前沿物理讲座--类镍X射线激光及其应用

类镍X射线激光及其应用摘要：本文具体的描述了在激光装置上产生类镍X射线激光输出的原理介绍，简述了X射线在等离子体中的传播以及探针偏折法诊断等离子体的相关理论。关键词：类镍x射线激光等离子体一、前言X射线是指波长在300.01nm之间区域的电磁辐射，其长波区与真空紫外辐(VUV)或超紫外辐射(XUV)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0.2nm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。作为X射线激光，兼具了X射线知波长、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、化学等领域有着极其深远的应用前景。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沿课题一。X射线激光研究的一个主要内容是应用，特别是在诊断等离子体方面的应用。而应用的前提是获得高强度、高质量、高稳定性的X射线激光的输出。本文具体的描述了在激光装置上产生类镍X射线激光输出的原理介绍，以及在此基础上，讨论X射线在等离子体中的传播和偏折法诊断等离子体相关应用实验的讨论。类镍离子是电子碰撞激发产生X射线激光的另一个满壳层等量子系列离子，产生的激光跃迁来自类镍离子的993434dddp。类镍离子产生激光的主量子数较大，单极激发强度更大,因此具有更高的量子效率,更容易推进到短波长。这是目前唯一能够进入水窗波段的X射线激光。X射线是一种特殊电磁波，在折射率不均匀的介质中将会发生折射现象，在等离子体中的表现更为明显。通过测量激光探针穿过等离子体后光线前进方向的微小偏折来获得估计等离子体电子密度的一些信息的。对于微小偏折角度的测量，摩尔双光栅形成的摩尔条纹是一种值得采用的方法。二、类镍X射线激光的基本原理类镍离子x射线激光的一个特点是激光跃迁之间的竞争效应对比较强烈使得类镍离子系列的X射线激光线谱比类氖离子要少。通常，只有00.1J跃迁63635/23/23/205/23/21/213(34)3(34)dddddp，能够获得足够的增益，而其它线只有很小的或没有增益。例如类镍银只有13.9nm的激光谱线比较强，单线谱也有利于进行X射线激光的应用演示。由于能级的精细结构，4p和4d的能级分别是由多条子能级组成的。如图1为包含于X射线激光跃迁相关的主要能级的简化示意图，可以看出，至少有4条（①-④）可能的X射线激光跃迁。其中①②是0-1的跃迁，③是2-1、④是1-1的跃迁。但是类镍离子X射线激光的一个特点是激光跃迁之间的竞争效应相对比较强烈，使得类镍离子系列的X射线激光线谱比类氖离子要少得多。在上述四条激光线中，通常，只有0-1跃迁即①和②能够获得足够的增益，而其它线如③④只有很小的或没有增益。在两条0-1的跃迁中，对于不同的元素，强度也不同。通常低Z离子中，较长波长的13.9nm的激光谱线输出，而较短波长的13.5nm的输出基本上观测不到，而对于高Z的情况如类镍钽正相反，通常观测到的是短波长的4.48nm的激光输出，而5.09nm的谱线基本上没有增益。图1类镍离子电子碰撞激发X射线激光实验中另一个值得注意的现象是能够观测到类钻离子的激光线。类钻离子是类镍离子的下一个电离度的离子，类似于类镍离子，较强的类钻激光线是它与类镍线组态相同但少了一个的电子，这表明类镍离子有一定的稳定性，使其在某些特性上与类镍离子相似。LLNL在实验中发现，类镍激光线在低的驱动激光条件下不出现，而在高强度驱动条件下可与类镍激光线相比较。由于激光上能级基本上是由电子碰撞激发从基态而来，因此类激光线的强增益表明类镍离子的丰度较高，可以作为等离子体是否过电离的指示。三、X射线在等离子体中的传播X射线是一种短波长的电磁波，在折射率不均匀的介质中将会发生折射现象。在等离子体中，介质的折射率为：1/2(1/)ecnn其中en是电子密度，cn是对应X射线激光波长的等离子体临界密度。而产生x射线激光的等离子体是激光打靶产生的,在增益区内垂直光束的方向上等离子体的电子密度是不均匀的。因此，不均匀的折射率造成X射线激光在增益区内的折射。X射线激光在增益区内的折射现象使得部分激光束过早的离开增益区而不能得到有效的放大,造成X射线激光光束强度的减小，因此有必要仔细地研究X射线激光的折射现象。双靶对接或是弯曲靶的技术可以部分的弥补由光束折射带来的强度。从费马(Fermat)原理出发应用拉格朗日方法可以建立光线方程：()ddrdsds考虑到光线被限制在轴向(Z轴)夹角很小的范围内，dsdz；而电子碰撞激发机制中增益区对应的电子密度与临界密度之比4/10ecnn，1。从而上式可以写成：22drdz这就是X射线激光在等离子体增益区中的路径方程。如果能估计和数值模拟出增益区的电子密度分布变化，就可以通过上式计算出X射线激光的路径，从而进一步模拟估算X射线激光的特性。四、浅析探针偏折法诊断等离子体理论偏折法诊断等离子体实质是通过测量激光探针穿过等离子体后光线前进方向微小偏折来获得估计等离子体电子密度的一些信息的。对于微小偏折角度的测量，摩尔双光栅形成的摩尔条纹是一种值得采用的方法。摩尔双光栅是由两块占空比为1：l的黑白光栅(又称Ronchi光栅)相隔一定距离d，并相对旋转一定角度a形成的。对非相干平行光束来说，依次穿过两块光栅，在其后两块光栅的影子就会形成明暗相间的条纹，这就是所谓的摩尔条纹。如图2（a）中所示，利用红线标出了亮条纹、蓝线标出了暗条纹，其中亮条纹的位置就是两光栅影子中相应位置相交的位置。对于相干光束或激光来说，由于衍射和干涉效应，在光栅后的光束分布情况与非相干光束截然不同，也就是说不会产生类似“影子”的情况。但是幸运的是，在其后满足某个距离条件的位置处，光束的强度分布与光栅的“影子”的情况完全相同，这就是Tablot距离条件。Tablot距离与光栅周期p和激光波长入有关：2/1,2,3rdlpl（a）（b）图2在满足Tablot距离的条件下，例如两块光栅以及CCD接收面之间的距离都满足上式时，利用相干光束能够得到和非相干光束完全相同的摩尔条纹，这也是我们能够利用类镍银X射线激光作为探针进行偏折法实验的前提。当入射光束偏转一个角度的时候，相应位置的条纹就会发生移动（在图2（b）条纹位置从O点移动到了D点），根据图2（a）可以计算出条纹移动量公与光线偏角的关系：tan/2tan(/2)sdd其中d为两光栅之间的距离，满足（4）式Talbot距离条件。一般情况下，双光栅夹角以及光线的偏折角度都很小，因此(5)最后等式近似成立。在(5)中垂直于双光栅刻线夹角中心线方向的光线偏折角度。可以想象，在另一方向，即沿着双光栅刻线方向的光线偏折角度，也能引起条纹移动。但是由于双光栅刻线的夹角很小，这个方向的偏折角度对摩尔条纹移动量的影响非常小，可以完全忽略，也就是说摩尔条纹只是测量一维偏折角度的仪器（即垂直于双光栅刻线方向上的偏折角）。由于把小角度转化到了摩尔条纹的移动，因此大大提高了偏折角度测量的精度。五、总结X射线激光应用演示的基础是获得高强度高光束质量X射线激光输出，目前电子碰撞激发机制依然是产生X射线激光的最主要途径。为了获得更短波长的激光输出和更好的转换效率，增益介质逐渐从类氖离子向类镍离子发展。随着预主脉冲驱动技术的发展和应用，类镍系列离子的电子碰撞激发机制获得了重大的发展，先后获得了多种类镍离子X射线激光的饱和输出。在应用上，X射线对物质第四态——等离子态的研究起到了十分显著的作用。本文简述了X射线等离子体中的传播以及探针偏折法诊断等离子体的相关理论。