1 哈尔滨工业大学光电子信息科学与技术系，黑龙江 哈尔滨 150080
2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
毛细管放电极紫外激光是一种小型化的纳秒极紫外激光光源。相比自由电子激光和同步辐射等短波长光源，该光源具有运行成本低、单脉冲能量高和机时充足等显著优势。随着毛细管放电极紫外激光光源的发展，其输出已提高至深度饱和区，并且实现了重复频率输出、多波长输出等多样化输出方式。小型化的灵活性和优质的输出参数使其逐渐成为进行极紫外激光应用研究的理想光源。本文介绍了自1994年毛细管放电极紫外激光成功输出至今，该光源在微纳结构加工、物质成分检测、生物科学以及高分辨成像等领域的前沿应用。在微纳加工方面，极短的波长和极小的能量衰减深度使得该光源能够在纳米量程内进行材料的刻蚀。同时，较长的激光脉宽增加了极紫外激光诱导自组织微纳结构的可能性。在物质成分检测方面，极紫外激光的高能量光子能够以单光子电离材料表面，结合飞行时间质谱仪测量纳米尺度范围内的材料成分，便可实现超高分辨的物质组成分布检测。在生物科学领域，极紫外激光能够实现对微观生物样本的三维成分扫描，获得更多的表征信息。在高分辨成像方面，基于极紫外激光的短波长和良好的相干性，以Gabor同轴等方法进行高分辨成像能达到接近照明光水平的成像分辨率。已有的应用成果表明，毛细管放电极紫外激光是探索微观世界、制造微观结构的有力工具。在人类对短波长光源需求日益增长的今天，毛细管放电极紫外激光将有更多的机会展现它的应用价值和优势。
激光技术 极紫外激光 毛细管放电 激光微纳加工 高分辨成像 质谱检测
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Science and Technology on Tunable Laser, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
In this paper, the influence of the delay time between the pre-pulse and the main pulse on the double-pass amplified 46.9 nm laser was studied for the first time, to the best of our knowledge, by using a high-precision polished SiC slice as a rear mirror. The temporal and spatial characteristics of the output laser were measured separately to investigate the effect of the delay time on the laser characteristics. The energy of the double-pass amplified laser was between 510 µJ and 890 µJ. In addition, a theoretical model of double-pass amplification was established to analyze the effect of the delay time on the double-pass amplified 46.9 nm laser.
double-pass amplification delay time 46.9 nm laser capillary discharge Chinese Optics Letters
2023, 21(5): 053401
1 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
2 哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150080
探究了在毛细管内充入气压比为8∶1的Ar-He混合气体条件下,初始气压对46.9 nm激光输出特性的影响。通过测量Ar-He混合气体产生46.9 nm激光的气压范围和每个气压下对应的激光强度与光斑形态信息,总结出激光输出特性与初始气压的关系。然后,从等离子体柱的角度分析了混合气体初始气压对激光光斑的影响,得到了混合气体初始气压导致46.9 nm激光输出特性发生变化的原因。以上对激光特性的研究对于提高激光幅值和改变光斑形状有益。
光学学报
2022, 42(11): 1134022
Author Affiliations
Abstract
National Key Laboratory of Tunable Laser Technology, Institute of Optoelectronics, Department of Electronics Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
In this Letter, we firstly, to the best of our knowledge, demonstrated the influence of pre-pulse current and delay time on the intensity of a discharge pumped Ne-like Ar soft X-ray laser operating at 46.9 nm by employing an alumina capillary having an inner diameter of 4.8 mm. Specifically, the delay time was changed from 8 to 520 μs in small intervals. The pre-discharge current was increased from 25 A to 250 A through small steps, while keeping the main discharge current constant. Usually, a small pre-discharge current is applied to an Ar-filled capillary to attain a plasma column having sufficient pre-ionization before the injection of the main current. The pre-discharge current of 140 A was declared the best current to obtain lasing with a 4.8 mm diameter capillary. The laser spots were captured at best time delays for the pre-discharge currents of 25, 45, 80, 140, and 250 A, which support the experimental results. We observed that by applying the pre-discharge current of 140 A, the laser spot exhibits small divergence, higher symmetry, and uniformity, which is clear evidence of strong amplification. The laser spot obtained at 140 A is cylindrically symmetric and has a better structure than those reported by all other groups in the literature. Hence, the laser spot indicates that the laser beam is highly focusable and beneficial for the applications of the 46.9 nm laser. Results of this Letter might open a new way to enhance applications of a 46.9 nm capillary discharge soft X-ray laser.
Z-pinch pre-discharge kink instabilities beam divergence Chinese Optics Letters
2020, 18(11): 111403
1 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150080
2 东北林业大学理学院， 黑龙江 哈尔滨 150040
搭建了极紫外光源实验装置，获得了中心波长为13.5 nm的Xe等离子体极紫外的辐射光谱。测量了极紫外辐射的时间特性，用多次箍缩理论解释了光脉冲的多峰结构。获得了主脉冲电流幅值、Xe气流量、陶瓷管内径、等离子体长度、辅助气体等实验参数对极紫外辐射强度的影响规律。搭建了重复频率为1 kHz的13.5 nm极紫外光源样机，介绍了样机的电源系统、放电系统、去碎屑系统和光收集系统的基本情况，并给出了光源样机的调试结果。
X射线光学 极紫外光源 放电等离子体 极紫外光刻 中国激光
2018, 45(11): 1100001
哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
太赫兹后向散射特性是表征目标对太赫兹波散射能力的一个重要参数。在实际应用中抛物面形状占据了重要位置, 而在2.52 THz频率下的相关散射特性的研究至今处于空白。利用已搭建的测量系统对直径为50、60、70、80 mm, 粗糙度为3.2、6.3、12.5 μm等的抛物面进行了太赫兹后向散射的测量。利用MATLAB软件对数据进行处理并得出目标的太赫兹后向散射特性曲线。利用控制变量法分别研究尺寸和粗糙度对目标太赫兹后向散射的影响。随着尺寸的增大, 目标的散射特性曲线下降变缓, 在3°附近出现的凸起越来越明显。用示波器在所测角度边缘观察信号波形表明信号处于可测状态。后向散射测量实验结果表明, 测量动态范围最大可达22 dB, 最大误差约为0.15 dB。
太赫兹 测量 散射 粗糙度 terahertz measurement scattering roughness 红外与激光工程
2017, 46(11): 1125005
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
太赫兹后向散射强度是描述目标对太赫兹散射能力的一个重要参数。首先通过测量校准目标验证了2.52 THz后向散射特性测量系统的可行性, 并测得了系统的信噪比。在此基础上, 对6种尺寸铣削和喷砂加工矩形铝板的相对后向散射强度进行测量, 测量范围为0°~3°。实验结果表明: 测量的最大动态范围为32.25 dB; 不同尺寸喷砂铝板的相对后向散射强度之差较铣削铝板更明显; 在0°处, 相同表面积的铣削和喷砂铝板回波的平均偏差分别约为1.35 dB和0.51 dB。
散射 后向散射 太赫兹 散射测量 粗糙度 中国激光
2017, 44(12): 1214001
1 东北林业大学理学院, 黑龙江 哈尔滨 150040
2 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
等离子体状态是决定极紫外光源功率和转换效率的最重要因素之一, 理论和实验研究上Xe气流量对放电等离子体极紫外光源辐射谱和等离子体状态的影响, 对于优化光源工作条件具有重要的意义。 理论上, 采用碰撞-辐射模型, 模拟了非局部热力学平衡条件下, 不同电离度的离子丰度分布随电子温度和离子密度的变化。 推导了Xe8+~Xe11+离子4d-5p跃迁谱线强度随电子温度的变化趋势。 实验上, 采用毛细管放电机制, 利用罗兰圆谱仪测量和分析了不同等离子体密度条件下, 放电等离子体极紫外光谱的变化, 分析了Xe气流量对等离子体状态的影响。 理论和实验结果表明: 相同的电流条件下, 等离子体箍缩时的平均电子温度随着Xe气流量的增加而降低。 对于4d-5p跃迁, 低电离度离子与高电离度离子谱线强度的比值随着温度的增加而减少。 电流28 kA、 Xe气流量0.4 sccm(cm3·min-1)时, 等离子体Z 箍缩平均电子温度位于29 eV附近。 Xe气流量增加时, 受离子密度和最佳电子温度的影响, 实现Xe10+离子4d-5p跃迁13.5 nm(2%带宽)辐射谱线强度最优化的Xe气流量位于0.3~0.4 sccm之间。
放电等离子体 极紫外辐射 毛细管放电 极紫外光源 Discharge produced plasma EUV emission Capillary discharge EUV source 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2560
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150080
太赫兹目标散射特性是表征目标对太赫兹波散射能力的一个重要指标。搭建了束宽约100 mm的带有屏蔽舱的2.52 THz目标散射测量系统。利用该系统分别对粗糙度Ra为1.6，3.2，6.3，12.5 μm，宽为40 mm和45 mm的铝方板进行了后向散射的测量实验。通过对数据的分析以及与理论公式的对比，验证了此系统的可行性。实验结果表明，相同尺寸不同粗糙度铝板后向散射最大值变化很小，随着粗糙度增大，后向散射从高点下降，斜率有增大趋势。
测量 散射 太赫兹 粗糙度 激光与光电子学进展
2016, 53(11): 111201
哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150081
准平面波辐射下的背景材料太赫兹后向散射特性的测量方法对测量结果影响很大。为减小连续激光器输出功率波动对测量结果的影响，在每次测量泡沫塑料板时，均先测量墙的后向散射。同时，为了消除墙对测量结果的影响，以最大后向散射为基准，给出不同泡沫塑料板及同种背景材料转动不同方位角的相对后向散射强度。实验结果显示，三种泡沫塑料板相对墙的散射测量误差明显降低，从而提高了后续的相对后向散射强度测量的准确性。
材料 太赫兹 散射 背景材料 激光与光电子学进展
2015, 52(1): 011201
