專利名稱:一種產(chǎn)生相干極紫外輻射的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域:
本發(fā)明屬于光學技術(shù)領域,涉及一種利用共振表面等離子體激元對光場提高產(chǎn)生相干極紫外輻射的方法及裝置。
背景技術(shù):
極紫外輻射在極紫外顯微術(shù)、極紫外光刻、光譜研究、材料分析等方面有著重要應用。利用同步輻射、激光(放電)等離子體和高次諧波方法均可獲得極紫外輻射。但是同步輻射方法其設備龐大、造價昂貴,而激光(放電)等離子體方法其光源工作時伴隨著大量的靶材碎屑產(chǎn)生,污染光學系統(tǒng)。而高次諧波是一種優(yōu)良的極紫外光源,它具有體積小、潔凈、超短光譜探測、高空間及時間相干性的優(yōu)點。高次諧波能夠產(chǎn)生的閾值光場強度大約為1013W/cm2 (參見X. F. Li et al., Physical Review A,39,5751-5761,1989),現(xiàn)在利用高次諧波來產(chǎn)生極紫外輻射的一般方法是使用結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴的飛秒激光放大系統(tǒng)。近年來研究人員發(fā)現(xiàn)利用納米結(jié)構(gòu)等離子體激元共振可使局域光場強度提高3 5個數(shù)量級(參見Mockman et al.,Nature Photonics, 1,2007 ;Stockman, New Journal of Physics,10,2008 等)。一般來說,緊聚焦普通飛秒激光振蕩器,其焦點處光場強度可達lonw/cm2。再利用納米尺度表面等離子體激元共振對入射光場的提高,可使納米結(jié)構(gòu)附近的局域場強提高到1013W/cm2以上,這一光場強度值已超過產(chǎn)生極紫外波段高次諧波所需的場強度閾值。借助于這一物理機制,直接利用飛秒激光振蕩器作用于納米結(jié)構(gòu)附近的原子氣體就可以產(chǎn)生極紫外波段的高次諧波,從而使高次諧波產(chǎn)生的設備變得簡單、緊湊。本方法及裝置,將非常有利于一些需要極紫外光源的研究場合,而且隨著納米尺度等離子體激元共振研究的深入,該方法及裝置產(chǎn)生的高次諧波最終有望延伸到X射線波段。
發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)的產(chǎn)生高次諧波的方法是采用結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴的飛秒激光放大器,其產(chǎn)生的閾值光場強度約為1013W/cm2,該方法依賴于飛秒激光放大器,而且產(chǎn)生的光源,其工作頻率受飛秒激光放大器限制,最高工作頻率只有幾千Hz。為了克服所述已知技術(shù)的缺點,使利用高次諧波來產(chǎn)生極紫外輻射的方法簡單,成本降低,工作頻率提高,我們發(fā)明了一種產(chǎn)生相干極紫外輻射的方法及裝置。系統(tǒng)由飛秒激光振蕩器1、激光束2,窗口 3、真空室4、聚焦透鏡5、金納米結(jié)構(gòu)6、 噴嘴7、氬氣8、平移臺9、窗口 10、極紫外平像場光譜儀11、X射線(XD12組成。如圖3所示,光源系統(tǒng)采用飛秒激光振蕩器1,接收和檢測系統(tǒng)采用極紫外平像場光譜儀11和X射線(XD12。利用平移臺9將聚焦透鏡5、金納米結(jié)構(gòu)6和噴嘴7固定好,且聚焦透鏡5、平移臺9、金納米結(jié)構(gòu)6和噴嘴7都位于真空室4內(nèi)。先利用參考光調(diào)節(jié)其位置,使經(jīng)過會聚透鏡5的激光束2剛好聚焦在金納米結(jié)構(gòu)6上,而且金納米結(jié)構(gòu)6的藍寶石襯底剛好與激光束2相垂直,調(diào)整好噴嘴7位置和角度,使氬氣8剛好噴射在金納米結(jié)構(gòu)6上。調(diào)節(jié)好真空室4內(nèi)部各器件位置后,封閉真空室4,抽真空。由飛秒激光振蕩器1產(chǎn)生的激光束2,經(jīng)窗口 3和會聚透鏡5后,聚焦到金納米結(jié)構(gòu)6上,噴嘴7向納米金納米結(jié)構(gòu)6噴射氬氣8,利用局域表面等離子體激元共振光場增強原理產(chǎn)生極紫外波段的高次諧波,高次諧波經(jīng)窗口 10 后由極紫外平像場光譜儀11和X射線CCD12來檢測和分析。利用上述方法可以獲得相干極紫外輻射,該方法大大降低了產(chǎn)生高次諧波的閾值條件,從而使高次諧波產(chǎn)生的設備變得簡單,成本也得到了降低,而且利用該方法產(chǎn)生的高次諧波的工作頻率可達70 80MHz,非常有利于提高光源的光子流量。
圖1是三角形納米天線結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是金納米結(jié)構(gòu)陣列示意圖。圖3是利用表面等離子體激元共振的光場增強原理產(chǎn)生相干極紫外輻射的裝置圖。
具體實施例方式(1)加工納米結(jié)構(gòu),如圖1所示,采用三角形天線結(jié)構(gòu)(bow-tie結(jié)構(gòu)),材料選為金,等腰三角形的高為120 180nm,頂角為20 45°,厚度為30 60nm,兩三角形頂點間距為20 50nm。如圖2所示,在藍寶石襯底上采用電子束光刻法制備納米天線陣列結(jié)構(gòu)。 藍寶石襯底雙面拋光,其厚度選取為300 500 μ m,邊長可取為1 2cm,在藍寶石和金納米結(jié)構(gòu)6的接觸面上鍍鉻,鉻的厚度取為5 lOnm。在納米結(jié)構(gòu)制備過程中,視場大小可取為100 μ m,視場數(shù)量可根據(jù)需要設定。(2)本發(fā)明按圖3所示的結(jié)構(gòu)實施,結(jié)構(gòu)裝置由飛秒激光振蕩器1、激光束2,窗口 3、真空室4、聚焦透鏡5、金納米結(jié)構(gòu)6、噴嘴7、氬氣8、平移臺9、窗口 10、極紫外平像場光譜儀11、X射線(XD12組成。其中飛秒激光振蕩器1中心波長為800nm,產(chǎn)生30nJ/100fs的激光束2。聚焦透鏡5、金納米結(jié)構(gòu)6、噴嘴7都由平移臺9來精確調(diào)節(jié)位置,且都置于真空室4內(nèi)。先利用參考光調(diào)整好聚焦透鏡5位置,確保焦點位于金納米結(jié)構(gòu)6陣列上。激光束2聚焦后焦點處的功率密度可達IO11WAm2,另外,激光束2要與藍寶石襯底相垂直,激光束2先穿過藍寶石,再照射到金納米結(jié)構(gòu)6陣列上,同時噴嘴7對準金納米結(jié)構(gòu)6噴射氬氣 8,使金納米結(jié)構(gòu)6沐浴在惰性氣體中,形成金納米結(jié)構(gòu)6和惰性氣體組成的“復合靶”。聚焦飛秒激光束2于“復合靶”上,利用表面等離子體激元共振光場增強原理可將光場提高到 1013ff/cm2以上,滿足高次諧波的產(chǎn)生閾值條件。噴嘴7直徑為100 200 μ m,控制好氣體流量,真空室4也要同時抽真空,以保證真空室4的真空度優(yōu)于10_5torr。產(chǎn)生的極紫外輻射由窗口 10出射,最后由極紫外平像場光譜儀11和X射線(XD12來檢測和分析。在真空室4內(nèi)高次諧波的出射方向放置濾光片,消除透射的干擾激光束2。最后可通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸,同時采用高電離閾值的惰性氣體氖以及飛秒光參量振蕩器的閑頻光(2200 3000nm)輸出,可以提高高次諧波級次,使波長向水窗波段靠近。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生相干極紫外輻射的方法及裝置,部件包括飛秒激光振蕩器(1)、激光束 (2)、窗口 (3)、真空室(4)、聚焦透鏡(5)、金納米結(jié)構(gòu)(6)、噴嘴(7)、氬氣(8)、平移臺(9)、 窗口(10)、極紫外平像場光譜儀(11)、X射線CCD(12),其特征在于,由飛秒激光振蕩器(1) 發(fā)出的激光束0),經(jīng)窗口(3)進入真空室G),經(jīng)過聚焦透鏡(5),入射在金納米結(jié)構(gòu)(6) 上,同時噴嘴(7)向金納米結(jié)構(gòu)(6)噴射氬氣(8),真空室(4)同時抽真空,產(chǎn)生的極紫外輻射由極紫外平像場光譜儀(11)和X射線CCD(U)來進行分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金納米結(jié)構(gòu),其特征在于,采用的是三角形天線(bow-tie) 結(jié)構(gòu),材料選為金(Au),等腰三角形的高為120 180nm,頂角為20 45°,厚度為30 60nm,兩三角形頂點間距為20 50歷,襯底采用藍寶石,襯底厚度為300 500 μ m,并且襯底與金納米結(jié)構(gòu)(6)的接觸面上鍍5 IOnm厚的鉻(Cr)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光振蕩器,其特征在于,光源中心波長為800nm,輸出指標為 30nJ/100fs。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空室,其特征在于,聚焦透鏡(5)、金納米結(jié)構(gòu)(6)、噴嘴 (7)和平移臺(9)都處于真空室內(nèi),且要保證真空室的真空度優(yōu)于10_5torr。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴,其特征在于,噴嘴(7)的直徑為100 200μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述,其特征在于,激光束( 經(jīng)聚焦透鏡( 聚焦后垂直入射藍寶石襯底,再照射在金納米結(jié)構(gòu)(6)陣列上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述,其特征在于,產(chǎn)生的極紫外輻射由極紫外平像場光譜儀(11) 和X射線CCD (12)來檢測和分析,并且X射線CCD (12)對極紫外輻射有較好的靈敏度。
全文摘要
一種產(chǎn)生相干極紫外輻射的方法及裝置,屬于光學技術(shù)領域。利用高次諧波方法來產(chǎn)生極紫外輻射,一般是采用結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴的飛秒激光放大器來實現(xiàn),這一方法依賴于飛秒激光放大器。本發(fā)明之方法及裝置采用飛秒激光振蕩器,利用聚焦激光束照射真空室內(nèi)金納米陣列結(jié)構(gòu)和惰性氣體組成的復合靶,而表面等離子體激元共振可大幅度提高入射光場強度,滿足產(chǎn)生極紫外波段高次諧波的場強度閾值,因此由飛秒激光振蕩器就可以獲得相干極紫外輻射,使其產(chǎn)生的設備變得簡單和緊湊。本發(fā)明之方法及裝置結(jié)構(gòu)簡單,獲得的極紫外波段高次諧波的工作頻率可高達70~80MHz,這種新的光源將非常有利于提高光源的光子流量。
文檔編號H05G2/00GK102231935SQ20111014312
公開日2011年11月2日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者厲寶增, 林景全, 雷建國, 高 勛 申請人:長春理工大學