“纳秒激光”的意思、由来-中文百科全书

词条

纳秒激光

释义

纳秒、飞秒激光脉冲下铝等离子体发射光谱及其空间特性的比较

§ 摘　要：

研究了45 fs和6 ns的强激光脉冲作用铝靶等离子体的发射光谱特性，发现在飞秒下X射线发射以K壳层为主，等离子体的温度(500 eV)，电子密度(3×1021/cm3)比纳秒情况(100 eV，2×1020/cm3)下要高；铝等离子体的X射线发射长度短而且强区更靠近靶面。

§ 关键词：

飞秒激光，等离子体诊断，空间分辨测量

Comparison of Characteristics of X-Ray Emission And Its Spatial

Distributions in an Alumium Plasma Using fs and ns Laser Pulses

Qin Ling　Deng Jian　Zhong Fangchuang　Zhang Zhengquan

（Laboratory for High Intensity Optics, Shanghai Institute of Optics and

Fine Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800）

Abstract：The characteristics of X-ray emission in aluminum plasmas using 45 fs and 6 ns pulsed lasers respectively are reported. It shows that under the fs laser, the X-ray emission is dominantly from the K shell, the aluminum plasma′s temperature is 500 eV and the electron density is 3×1021/cm3, while under the ns laser, the L shell, 100eV and 2×1020/cm3 are obtained correspondingly. The spatial distributions are also compared simply.

Key words：femtosecond pulsed laser, plasma diagnostics, measurement of spatial resolution▲

随着激光器件的发展，飞秒强激光的产生、超短强激光与物质的相互作用已成为当今研究的热点之一。强激光与物质(固体、分子、原子、团簇)作用过程中，等离子体的动力学特性，如温度、密度分布及其均匀性直接影响了X射线的发射特性、产生的X射线激光的增益高低及X射线的传输特性［1，2］，因而利用X射线谱来获取等离子体的温度、密度等重要参数，有助于我们对激光与物质相互作用机制和过程的认识和理解。国内P. X. Lu,王晓方等用条纹相机对纳秒光与各种固体靶进行了比较细致的研究［3，4］，但是在飞秒激光脉冲条件下，激光与物质的作用过程很快，超强激光能迅速地消融固体靶面，等离子体膨胀和扩散时间变得很小或可以忽略不计，等离子体的尺度在百分之一到十分之一个激光波长的范围，从而激光能量可以直接沉积在固体表面上，产生大梯度的具有极高乃至近似固体密度的等离子体，其动力学过程及原子与离子的状态和时空特性与纳秒情况下完全不同。因此对飞秒激光下等离子体的特性，特别是时间与空间特性方面的研究具有重要的意义，飞秒与纳秒激光与物质作用的比较研究也有利于对其相互作用机理的理解。

本文报道了利用具有空间分辨能力的大面积透射光栅软X射线谱仪对铝等离子体在0.5～11nm的发射光谱进行的研究，并用线强度比的方法对纳秒与飞秒激光打铝靶产生的等离子体的温度、密度特性进行了诊断，对其空间特性也做了简单的比较。

1　实验安排

图1给出了实验布局。所用的纳秒激光为YAG激光，其波长为532 nm，单发能量为180 mJ，脉宽为6 ns；飞秒激光为钛宝石激光，中心波长为785 nm，单发能量为35 mJ，脉宽为45 fs。两者的工作频率均为10Hz，经过同一聚焦透镜和与铝靶作用，光强分别为3.8×1011 W/cm3，8.9×1015 W/cm3。图中打靶透镜5装在步进电机上，调靶时利用He-Ne激光模拟光路使纳秒、飞秒激光共轴，并保证聚焦后落在靶面上。XUV二极管用来监视X射线的发射。大面积透射光栅软X射线谱仪由轮胎镜、大面积透射光栅和X射线CCD照相机组成，光栅刻线为5000条/mm，光栅前面加0.25 μm厚的铝膜挡可见光。实验过程中，靶室的真空度优于1.3×10-3 Pa。

图1　实验装置示意图

1：远场监视系统；2：光谱仪；3：软X射线光栅谱仪；

4：Al靶；5：聚焦透镜；6：计算机；7：XUV二极管

Fig.1　Schematic of the experimental setup

1: far-field monitoring system; 2: oscilloscope; 3: soft-X-ray grating spectrograph; 4: Al target; 5: focusing lens; 6: computor; 7: XUV diode

2　实验结果

2.1　X射线谱

图2给出了X射线CCD照相机接收到的谱图。图3(a)，(b)分别为纳秒与飞秒激光下铝等离子体X射线的时间积分谱，积分时间为5 s，解谱时以文献［5,6］为参考。在我们的实验条件下，谱仪的光谱分辨率<0.03 nm(对5 nm), 空间分辨率为20 μm，解谱时谱线的精确度小于0.05 nm。

图2　X射线CCD面上的铝谱

Fig.2　Spectrum taken by soft X-ray transmission

grating spectrograph with soft-X-CCD camera

图3　铝的X射线谱。(a) 532 nm激光；(b) 785 nm激光

Fig.3　Spectrum of Al target irradiated(a) 532 nm laser. 1: Al10+(1s2+2p-1s2+4d); 2: Al9+(2p2-2p4d); 3: Al8+(2s2p2-2s2p4p); 4: Al8+(2s2p2-2s2p5d); 5: Al8+(2s2p2-2s2p4d); 6: Al10+(1s22s-1s23p); 7: Al9+(2s2p-2s3p); 8: Al9+(2s2-2s3p); 9: Al10+(2p-3s); 10: Al9+(2s2p-2s3d); 11: Al8+(2s2p2-2s2p3d); 12: Al6+(2s22p3-2s22p24s); 13: Al7+(2s2p3-2s2p23s); 14: Al6+(2s2p4-2s2p33d) or Al6+(2s22p3-2s22p23d); 15: Al6+(2s22p3-2s22p23d); 16: Al6+(2s22p3-2s22p23s); 17: Al6+(2s2p4-2s2p33s); (b) 785 nm laser. 1: Al12+(1s2-1s3p); 2: Al12+(1s-2p); 3: Al12+(2p-7d,2s-7p); 4: Al12+(2s-5p,2p-5d); 5: Al12+(2s-4p,2p-4d); 6: Al10+(1s22s-1s28p); 7: Al10+(1s22s-1s26p); 8: Al10+(1s22p-1s25d); 9: Al10+(1s21s-1s24p); 10: Al10+(1s22p-1s24d); 11: Al9+(2s2p-2s4d); 12: Al10+(1s22s-1s23p); 13: Al9+(2s2-2s3p); 14: Al10+(1s22p-1s23d); 15: Al9+(2s2p-2s3d); 16: Al9+(2p2-2p3s); 17: Al8+(2s22p-2s23d); 18: Al12+(3s-6p,3p-6d); 19: Al8+(2p3-2p23d); 20: Al11+(1s3d-1s6f); 21: Al11+(1s3d-1s5f)

从图3可见，飞秒激光条件下，X射线短波方向明显增强。这说明飞秒激光下，等离子体的温度升高。从图3(a)的X射线谱来看，纳秒激光情况下铝等离子体的离子态以Al10+，Al9+为主，X射线发射主要是5 nm左右的L带，这与文献［4］中的结果是一致的。而从图3(b)的X射线谱来看，飞秒激光情况下铝等离子体的离子态以Al12+，Al11+，Al10+为主，X射线发射主要是2.5 nm左右的K带，5 nm左右的L带也有较强的分布。这是飞秒激光条件下高光强所致(8.9×1015 W/cm3)。图3(a)中出现Al8+，Al7+，Al6+离子以及图3(b)中出现Al9+，Al8+，Al7+，Al6+离子是由于时间积分造成的，这也说明铝离子是逐步电离的。对纳秒激光，电离以碰撞电离为主；飞秒激光情况下，电离以光场电离为主，但是，在我们的实验条件下，光场电离又不足以产生Al12+，Al11+这样高电离态，说明飞秒激光与铝作用过程中，也有碰撞电离的存在。

2.2　等离子体的温度与密度

在XUV诊断中，用线强度比的方法可以比较精确地测量等离子体的温度和密度。其方法是选取两条位置比较靠近、强度比较强的谱线，由一定的模型计算出两谱线强度比和等离子体温度与密度的依赖关系，从而由实验的谱线强度反推出等离子体的温度与密度。对铝等离子体的K，L壳层发射，Duston等用CRE模型作了深入的研究［5，6］。我们先用简化的二能级模型来获取纳秒激光下等离子体的平均电子温度［7］，假设当电子碰撞到5 nm的能级几率最大时，导致该能级的辐射最强，有kTe=xPQ/2=113 eV。其中xPQ为两能级的宽度。在这样的温度下，可以参照Duston等的理论计算结果，选用类Li铝2p(2P)-3s(2S)线与类B铝2s2(1S)-2s3P(1P)线的强度比来估计温度，用AlⅦ2s22p3(4S)-2s22p3s(4P)线与AlⅤⅠⅠ2s22p3(2D)-2s22p2(1D)3s(2D)线强度比来测量纳秒情况下的等离子体密度［8］。对我们的实验数据，两组线的比分别为0.62，0.66。与图4比较得到纳秒下等离子体的电子温度约为100 eV，电子密度为2×1020/cm3。

图4　纳秒激光下用线强度比测量

铝等离子体的参数

Line ratio vs electron temperature and ion density with AlⅪ2p(2P)-3s(2S)/AlⅩ2s2(1S)-2s3P(1P), AlⅦ2s22p3(4S)-2s22p3s(4P)/AlⅦ2s22p3(2D)-2s22p2(1D)3s(2D), respectively

From ref.［6］, Fig.8, Fig.12

在飞秒激光下，铝等离子体的短波发射增强，说明等离子体的温度很高，以上的类Li铝的发射在这样的温度下发射很弱［5］，因此选用有较高丰度的类H铝1s-2p线与类He铝1s2-1s3p(1P)线的强度比来估计铝等离子体的温度与密度［6］。我们的实验数据为1.75，与图5比较，得到在光学薄近似下飞秒激光作用的等离子体电子温度为500 eV，电子密度为3×1021/cm3。在我们的系统中，由于两线靠近轮胎镜的设计全反射角，因此两条线损失较大，但由于两线很靠近，而测的是比值，所以对测量结果是有效的。与纳秒结果比较，发现飞秒下激光等离子体的温度、密度都比纳秒下的要高得多，这也正是飞秒激光与固体靶相互作用的特点。

图5　飞秒激光下用线强度比测量

铝等离子体的参数

Fig.5　Line ratio vs electron temperature and ion

density with AlⅫ(1s-2p)/AlⅫ1s-1s3p(1P).

From ref.［5］, Fig.8, Fig.13

值得指出的是，线强度比的方法虽然可以减少温度与密度绝对测量的困难，但是仍然有一定的误差，考虑到谱仪的谱分辨率、解谱以及CRE模型的理论误差，在纳秒与飞秒下，温度诊断误差分别约为30～40 eV,100 eV；密度诊断的误差分别约为100%，120%。

对纳秒激光情况，为了验证我们的线强度比方法的结果，用类Li铝的5f-3d跃迁谱线的Stark展宽来估算纳秒激光下铝等离子体的密度［8,9］，在准静态近似下，有Δλ=0.04 nm，对应的密度为1×1020/cm3。可见Stark展宽方法与线强度比方法得出的结论是一致的。

2.3　X射线激光的空间特性

利用大面积透射光栅谱仪的一维空间分辨的特点，可得到等离子体的空间分布情况，光谱零级结果反映等离子体X射线发射是各个波长的总效应的空间分布；一级结果反映单个波长发射的空间特性。图6(a)～(c)分别给出了飞秒与纳秒下Al X射线谱的零级，K，L带的空间分布比较图。

图6　铝射线谱的空间分布比较图。(a) 零级；(b) K带；(c) L带

Fig.6　The spatial distribution of Al X-ray spectrum of (a) 0-order; (b) K-band; (c) L-band

从图6(a)可知，飞秒激光下Al等离子体的X射线发射长度为1500 μm(图中1200～2700 μm处)，纳秒下发射长度为2500 μm，因此飞秒下Al等离子体的喷射长度比纳秒下要短；飞秒激光下X射线发射强区在1900 μm处，纳秒下强区在1975 μm处，两者相距75 μm，因此飞秒激光下Al等离子体的X射线的发射强区更靠近靶面。(b)，(c)中X射线的发射区域在飞秒下K带为750 μm长，纳秒下无K带发射，L带都约为800 μm，这是由于飞秒激光光强很高，使电子密度和温度很高，导致X射线短波明显增强。

3　结论

用大面积透射光栅谱仪观察了飞秒与纳秒激光作用下铝等离子体的发射谱，对两种情况下等离子体的温度、密度用线强度比的方法进行了测量，发现在飞秒下X射线发射以K壳层为主，等离子体的温度(500 eV)，电子密度(3×1021/cm3)比纳秒情况(100 eV，2×1020/cm3)下要高，显示飞秒与纳秒下不同的作用机制；对空间特性的分析，发现飞秒激光等离子体的发射长度短，而且更靠近靶面。由于谱仪分辨率的限制，解谱时得到的谱线信息不完全而限制了对谱更多的重要信息的获取(例如高分辨率光谱和谱的时间特性)。因此需利用具有更高分辨率的谱仪，如条纹像机对飞秒与纳秒激光下的等离子体的特性做更深入的研究。

信息来源：中国激光王真祥朱巧云

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