本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池。

背景技術(shù)：

真空紫外激光(波長(zhǎng)范圍120-150nm)可廣泛應(yīng)用于原子分子、凝聚態(tài)物理等基礎(chǔ)科學(xué)研究，也可用于各類(lèi)有機(jī)小分子甚至生物大分子的高靈敏度檢測(cè)，如激光濺射電離質(zhì)譜，紫外熒光探測(cè)。近些年來(lái)，真空紫外激光的質(zhì)譜濺射作用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，這是因?yàn)檎婵兆贤饧す獾膯喂庾幽芰枯^高。通過(guò)這種光源，極有可能獲取較大質(zhì)量分子的質(zhì)譜信息。同時(shí)該激光波長(zhǎng)比可見(jiàn)光、紫外光短，可以通過(guò)激光聚焦實(shí)現(xiàn)亞微米的空間分辨，對(duì)于研究生物樣品，特別是單細(xì)胞質(zhì)譜成像分析提供了一個(gè)新的工具。但若是要實(shí)現(xiàn)亞微米聚焦效果，要求產(chǎn)生的真空紫外激光單脈沖能量需高達(dá)幾十微焦耳。

目前主要有三種方式獲得上述較高強(qiáng)度的真空紫外光：同步輻射光源、自由電子激光器、四波混頻技術(shù)。前兩者裝置的成本昂貴，體積龐大而復(fù)雜，使用不便；而通過(guò)四波混頻產(chǎn)生真空紫外激光，相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)。

基于四波混頻產(chǎn)生真空紫外激光技術(shù)興起于二十世紀(jì)七十年代，一般四波混頻選擇的介質(zhì)主要有Kr氣、Xe氣、Ar氣等惰性氣體，但產(chǎn)生的真空紫外激光效率低，接近百萬(wàn)分之一。此外，還可采用汞蒸氣作為四波混頻介質(zhì)，其產(chǎn)生的混頻效率高達(dá)1％。現(xiàn)階段，實(shí)現(xiàn)汞蒸氣四波混頻分為聚焦或非聚焦的方法。前者需要一束或兩束激光聚焦在混頻池，通過(guò)雙光子共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)四波混頻，其中一束激光波長(zhǎng)固定，改變另一束激光波長(zhǎng)產(chǎn)生可調(diào)諧的真空紫外激光。由于雙光子共振很容易飽和，此方法難以產(chǎn)生高強(qiáng)度的真空紫外激光；而后者采用三束準(zhǔn)直激光，其中兩束激光波長(zhǎng)固定在共振能級(jí)，另外一束激光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，飽和效應(yīng)較小，可獲得單脈沖能量幾十微焦耳的真空紫外激光光源。

比較常見(jiàn)的汞蒸氣池設(shè)計(jì)方案來(lái)自R.Wallenstein課題組(Hilbig,R.and R.Wallenstein.IEEE Journal of Quantum Electronics 19(12):1759-1770.)，他們?cè)O(shè)計(jì)的汞蒸氣池適合用聚焦的方法實(shí)現(xiàn)四波混頻，其主要含有加熱管，與加熱管兩端連接的側(cè)管。其中加熱管和側(cè)管之間通過(guò)一個(gè)小孔連通，側(cè)管外面纏繞冷卻水管，可以有效地實(shí)現(xiàn)汞蒸氣的冷凝回流。但是該加熱管長(zhǎng)度較短(20mm)，導(dǎo)致四波混頻作用長(zhǎng)度較短，且汞蒸氣池處于一個(gè)封閉狀態(tài)，很難獲取穩(wěn)定的高強(qiáng)度真空紫外激光。

目前，只有兩個(gè)課題組課報(bào)道了利用三束準(zhǔn)直激光通過(guò)汞蒸氣池產(chǎn)生高強(qiáng)度真空紫外激光。一個(gè)是A Smith等人的課題組(Muller,C.,et al.Optics Letters 13(8):651,1988)。他們?cè)O(shè)計(jì)的汞蒸氣池長(zhǎng)為1.1m，其池體、兩端窗口片、真空計(jì)等都在一個(gè)恒溫爐中，該裝置體積龐大、汞蒸氣池處于封閉狀態(tài)，因此其使用很不方便。另外一個(gè)是Davis等人的課題組(Albert,D.R.,et al.Review of Scientific Instruments 84(6):063104,2013)。他們采用的汞蒸氣池四波混頻作用長(zhǎng)度為600mm，其混頻管為一個(gè)向下彎曲的不銹鋼管，管中央纏裹加熱帶，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱帶上的電壓來(lái)加熱混頻管，無(wú)溫度控制功能，很難保證恒溫效果；通過(guò)兩端環(huán)繞通冷卻水的銅管實(shí)現(xiàn)冷卻，但冷凝效果較差。這兩個(gè)課題組設(shè)計(jì)的汞蒸氣池在操作過(guò)程中，均不能得知汞蒸氣在不同位置的真空度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處提供一種采用管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池。本發(fā)明的汞蒸氣池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，可產(chǎn)生高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的真空紫外激光。

一種采用管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池，包括：包裹在等直徑混頻管外側(cè)的管式恒溫爐，真空獲取裝置，在混頻管兩端均設(shè)有的冷卻套管、氣體保護(hù)管；其特征在于，所述管式恒溫爐由電阻絲、陶瓷及絕熱層組成，該管式恒溫爐內(nèi)腔側(cè)壁的尺寸與混頻管側(cè)壁尺寸相匹配；所述混頻管每端的冷卻套管均由錐形內(nèi)管和圓柱形外套管構(gòu)成，錐形內(nèi)管的大口端與混頻管一端連通，錐形內(nèi)管與圓柱形外套管之間填充有循環(huán)冷卻水，圓柱形外套管的側(cè)壁上分別設(shè)有冷卻水進(jìn)、出管；所述混頻管兩端的兩個(gè)氣體保護(hù)管一端均分別與該端的錐形內(nèi)管小口端連通，一個(gè)氣體保護(hù)管的另一端安裝平面窗口片或透鏡，該平面窗口片或透鏡的材質(zhì)為氟化鎂或氟化鋰，另一個(gè)氣體保護(hù)管的另一端安裝平面石英窗口片；兩個(gè)氣體保護(hù)管側(cè)壁上均分別設(shè)有進(jìn)氣管和出氣管，其中進(jìn)氣管上設(shè)有控制保護(hù)氣體流量的針閥，出氣管與真空獲取裝置相連。

所述管式恒溫爐還包含兩個(gè)分別用于檢測(cè)混頻管中心和端部溫度的熱偶測(cè)溫計(jì)，該管式恒溫爐的測(cè)量誤差為1攝氏度。

所述真空獲取裝置由電磁閥和渦旋干泵構(gòu)成，通過(guò)電磁閥的開(kāi)關(guān)控制所述出氣管與該渦旋干泵的連通。

所述汞蒸氣池還包括兩個(gè)電容薄膜規(guī)，其中一個(gè)位于混頻管中部，另一個(gè)緊靠所述平面石英窗口片設(shè)置。

所述汞蒸氣池還包括設(shè)置在所述出氣管與真空獲取裝置之間的汞蒸氣回收裝置，該汞蒸氣回收裝置為一個(gè)圓柱體不銹鋼桶，桶內(nèi)塞滿(mǎn)銅網(wǎng)，經(jīng)出氣管導(dǎo)出的熱汞蒸氣由該銅網(wǎng)吸收或者冷凝。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：

1、整套汞蒸氣池采用不銹鋼制成，易于加工，生產(chǎn)成本較低。

2、整套汞蒸氣池與現(xiàn)有汞蒸氣池相比，引入管式恒溫爐對(duì)混頻管加熱，使汞蒸氣分布更均勻，對(duì)汞蒸氣池中的氣壓多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，采用兩端內(nèi)冷式水冷方法使得汞蒸氣更好的冷凝，從而獲得高強(qiáng)度的真空紫外光輸出。另外，通過(guò)對(duì)汞蒸氣的回收避免了環(huán)境污染。

3、通過(guò)該汞蒸氣池產(chǎn)生的高強(qiáng)度真空紫外光，可實(shí)現(xiàn)真空紫外激光濺射實(shí)驗(yàn)，對(duì)材料、生物樣品、特別是微小尺度樣品(如單細(xì)胞)的質(zhì)譜信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，為高空間分辨質(zhì)譜成像提供了工具。同時(shí)可用于光譜檢測(cè)等科研或民用領(lǐng)域以及推廣到環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事科學(xué)、天文觀測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的四波混頻汞蒸氣池的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明提供實(shí)例的三束激光四波混頻實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度真空紫外激光輸出。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的一種四波混頻汞蒸氣池作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提出的一種采用管式恒溫爐及冷卻套管的四波混頻汞蒸氣池，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括：包裹在等直徑混頻管1外側(cè)的管式恒溫爐2，真空獲取裝置，在混頻管1兩端均設(shè)有冷卻套管3、氣體保護(hù)管4；其中，管式恒溫爐2由電阻絲、陶瓷及絕熱層組成，可以上下開(kāi)啟，該管式恒溫爐中空，內(nèi)腔側(cè)壁的尺寸與混頻管1側(cè)壁尺寸相匹配；所述混頻管1每端的冷卻套管3均由錐形內(nèi)管3-1和圓柱形外套管3-2構(gòu)成，錐形內(nèi)管3-1的大口端與混頻管1一端連通，錐形內(nèi)管3-1與圓柱形外套管3-2之間填充有循環(huán)冷卻水，圓柱形外套管3-2的側(cè)壁上分別設(shè)有冷卻水進(jìn)管3-3和冷卻水出管3-4；所述混頻管1兩端的兩個(gè)氣體保護(hù)管4一端均分別與該端的錐形內(nèi)管3-1小口端連通，一個(gè)氣體保護(hù)管4的另一端安裝平面窗口片或透鏡6，該平面窗口片或透鏡6的材質(zhì)為氟化鎂或氟化鋰，另一個(gè)氣體保護(hù)管4的另一端安裝平面石英窗口片5；兩個(gè)氣體保護(hù)管4側(cè)壁上均分別設(shè)有進(jìn)氣管4-1和出氣管4-2，進(jìn)氣管4-1上設(shè)有控制保護(hù)氣體流量的針閥11，出氣管4-2與真空獲取裝置相連。

為了實(shí)現(xiàn)恒溫控制，所述管式恒溫爐還包含兩個(gè)熱偶測(cè)溫計(jì)，分別用于檢測(cè)混頻管1中心和端部的溫度，通過(guò)電路控制保證混頻管1中心和兩端溫度相同。該管式恒溫爐的測(cè)量誤差為1攝氏度，恒溫范圍為0-1000攝氏度，有效長(zhǎng)度為300-600mm。

所述混頻管1每端的冷卻套管3有效外徑均為30-60mm，有效長(zhǎng)度均為100-300mm。在冷卻套管3的圓柱形外套管3-2上下側(cè)壁各焊接冷卻進(jìn)水管3-3和冷卻出水管3-4，有效外徑為4-8mm，通過(guò)冷卻水進(jìn)、出管在冷卻套管3的錐形內(nèi)管和圓柱形外套管之間通入16-24攝氏度的循環(huán)冷卻水，汞蒸氣在接觸錐形內(nèi)管冷卻成液體后，由于重力作用而重新回落到混頻管1中。

所述所述混頻管1每端的氣體保護(hù)管4均采用不銹鋼管制成，有效外徑為30-60mm，有效長(zhǎng)度為100-200mm。保護(hù)氣體(Ar氣或者He氣)均從靠近窗口片的進(jìn)氣管4-1導(dǎo)入，從靠近錐形內(nèi)管小口端設(shè)置的出氣管4-2導(dǎo)出。通過(guò)導(dǎo)入Ar氣或者He氣不僅可以實(shí)現(xiàn)四波混頻要求的相位匹配條件，而且可以防止汞蒸氣在汞蒸氣池兩端的鏡片上冷凝而污染鏡片，造成真空紫外激光通過(guò)率降低的情況。

所述真空獲取裝置由電磁閥8和渦旋干泵9構(gòu)成，渦旋干泵9通過(guò)電磁閥8與出氣管4-2連通。通過(guò)電磁閥8的開(kāi)關(guān)控制出氣管4-2與渦旋干泵9的連通；通過(guò)控制針閥11調(diào)節(jié)氦氣或氬氣的流速，以控制汞蒸氣池的真空度。

本發(fā)明汞蒸氣池還設(shè)有兩個(gè)用于測(cè)量氣壓的電容薄膜規(guī)10，其中一個(gè)位于混頻管1中部，另一個(gè)緊靠平面石英窗口片5設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)汞蒸氣池中部及端部的真空度。

此外，本發(fā)明的汞蒸氣池在出氣管4-2與真空獲取裝置之間還可設(shè)有汞蒸氣回收裝置7，該汞蒸氣回收裝置為一個(gè)圓柱體不銹鋼桶，桶內(nèi)塞滿(mǎn)銅網(wǎng)，經(jīng)出氣管4-2導(dǎo)出的熱汞蒸氣被該銅網(wǎng)吸收或者冷凝，防止汞蒸氣污染環(huán)境。

本發(fā)明所述汞蒸氣池的工作過(guò)程說(shuō)明如下：

首先在汞蒸氣池左端通過(guò)一個(gè)不銹鋼導(dǎo)管加入液體汞到混頻管1中，然后在汞蒸氣池左右兩端分別安裝平面石英窗口片5和一個(gè)平面窗口片或透鏡6，這樣使得汞蒸氣池構(gòu)成了一個(gè)封閉的空間。將冷卻水通過(guò)混頻管1兩端的冷卻套管3，從進(jìn)水管3-3進(jìn)入，從出水管3-4出來(lái)，不斷循環(huán)，使得汞蒸氣在錐形內(nèi)管3-1中冷凝，再在重力的作用下流回至混頻管1，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)效果。

汞蒸氣回收裝置7下方的的不銹鋼管連通一個(gè)渦旋干泵9，將汞蒸氣池抽成真空，接著通過(guò)控制針閥11來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入汞蒸氣池的Ar氣或者He氣的流量。

接著通過(guò)管式恒溫爐2將混頻管1加熱，將利用商業(yè)染料激光器產(chǎn)生的三束平行光，通過(guò)非聚焦的方式通過(guò)汞蒸氣池的入射端的平面石英窗口片5，與混頻管1中的汞蒸氣產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，調(diào)節(jié)進(jìn)入的激光光束對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，可以產(chǎn)生高強(qiáng)度、穩(wěn)定可調(diào)諧的真空紫外激光(120-150nm)。

采用三束準(zhǔn)直光非聚焦四波混頻產(chǎn)生真空紫外激光實(shí)施例：

本實(shí)施例中，在混頻管1中注入4mL液體汞，汞蒸氣池左端安裝的平面氟化鎂窗口片6以及右端安裝的平面石英窗口片5直徑均為25.4mm，冷卻進(jìn)水管3-3和冷卻出水管3-4的內(nèi)徑和外徑均分別為12.5mm、17mm。氣體保護(hù)管4與汞蒸氣回收裝置7通過(guò)內(nèi)徑4mm、外徑6mm的不銹鋼出氣管4-2連通。監(jiān)測(cè)汞蒸氣池的兩端及中部真空度的電容薄膜規(guī)10的測(cè)量程均為0-5000Pa，本例中的真空度為600Pa。管式恒溫爐的外徑187mm、內(nèi)徑為42mm，其恒溫范圍為0到1000攝氏度，誤差為1攝氏度，有效長(zhǎng)度470mm，利用管式恒溫爐將混頻管1加熱至230攝氏度。冷卻套管3中錐形內(nèi)管3-1靠近混頻管1一端的內(nèi)徑30mm、另一端26mm，圓柱形外套管3-2內(nèi)徑45mm、外徑49mm，上下各開(kāi)一個(gè)12.5mm的孔，焊接一個(gè)外徑17mm、內(nèi)徑12.5mm的不銹鋼管，用于接通冷卻水。

將三束準(zhǔn)直光通入汞蒸氣池，激光光斑直徑均為5mm，重復(fù)頻率20Hz，脈寬6ns，發(fā)散角0.5mrad。該三束激光能量分別為255nm(對(duì)應(yīng)于汞原子的能級(jí)躍遷61S→63P)、4mJ/pulse；404nm(對(duì)應(yīng)于Hg原子的能級(jí)躍遷6³P→7 ¹S)、10mJ/pulse；631nm、15mJ/pulse。產(chǎn)生的真空紫外激光波長(zhǎng)為125.4nm，用光電轉(zhuǎn)換器探測(cè)，其強(qiáng)度如下圖2所示(16次脈沖平均)，圖中x-坐標(biāo)為探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間，y-坐標(biāo)為利用光電二極管探測(cè)的電壓，校準(zhǔn)比例為1.6微焦耳/V，產(chǎn)生的能量約為100微焦耳/pulse。當(dāng)?shù)谌獠ㄩL(zhǎng)從520---850nm變換時(shí)，對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生的VUV波長(zhǎng)從120nm變到132nm。

該汞蒸氣池不僅適用于三束光非聚焦，還適用于二束光非聚焦，以及三束光聚焦、二束光聚焦和單束光聚焦等共振增強(qiáng)四波混頻方法。對(duì)于二束光聚焦四波混頻方法，其中一束光的2倍頻率與汞的一個(gè)能級(jí)共振，第二束光通過(guò)一個(gè)透鏡進(jìn)入汞蒸氣池實(shí)現(xiàn)四波混頻；對(duì)于單束光聚焦方式，采用626nm的激光通過(guò)倍頻獲得313nm，再通過(guò)雙光子共振方法，將626nm和313nm通過(guò)一個(gè)透鏡進(jìn)入汞蒸氣池實(shí)現(xiàn)四波混頻。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。