（等离子体物理专业论文）x射线激光实验研究.pdf

搐要 摘要 x 射线激光的发展和应用是当今激光科学技术发展中的重大前沿课题之一， 独特的优点使得x 射线激光在物理学、生物学、化学、材料学以及惯性约束聚 核变( i c f ) 等领域有着巨大的应用前景。自从首次在实验室获得x 射线激光的 演示以来，就获得了广泛的关注和研究，不仅是x 射线激光本身的研究，还包 括在各方面的应用研究尝试。目前，尽管x 射线激光在很大程度上获得了发展， 并且也进行了一系列的应用尝试，但需要继续研究和发展的内容还有很多。 本论文作者在攻读博士的三年中，主要的工作就是x 射线激光的实验研究。 结合当前x 射线激光发展的潮流和方向，在三个方面进行了一系列的实验研究 工作，取得了相对不错的研究结果。三个方面分别是。x 射线激光诊断等离子体 的应用、水窗附近x 射线激光和x 射线激光小型化方面的尝试。但三个方面的 侧重点不同：x 射线激光诊断等离子体的应用方面，经过多年的努力，已经获得 了非常适合于应用研究的类镍银1 3 9 r i mx 射线激光的输出，对光学元件的制作 和标定也有了充分的研究，并且已经在实验上分别演示了摩尔偏折法以及马赫- 珍德尔( m a c h - z e l m d e r ，简称m z ) 干涉法诊断等离子体的实验，实验结果已经 能够对校验理论程序起到初步的作用；在水窗附近x 射线激光研究中，考虑到 应用前景以及实验的难度，我们把目标放在类镍钽4 4 8 r i mx 射线激光上。目前 已经在神光i i 装置上获得了增益长度积5 5 的较强x 射线激光的输出，随着更 深入研究的展开，更强的输出以及在生物方面应用的研究也会随之展开；在小型 化方面，起步比较晚，目前已经分别为在高功率激光物理国家实验室的皮秒装置 和中科院北京物理所的飞秒装置之上进行长短脉冲联合驱动产生x 射线激光的 实验研究工作设计出详细的实验方案，并且各项准备工作也基本完成。 本论文详细的描述了作者在以上x 射线激光三个方面的实验研究内容和结 果，下面是各章节的简单介绍。 第一章，简单介绍了x 射线激光的发展历史。从x 射线激光自身和应用研 究两个方面阐述了x 射线激光发展的历史，并简单介绍了x 射线激光的基本原 理和各方面的应用前景。 第二章，介绍了进行x 射线激光实验研究所需要的条件以及一些相关的技 术。内容包括驱动条件、诊断方法、实验元件等几方面的内容 第三章。具体介绍了利用类镍银x 射线激光以及其诊断等离子体应用方面 的研究情况内容包括类镍银x 射线激光的饱和输出以及光束质量的优化、摩 尔偏折法和m z 干涉法诊断等离子体电子密度分布信息的实验演示等 王埠? z 射饯激兄宾簟研究 l 第四章，具体介绍了近水窗类镍钽x 射线激光的实验研究工作。主要内容 包括基频倍频联合驱动实验研究、类镍钽x 射线激光驱动条件优化以及进一步 的实验方案等内容。 第五章，描述了进行x 射线激光小型化方面的一些尝试。主要包括分别利 用皮秒和飞秒激光产生x 射线激光的具体实验方案等。 第六章，全文的简单总结。 回顾攻读博士三年来的研究，本人主要进行的工作包括如下几点： 以主要成员身份参与多轮x 射线激光实验的方案制定和具体实施。包括 在神光i i 装簧上进行的类镍银、类镍钽出光实验、类镍银诊断等离子体 应用实验以及在皮秒和飞秒装簧上进行x 射线激光实验研究的方案等 已进行了一些实验获得了很好的结果。 以主要成员身份参加莫尔偏折仪、m - z 干涉仪等诊断仪器的设计和调试 工作；参与非等宽柱面透镜均匀线聚焦系统的设计工作l 参与x 射线光 学元件的参数设计、实验标定等工作。 总体来说，本人在攻读博士的三年期间，对x 射线激光的发展有了深入的 认识。并在x 射线激光的实验研究方面进行了一系列的工作，取得了一定的进 展，但这还只是初步的。今后，还有更多的内容需要仔细地进行。 i 本论文的完成得到了国家自然科学基金( 批准号t6 9 9 8 9 8 0 1 ) 和国家八六三 高技术计划x 射线激光专题( 批准号：8 6 3 - 8 0 4 - 7 3 ) 的资助和指导。 关键字。x 射线激光，等离子体诊断，摩尔偏折法，m - z 干涉法水窗x 射线激光小型化 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fx - r a yl a s e ri so n eo f t h es i g n i f i c a n tf o r w a r d p r o j e c t si nt h el a s e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf i e l d st o d a y x - r a yl a s e r sh a v ew i d e s p r e a d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d s i nm a n yf i e l d ss u c ha sp h y s i c s ，b i o l o g y , c h e m i s t r y , m a t e r i a l s s c i e n c ea n di n i t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n0 c f ) ，b e c a u s eo ft h e i rs p e c i a lf e a t u r e sa n d a d v a n t a g e s t h es t u d i e so nb o t hx - r a yl a s e ri t s e l fa n di t sa p p l i c a t i o n sw e r ea t t e n d e d w i d e l y , s i n c et h ef i r s td e m o n s t r a t i o no f x r a yl a s e ra tl a b o r a t o r i e s a tp r e s e n t ，t h e r ei s s t i l lm u c hf a r t h e r r e s e a r c h ，t h o u g hm a n yd e v e l o p m e n t s o fx - r a yl a s e ra n di t s a p p l i c a t i o n sh a v e b e e n a c h i e v e d t h em a i nw o r ko ft h ea u t h o ri nt h et h r e ey e a r so fp h dw a st h ee x p e r i m e n t a l s t u d i e so nx - r a yl a s e ra n di t sa p p l i c a t i o n s t h e r ea r et h r e ea s p e c t st h a tt h ea u t h o rh a s c a r r i e do na ni n v e s t i g a t i o ni n ，r e f e r r i n gt ot h et i d eo f x - r a yl a s e rr e s e a r c hi nt h ew o r l d t h et h r e ea s p e c t si n c l u d e s ：s t u d i e sa n da p p l i c a t i o n so f d i a g n o s i n gp l a s m a w i t hx - r a y l a s e ra sa p r o b e ，d e m o n s t r a t i o n so fx - r a yl a s e rt o w a r d s w a t e rw i n d o w sa n da t t e m p to f t a b l e - t o px - r a yl a s e r s h o w e v e r , t h ee m p h a s e sa n dp r o g r e s sw e r e n o tt h es a m e o nt h ea s p e c to fs t u d i e sa n da p p l i c a t i o n so f d i a g n o s i n gp l a s m a , t h e r eh a db e e n g r e a ta c h i e v e m e n t s a no u t p u tb e a m o fan i - l i k ea g x - r a yl a s e ra t1 3 9 r i ms u i t e df o r a p p l i c a t i o n s w a s s u c c e s s f u l l y o b t a i n e d a l o n g w i t ht h e o p t i m i z a t i o n o fv a r i o u s c o n d i t i o n s a tt h es g h l et i m e ，t h ea p p l i c a t i o n so f d i a g n o s i n gp l a s m aw i t ht h ex - r a y l a s e ra sap r o b e w e r e e x e c u t e d u s i n g b o t h m o i r 6 d e f l e c t o m e t e r a n d m a c h z e l m d e r i n t e r f e r o m e t e r e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e ds o m e e l e m e n t a r y v a l u ef o rt h e i n t e r r e l a t e dt h e o r i e sa n dc o d e s o nt h ea s p e c to fd e m o n s t r a t i o n so f x - r a yl a s e rt o w a r d s w a t e rw i n d o w s ，w ec h o s e n i l i k et ax - r a yl a s e ra t4 4 8 r i ma st h em a i no b j e c tb e c a u s eo fi t sg r e a ta p p l y i n g f o r e g r o u n d a n d c o m p a r a t i v e l ye a s y a c t u a l i z a t i o n a tp r e s e n t ，ac e r t a i n o u t p u ti n t e n s i t y o ft h en i l i k et ax - r a yl a s e rw i t hag a i n l e n g t hp r o d u c t ( g l ) o fa b o u t5 5w a s a c h i e v e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff u r t h e rs t u d i e s ，t h eh i g h e ri n t e n s i t yo u t p u to ft h e x - r a y l a s e ra n de v e na p p l i c a t i o n si nb i o l o g yf i e l d sw o u l db e o u t s p r e a d e d o nt h e a s p e c to fa t t e m p t o ft a b l e - t o p x - r a yl a s e r s p a r t i c u l a re x p e r i m e n t a l p r o j e c t so fp r o d u c i n gx - r a yl a s e rw i t h al o n g - a n da nu l t r a s h o r t - p u l s el a s e ru n i t e d d r i v eh a db e e nc a r r i e do u tu n d e rb o t ht h e1 0 t wp sl a s e rf a c i l i t y a tn a t i o n a l l a b o r a t o r yo fh i g hp o w e r l a s e ra n d p h y s i c sa n d t h e2 0 t wf sl a s e rf a c i l i t ya tb e i j i n g - i | i 王 茸? 名射线盘_ 屯实i j i f 宪 | i n s t i t u t eo fp h y s i c s n o w p r e p a r a t i v e w o f k sa l _ e a l m o s tf i n i s h e d a n dt h ef i r s t e x p e r i m e n t a la t t e m p to f x r a yl a s e rw o u l d s t a r ti nt h en e a rf u t u r e i nt h i sa r t i c l e ，t h ee x p e r i m e n t a lc o n t e n t sa n dr e s u l t st h a tt h ea u t h o rw o a e do nt h e t h r e ea s p e c t so fx - r a yl a s e rd u r i n gt h et i m eo fp i l dw e r ed e l i v e r e d t h es i m p l e i n t r o d u c t i o n sw e r ea sb e l o w i nc h a p t e rlt h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo fx - r a yl a s e rw a ss i m p l yi n t r o d u c e d n l e c o n t e n t si n c l u d e dt h ed e v e l o p m e n to fx - r a yl a s e ri t s e l fa n di t s a p p l i c a t i o n s ，t h e k e y s t o n eo f x r a yl a s e ra n d i t sw i d ef o r e g r o u n d s i n c h a p t e ri i ，a s e r i e so fn e c e s s a r yc o n d i t i o n sa n dr e l a t i v e t e c h n i q u e s o i l e x p e r i m e n t a l s t u d i e so fx - r a yl a s e r sw a sd i s c u s s e di nd e t a i l t h ec o n t e n t sm a i n l y i n c l u d e dd r i v ec o n d i t i o n s ，d i a g n o s e dm e t h o d s ，a n do p t i c a le l e m e n t sa n d s oo n i nc h a p t e r1 1 1 ，t h es t u d y p r o g r e s s e so f n i l i k ea g x - r a yl a s e ra n d i t sa p p l i c a t i o n s o fd i a g n o s i n gp l a s m aw e r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h em a i nc o n t 髓t si n c l u d e dt h e o p t i m i z a t i o no fx r a yl a s e rc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea p p l i e de x p e r i m e n t a l d e m o n s t r a t i o n so f d i a g n o s i n gp l a s m aw i t ht h ex - 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r a yl a s e rw o u l d b ee x e c u t e di nd e t a i li nn e x tr e s e a r c h e s t h i st h e s i sh a sb e e n s u p p o r t e db y t h et h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n tn o 6 9 9 8 9 8 0 1 ) ，a n dt h en a t i o n a lh i g i lt e c h n o l o g y i n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o nf o u n d a t i o no f c h i n a ( g r a n tn o 8 6 3 8 0 4 - 7 - 3 ) k e y w o r d ：x - r a yl a s e r ，d i a g n o s t i c s o fl a s e r p l a s m a ，m o i r 6d e f l e c t o m e t e r , m a c h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r , w a t e rw i n d o w t a b l e t o px r a yl a s e r v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，电不包含为获得中国工程物理研究院或其他 教育机构的学位或证书使用过的材利。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确地说明并表示谢意。 学位论文作者签名 辩签字嗍细午年年月臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中圈工程物理研究院研究生部有关保存、使 用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授 权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：诞导师签名：圣户乏夕多费 签字曰j i ：孔r d 4 年年月1 6 | 1笸。，i 叭上卅僻中月z 细 ， 弟，章2 射线激兄研宪曲i t 展r 引i - ， 第1 章x 射线激光研究的进展( 引言) 1 1 什么是x 射线激光 顾名思义，x 射线激光就是波长在x 射线波段的激光。从电磁波谱图( 图 1 1 ) 中可以看出，x 射线是指波长在3 0 - - 0 o l n m 之间区域的电磁辐射，其长波 区与真空紫外辐射( v u v ) 或超紫外辐射( x u v ) 部分重叠，短波区则与y 射 线有重叠。通常x 射线又可以分为软x 射线和硬x 射线，但界限并不十分明确， 一般以0 2 n m 为分界。本文的主要内容讨论的是波长相对较长的软x 射线激光， 简化起见，一般省略“软”字而直接称为x 射线激光。 1 0 4 1 0 3 1 0 21 0 1e v l 硬x 射线一一 软x 射线 一1 r 射缓i 一超紫外( x o v ) 一j 一真空紫外( v u v ) 一l 图1 1 与x 射线激光研究有关的电磁波谱图 n m 作为x 射线激光，兼具了x 射线短波长、穿透力强和激光方向性好、相干 性好的优点。这独特的优点使得它在物理学、生物学、化学、材料学以及惯性 约束聚核变( i c f ) 等领域有着极其深远的应用前景【一1 。近些年来，x 射线激光 的发展和应用一直都是当今激光科学技术发展中的重大前沿课题之一。 1 2 x 射线激光的基本原理和发展历史 1 2 1x 射线激光的特点 兼具了两者优点的同时，也使得x 射线激光的实现比起两者来说要复杂和 困难的多。其困难主要表现在两个方面： l 、对驱动源要求高。与普通激光原理相一致，x 射线激光通常也是采用三 能级或是四能级的粒子数反转结构来实现的。为了实现x 波段的短波长，就必 须考虑采用商离化度的离子的外围电子跃迁或者是直接采用原子( 或离子) 的内 壳层电子跃迁。这对驱动源提出了搬商的要求。前者需要把介质加热电离到很高 的离化度，通常需要采用大型的激光装置来驱动；后者则要求驱动源有很快的上 i 霹jz 射戎嫩屯寰叠研竟 升沿以产生维持时间非常短的内壳层粒子数反转。 2 、无腔运转。谐振腔式运转是普通激光的主要模式，可以大大地降低增益 介质的长度同时提高激光的输出光束质量。但是对于x 射线激光来说，实现腔 式运转有很大难度，主要表现在两个方面：a 、增益介质即高温等离子体的增益 维持时问非常短，多通不但不能有效地增加增益长度，反而有可能增加吸收；b 、 光学元件缺乏。在x 射线波段，相应的光学元件，如用于谐振腔两端使用的反 射镜的反射效率很低，难以有效地发挥谐振腔的作用。因此目前的x 射线激 光通常是采用无腔的单通自发辐射放大( a s e ) 方式运转的，这也在客观上限制 了增益介质的长度，也就是说需要更大的增益系数才能实现高强度的输出。 基于上述的两个主要的特点，x 射线激光的实现相比普通激光就有了更大的 难度。因此尽管在激光的实现之初( 1 9 6 0 年) ，就有人开始研究向x 射线波段推 进的工作，但直到二十多年后( 1 9 8 4 年) 才在实验室中第一次演示了x 射线激 光 3 _ 5 1 。目前，又经过了二十年的发展，x 射线激光研究已经取得了很大的进展。 获得了从波长7 n m 到5 0 h m 的很多波长激光的饱和输出【6 - 1 6 1 ，其中已经有小型化 甚至是台式的装霹问世 i o a 2 , | 7 - 2 4 1 ，并且进行了一系列的应用实验研究t 2 s - 2 9 1 。 在增益介质中实现粒予数反转是产生激光的必要条件，有很多的机制或方法 有可能达到这一要求，也就是实现x 射线激光的可能途径，主要包括有电子碰 撞激发、三体复合、毛细管放电、。光场电离j 内壳层电离等【1 圳。下面将对这些 机制做一些简单的说明。 1 2 2 电子碰撞激发 1 2 。2 1电子碰撞激发机制的原理 在等离子体中，自由电子与离子之间的碰撞可能引起电子在能级问的跃迁。 电子碰撞激发机制就是依据这一物理过程来实现的。初始动能国的自由电子与处 于基态的离子州+ 碰撞。离子被激发到+ 态，而朱态电子的动能变化为印其过 程的反应式可以表示为： 础+ + p ( q ) _ 以+ + e ( s ，) ( 1 1 ) 通常来说，单电子的跃迁应当遵循光学选择定则，即偶极跃迁这种跃迁碰 撞截面可以用有暮两个态的偶极矩阵元表示。经过b e t l 艟近似之后可写作川s = 鬻觚n ：j ：一 ( 1 _ 2 ) 其中，尺，= 2 厅2 州h2 为晕德伯常数， 爿0 一q i = a 屯，厶为吸收报子强 摹t 幸才射伐激光研竟曲i t 晨r 引t ， 度g 。为自由一自由g o u n t 因子，数值卜约为o 2 - - 0 5 为波尔半径。 可以通过原子中电子空问分前i 的性质如字称柬考虑原子中的电子跃迁。在电 子跃迕中，最基本的选择定则就是跃迁只能发生于在不同宇称的状态间，这种跃 迁称为电偶极跃迁。宇称通过相应波函数的对称性来分为奇、偶两类；确定字称 的一种简单的方法就是把原子中各电子的，量子数相加来确定。不同状态问能否 跃迁首先考虑这一条，然后再根据电子耦合的类型( l s 或) 考虑其他定则。 但是，对于其它1 i 满足跃迁定则的跃迁过程( 非电偶极跃迁) 也有一定的几 率。电子离子碰撞是一种非弹性碰撞。在自由电子能量超过阈值时非电偶极跃 迁截而远小于电偶极跃迂截面；但是在电于能量接近阈值时非电偶极跃迁截面可 能与电偶极跃迁截面一叶f 大甚至更犬，特别是字称没有变化的跃迁，这种跃迁 称之为单板跃迁。事实上，在高剥离的等电子系列闭合壳层离子( 如类氮、类氖、 类镍、类钕等离子) 的弧稳能级单极激发的碰撞截而是同类离予巾最大的i ”j ，例 如类氖离子2 p 6 到2 p5 3 p 的激发、类镍离子3 矿3 d ”到3 矿3 d 9 4 d 的激发。电子碰 撞激发机制就是利用了等电子系列闭壳层离子亚稳能级单极激发截面大的特征 发展起来的。通过单极激发这种主量子数差a n = l 的跃迁，电子进入x 射线激光 跃迁的上能级，山于j ：能级与基态阳j 是非电偶极跃迁，处于亚稳态；而下能级到 基态则是电偶极允许跃迁，衰减的速率很大，从而形成卜下能级问的粒子数反转。 不同的等电子系列单极激发的碰撞强度可以简单表示为p 叫： ， c a ( h i ，z ) = 厶( z ) ( z ) m ，三笋i ( 1 3 ) n b i 正j 其中m ，为次壳层电子数( 对类氦、类氖、类镍分别为2 、6 、1 0 ) ，1 = 1 3 6 e v 品“z ) 对类氨、类氖和类镍系列离子分别近似为0 3 、0 5 和0 6 ，r t g z ) 为考虑到偏 离纯s 耦合和相对论效应后单极强度下降的因子，低z 时接近于l 。由此可以 看出，随着壳层的增加，单极碰撞强度增加，电子碰撞激发的转换效率增加，这 也是近年来x 射线激光研究重点逐步从类氖向类镍离子过渡的主要原因之一。 电子碰撞激发机制的特点如下： 1 、闭壳层等电予系列离子比较稳定，在等离子体中丰度很高，通过单极激 发容易形成商数照的粒子数反转； 2 、单极激发的强度随主量子数n 的增大而增大。因此利用类镍离子比利用 类氖离子具有更高的景子效率。这也是目前研究多集中在类镰离子的原因； 3 、电子碰撞激发机制x 射线激光的跃迁是在同一主壳层的不同次壳层之问 进行( a n ：0 ) ；因此为了获得更短波长的激光，必须选择原子序数更高的离子， a 蝽? 才射线激屯实- 研究 从而对驱动条件提出了更商的要求； 4 、较高的电子温度和较低的离子温度有助于电子碰撞单极激发的产生，也 就是说利用短脉冲的驱动条件可能更有利于产生x 射线激光。 lo 上能级3 矿4 d 级3 a 9 4 p 图1 2电子碰撞激发产生粒予数反转的原理( 以类镰离子为倒) 1 2 2 2 电子碰撞激发x 射线激光的发展 电子碰撞激发机制是实现x 射线激光的最重要的一种机制。从最初的软x 射线波段自发辐射放大的演示到现在饱和增益x 射线激光的研究，经过了二十 几年的发展，目i j i 已经比较成熟。随着各种靶型结构的采用和驱动方式的改进， 电子碰撞激发机制x 射线激光的效率不断提高，驱动条件不断降低，输出光束 的质量也越来越好，已能满足一些应用实验的要求。在电子碰撞激发机制x 射 线激光的发展中，有一些罩程碑式的发展阶段和技术，下面依此来简单回顾下： l 、高功率大能量激光驱动爆炸薄膜靶阶段：首次实验室演示和其后获得的 饱和输出。 1 9 8 4 年美国利弗摩尔实验室( l l n l ) 首先在实验室成功演示了软x 射线波 段的自发辐射放大( a s e ) 1 3 , 4 j ，从而揭开了、x 射线激光发展的新的一幕。所使 用的就是高功率大能星激光双面辐照爆炸薄膜靶的电子碰撞激发机制。所谓的爆 炸薄膜靶就是一层薄膜，通常是在1 0 0 n mc h 等材料的衬底上镀上几十到几百 n l n 的金属材料制成。当高功率激光经聚焦后辐照在其上时，迅速把薄膜烧透， 等离子体向外喷射，产生类似“爆炸”的效果。互相正对的两束激光通过线聚焦 的方式辐照爆炸薄膜靶，形成近似成柱状结构的等离子体。条件合适时，就可能 获得x 射线激光的输出。 在首次演示之后l l n l 继续努力利用脉冲宽度在4 5 0 p s 到i n s 的绿光激 光( - - 0 5 3 p m ) 双面辐照爆炸薄膜靶。分别获得了类氖硒( 2 0 6 n m ) 、类氖钇 ( 1 5 5 n m ) 等元素的x 射线激光的饱和输出1 8 9 】。其中类氖钇x 射线激光线脉宽 大约2 0 0 p s ，输出总能最达到了7 m j ，峰值功牢约3 2 m w 。另一方面，也开展了 摹，幸2 射线激光j i f 宪曲t 晨f 引tj 更短波长，特别是水窗波段( 2 3 “4 n m ) x 射线激光的研究，其中值得提出的 几个结果包括水窗波段cl 致收边附近的类镍钨( w t4 3 n m ) 和类镍钽( t a ：4 5 n m ) 的高强度输出，其增益长度积( g l ) 分别为7 和8 ：还有迄今为止最短波长的类 镍金i a u ：3 6 n m ) x 射线激光等 3 4 , 3 5 l 。 2 、双靶对接技术降低了折射对x 射线激光的影响：激光驱动平面厚靶的实 验广泛丌展。 - 爆炸薄膜靶方案尽管取得很好的结果但因为要烧蚀薄膜靶，因此驱动的效 率比较低，对驱动激光的能量有很高的要求，通常需要数千焦耳的大型激光作为 驱动源；另一方面。薄膜靶的制作也相对困难，因此大大限制了研究的条件和范 围。因此美国海军实验室( n r l ) 尝试采用平面厚靶进行实验，利用纳秒量级的 激光脉冲，首先获得了类氖锗j = 2 1 跃迁( 2 3 2 n m 、2 3 6 n m ) 的增益放大i 3 6 1 。相 对于爆炸薄膜靶，平面厚靶制作简单( 直接采用块状商纯度介质或在玻璃基板上 镀元素膜等方式制作) ，对驱动激光能量要求也有所降低。但却带来了另一个问 题，就是折射效应的影响。在两侧对打爆炸薄膜靶的方案中，形成的增益等离子 体成柱状对称结构因此x 射线激光基本上是沿着柱状等离子体的中心轴线前 进；而在平面厚靶的方案中激光只能从一侧辐照等离子体只向一侧喷射，形 成的增益区在靶面垂直方向上存在很大的电子密度梯度，x 射线激光传播时会由 于折射效应发尘偏折而逐渐离开增益区( 图1 3a ) 。这对x 射线激光的输出有很 大的影响使得增益长度积( g l ) 难以做大。 双靶对接技术就是为了减小折射效应对x 射线激光的影响而引入的。如图 1 3 ( b ) 是双靶对接技术补偿折射敷应的原理示意图，其基本想法是通过改变第 二个等离子体的位置来使得x 射线激光能够很好的在增益区内进行传播和放大。 1 9 9 0 年，高功率激光联合实验室，( n l h p l p ) 首创了双靶对接技术，并在其后成 功应用于类氖锗( 2 3 2 n m 、2 3 6 n m ) x 射线激光实验。通过补偿电子密度梯度对 x 射线激光的折射效应首次在平面厚靶方案中获得了x 射线激光的饱和输出。 更逑一步，他们又在此基础上进行了四靶串接的实验，获荦寻了更好的结果，使得 类氖锗x 射线激光输出达到了深度饱和并且发散角达到了接近衍射极限的 l m r a d 3 7 - 4 2 1 。其后，此技术经过发展，平面厚靶方式的x 射线激光获得了广泛了 应用。 补偿折射效应的另一种方案是采用弯曲靶1 4 鲥，如图1 3 ( c ) 所示。通常来说， 向外喷射的等离子体总是在靶面的法线方向，因此便可形成如图i 3 ( c ) 所示的 增益区等离子体的形状。当增益区等离予体的形状与x 射线激光的前进轨迹一 致的时候，就可能非常好地补偿折射效应的影响。在一些的相关实验中，也证实 i ，l ? z 射伐激先实簟研竟 了这一点。但是与双靶对接技术相比，弯曲靶技术有几个不足之处。首先，靶的 制作难度大大增加；其次，靶面的曲率是预先固定的，原则上曲率应当由x 射 线激光的偏折角决定，但这是预先很难给出的。另外其曲率还无法根据实验的进 度来改变，因此效果比较难以确定。而双靶对接技术，通过改变双靶的问距、夹 角等条件可以方便地在现场改变匹配条件；第三，聚焦方面的问题。弯曲靶存在 两端或中问离焦的问题，对线聚焦的均匀性等方面会有一定的影响，特别是当靶 面肋率很大的时候。j f 是这些原因，弯曲靶的使用不像双靶对接技术那样广泛。 x 射鲺赢光 埘盏荨冉寻体 靶 a 折射效应使得x 射线散光柬曩葡 开增益区 ) 震靶对接螗# f t 好的补偿折射教应曲影 tcj 采用弯曲靶也拖扑僖折射摄应的影响 图1 3 双靶对接技术补偿折射效应的原理示意图 3 、预主脉冲驱动技术大大降低了驱动激光能量要求：获得更短波长激光的 饱和输出变成可能。 平面厚靶的使用大大提高了驱动激光盼利用效率，使得对驱动激光的要求大 幅度的下降。但是在获得更短波长的x 射线激光( 波长在lo l m 以下) 的时候， 其对驱动激光的能量要求依然很可观。在这个条件下，预主脉冲驱动技术被提出， 进而大大地改进了这一点。 ， 先前的实验，是采用单脉冲激光进行驱动的( 图1 4a ) ，靶的加热融化、电 离、碰撞激发等各个过程都由单脉冲完成，效率比较低。另一方面，等离子体的 电子密度梯度很大，折射效应影响非常大。尽管可以采用双靶对接方式，但是其 增益区宽度非常窄，给实验骺来了较大的难度。因此有人尝试利用多脉冲的驱动 方式( 图1 4b ) 1 4 4 45 1 。利用前几个脉冲完成靶的加热融化、电离、预等离子体 ( 类氖或类镍等电子系列闭合壳层等离子体) 形成等一系列过程在靶前形成电 子密度合适的预等离子体，最后的主脉冲完全用来驱动电予的碰撞激发产生粒子 数反转。但是此方式并不一i 分有效，可能的原因包括多脉冲长时间的加热可能引 一 一 弟，幸z 射线漱先j l f 竟曲避晨f f 言j 起较高的离子温度，而这对电子碰撞单极激发是非常不利的。1 9 9 4 年，英国罗 斯福实验室( r a l ) 的张杰等人考虑没有必要使预等离子体达到那么高的电离度 ( 类氖或类镍离子) ，因此他们改变了日i r j t , 个脉冲的布局，采用低强度的预脉冲 ( 强度为主脉冲的1 0 - - - 3 0 ) 来产生预等离子体( 图1 4c ) 。这样不仅起到了 产生预等离子体，使电子密度分布更加平缓的作用，还使得等离子体不至于过度 离化或加热。他们利用这1 技术，取得了很好的结果，利用并不高的驱动条件 获得了从2 0 n m 直到7