紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱探测装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱探测装置及其方法。本发明专利技术采用全反射结构增强高阶谐波探测效率，减少信号损耗，扩展了谐波探测波段，有效抑制了环境散射光、基频光、材料荧光和强低阶谐波等的散射，增强谐波探测效率的同时一定程度上加强了对灵敏探测器的保护；在密闭真空管道内以真空环境中运行，有效降低了空气对谐波信号的吸收和干扰，在相当范围的中红外波段，空气都将能产生较强的三阶乃至更高阶次谐波，同时避免了环境中的光对探测的影响；本发明专利技术通过改变激光入射谐波产生腔的位置和五维位移台的角度，能实现透射谐波测量和反射谐波测量的灵活切换，二者互为补充，为揭示固体谐波产生物理机制提供更为精确的实验数据。

【技术实现步骤摘要】
紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱探测装置及其方法
本专利技术涉及超快激光技术，具体涉及一种紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置及其方法。
技术介绍
飞秒强激光与气相原子分子相互作用产生的高次谐波，提供了一种在亚飞秒时间尺度内测量和操控原子分子中的电子超快动力学的手段。同时气体高次谐波也是产生超快极紫外、软X射线以及阿秒脉冲等新型光源的主要途径，是强场物理的重要研究前沿。近年来，固体中的高次谐波辐射也被观察到。相比于气体谐波，固体谐波具有更高的产生效率，为紧凑型超快极紫外光源产生提供了一种潜在途径。同时，固体高次谐波也为研究固体中电子的超快运动(拍赫兹)提供了一种有效方法，具有重要的科学意义和和应用潜力。现有技术存在以下问题：1.固体材料虽然具有更高的谐波产生效率，但是受到材料损伤阈值的限制，驱动光场的强度比气体谐波通常要弱两个量级以上，导致固体谐波信号强度非常微弱，为谐波的探测带来困难。2.固体中的荧光等信号将为谐波的探测带来额外的干扰。3.低阶谐波具有更高的转换效率，强的低阶谐波散射将降低仪器的灵敏度，为高阶谐波的探测带来困难。4.高能量谐波通过介质会被快速吸收，使得高阶高次谐波收集光路需要特殊设计。5.固体谐波强度依赖于谐波产生方式以及收集方式，单一方式的实验数据导致很多物理过程的不确定(如传输效应的影响)，给理论模拟带来巨大的困难。
技术实现思路
为了解决以上固体高次谐波产生和探测过程中存在的问题，本专利技术提出了一种紧凑型反射和透射固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置及其方法；采用在真空环境下对谐波全反射的谐波收集结构，克服了荧光、杂散光和低阶谐波给高阶谐波探测带来的干扰，有效地拓宽了谐波探测的频谱范围。本专利技术的一个目的在于提出一种紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置。本专利技术的紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置包括：谐波产生腔、谐波聚焦腔、谐波探测腔、一维位移台、三维位移台、五维位移台、聚焦透镜、样品架、离轴抛物面镜、超环面镜、第一和第二光学狭缝、光栅、图像采集装置、计算机、产生腔分子泵、产生腔机械泵、探测腔分子泵以及探测腔机械泵；其中，谐波产生腔、谐波聚焦腔和谐波探测腔均为内部具有封闭空间的真空腔体；在谐波产生腔位于光路高度的侧壁上设置有多个360度均匀分布的窗口，选择其中一个窗口为入射窗口并选择其中一个窗口为出射窗口，谐波聚焦腔设置有一个入射窗口和一个出射窗口，谐波探测腔设置有一个入射窗口；谐波产生腔的出射窗口通过真空管道连接至谐波聚焦腔的入射窗口，谐波聚焦腔的出射窗口通过真空管道连接谐波探测腔的入射窗口；谐波产生腔安装产生腔分子泵，产生腔分子泵连接产生腔机械泵；谐波探测腔安装探测腔分子泵，探测腔分子泵连接探测腔机械泵；在谐波产生腔内的中心设置三维位移台，在谐波产生腔的一个入射窗口与三维位移台的连线上依次设置一维位移台和五维位移台，一维位移台和五维位移台连接至计算机；在一维位移台上设置聚焦透镜，以调整聚焦透镜的焦点位置；在五维位移台上设置样品架，在样品架上放置样品，能够对样品进行平移、俯仰角以及样品所在平面的360°面内转动；在三维移台上设置光学镜架，在光学镜架上设置离轴抛物面镜，三维移台能够对离轴抛物面镜进行位置调节并通过光学镜架进行俯仰角和面内转动调节；聚焦透镜、样品和离轴抛物面镜的中心位于同一条直线上，为光路传播方向，离轴抛物面镜的焦点位于光路上，且离轴抛物面镜的焦点与聚焦透镜的焦点重合，调整样品所在的五维位移台中的沿光路平行的维度，使得样品的后表面位于聚焦透镜的焦点上；离轴抛物面镜与谐波产生腔的出射窗口之间设置第一光学狭缝；在谐波聚焦腔中设置超环面镜架，在超环面镜架上设置超环面镜，超环面镜采用大角度掠入射的方式安装，以增强高次谐波的反射效率；在谐波探测腔中沿光路传播方向依次设置第二光学狭缝和光栅，在谐波探测腔上设置有探测孔，图像采集装置通过探测孔密封真空安装在谐波探测腔上，图像采集装置连接至计算机；激光通过谐波产生腔的一个入射窗口入射；经聚焦透镜聚焦后入射至样品上，经样品反射或透射，产生发散的谐波；离轴抛物面镜将发散光汇聚为平行光并反射；平行的谐波经过第一光学狭缝阻挡杂散光，经狭缝阻挡从而降低低阶的强谐波信号对高阶弱信号的干扰；之后谐波入射至谐波聚焦腔内的超环面镜；经超环面镜有效聚焦后反射至谐波探测腔；在谐波探测腔内，经过第二光学狭缝进一步阻挡杂散光和低阶谐波，并对基频光进行阻挡，防止其对探测器的损伤，经光栅将不同波长的谐波在空间中分开，并且最大限度降低相差，最终由图像采集装置；离轴抛物面镜把发散光汇聚为平行光的能力敏锐地依赖于发散光的焦点相对于离轴抛物面镜焦点的位置，高阶固体高次谐波产生于样品的后表面，而荧光和低阶谐波在很大样品区域都能产生，控制聚焦透镜与离轴抛物面镜共焦，同时调节夹持样品的五维位移台，使样品的后表面与样品共焦焦点重合，产生于样品的后表面的高次谐波经过离轴抛物面镜和超环面镜有效进入谐波探测腔，而不在样品的后表面产生的荧光、强低阶谐波和杂散光，不满足离轴抛物面镜共焦条件，将不能得到有效准直，经过长距离的传输，不能被超环面镜有效聚焦，最终被沿光路方向设置的第一和第二光学狭缝过滤，无法进入谐波探测腔，避免荧光、低阶谐波和杂散光的干扰，从而通过全反射结构实现增强高阶谐波探测效率和扩展谐波探测波段，并去除了杂散光的透射谐波和反射谐波测量。五维位移台为纳米级精度；一维位移台为纳米级精度；三维位移台为手动调节，在探测装置未抽真空前通过手动将三维位移台调好，抽真空后三维位移台不再动，只通过计算机控制一维位移台和五维位移台调节。五维位移台能够对样品进行水平面内平移，是指分别沿x轴、y轴和z轴的平移，俯仰角调节，俯仰角是指样品所在平面与光线所在水平面的夹角，以及对样品在其所在平面内的360度旋转调节，其中样品所在平面垂直于水平面。三维位移台为x轴、y轴和z轴的平移，以调节离轴抛物面镜的焦点在光路中的位置，离轴抛物面镜的俯仰通过光学镜架的旋钮调节。离轴抛物面镜的焦距越短越好，具体焦距视腔体大小而定，以确保离轴抛物面镜与聚焦透镜共焦点的同时，经过离轴抛物面镜的出射光线尽量位于谐波产生腔和谐波聚焦腔连接窗口的中心。超环面镜架连接至位于谐波聚焦腔外的螺旋测微器杆，允许在真空状态下使得操作者在谐波聚焦腔外螺旋测微器杆对超环面镜进行水平、垂直和聚焦三个维度的调节。超环面镜采用大角度掠入射的方式安装为光线入射方向和超环面镜的法线方向的夹角比较大，夹角大于80度的入射。第二光学狭缝连接至位于谐波探测腔外的螺旋测微器杆，通过螺旋测微器杆调节狭缝的宽度；狭缝越大，信号越强，分辨率越差，杂散光越大；狭缝越小，信号越弱，分辨率越高，杂散光越小。谐波产生腔采用圆形腔体，在光路高度的圆形腔体上360度均匀分布多个窗口，使得多角度入射成为可能，根据透射或反射谐波测量需要，选择其中一个作为入射窗口，也极大地方便反射谐波和透射谐波的自由切换。反射谐波与透射谐波各有优缺点，互为补充，可以给出更多的飞秒激光与固体相互作用信息，用来研究传输效应对固体谐波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置，其特征在于，所述紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置包括：谐波产生腔、谐波聚焦腔、谐波探测腔、一维位移台、三维位移台、五维位移台、聚焦透镜、样品架、离轴抛物面镜、超环面镜、第一和第二光学狭缝、光栅、图像采集装置、计算机、产生腔分子泵、产生腔机械泵、探测腔分子泵以及探测腔机械泵；其中，谐波产生腔、谐波聚焦腔和谐波探测腔均为内部具有封闭空间的真空腔体；在谐波产生腔位于光路高度的侧壁上设置有多个360度均匀分布的窗口，选择其中一个窗口为入射窗口并选择其中一个窗口为出射窗口，谐波聚焦腔设置有一个入射窗口和一个出射窗口，谐波探测腔设置有一个入射窗口；谐波产生腔的出射窗口通过真空管道连接至谐波聚焦腔的入射窗口，谐波聚焦腔的出射窗口通过真空管道连接至谐波探测腔的入射窗口；谐波产生腔安装产生腔分子泵，产生腔分子泵连接产生腔机械泵；谐波探测腔安装探测腔分子泵，探测腔分子泵连接探测腔机械泵；在谐波产生腔内的中心设置三维位移台，在谐波产生腔的一个入射窗口与三维位移台的连线上依次设置一维位移台和五维位移台，一维位移台和五维位移台连接至计算机；在一维位移台上设置聚焦透镜，以调整聚焦透镜的焦点位置；在五维位移台上设置样品架，在样品架上放置样品，能够对样品进行平移、俯仰角以及样品所在平面的360°面内转动；在三维移台上设置光学镜架，在光学镜架上设置离轴抛物面镜，三维移台能够对离轴抛物面镜进行位置调节并通过光学镜架进行俯仰角和面内转动调节；聚焦透镜、样品和离轴抛物面镜的中心位于同一条直线上，为光路传播方向，离轴抛物面镜的焦点位于光路上，且离轴抛物面镜的焦点与聚焦透镜的焦点重合，调整样品所在的五维位移台中的沿光路平行的维度，使得样品的后表面位于聚焦透镜的焦点上；离轴抛物面镜与谐波产生腔的出射窗口之间设置第一光学狭缝；在谐波聚焦腔中设置超环面镜架，在超环面镜架上设置超环面镜，超环面镜采用大角度掠入射的方式安装，以增强高次谐波的反射效率；在谐波探测腔中沿光路传播方向依次设置第二光学狭缝和光栅，在谐波探测腔上设置有探测孔，图像采集装置通过探测孔密封真空安装在谐波探测腔上，图像采集装置连接至计算机，图像采集装置连接至计算机；/n激光通过谐波产生腔的一个入射窗口入射；经聚焦透镜聚焦后入射至样品上，经样品反射或透射，产生发散的谐波；离轴抛物面镜将发散光汇聚为平行光并反射；平行的谐波经过第一光学狭缝阻挡杂散光，经狭缝阻挡从而降低低阶的强谐波信号对高阶弱信号的干扰；之后谐波入射至谐波聚焦腔内的超环面镜；经超环面镜有效聚焦后反射至谐波探测腔；在谐波探测腔内，经过第二光学狭缝进一步阻挡杂散光和低阶谐波，并对基频光进行阻挡，防止其对探测器的损伤，经光栅将不同波长的谐波在空间中分开，并且最大限度降低相差，最终由图像采集装置；离轴抛物面镜把发散光汇聚为平行光的能力敏锐地依赖于发散光的焦点相对于离轴抛物面镜焦点的位置，高阶固体高次谐波产生于样品的后表面，而荧光和低阶谐波在很大样品区域都能产生，控制聚焦透镜与离轴抛物面镜共焦，同时调节夹持样品的五维位移台，使样品的后表面与样品共焦焦点重合，产生于样品的后表面的高次谐波经过离轴抛物面镜和超环面镜有效进入谐波探测腔，而不在样品的后表面产生的荧光、强低阶谐波和杂散光，不满足离轴抛物面镜共焦条件，将不能得到有效准直，经过长距离的传输，不能被超环面镜有效聚焦，最终被沿光路方向设置的第一和第二光学狭缝过滤，无法进入谐波探测腔，避免荧光、低阶谐波和杂散光的干扰，从而通过全反射结构实现增强高阶谐波探测效率和扩展谐波探测波段，并去除了杂散光的透射谐波和反射谐波测量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置，其特征在于，所述紧凑型固体高次谐波产生和谐波谱高灵敏度探测装置包括：谐波产生腔、谐波聚焦腔、谐波探测腔、一维位移台、三维位移台、五维位移台、聚焦透镜、样品架、离轴抛物面镜、超环面镜、第一和第二光学狭缝、光栅、图像采集装置、计算机、产生腔分子泵、产生腔机械泵、探测腔分子泵以及探测腔机械泵；其中，谐波产生腔、谐波聚焦腔和谐波探测腔均为内部具有封闭空间的真空腔体；在谐波产生腔位于光路高度的侧壁上设置有多个360度均匀分布的窗口，选择其中一个窗口为入射窗口并选择其中一个窗口为出射窗口，谐波聚焦腔设置有一个入射窗口和一个出射窗口，谐波探测腔设置有一个入射窗口；谐波产生腔的出射窗口通过真空管道连接至谐波聚焦腔的入射窗口，谐波聚焦腔的出射窗口通过真空管道连接至谐波探测腔的入射窗口；谐波产生腔安装产生腔分子泵，产生腔分子泵连接产生腔机械泵；谐波探测腔安装探测腔分子泵，探测腔分子泵连接探测腔机械泵；在谐波产生腔内的中心设置三维位移台，在谐波产生腔的一个入射窗口与三维位移台的连线上依次设置一维位移台和五维位移台，一维位移台和五维位移台连接至计算机；在一维位移台上设置聚焦透镜，以调整聚焦透镜的焦点位置；在五维位移台上设置样品架，在样品架上放置样品，能够对样品进行平移、俯仰角以及样品所在平面的360°面内转动；在三维移台上设置光学镜架，在光学镜架上设置离轴抛物面镜，三维移台能够对离轴抛物面镜进行位置调节并通过光学镜架进行俯仰角和面内转动调节；聚焦透镜、样品和离轴抛物面镜的中心位于同一条直线上，为光路传播方向，离轴抛物面镜的焦点位于光路上，且离轴抛物面镜的焦点与聚焦透镜的焦点重合，调整样品所在的五维位移台中的沿光路平行的维度，使得样品的后表面位于聚焦透镜的焦点上；离轴抛物面镜与谐波产生腔的出射窗口之间设置第一光学狭缝；在谐波聚焦腔中设置超环面镜架，在超环面镜架上设置超环面镜，超环面镜采用大角度掠入射的方式安装，以增强高次谐波的反射效率；在谐波探测腔中沿光路传播方向依次设置第二光学狭缝和光栅，在谐波探测腔上设置有探测孔，图像采集装置通过探测孔密封真空安装在谐波探测腔上，图像采集装置连接至计算机，图像采集装置连接至计算机；
激光通过谐波产生腔的一个入射窗口入射；经聚焦透镜聚焦后入射至样品上，经样品反射或透射，产生发散的谐波；离轴抛物面镜将发散光汇聚为平行光并反射；平行的谐波经过第一光学狭缝阻挡杂散光，经狭缝阻挡从而降低低阶的强谐波信号对高阶弱信号的干扰；之后谐波入射至谐波聚焦腔内的超环面镜；经超环面镜有效聚焦后反射至谐波探测腔；在谐波探测腔内，经过第二光学狭缝进一步阻挡杂散光和低阶谐波，并对基频光进行阻挡，防止其对探测器的损伤，经光栅将不同波长的谐波在空间中分开，并且最大限度降低相差，最终由图像采集装置；离轴抛物面镜把发散光汇聚为平行光的能力敏锐地依赖于发散光的焦点相对于离轴抛物面镜焦点的位置，高阶固体高次谐波产生于样品的后表面，而荧光和低阶谐波在很大样品区域都能产生，控制聚焦透镜与离轴抛物面镜共焦，同时调节夹持样品的五维位移台，使样品的后表面与样品共焦焦点重合，产生于样品的后表面的高次谐波经过离轴抛物面镜和超环面镜有效进入谐波探测腔，而不在样品的后表面产生的荧光、强低阶谐波和杂散光，不满足离轴抛物面镜共焦条件，将不能得到有效准直，经过长距离的传输，不能被超环面镜有效聚焦，最终被沿光路方向设置的第一和第二光学狭缝过滤，无法进入谐波探测腔，避免荧光、低阶谐波和杂散光的干扰，从而通过全反射结构实现增强高阶谐波探测效率和扩展谐波探测波段，并去除了杂散光的透射谐波和反射谐波测量。


2.如权利要求1所述的紧凑型固体高次谐波产...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洋，吴成印，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11