一种产生高次谐波超连续谱的装置和方法

摘要

本发明提供了一种产生高次谐波超连续谱的装置，包括飞秒激光器、光参量放大器、汇聚透镜、真空腔体、入射窗口、气体盒、极紫外光谱仪和极紫外摄像头，所述的光参量放大器用于将所述飞秒激光转换成波长为1.6～2.2μm的可调谐的红外激光；飞秒激光器发射的激光束，经光参量放大器转换为波长可调谐的红外激光，所述红外激光经过汇聚透镜聚焦，之后透过入射窗口后与置于真空腔体内的气体盒内的惰性气体进行相互作用，产生高次谐波超连续谱。本发明利用具有双峰光谱结构的单路激光，无需周期量级，即可驱动惰性气体产生高次谐波超连续谱，并通过驱动激光啁啾量的调谐来优化高次谐波超连续谱的输出。本发明还同时提供了一种产生高次谐波超连续谱的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及极紫外-软X射线超连续谱的产生，特别是基于激光与气体相互作用而产生的高次谐波超连续谱，具体涉及一种产生高次谐波超连续谱的装置和方法。

背景技术

高次谐波超连续谱主要用于超短阿秒脉冲的产生，以及材料的极紫外-软X射线的探测。目前，产生高次谐波超连续谱的方法主要有两类，一类是利用周期量级的超短飞秒激光脉冲与气体相互作用产生，所涉及的周期量级的超短飞秒激光脉冲仅有数个飞秒（只包含一两个光周期），这种超短脉冲极难产生且性能不稳；另一类是利用双色激光场或双脉冲时间门来实现高次谐波超连续谱的产生，这种方法涉及双路或多路激光的光场叠加和延时调谐，无论是方案还是操作都比较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种产生高次谐波超连续谱的装置，该产生高次谐波超连续谱的装置无需周期量级的单路激光便可驱动惰性气体产生高次谐波超连续谱；本发明还同时提供了一种产生高次谐波超连续谱的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种产生高次谐波超连续谱的装置，包括飞秒激光器、光参量放大器、汇聚透镜、真空腔体、入射窗口、气体盒、极紫外光谱仪和极紫外摄像头，所述入射窗口设置于真空腔体的入口，所述气体盒、极紫外光谱仪和极紫外摄像头均设置于真空腔体内，所述气体盒内有惰性气体；

所述的飞秒激光器用于产生波长为800nm，脉宽为飞秒级的飞秒激光；所述的光参量放大器用于将所述飞秒激光转换成波长为1.6～2.2μm的可调谐的具备宽带双峰结构的红外激光；

飞秒激光器发射的激光束，经光参量放大器转换为波长可调谐的红外激光，所述红外激光经过汇聚透镜聚焦，之后透过入射窗口后与置于真空腔体内的气体盒内的惰性气体进行相互作用，产生高次谐波超连续谱；

所述极紫外光谱仪用于解析和分辨高次谐波超连续谱；所述极紫外摄像头用于拍摄和显示高次谐波超连续谱。

本发明的进一步设置在于，所述气体盒由薄壁钢管构成，所述薄壁钢管一端密封，另一端接进气装置；经所述汇聚透镜聚焦后的聚焦激光可击穿所述薄壁钢管，与薄壁钢管内的惰性气体进行相互作用。

本发明还同时提供了一种产生高次谐波超连续谱的方法，包括如下步骤：

（1）通过飞秒激光器产生波长为800nm，脉宽为飞秒级的飞秒激光；

（2）将所述飞秒激光输入到光参量放大器，通过光参量放大器内的功能晶体的失谐调节来优化光参量放大器输出的红外激光的光谱，使其具备宽带双峰结构；

（3）引导所述具备宽带双峰结构的红外激光进入真空腔体，并与惰性气体相互作用，产生高次谐波光谱；

（4）开启极紫外摄像头，采集步骤（3）产生的高次谐波光谱图像；

（5）根据步骤（4）采集到的高次谐波光谱图像，通过飞秒激光器内的延时光栅的位置调节来优化红外激光的啁啾量，直至输出所需的高次谐波超连续谱。

本发明另辟蹊径，利用具有双峰光谱结构的单路激光（其效果相当于双色场叠加，但无需光路叠加），无需周期量级，即可驱动惰性气体产生高次谐波超连续谱，并通过驱动激光啁啾量的调谐来优化高次谐波超连续谱的输出。具体实现时，红外激光的宽带双峰光谱结构是通过光参量放大器内的功能晶体的失谐调节来实现，红外激光的啁啾量优化是通过飞秒激光器内的延时光栅的位置调节来实现。与现有技术相比，本发明所述的装置和方法都更加简单。这种高次谐波超连续谱辐射可用于超短阿秒脉冲的产生，以及材料的极紫外波段动力学研究等领域，应用广泛。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为本发明的波长转换示意图；

图3为本发明的调控原理示意图；

图4为本发明的实验测试结果图；

图5为本发明的理论模拟结果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种产生高次谐波超连续谱的装置，包括飞秒激光器1、光参量放大器2、汇聚透镜3、真空腔体4、入射窗口5、气体盒6、极紫外光谱仪7和极紫外摄像头8；所述入射窗口5设置于真空腔体4的入口，所述气体盒6、极紫外光谱仪7和极紫外摄像头8均设置于真空腔体4内，所述气体盒6内有惰性气体。

所述飞秒激光器1用于产生波长800nm、脉宽几十飞秒的超短激光脉冲；所述光参量放大器2（英文名：Optical Parametric Amplifier，缩写：OPA）通过光参量产生放大原理将800nm飞秒激光转换成1.6～2.2μm可调谐的具备宽带双峰结构（光谱越宽越好，并出现两个光谱峰）的红外激光，该红外激光经过汇聚透镜3和透过入射窗口5后与置于真空腔体4的气体盒6内的惰性气体进行相互作用，从而产生高次谐波超连续谱；所述的气体盒6由薄壁钢管构成（钢管一端密封，另一端接进气装置，聚焦激光可击穿薄壁钢壁与薄壁钢管钢管内的惰性气体进行相互作用）；所述的极紫外光谱仪7用于解析和分辨高次谐波超连续谱；所述的极紫外摄像头8用于拍摄和显示高次谐波超连续谱。

气体盒6输出的高次谐波谱在空间上并没有按照光谱成分展开，经过极紫外光谱仪7后，光谱成分在空间上被分辨出来了，极紫外摄像头8才能拍摄到不同成分的光谱在空间上的展开。就好比太阳光是白色的，只有经过色散棱镜，才能将白光里面的七彩色在空间上分辨出来，这就是光谱仪的功能。极紫外光谱仪7在实验过程中不需要调节，是固化的，只要将光路导入即可，输出即为按光谱成分在空间上展开的空间谱，然后用极紫外摄像头8拍摄显示。

采用上述装置产生高次谐波超连续谱的方法，包括如下步骤：

（1）通过飞秒激光器1产生波长为800nm，脉宽为飞秒级的飞秒激光；

（2）将所述飞秒激光输入到光参量放大器2，通过光参量放大器2内的功能晶体的失谐调节来优化光参量放大器输出的红外激光的光谱，使其具备宽带双峰结构；

（3）引导所述具备宽带双峰结构的红外激光进入真空腔体4，并与惰性气体相互作用，产生高次谐波光谱；

（4）开启极紫外摄像头8，采集步骤（3）产生的高次谐波光谱图像；

（5）根据步骤（4）采集到的高次谐波光谱图像，通过飞秒激光器1内的延时光栅的位置调节来优化红外激光的啁啾量，直至输出所需的高次谐波超连续谱。

图2为本发明的波长转换示意图，首先由飞秒激光器1产生800nm飞秒激光，其时间啁啾量可通过飞秒激光器1内的延时光栅的位置调节来优化；然后，这个800nm飞秒激光通过光参量放大器2转换成所需的1.6～2.2μm可调谐的红外激光，其宽带双峰光谱结构可通过光参量放大器内的功能晶体的失谐调节来实现；最后，该红外激光与气体盒6内的惰性气体进行相互作用来产生高次谐波辐射，该辐射的分裂-连续特性可通过上述的延时光栅的位置调节和功能晶体的失谐调节来优化。

图3为本发明的调控原理示意图，飞秒激光器1内的延时光栅的位置调节，可以改变其输出的800nm飞秒激光的时间啁啾属性，该属性的改变又会影响到可调谐红外激光的双峰之间的时间相位延时，而该时间相位延时的变化又会影响到高次谐波输出的分裂-连续特性。

作为本发明的一个具体实施例，飞秒激光器1选用了美国相干公司的钛宝石飞秒激光器，其输出参数为8mJ/45fs/1Kz；光参量放大器2选用了自制的光参量放大器（英文名：Optical ParametricAmplifier，缩写：OPA，可参看2009年发表的文献Optics Letters,Vol.34,No.18）；汇聚透镜3选用了焦距为500mm的平凸透镜；真空腔体4通过机械泵+分子泵维持低于1×10^-3Pa的真空度，以避免高次谐波辐射被大气吸收；入射窗口5选用了2mm厚的经过抛光处理的石英玻璃材料；作为气体盒6的薄壁钢管内径为3mm，内部充有惰性气体Ar；极紫外光谱仪7为自制的反射式光栅光谱仪（可参看1994年发表的文献J.Optics(Paris),Vol.25,No.4），用于衍射和分辨高次谐波；极紫外摄像头8为紫外-X射线CCD（型号Princeton Instruments,SX400），可通过电脑读取和显示CCD光谱图像。

具体实验操作步骤如下：

（1）如图1所示，安装和调试好实验装置。

（2）密闭真空腔体4后，启动机械泵+分子泵，使真空腔体4内维持实验所需的真空度。

（3）开启激光系统，通过光参量放大器2内的功能晶体的失谐调节来优化红外激光的光谱，使其具备宽带双峰结构（光谱越宽越好，并出现两个光谱峰），然后引导该激光进入真空腔体4，并与惰性气体相互作用。

（4）开启极紫外摄像头8，采集高次谐波光谱数据。

（5）观察采集到的高次谐波光谱图像，通过飞秒激光器1内的延时光栅的位置调节来实现红外激光的啁啾量优化，直至输出所需的高次谐波超连续谱。

（6）实验操作结束后，关闭激光系统，密闭真空腔体，关闭其余所有设备。

实验测试结果如图4所示，左列为与惰性气体相互作用的红外激光，右列为最终输出的高次谐波光谱图，从图中可以看到，输入的红外激光具有双峰结构。图（a）为输入的1.70μm+1.74μm双峰结构，图（b）是对应输出的高次谐波光谱结果，可以看出，通过优化输入激光的啁啾（chirp），可以实现高次谐波光谱的输出从分裂谱到连续谱的转化；同理，图（c）为输入的1.60μm+1.80μm双峰结构，图（b）是对应输出的高次谐波光谱结果，也可以通过优化输入激光的啁啾，从而实现输出高次谐波光谱从分裂谱到连续谱的转化。从图中还可以看出，输入光谱的双峰间隔越大，输出的分裂谱到连续谱的转化效果越好。图5为对应图4的理论模拟结果，采用高次谐波强场近似模型，很好地重复了实验结果，说明了具有宽带双峰光谱结构的驱动激光可以产生高次谐波超连续谱。理论和实验都证实了本发明提供的是一种无需周期量级的单路激光便可驱动惰性气体产生高次谐波超连续谱的方案。