高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置及方法

摘要

本发明公开了一种高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置及方法。本发明在分光室中光栅单元采用非平面安装，在超紫外线XUV波段具有非常高的衍射效率，能够减少XUV脉冲的展宽；采用具有通孔的高次谐波闪烁体，能够直观地选择不同阶次的高次谐波；滤光器方便使用者在大气条件下去利用驱动光准直光路；高次谐波强度测量仪安装在一维位移杆上，便于测量高次谐波的强度，有利于分析高次谐波的强度对样品的影响；通过三维控制台控制第三高次谐波反射镜的扫描聚焦，方便信号的寻找和优化。

说明书

技术领域

本发明涉及超快激光技术，具体涉及一种高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置及其控制方法。

背景技术

超高真空仪器(如光发射电子显微镜、角分辨光电子能谱、冷靶反冲离子动量成像谱仪、速度成像谱仪等)通过探测光电子的空间、动量和能量分布，揭示光与物质相互作用机理。飞秒激光与气相原子分子相互作用，产生光子能量等间隔的高次谐波辐射，光谱范围能够覆盖极紫外到软X射线波段，是实验室台式化可调谐真空紫外光源的主要产生方法。基于高次谐波的真空紫外光源与上述超高真空仪器结合，将极大地拓宽光与物质相互作用的研究领域，为人类探索光与物质相互作用过程提供新的利器。

但是将高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器互联，实验中需要克服以下困难：1)高次谐波辐射是宽带光谱，实验中需要筛选出单一级次谐波，实现波长调谐的同时，保持谐波的脉冲宽度不被展宽；2)高次谐波腔的真空通常在10^-4毫巴(产生处的气压为几十毫巴)，而超高真空仪器的真空好于10^-10毫巴，需要解决高次谐波腔与超高真空仪器间巨大的真空梯度；3)真空紫外光源必须在真空中传输，偏转与聚焦采用掠入射方式进行，光学元件需要定制，需要克服光路调节的困难；4)超高真空仪器大多对振动非常敏感，高次谐波的真空紫外光源与超高真空仪器结合，需要克服维持互联装置真空的泵组所带来的振动问题。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置及其控制方法，有效解决高次谐波光源的单色化、以及与超高真空仪器连接涉及到的真空梯度、光路调节、仪器振动方面的问题。

本发明的一个目的在于提出一种高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置。

本发明的高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置包括：机械泵、减振平台、第一和第二分子泵、离子泵、高次谐波产生室、分光室、选择室、光强测量室、聚焦室、滤光器、第一至第三高次谐波反射镜、光栅单元、二维位移台、高次谐波闪烁体、相机、三维控制台、高次谐波强度测量仪、高真空差分器和计算机；其中，高次谐波产生室、分光室、选择室、光强测量室、聚焦室和超高真空仪器依次通过真空密封管道连接；在分光室与选择室之间的真空密封管道上以及光强测量室与聚焦室之间的真空密封管道上分别连接第一和第二分子泵的入口，第一和第二分子泵的出气口连接至减振平台，减振平台连接机械泵的入口；在聚焦室与超高真空仪器之间的真空密封管道上连接离子泵；在高次谐波产生室与分光室之间设置滤光器；在分光室中设置第一高次谐波反射镜、光栅单元、第二高次谐波反射镜和二维位移台，光栅单元设置在二维位移台上，二维位移台连接至计算机，光栅单元包括多个闪耀角不同的光栅，光栅的刻线与入射光线和出射光线所在平面平行，二维位移台能够带动光栅单元旋转，旋转轴垂直于光栅所在的平面，并且能够带动光栅单元沿旋转轴的方向平移；在选择室中设置高次谐波闪烁体，将选择室划分为两个相对独立的空间，高次谐波闪烁体中具有通孔，高次谐波入射至高次谐波闪烁体表面产生可见光，通过透镜耦合由相机接收，相机连接至计算机；光强测量室中设置高次谐波强度测量仪；在聚焦室中设置第三高次谐波反射镜，第三高次谐波反射镜连接至三维控制台，三维控制台连接至计算机；在聚焦室与离子泵之间的真空密封管道上设置高真空差分器；驱动光进入高次谐波产生室产生高次谐波，从高次谐波产生室出射的驱动光和高次谐波经过滤光器后，进入分光室；在分光室中，第一高次谐波反射镜将发散的驱动光和高次谐波转化为平行光，根据需要阶次的高次谐波的波长选择光栅，通过二维位移台控制光栅单元沿旋转轴方向移动，调节光栅的位置，使得驱动光和高次谐波经过选中的光栅，不同阶次的高次谐波沿不同的出射角度出射，经过第二高次谐波反射镜，不同阶次的高次谐波聚焦至选择室；在选择室中，高次谐波入射到高次谐波闪烁体表面产生可见光，通过透镜耦合由相机接收，观察相机形成的图像，图像中消失的高次谐波即是通过高次谐波闪烁体中通孔的高次谐波，通过控制二维平移台带动光栅旋转，调节光线与光栅的角度，从而改变不同阶次的高次谐波的出射方向，并结合调整第二高次谐波反射镜，将不同阶次的高次谐波聚焦到空间不同位置，使得需要阶次的高次谐波通过中的通孔，高次谐波闪烁体中的通孔同时实现高次谐波闪烁体两端的真空密封管道的真空差分，使得聚焦室的真空度好于分光室的真空度；在光强测量室中，将高次谐波强度测量仪设置在光路中，测量高次谐波的强度，通过调整驱动光的强度和/或高次谐波产生室的气体压强，调节高次谐波的强度至需要的强度，然后将高次谐波强度测量仪移出光路，高次谐波进入聚焦室；在聚焦室中，通过三维控制台精确调节第三高次谐波反射镜的位置，高次谐波经过第三高次谐波反射镜聚焦到超高真空仪器的样品上。

减振平台采用密度大的金属或者大理石。由于后面的超高真空仪器对于分辨率的要求很高，所以连接部分的振动过大将会导致分辨率下降，特别是机械泵的振动。本发明将对分光室、选择室和聚焦室抽真空的分子泵的出气口全部接到一个减振平台上，然后再连接到后面的机械泵。由于减振平台的重量很重，从而后面的机械泵振动将不会影响实验装置，从而减少振动问题对于实验的影响。密度大的金属是指密度大于2.5×10³kg/m³。

驱动光采用可见光到红外波段，产生的高次谐波为真空紫外光的波长在10～120nm。

滤光器用于选择通过的驱动光和/或高次谐波；包括通光窗口阀门和滤光膜阀门；通光窗口阀门关闭，则仅有驱动光通过；滤光膜阀门关闭，则仅有高次谐波通过；通光窗口阀门和滤光膜阀门同时打开，驱动光和高次谐波同时通过。

第一至第三高次谐波反射镜采用超环面镜。

光栅单元包括多个闪耀角不同的光栅：不同闪耀角的光栅使用的波长范围是不一样的，考虑到要去使用不同阶次的高次谐波，不同阶次的高次谐波波长差异大，有的时候就需要根据所需要使用的阶次的高次谐波的波长，来选择特定的光栅。本发明的光栅单元采用非平面安装，在超紫外线XUV波段具有非常高的衍射效率，能够减少XUV脉冲的展宽。

高次谐波闪烁体采用掺铈钇铝石榴石YAG晶体，具有通孔，通孔的直径为100～500μm；高次谐波本身不可见，但是高次谐波入射在掺铈YAG晶体的表面就产生可见光，通过透镜耦合到相机的感光单元，再传送到计算机处理和存储。

高次谐波强度测量仪采用真空紫外二极管和皮安表；真空紫外二极管设置在光强测量室内，连接至位于光强测量室外的皮安表，通过一维位移杆将真空紫外二极管移入或者移出光路，高次谐波入射至真空紫外二极管，发生光电效应产生电流，电流由皮安表读出，并连接至计算机处理和存储，记录下高次谐波的强度。

高真空差分器为带金属膜的阀门，能够让高次谐波通过，不让气体通过，从而实现真空度的差分。

本发明的另一个目的在于提供一种高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置的控制方法。

本发明的高次谐波与超高真空仪器间的真空互联装置的控制方法，包括以下步骤：

1)驱动光进入高次谐波产生室产生高次谐波；

2)大气压的条件下，打开高真空差分器，通过滤光器，只让驱动光到达分光室；

3)调节分光室中第一和第二高次谐波反射镜的位置，并根据需要阶次的高次谐波的波长选择光栅，通过二维位移台控制光栅单元沿旋转轴方向移动以及光栅的位置，调节光栅的位置，使得驱动光通过第一和第二高次谐波反射镜以及选择的光栅的中心，之后到达选择室；

4)从相机观察，通过二维位移台控制光栅的转动，并调节第二高次谐波反射镜的角度，使得驱动光通过高次谐波闪烁体中的通孔，进入聚焦室；

5)在聚焦室，通过三维控制台精确调节第三高次谐波反射镜的位置，使得驱动光通过第三高次谐波反射镜的中心；

6)超高真空仪器中始终保持高真空状态，经过三维控制台控制第三高次谐波反射镜的三维调节，使得驱动光入射到超高真空仪器的样品上；

7)首先开启机械泵，对分光室、光强测量室、选择室和聚焦室进行初步抽真空；然后开启第一和第二分子泵给分光室、光强测量室、选择室和聚焦室抽真空，在选择室中，由高次谐波闪烁体分割开的两个独立空间，两端分别由第一分子泵和第二分子泵进行抽真空，通过高次谐波闪烁体中的通孔，实现高次谐波闪烁体两端的真空密封管道的真空差分，从而聚焦室的真空度好于分光室的真空度；然后开启离子泵，维持真空度达到超高真空仪器所需要的水平；关闭高真空差分器，通过滤光器，只让高次谐波光到达分光室；

8)在分光室中，第一高次谐波反射镜将发散的高次谐波转化为平行光，高次谐波经过选中的光栅，不同阶次的高次谐波沿不同的出射角度出射，经过第二高次谐波反射镜，不同阶次的高次谐波聚焦至选择室；

9)在聚焦室中，高次谐波入射到高次谐波闪烁体表面产生可见光，通过透镜耦合由相机接收，观察相机形成的图像，图像中消失的高次谐波即是通过高次谐波闪烁体中通孔的高次谐波，通过控制二维平移台带动光栅旋转，调节光线与光栅的角度，从而改变不同阶次的高次谐波的出射方向，并结合调整第二高次谐波反射镜，共同调整不同阶次的高次谐波聚焦到空间不同位置，使得需要阶次的高次谐波通过中的通孔，进入光强测量室；

10)在光强测量室中，将高次谐波强度测量仪设置在光路中，测量高次谐波的强度，通过调整驱动光的强度和/或高次谐波产生室的气体压强，调节高次谐波的强度至需要的强度，然后将高次谐波强度测量仪移出光路，高次谐波进入聚焦室；

11)在聚焦室中，通过三维控制台精确调节第三高次谐波反射镜的位置，使得高次谐波经过第三高次谐波反射镜聚焦到超高真空仪器的样品上。

其中，在步骤7)中，机械泵初步抽真空的真空度达到10^-2mbar，开启第一和第二分子泵；分光室的真空度达到10^-6mbar，并且聚焦室的真空度达到10^-8mbar，开启离子泵。本发明的优点：

本发明在分光室中光栅单元采用非平面安装，在超紫外线XUV波段具有非常高的衍射效率，能够减少XUV脉冲的展宽；采用具有通孔的高次谐波闪烁体，能够直观地选择不同阶次的高次谐波；滤光器方便使用者在大气条件下去利用驱动光准直光路；高次谐波强度测量仪安装在一维位移杆上，便于测量高次谐波的强度，有利于分析高次谐波的强度对样品的影响；通过三维控制台控制第三高次谐波反射镜的扫描聚焦，方便信号的寻找和优化。

附图说明

图1为本发明的高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置的一个实施例的光路图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的高次谐波真空紫外光源与超高真空仪器的互联装置包括：机械泵J、减振平台I、第一和第二分气泵F1和F2、离子泵L、高次谐波产生室D、分光室K、选择室W、光强测量室O、聚焦室Q、通光窗口阀门V、滤光膜阀门A、第一至第三高次谐波反射镜M1～M3、光栅单元、二维位移台、高次谐波闪烁体Y、相机B、三维控制台C、真空紫外二极管、皮安表P、高真空差分器X和计算机E，设置在水平的平台上；其中，高次谐波产生室D、分光室K、选择室W、光强测量室O、聚焦室Q和超高真空仪器U依次通过真空密封管道连接；在分光室K与选择室W之间的真空密封管道上以及光强测量室O与聚焦室Q之间的真空密封管道上分别连接第一和第二分子泵F1和F2的入口，第一和第二分子泵F1和F2的出气口连接至减振平台I，减振平台I连接机械泵J的入口；在聚焦室Q与超高真空仪器U之间的真空密封管道上连接离子泵L；在高次谐波产生室D与分光室K之间的真空密封管道上设置通光窗口阀门V和滤光膜阀门A；在分光室K中设置第一高次谐波反射镜M1、光栅单元、第二高次谐波反射镜M2和二维位移台，光栅单元设置在二维位移台上，二维位移台连接至计算机E，光栅单元包括三个闪耀角不同的光栅G1～G3，光栅的刻线与入射光线和出射光线所在平面平行，平行于平台，二维位移台能够带动光栅单元旋转，旋转轴垂直于光栅所在的平面，并且能够带动光栅单元沿旋转轴的方向平移；在选择室W中设置高次谐波闪烁体Y，将选择室W划分为两个相对独立的空间，高次谐波闪烁体Y中具有通孔H，需要阶次的高次谐波透过通孔H，同时实现两个独立的空间的真空差分，高次谐波入射至高次谐波闪烁体Y表面的产生可见光，通过透镜耦合由相机B接收，相机B连接至计算机E；光强测量室O中设置真空紫外二极管，并连接至光强测量室外的皮安表P；在聚焦室Q中设置第三高次谐波反射镜M3，第三高次谐波反射镜M3连接至三维控制台C，三维控制台C连接至计算机E；在聚焦室Q与离子泵L之间的真空密封管道上设置高真空差分器X。

在本实施例中，驱动光为800nm；减振平台I采用铁块；第一至第三高次谐波反射镜M1～M3采用轮胎镜；高次谐波闪烁体Y采用掺铈YAG晶体，具有400μm的通孔H；相机B采用面阵相机；通光窗口阀门V的通光窗口采用石英玻璃。

本实施例的高次谐波与超高真空仪器间的真空互联装置的控制方法，包括以下步骤：

1)800nm驱动光进入高次谐波产生室产生高次谐波；

2)大气压的条件下，打开滤光膜阀门和高真空差分器，关闭通光窗口阀门，只让驱动光到达分光室；

3)调节分光室中第一和第二高次谐波反射镜的位置，并通过二维位移台控制光栅单元沿旋转轴方向移动以及光栅的位置，调节光栅的位置，使得驱动光通过第一和第二高次谐波反射镜以及选择的光栅的中心，之后到达选择室；

4)从相机观察，通过二维位移台控制光栅的转动，并调节第二高次谐波反射镜的角度，使得驱动光通过高次谐波闪烁体中的通孔，进入聚焦室；

5)在聚焦室，通过三维控制台精确调节第三高次谐波反射镜的位置，使得驱动光通过第三高次谐波反射镜的中心；

6)超高真空仪器中始终保持高真空状态，经过三维控制台控制第三高次谐波反射镜的三维调节，使得驱动光入射到超高真空仪器的样品上；

7)首先开启机械泵，对分光室、光强测量室、选择室和聚焦室进行初步抽真空，真空度达到10^-2mbar以后，开启第一和第二分子泵，给分光室、光强测量室、选择室和聚焦室抽真空，在选择室中，由高次谐波闪烁体分割开的两个独立空间，两端分别由第一分子泵和第二分子泵进行抽真空，通过高次谐波闪烁体中的通孔实现高次谐波闪烁体两端的真空密封管道的真空差分，从而聚焦室的真空度好于分光室的真空度，聚焦室的真空好于10^-8mbar以后，开启离子泵，对离子泵及连接到超高真空仪器的真空密封管道进行烘烤，使得关闭高真空差分器后其与超高真空仪器一端真空进入10^-10mbar，可以与超高真空仪器对接，过程中关闭滤光膜阀门，打开通光窗口阀门，只让高次谐波光到达分光室；

8)在分光室中，第一高次谐波反射镜将发散的高次谐波转化为平行光，高次谐波经过选中的光栅，将不同阶次的高次谐波沿不同的出射角度出射，经过第二高次谐波反射镜，不同阶次的高次谐波聚焦至选择室；

9)在聚焦室中，高次谐波入射到高次谐波闪烁体表面产生可见光，通过透镜耦合由相机接收，观察相机形成的图像，图像中消失的高次谐波即是通过高次谐波闪烁体中通孔的高次谐波，通过控制二维平移台带动光栅旋转，调节光线与光栅的角度，从而改变不同阶次的高次谐波的出射方向，并结合调整第二高次谐波反射镜，共同调整不同阶次的高次谐波聚焦到空间不同位置，使得需要阶次的高次谐波通过中的通孔，作为探测光进入光强测量室；

10)在光强测量室中，通过一维位移杆将真空紫外二极管移入光路中，高次谐波入射至真空紫外二极管，发生光电效应产生电流，由位于光强测量室外的皮安表测量，得到高次谐波的强度，通过调整驱动光的强度和/或高次谐波产生室的气体压强，调节高次谐波的强度至需要的强度，然后将皮安表移出光路，高次谐波进入聚焦室；

11)在聚焦室中，通过三维控制台精确调节第三高次谐波反射镜的位置，使得高次谐波经过第三高次谐波反射镜聚焦到超高真空仪器的样品上。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。