專利名稱：激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或x-射線輻射的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種通過激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或相干軟X-射線輻 射的裝置，所產(chǎn)生的相干軟X-射線輻射在幾十電子伏至一千電子伏以上，此范圍的相干軟 X-射線束(源)能夠應(yīng)用于微納米光刻或微納米加工等工程技術(shù)行業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和材料科 學(xué)的分析與診斷、原子分子超快動(dòng)力學(xué)以及極高時(shí)間分辨光譜學(xué)的基礎(chǔ)研究等諸多領(lǐng)域和 行業(yè)。
背景技術(shù)：
近年來，由超短脈沖驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高次諧波，其輻射時(shí)間短、頻帶窄、波長(zhǎng)可調(diào)等獨(dú) 特性質(zhì)，是產(chǎn)生超短脈寬和高空間、時(shí)間相干的極紫外(EUV)和軟X-射線的極有效途徑，使 得它在各種各樣的領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用，得到了科技工作者極大的關(guān)注。特別是，目前利 用超短、超強(qiáng)激光脈沖與惰性氣體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的高次諧波已經(jīng)成功地進(jìn)入了“水窗” 波段，這使得高次諧波在需要高的時(shí)間和空間分辨的微觀超快過程研究領(lǐng)域有著極大的應(yīng) 用潛力，在高分辨率成像、材料特性的精細(xì)光譜分析、EUV光鐘，以及與水窗波段相對(duì)應(yīng)生物 細(xì)胞結(jié)構(gòu)的顯微成像等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的優(yōu)勢(shì)。同樣，作為現(xiàn)代文明的驅(qū)動(dòng)技術(shù)之一，微電子芯片技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代文明的影響無處 不在，而這又不一歸屬于光刻技術(shù)的產(chǎn)物，其中光刻光源又處于決定性的地位。目前的光刻 光源是波長(zhǎng)為157nm的紫外線，下一代光刻技術(shù)所需光源的波長(zhǎng)將縮短至13. 5nm(即，極紫 外EUV波段)。因此，EUV相干光源技術(shù)的發(fā)展則必然成為下一代微納米光刻或芯片加工工 藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。尤其EUV光源簡(jiǎn)潔、便宜、易于操作以及相干性好的特點(diǎn)，使之在臺(tái)式激光 器的加工方面得到了極大的發(fā)展，因而在半導(dǎo)體工業(yè)中的光刻技術(shù)應(yīng)用上，其優(yōu)勢(shì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過了同步輻射源。更進(jìn)一步，由于電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道周期為MX 10_18s，即，M阿秒，一旦突破阿秒 界限，人類就有可能實(shí)現(xiàn)原子尺度內(nèi)時(shí)間分辨的夢(mèng)想，將超快過程的測(cè)量范圍擴(kuò)展到各種 物質(zhì)形態(tài)中電子的運(yùn)動(dòng)過程，如復(fù)雜分子中的電荷躍遷、分子中價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。而強(qiáng) 場(chǎng)高次諧波輻射譜呈現(xiàn)平臺(tái)區(qū)以及平臺(tái)區(qū)諧波有規(guī)律地等頻率間隔分布的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，是為 突破阿秒界限的首選光源，阿秒技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將具有極其重大且不可替代的應(yīng)用價(jià)值。猶如， Nature評(píng)論所述我們正在進(jìn)入一個(gè)超快速測(cè)量的新境界，阿秒物理的時(shí)代開始了。鑒于科研領(lǐng)域?qū)Ω叽沃C波和軟X-射線的要求，人們對(duì)于利用高次諧波產(chǎn)生軟 X-射線的研究仍在不斷深入。研究的主要目標(biāo)集中在高次諧波的平臺(tái)區(qū)和截止區(qū)，在技術(shù) 方面的研究主要集中在兩個(gè)一是如何從技術(shù)上提高單光子能量，將單光子能量提高進(jìn)入 水窗波段，這雖然有成功經(jīng)驗(yàn)，但不夠成熟；二是怎樣提高諧波轉(zhuǎn)化效率，這是關(guān)系到高次 諧波是否具有實(shí)用價(jià)值的關(guān)鍵，是人們當(dāng)前的主要攻堅(jiān)目標(biāo)。影響諧波轉(zhuǎn)化效率的因素主 要是由于等離子體對(duì)EUV光的吸收，激光與諧波的相位失配，自由電子的散焦影響等。它的 關(guān)鍵點(diǎn)在于解決高次諧波產(chǎn)生過程中驅(qū)動(dòng)激光電離介質(zhì)的相位匹配問題，目前實(shí)驗(yàn)中常用 的方法有兩種[0006](一)采用飛秒脈沖激光直接聚焦到惰性氣體噴束中，它實(shí)現(xiàn)相位匹配的關(guān)鍵條 件依賴于聚焦構(gòu)型和氣體噴束的構(gòu)型，但是，為獲得優(yōu)化的相位匹配，要求光束的共焦參數(shù) 非常短，而且，氣體噴束構(gòu)型難度加大，需要探索激光與氣體相互作用長(zhǎng)度以擴(kuò)展共焦參 數(shù)，為此人們引入了波導(dǎo)技術(shù)來增加相互作用長(zhǎng)度。(二)引入毛細(xì)波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是將氣體束縛在毛細(xì)管中并達(dá)到氣壓的穩(wěn) 定平衡，激光從毛細(xì)管的一端入射激發(fā)管內(nèi)的惰性氣體，產(chǎn)生高次諧波。這種結(jié)構(gòu)不僅可以 克服激光脈沖在傳輸中出現(xiàn)的聚焦效應(yīng)，而且波導(dǎo)的幾何色散可以改善諧波的選擇性，與 自由空間傳播相比，波導(dǎo)管加速了引導(dǎo)模的相速度。同時(shí)，波導(dǎo)構(gòu)型可以幫助建立起非常好 的徑向一致的激光模式，產(chǎn)生的EUV光束具有激光束的所有特性，例如，全空間相干等。與 氣體噴流相比，采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是波導(dǎo)可以延展激光和氣體介質(zhì)間相互作用長(zhǎng) 度的數(shù)量級(jí)，這意味著可以用較低的激光能量和氣壓即可獲得與氣體噴流相似的高次諧波 場(chǎng)。因此，目前解決相位匹配的高次諧波實(shí)驗(yàn)都是充分從波導(dǎo)上下功夫，通過改變波導(dǎo)管內(nèi) 部的幾何構(gòu)型，或者是借助波導(dǎo)管構(gòu)型的部分功能，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)激光與高次諧波的相位匹配 或準(zhǔn)相位匹配。比較典型的方案，有以下幾種1、調(diào)制波導(dǎo)管幾何結(jié)構(gòu)，達(dá)到準(zhǔn)相位匹配。如A. Paul&Margaret. M在 “Quasi-phase-matched generation of coherent extreme-ultraviolet light，， (Nature Vol 421,2003)所用的調(diào)制波導(dǎo)，波導(dǎo)管調(diào)制部分的直徑被周期性地調(diào)制成接近正弦， 這樣將激光聚焦到充滿氣體的空芯波導(dǎo)管中時(shí)，激光密度也被周期性地調(diào)制，進(jìn)而可以 重新調(diào)制驅(qū)動(dòng)激光和諧波場(chǎng)之間的相位移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)制光纖比空芯波導(dǎo)得到 的高次諧波的階次提高了至少兩個(gè)，而且亮度有更明顯的提高。類似方法，又如Ivan P.Christov 在"Dispersion-controlled hoilow core fiber for phase matched harmonicgeneration” (9November 1998/Vol. 3，No. 10/0PTICS EXPRESS 360)所用的波導(dǎo) 內(nèi)部調(diào)制結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在用波導(dǎo)管獲得高次諧波的實(shí)驗(yàn)方法很多，但是，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)制波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)獲得準(zhǔn)相位匹配需要更復(fù)雜的方法，驅(qū)動(dòng)激光的光損耗、自相位調(diào)制、模拍頻等問題使優(yōu) 化調(diào)制周期更困難。最終，調(diào)制周期短于波導(dǎo)直徑，導(dǎo)致激光強(qiáng)度調(diào)制快速減少，用準(zhǔn)相位 技術(shù)補(bǔ)償極短的相干長(zhǎng)度成為挑戰(zhàn)。2、引入反向激光脈沖來調(diào)制激光強(qiáng)度。此類方法有Xiaoshi Zhang, “Quasi-phase-matching and quantum-path control of high-harmonicgeneration using counter propagating light"(Nature-Phys, 3, 270, 2007)弓向中串，以 及美國專禾ll US7664147B2 "Phase matching of highorder harmonic generation using dynamic phase modulation caused by anon-collinear modulation pulse，，弓|人尋看反向 準(zhǔn)連續(xù)傳播場(chǎng)等，引入弱反向傳播光的目的是克服調(diào)制波導(dǎo)進(jìn)一步周期性優(yōu)化的困難，讓 反向傳播場(chǎng)對(duì)驅(qū)動(dòng)激光引起的持續(xù)振幅和相位進(jìn)行調(diào)制，在聚焦的特殊區(qū)域，采用干擾光 束去擾動(dòng)所產(chǎn)生的短波長(zhǎng)光的量子相位、壓抑偏離相位區(qū)域的發(fā)射，達(dá)到準(zhǔn)相位匹配，對(duì)高 次諧波的發(fā)射產(chǎn)生增強(qiáng)作用，高次諧波的亮度得到明顯提高。上述提到的發(fā)明和技術(shù)在提高諧波亮度上有一定的貢獻(xiàn)，但等離子體對(duì)EUV光或 軟X-射線的吸收，諧波場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)激光之間的相位匹配仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化，諧波的轉(zhuǎn)化效 率始終不高；而且諧波出射方向與驅(qū)動(dòng)激光相同，需要用濾波器濾掉驅(qū)動(dòng)激光才能探測(cè)到 產(chǎn)生的EUV光，這給實(shí)驗(yàn)增加了成本和難度。因此，突破諧波轉(zhuǎn)化效率的瓶頸，降低諧波產(chǎn)生的難度，將會(huì)對(duì)科研和實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生巨大的意義和價(jià)值。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型旨在提供一種通過激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或相干軟X射 線輻射的裝置，該裝置采用橢球面反射腔對(duì)聚焦入射的激光束進(jìn)行多次聚焦，實(shí)施高次諧 波的關(guān)聯(lián)式輻射，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)激光與輻射光的準(zhǔn)相速度匹配的相干增強(qiáng)輸出；同時(shí)，采用激 光束大角度入射的側(cè)向驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)輸出端高次諧波或軟X射線束與驅(qū)動(dòng)激光束以不同 的角度分離傳輸。本實(shí)用新型的內(nèi)容包括應(yīng)用單個(gè)橢球面反射腔對(duì)聚焦入射的驅(qū)動(dòng)激光進(jìn)行第二 次聚焦的方法；驅(qū)動(dòng)激光對(duì)直空芯毛細(xì)管中充滿的流動(dòng)氣體或等離子體(統(tǒng)稱為工作介 質(zhì))進(jìn)行二次激發(fā)的方法；橢球面反射腔焦距和短半軸長(zhǎng)度對(duì)驅(qū)動(dòng)激光在兩次聚焦的時(shí)間 間隔產(chǎn)生相位差，從而獲得高次諧波或軟X射線的準(zhǔn)同步相干輻射的方法。其特征是1)空 芯直毛細(xì)管中充滿流動(dòng)的工作介質(zhì)并且毛細(xì)管的中心線與橢球面反射腔的長(zhǎng)軸共軸，一束 相對(duì)于長(zhǎng)軸以一定角度入射的驅(qū)動(dòng)激光先后在橢球面反射腔兩焦點(diǎn)(A、B)處的工作介質(zhì) 中聚焦并激發(fā)軟X射線范圍(幾十電子伏至一千電子伏以上)的高次諧波，通過輸出高次 諧波的方式獲得相干的軟X射線輻射；幻輸出端軟X射線束與驅(qū)動(dòng)激光束各自以不同角度 分離傳輸。本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案包括空芯毛細(xì)管、充滿流動(dòng)工作介質(zhì)的介質(zhì)源 裝置和橢球面反射腔；其中橢球面反射腔是沿長(zhǎng)軸兩端開口的中空橢球腔，空芯毛細(xì)管 與介質(zhì)源裝置相連，空芯毛細(xì)管的中心線與橢球面反射腔的長(zhǎng)軸重合并且空芯毛細(xì)管經(jīng)過 橢球面反射腔的每個(gè)焦點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)激光在橢球腔一側(cè)入相對(duì)于長(zhǎng)軸從空芯毛細(xì)管的側(cè)面斜入 射，在焦點(diǎn)A處聚焦后經(jīng)過橢球面反射后在橢球腔的其他焦點(diǎn)處均聚焦，然后輸出；激光在 每次聚焦焦點(diǎn)處的工作介質(zhì)內(nèi)均激發(fā)高次諧波；該裝置在真空環(huán)境下工作。所述的橢球面反射腔為一個(gè)或者兩個(gè)和兩個(gè)以上的串接，對(duì)于多個(gè)橢球面反射腔 的依次串接，采用相鄰橢球面反射腔的焦點(diǎn)相重合，即第二個(gè)橢球面反射腔的左焦點(diǎn)A和 第一個(gè)橢球面反射腔的右焦點(diǎn)B重合，第二個(gè)橢球面反射腔的右焦點(diǎn)B和第三個(gè)橢球面反 射腔的左焦點(diǎn)A重合，以此類推。激光經(jīng)聚焦后，聚焦到串接的橢球腔的第一個(gè)焦點(diǎn)A，然 后經(jīng)橢球腔反射面反射后第二次聚焦到第二個(gè)焦點(diǎn)B處，并依次聚焦到第三個(gè)焦點(diǎn)C處，D 處……激光在每次聚焦的焦點(diǎn)處均激發(fā)高次諧波。本實(shí)用新型所采用的橢球面反射腔是沿長(zhǎng)軸兩端開口的中空橢球腔，其內(nèi)表面是 精細(xì)拋光或鍍膜的對(duì)驅(qū)動(dòng)激光具有高反射率的表面；橢球面反射腔兩個(gè)焦點(diǎn)之間的距離 IAB由焦點(diǎn)Α、Β兩處高次諧波與驅(qū)動(dòng)激光的相速度匹配以及工作介質(zhì)對(duì)高次諧波的吸收 特性共同決定；橢球面反射腔短半軸的長(zhǎng)度由焦點(diǎn)A處產(chǎn)生的高次諧波傳輸至焦點(diǎn)B處的 時(shí)間決定，其傳輸時(shí)間與驅(qū)動(dòng)激光在A、B兩處聚焦的時(shí)間間隔相等或基本相等；橢球面反 射腔長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度由橢球方程決定；橢球面反射腔體的寬度d，視驅(qū)動(dòng)激光的入射情況(入 射角與聚焦鏡的焦距)、驅(qū)動(dòng)激光光斑大小和橢球反射面對(duì)入射激光束的反射要求而定，要 滿足將驅(qū)動(dòng)激光全部反射。本實(shí)用新型所采用的空芯毛細(xì)管是管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)激光透明的內(nèi)徑在微米量級(jí)的任 意中空?qǐng)A直管，用于傳輸輻射高次諧波的流動(dòng)工作介質(zhì)，工作介質(zhì)從介質(zhì)源裝置與空芯毛
5細(xì)管相連的一端流入，再從空芯毛細(xì)管的開口端(輸出端)流出。本實(shí)用新型中的驅(qū)動(dòng)激光相對(duì)于長(zhǎng)軸以10 80度的角度從空芯毛細(xì)管的側(cè)面斜 入射，在橢球面反射腔焦點(diǎn)A處的工作介質(zhì)中聚焦，第一次激發(fā)高次諧波；然后經(jīng)橢球腔內(nèi) 表面反射后在橢球面反射腔另一焦點(diǎn)B處的工作介質(zhì)中匯聚(第二次聚焦)并激發(fā)高次諧 波。驅(qū)動(dòng)激光與高次諧波在兩焦點(diǎn)處的傳輸時(shí)間相等，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)激光與輻射光的準(zhǔn)相速 度匹配的相干增強(qiáng)輸出；在焦點(diǎn)A處激發(fā)的高次諧波對(duì)焦點(diǎn)B處的高次諧波產(chǎn)生準(zhǔn)受激同 步作用，以輸出高次諧波的方式產(chǎn)生相干的軟X射線發(fā)射。本實(shí)用新型所采用的驅(qū)動(dòng)激光是能夠先后在橢球面反射腔焦點(diǎn)處將工作介質(zhì)電 離的任何類型和參數(shù)的激光。本實(shí)用新型所采用的工作介質(zhì)是能夠被激光激發(fā)產(chǎn)生軟X射線范圍高次諧波且 對(duì)高次諧波吸收較低的任何種類氣體或等預(yù)制的離子體。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)采用本裝置產(chǎn)生高次諧波或軟X-射線，無須改變微米量級(jí)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，毛細(xì)管 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及毛細(xì)管的耗散效應(yīng)對(duì)驅(qū)動(dòng)激光沒有影響；驅(qū)動(dòng)激光不沿工作介質(zhì)傳播，不會(huì) 因工作介質(zhì)的吸收而發(fā)生光損耗；驅(qū)動(dòng)激光對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行了多次激發(fā)，增加了高次諧波 的轉(zhuǎn)化效率，提高了高次諧波的轉(zhuǎn)化效率；驅(qū)動(dòng)激光與軟X-射線實(shí)現(xiàn)了分離傳輸，可直接 對(duì)產(chǎn)生的軟X-射線進(jìn)行探測(cè)而無須其他濾波手段。本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑簡(jiǎn)單，產(chǎn)生 高次諧波的轉(zhuǎn)化效率高，能量高，對(duì)科研和生產(chǎn)應(yīng)用有非常切實(shí)的作用。

圖1 利用橢球面反射腔對(duì)驅(qū)動(dòng)激光二次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或相干軟X射 線輻射的技術(shù)路線圖圖2 橢球面反射腔的立體剖面圖其中1-真空室；2-驅(qū)動(dòng)激光入口 ；3-工作介質(zhì)入口 ；4-真空室分子泵接口 ； 5-橢球腔體；6-橢球面反射腔焦點(diǎn)A ；7-橢球面反射腔焦點(diǎn)B ；8-橢球面反射腔長(zhǎng)軸線； 9-空芯毛細(xì)管；10-連接管；11-工作介質(zhì)；12-驅(qū)動(dòng)激光；13-聚焦鏡；14-橢球腔反射面； 15-軟X-射線；16-出射激光；d-橢球腔體的寬度
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在本實(shí)用新型實(shí)施的過程中，實(shí)用新型中所提到的橢球面反射腔、沿橢球面長(zhǎng)軸 線放置的空芯毛細(xì)管以及驅(qū)動(dòng)激光的聚焦鏡均放置于真空室中，而與空芯毛細(xì)管相連接的 介質(zhì)源裝置則放置于真空室外。本實(shí)施例包括空芯毛細(xì)管、充滿流動(dòng)工作介質(zhì)的介質(zhì)源裝置和橢球面反射腔；其 中空芯毛細(xì)管與介質(zhì)源裝置相連，空芯毛細(xì)管的中心線與橢球面反射腔的長(zhǎng)軸重合并且 空芯毛細(xì)管經(jīng)過橢球面反射腔的焦點(diǎn)A、焦點(diǎn)B處；橢球面反射腔為兩端開口的中空橢球 腔，，驅(qū)動(dòng)激光驅(qū)動(dòng)激光在橢球腔一側(cè)相對(duì)于長(zhǎng)軸從空芯毛細(xì)管的側(cè)面斜入射在焦點(diǎn)A處 聚焦后經(jīng)過橢球面反射腔發(fā)射又匯聚在焦點(diǎn)B處第二次聚焦，然后輸出；激光在每次聚焦 的焦點(diǎn)處均激發(fā)高次諧波；該裝置在真空環(huán)境下工作。[0028]所述的橢球面反射腔為一個(gè)或者兩個(gè)和兩個(gè)以上的串接，對(duì)于多個(gè)橢球面反射腔 的依次串接，采用相鄰橢球面反射腔的焦點(diǎn)相重合。激光經(jīng)聚焦后，聚焦到串接的橢球腔的 第一個(gè)焦點(diǎn)A，然后經(jīng)橢球腔反射面反射后第二次聚焦到第二個(gè)焦點(diǎn)B處，并依次聚焦到第 三個(gè)焦點(diǎn)C處，D處……激光在每次聚焦的焦點(diǎn)處均激發(fā)高次諧波。在該方法的實(shí)施過程中，以單個(gè)橢球腔為例，驅(qū)動(dòng)激光在橢球面反射腔的兩焦點(diǎn) A、B處先后兩次聚焦，并分別在兩焦點(diǎn)處的工作介質(zhì)激發(fā)高次諧波，而且焦點(diǎn)A處激發(fā)的高 次諧波對(duì)焦點(diǎn)B處的高次諧波產(chǎn)生準(zhǔn)受激同步作用，同時(shí)滿足在焦點(diǎn)A處輻射的高次諧波 傳輸?shù)浇裹c(diǎn)B處的時(shí)間與驅(qū)動(dòng)激光在A、B兩點(diǎn)的聚集時(shí)間相等或基本相等；產(chǎn)生的高次諧 波或軟χ-射線束沿橢球腔的長(zhǎng)軸傳播，驅(qū)動(dòng)激光則以分離的角度從側(cè)向出射，從而實(shí)現(xiàn)輸 出端高次諧波或軟X射線與驅(qū)動(dòng)激光光束以不同角度的分離傳輸，這樣可直接探測(cè)軟χ-射 線而無需其他過濾手段。本實(shí)用新型中所設(shè)計(jì)的橢球面反射腔是沿長(zhǎng)軸兩端開口的中空橢球腔，如圖2所 示，其內(nèi)表面是精細(xì)拋光或鍍膜的對(duì)驅(qū)動(dòng)激光具有高反射率的表面；而橢球面反射腔的尺 寸需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)激光以及高次諧波的傳輸來設(shè)計(jì)，兩焦點(diǎn)A、B之間的距離IabI由焦點(diǎn)A、B 兩處高次諧波與驅(qū)動(dòng)激光的相速度匹配以及工作介質(zhì)對(duì)高次諧波的吸收特性共同決定，短 半軸的長(zhǎng)度由驅(qū)動(dòng)激光在α、Β兩焦點(diǎn)聚焦的時(shí)間與傳輸速度決定，長(zhǎng)半軸的長(zhǎng)度由橢球方 程計(jì)算可得，而整個(gè)橢球面反射腔的外型尺寸要根據(jù)入射的驅(qū)動(dòng)激光進(jìn)行調(diào)整，橢球面反 射腔體的寬度山視驅(qū)動(dòng)激光的入射情況(入射角與聚焦鏡的焦距)、驅(qū)動(dòng)激光光斑大小和 橢球反射面對(duì)入射激光束的反射要求而定，要滿足將驅(qū)動(dòng)激光全部反射。本實(shí)施例所采用的空芯毛細(xì)管為能透過空芯毛細(xì)管是管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)激光透明的內(nèi) 徑在微米量級(jí)的任意中空?qǐng)A直管，用于傳輸輻射高次諧波的流動(dòng)工作介質(zhì)。在本技術(shù)的實(shí) 施過程中，空芯毛細(xì)管與介質(zhì)源裝置相連，工作介質(zhì)從介質(zhì)源流入空芯毛細(xì)管，先流經(jīng)焦點(diǎn) A再流過焦點(diǎn)B，再從空芯毛細(xì)管的開口端(輸出端)流出。下面采用單個(gè)橢球面反射腔，以驅(qū)動(dòng)激光中心波長(zhǎng)是SOOnm的飛秒激光，工作介 質(zhì)為Ar氣為例來說明實(shí)用新型方法的具體實(shí)施方案，其它以說明書中所提方法進(jìn)行延伸 的技術(shù)實(shí)施過程與之相似。本實(shí)施例中所用真空室的真空度為10_5，采用的工作介質(zhì)為Ar氣，空芯毛細(xì)管是 能透過中心波長(zhǎng)為SOOnm飛秒激光的石英毛細(xì)管，管內(nèi)徑為200微米?？招久?xì)管與Ar氣 源相連，并沿橢球腔的長(zhǎng)軸線固定放置，且保證空芯毛細(xì)管的中心線與橢球腔體的長(zhǎng)軸線 重合。氣體壓強(qiáng)是有規(guī)律的，以保證流入空芯毛細(xì)管9中的Ar氣為連續(xù)、穩(wěn)定的氣流，氣體 維持約為1. 3X1018atoms/cm3的固定密度，同時(shí)真空分子泵4保證能及時(shí)將從毛細(xì)管開口 端流出的氣體抽走，維持整個(gè)毛細(xì)管中的氣壓一直保持平衡、穩(wěn)定，而且保證真空室的真空 度。12飛秒激光中心波長(zhǎng)為800nm、功率密度為3X 1015Wcm_2、重復(fù)頻率為ΙΚΗζ。圖中標(biāo)號(hào)為5的是橢球面反射腔體，其材料為銅材，并將其反射面14進(jìn)行精細(xì)拋 光，所達(dá)到的反射率為95%。在該方法的實(shí)施過程中，飛秒激光從真空室1的入口 2進(jìn)入真空室，經(jīng)過聚焦透鏡 13聚焦后，與長(zhǎng)軸成45°角入射匯聚到6橢球腔焦點(diǎn)A處，激發(fā)A處的Ar氣輻射高次諧波， 這樣A處輻射的高次諧波即沿空芯毛細(xì)管9向前傳播，而驅(qū)動(dòng)激光12則繼續(xù)沿原方向傳播
7到橢球腔的反射面14并被反射，由于橢球的幾何特性，可以使得被反射的驅(qū)動(dòng)激光恰好匯 聚到7橢球腔的第二個(gè)焦點(diǎn)B處，就可以再次激發(fā)焦點(diǎn)B處的Ar氣輻射高次諧波，與此同 時(shí)焦點(diǎn)A處產(chǎn)生的高次諧波同步或者是基本同步達(dá)到焦點(diǎn)B處，這樣A處產(chǎn)生的高次諧波 對(duì)B處高次諧波產(chǎn)生準(zhǔn)受激同步作用，達(dá)到準(zhǔn)相速度匹配，輻射出更高能量的高次諧波或 軟X-射線。所產(chǎn)生高次諧波的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于驅(qū)動(dòng)激光單次激發(fā)Ar氣的能量。由于軟X-射 線沿中心線方向傳播，而驅(qū)動(dòng)激光與中心軸線成45°入射，在毛細(xì)管的輸出端側(cè)向輸出，因 此高次諧波或軟X-射線與驅(qū)動(dòng)激光以不同角度分離傳輸，故無需用filter(濾波器)分離 軟X-射線與驅(qū)動(dòng)激光，即可直接用X-射線CCD探測(cè)器對(duì)產(chǎn)生的軟X-射線進(jìn)行光譜探測(cè)。
權(quán)利要求1.激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或X-射線輻射的裝置，其特征在于包括空芯毛 細(xì)管、充滿流動(dòng)工作介質(zhì)的介質(zhì)源裝置和橢球面反射腔；其中橢球面反射腔是沿長(zhǎng)軸兩 端開口的中空橢球腔，空芯毛細(xì)管與介質(zhì)源裝置相連，空芯毛細(xì)管的中心線與橢球面反射 腔的長(zhǎng)軸重合并且空芯毛細(xì)管經(jīng)過橢球面反射腔的焦點(diǎn)A、焦點(diǎn)B處，驅(qū)動(dòng)激光在橢球腔一 側(cè)相對(duì)于長(zhǎng)軸從空芯毛細(xì)管的側(cè)面斜入射，在焦點(diǎn)A處聚焦后經(jīng)過橢球面反射腔內(nèi)表面反 射后再次聚焦到焦點(diǎn)B處，然后輸出；激光在每次聚焦焦點(diǎn)處的工作介質(zhì)內(nèi)均激發(fā)高次諧 波；該裝置在真空環(huán)境下工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或X-射線輻射的裝置，其 特征在于所述的橢球面反射腔為一個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或X-射線輻射的裝置，其 特征在于所述的橢球面反射腔至少為兩個(gè)，各個(gè)橢球面反射腔依次串接，相鄰橢球面反射 腔的焦點(diǎn)相重合，驅(qū)動(dòng)激光經(jīng)橢球腔內(nèi)表面反射面反射后在每個(gè)焦點(diǎn)處均聚焦。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特征在于所述的橢球面反射腔是沿長(zhǎng)軸兩端開口的中空橢球 腔，其內(nèi)表面是精細(xì)拋光或鍍膜的能夠反射驅(qū)動(dòng)激光的表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特征在于所述的橢球面反射腔，其腔體寬度d要滿足將驅(qū)動(dòng)激 光全部反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特征在于所述的空芯毛細(xì)管是管壁對(duì)驅(qū)動(dòng)激光透明的、內(nèi)徑 在微米量級(jí)的任意中空?qǐng)A直管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)激光是能夠先后在橢球面反射腔焦點(diǎn)處將 工作介質(zhì)電離的任何類型和參數(shù)的激光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特征在于所述工作介質(zhì)是能夠被驅(qū)動(dòng)激光激發(fā)產(chǎn)生軟X-射線 范圍高次諧波的任何種類的氣體或預(yù)制的等離子體。
專利摘要本實(shí)用新型是一種產(chǎn)生高次諧波或軟X-射線的裝置，具體為激光多次激發(fā)產(chǎn)生準(zhǔn)同步高次諧波或X-射線輻射的裝置。本裝置包括空芯毛細(xì)管、充滿流動(dòng)工作介質(zhì)的介質(zhì)源裝置和橢球面反射腔；其中空芯毛細(xì)管與介質(zhì)源裝置相連，空芯毛細(xì)管的中心線與橢球面反射腔的長(zhǎng)軸重合并且空芯毛細(xì)管經(jīng)過橢球面反射腔的每個(gè)焦點(diǎn)；單個(gè)橢球面反射腔為兩端開口的中空橢球腔，驅(qū)動(dòng)激光相對(duì)于長(zhǎng)軸從空芯毛細(xì)管的側(cè)面斜入射，在第一個(gè)焦點(diǎn)處聚焦后經(jīng)過橢球面反射在其他焦點(diǎn)處均發(fā)生聚焦，然后輸出；激光在每次聚焦的焦點(diǎn)處均激發(fā)高次諧波；該裝置在真空環(huán)境下工作。本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑簡(jiǎn)單，產(chǎn)生高次諧波的轉(zhuǎn)化效率高，能量高，有很高的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G02F1/35GK201821563SQ201020286560
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者劉世炳, 宋海英 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)