[发明专利]一种用于真空紫外激光的透射式分光聚焦系统

说明书

本发明提出的一种用于真空紫外激光的透射式分光聚焦系统，属于光束分光聚焦技术领域，该系统由三块或四块凸透镜和一个光阑组成，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜、第二凸透镜前后排列于光阑同一侧，其余凸透镜位于光阑另一侧。本系统对四波混频产生的真空紫外激光(VUV)光源进行分光和聚焦，对基频光的分光率达到99.99％以上，VUV光(125nm‑150nm)的总透过率可达到10％以上。在聚焦时，还可采用高精度非球面凸透镜抵消球差，使本系统达到衍射极限，从而实现亚微米光斑聚焦。

技术领域

本发明属于光束分光聚焦技术领域，特别涉及一种用于真空紫外激光的透射式分光聚焦系统。

背景技术

运用四波混频技术可产生高强度真空紫外激光(VUV，波长范围120-150nm)。该激光光源具有单光子能量高、激光线宽窄、能量密度高以及发散角小等特点，广泛应用于原子分子激发态能级结构测量、分子反应动力学、以及质谱成像等领域。由于真空紫外激光波长短，可提供亚微米级别的空间分辨——理论上VUV光可聚焦至直径为100nm的光斑。因此，VUV光对亚微米级的生物细胞成像，纳米材料的微观结构分析等具有深远的意义。

四波混频技术基于非线性光学原理，将输入光(即基频光，包括紫外光、可见光)中的一部分在混频介质中转换为VUV光后，剩下的基频光会与VUV光共同输出。VUV波长较基频光短，单光子能量较基频光高，但由此产生的VUV光强度只有基频光的百分之一或更小。由于输出光中还混有高强度的基频光，若不将VUV光与该高强度的基频光分离，将会损伤被测样本，或掩盖VUV光的效果。因此，需要将VUV光和基频光分离。

将VUV光和基频光分离一般使用两个独立光学系统分别进行分光和聚焦。分光的常规技术是先使用棱镜或光栅将输出光中的VUV光和基频光进行分开。这种方法利用了棱镜或光栅对不同波长的光有不同的折射或衍射角度的性质，但出射的VUV光路改变了方向，大大增加了实验装置的难度和稳定使用。

文献报道的棱镜分光系统之一(D.Riedel，Appl.Phys.A 69,375–380,1999)分光后再通过单透镜实现聚焦。输出光通过棱镜后传播方向发生改变。不同波长的光线偏移角度不同，从而实现分光。可见光路不在一条轴线上，使用起来会非常不便。

目前用于VUV光的聚焦系统可采用反射聚焦方式。反射式聚焦镜具有无色差的优点；但成本高，体积大，反射镀膜损伤阈值低。另外，表面光解化学反应会在光学表面生成污染层，反射率会随工作时间降低，造成VUV光强的损失；且反射镀膜清洗困难。特别是用于高强度VUV光时，反射式聚焦系统存在的上述问题会更加突出。

综上，目前还未见用于高强度真空紫外激光的透射式分光聚焦系统。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种用于真空紫外激光的透射式分光聚焦系统。本系统可用少至三片透镜达到同时分光和亚微米近衍射极限聚焦的目的。

本发明提出的一种用于真空紫外激光的透射式分光聚焦系统，包括三块凸透镜和一个光阑，各凸透镜和光阑均垂直于光路且共光轴设置；其中，第一凸透镜、第二凸透镜前后排列于光阑同一侧，第三凸透镜位于光阑另一侧；

令第一和第二凸透镜之间的距离、第二凸透镜和光阑之间的距离、光阑和第三凸透镜之间的距离分别为L₁、L₂、L₃，令第一、第二、第三凸透镜在真空紫外激光波段的的焦距分别为f₁、f₂、f₃，则各元件的参数满足以下公式：

1.5×(f₁+f₂)＞L₁＞f₁+f₂ (1)

L₁＞2f₁ (2)