雷射多次激發產生準同步高次諧波或x-射線輻射的裝置的製作方法

2023-12-09 23:28:36

專利名稱：雷射多次激發產生準同步高次諧波或x-射線輻射的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種通過雷射多次激發產生準同步高次諧波或相干軟X-射線輻 射的裝置，所產生的相干軟X-射線輻射在幾十電子伏至一千電子伏以上，此範圍的相干軟 X-射線束(源)能夠應用於微納米光刻或微納米加工等工程技術行業、生物醫學和材料科 學的分析與診斷、原子分子超快動力學以及極高時間分辨光譜學的基礎研究等諸多領域和 行業。
背景技術：
近年來，由超短脈衝驅動產生的高次諧波，其輻射時間短、頻帶窄、波長可調等獨 特性質，是產生超短脈寬和高空間、時間相干的極紫外(EUV)和軟X-射線的極有效途徑，使 得它在各種各樣的領域裡有著廣泛的應用，得到了科技工作者極大的關注。特別是，目前利 用超短、超強雷射脈衝與惰性氣體介質相互作用產生的高次諧波已經成功地進入了「水窗」 波段，這使得高次諧波在需要高的時間和空間分辨的微觀超快過程研究領域有著極大的應 用潛力，在高解析度成像、材料特性的精細光譜分析、EUV光鍾，以及與水窗波段相對應生物 細胞結構的顯微成像等科學技術領域產生了巨大的優勢。同樣，作為現代文明的驅動技術之一，微電子晶片技術對於現代文明的影響無處 不在，而這又不一歸屬於光刻技術的產物，其中光刻光源又處於決定性的地位。目前的光刻 光源是波長為157nm的紫外線，下一代光刻技術所需光源的波長將縮短至13. 5nm(即，極紫 外EUV波段)。因此，EUV相干光源技術的發展則必然成為下一代微納米光刻或晶片加工工 藝的關鍵環節。尤其EUV光源簡潔、便宜、易於操作以及相干性好的特點，使之在臺式雷射 器的加工方面得到了極大的發展，因而在半導體工業中的光刻技術應用上，其優勢已遠遠 超過了同步輻射源。更進一步，由於電子繞核運動的軌道周期為MX 10_18s，即，M阿秒，一旦突破阿秒 界限，人類就有可能實現原子尺度內時間分辨的夢想，將超快過程的測量範圍擴展到各種 物質形態中電子的運動過程，如複雜分子中的電荷躍遷、分子中價電子的運動狀態等。而強 場高次諧波輻射譜呈現平臺區以及平臺區諧波有規律地等頻率間隔分布的獨特優點，是為 突破阿秒界限的首選光源，阿秒技術的實現將具有極其重大且不可替代的應用價值。猶如， Nature評論所述我們正在進入一個超快速測量的新境界，阿秒物理的時代開始了。鑑於科研領域對高次諧波和軟X-射線的要求，人們對於利用高次諧波產生軟 X-射線的研究仍在不斷深入。研究的主要目標集中在高次諧波的平臺區和截止區，在技術 方面的研究主要集中在兩個一是如何從技術上提高單光子能量，將單光子能量提高進入 水窗波段，這雖然有成功經驗，但不夠成熟；二是怎樣提高諧波轉化效率，這是關係到高次 諧波是否具有實用價值的關鍵，是人們當前的主要攻堅目標。影響諧波轉化效率的因素主 要是由於等離子體對EUV光的吸收，雷射與諧波的相位失配，自由電子的散焦影響等。它的 關鍵點在於解決高次諧波產生過程中驅動雷射電離介質的相位匹配問題，目前實驗中常用 的方法有兩種[0006](一)採用飛秒脈衝雷射直接聚焦到惰性氣體噴束中，它實現相位匹配的關鍵條 件依賴於聚焦構型和氣體噴束的構型，但是，為獲得優化的相位匹配，要求光束的共焦參數 非常短，而且，氣體噴束構型難度加大，需要探索雷射與氣體相互作用長度以擴展共焦參 數，為此人們引入了波導技術來增加相互作用長度。(二)引入毛細波導管結構，這種結構是將氣體束縛在毛細管中並達到氣壓的穩 定平衡，雷射從毛細管的一端入射激發管內的惰性氣體，產生高次諧波。這種結構不僅可以 克服雷射脈衝在傳輸中出現的聚焦效應，而且波導的幾何色散可以改善諧波的選擇性，與 自由空間傳播相比，波導管加速了引導模的相速度。同時，波導構型可以幫助建立起非常好 的徑向一致的雷射模式，產生的EUV光束具有雷射束的所有特性，例如，全空間相干等。與 氣體噴流相比，採用波導結構的另一個優點是波導可以延展雷射和氣體介質間相互作用長 度的數量級，這意味著可以用較低的雷射能量和氣壓即可獲得與氣體噴流相似的高次諧波 場。因此，目前解決相位匹配的高次諧波實驗都是充分從波導上下功夫，通過改變波導管內 部的幾何構型，或者是藉助波導管構型的部分功能，實現驅動雷射與高次諧波的相位匹配 或準相位匹配。比較典型的方案，有以下幾種1、調製波導管幾何結構，達到準相位匹配。如A. Paul&Margaret. M在 「Quasi-phase-matched generation of coherent extreme-ultraviolet light，， (Nature Vol 421,2003)所用的調製波導，波導管調製部分的直徑被周期性地調製成接近正弦， 這樣將雷射聚焦到充滿氣體的空芯波導管中時，雷射密度也被周期性地調製，進而可以 重新調製驅動雷射和諧波場之間的相位移動，實驗結果顯示，調製光纖比空芯波導得到 的高次諧波的階次提高了至少兩個，而且亮度有更明顯的提高。類似方法，又如Ivan P.Christov 在"Dispersion-controlled hoilow core fiber for phase matched harmonicgeneration」 (9November 1998/Vol. 3，No. 10/0PTICS EXPRESS 360)所用的波導 內部調製結構。現在用波導管獲得高次諧波的實驗方法很多，但是，進一步優化調製波導結 構獲得準相位匹配需要更複雜的方法，驅動雷射的光損耗、自相位調製、模拍頻等問題使優 化調製周期更困難。最終，調製周期短于波導直徑，導致雷射強度調製快速減少，用準相位 技術補償極短的相干長度成為挑戰。2、引入反向雷射脈衝來調製雷射強度。此類方法有Xiaoshi Zhang, 「Quasi-phase-matching and quantum-path control of high-harmonicgeneration using counter propagating light"(Nature-Phys, 3, 270, 2007)弓向中串，以 及美國專禾ll US7664147B2 "Phase matching of highorder harmonic generation using dynamic phase modulation caused by anon-collinear modulation pulse，，弓|人尋看反向 準連續傳播場等，引入弱反向傳播光的目的是克服調製波導進一步周期性優化的困難，讓 反向傳播場對驅動雷射引起的持續振幅和相位進行調製，在聚焦的特殊區域，採用幹擾光 束去擾動所產生的短波長光的量子相位、壓抑偏離相位區域的發射，達到準相位匹配，對高 次諧波的發射產生增強作用，高次諧波的亮度得到明顯提高。上述提到的發明和技術在提高諧波亮度上有一定的貢獻，但等離子體對EUV光或 軟X-射線的吸收，諧波場與驅動雷射之間的相位匹配仍然需要進一步優化，諧波的轉化效 率始終不高；而且諧波出射方向與驅動雷射相同，需要用濾波器濾掉驅動雷射才能探測到 產生的EUV光，這給實驗增加了成本和難度。因此，突破諧波轉化效率的瓶頸，降低諧波產生的難度，將會對科研和實際應用產生巨大的意義和價值。
實用新型內容本實用新型旨在提供一種通過雷射多次激發產生準同步高次諧波或相干軟X射 線輻射的裝置，該裝置採用橢球面反射腔對聚焦入射的雷射束進行多次聚焦，實施高次諧 波的關聯式輻射，實現了驅動雷射與輻射光的準相速度匹配的相干增強輸出；同時，採用激 光束大角度入射的側向驅動方式，實現輸出端高次諧波或軟X射線束與驅動雷射束以不同 的角度分離傳輸。本實用新型的內容包括應用單個橢球面反射腔對聚焦入射的驅動雷射進行第二 次聚焦的方法；驅動雷射對直空芯毛細管中充滿的流動氣體或等離子體(統稱為工作介 質)進行二次激發的方法；橢球面反射腔焦距和短半軸長度對驅動雷射在兩次聚焦的時間 間隔產生相位差，從而獲得高次諧波或軟X射線的準同步相干輻射的方法。其特徵是1)空 芯直毛細管中充滿流動的工作介質並且毛細管的中心線與橢球面反射腔的長軸共軸，一束 相對於長軸以一定角度入射的驅動雷射先後在橢球面反射腔兩焦點(A、B)處的工作介質 中聚焦並激發軟X射線範圍(幾十電子伏至一千電子伏以上)的高次諧波，通過輸出高次 諧波的方式獲得相干的軟X射線輻射；幻輸出端軟X射線束與驅動雷射束各自以不同角度 分離傳輸。本實用新型採取了如下技術方案包括空芯毛細管、充滿流動工作介質的介質源 裝置和橢球面反射腔；其中橢球面反射腔是沿長軸兩端開口的中空橢球腔，空芯毛細管 與介質源裝置相連，空芯毛細管的中心線與橢球面反射腔的長軸重合併且空芯毛細管經過 橢球面反射腔的每個焦點，驅動雷射在橢球腔一側入相對於長軸從空芯毛細管的側面斜入 射，在焦點A處聚焦後經過橢球面反射後在橢球腔的其他焦點處均聚焦，然後輸出；雷射在 每次聚焦焦點處的工作介質內均激發高次諧波；該裝置在真空環境下工作。所述的橢球面反射腔為一個或者兩個和兩個以上的串接，對於多個橢球面反射腔 的依次串接，採用相鄰橢球面反射腔的焦點相重合，即第二個橢球面反射腔的左焦點A和 第一個橢球面反射腔的右焦點B重合，第二個橢球面反射腔的右焦點B和第三個橢球面反 射腔的左焦點A重合，以此類推。雷射經聚焦後，聚焦到串接的橢球腔的第一個焦點A，然 後經橢球腔反射面反射後第二次聚焦到第二個焦點B處，並依次聚焦到第三個焦點C處，D 處……雷射在每次聚焦的焦點處均激發高次諧波。本實用新型所採用的橢球面反射腔是沿長軸兩端開口的中空橢球腔，其內表面是 精細拋光或鍍膜的對驅動雷射具有高反射率的表面；橢球面反射腔兩個焦點之間的距離 IAB由焦點Α、Β兩處高次諧波與驅動雷射的相速度匹配以及工作介質對高次諧波的吸收 特性共同決定；橢球面反射腔短半軸的長度由焦點A處產生的高次諧波傳輸至焦點B處的 時間決定，其傳輸時間與驅動雷射在A、B兩處聚焦的時間間隔相等或基本相等；橢球面反 射腔長半軸的長度由橢球方程決定；橢球面反射腔體的寬度d，視驅動雷射的入射情況(入 射角與聚焦鏡的焦距)、驅動雷射光斑大小和橢球反射面對入射雷射束的反射要求而定，要 滿足將驅動雷射全部反射。本實用新型所採用的空芯毛細管是管壁對驅動雷射透明的內徑在微米量級的任 意中空圓直管，用於傳輸輻射高次諧波的流動工作介質，工作介質從介質源裝置與空芯毛
5細管相連的一端流入，再從空芯毛細管的開口端(輸出端)流出。本實用新型中的驅動雷射相對於長軸以10 80度的角度從空芯毛細管的側面斜 入射，在橢球面反射腔焦點A處的工作介質中聚焦，第一次激發高次諧波；然後經橢球腔內 表面反射後在橢球面反射腔另一焦點B處的工作介質中匯聚(第二次聚焦)並激發高次諧 波。驅動雷射與高次諧波在兩焦點處的傳輸時間相等，實現了驅動雷射與輻射光的準相速 度匹配的相干增強輸出；在焦點A處激發的高次諧波對焦點B處的高次諧波產生準受激同 步作用，以輸出高次諧波的方式產生相干的軟X射線發射。本實用新型所採用的驅動雷射是能夠先後在橢球面反射腔焦點處將工作介質電 離的任何類型和參數的雷射。本實用新型所採用的工作介質是能夠被雷射激發產生軟X射線範圍高次諧波且 對高次諧波吸收較低的任何種類氣體或等預製的離子體。本實用新型具有以下優點採用本裝置產生高次諧波或軟X-射線，無須改變微米量級的毛細管結構，毛細管 的內部結構及毛細管的耗散效應對驅動雷射沒有影響；驅動雷射不沿工作介質傳播，不會 因工作介質的吸收而發生光損耗；驅動雷射對工作介質進行了多次激發，增加了高次諧波 的轉化效率，提高了高次諧波的轉化效率；驅動雷射與軟X-射線實現了分離傳輸，可直接 對產生的軟X-射線進行探測而無須其他濾波手段。本實用新型的技術實現途徑簡單，產生 高次諧波的轉化效率高，能量高，對科研和生產應用有非常切實的作用。

圖1 利用橢球面反射腔對驅動雷射二次激發產生準同步高次諧波或相干軟X射 線輻射的技術路線圖圖2 橢球面反射腔的立體剖面圖其中1-真空室；2-驅動雷射入口 ；3-工作介質入口 ；4-真空室分子泵接口 ； 5-橢球腔體；6-橢球面反射腔焦點A ；7-橢球面反射腔焦點B ；8-橢球面反射腔長軸線； 9-空芯毛細管；10-連接管；11-工作介質；12-驅動雷射；13-聚焦鏡；14-橢球腔反射面； 15-軟X-射線；16-出射雷射；d-橢球腔體的寬度
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步詳細說明。在本實用新型實施的過程中，實用新型中所提到的橢球面反射腔、沿橢球面長軸 線放置的空芯毛細管以及驅動雷射的聚焦鏡均放置於真空室中，而與空芯毛細管相連接的 介質源裝置則放置於真空室外。本實施例包括空芯毛細管、充滿流動工作介質的介質源裝置和橢球面反射腔；其 中空芯毛細管與介質源裝置相連，空芯毛細管的中心線與橢球面反射腔的長軸重合併且 空芯毛細管經過橢球面反射腔的焦點A、焦點B處；橢球面反射腔為兩端開口的中空橢球 腔，，驅動雷射驅動雷射在橢球腔一側相對於長軸從空芯毛細管的側面斜入射在焦點A處 聚焦後經過橢球面反射腔發射又匯聚在焦點B處第二次聚焦，然後輸出；雷射在每次聚焦 的焦點處均激發高次諧波；該裝置在真空環境下工作。[0028]所述的橢球面反射腔為一個或者兩個和兩個以上的串接，對於多個橢球面反射腔 的依次串接，採用相鄰橢球面反射腔的焦點相重合。雷射經聚焦後，聚焦到串接的橢球腔的 第一個焦點A，然後經橢球腔反射面反射後第二次聚焦到第二個焦點B處，並依次聚焦到第 三個焦點C處，D處……雷射在每次聚焦的焦點處均激發高次諧波。在該方法的實施過程中，以單個橢球腔為例，驅動雷射在橢球面反射腔的兩焦點 A、B處先後兩次聚焦，並分別在兩焦點處的工作介質激發高次諧波，而且焦點A處激發的高 次諧波對焦點B處的高次諧波產生準受激同步作用，同時滿足在焦點A處輻射的高次諧波 傳輸到焦點B處的時間與驅動雷射在A、B兩點的聚集時間相等或基本相等；產生的高次諧 波或軟χ-射線束沿橢球腔的長軸傳播，驅動雷射則以分離的角度從側向出射，從而實現輸 出端高次諧波或軟X射線與驅動雷射光束以不同角度的分離傳輸，這樣可直接探測軟χ-射 線而無需其他過濾手段。本實用新型中所設計的橢球面反射腔是沿長軸兩端開口的中空橢球腔，如圖2所 示，其內表面是精細拋光或鍍膜的對驅動雷射具有高反射率的表面；而橢球面反射腔的尺 寸需要根據驅動雷射以及高次諧波的傳輸來設計，兩焦點A、B之間的距離IabI由焦點A、B 兩處高次諧波與驅動雷射的相速度匹配以及工作介質對高次諧波的吸收特性共同決定，短 半軸的長度由驅動雷射在α、Β兩焦點聚焦的時間與傳輸速度決定，長半軸的長度由橢球方 程計算可得，而整個橢球面反射腔的外型尺寸要根據入射的驅動雷射進行調整，橢球面反 射腔體的寬度山視驅動雷射的入射情況(入射角與聚焦鏡的焦距)、驅動雷射光斑大小和 橢球反射面對入射雷射束的反射要求而定，要滿足將驅動雷射全部反射。本實施例所採用的空芯毛細管為能透過空芯毛細管是管壁對驅動雷射透明的內 徑在微米量級的任意中空圓直管，用於傳輸輻射高次諧波的流動工作介質。在本技術的實 施過程中，空芯毛細管與介質源裝置相連，工作介質從介質源流入空芯毛細管，先流經焦點 A再流過焦點B，再從空芯毛細管的開口端(輸出端)流出。下面採用單個橢球面反射腔，以驅動雷射中心波長是SOOnm的飛秒雷射，工作介 質為Ar氣為例來說明實用新型方法的具體實施方案，其它以說明書中所提方法進行延伸 的技術實施過程與之相似。本實施例中所用真空室的真空度為10_5，採用的工作介質為Ar氣，空芯毛細管是 能透過中心波長為SOOnm飛秒雷射的石英毛細管，管內徑為200微米。空芯毛細管與Ar氣 源相連，並沿橢球腔的長軸線固定放置，且保證空芯毛細管的中心線與橢球腔體的長軸線 重合。氣體壓強是有規律的，以保證流入空芯毛細管9中的Ar氣為連續、穩定的氣流，氣體 維持約為1. 3X1018atoms/cm3的固定密度，同時真空分子泵4保證能及時將從毛細管開口 端流出的氣體抽走，維持整個毛細管中的氣壓一直保持平衡、穩定，而且保證真空室的真空 度。12飛秒雷射中心波長為800nm、功率密度為3X 1015Wcm_2、重複頻率為ΙΚΗζ。圖中標號為5的是橢球面反射腔體，其材料為銅材，並將其反射面14進行精細拋 光，所達到的反射率為95%。在該方法的實施過程中，飛秒雷射從真空室1的入口 2進入真空室，經過聚焦透鏡 13聚焦後，與長軸成45°角入射匯聚到6橢球腔焦點A處，激發A處的Ar氣輻射高次諧波， 這樣A處輻射的高次諧波即沿空芯毛細管9向前傳播，而驅動雷射12則繼續沿原方向傳播
7到橢球腔的反射面14並被反射，由於橢球的幾何特性，可以使得被反射的驅動雷射恰好匯 聚到7橢球腔的第二個焦點B處，就可以再次激發焦點B處的Ar氣輻射高次諧波，與此同 時焦點A處產生的高次諧波同步或者是基本同步達到焦點B處，這樣A處產生的高次諧波 對B處高次諧波產生準受激同步作用，達到準相速度匹配，輻射出更高能量的高次諧波或 軟X-射線。所產生高次諧波的能量遠遠高於驅動雷射單次激發Ar氣的能量。由於軟X-射 線沿中心線方向傳播，而驅動雷射與中心軸線成45°入射，在毛細管的輸出端側向輸出，因 此高次諧波或軟X-射線與驅動雷射以不同角度分離傳輸，故無需用filter(濾波器)分離 軟X-射線與驅動雷射，即可直接用X-射線CCD探測器對產生的軟X-射線進行光譜探測。
權利要求1.雷射多次激發產生準同步高次諧波或X-射線輻射的裝置，其特徵在於包括空芯毛 細管、充滿流動工作介質的介質源裝置和橢球面反射腔；其中橢球面反射腔是沿長軸兩 端開口的中空橢球腔，空芯毛細管與介質源裝置相連，空芯毛細管的中心線與橢球面反射 腔的長軸重合併且空芯毛細管經過橢球面反射腔的焦點A、焦點B處，驅動雷射在橢球腔一 側相對於長軸從空芯毛細管的側面斜入射，在焦點A處聚焦後經過橢球面反射腔內表面反 射後再次聚焦到焦點B處，然後輸出；雷射在每次聚焦焦點處的工作介質內均激發高次諧 波；該裝置在真空環境下工作。
2.根據權利要求1所述的雷射多次激發產生準同步高次諧波或X-射線輻射的裝置，其 特徵在於所述的橢球面反射腔為一個。
3.根據權利要求1所述的雷射多次激發產生準同步高次諧波或X-射線輻射的裝置，其 特徵在於所述的橢球面反射腔至少為兩個，各個橢球面反射腔依次串接，相鄰橢球面反射 腔的焦點相重合，驅動雷射經橢球腔內表面反射面反射後在每個焦點處均聚焦。
4.根據權利要求1或權利要求2或權利要求3所述的雷射多次激發產生準同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特徵在於所述的橢球面反射腔是沿長軸兩端開口的中空橢球 腔，其內表面是精細拋光或鍍膜的能夠反射驅動雷射的表面。
5.根據權利要求1或權利要求2或權利要求3所述的雷射多次激發產生準同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特徵在於所述的橢球面反射腔，其腔體寬度d要滿足將驅動激 光全部反射。
6.根據權利要求1或權利要求2或權利要求3所述的雷射多次激發產生準同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特徵在於所述的空芯毛細管是管壁對驅動雷射透明的、內徑 在微米量級的任意中空圓直管。
7.根據權利要求1或權利要求2或權利要求3所述的雷射多次激發產生準同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特徵在於所述驅動雷射是能夠先後在橢球面反射腔焦點處將 工作介質電離的任何類型和參數的雷射。
8.根據權利要求1或權利要求2或權利要求3所述的雷射多次激發產生準同步高次諧 波或X-射線輻射的裝置，其特徵在於所述工作介質是能夠被驅動雷射激發產生軟X-射線 範圍高次諧波的任何種類的氣體或預製的等離子體。
專利摘要本實用新型是一種產生高次諧波或軟X-射線的裝置，具體為雷射多次激發產生準同步高次諧波或X-射線輻射的裝置。本裝置包括空芯毛細管、充滿流動工作介質的介質源裝置和橢球面反射腔；其中空芯毛細管與介質源裝置相連，空芯毛細管的中心線與橢球面反射腔的長軸重合併且空芯毛細管經過橢球面反射腔的每個焦點；單個橢球面反射腔為兩端開口的中空橢球腔，驅動雷射相對於長軸從空芯毛細管的側面斜入射，在第一個焦點處聚焦後經過橢球面反射在其他焦點處均發生聚焦，然後輸出；雷射在每次聚焦的焦點處均激發高次諧波；該裝置在真空環境下工作。本實用新型的技術實現途徑簡單，產生高次諧波的轉化效率高，能量高，有很高的應用價值。
文檔編號G02F1/35GK201821563SQ201020286560
公開日2011年5月4日 申請日期2010年8月10日 優先權日2010年8月10日
發明者劉世炳, 宋海英 申請人:北京工業大學