一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置及方法

技术领域

本发明属于质谱分析的技术领域，具体涉及一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置及方法。

背景技术

质谱分析技术是一种广泛应用于物理、化学、药学及生命科学等领域研究和鉴别样品中各种化学物质的重要分析方法。质谱仪的研究可以追溯到二十世纪初，当时的科学家使用质谱仪用来研究原子和分子的结构。随着电子学与计算机技术等关联学科的发展，质谱仪的性能也随之得到提高。目前，质谱仪已经成为一种重要的分析检测仪器之一并且仍在高速发展。

电离源是质谱仪中最为重要的部分之一。电离源按照电离方式的不同可分为电子轰击电离源、共振增强多光子电离源和单光子电离源等。其中，电子轰击电离源是一种结构简单，操作方便，电离效率高，可用于电离键能较高的分子，这些特点有利于质谱仪获得高灵敏度和高分辨率。但是，电子轰击电离源同时存在一些缺点。例如该离子源通常使用70eV左右的电子轰击有机样品时能获得最大的灵敏度，但是通常有机样品的电离能为10.5eV左右。所以在使用轰击电离源检测有机样本时会产生较多离子碎片，导致分辨率下降，影响监测分析。

单光子电离只需要满足光子能量高于被电离物质的电离能以克服原子或分子的束缚能这一条件，即可实现电离。真空紫外光(单光子能量为6.2eV-12.4eV)可以通过单光子吸收对绝大多数的分子进行“软”电离，这样可避免分子裂解而产生大量的碎片离子峰。所以，使用真空紫外光作为单光子电离源，其具备灵敏度较高、在电离过程中产生的离子碎片很少和检测灵敏度高的优点。因此适合用来作为检测有机样品的电离源。

常见的真空紫外光的产生方法包括激光三倍频、低压惰性气体灯以及同步辐射光源等。其中激光三倍频方式产生真空紫外激光的效率更高，同时成本也更低。因此该方式已经成为在实验室中常用的真空紫外激光产生的方式。另一方面，由于真空紫外光在大气环境中极易被空气中的分子吸收，因此想要获得稳定的真空紫外激光，必须搭配真空系统。真空系统使用的零件通常为较厚的不锈钢，这对整套设备的灵活性产生了较大限制。如想调整真空紫外光在真空系统中的焦点，只能通过更换聚焦镜片或定制不同长度的零件以改变焦点位置。这种方式十分不灵活，并且想要做出调整就意味着必须停止真空系统，使之暴露大气，并且需要重新抽气以达到真空状态，浪费时间的同时也增加了成本。同时，由于仪器零件加工精度问题，理论计算出的焦点位置可能和实际的焦点位置没有完全匹配，也会降低电离效率，影响实验结果。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一个方面，提供了一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置，包括依次连接的入射窗口、非线性光学作用主体气体池、聚焦镜片及聚焦镜片的载镜法兰、出射窗口，以及聚焦镜片的三维调节装置；

所述聚焦镜片的三维调节装置包括上层板、中间板、下层板、波纹管二、若干对交叉滚柱导轨、丝杆、丝杆螺母、光杆；

所述下层板通过丝杆和光杆能够在沿光线入射方向移动；

所述上层板与中间板、中间板与下层板之间设置有交叉滚柱导轨，使得上层板与中间板能够在垂直于光线入射方向的平面内移动；

所述中间板与下层板中空，所述波纹管二一端与出射窗口密封固定连接，另一端通过穿过中间板及下层板与上层板密封固定连接；

所述上层板与聚焦镜片的载镜法兰密封固定连接。

作为优选的技术方案，所述入射窗口包括入射光窗口石英镜片、聚四氟乙烯法兰、入射窗口石英镜片载镜法兰；

入射窗口石英镜片通过O圈与聚四氟乙烯法兰、入射窗口石英镜片载镜法兰密封。

作为优选的技术方案，所述非线性光学作用主体气体池包括不锈钢通管和波纹管一；

所述不锈钢通管为空心圆柱体，一端通过O圈与入射窗口密封连接，另一端通过铜圈密封并与聚焦镜片三维调节装置的底座中的一个侧壁上的中心有通孔的法兰连接；所述不锈钢通管的外壁设有两个圆柱形通管，其中一个用于连接压力表，另一个作为气路管道，用于抽出或充入气体工作介质；

所述波纹管一一端与聚焦镜片三维调节装置的底座中的一个侧壁上的中心有通孔的法兰固定连接，另一端与聚焦镜片的载镜法兰固定连接。

作为优选的技术方案，所述聚焦镜片材料为氟化镁，焦距为150mm。

作为优选的技术方案，通过聚四氟乙烯压片将聚焦镜片固定在聚焦镜片的载镜法兰上，聚焦镜片与聚焦镜片的载镜法兰通过O圈密封。

作为优选的技术方案，所述气体池中的非线性光学作用主体为氙气与氩气的混合气体，其比例为1：10，压强为160Torr。

作为优选的技术方案，还包括两个M 8螺杆及联轴器，分别用于控制中间板与下层板的移动距离，具体为：所述中间板与下层板上各有一个延伸出的M 8螺纹孔，中间板与下层板上各有一个延伸出的平台，通过螺杆支架与延伸出的平台限制联轴器的位置，使得M 8螺杆位置固定，仅能原地旋转，再通过与M 8螺杆的螺纹配合，旋转M 8螺杆与联轴器即能够调整上层板或中间板的位置。

作为优选的技术方案，所述下层板与丝杆连接出设置有轴承。

本发明的另一个方面，还提供了一种焦点位置可调的真空紫外激光产生方法，应用上述的一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置，包括以下步骤：

通过圆柱形通管为非线性光学作用主体气体池充入气体工作介质；

以355nm波长的激光作为基频激光，通过入射窗口入射到非线性光学作用主体气体池中，其中部分通过四波混频作用转化为118nm波长的激光；

通过聚焦镜片的三维调节装置调节聚焦镜片的位置，将118nm波长的激光聚焦并由出射窗口出射至质谱仪，同时将355nm波长的激光发散掉。

作为优选的技术方案，所述气体工作介质为氙气与氩气的混合气体，其比例为1：10，压强约160Torr。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明能产生稳定的真空紫外激光，可以用作质谱仪的真空紫外光单光子电离源。

(2)本发明加入了聚焦镜片的三维调节装置，可以调节真空紫外激光的焦点位置，将真空紫外激光聚焦于待测样品，提高真空紫外激光的利用效率。

附图说明

图1是本发明实施例的一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的聚焦镜片的三维调节装置的结构示意图。

图3是本发明实施例的出射窗口的结构示意图。

图4是本发明实施例的聚焦镜片的载镜法兰的结构示意图。

附图标号说明：1、入射窗口石英镜片；2、聚四氟乙烯法兰；3、入射窗口石英镜片载镜法兰；4、圆柱形通管；5、不锈钢通管；6、波纹管一；7、聚焦镜片的载镜法兰；8、交叉滚柱导轨一；9、上层板；10、M 8螺杆及联轴器一；11、出射窗口；12、中间板；13、下层板；14、波纹管二；15、交叉滚柱导轨二；16、M 8螺杆及联轴器二；17、底座；18、挡板；19、丝杆；20、交叉滚柱导轨三；21、丝杆螺母；22、光杆；23、螺杆支架；24、轴承；25、聚四氟乙烯压片；26、聚焦镜片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置，包括沿光路方向依次设置的入射窗口、非线性光学作用主体气体池、聚焦镜片26及聚焦镜片的载镜法兰7以及出射窗口11，以及与聚焦镜片的载镜法兰7固定连接的聚焦镜片的三维调节装置；

参见附图1，入射窗口、非线性光学作用主体气体池由以下部分组成：入射窗口石英镜片1、聚四氟乙烯法兰2、入射窗口石英镜片载镜法兰3、两个外径为6mm的圆柱形通管4、内径为50mm的空心圆柱形的不锈钢通管5、波纹管一6、聚焦镜片的载镜法兰7、聚四氟乙烯压片25以及聚焦镜片26。

入射窗口石英镜片1与聚四氟乙烯法兰2通过O圈(通过挤压变形与KF法兰密封的圆形橡胶圈)挤压密封。聚四氟乙烯法兰2与入射窗口石英镜片载镜法兰3通过铜圈密封。两个外径6mm的圆柱形通管4设置在内径为50mm的不锈钢通管5的外壁，其中一个用于连接压力表，反应非线性光学作用主体气体池内的气体压强；另一个作为气路管道，与机械泵和分子泵的抽真空系统或与非线性光学气体充气系统连接，用于抽出或充入气体工作介质。入射窗口石英镜片载镜法兰3与不锈钢通管5通过铜圈密封。不锈钢通管5与挡板18通过铜圈密封，所述挡板18设置在聚焦镜片的三维调节装置的底座17的一个侧面。波纹管一6的一端与挡板18焊接，另一端与聚焦镜片的载镜法兰7焊接。聚焦镜片26通过聚四氟乙烯压片25以及O圈与聚焦镜片载镜法兰7密封。聚焦镜片26在该非线性光学作用主体气体池内的作用是使作为基频激光的355nm波长的激光经过非线性光学介质，通过四波混频作用转化为118nm波长的激光。355nm波长的激光器目前已有成熟的商业化产品如北京中科寺远光电科技有限公司的MQV-350-Ⅲ型激光器，常见的355nm激光获得方法通常由1064nm波长的激光通过一个三倍频晶体，通过三倍频作用获得。非线性光学作用主体气体池中的非线性光学作用主体为氙气与氩气的混合气体，其比例为1：10，压强约为160Torr。355nm波长的激光水平从入射窗口石英镜片1入射到非线性光学作用主体气体池中，在其中部分通过四波混频作用转化为118nm波长的激光。随后355nm波长的激光与118nm波长的激光一起通过聚焦镜片26出射，离开非线性光学作用主体气体池。另外由于聚焦镜片26的材料为氟化镁镜片，其对不同波长的光具有不同的折射率从而导致对不同波长的光有不同的焦距，因此可以通过改变聚焦镜片的位置可以达到聚焦118nm波长的激光同时发散355nm波长的激光的效果。

参见附图2，聚焦镜片的三维调节装置由以下部分组成：交叉滚柱导轨一8、上层板9、M 8螺杆及联轴器一10、中间板12、下层板13、波纹管二14、交叉滚柱导轨二15、M 8螺杆及联轴器16、底座17、挡板18、丝杆19、交叉滚柱导轨三20、丝杆螺母21、光杆22、丝杆螺母21、光杆22、；23、螺杆支架；24、轴承。

上层板9与中间板12之间通过两对交叉滚柱导轨固定，即交叉滚柱导轨一8和交叉滚柱导轨二15，分别设置在左右两侧，纵向放置，使得上层板9可以在中间板12上纵向移动。中间板12与下层板13之间同样通过两对交叉滚柱导轨三20固定，两对交叉滚柱导轨三20分别在上下两侧，横向放置，使得中间板12可以在下层板13上水平移动，即使得上层板9同样可以水平移动。通过上述装置，即可使得上层板9可以在一定范围里上下左右移动，通过铜圈与上层板9密封的聚焦镜片的载镜法兰7和聚焦镜片26同样可以上下左右移动。如此便可以调节通过聚焦镜片26聚焦的118nm波长激光的焦点的上下左右位置。其调节范围受到交叉滚柱导轨的限制，本装置采用的为调程为48mm的交叉滚柱导轨，因此聚焦镜片26的单向最大位移距离为24mm。交叉滚柱导轨位置通过M 8螺杆及联轴器调节，即上层板9与中间板12之间的交叉滚柱导轨一8和交叉滚柱导轨二15通过M 8螺杆及联轴器一10控制移动距离，中间板12与下层板13之间的两对交叉滚柱导轨三20通过M 8螺杆及联轴器二16控制移动距离。中间板12与下层板13上各有一个延伸出的M 8螺纹孔，中间板12与下层板13上各有一个延伸出的平台，通过螺杆支架23与延伸出的平台限制联轴器的位置，使得螺杆位置固定，只能在原地旋转，再通过与螺杆的螺纹配合，旋转螺杆与联轴器即可调整上层板9与中间板12的位置。中间板12与下层板13中空，使得波纹管二14可以直接焊接到上层板9上，能满足气密性要求的同时也留有足够的空间供上层板9移动。下层板13下方有三个孔，其中心是螺纹直径为12mm的丝杆19和与其配套的丝杆螺母21，其两侧有两个对称分布的光杆22。上述结构使得下层板13可以在沿光线入射方向上移动，从而使得上层板9可以在垂直于下层板13的移动方向的平面内上下左右进行移动，实现三维运动，即聚焦镜片的载镜法兰7也可以三维运动，最终使得聚焦镜片26可以三维运动。如此便可以调节通过聚焦镜片26聚焦的118nm波长激光的焦点的上下左右前后位置。

特别的，本实施例虽对上层板9、中间板12与下层板13的移动方向做出详细说明，但本发明的精神实质并不仅限于上述实施方式，同样的，可使上层板9与中间板12之间的交叉滚柱导轨横向放置，中间板12与下层板13之间的两对交叉滚柱导轨垂直放置，使得上层板9可以在中间板12上横向移动，中间板12可以在下层板13上纵向移动。

参见附图3，附图2中的波纹管二14一端与上层板9焊接，一端与附图3中的出射窗口上的一个CF 50的法兰焊接。该CF 50法兰的另一面与质谱仪的真空腔通过铜圈密封。其上有一轴承21，使得丝杆19容易旋转。

参见附图4，聚焦镜片26通过聚四氟乙烯压片25与O圈密封在聚焦镜片的载镜法兰7上。

在本申请的另一个实施例中，提供了一种焦点位置可调的真空紫外激光产生方法，应用上述实施例的一种焦点位置可调的真空紫外激光产生装置，包括以下步骤：

通过圆柱形通管6为非线性光学作用主体气体池充入气体工作介质；

以355nm波长的激光作为基频激光，通过入射窗口入射到非线性光学作用主体气体池中，其中部分通过四波混频作用转化为118nm波长的激光；

通过聚焦镜片的三维调节装置调节聚焦镜片26的位置，将118nm波长的激光聚焦并由出射窗口出射至质谱仪，同时将355nm波长的激光发散掉。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。