[发明专利]一种采用管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池

说明书

本发明公开一种采用管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池，属于激光技术领域，包括包裹在等直径混频管外侧的管式恒温炉，真空获取装置，混频管两端均设有冷却套管、气体保护管；管式恒温炉由电阻丝、陶瓷及绝热层组成；冷却套管由锥形内管和圆形外套管构成，锥形内管的大口端与混频管一端连通，锥形内管与圆形外套管之间填充有冷却循环水，圆形外套管的侧壁上设有冷却水进、出管；两个气体保护管的一端均与锥形内管小口端连通，另一端分别安装平面窗口片或透镜、平面石英窗口片，气体保护管侧壁上设有进、出气管，进气管上设有针阀，出气管与真空获取装置相连。该汞蒸气池结构简单、成本较低，可产生高强度、稳定性好的真空紫外激光。

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种采用管式恒温炉及冷却套管的四波混频汞蒸气池。

背景技术

真空紫外激光(波长范围120-150nm)可广泛应用于原子分子、凝聚态物理等基础科学研究，也可用于各类有机小分子甚至生物大分子的高灵敏度检测，如激光溅射电离质谱，紫外荧光探测。近些年来，真空紫外激光的质谱溅射作用受到人们越来越多的关注，这是因为真空紫外激光的单光子能量较高。通过这种光源，极有可能获取较大质量分子的质谱信息。同时该激光波长比可见光、紫外光短，可以通过激光聚焦实现亚微米的空间分辨，对于研究生物样品，特别是单细胞质谱成像分析提供了一个新的工具。但若是要实现亚微米聚焦效果，要求产生的真空紫外激光单脉冲能量需高达几十微焦耳。

目前主要有三种方式获得上述较高强度的真空紫外光：同步辐射光源、自由电子激光器、四波混频技术。前两者装置的成本昂贵，体积庞大而复杂，使用不便；而通过四波混频产生真空紫外激光，相对比较容易实现。

基于四波混频产生真空紫外激光技术兴起于二十世纪七十年代，一般四波混频选择的介质主要有Kr气、Xe气、Ar气等惰性气体，但产生的真空紫外激光效率低，接近百万分之一。此外，还可采用汞蒸气作为四波混频介质，其产生的混频效率高达1％。现阶段，实现汞蒸气四波混频分为聚焦或非聚焦的方法。前者需要一束或两束激光聚焦在混频池，通过双光子共振技术实现四波混频，其中一束激光波长固定，改变另一束激光波长产生可调谐的真空紫外激光。由于双光子共振很容易饱和，此方法难以产生高强度的真空紫外激光；而后者采用三束准直激光，其中两束激光波长固定在共振能级，另外一束激光波长实现调谐，饱和效应较小，可获得单脉冲能量几十微焦耳的真空紫外激光光源。

比较常见的汞蒸气池设计方案来自R.Wallenstein课题组(Hilbig,R.andR.Wallenstein.IEEE Journal of Quantum Electronics 19(12):1759-1770.)，他们设计的汞蒸气池适合用聚焦的方法实现四波混频，其主要含有加热管，与加热管两端连接的侧管。其中加热管和侧管之间通过一个小孔连通，侧管外面缠绕冷却水管，可以有效地实现汞蒸气的冷凝回流。但是该加热管长度较短(20mm)，导致四波混频作用长度较短，且汞蒸气池处于一个封闭状态，很难获取稳定的高强度真空紫外激光。

目前，只有两个课题组课报道了利用三束准直激光通过汞蒸气池产生高强度真空紫外激光。一个是A Smith等人的课题组(Muller,C.,et al.Optics Letters 13(8):651,1988)。他们设计的汞蒸气池长为1.1m，其池体、两端窗口片、真空计等都在一个恒温炉中，该装置体积庞大、汞蒸气池处于封闭状态，因此其使用很不方便。另外一个是Davis等人的课题组(Albert,D.R.,et al.Review of Scientific Instruments 84(6):063104,2013)。他们采用的汞蒸气池四波混频作用长度为600mm，其混频管为一个向下弯曲的不锈钢管，管中央缠裹加热带，通过调节加热带上的电压来加热混频管，无温度控制功能，很难保证恒温效果；通过两端环绕通冷却水的铜管实现冷却，但冷凝效果较差。这两个课题组设计的汞蒸气池在操作过程中，均不能得知汞蒸气在不同位置的真空度。

发明内容