一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法与流程

本发明属于准分子激光，具体涉及一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法。

背景技术：

1、准分子激光因其波长短、光子能量大的特性，在激光与物质相互作用过程中具有空间分辨率高、光子耦合效率高、热效应小等优点，在激光加工、惯性约束聚变和科研领域具有广泛的应用。

2、传统的准分子激光多采用放电或电子束泵浦惰性气体卤化物准分子的方式获得紫外激光脉冲。受制于脉冲功率系统电学参数、阴极尺寸、激光增益介质体积的限制，传统的电子束或者放电泵浦激光器很难直接产生脉冲宽度小于纳秒的超短脉冲，这极大限制了准分子激光装置应用向超快、超强激光与物质相互作用领域的拓展。

3、为满足激光聚变、超快物理研究、光刻和激光加工等工业应用对紫外超短脉冲激光的需求，国内外发展了固体光源-准分子激光放大和染料-准分子激光放大两种技术方案。

4、钛宝石超短激光器可以在相当宽的红外波段调频，当其倍频光的波长与准分子激光的波长相互匹配时，可以作为准分子激光放大系统的种子光开展激光脉冲放大。但是固体激光器需要倍频才能输出紫外脉冲，效率很低，几次倍频后激光强度已经很弱，往往需要利用放电准分子激光器进行二次放大。由于混联激光系统的固体种子光源和气体激光放大器采用了不同的运行机制，这极大增加了系统协调同步的复杂程度。在电子束泵浦的准分子激光超短脉冲放大系统中，固体紫外种子光源需要在重频模式运行才能稳定输出，而电子束泵浦准分子激光装置多运行在单次或低频模式。不同机制的激光装置在光电信号的同步控制方面存在较大的困难，脉冲选单操作和同步放大的不稳定将导致放大超短脉冲激光参量的离散。

5、染料/准分子混联超短激光系统利用准分子泵浦液体染料可以产生飞秒或皮秒脉宽的近紫外或可见波段超短脉冲，经过倍频后匹配到准分子激光的工作波长，然后利用放电或电子束泵浦的准分子激光器进行放大。由于染料激光器的输出特性受染料种类、浓度、溶液ph值等复杂因素的影响，尤其是短波长的染料激光器，染料的使用寿命很短，维持染料激光系统的长期稳定运行存在极高的运行维护门槛。因此，基于染料-准分子混联超短脉冲激光系统使用非常不便，需要投入较大成本才能维持系统的稳定运行。

6、因此，超短超强准分子激光技术及应用的发展需要寻求在电子束和放电泵浦技术路线之外，直接泵浦惰性气体卤化物准分子产生超短紫外激光脉冲的解决方案，为超短超强紫外准分子激光装置的发展和相关应用提供支持。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种简单可靠的准分子激光超短脉冲产生方案。本发明在放电或电子束泵浦准分子激光路线之外，提出利用激光直接泵浦惰性气体卤化物准分子的技术方案，通过缩小增益介质体积实现超短脉冲宽度的准分子激光脉冲输出。利用激光泵浦准分子产生和放大超短激光脉冲，将大幅度简化混联准分子激光系统的复杂性，为发展超短超强紫外准分子激光系统提供一种新型种子光源，有效支持激光聚变、超短超快物理研究和激光光刻等工业应用的发展。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种产生短脉冲准分子激光的装置，其中，包括用于容纳混合气的微型气体腔，通过将激光聚焦到所述微型气体腔内与所述混合气相互作用发生非线性吸收，产生激光等离子体，进而由所述激光等离子体中产生准分子激光；所述混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。

3、进一步，

4、所述微型气体腔设置在立方体形的玻璃体的中心线位置，所述微型气体腔为横截面为正方形的立方体形腔体；

5、还包括与所述微型气体腔垂直连通的两个进气管道，所述微型气体腔的顶端和尾端分别连通一个所述进气管道的尾端，所述进气管道的顶端设置在所述玻璃体的顶部表面；所述进气管道的顶端开口上设有阀门连接件，用于与外部的气源连接，向所述微型气体腔提供所述混合气。

6、进一步，

7、在所述玻璃体上，四个侧面依次为第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述微型气体腔的顶端相对的一面为所述第一侧面，所述微型气体腔的尾端相对的一面为所述第三侧面；

8、在所述第一侧面的一侧设有第一透镜，在所述第一透镜的外侧设置激光发生器，所述激光由所述激光发生器射出并经所述第一透镜聚焦到所述微型气体腔内；

9、在所述第三侧面的外侧设有第二透镜和光阱；所述第二透镜用于将所述激光与所述混合气在所述微型气体腔内相互作用产生所述激光等离子体后的残余泵浦光转化为平行光，所述光阱用于将经过所述第二透镜转化后的所述平行光进行吸收；

10、在所述第三侧面与所述第二透镜之间还设有二向色镜用于将所述残余泵浦光传输给所述第二透镜。

11、进一步，

12、所述激光发生器为脉冲激光器，能够单次或者连续输出脉冲宽度数纳秒的基频激光，激光的发散角θ接近1mrad，激光脉冲能量数十毫焦耳；

13、所述第一透镜和所述第二透镜为共焦排布的石英玻璃平凸透镜；

14、所述第一侧面和所述第三侧面精抛光后镀激光增透膜。

15、进一步，还包括在所述第四侧面的中心φ3mm范围内上镀制的高反膜，所述高反膜作为后腔镜，所述高反膜的厚度与输出的所述准分子激光的波长相匹配。

16、进一步，还包括设置在所述第二侧面外侧的前腔镜；在所述前腔镜和所述第二侧面之间还设置了非线性晶体的光电开关；通过调节所述激光和所述光电开关的延时控制所述激光的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。

17、进一步，在所述第二侧面设置切削平面，所述切削平面的角度根据所述准分子激光的偏振角度确定，所述切削平面镀有偏振膜。

18、为达到以上目的，本发明还公开了用于如上所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的一种产生短脉冲准分子激光的方法，包括如下步骤：

19、步骤s1，向所述微型气体腔中充入所述混合气；

20、步骤s2，开启所述激光发生器，使得所述激光聚焦到所述微型气体腔中的所述混合气上；所述激光在所述混合气中发生击穿产生所述激光等离子体，形成准分子自发辐射；

21、步骤s3，通过调节所述激光和所述光电开关的延时控制所述激光的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。

22、本发明的有益效果在于：

23、本发明提出了一种利用激光泵浦惰性气体卤化物产生超短准分子激光的技术方案，克服了放电泵浦准分子激光腔和电子束泵浦准分子激光器难以直接输出亚纳秒短脉冲的局限，为超短超强准分子激光的产生提供了简单可靠的超短准分子种子光源，简化了传统的固体/液体-气体准分子混联放大系统的复杂性，为激光加工、超短超强激光与物质相互作用研究和惯性约束核聚变提供了一种简易可靠的紫外超短脉冲激光驱动器。

技术特征：

1.一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：包括用于容纳混合气的微型气体腔(3)，通过将激光(1)聚焦到所述微型气体腔(3)内与所述混合气相互作用发生非线性吸收，产生激光等离子体(4)，进而由所述激光等离子体(4)中产生准分子激光；所述混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。

2.如权利要求1所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：

3.如权利要求2所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：

4.如权利要求3所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：

5.如权利要求4所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：还包括在所述第四侧面(19)的中心φ3mm范围内上镀制的高反膜，所述高反膜作为后腔镜(8)，所述高反膜的厚度与输出的所述准分子激光的波长相匹配。

6.如权利要求5所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：还包括设置在所述第二侧面(17)外侧的前腔镜(9)；在所述前腔镜(9)和所述第二侧面(17)之间还设置了非线性晶体的光电开关(10)；通过调节所述激光(1)和所述光电开关(10)的延时控制所述激光(1)的谐振放大，实现所述准分子激光脉冲的输出。

7.如权利要求6所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置，其特征是：在所述第二侧面(17)设置切削平面，所述切削平面的角度根据所述准分子激光的偏振角度确定，所述切削平面镀有偏振膜(15)。

8.用于如权利要求7所述的一种产生短脉冲准分子激光的装置的一种产生短脉冲准分子激光的方法，包括如下步骤：

技术总结
本发明属于准分子激光技术领域，具体涉及一种产生短脉冲准分子激光的装置及方法。其中的装置包括用于容纳混合气的微型气体腔(3)，通过将激光(1)聚焦到微型气体腔(3)内与混合气相互作用发生非线性吸收，产生激光等离子体(4)，进而由激光等离子体(4)中产生准分子激光；混合气是惰性气体和卤素气体的混合物。本发明提出了一种利用激光泵浦惰性气体卤化物产生超短准分子激光的技术方案，克服了放电泵浦准分子激光腔和电子束泵浦准分子激光器难以直接输出亚纳秒短脉冲的局限，为超短超强准分子激光的产生提供了简单可靠的超短准分子种子光源，简化了传统的固体/液体‑气体准分子混联放大系统的复杂性。

技术研发人员：高智星,胡凤明,何运,何洪钰,王钊,李静
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13