小電流低氣壓毛細(xì)管放電軟X射線激光增益飽和輸出研究.pdf

1、自1984年首次實(shí)現(xiàn)軟X射線激光以來，軟X射線激光作為一種相干光源，因其單色性好、瞬間亮度高、脈沖持續(xù)時(shí)間短和波長(zhǎng)短等特點(diǎn)受到了越來越多科學(xué)家的重視。然而，通過使用大型的激光系統(tǒng)激發(fā)固體靶的方式實(shí)現(xiàn)的軟 X射線激光，由于龐大的體積和昂貴的運(yùn)作成本，很大程度上限制了其應(yīng)用。因而實(shí)現(xiàn)小型化的、低運(yùn)轉(zhuǎn)成本的軟X射線激光也成為了各國(guó)科學(xué)家的研究重點(diǎn)。
　　毛細(xì)管放電方案是實(shí)現(xiàn)臺(tái)式的、小型化的軟X射線激光最為有效的方案之一。自1994年，美

2、國(guó)的Rocca小組首次成功實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管放電泵浦類氖氬46.9nm軟X射線激光輸出以來，國(guó)際上已有包括日本、意大利等7個(gè)國(guó)家的研究小組采用該機(jī)制相繼成功的實(shí)現(xiàn)了激光輸出，極大的推動(dòng)了軟X射線激光的發(fā)展。本研究小組于2004年首次在自行研制的裝置上實(shí)現(xiàn)了激光輸出。在之前的研究基礎(chǔ)上，本論文主要完成了46.9nm軟 X射線激光增益飽和輸出研究，使得本課題組成為國(guó)際上第四個(gè)實(shí)現(xiàn)增益飽和輸出的研究小組，并首次實(shí)現(xiàn)了小電流、低氣壓下的增益飽和輸出，有

3、利于裝置的進(jìn)一步小型化，在理論和實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域?qū)沊射線的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。而在小電流下實(shí)現(xiàn)激光的增益飽和輸出，就是要在低的激發(fā)閾下實(shí)現(xiàn)最高能量的激光輸出，電流幅值低必將導(dǎo)致工作氣壓低，產(chǎn)生激光的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)少，這就需要理論和實(shí)驗(yàn)中各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化，圍繞這一主題，本文主要包括了理論研究、實(shí)驗(yàn)裝置的介紹和改造以及實(shí)驗(yàn)研究三個(gè)方面，致力于提高激光增益以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、高能量的激光輸出。
　　在理論研究方面，本文第二章通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相

4、結(jié)合的方式，通過雪耙模型 Z箍縮理論的描述，系統(tǒng)的分析了激光的產(chǎn)生時(shí)間隨初始 Ar氣壓和主脈沖電流幅值的變化關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)中放電參數(shù)的選擇提供一定的參考?？紤]到等離子體存在電子密度梯度影響了軟X射線激光在等離子體中傳輸，通過光線傳輸方程的數(shù)值求解，詳細(xì)的描述了不同的電子密度分布形式下光線在等離子體柱內(nèi)的傳輸過程，并結(jié)合1mm差分孔對(duì)光線遮擋的計(jì)算分析和獲得的激光4mrad左右的束散角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推斷出放電時(shí)毛細(xì)管中的等離子體柱內(nèi)的電子密度

5、接近拋物線形分布，而且拋物線形分布的電子密度有利于光線在傳輸過程中的增益放大，以獲得更高增益，最終實(shí)現(xiàn)更高能量的激光輸出。
　　毛細(xì)管放電裝置主要包括了主脈沖系統(tǒng)、預(yù)脈沖系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、工作負(fù)載和充氣及真空系統(tǒng)等五個(gè)主要組成部分。本文首先描述了放電裝置各主要部件的工作原理，針對(duì)提高激光增益的實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)裝置進(jìn)行了相應(yīng)的改造。改造后的主開關(guān)可以通過更換附加電感的方式達(dá)到改變主脈沖電流上升沿的目的，以便研究主脈沖電流上升沿對(duì)激光增益的

6、影響。充氣系統(tǒng)的改造有利于研究摻雜氣體對(duì)激光增益的影響。裝置的改造為實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的保障。
　　為了實(shí)現(xiàn)更高增益的激光輸出，本文在第四章中進(jìn)行了一系列旨在提高激光增益的實(shí)驗(yàn)研究。首先，系統(tǒng)的研究了主脈沖電流幅值對(duì)激光增益的影響，在給定氣壓下，找到了最佳的主脈沖電流幅值，以實(shí)現(xiàn)更高增益的激光輸出。其次，研究了在Ar中摻入一定比例的He等氣體對(duì)激光增益的影響，研究表明摻入一定比例的He有利于提高激光的增益，也就提高了激光的輸出能量

7、。再次，研究了主脈沖電流上升沿對(duì)激光增益的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其它放電條件不變的情況下，電流上升沿變大在一定范圍內(nèi)有利于獲得更高的增益，從而獲得更高能量的激光輸出。預(yù)脈沖電流是實(shí)現(xiàn)軟X射線激光輸出的一個(gè)必要條件，它有利于等離子體均勻箍縮，本章最后分析了預(yù)主延時(shí)分別為2μs和7μs時(shí)預(yù)脈沖電流幅值對(duì)激光增益的影響，研究表明當(dāng)預(yù)脈沖電流幅值為20A時(shí)，激光輸出最為穩(wěn)定，激光增益最高，相對(duì)輸出能量也最強(qiáng)。
　　在增益飽和輸出和激光特性

8、研究方面，首先，使用單色儀分析了激光的時(shí)間特性，使用平場(chǎng)光柵譜儀和Rowland圓譜儀準(zhǔn)確的獲得了毛細(xì)管放電軟X射線激光的譜線信息，證實(shí)了X射線二極管獲得的激光尖峰為類氖氬46.9nm軟X射線激光。其次，采用較為簡(jiǎn)單的狹縫掃描的辦法測(cè)得探測(cè)面XRD上的光斑直徑為5.9mm和6.1mm，對(duì)應(yīng)的激光的束散角在水平方向?yàn)?.0mrad，垂直方向?yàn)?.1mrad。再次，論文最主要的部分是實(shí)現(xiàn)了不同放電條件下的增益飽和輸出，測(cè)量了不同等離子體長(zhǎng)度