一种SiC球面反射镜及利用该反射镜聚焦46.9nm激光的方法与流程

本发明涉及46.9nm激光的聚焦技术。

背景技术：

毛细管放电46.9nm激光具有输出稳定、脉冲时间长的优点，是进行短波长激光与物质相互作用以及在材料表面进行微纳加工的理想光源。但由于其波长短的特性，材料对其吸收严重，不能用传统的透射方式聚焦。目前国际上普遍采用多层镀膜球面反射镜进行小角度入射反射聚焦46.9nm激光。多层镀膜球面反射镜造价昂贵，在工作时容易被46.9nm激光损伤，使用寿命较短。并且激光被多层膜干涉，聚焦光斑会产生干涉条纹，影响激光对材料的烧蚀效果。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术的上述问题，提出了一种SiC球面反射镜及利用该反射镜聚焦46.9nm激光的方法。

本发明所述的一种SiC球面反射镜采用SiC材料制成，其反射面为凹陷的球面。

根据本发明的优选实施例，所述SiC球面反射镜反射面的曲率半径为350mm。

根据本发明的优选实施例，所述SiC球面反射镜的直径为26.5mm，厚度为5mm。

采用上述SiC球面反射镜聚焦46.9nm激光的方法包括：

使46.9nm激光入射至SiC球面反射镜的反射面的步骤，入射角为0°-10°。

根据本发明的优选实施例，在使46.9nm激光入射至SiC球面反射镜的反射面的步骤前，还包括利用波长为632.8nm的氦氖激光调节光路，以确定SiC球面反射镜的位置和焦点位置的步骤。

根据本发明的优选实施例，在利用波长为632.8nm的氦氖激光调节光路，以确定SiC球面反射镜的位置和焦点位置的步骤前，还包括利用ZEMAX软件模拟聚焦光路，确定聚焦光路中SiC球面反射镜的位置和焦点位置的步骤。

根据本发明的优选实施例，46.9nm激光的入射角为7.5°。

与常用的多层镀膜球面反射镜相比，SiC球面反射镜不需要镀膜，制作成本低，不易被激光损伤，对激光没有干涉作用，聚焦光斑完全能够满足烧蚀材料的要求。

附图说明

图1为实施方式一中YAG:Ce闪耀屏捕捉到的46.9nm激光的原始光斑形状；

图2为实施方式一中ZEMAX软件模拟的聚焦前的光斑形状；

图3为实施方式一中ZEMAX软件模拟的聚焦后的光斑形状；

图4为实施方式三中聚焦光路的结构示意图，图中1表示SiC球面反射镜，2表示光学平移台，3表示靶材，4表示X射线二极管，5表示46.9nm激光光源；

图5为实施方式三中利用SiC球面反射镜聚焦的46.9nm激光在BaF₂靶材表面产生的损伤图样。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种SiC球面反射镜采用SiC材料制成，其反射面为凹陷的球面。

由于SiC球面反射镜表面无镀膜，因此激光对其损伤远小于对多层镀膜球面反射镜的损伤，并且反射镜不会对激光产生干涉作用。

在厚度5mm、直径26.5mm的SiC毛坯上抛光出曲率半径为350mm的球形反射面，反射面的表面粗糙度小于3nm，面型精度PV值为46.193nm，均方根rms值为10.709nm。

根据理论模拟，使激光器发出的46.9nm激光入射至所述SiC球面反射镜，当入射角在0-10°范围内时，经SiC球面反射镜反射聚焦后的光斑的尺寸能够满足烧蚀实验的要求。

为了确定46.9nm激光光斑的形状，利用YAG:Ce闪耀屏捕捉该激光的原始光斑，得到的光斑图像如图1所示。从图中可以看出，毛细管放电产生的46.9nm激光的光斑形状近似于多个环形结构的组合。因此，在ZEMAX模拟聚焦光路时，将原始光斑模拟为由4个同心圆环形光斑组合而成的圆形光斑，入射角设定为7.5°。经ZEMAX软件模拟的聚焦前和聚焦后的光斑形状分别如图2和图3所示。

从图2和图3中可以得知，光斑经SiC球面反射镜以7.5°入射角聚焦后面积缩小为1/10000，功率密度提高到原始光斑的10000倍。因此，此聚焦光路可以达到聚焦46.9nm激光光斑的目的。

经过ZEMAX软件的模拟，证明了采用上述SiC球面反射镜反射镜聚焦46.9nm激光的可行性。

具体实施方式二：本实施方式是采用实施方式一所述的一种SiC球面反射镜聚焦46.9nm激光的方法，该方法包括：

使46.9nm激光入射至SiC球面反射镜的反射面的步骤，入射角为0°-10°。

对于SiC球面反射镜，46.9nm激光的入射角与SiC反射镜对46.9nm激光的反射率成正比，因此，为了获得一个高功率密度的聚焦光斑，应将入射角为控制在0°-10°之间。考虑到光路中各元器件尺寸，选择7.5°作为最佳入射角。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述方法的进一步限定，本实施方式中，

首先利用ZEMAX软件模拟聚焦光路，以确定SiC球面反射镜的大致位置和焦点的大致位置，入射角设定为0°-10°，所述聚焦光路如图4所示；

由于聚焦后的46.9nm激光光斑非常小，对聚焦光路的调节需要十分精确，所以需要利用波长为632.8nm的氦氖激光代替不可见的46.9nm激光进行聚焦光路的精调，进一步确定SiC球面反射镜的位置和焦点位置，具体方法为，按照ZEMAX软件模拟的聚焦光路摆放46.9nm激光器和SiC球面反射镜，然后使氦氖激光的传播方向与46.9nm激光的传播方向重合，氦氖激光经SiC球面反射镜反射后的聚焦光斑所在位置作为SiC球面反射焦点的位置；

开启46.9nm激光器，使其发出的46.9nm激光入射至SiC球面反射镜的反射面，入射角为0°-10°。

为了验证本实施方式所提供的方法的可行性，进行如下烧蚀实验：

利用ZEMAX软件模拟聚焦光路，以确定SiC球面反射镜的大致位置和焦点的大致位置，入射角设定为7.5°；

按照ZEMAX软件的模拟结果在真空靶室中搭建聚焦光路，真空靶室内的气压可达到10^-6Pa，SiC反射镜和用于测量46.9nn激光相对能量的X射线二极管(XRD)均固定在真空靶室的底部，XRD用于测量46.9nm激光的相对能量，能量稳定后再移动平移台将靶材移入光路进行烧蚀；46.9nn激光通过毛细管放电产生；

将用于烧蚀的靶材3固定在可二维移动的光学平移台2上，并将靶材移动到氦氖激光焦点的位置，靶材为表面平整的BaF₂材料，光学平移台2能够沿平行于反射光和垂直于反射光两个方向移动，光学平移台2的电源线与其驱动电源的连接线均接在真空靶室的接线柱上，达到在靶室外控制靶室内部光学平移台2二维移动的目的；

利用光学平移台2精确调节靶材与SiC球面反射镜之间的距离，以确定焦点位置，选择靶面的烧蚀点，并记录光学平移台2在进行距离焦点不同位置的烧蚀实验时需要沿光路移动的步数，用于估算不同烧蚀位置和焦点的距离以及便于进行重复实验，X射线二极管XRD4应固定在靶材后面适合的位置，需要注意的是，XRD不可置于SiC球面反射镜1的焦点处，防止聚焦光斑功率密度过高，损伤XRD的镀金电极。

图5为原子力显微镜下25个聚焦后的46.9nm激光脉冲在BaF₂靶材表面产生的损伤图样。损伤图样深度约为190nm，形状与ZEMAX软件模拟的聚焦光斑基本一致。对损伤图样进行测量，损伤图样的面积约为原始光斑面积的1/60000。由于聚焦光斑边缘处的功率密度较低，未能在BaF₂表面形成可检测到的痕迹，因此实际测量到的损伤图样的尺寸略小于ZEMAX软件模拟的结果。以上结果表明，利用SiC球面反射镜以小角度入射反射聚焦46.9nm激光能够得到一个缩小至1/10000的光斑，获得较高的功率密度，功率密度可以根据XRD测量到的数据结合光斑面积计算出来。因此，本发明所述的方法能够应用到涉及46.9nm激光与物质相互作用的技术领域中，是一个创新的聚焦46.9nm激光的方法。