一种基于超短脉冲激光的高效率且波长连续可调的极紫外光产生系统的制作方法

本发明涉及一种基于超短脉冲激光的高效率且波长连续可调的极紫外光产生系统，属于时间分辨及角分辨光电子能谱系统和极紫外光相干衍射成像系统技术领域。

背景技术：

时间分辨及角分辨光电子能谱系统(tr-arpes)利用光电效应研究固体材料内部的电子能带结构。该系统中使用飞秒量级的极紫外脉冲光对样品进行探测，可以获得样品在飞秒量级时间尺度范围内的电子能带变化规律，这为研究新型电子材料的内部电子动态信息和研究超高速器件提供了一种有效的方法。在时间分辨及角分辨光电子能谱实验中，为了提高光电子能谱的信噪比，要求极紫外光产生的效率或光通量足够高。而且，为了全面研究各种半导体、金属和绝缘材料，需要极紫外光子能量范围能够覆盖整个价带、导带和深层电子，在研究某些材料时甚至要求极紫外光子的能量大于100ev(极紫外光波长足够小)。

此外，在极紫外光相干衍射成像系统中，通过一束极紫外光照射样品，利用ccd收集样品在远场处的相干衍射图样，通过采样和迭代算法对衍射图样进行相位恢复和图像重建。这种基于极紫外光的相干衍射在物理学、生物学和材料学方面有广泛的应用。基于极紫外光的相干衍射成像技术的分辨率和极紫外光子的能量成正比，光子能量越高，其分辨率也越高。

近年来，利用超短脉冲激光激发惰性气体产生高次谐波，为时间分辨及角分辨光电子能谱系统和极紫外光相干衍射成像提供了简单，成本可控的极紫外光源。但是，在这些系统中，高次谐波通常利用超短脉冲基频激光直接激发，存在着光通量较低、转换效率较低、光子能量很难突破100ev(紫外光波长较长)、入射光波长无法连续可调等限制。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于超短脉冲激光的高效率且波长连续可调的极紫外光产生系统，具有稳定性高、信噪比好、高效率且波长连续可调等特点，产生的高能量及高光通量极紫外光可用于时间分辨及角分辨光电子能谱系统和极紫外光相干衍射成像系统的研究。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于超短脉冲激光的高效率且波长连续可调的极紫外光产生系统，包括超短脉冲激光器、高次谐波产生仪以及极紫外光单色仪；

其中，所述超短脉冲激光器输出的基频光经过光学倍频器或者光学参量放大器进行波长转换，而后通过高次谐波产生仪将转换后的脉冲激光聚焦在惰性气体上辐射产生高次谐波，并通过极紫外光单色仪进行波长选择，最终输出高能量及高光通量的单色极紫外光。

进一步的，所述超短脉冲激光器包括超短脉冲锁模振荡器、脉冲展宽器、脉冲重复频率变换器、级联放大器、脉冲压缩/整形器。

进一步的，所述光学倍频系器，用于将超短脉冲激光器输出的基频光通过倍频晶体进行倍频。根据高次谐波产生效率e与入射光源波长λ的关系e～λ^-(5～6)，二倍频后的倍频脉冲光激发高次谐波的效率会提升50倍左右。

进一步的，所述光学参量放大器，用于将超短脉冲激光器输出的基频光进行波长转换，输出长于基频光波长范围的激光。根据高次谐波最高光子能量公式e＝ip+3.17up，其中ip和up分别为原子(离子)的电离能和电子在激光场中获得的最大动能，且up～is×λ²，is为介质的饱和激光强度，λ为入射光源波长，所以利用波长较长的入射光源激发产生高次谐波，其产生的最高光子能量也较高。

进一步的，所述高次谐波产生仪包括第一真空腔体、布置于第一真空腔体上的脉冲激光输入窗口、极紫外光输出窗口及依次布置于第一真空腔体内的凸透镜、惰性气体装置，通过凸透镜将经过光学倍频或光学参量放大的脉冲激光聚焦至特定惰性气体中，强激光脉冲与原子或分子介质相互作用产生高次谐波。

进一步的，所述惰性气体装置包括惰性气体喷嘴及用于调节惰性气体喷嘴位置的多维调整机构。多维调整机构主要是用于调节喷嘴的位置，以满足高次谐波产生过程中的相位匹配。

进一步的，所述极紫外光单色仪包括第二真空腔体、布置于第二真空腔体上的极紫外光输入窗口、单色极紫外光输出窗口及依次布置于第二真空腔体内的第一曲面反射镜、闪耀光栅、第二曲面反射镜、狭缝。通过分光光栅、反射镜及多维调整结构从高次谐波谱中选择特定光子能量的高次谐波，通过改变狭缝的大小挑选出不同能量和波长的极紫外光。

进一步的，所述极紫外光输出窗口与极紫外光输入窗口通过不锈钢管道实现真空连接，两者均为刀口法兰。

有益效果：本发明提供的一种基于超短脉冲激光的高效率且波长连续可调的极紫外光产生系统，相对于现有技术，具有以下优点：稳定性高，信噪比好，采用光学倍频器或光学参量放大器对高能量超短脉冲激光器输出的基频光进行波长转换，并通过分光光栅、反射镜及多维调整结构从高次谐波谱中选择特定光子能量的高次谐波，实现高效率且波长连续可调，产生的高能量及高光通量极紫外光可用于时间分辨及角分辨光电子能谱系统和极紫外光相干衍射成像系统的研究。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中高次谐波产生仪的结构示意图；

图3是本发明实施例中极紫外光单色仪的结构示意图；

图中包括：1-超短脉冲激光器，2-光学倍频器，5-光学参量放大器，

3-高次谐波产生仪，3.1-脉冲激光输入窗口，3.2-凸透镜，3.3-惰性气体喷嘴，3.4-多维调整机构，3.5-极紫外光输出窗口，

4-极紫外光单色仪，4.1-极紫外光输入窗口，4.2-第一曲面反射镜，4.3-闪耀光栅，4.4-第二曲面反射镜，4.5-狭缝，4.6-单色极紫外光输出窗口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例：

如图1所示为一种基于超短脉冲激光的高效率且波长连续可调的极紫外光产生系统，包括高能量的钛宝石超短脉冲激光器1、高次谐波产生仪3以及极紫外光单色仪4；

其中，所述超短脉冲激光器1输出的基频光经过光学倍频器2或者光学参量放大器5进行波长转换，而后通过高次谐波产生仪3将转换后的脉冲激光聚焦在惰性气体上辐射产生高次谐波，并通过极紫外光单色仪4进行波长选择，最终输出高能量及高光通量的单色极紫外光。

本实施例中，所述超短脉冲激光器1包括超短脉冲锁模振荡器、脉冲展宽器、脉冲重复频率变换器、级联放大器、脉冲压缩/整形器，用于产生飞秒量级、能量为几个毫焦的超短脉冲基频光；

所述光学倍频系器，用于将超短脉冲激光器1输出的基频光通过倍频晶体进行倍频；

所述光学参量放大器5，用于将超短脉冲激光器1输出的基频光进行波长转换，输出长于基频光波长范围的激光。

如图2所示，所述高次谐波产生仪3包括第一真空腔体、布置于第一真空腔体上的脉冲激光输入窗口3.1、极紫外光输出窗口3.5及依次布置于第一真空腔体内的凸透镜3.2、惰性气体装置；所述惰性气体装置包括惰性气体喷嘴3.3及用于调节惰性气体喷嘴3.3位置的多维调整机构3.4。

本实施例中，所述凸透镜3.2的焦距等于400mm，用来聚焦入射脉冲激光，焦点在惰性气体喷嘴3.3中心；多维调整机构3.4主要是用于调节喷嘴的位置(可以是一维、二维或三维方向上的调整)，以满足高次谐波产生过程中的相位匹配。

如图3所示，所述极紫外光单色仪4包括第二真空腔体、布置于第二真空腔体上的极紫外光输入窗口4.1、单色极紫外光输出窗口4.6及依次布置于第二真空腔体内的第一曲面反射镜4.2、闪耀光栅4.3、第二曲面反射镜4.4、狭缝4.5。

本实施例中，极紫外光输入窗口4.1与前一级高次谐波产生仪3中的极紫外光输出窗口3.5相连，由于均处在真空系统中，两者均为刀口法兰，通过不锈钢管道连接即可。

入射光通过第一曲面反射镜4.2准直之后打在闪耀光栅4.3上，闪耀光栅的分光作用使得极紫外光能够在空间上分离开，然后再通过第二曲面反射镜4.4汇聚，聚焦在可调节狭缝4.5处，通过改变狭缝的大小挑选出不同能量和波长的极紫外光。

本发明可以采用光学倍频器，将高能量超短脉冲激光器输出的基频光通过倍频晶体进行倍频，倍频光相较于基频光其高次谐波产生效率能得到巨大提升；也可以采用光学参量放大器，将高能量超短脉冲激光器输出的基频光进行波长转换，可输出长于基频光波长范围的激光，利用波长较长的入射光源激发产生高次谐波，其产生的最高光子能量也较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。