專利名稱：雙色場x射線交叉相關測量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及阿秒脈沖，特別是一種雙色激光場x射線交叉相關測量儀，是極紫外和軟x射線波段單個阿秒脈沖和阿秒脈沖序列的識別系統，能夠識別出周期量級強激光脈沖泵浦的高次諧波過程中產生的是單個阿秒脈沖還是包含兩個或兩個以上脈沖的阿秒脈沖序列。
背景技術：
激光與物質的相互作用進入強場物理領域后，對于阿秒量級的超短脈沖的研究一直非常活躍。近年來提出了多種產生阿秒脈沖的方法，其中最為有效的產生途徑是周期量級的鈦寶石激光脈沖與惰性氣體相互作用的高次諧波過程。實驗上已經證明了高次諧波過程可以產生阿秒脈沖的理論預言，這揭開了阿秒測量學和研究亞飛秒電子動力學過程的序幕。但高次諧波過程中產生的可能是單個阿秒脈沖，也可能是包含兩個或多個強度相當、間隔為泵浦激光周期一半的阿秒脈沖序列。對于阿秒時間尺度的探測，單個阿秒脈沖的產生是非常重要的，因此需要識別高次諧波過程中產生的是單個阿秒脈沖還是阿秒脈沖序列。現有的測量阿秒脈沖寬度的方法主要是基于激光輔助原子的XUV光電離，但是這些方法均無法識別高次諧波過程中產生的是單個阿秒脈沖還是包含有多個脈沖的阿秒脈沖序列。已有的可以識別單個阿秒脈沖和阿秒脈沖序列的方法是阿秒互相關，見Armin Scrinzi，Michael Geissler，and Thomas Brabec，“Attosecond Cross Correlation Technique”，PRL，Vol 86，No.3，412~415(2001)根據原子或離子的電離率隨激光與XUV光之間時間延遲的變化曲線做出判斷。該方法的缺點是要求XUV光子能量要低于原子或離子的電離勢，這在實驗上很難實現。
傳統的激光輔助電離中，采用高次諧波泵浦激光同時作為測量過程的輔助激光，由于高次諧波過程產生的阿秒脈沖序列中脈沖之間的間隔為泵浦激光周期的一半，所以在傳統的激光輔助電離中，單個阿秒脈沖和阿秒脈沖序列引起的XUV光電子能譜隨輔助激光和XUV脈沖之間時延的變化關系相同，無法確定所測量的是單個阿秒脈沖還是阿秒脈沖序列。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于克服上述現有技術的不足，提供一種雙色激光場x射線交叉相關測量儀，它可以識別出高次諧波過程產生的是單個阿秒脈沖還是阿秒脈沖序列。
本發明的基本原理是采用基頻激光脈沖與其倍頻光的組合光束作為測量過程的輔助激光，使在某些時延位置，相鄰阿秒脈沖產生的光電子能譜出現分離，從而將單個阿秒脈沖和阿秒脈沖序列識別開來。
本發明的技術解決方案如下一種雙色場X射線交叉相關測量儀，包括差分泵浦真空系統和一高強度超短飛秒激光束，其特征是在該飛秒激光束的光路中有一分束鏡，該分束鏡的反射光束經真空系統的第一CaF窗片進入真空系統，在該反射光束的光路上依次還有時間延遲系統、第一會聚透鏡、He氣室、第一薄膜片、合束鏡、球形多層膜反射鏡，所述的分束鏡的反射光束經第一全反射鏡和真空系統的第二CaF窗片進入真空系統，在該透射光束的光路依次經BBO倍頻晶體、第二會聚透鏡、第二全反射鏡、第二薄膜片到達合束鏡，該合束鏡是中心開一小孔的反射鏡，在所述球形多層膜反射鏡的反射光方向設有一氖氣噴嘴和一時間飛行電子譜儀，該時間飛行電子譜儀的輸出端接一計算機，所述的第一薄膜片和第二薄膜片均是在其中心鍍相同大小的圓形鋯膜的薄膜片。
所述的真空系統具有差分泵浦功能，前端阿秒脈沖產生腔可達10-2Pa以上的真空度，后端阿秒脈沖測量腔可達約10-5Pa的真空度。
所述的第三反射鏡、第一全反射鏡表面鍍有基頻光高反膜。
所述的時間延遲系統是由四塊表面鍍有基頻光高反膜的全反透鏡組成的。
所述的第二反射鏡是表面鍍有倍頻光高反膜。
所述的第一會聚透鏡和第二會聚透鏡是透鏡前后表面鍍有基頻光的0°增透膜。
所述的球形多層膜反射鏡具有一個環形部分，中間是一個小孔，孔中是一個微型反射鏡，這兩部分的基底具有相同的曲率半徑，中心的微型反射鏡裝在壓電陶瓷控制的步進電機上，該步進電機與真空系統之外的計算機相連。
所述的時間飛行電子譜儀的軸向垂直于光束傳播方向和激光偏振方向所構成的平面。
本發明的優點是1、將基頻激光束經分束透鏡的透射光束倍頻得到倍頻光激光束，保證了基頻激光束與倍頻激光束之間的鎖相。
2、確定了高次諧波過程中產生的是單個阿秒脈沖后，擋掉光路B，即可通過基頻光激光輔助電離阿秒XUV脈沖寬度對電子能譜展寬作用的影響測量阿秒脈沖寬度。
圖1是本發明雙色激光場x射線交叉相關測量儀的結構圖。
圖2是雙色場單阿秒脈沖產生的XUV光電子能譜與雙色光和阿秒XUV光之間時間延遲的關系圖。
圖3是雙色場雙阿秒脈沖產生的XUV光電子能譜與雙色光和阿秒XUV光之間時間延遲的關系圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
先請參閱圖1，圖1是本發明雙色激光場x射線交叉相關測量儀的結構圖。由圖可見，本發明雙色場X射線交叉相關測量儀，包括差分泵浦真空系統5和一高強度超短飛秒激光束1，其特征是在該飛秒激光束1的光路中有一分束鏡10，該分束鏡10的反射光束A經真空系統5的第一CaF窗片14進入真空系統5，在該反射光束A的光路上依次還有時間延遲系統8、第一會聚透鏡12、He氣室19、第一薄膜片17、合束鏡11、球形多層膜反射鏡20，所述的分束鏡10的反射光束B經第一全反射鏡7和真空系統5的第二CaF窗片15進入真空系統5，在該透射光束B的光路上依次經BBO倍頻晶體16、第二會聚透鏡13、第二全反射鏡9、第二薄膜片18到達合束鏡11，該合束鏡11是中心開一小孔的反射鏡，在所述球形多層膜反射鏡20的反射光方向設有一氖氣噴嘴21和一時間飛行電子譜儀22，該時間飛行電子譜儀22的輸出端接一計算機23，所述的第一薄膜片17和第二薄膜片18均是在其中心鍍相同大小的圓形鋯膜的薄膜片。
所述的真空系統5具有差分泵浦功能，前端阿秒脈沖產生腔可達10-2Pa以上的真空度，后端阿秒脈沖測量腔可達約10-5Pa的真空度。
所述的第三反射鏡6、第一全反射鏡7表面鍍有基頻光高反膜。所述的第二反射鏡9是表面鍍有倍頻光高反膜。
所述的時間延遲系統8是由四塊表面鍍有基頻光高反膜的全反透鏡組成的。
所述的第一會聚透鏡12和第二會聚透鏡13是透鏡前后表面鍍有基頻光的0°增透膜。
所述的球形多層膜反射鏡20具有一個環形部分，中間是一個小孔，孔中是一個微型反射鏡，這兩部分的基底具有相同的曲率半徑，中心的微型反射鏡裝在壓電陶瓷控制的步進電機上，該步進電機與真空系統5之外的計算機23相連。
所述的時間飛行電子譜儀22的軸向垂直于光束傳播方向和激光偏振方向所構成的平面。
以下是本發明測量儀實施例的詳細說明高強度超短飛秒激光束1，即基頻光，d＝8.0±02mm，τ＝7fs，倍頻激光束2，光束1的倍頻光，阿秒XUV脈沖3，組合激光束4，即光束1和光束2的組合，真空系統5，具有差分泵浦功能，前端阿秒脈沖產生腔可達10-2Pa以上的真空度，后端阿秒脈沖測量腔可達約10-5Pa的真空度，第三反射鏡6、第一反射鏡7，φ＝30mm，表面鍍有基頻光高反膜，時間延遲系統8，由四塊φ＝30mm，表面鍍有基頻光高反膜的全反透鏡組成，第二反射鏡9，φ＝30mm，表面鍍有倍頻光高反膜，分束透鏡10，φ＝30mm，對基頻光的入射光束1分束，其反射光與透射光強度之比可為1∶1、1∶0.5或1∶0.2等不同比率的透鏡，合束鏡11，φ＝30mm，中心開一小孔，小孔的直徑約為2mm，第一會聚透鏡12，φ＝30mm，透鏡前后表面鍍有基頻光的0°增透膜，焦距f＝150cm，也可選用其它不同焦距的透鏡，第二會聚透鏡13，φ＝30mm，透鏡前后表面鍍有倍頻光的0°增透膜，焦距f＝150cm，也可選用其它焦距的透鏡，第一CaF窗片14、第二CaF窗片15，BBO倍頻晶體16，第一薄膜片17和第一薄膜片18都是中心鍍有鋯膜的薄膜片，200nm厚，直徑3mm的鋯膜片擋住了一個直徑2mm的小孔，準靜態Ne氣室19，Mo/Si球形多層膜反射鏡20，包括一個外徑為10mm的環形部分，中間是一個直徑3mm的小孔，孔中則是一個直徑略小一些的微型反射鏡，這兩部分共有相同的基底，以確保具有相同的曲率半徑R＝70mm，中心的微型反射鏡則裝在壓電晶體控制的步進電機上，可以從真空系統5外進行調整和控制，He氣噴嘴21，時間飛行電子譜儀(TOF)22，該譜儀的軸向垂直于光束傳播方向和激光偏振方向構成的平面，計算機23與時間飛行電子譜儀(TOF)22相連。
其工作過程，將超短脈沖激光1分為兩束，其中一束倍頻后的激光束2與基頻光1組成雙色場4，作為激光輔助電離過程的輔助激光場。調節雙色場與阿秒脈沖之間的延遲，時間飛行電子譜儀22探測雙色場激光輔助電離XUV光電子能譜隨延遲時間的變化并送計算機23顯示和存貯。從得到的XUV光電子能譜—延遲時間關系圖可識別出高次諧波過程產生的是單個阿秒脈沖還是阿秒脈沖序列。
本發明用于識別高次諧波過程中產生的XUV脈沖是單個阿秒脈沖還包含有兩個或多個脈沖的阿秒脈沖序列。周期量級基頻強激光脈沖1經第三全反透鏡6入射到分束透鏡10上。其反射光束A穿過第一CaF窗片14進入真空系統5，經過時間延遲系統8后由會聚透鏡12聚焦到準靜態Ne氣室19內，強激光脈沖與惰性氣體相互作用的產生高次諧波過程，生成阿秒XUV脈沖3。XUV脈沖3與激光脈沖1共軸地向前傳播，穿過中心鍍有鋯(Zr)膜的第一薄膜片17，由于鋯模對XUV是完全透明的而激光脈沖則無法通過，因此最后獲得的是一個中央為XUV光束而周圍為環狀激光光束的組合光束，這個組合光束繼續向前傳播，透過中心開有小孔的合束鏡11，高次諧波3可由中心小孔無阻擋地通過。這是一方面。
另一方面，分束透鏡10的透射光束B，走光路B經第一全反鏡7后穿過第二CaF窗片15進入真空系統5，經過BBO倍頻晶體16后轉換為倍頻激光束2，激光光束2由會聚透鏡13聚焦后由第二全反鏡9反射，經過一個中心鍍有鋯模的第二薄膜片18，激光光束2的中心部分被鋯膜阻擋，透過的環狀光束射向中心開有小孔的合束鏡11被反射。經過合束鏡11的光束A的透射光束和光束B的反射光束共軸的向前傳播，基頻光和倍頻光的環狀光束組成了雙色激光場。調整光路，使得第一會聚透鏡12、第二會聚透鏡13到中心開有小孔的合束鏡11的距離相等，倍頻光環狀光束與基頻光環狀光束之間的時間延遲可以由時間延遲系統8從真空系統5外部進行調整和控制，以形成不同的組合效果。雙色激光場和阿秒XUV光脈沖共軸向前傳播，由一個中心被雙壓電陶瓷控制的Mo/Si球形多層膜反射鏡20反射聚焦到He氣噴嘴21處。該反射鏡的壓電陶瓷能夠實現分辨率達到0.1fs，程長約50fs的無抖動延遲。在激光與惰性氣體原子的相互作用區，雙色激光場作為輔助激光場參與He氣原子的XUV光電離過程，阿秒XUV脈沖和雙色光電場在He氣原子的電離過程中發生互相關作用。時間飛行電子譜儀(TOF)22在與光束傳播方向和激光偏振方向構成的平面垂直的方向探測XUV光電子能譜，探測結果輸送到計算機23。球多層膜反射鏡20可由外部調節連續改變雙色激光場與阿秒脈沖之間的時間延遲，從而記錄XUV光電子能譜隨時間延遲的變化。從得到的XUV光電子能譜隨雙色激光場和阿秒XUV光之間時間延遲的變化圖中，是否有能譜分離出現，可以立即得出結論，高次諧波過程中得到的是單個阿秒脈沖還是阿秒脈沖序列。
為了驗證本發明的有效性，我們分別對雙色場激光場輔助的的單個阿秒脈沖和含兩個脈沖的阿秒序列電離進行了數值模擬。我們的計算基于公式(1)參見J.Itatani，F.Quere.G.L.Yudin，M.Yu.Ivanov，F.Krausz，and P.B.Corkum，“Attosecond Streak Camera”，PRL，Vol 88，No.17，l73903(2002)|av|2∝|dp(t0)EX(t0)|2μexp[-(p2(t0)2-W0)2τ2μ2],---(1)]]>μ=1+η2,]]>η＝EL(t0)p(t0)τ2，其中，|av(T)|2表示在雙色場和阿秒XUV脈沖過去之后探測到的動量為v的態|v>的強度幾率，p(t0)表示光電子的瞬時動量，它由阿秒脈沖單獨存在時XUV光電子的動量和瞬時雙色場矢勢組成，dp(t0)是從基態躍遷到連續態的動量為p(t0)偶極躍遷矩陣元素，EX(t0)表示阿秒脈沖，W0表示XUV光電子的初始動能，EL(t0)表示雙色激光電場，t0表示電離時刻。
數值計算中，雙色光脈沖可以用(2)式表示(數值計算中采用基頻光場波長為800nm)Ec(t)＝E0(t)(sin(ωLt)+0.5sin(2ωLt))， (2)其中E0(t)為高斯形脈沖包絡，基頻光的脈沖寬度為5fs，雙色激光場的峰值強度為7.88×1014W/cm2，這樣的激光脈沖在現在的激光技術條件下是可以得到的。
測試結果如圖2和圖3所示，圖2是雙色場單阿秒脈沖產生的XUV光電子能譜與雙色光和阿秒XUV光之間時間延遲的關系圖。
圖3是雙色場雙阿秒脈沖產生的XUV光電子能譜與雙色光和阿秒XUV光之間時間延遲的關系圖。
由圖可見，從XUV光電子能譜隨雙色激光場和阿秒XUV光之間時間延遲的變化圖中，是否有能譜分離出現，可以立即得出結論，高次諧波過程中得到的是單個阿秒脈沖還是阿秒脈沖序列。
權利要求
1.一種雙色場X射線交叉相關測量儀，包括差分泵浦真空系統(5)和高強度超短飛秒激光束(1)，其特征是在該飛秒激光束(1)的光路中有分束鏡(10)，該分束鏡(10)的反射光束(A)經真空系統(5)的第一CaF窗片(14)進入真空系統(5)，在該反射光束(A)的光路上依次還有時間延遲系統(8)、第一會聚透鏡(12)、He氣室(19)、第一薄膜片(17)、合束鏡(11)、球形多層膜反射鏡(20)，所述的分束鏡(10)的反射光束(B)經第一全反射鏡(7)和真空系統(5)的第二CaF窗片(15)進入真空系統(5)，在該透射光束(B)的光路上依次還有BBO倍頻晶體(16)、第二會聚透鏡(13)、第二全反射鏡(9)、第二薄膜片(18)到達合束鏡(11)，該合束鏡(11)是一中心開孔的反射鏡，在所述球形多層膜反射鏡(20)的反射光方向設有一氖氣噴嘴(21)和一時間飛行電子譜儀(22)，該時間飛行電子譜儀(22)的輸出端接一計算機(23)，所述的第一薄膜片(17)和第二薄膜片(18)均是在其中心鍍相同大小的圓形鋯膜的薄膜片。
2.根據權利要求1所述的雙色場X射線交叉相關測量儀，其特征在于所述的第三反射鏡(6)、第一全反射鏡(7)表面鍍有基頻光高反膜。
3根據權利要求1所述的雙色場X射線交叉相關測量儀，其特征在于所述的時間延遲系統(8)是由四塊表面鍍有基頻光高反膜的全反透鏡組成的。
4.根據權利要求1所述的雙色場X射線交叉相關測量儀，其特征在于所述的第二反射鏡(9)是表面鍍有倍頻光高反膜。
5.根據權利要求1所述的雙色場X射線交叉相關測量儀，其特征在于所述的第一會聚透鏡(12)和第二會聚透鏡(13)是透鏡前后表面鍍有基頻光的0°增透膜。
6.根據權利要求1所述的雙色場X射線交叉相關測量儀，其特征在于所述的球形多層膜反射鏡(20)具有一個環形部分，中間設小孔，孔中是個微型反射鏡，兩者的基底具有相同的曲率半徑，中心的微型反射鏡裝在壓電陶瓷控制的步進電機上，該步進電機與真空系統(5)之外的計算機(23)相連。
7.根據權利要求1所述的雙色場X射線交叉相關測量儀，其特征在于所述的時間飛行電子譜儀(22)的軸向垂直于光束傳播方向和激光偏振方向所構成的平面。
全文摘要
一種雙色場X射線交叉相關測量儀，包括差分泵浦真空系統和高強度超短飛秒激光束，在該飛秒激光束的光路中有分束鏡，該分束鏡的反射光束經真空系統的CaF窗片進入真空系統，在該反射光束的光路上依次還有時間延遲系統、第一會聚透鏡、He氣室、第一薄膜片、合束鏡、球形多層膜反射鏡，所述分束鏡的反射光束經第一全反射鏡和第二CaF窗片進入真空系統，該透射光束依次經BBO倍頻晶體、第二會聚透鏡、第二全反射鏡、第二薄膜片到達合束鏡，該合束鏡是一中心開小孔的反射鏡，在所述球形多層膜反射鏡的反射光方向設有氖氣噴嘴和時間飛行電子譜儀，該時間飛行電子譜儀接計算機。本發明能夠識別出高次諧波過程中產生的是單個的阿秒XUV脈沖還是阿秒XUV脈沖序列。
文檔編號G01J11/00GK1587932SQ20041005278
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月13日 優先權日2004年7月13日
發明者霍義萍, 曾志男, 李儒新, 徐至展 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所