張興強(qiáng)，王騏

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系，湖北 十堰 442002; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150006）

毛細(xì)管放電類氖氬46.9 nm軟X光激光譜線的分辨

張興強(qiáng)1，王騏2

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 理學(xué)系，湖北 十堰 442002; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150006）

毛細(xì)管放電46.9 nm軟X光激光以高溫高密度氬等離子體作為激光增益介質(zhì)，在46.9 nm激光譜線附近會(huì)出現(xiàn)大量的背景光譜，這對(duì)于進(jìn)一步研究激光及其應(yīng)用極為不利。本文實(shí)驗(yàn)研究了不同氣壓下毛細(xì)管放電輸出激光的情況，發(fā)現(xiàn)低氣壓下適于產(chǎn)生激光的氬氣氣壓為38 Pa，此時(shí)激光信號(hào)最大。隨著氣壓的增加，激光信號(hào)減小。當(dāng)氣壓達(dá)到65 Pa時(shí)，激光信號(hào)完全消失。由于氣壓相差不多，2種情況下的背景光基本相同，可作為分辨激光譜線時(shí)的參考光。利用平焦場(chǎng)光柵譜儀并采用膠片測(cè)譜法，分別用膠片記錄38 Pa和65 Pa氬氣的激光譜線。對(duì)比曝光并沖洗后的膠片可找到46.9 nm譜線的大致位置。用黑度掃描儀對(duì)沖洗后的膠片進(jìn)行掃描，再與He+和Ar8+的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)譜線比較，經(jīng)過(guò)對(duì)譜線的相對(duì)位置和強(qiáng)度的分析，最終分辨出46.9 nm軟X光激光譜線。

激光技術(shù)；毛細(xì)管放電；軟X光激光；激光光譜

0 引言

自1984年首次實(shí)現(xiàn)軟X光激光以來(lái)［1］，X光激光器的研制和X光波段的激光技術(shù)都得到了很快的發(fā)展［2-4］。X光激光具有波長(zhǎng)短、光子能量大、光源亮度高、相干性好等優(yōu)點(diǎn)，在X光激光相干測(cè)量、全息、光刻、工業(yè)加工、醫(yī)療等方面具有廣闊的應(yīng)用前景［5-6］。毛細(xì)管放電46.9nm激光來(lái)源于Ar8+離子的2p53p-2p53s J=0-1能級(jí)躍遷，當(dāng)氬等離子體的電子溫度達(dá)到60～90 eV、電子密度達(dá)到（0.5～2）×1019/cm3時(shí)，Ar8+離子的豐度很高，此時(shí)毛細(xì)管放電產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)等離子體柱有可能成為很好的軟X光激光增益介質(zhì)。毛細(xì)管放電產(chǎn)生激光的過(guò)程中，由于采用電子碰撞離子的泵浦方式，電子速度存在一定的分布，電子與離子碰撞時(shí)都處于運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)碰撞方式泵浦不僅產(chǎn)生不同電離價(jià)的離子，而且相同的離子也可能被激發(fā)到不同的激光上能級(jí)，再加上毛細(xì)管的管壁剝蝕和電極燒蝕提供少量的雜質(zhì)離子，這樣在46.9 nm激光譜線的附近存在大量的伴線光譜和背景光譜。要從這些譜線中辨認(rèn)46.9 nm激光譜線，需要經(jīng)過(guò)精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用合適的儀器和測(cè)量方法。本文利用平焦場(chǎng)光柵譜儀先對(duì)激光束進(jìn)行分光，再采用膠片測(cè)譜法用黑白膠片在譜儀后面記錄分光后的激光光譜，用黑度掃描儀對(duì)沖洗后的膠片進(jìn)行掃描，最后通過(guò)譜線分析，尋找46.9 nm激光譜線。辨認(rèn)激光譜線一方面便于發(fā)現(xiàn)新的激光譜線，另一方面對(duì)研究產(chǎn)生激光的放電條件和工作參數(shù)等具有一定的指導(dǎo)作用。測(cè)譜是測(cè)光的基礎(chǔ)，也是激光應(yīng)用的前提，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 測(cè)譜實(shí)驗(yàn)

測(cè)譜所用的毛細(xì)管放電激光裝置［7-9］和平焦場(chǎng)光柵譜儀示意圖如圖1所示。毛細(xì)管放電類氖氬46.9 nm軟X光激光采用預(yù)—主脈沖工作方式，預(yù)脈沖電流先將毛細(xì)管內(nèi)的氬氣電離成+1～+2價(jià)的離子，經(jīng)適當(dāng)延時(shí)隨后而來(lái)的主脈沖電流將預(yù)電離等離子體進(jìn)一步電離、歐姆加熱、箍縮到所需狀態(tài)，使高溫高密度等離子體成為軟X光激光的增益介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中毛細(xì)管長(zhǎng)度15 cm，內(nèi)徑3 mm，氣壓在10～100 Pa范圍內(nèi)可調(diào)；Marx發(fā)生器最大輸出電壓為300 kV，經(jīng)主開(kāi)關(guān)和布魯姆林（Blumlein）傳輸線（7.3 nF）對(duì)毛細(xì)管內(nèi)的預(yù)電離等離子體放電，產(chǎn)生的主脈沖電流峰值為20～40 kA，上升沿約為55ns；平焦場(chǎng)光柵譜儀的長(zhǎng)度為1.5 m，激光束以87°角入射到輪胎鏡上，平場(chǎng)光柵常數(shù)為1200 l/mm。

圖1 毛細(xì)管放電激光裝置和平焦場(chǎng)光柵譜儀示意圖

在利用平焦場(chǎng)光柵譜儀測(cè)譜前，先用X射線二極管（XRD）研究產(chǎn)生激光的條件。XRD安裝在平焦場(chǎng)光柵譜儀的位置，保持預(yù)脈沖電流（9 μs,20 A）、主脈沖電流（39 kA,上升沿約為55 ns）和它們之間的延時(shí)（約為6 μs）不變，當(dāng)氬氣氣壓調(diào)節(jié)時(shí)，激光強(qiáng)度隨氣壓的變化如圖2所示。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)氣壓為38 Pa時(shí)，激光強(qiáng)度達(dá)到最大，激光信號(hào)如圖3a所示。隨著氣壓的升高，激光強(qiáng)度逐漸減小，接近55Pa時(shí)，激光強(qiáng)度接近于零，到65 Pa時(shí)，激光幾乎沒(méi)有輸出，此時(shí)激光輸出的情況如圖3b所示。從圖3中可見(jiàn)，盡管主脈沖電流的峰值和上升沿基本相同，但38 Pa的氬氣輸出了強(qiáng)激光信號(hào)，而65 Pa氬氣沒(méi)有輸出激光。反復(fù)試驗(yàn)，2種不同氣壓下產(chǎn)生激光的情形都如此，激光輸出或不輸出的情況非常穩(wěn)定。根據(jù)圖2中激光強(qiáng)度的誤差分析，55～65Pa這一段，沒(méi)有激光信號(hào)輸出的情況非常穩(wěn)定，這使得65Pa氣壓適合作為背景光條件。

圖2 激光強(qiáng)度隨Ar氣氣壓的變化

采用平焦場(chǎng)光柵譜儀代替XRD，在MCP&CCD位置上安放黑白膠片，在38 Pa和65 Pa氣壓下分別放電10次，讓膠片充分曝光，沖洗后膠片上的激光譜線和背景光如圖4所示，上面是38 Pa氣壓下的光譜，下面是65 Pa氣壓下的光譜。根據(jù)2張膠片上背景光的對(duì)比以及譜儀上標(biāo)示的46.9 nm位置，可大致確定46.9 nm激光譜線的位置，如圖4中標(biāo)記所示。38 Pa和65 Pa氣壓相差不大，兩者的背景光基本相同。從圖4中可見(jiàn)，兩者的背景光相似，46.9 nm激光譜線在38 Pa氣壓下非常明顯，而在65 Pa氣壓下不太明顯，不能判斷是否產(chǎn)生了激光。與圖3中所示的實(shí)際測(cè)量結(jié)果比較，65 Pa氣壓下可能沒(méi)有產(chǎn)生激光，這個(gè)結(jié)論還需要進(jìn)一步分析，但圖4中膠片上記錄的譜線還是大致反映了圖3中的情形。

圖3 主脈沖電流和激光信號(hào)的波形

圖4 沖洗后膠片上的激光譜線和背景光

2 膠片掃描和分析

為了準(zhǔn)確判斷圖4中65 Pa氣壓下是否真正產(chǎn)生了46.9 nm激光，用黑度掃描儀對(duì)不同氣壓下毛細(xì)管放電輸出激光的測(cè)譜膠片分別進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖5所示，其中圖5a是積分譜，便于觀察不同氣壓下背景光的輪廓，為進(jìn)一步判斷分析提供參考；圖5b是分辨譜，便于細(xì)致地比較和分析不同氣壓下的激光譜線。圖中小方塊表示65 Pa氣壓時(shí)輸出激光的譜線，小圓圈表示38 Pa氣壓下輸出激光的情形。從圖中可見(jiàn)，38 Pa和65 Pa氣壓下，兩者積分譜的背景光輪廓基本相似，由此可進(jìn)一步分析分辨譜。圖5b中向下的黑色小箭頭表示46.9 nm激光譜線的位置，38 Pa氣壓下46.9 nm激光譜線十分明顯，而65 Pa氣壓下該激光譜線消失。這充分印證了圖3的測(cè)量結(jié)果，也說(shuō)明圖4中65 Pa氣壓下沒(méi)有46.9 nm激光譜線。這些結(jié)果表明，38 Pa氬氣有利于46.9 nm激光的產(chǎn)生，而65 Pa氬氣卻抑制46.9 nm激光的輸出。

圖5 掃描譜線包含如向下箭頭所示的46.9 nm激光線

實(shí)際上65 Pa氣壓下采用膠片測(cè)譜只是為了給38 Pa氣壓下的膠片測(cè)譜提供參考，65 Pa氣壓下是否產(chǎn)生激光已經(jīng)變得不重要了。為了確定46.9 nm激光譜線的位置，采用He+&Ar8+的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)譜線（圖6）與38 Pa氣壓下的分辨譜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。圖7中向上的三角形表示圖6中的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)譜線，4條帶三角形的短線表示He+的24.3 nm、25.6 nm、30.3 nm和53.7 nm譜線，其余較長(zhǎng)的表示Ar8+的激光譜線；小圓點(diǎn)表示圖5b中38 Pa氣壓下的激光譜線，為便于比較，只截取包含46.9 nm激光譜線在內(nèi)的較小區(qū)域；2個(gè)向下的小箭頭表示Ar8+的38.7 nm和46.9 nm激光譜線，這2條譜線與標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)譜線完全一致。

圖7中38 Pa氣壓下38.7 nm激光譜線的強(qiáng)度大于46.9 nm的強(qiáng)度，這與38.7 nm激光譜線前面的35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm激光譜線的消失不無(wú)關(guān)系。從圖7可見(jiàn)，在38 Pa氣壓下，35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm激光譜線被抑制了。由于這3條譜線的波長(zhǎng)小于38.7 nm，可推測(cè)出38.7 nm激光譜線的上能級(jí)比較穩(wěn)定，粒子在此能級(jí)上的弛豫時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，可獲得較大的粒子數(shù)布居。而35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm激光譜線的上能級(jí)相對(duì)來(lái)說(shuō)不太穩(wěn)定，處于這些能級(jí)上的粒子極易退激發(fā)到38.7 nm激光譜線的上能級(jí)。這些粒子的躍遷導(dǎo)致38.7 nm激光譜線增強(qiáng)，而35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm卻消失。圖7中38 Pa氣壓下這3條激光譜線的消失充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)譜線對(duì)比，考慮到激光譜線的相對(duì)位置和強(qiáng)度等關(guān)系，發(fā)現(xiàn)圖7中第2個(gè)向下的小箭頭標(biāo)示出46.9 nm激光譜線的位置，由此在38 Pa氣壓下分辨出46.9 nm激光譜線。

圖6 He+&Ar8+的定標(biāo)線

圖7 用定標(biāo)線辨認(rèn)46.9 nm激光譜線

3 結(jié)論

本文利用毛細(xì)管放電軟X光激光裝置對(duì)46.9 nm激光進(jìn)行了測(cè)譜實(shí)驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣氣壓，確定有利于或抑制46.9 nm激光輸出的最佳氣壓分別是38 Pa和65 Pa，然后利用平焦場(chǎng)光柵譜儀進(jìn)行膠片測(cè)譜實(shí)驗(yàn)。曝光膠片用黑度計(jì)掃描后經(jīng)譜線分析，最終分辨出46.9 nm激光譜線。46.9 nm激光譜線的辨認(rèn)對(duì)進(jìn)一步開(kāi)展激光研究和應(yīng)用等具有十分重要的意義。

［1］D.L.Matthews,P.L.Hagelstein,M.D.Rosen,et al.Demonstration of a soft X-ray amplifier［J］.Phys.Rev.Lett.,1985,54（2）:110-113.

［2］J.J.Rocca,V.Shlyaptsev,F.G.Tomasel,et al.Demonstration of a discharge pumped tabletop soft-X-ray laser［J］.Phys.Rev.Lett.,1994,73（16）:2192-2195.

［3］A.Ben-Kish,R.A.Nemirovsky,M.Shuker,et al.,Parametric investigation of capillary discharge experiment for collisional excitation X-ray lasers ［J］.SPIE.1999, 3776:166-174.

［4］Gohta Niimi,Yasushi Hayashi,Mitsuo Nakajima,et al., Observation of multi-pulse soft x-ray lasing in a fast capillary discharge ［J］.J.Phys.D:Appl.Phys.,2001, 34:2123-2126.

［5］J.C.Solem.Imaging biological specimens with high-intensity soft X-rays ［J］.J.Opt.Soc.Am.B.,1986,3: 1551-1556.

［6］L.B.Da Silva,T.W.Barbee,Jr.R.Cauble,et al.Electron density measurements of high density plasmas using soft X-ray laser interferometry ［J］.Phys.Rev.Lett., 1995,74:3991-3994.

［7］張興強(qiáng),程元麗,王騏,等.延時(shí)對(duì)毛細(xì)管放電類氖氬46.9 nm軟X光激光的影響 ［J］.中國(guó)激光.2008,35（3）:363-366.

［8］X.Q.Zhang,Y.L.Cheng,and Q.Wang.Characteristic of a Ne-like Ar 46.9-nm soft X-ray laser in capillary discharge at a low Ar pressure［J］.Laser Physics.2008, 18（8）:958-961.

［9］張興強(qiáng),程元麗,王騏,等.主開(kāi)關(guān)改進(jìn)對(duì)毛細(xì)管放電軟X光激光的影響［J］.中國(guó)激光.2009,36（2）:324-32.

［10］張興強(qiáng).毛細(xì)管內(nèi)徑對(duì)類氖氬46.9nm激光輸出的影響［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24（1）：50-53.

Spectrum Identification of Ne-like Ar 46.9 nm Soft X-ray Laser in Capillary Discharge

Zhang Xingqiang1,Wang Qi2
（1.Department of Sciences,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China；2.National Key Laboratory of Tunable Laser Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150006,China）

Capillary discharge 46.9 nm soft X-ray laser depends on hightemperature highdensity Ar plasma as gain medium of laser.Usually there come a large number of background spectra around 46.9 nm laser spectrum,which greatly disturbs its further research and applications.This article concerns experimental study of laser output in capillary discharge at different gas pressure,it is found that in the range of low pressure the 38 Pa Ar gas is feasible to output the largest laser signal.As the Ar pressure increases,the laser signal decreases.When Ar pressure reaches 65 Pa,the laser signal disappears completely.Because two pressures approach each other,the background spectra under two conditions are similar which serves as reference spectra to laser identification.With a flatfield grating spectrograph and by means of film measuring method,the laser spectra at 38 Pa and 65 Pa are respectively recorded on black and white films.The rough position of 46.9 nm laser line can be found by comparison of two exposed and developed films.The developed films are scanned by a black scanner and then compared with standard spectra of He+and Ar8+ions,the 46.9 nm soft X-ray laser spectrum is finally identified by analyzing relative location and intensity of spectra.

laser technique;capillary discharge;soft X-ray laser;laser spectrum

TN248

A

1008-5483（2011）02-0053-04

2011-03-01

國(guó)家自然科學(xué)基金（60038010）；國(guó)家863計(jì)劃（863-804-7-10）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助作者簡(jiǎn)介：張興強(qiáng)（1969-）,男,博士，湖北松滋人，從事毛細(xì)管放電軟X光激光和EUVL光源研究。