紫外激光17均置于真空环境中。

本实用新型极紫外激光的调Q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13分成调Q光束14和驱动光束15；

（2）调Q光束14通过调Q透镜3在气体盒8内形成调Q焦点18，调Q焦点18的位置调节通过第二平移台5改变调Q透镜3的位置来实现，而调Q焦点18的位置改变可直接影响气体盒内惰性气体的工作状态，从而实现调Q功能；调Q光束14通过椭偏器6来调节椭偏度，抑制调Q光束14自身的高次谐波辐射；

（3）驱动光束15通过驱动透镜2在气体盒8内形成驱动焦点19，驱动焦点19的位置调节通过第一平移台4改变驱动透镜2的位置来实现，使其正好位于气体盒8的中间位置，使高次谐波驱动效率最高；

（4）调Q光束14的脉冲需要先于驱动光束15的脉冲抵达气体盒8，实现惰性气体的工作状态的预设，输出的高次谐波通过铝膜16进行基频光和杂散光的过滤，最终得到Q值可控的极紫外激光。如此，调Q光束14通过调Q透镜3的操控来改变惰性气体的工作状态，驱动光束15通过驱动透镜2汇聚后与气体盒8内的惰性气体相互作用来产生并放大高次谐波，从而实现Q值可控的极紫外激光17输出。

实施例1

如图2所示，应用于800nm飞秒激光驱动氩气产生19~31级次（即26~42nm）高次谐波的调Q输出：1是800nm激光分束片，能量分束比约1:1；2是驱动透镜，焦距约500mm；3是调Q透镜，焦距约500mm；4是量程为50mm的第一平移台，5是量程为50mm的第二平移台，其中4是手动平移台，5是电动平移台；6是椭偏器，为800nm的1/4波片；7是800nm激光合束片；8是气体盒，长度为50mm，内部充有氩气； 9是800nm第一全反镜、10是800nm第二全反镜、11是800nm第三全反镜、12是800nm第四全反镜；13是800nm驱动光源；14是调Q光束；15是驱动光束；16是500nm厚的铝膜；17是最终得到的极紫外激光；18是调Q焦点；19是驱动焦点；20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；21是极紫外光源专用CCD；22是程控电脑；23和24是程控线。第二平移台5和专用CCD 21通过程控线与程控电脑22相连，因此，调Q开关和数据采集可有电脑操作完成。

具体实验操作过程如下：（1）按图2所示连接好装置并启动激光系统和电脑；（2）控制驱动光源的能量输出，使得驱动光束15和调Q光束14在气体盒8内焦点处的功率密度约1.5×10¹⁴ W/cm²；（3）控制驱动透镜2的位置使其驱动焦点19位于气体盒8的正中间；（4）调节椭偏器6 1/4波片的椭偏度，角度旋转大约10~20°，使其刚好抑制调Q光束14自身的高次谐波辐射；（5）驱动光束15与气体盒8内的氩气相互作用产生高次谐波并通过CCD记录高次谐波信号；（6）优化气体盒8内的气压并扫描调Q透镜3的位置，实现高次谐波的调Q输出。

应用如图2所示的极紫外激光产生和调Q装置，得到的实验输出结果如图3-4所示，可以发现，调Q效果跟气体盒8内的气压有关，当气压为30torr时，高次谐波信号出现了明显的开和关的状态。 为了更清晰地呈现调Q效果，我们提取高次谐波输出结果进行对比。如图3所示，提取的是19th~31st级次的高次谐波强度积分，对应波长26~42nm，可以发现，随着调Q透镜3位置的扫描，输出强度出现了明显的“开”和“关”状态，其中“开”状态出现在调Q透镜-5mm位置的附近，而“关”状态出现在调Q透镜+2mm位置的附近。同样，我们还单独提取了25th级次（对应波长32nm）的高次谐波输出结果，如图4所示，也发现了同样的调Q效果，其“开”和“关”状态的调Q透镜位置也相差不大。这样，我们就可以通过调Q透镜的位置选择来实现高次谐波极紫外激光的调Q输出。

本实用新型是一种极紫外激光（高次谐波）的调Q (Q值，即品质因数，Quality factor)装置及其使用方法，利用腔外透镜实现腔内光开关（即Q开关）的功能，即控制腔内惰性气体与驱动光源相互作用产生高次谐波的输出强度，从而得到Q值可控的极紫外激光。驱动光源通过分束片分成驱动光束和调Q光束，驱动光束通过驱动透镜聚焦于气体盒并与惰性气体相互作用产生高次谐波，调Q光束通过调Q透镜改变气体盒（相当于激光器谐振腔）内的惰性气体的工作状态（相当于Q值），从而实现极紫外激光的调Q功能。该装置和方法不仅可实现极紫外激光的调Q功能，使其输出可控。

与传统的Q开关方式相比，本实用新型改变的是工作介质的工作状态，无需阻断光反射通道；本实用新型利用腔外透镜即可实现腔内Q开关功能，无需植入激光谐振腔。本实用新型结构简单，操作简易，适用性强，不仅提供了极紫外激光输出的调Q新手段，而且将促进相关领域的深入发展。

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)

1.一种极紫外激光的调Q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成驱动光束和调Q光束，所述驱动光束的一侧安装有第一平移台，所述第一平移台内部安装有驱动透镜，第一平移台的一侧安装有第一全反镜，所述第一全反镜的下方安装有第二全反镜，所述第二全反镜的一侧安装有第三全反镜，所述第三全反镜的下方安装有合束片；所述调Q光束的一侧安装有第二平移台，所述第二平移台内部安装有调Q透镜，第二平移台的一侧安装有第四全反镜，所述第四全反镜的一侧安装有椭偏器，所述椭偏器位于合束片的一侧，所述合束片的另一侧安装有气体盒，所述气体盒内有惰性气体，气体盒的内部还具有调Q焦点和驱动焦点，气体盒的外部安装有铝膜，所述铝膜的一侧为Q值可调的极紫外激光，所述的气体盒、铝膜和极紫外激光均置于真空环境中。