毛细管放电类氖氩69.8nm软X射线激光研究

The realization of new wavelength laser pumped by capillary discharge has great significance for the widespread use of table-top soft X-ray laser. On the basis of the first demonstration of soft X-ray laser of Ne-like Ar at 69.8nm pumped by capillary discharge, the saturated 69.8nm laser, which can meet the application requirement, will be realized in combination with the studies of theory and experiment in this project. In theory, according to the simulation of plasma Z-pinch process and the calculation of level parameters related with 69.8 laser transition, the generation mechanism of Ne-like Ar 69.8nm laser pumped by capillary discharge will be further studied in combination with experimental results. In experiment, the rise-time and amplitude of main current will be varied by changing the inductance of discharge circuit, and the optimum current waveform about the 69.8nm laser will be obtained. In addition, the optimum 69.8nm laser will be achieved by changing the inner diameter of capillary, initial pressure, amplitude of pre-pulse, delay between pre-pulse and main pulse and so on. These parameters can affect the Z-pinch process of plasma and 69.8nm laser output. The gain coefficients of 69.8nm laser will be measured through varying the plasma length. The influence of experimental parameters on gain coefficients will be studied. With the SiC mirror, the double pass amplification will be realized to achieve the gain saturation of 69.8nm laser.

采用毛细管放电机制实现新波长激光输出，对台式软X射线激光的广泛应用具有重要的意义。本项目以本课题组在国际上首次实现毛细管放电类氖氩69.8nm软X射线激光为基础，理论与实验相结合，实现满足应用要求的69.8nm软X射线激光增益饱和输出。理论上，根据等离子体Z箍缩过程模拟和与69.8nm激光跃迁有关的能级参数计算，结合实验结果，深入研究毛细管放电类氖氩69.8nm激光的产生机理。实验上通过改变放电回路电感的方法，改变主脉冲电流的前沿和幅值，获得69.8nm激光输出的最佳电流波形。此外，通过改变毛细管内径、初始气压、预脉冲幅值和预主脉冲延时等参数，改变等离子体的Z箍缩过程，获得最佳的69.8nm激光输出。通过改变等离子体长度的方法，测量69.8nm激光增益系数，并研究各实验参数对增益系数的影响。以SiC为反射镜，实现69.8nm激光的双程放大，最终获得69.8nm激光的增益饱和输出。

毛细管放电软X射线激光具有增益体积大、能量转换效率高、造价及运转费用低等诸多优点，使其成为实现可广泛应用的小型化软X射线激光的重要方案。在我们于国际上首次获得了毛细管放电类氖氩69.8nm激光的基础上，本项目对69.8nm激光开展了深入的理论与实验研究工作。在理论上，采用一维磁流体力学模型，模拟了毛细管放电等离子体的Z箍缩过程，计算了等离子体的电子密度、电子温度、类氖氩离子丰度等参数随时间的变化。同时，计算了69.8nm激光产生时刻的电子密度、电子温度、类氖氩离子丰度等参数的空间分布。计算了与69.8nm激光产生有关的类氖氩能级参数，建立了速率方程组，计算了反转粒子数和相对增益系数随电子密度和电子温度的变化。此外，采用几何光学近似的方法，计算了69.8nm激光在等离子体柱中的传播轨迹和输出光强的空间分布。以上理论结果对深入理解69.8nm激光的产生机理以及指导实验研究，具有重要的意义。在实验上，采用35cm长的毛细管，研究了初始气压和主脉冲电流等实验参数对69.8nm激光强度的影响。确定了在电流幅值12－14kA，气压14－17Pa附近可获得最佳69.8nm激光输出。测得69.8nm激光的增益系数为0.41 cm-1，增益长度积为13.5，实现了69.8nm激光近饱和输出。根据该实验结果，提出通过增加毛细管长度来提高增益长度积，以实现69.8nm激光增益饱和的方案。根据该方案，采用45cm长毛细管，在主脉冲电流幅值12kA，初始气压17Pa时获得了最佳激光输出。实验测得69.8nm激光增益系数0.4cm-1，增益长度积达18，观察到了增益饱和现象。在国际上首次获得了69.8nm激光的增益饱和输出。同时对激光的时间特性和空间分布进行了测量。为了获得更高的能量输出，利用平面SiC反射镜实现了69.8nm激光的双程放大，使激光的光强比单程放大增加了9倍，发散角增加到3.4mrad。根据SiC反射镜的反射率和耦合系数，计算得到双程放大的等效增益长度达到84 cm，等效增益长度积达到33.7，于国际上首次实现了69.8nm激光的深度饱和输出。本项目获得的饱和的69.8nm激光，对实现该激光的广泛应用具有重要的意义。此外，本项目还探索了实现毛细管放电类镍氪32.8nm激光和类钯氙41.8nm激光的可能性。