一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置
阅读说明：本技术 一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置 (Device for generating 160nm femtosecond vacuum ultraviolet laser pulse ) 是由 魏洁 金兵 张嵩 张冰 龙金友 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置包括飞秒激光系统,飞秒激光光路系统,光丝成丝及四波混频产生系统,以及160nm激光脉冲检测及优化系统,本发明依靠现有的钛宝石飞秒激光系统将激光波段从800nm扩展到真空紫外波段,实现了160nm真空紫外波段飞秒光的输出,以及提供了一种能检测该波长的存在并将该波长的能量优化到最强的方法,最终测得其单脉冲能量为69nJ/pulse。(The invention discloses a device for generating 160nm femtosecond vacuum ultraviolet laser pulse, which comprises a femtosecond laser system, a femtosecond laser optical path system, a filament filamentation and four-wave mixing generation system and a 160nm laser pulse detection and optimization system, wherein the invention expands a laser wave band from 800nm to a vacuum ultraviolet wave band by depending on the existing titanium gem femtosecond laser system, thereby realizing the output of 160nm vacuum ultraviolet wave band femtosecond light, providing a method capable of detecting the existence of the wavelength and optimizing the energy of the wavelength to be the strongest, and finally measuring the single pulse energy to be 69 nJ/pulse.)
技术领域
本发明涉及超快光源技术领域，具体涉及一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置。
背景技术
真空紫外光顾名思义需要在真空中传播，在空气中会被吸收，而飞秒真空紫外激光脉冲则是脉冲宽度为飞秒(10-15秒)且波长处于真空紫外波段的激光脉冲，被广泛用于光谱学以及微电子和材料加工中。
目前，飞秒真空紫外激光主要通过自由电子激光器、高次谐波以及光丝的四波混频等方式来产生。自由电子激光器是将高能电子作为工作物质，让电子通过周期性磁场，电子与外场相互作用的过程中，电子将动能传递给外场，从而使外场强度增大。这种方法输出的脉冲具有高能量、调谐范围宽等优点，但它一般作为大科学装置实现，不仅占地面积大，造价还非常昂贵，并不适合在一般实验室中使用。强场的高次谐波是基于三步模型理论来实现的，在强场的作用下，原子被外场电离，由于电场是周期性正弦函数，当其极性发生改变时，被电离的电子有一定的几率与母核重新发生碰撞，碰撞过程中会辐射出激光脉冲，能量由外场提供。这种方式得到的激光脉冲具有相干性好，脉冲宽度窄，可调谐范围广等优点，通常用于实现极紫外和阿秒(10-18秒)超短脉冲光源的输出，但其输出频率复杂，难以获得单色性很好的激光脉冲，此外这种方法的转换效率很低，通常为10-6-10-5，即1瓦的基频光最终只能得到1-10微瓦的真空紫外激光脉冲，很难获得单脉冲能量很高的激光。
鉴于以上出现的问题，本发明提出一种基于光丝的四波混频技术产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置及检测方法。其基本原理为：钛宝石激光器先输出800nm激光，然后将800nm激光分光，将其中一路光倍频为400nm，接着将这两束光以共线聚焦的方式分别与氩气作用，此时各自形成光丝(光丝的本质为强光与物质相互作用时形成的一条等离子通道)，通过调节光路，让两束光在光程上相同，空间上重合，此时会发生一系列四波混频效应，如2ω+2ω-ω→3ω，3ω+2ω-ω→4ω，4ω+2ω-ω→5ω，从而输出160nm激光脉冲。通过光丝的四波混频方法获得的飞秒真空紫外激光脉冲，其光功率稳定，光斑质量好，转换效率高，通常能达到10-4，通过棱镜或者反特定波长的高反镜，能实现单一波长的脉冲输出。现在本实验室已经建立起一套台式的飞秒真空紫外激光光源，并结合速度影像装置来研究分子反应动力学。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置，包括飞秒激光系统，
从飞秒激光系统输出的波长为800nm的光经过分束片分为透射光和反射光，反射光先经过第一反射镜反射，经第一反射镜反射的光经过半波片后由望远镜系统进行扩束，扩束后的光分别通过第二反射镜、第三反射镜反射后被第一聚焦透镜聚集；透射光通过BBO倍频晶体倍频为波长为400nm的光，波长为400nm的光依次经过第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、以及第八反射镜反射后被第二聚焦透镜聚焦，被第一聚焦透镜聚集的800nm的光和被第二聚焦透镜聚焦的400nm的光经过合束片合束，
经合束片合束后的光透过布儒斯特窗镜进入成丝及四波混频发生气池后在成丝及四波混频发生气池内产生四波混频效应，产生新的波长为200nm、266nm和160nm的光，波长为800nm、400nm、200nm、266nm和160nm的光透过CaF2窗片入射到真空腔体后被三棱镜分光，
被三棱镜分光后的光照射在涂有水杨酸钠的薄片上，光纤一端靠近薄片，光纤另一端连接光谱仪，光谱仪通过USB数据线与计算机相连。
如上所述的望远镜系统包括平凹透镜和平凸透镜。
一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置，还包括五通型真空腔，布儒斯特窗镜设置在五通型真空腔的其中一个端口，成丝及四波混频发生气池的进光端、高纯氩气瓶、真空计、以及机械泵分别与五通型真空腔的其余四个端口连接，合束光透过布儒斯特窗镜后经过五通型真空腔入射成丝及四波混频发生气池的进光端。
如上所述的成丝及四波混频发生气池内充有氩气。
如上所述的三棱镜为MgF2材质。
如上所述的经合束片合束后的光中800nm的光和400nm的光的首波位置相同，且经合束片合束后的光中800nm的光和400nm的光的共轴。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明依靠现有的钛宝石飞秒激光系统将激光波段从800nm扩展到真空紫外波段，实现了160nm真空紫外波段飞秒光的输出，以及提供了一种能检测该波长的存在并将该波长的能量优化到最强的方法，最终测得其单脉冲能量为69nJ/pulse。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2(a)为合束光中发生四波混频效应产生的光丝；
图2(b)为160nm激光打在水杨酸钠上发出的荧光；
图3为在氩气中形成光丝的荧光光谱；
图4为160nm激光脉冲激发水杨酸钠发出的425nm荧光光谱。
图中：1-飞秒激光系统；2a-分束镜(反射55％透射45％)；2b-第一反射镜(800nm高反镜)；2f-第二反射镜(800nm高反镜)；2g-第三反射镜(800nm高反镜)；2c-半波片(800nm)；2d-平凹透镜(焦距为500mm)；2e-平凸透镜(焦距为1000mm)；2j-BBO倍频晶体(29.2°)；2k-第四反射镜(400nm高反镜)；2l-第五反射镜(400nm高反镜)；2m-第六反射镜(400nm高反镜)；2n-第七反射镜(400nm高反镜)；2o-第八反射镜(400nm高反镜)；2p-第二聚焦透镜(焦距为1000mm)；2h-第一聚焦透镜(焦距为1000mm)；2i-合束片；3a-布儒斯特窗镜；3b-机械泵；3c-真空计；3d-高纯氩气瓶；3e-成丝及四波混频发生气池；4a-真空泵组(分子泵+无油干泵)；4b-三棱镜(材质为MgF2)；4c-真空腔体；4d-薄片(涂有水杨酸钠)；4e-光纤；4f-光谱仪；4g-计算机；4h-USB数据线。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种产生160nm飞秒真空紫外激光脉冲的装置包括飞秒激光系统1，飞秒激光光路系统，光丝成丝及四波混频产生系统，以及160nm激光脉冲检测及优化系统。
飞秒激光系统1为商用钛宝石激光系统，输出光中心波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为1kHz，单脉冲能量为4mJ/pulse。
飞秒激光光路系统包括分束片2a(55％反射率45％透射率)，第一反射镜2b，第二反射镜2f，第三反射镜2g，800nm的半波片2c，将光斑直径扩大一倍的望远镜系统，BBO倍频晶体2j，第四反射镜2k，第五反射镜2l，第六反射镜2m，第七反射镜2n，第八反射镜2o，合束片2i，第一聚焦透镜2h、以及第二聚焦透镜2p。
第一反射镜2b、第二反射镜2f和第三反射镜2g为波长800nm的高反射镜，第五反射镜2l，第六反射镜2m，第七反射镜2n，以及第八反射镜2o均为波长400nm的高反射镜。
800nm的半波片是将中心波长为800nm的激光的偏振方向旋转90°。
望远镜系统包括平凹透镜2d和平凸透镜2e。800nm光路上存在由平凹透镜2d和平凸透镜2e组成的扩束型望远镜系统，其目的是经过扩束后的高斯光束聚焦能力更强，更容易形成光丝，由四波混频产生的160nm激光脉冲也更强，对于成丝效果不好的情况，可以考虑先将光束进行扩束后再进行成丝。
从飞秒激光系统1输出的波长为800nm的光经过分束片2a，55％的能量被反射形成反射光，45％的能量透射过去形成透射光，反射光先经过第一反射镜2b，然后通过半波片2c将其偏振方向旋转90°，接着通过望远镜系统将光斑直径扩大一倍，然后分别通过第二反射镜2f、第三反射镜2g反射后被第一聚焦透镜2h聚集；透射光先通过BBO倍频晶体2j，将波长为800nm的光倍频为波长为400nm的光，然后波长为400nm的光依次经过第四反射镜2k、第五反射镜2l、第六反射镜2m、第七反射镜2n、第八反射镜2o反射后被第二聚焦透镜2p聚焦，最后被第一聚焦透镜2h聚集的800nm的光和被第二聚焦透镜2p聚焦的400nm的光经过合束片2i合束获得合束光。
光丝成丝及四波混频产生系统包括布儒斯特窗镜3a、机械泵3b、真空计3c、高纯氩气瓶3d以及成丝及四波混频发生气池3e。先利用机械泵3b将成丝及四波混频发生气池3e真空抽到5Pa以下，再通过高纯氩气瓶3d将氩气充入成丝及四波混频发生气池3e，让气压维持在80Torr，先让被第一聚焦透镜2h聚焦的800nm的光和被第二聚焦透镜2p聚焦的400nm的光被合束片2i合束，然后让合束光透过布儒斯特窗镜3a进入成丝及四波混频发生气池3e，当经合束片2i合束的两束光在空间上重合、时间上同步时，也即经合束片2i合束后的光中800nm的光和400nm的光的首波位置相同，且经合束片2i合束后的光中800nm的光和400nm的光的共轴，光丝会明显增长，亮度会明显提升，如图2(a)所示的明亮细丝，图3为在氩气中形成光丝的荧光光谱，合束光在成丝及四波混频发生气池3e中产生新的三种频率的光，本实施例中新产生波长分别为200nm、266nm和160nm的光，800nm、400nm、200nm、266nm和160nm的光在空间上重合，形成混和频率光，混合频率光透过CaF2窗片入射三棱镜4b，由于上述5个频率的光在空间上是重合的，需要经过三棱镜4b分光后将所需的160nm光单独提取出来。
经三棱镜4b分光后的激光脉冲照射在涂有水杨酸钠的薄片4d上，其中一个只在真空中存在，在空气中会消失，证明该波长处于真空紫外波段，通过光谱仪4f读出该激光脉冲激发水杨酸钠发出的荧光为425nm，证明该波长为160nm。
布儒斯特窗镜3a设置在五通型真空腔的其中一个端口，成丝及四波混频发生气池3e的进光端、高纯氩气瓶3d、真空计3c、以及机械泵3b分别与五通型真空腔的其余四个端口连接，合束光透过布儒斯特窗镜3a后经过五通型真空腔入射成丝及四波混频发生气池3e的进光端。
160nm激光脉冲检测及优化系统包括真空泵组4a(分子泵+无油干泵)，三棱镜4b，真空腔体4c，薄片4d，光纤4e，高灵敏度的光谱仪4f，计算机4g，以及USB数据线4h。薄片4d上涂有水杨酸钠，真空腔体4c与成丝及四波混频发生气盒3e的出光端通过CaF2窗片密封隔开，其中真空腔体4c的真空度维持在5Pa以下，当发生四波混频时，用三棱镜4b分光后将光照射在涂有水杨酸钠薄片4d上，会观察到一个亮斑，如图2(b)所示，该亮斑在真空中存在，在大气中会消失，证明该波长处于真空紫外波段，为了减少能量的损耗，三棱镜4b的材料选用MgF2。将光纤4e靠近涂有水样酸钠薄片4d上出现光斑的位置，通过光谱仪4f测得该光斑波长为425nm，如图4所示，为160nm光激发水杨酸钠发出的荧光，光谱仪4f通过USB数据线4h和计算机4g相连，测得的光谱数据在计算机4g中显示和保存，通过调节第一反射镜2b、半波片2c、望远镜系统、第二反射镜2f、第三反射镜2g、第一聚焦透镜2h、BBO倍频晶体2j、第四反射镜2k、第五反射镜2l、第六反射镜2m、第七反射镜2n、第八反射镜2o、以及第二聚焦透镜2p，进而调整经合束片2i合束后的光中800nm的光和400nm的光的首波位置相同，且经合束片2i合束后的光中800nm的光和400nm的光的共轴，可以使得测得的425nm荧光优化到最强，进而将160nm激光脉冲能量优化到最强。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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