專利名稱：基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體的講，涉及的是一種基于超聲波 調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置。
背景技術(shù)：
軟X射線波段相干光源由于在平板印刷術(shù)、高分辨率成像、以及生物活體細(xì) 胞顯微成像具有重要的應(yīng)用價(jià)值，成為近年來激光科學(xué)研究的一個(gè)前沿課題。利 用超快強(qiáng)激光場與惰性氣體相互作用產(chǎn)生高次諧波(High Harmonic Generation, HHG)是獲得相干軟X射線的一種主要方法。然而由于基波與諧波在傳輸過程中 的相位失配，朋G的轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)?shù)?，只?0—"，嚴(yán)重制約著HHG的應(yīng)用。盡管 目前有些技術(shù)可把高次諧波推進(jìn)到極紫外區(qū)并提高了 1-2個(gè)量級的轉(zhuǎn)換效率，但 由于實(shí)驗(yàn)上的高要求和難實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中的作用并不大。
經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，奧地利維也納大學(xué)的J. Seres和德國馬普 光學(xué)研究所的F.Krausz等人在2007年11月在《Nature Physics》雜志上發(fā)表 論文"Coherent superposition of laser-driven soft-X-ray harmonics from successive sources"(《激光入射連續(xù)介質(zhì)源產(chǎn)生的相干疊加軟X射線諧波輻 射》)，該文獻(xiàn)報(bào)道了 2-5nm水窗波段的高次諧波的產(chǎn)生可通過氣體介質(zhì)密度的 調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。即在激光束傳播方向上放置外徑0.8mm、內(nèi)徑0.2mm的兩個(gè)鎳管， 鎳管內(nèi)通以均勻流動(dòng)的He氣，激光通過O. lmm厚的鎳管壁時(shí)，燒蝕出通光孔， 兩個(gè)鎳管固定在各自的三維精密平移臺上，距離在0. 4mm-1.7ram之間可調(diào)，通過 移動(dòng)兩鎳管之間的距離，來形成氣體密度的空間調(diào)制，進(jìn)而獲得增強(qiáng)的水窗波段 高次諧波輻射。與單一氣體源產(chǎn)生HHG相比，它利用了準(zhǔn)相位匹配技術(shù)，較好的 解決了 HHG的相位失配問題。其不足之處在于兩鎳管之間的距離最短只有 0.4rnrn，這很難產(chǎn)生更短波段的諧波輻射，而且只有兩個(gè)鎳管，激光與氣體作用 區(qū)域有限，不能產(chǎn)生較高強(qiáng)度的諧波輻射，如若增加鎳管數(shù)量，則需增加三維精 密控制平移臺，操作成本較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高 次諧波裝置，即利用超聲波作為機(jī)械波的傳播特性，在氣體中傳播形成介質(zhì)密度 的疏密變化，以實(shí)現(xiàn)高次諧波產(chǎn)生過程中的準(zhǔn)相位匹配。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括飛秒激光器、聚焦透鏡、 超聲換能器、條形噴嘴、金屬膜、X射線譜儀、計(jì)算機(jī)、真空室、減壓氣閥和控 制面板。在飛秒激光器的輸出光路上依次為聚焦透鏡、超聲換能器、惰性氣體(由 條形噴嘴噴出)、金屬膜、X射線譜儀，其中超聲換能器、條形噴嘴、金屬膜、X 射線譜儀均置于真空室中。超聲換能器緊貼條形噴嘴，其中心軸線在飛秒激光器 的激光束下方，換能器通過導(dǎo)線與真空室外的控制面板相連，并通過真空室外的 控制面板可以人工調(diào)節(jié)輸出功率、工作頻率等；條形噴嘴通過一根輸氣管與真空 室外的減壓氣閥相連，通過減壓氣閥的控制，可均勻向真空噴氣，并且條形噴嘴 噴口在飛秒激光器的激光束上方；X射線譜儀置于金屬膜后，并通過導(dǎo)線與真空 室外的計(jì)算機(jī)相連。飛秒激光器出射的激光經(jīng)透鏡聚焦到條形噴嘴下方，與噴嘴 噴出的經(jīng)超聲場調(diào)制的密度周期變化的惰性氣體相互作用，輻射出高次諧波，經(jīng) 金屬膜過濾后入射到X射線譜儀上，再送入計(jì)算機(jī)處理。
所述飛秒激光器是一臺商品化的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器。 所述超聲換能器是大功率超聲換能器，其輸出功率可調(diào)范圍為lkW到2kW。 所述超聲換能器是寬頻帶的高頻超聲換能器，其頻率調(diào)節(jié)范圍為20kHz到 lMHz。
所述超聲換能器在中心軸線上側(cè)3mra處開有一個(gè)直徑2mm的小孔。 所述條形噴嘴為噴嘴口形狀為長lcm,寬約0. 2cm條形超聲噴嘴。 所述金屬膜為鋁膜、銀膜或碳膜等金屬薄膜的組合。
所述X射線譜儀為現(xiàn)有技術(shù)， 一般由球面鏡、平面鏡、平場光柵以及X射線 CCD等集成組合而成。激光與氣體相互作用產(chǎn)生的高次諧波輻射依次經(jīng)過球面鏡 的聚焦，然后經(jīng)過平面鏡的反射，再經(jīng)過狹縫，最后經(jīng)過平常光柵的色散作用， 入射到X射線CCD上。
本發(fā)明工作時(shí)，條形噴嘴在減壓氣閥的控制下，向真空中均勻噴氣，同時(shí)超 聲換能器在真空室外控制面板控制下發(fā)射大功率強(qiáng)超聲波，在噴出氣體中傳播，對氣體密度形成疏密調(diào)制。飛秒激光器發(fā)出的激光經(jīng)過聚焦透鏡，穿過超聲換能 器的中心上側(cè)小孔，聚焦到條形噴嘴向下噴出的密度周期性調(diào)制的惰性氣體中， 與惰性氣體相互作用，產(chǎn)生高次諧波輻射。產(chǎn)生的輻射波經(jīng)金屬膜過濾基頻光， 入射到X射線譜儀進(jìn)行探測，即可從與譜儀相連接的計(jì)算機(jī)上讀出諧波信號。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于本發(fā)明利用超聲換能器發(fā)射 超聲波有效的調(diào)制了氣體空間密度分布，通過調(diào)節(jié)超聲換能器的工作頻率，可以
產(chǎn)生周期變化范圍為17mm到0. 34mm的空間周期氣體密度分布，對應(yīng)的滿足此準(zhǔn) 相位匹配條件的高次諧波轉(zhuǎn)換效率提高了 2個(gè)數(shù)量級。通過使用更高工作頻率的 超聲換能器，可以把高次諧波向水窗更短波段推進(jìn)。該發(fā)明參數(shù)可調(diào)范圍大，操 作簡單，方便了實(shí)際應(yīng)用。


圖l本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括飛秒激光器1、聚焦透鏡2、超聲換能器3、
條形噴嘴4、金屬膜5、 X射線譜儀6、計(jì)算機(jī)7、真空室8、減壓氣閥9、控制 面板10。在激光器1的輸出光路上依次有聚焦透鏡2、超聲換能器3、 He氣(由 條形噴嘴3噴出)、金屬膜5、 X射線譜儀6，其中超聲換能器3、條形噴嘴4、 金屬膜5、 X射線譜儀6均被置于真空室8中，超聲換能器3緊貼條形噴嘴4， 其中心軸線在飛秒激光器1的激光束下方，超聲換能器3通過導(dǎo)線與真空室8外 的控制面板相連，通過真空室8外的控制面板IO可以人工調(diào)節(jié)輸出功率、工作 頻率等；條形噴嘴4的噴嘴口在飛秒激光器1的激光束上方，并通過輸氣管與真 空室8外的減壓氣閥9相連，通過減壓氣閥9的控制，可均勻向真空噴氣；X射 線譜儀6通過導(dǎo)線與真空室8外的計(jì)算機(jī)7相連。條形噴嘴4在減壓氣閥9的控 制下，向真空中均勻噴氣，同時(shí)超聲換能器3在真空室8外控制面板10控制下 發(fā)射大功率強(qiáng)超聲波，在噴出氣體中傳播，對氣體密度形成疏密調(diào)制。飛秒激光 器1發(fā)出的激光經(jīng)過聚焦透鏡2，穿過超聲換能器3的中心上側(cè)小孔，聚焦到條形噴嘴4向下噴出的密度周期性調(diào)制的惰性氣體中，與惰性氣體相互作用，產(chǎn)生
高次諧波輻射。產(chǎn)生的輻射波經(jīng)金屬膜5過濾基頻光，入射到X射線譜儀6進(jìn)行
探測，即可從與X射線譜儀6相連接的計(jì)算機(jī)7上讀出諧波信號。
所述飛秒激光器是一臺鈦寶石激光器，輸出脈沖寬度為15fs，單脈沖能量
為2. 5mJ，中心波長為800nm，工作頻率為lkHz。
所述聚焦透鏡2，是厚度為2mm的鍍了增透膜的熔融石英薄透鏡。 所述超聲換能器3，其中心軸線上側(cè)3mm處開有一個(gè)直徑2mra的小孔。 所述超聲換能器3，其中心軸線在激光束下方約4mm處。 所述超聲換能器3，其輸出超聲波的功率范圍為lkW到2kW。 所述超聲換能器3，其工作頻率可調(diào)范圍為20kHz到lMHz。 所述條形噴嘴4，其噴嘴口為長lcm、寬0.2cm的條形超聲噴嘴，條形噴嘴
4的噴嘴口在激光束上方約3rnm處。
所述條形噴嘴3，其噴嘴口距離超聲換能器中心軸線為7mm，在減壓氣閥控
制下向真空均勻噴He氣。
所述金屬膜，是厚度為200nm的銀膜加厚度100nm的碳膜的組合金屬薄膜。 所述X射線譜儀6，采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，是由球面鏡、平面鏡、狹縫、平場
光柵、X射線CCD以及其控制采集系統(tǒng)組成。
所述X射線譜儀6 ，其X射線CCD是Roper Scientific的
SX/NET/CCD-1340/400EMB減薄型、軟X射線敏感CCD。
所述計(jì)算機(jī)7,是一臺能實(shí)時(shí)顯示高次諧波信號的計(jì)算機(jī)。 所述真空室8，是一個(gè)真空度為10—3Pa的真空室。
所述減壓氣閥9和控制面板10均放于真空室8外，前者通過輸氣細(xì)管與條 形噴嘴3相連，后者通過導(dǎo)線與超聲換能器3相連，位置不限，只要在真空室8 外即可，計(jì)算機(jī)7的位置要求與這兩個(gè)器件的位置要求相同。
本實(shí)施例工作時(shí)，減壓氣閥9控制著氣壓為9torr的He氣向真空均勻噴出， 超聲換能器3工作頻率設(shè)定為mHz，在lcm長的He氣噴氣中形成周期為0. 34, 的密度調(diào)制；飛秒激光器1輸出脈寬15fs的激光脈沖，聚焦到He氣中的功率密 度約為lX10，/cm2，這樣的功率密度可以在He氣產(chǎn)生大量高次諧波輻射。飛秒 激光脈沖與密度周期調(diào)制的He氣相互作用，輻射出軟X射線波段的高次諧波。X射線譜儀探測到高達(dá)400階次的高次諧波信號，產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)入水窗波段。 本實(shí)施例在超聲波作用下進(jìn)行了氣體密度的周期調(diào)制，探測到了水窗波段的 高次諧波，很好的實(shí)現(xiàn)了激光與密度周期調(diào)制的氣體相互作用的準(zhǔn)相位匹配技 術(shù)。本實(shí)施例可以通過調(diào)節(jié)超聲換能器的工作頻率來調(diào)節(jié)氣體密度變化的周期， 進(jìn)而獲得不同諧波波段的高次諧波。本實(shí)施例還可以通過增大超聲換能器的發(fā)射 功率來增大氣體密度疏密變化程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)諧波的高效輻射。
權(quán)利要求
1、一種基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，其特征在于包括飛秒激光器、聚焦透鏡、超聲換能器、條形噴嘴、金屬膜、X射線譜儀、計(jì)算機(jī)、真空室、減壓氣閥和控制面板，其中飛秒激光器的輸出光路上依次為聚焦透鏡、超聲換能器、由條形噴嘴噴出惰性氣體、金屬膜、X射線譜儀，超聲換能器、條形噴嘴、金屬膜、X射線譜儀均置于真空室中，超聲換能器緊貼條形噴嘴，超聲換能器中心軸線在飛秒激光器的激光束下方，換能器通過導(dǎo)線與真空室外的控制面板相連，條形噴嘴通過輸氣管與真空室外的減壓氣閥相連，條形噴嘴噴口在飛秒激光器的激光束上方，X射線譜儀置于金屬膜后，并通過導(dǎo)線與真空室外的計(jì)算機(jī)相連，飛秒激光器出射的激光經(jīng)透鏡聚焦到條形噴嘴下方，與噴嘴噴出的經(jīng)超聲場調(diào)制的密度周期變化的惰性氣體相互作用，輻射出高次諧波，經(jīng)金屬膜過濾后入射到X射線譜儀上，再送入計(jì)算機(jī)處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，其特征是，所述飛秒激光器是一臺鈦寶石激光器，輸出脈沖寬度為15fs，單脈沖 能量為2. 5mJ，中心波長為800nm，工作頻率為lkHz。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，其 特征是，所述超聲換能器，其中心軸線上側(cè)3mm處設(shè)有一個(gè)直徑為2mm的小孔， 讓激光束通過。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置， 其特征是，所述超聲換能器，其輸出超聲波的功率范圍為lkW到2kW。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置， 其特征是，所述超聲換能器，其工作頻率范圍從20kHZ至lJlMHz。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，其 特征是，所述條形噴嘴，是噴嘴口長lcm、寬0.2cm的條形超聲噴嘴。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置， 其特征是，所述條形噴嘴，其噴嘴口距離超聲換能器中心軸線為7mm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，其 特征是，所述金屬膜，是厚度為200nm的銀膜及厚度100nm的碳膜的組合金屬薄膜。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，其 特征是，所述真空室，其真空度維持在10—3Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光技術(shù)領(lǐng)域的基于超聲波調(diào)制的準(zhǔn)相位匹配高次諧波裝置，包括飛秒激光器、聚焦透鏡、超聲換能器、條形噴嘴、金屬膜、X射線譜儀、計(jì)算機(jī)、真空室、減壓氣閥和控制面板，飛秒激光器輸出光路上依次有聚焦透鏡、超聲換能器、惰性氣體、金屬膜、X射線譜儀，飛秒激光器出射的激光經(jīng)透鏡聚焦到條形噴嘴下方，與噴嘴噴出的經(jīng)超聲場調(diào)制的密度周期變化的惰性氣體相互作用，輻射出高次諧波，經(jīng)金屬膜過濾后入射到X射線譜儀上，再送入計(jì)算機(jī)處理。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了利用超聲波調(diào)制氣體密度以滿足高次諧波的準(zhǔn)相位匹配條件，操作方便，簡單易行，可以把高次諧波軟X射線相干光源向更短波段推進(jìn)。
文檔編號G02F1/35GK101515105SQ200910048230
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者唐嵩松, 明 路, 莉 鄭, 陳險(xiǎn)峰 申請人:上海交通大學(xué)