阅读说明：本技术 波长可调谐的单色真空紫外光源输出装置及方法 (Wavelength-tunable monochromatic vacuum ultraviolet light source output device and method ) 是由 俞盛锐 李万涛 凌彩宁 杨文绍 简继文 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种波长可调谐的单色真空紫外光源输出装置及方法。本发明将激光系统产生的两束基频光以小角度斜入射至混频系统中的聚焦透镜的边缘,四波混频产生的真空紫外光及残留的基频光因在同一介质中的折射率不同而以不同角度从聚焦透镜中出射,从而将真空紫外光与基频光进行分离,此设计在保证真空紫外光源单色性的同时,因无需增加额外的光学元件而使真空紫外光源的能量损耗降至最小；当需要改变真空紫外光源波长之时,除改变基频光的波长之外,只需调节透镜偏离中心位置的距离,而基频光的入射方向及真空紫外光源的出射方向始终不变,从而简化了将基频光引入混频系统的光路系统,也使所输出的真空紫外光源兼具可调谐性及可准直性。(The invention discloses a wavelength tunable monochromatic vacuum ultraviolet light source output device and method. Two beams of fundamental frequency light generated by a laser system are obliquely incident to the edge of a focusing lens in a frequency mixing system at a small angle, vacuum ultraviolet light generated by four-wave frequency mixing and residual fundamental frequency light are emitted from the focusing lens at different angles due to different refractive indexes in the same medium, so that the vacuum ultraviolet light is separated from the fundamental frequency light, and the design ensures the monochromaticity of the vacuum ultraviolet light source and simultaneously reduces the energy loss of the vacuum ultraviolet light source to the minimum due to no need of adding additional optical elements; when the wavelength of the vacuum ultraviolet light source needs to be changed, the distance of the lens from the center position is only needed to be adjusted except for changing the wavelength of the fundamental frequency light, and the incident direction of the fundamental frequency light and the emergent direction of the vacuum ultraviolet light source are always unchanged, so that the introduction of the fundamental frequency light into a light path system of the frequency mixing system is simplified, and the output vacuum ultraviolet light source has tunability and collimation.)

波长可调谐的单色真空紫外光源输出装置及方法

技术领域

本发明涉及一种波长可调谐的单色真空紫外光源输出装置及方法，通过调节聚焦透镜偏离中心位置的距离及用于四波混频的基频光的波长，实现真空紫外光源与其它光源之间的分离，从而获取出射方向保持不变、波长可调谐、能量损耗率最小的单色真空紫外光源。

背景技术

自1960年激光发明以来，因其高亮度、单色性、准直性等优点为物理化学研究中原子、分子及自由基的探测提供了一类重要的实验工具。目前，受限于激光介质吸收特性的影响，商用激光器只能在可见光和紫外区域产生较强的激光。但是，大多数原子、分子或自由基的电子激发态位于真空紫外区域，因此基于激光技术的光激发电离探测往往采用的是可见光波段的多光子电离。

相比于单光子电离技术，多光子电离的探测灵敏度极低，为了提高探测效率，实验上采用真空紫外光源作为电离源是唯一行之有效的解决方案。然而，除了采用氟气放电技术研制的准分子激光器可产生固定的几个特殊波长的真空紫外光源之外，可输出波长可调谐的真空紫外光源的装置只有同步辐射和自由电子激光器这类大型激光器。这些装置的造价极其昂贵，体积庞大，构造复杂，特别是自由电子激光器在同一时间段只能服务于单一实验线站，导致整个光源的使用效率大大折扣。

鉴于此，一般实验室往往是借助于四波混频技术这一光学非线性效应来产生波长可调谐的真空紫外光源作为电离源的。所谓四波混频技术，是非线性光学中的互调现象，其中两个或三个波长之间的相互作用产生两个或一个新的波长。目前四波混频中最为常见的非线性介质是氪气、氙气、汞蒸气等气体。例如氪气，处于电子基态(4p⁶)的氪原子通过双光子共振吸收两个212.5nm(ω₁)的光子后被激发到电子激发态(4p⁵5p)，然后在845nm(ω₂)激光诱导下受激辐射至4p⁵5s附近的某个虚态，最后跃迁回基态并发射出121.6nm的真空紫外光，整个过程中所涉及的激光的波长满足公式：ω_VUV＝2ω₁-ω₂，通过调节ω₂的波长可以获得波长可调谐的真空紫外光源。然而，四波混频过程中除了差频光2ω₁-ω₂之外，和频光2ω₁+ω₂、三倍频光3ω₁也会同时产生，用于四波混频的基频光ω₁和ω₂也会残留。通常情况下，和频光与三倍频光的波长位于极紫外区域，无法透过混频池前端的氟化镁或氟化锂材质的聚焦透镜或窗片，但可见光或紫外波段的基频光ω₁和ω₂却能透过氟化镁或氟化锂材质的光学元件，导致最终制备的真空紫外光源混杂着其它波段的光源。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种波长可调谐的单色真空紫外光源输出装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：

本发明中的装置由混频系统、激光系统以及检测系统所组成。

混频系统主要包括可调式混频池、固定式混频池以及配气系统，可调式混频池内部装有一片聚焦透镜，其位置可通过外部调节机构进行前后、左右移动，使基频光落在聚焦透镜的边缘，为制备单色真空紫外光源提供必要条件；固定式混频池的安装方向与用于四波混频的基频光的入射方向保持一致，基频光的入射点恰好落在安装在固定式混频池前端的窗片中心；聚焦透镜与窗片将混频系统隔离成一个独立的腔室，由配气系统对其抽真空并将四波混频所需的非线性介质气体输送至该独立腔室。

激光系统主要包括泵浦源、第一染料激光器以及第二染料激光器，泵浦源输出的激光分别用于泵浦第一染料激光器与第二染料激光器；第一染料激光器输出的基频光经倍频晶体倍频后产生四波混频所需的第一束激光ω₁，第二染料激光器输出的激光作为四波混频所需的第二束激光ω₂；激光ω₁与ω₂经过高反镜多次反射，并在双凸透镜的作用下，使其在同一时间共线地入射至混频系统内，并聚焦于同一点；激光ω₁与ω₂在混频系统中经四波混频或三倍频产生三束激光：3ω₁，2ω₁+ω₂，2ω₁-ω₂。

检测系统主要包括真空腔体、真空泵、光源探测器以及观察窗，真空腔体由真空泵抽真空，维持真空紫外光源传输所需的真空环境；光源探测器对能透过聚焦透镜的真空紫外光源2ω₁-ω₂的强度进行检测；观察窗可观测分离后的激光ω₁和ω₂是否透过窗口，确保真空紫外光源的单色性。

优选的，所述聚焦透镜是材质为氟化镁或氟化锂的平凸透镜，其焦距足以将单色紫外光源聚焦至光源探测器，并将以不同折射角(差别极小)出射的光进行有效分离，使真空紫外光源束缚在光源探测器之内，而其余光源则可透过观察窗。

所述窗片、双凸透镜及观察窗的材质为熔炉石英。

所述非线性介质气体为氪气，ω₁对应的激光波长是212.5nm，ω₂可在200～850nm区间内连续可调谐。

所述可调式混频池与固定式混频池、真空腔体之间的衔接部分，均是通过橡胶圈进行密封，保证各部分的真空度要求及重复拆卸的方便性。

所述光源探测器在真空部分的探头为铜制的金属靶，与之相连接的非真空部分的表头为示波器。

利用上述装置制备波长可调谐的单色真空紫外光源的方法为：

激光ω₁与ω₂以小角度斜入射至混频系统中的聚焦透镜的边缘，四波混频产生的真空紫外光2ω₁-ω₂及残留的基频光ω₁、ω₂因折射率不同而以不同角度从聚焦透镜中出射，实现真空紫外光源与基频光之间的分离，此设计在保证真空紫外光源单色性的同时，因无需增加光学元件而使真空紫外光源的能量损耗最小。当需要改变真空紫外光源波长之时，除改变激光ω₂的波长外，只需调节聚焦透镜偏离中心位置的距离(包括前后，左右位置)，基频光ω₁与ω₂的入射方向及真空紫外光源的出射方向始终不变，这不仅简化了将基频光引入混频系统的光路系统，也保证此装置所输出的真空紫外光源兼具可调谐性及可准直性。

本发明具有以下优点及有益效果：本发明无需增加额外的光学元件，只需利用混频系统中用于非线性介质气体密封及光束汇聚的聚焦透镜进行分光，保证所制备的单色真空紫外光源的能量损耗降至最低；根据所制备光源的波长，利用传动机构调节聚焦透镜偏离中心的位置，保证基频光的入射方向及真空紫外光源的出射方向始终不变，大大简化了此装置的操作流程，使输出的单色真空紫外光源兼具可调谐性与可准直性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图2为利用聚焦透镜进行分光的示意图。

其中，1、可调式混频池，2、固定式混频池，3、配气系统，4、聚焦透镜，5、窗片，6、非线性介质气体，7、泵浦源，8、第一染料激光器，9、第二染料激光器，10、倍频晶体，11、高反镜，12、双凸透镜，13、真空腔体，14、真空泵，15、光源探测器，16、观察窗。

具体实施方式

下面结合附图1及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本实施案例由混频系统、激光系统以及检测系统所组成。

混频系统主要包括可调式混频池1、固定式混频池2以及配气系统3，可调式混频池1内部装有一片聚焦透镜4，其位置可通过外部调节机构进行前后、左右移动，使基频光落在聚焦透镜4的边缘，为制备单色真空紫外光源提供必要条件；固定式混频池2的安装方向与用于四波混频的基频光的入射方向保持一致，基频光的入射点恰好落在安装在固定式混频池2前端的窗片5中心；聚焦透镜4与窗片5将混频系统隔离成一个独立的腔室，由配气系统3对其抽真空并将四波混频所需的非线性介质气体6输送至该独立腔室。

激光系统主要包括泵浦源7、第一染料激光器8以及第二染料激光器9，泵浦源7输出的激光分别用于泵浦第一染料激光器8与第二染料激光器9；第一染料激光器8输出的基频光经倍频晶体10倍频后产生四波混频所需的第一束激光ω₁，第二染料激光器9输出的激光作为四波混频所需的第二束激光ω₂；激光ω₁与ω₂经过高反镜11多次反射，并在双凸透镜12的作用下，使其在同一时间共线地入射至混频系统内，并聚焦于同一点；激光ω₁与ω₂在混频系统中经四波混频或三倍频产生三束激光：3ω₁，2ω₁+ω₂，2ω₁-ω₂。

检测系统主要包括真空腔体13、真空泵14、光源探测器15以及观察窗16，真空腔体13由真空泵14抽真空，维持真空紫外光源传输所需的真空环境；光源探测器15对能透过聚焦透镜4的真空紫外光源2ω₁-ω₂的强度进行检测；观察窗16可观测分离后的激光ω₁和ω₂是否透过窗口，确保真空紫外光源的单色性。

利用上述装置输出可调谐单色真空紫外光源的方法：

激光ω₁与ω₂以小角度斜入射至混频系统中的聚焦透镜4的边缘，四波混频产生的真空紫外光2ω₁-ω₂及残留的基频光ω₁、ω₂因折射率不同而以不同角度从聚焦透镜4中出射，实现真空紫外光源与基频光之间的分离，此设计在保证真空紫外光源单色性的同时，因无需增加光学元件而使真空紫外光源的能量损失最小；当需要改变真空紫外光源波长之时，除改变激光ω₂的波长外，只需调节聚焦透镜4偏离中心位置的距离，基频光ω₁与ω₂的入射方向及真空紫外光源的出射方向始终不变，这不仅简化了将基频光引入混频系统的光路系统，也保证此装置所输出的真空紫外光源兼具可调谐性及可准直性。

本发明的具体实施操作过程如下：

1、选取曲率半径为R、尺寸为1英寸的平凸薄透镜(中心厚度h)作为聚焦透镜，其初始中心位置恰好落在真空腔体中心轴上，将位于初始位置的聚焦透镜的中心位置设为原点，真空腔体中心轴，也即真空紫外光出射后的传播路径设为x轴，聚焦透镜左右调节轴设为y轴，具体见图2标注。

2、选取波长为λ_vuv的真空紫外光作为混频系统的设计基准，将固定式混频池的安装方向，也即其与真空腔体中心轴之间的夹角θ设计为：

θ＝arcsin(d_yn_λvuv/R)-arcsin(d_y/R)

其中，d_y为聚焦透镜在y轴方向上的偏离初始中心位置的距离，n_λvuv为初始选定的真空紫外光在聚焦透镜中的折射率，d_y的取值除了保证在聚焦透镜半径范围之内外，还需要给真空紫外光波长改变之时，聚焦透镜在y轴上的位置调节留出一定的空间。

3、当基频光ω₁与ω₂以θ入射至混频系统，混频产生的真空紫外光的光束以x轴方向出射，在光源探测器附近，基频光ω₁与ω₂与真空紫外光的光束中心之间的距离差值为：

Δy＝[h-R+(R-d_y)^1/2]tan[θ₁-arcsin(d_y/R)]+Ltanθ₂

其中，h是聚焦透镜的中心厚度，θ₁＝arcsin(d_yn_λvuv/R/n_ω1,ω2)是基频光在聚焦透镜入射面(凸面)的折射角，θ₂＝arcsin{n_ω1,ω2sin[θ₁-arcsin(d_y/R)]}是基频光在聚焦透镜出射面(平面)的折射角，L是初始中心位置，即原点到光源探测器之间的距离，在选定合适的R值后，L的设计值保证真空紫外光经过聚焦透镜后的焦点位于光源探测器位置附近，且基频光ω₁与ω₂与真空紫外光的光束中心之间的距离差足以将以不同折射角(差别极小)出射的光进行有效分离，使真空紫外光源束缚在光源探测器之内，而基频光则可透过观察窗。

4、改变基频光ω₂的波长，通过四波混频产生的真空紫外光源的波长由λ_vuv改变为λ'_vuv时，将聚焦透镜的位置由初始位置(0,d_y)变为(d'_x,d'_y)，其中，由于θ保持不变，d'_y可由arcsin(d_yn_λvuv/R)-arcsin(d_y/R)＝arcsin(d'_yn'_λvuv/R)-arcsin(d'_y/R)求出数值解，而d'_x则为：

d'_x＝(R-d_y)^1/2-(R-d'_y)^1/2

当d'_x>0时，聚焦透镜沿着x轴正方向移动，反之，则沿着x轴负方向移动，此时，真空紫外光源仍沿x轴出射，而基频光ω₁与ω'₂与真空紫外光的光束中心之间的距离差变为：

Δy'＝[h-R+(R-d'_y)^1/2]tan[θ'₁-arcsin(d'_y/R)]+(L-d'_x)tanθ'₂

θ'₁＝arcsin(d'_yn'_λvuv/R/n_ω1,ω'₂)

θ'₂＝arcsin{n_ω1,ω'₂sin[θ'₁-arcsin(d'_y/R)]}

5、利用观察窗观测基频光是否出射，并利用光源探测器对输出的真空紫外光源的强度进行检测。