神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

罗斯滤片法测量激光打靶X射线辐射通量

利用一套罗斯滤片系统测量激光轰击固体金属Ti平面靶产生的X射线辐射通量,系统包括两个相同的X射线探测器及相应滤膜。罗斯滤片法的优点在于利用相邻核素对X射线相似的阻止率,可滤出一个窄的能带并去除高能部分的干扰,获得了Ti平面靶K壳层X光辐射产额。实验结果表明:硬X射线能段在4.5~4.9keV之间的K壳特征辐射占优,连续谱所占份额较低(与晶体谱仪一致);随着激光能量的增加,特征辐射增加;激光强度接近2×1015 W/cm2时,能量转换效率出现峰值。     

钛空腔靶高强度keV X射线源的实验研究

利用神光-Ⅲ原型激光装置实验研究了8束ns激光脉冲从一端注入钛空腔靶产生的keV X射线源的辐射特征,发现keV X射线主要产生于腔轴附近;钛空腔靶内径过大时keV X射线能流的峰值强度较低,内径过小时keV X射线能流的持续时间较短。为了在4π空间内使钛空腔靶获得最大的X射线(4~7keV能段)转换效率,腔内径的最优值在1000~1300μm附近,此时的keV X射线转换效率为4.7%,是相同激光参数下钛平面靶的2倍左右。激光单端注入有底部钛膜和无底部钛膜的空腔靶对比实验显示,底膜能够增强keV X射线的发射。     

紫外超短脉冲激光辐照固体靶产生硬X射线研究

 实验研究了紫外高强度超短脉冲激光(248nm, 440fs, 50mJ)辐照固体靶时产生的硬X-射线(>30 keV)能量连续谱，靶上强度达到10¹⁷ W/cm²。P极化光45°照射5mm铜片，实验探测到了能量大于200keV的X射线信号，利用Maxwellian分布拟合能谱得到了的超热电子温度为67keV。     

飞秒激光-物质相互作用产生K_α X射线(英文)北大核心CSCD

用无色散X射线谱仪分别在靶前后测量了飞秒激光辐照铜箔产生的KαX射线,获得了能量转换效率。入射激光脉冲宽度33 fs,能量在50 mJ^5 J,强度1017~1019W/cm2。靶后发射的KαX射线强度随入射激光能量的增加而增加,其单色性较靶前好。采用100μm厚靶,其能量转换率为2.2×10-5。     

神光Ⅱ黑腔等离子体时间分辨的电子温度诊断

在神光Ⅱ强激光装置上,用条纹晶体谱仪对埋点于黑腔靶内壁上的双示踪Ti和Cr材料的激光等离子体高离化态离子发射的X射线谱线进行实验测量,获得超高时间分辨的X射线细致结构谱线。用碰撞辐射模型计算了非局域热动平衡的等离子体布居数,组态平均速率系数由一级微扰理论计算,电子波函数由Hartree-Fock Slater自洽场方法计算,给出了Ti和Cr激光等离子体在电子密度为1019~1022cm-3范围内的He-α线强比与电子温度的关系曲线。采用等电子X射线谱线法,获得了黑腔靶激光等离子体冕区的电子温度随激光脉冲加热从低温到高温、然后缓慢下降的演化过程,其峰值达到2.05 keV。     

高能电子与超强激光束作用产生的阿秒脉冲列

利用非线性汤姆孙散射的理论，从理论和数值模拟上研究了单电子在横向穿越高斯激光束束 腰时所辐射的x射线阿秒脉冲列的性质. 主要分析了电子以初始能量γ₀=1M eV—100M eV横向穿越激光振幅参数为a₀=1—10的高斯光束束腰获得的阿秒辐射脉冲的 时间 和空间性质. 计算表明，辐射呈现脉冲列的形式. 脉冲列的包络宽度取决于激光强度、束腰 的宽度以及入射电子能量. 电子的初始能量比激光强度对电子辐射脉冲的影响更大. 辐射脉 宽、脉冲间隔和脉冲包络宽度都正比于1/γ²₀，辐射功率正比于 γ⁶₀，辐射能 量正比于γ⁴₀. 当改变激光振幅a₀时，辐射功率正比 于a²₀、辐射包络中单 个脉冲脉宽正比于1/a₀、脉冲之间的间隔正比于a₀. 当保持激光强 度不变，而改变光束 束腰半径w₀时，辐射的脉冲数量、包络和辐射能量正比于w₀. 当 激光功率保 持不变时而改变激光强度和束腰半径时，脉冲包络宽度和最大辐射能量都基本不变. 当激光 振幅参数a₀=1，电子初始能量为10MeV时，激光束腰为两个激光波长时，电子 辐 射脉冲包络宽度只有14×10^-3τ₀（τ₀为入 射激光周期），达到几个阿秒的量级. 关键词： 阿秒脉冲 非线性汤姆孙散射 高斯激光光束     

重复频率下飞秒激光驱动产生的X射线焦斑测量

为了获取强激光驱动产生的X射线光源焦斑尺寸和空间分辨率,设计了刃边及双网格方法,其中刃边厚度为0.2μm,双网格分别为400目铜网格和394lp/cm的镍网,利用X射线CCD作为探测元件。Ti宝石激光在能量1J、脉宽40fs、频率10 Hz、激光功率密度约为4.4×1018 W/cm2的条件下,重复频率加载圆盘Cu靶。在中国工程物理研究院25TW激光装置上首次获得了X射线的焦斑及网格图像,并推算了该装置的X射线焦斑尺寸为43μm,而网格空间分辨力为34μm。结果表明该刃边及双网格方法适合强激光驱动产生的X射线焦斑尺寸测定。     

大气压尖板电极结构重复频率纳秒脉冲放电中X射线辐射特性研究

文章通过碘化钠晶体和光电倍增管构成的X射线探测系统,研究了上升沿15ns,脉宽30-40ns量级,电压90kV的大气压重频纳秒脉冲气体放电中X射线的辐射特性,X射线有效探测能量范围为10-130keV.结果表明放电产生的X射线主要集中在20-90keV能量范围,而能量在十几keV的软X射线和超过90keV的高能X射线数量很少.X射线辐射计数随脉冲重复频率的增加而增加,随着气隙距离的改变存在峰值,且峰值出现在弥散放电模式.     

相对论圆偏振激光与固体靶作用产生高次谐波

超短超强激光与固体靶表面等离子体相互作用可以通过高次谐波的方式产生从极紫外到软X射线波段的相干辐射,获得飞秒甚至阿秒量级的超短脉冲,可用于观测原子或分子中的电子运动等超快动力学过程.本文实验研究了相对论圆偏振飞秒激光与固体靶相互作用的高次谐波产生过程,实验结果表明,在较大入射角下,圆偏振激光也可以有效地产生高次谐波辐射.通过预脉冲控制靶表面的预等离子体密度标长,发现高次谐波的产生效率随密度标长的增加而单调下降.进一步通过二维粒子模拟程序,分析了激光的偏振以及预等离子体密度标长对高次谐波产生的影响,很好地解释了实验观测结果.     

Bi靶激光等离子体极紫外光源以及碎屑辐射特性研究

激光等离子体极紫外光源具有体积小、稳定性高和输出波长可调节等优势,在极紫外光刻领域发挥着重要的作用。Bi靶激光等离子体极紫外光源在波长9～17 nm范围内具有较宽的光谱,可应用于制造极紫外光刻机过程中所需的极紫外计量学领域。利用平像场光谱仪和法拉第杯对Bi靶激光等离子体极紫外光源以及离子碎屑辐射特性进行了实验研究。在单脉冲激光打靶条件下,实验中观察到Bi靶激光等离子极紫外光谱在波长12.3 nm处出现了一个明显的凹陷,其对应着Si L-edge的吸收,是Bi元素光谱的固有属性。相应地在波长为11.8和12.5 nm位置处产生了两个宽带的辐射峰。研究了两波长光谱特性以及辐射强度随激光功率密度的变化。结果表明,在改变聚焦光斑大小实现不同激光功率密度（0.7×1010～3.1×1010 W·cm-2）过程中,当功率密度为2.0×1010 W·cm-2时两波长处的光辐射最强,其原因归结为Bi靶极紫外光辐射强度受激光能量用于支撑等离子膨胀的损失和极紫外光被等离子体再吸收之间的平衡制约所致。在改变激光能量实现不同激光功率密度过程中,由于烧蚀材料和产生两波长所需高阶离子随着功率密度的增加而增加,增强了两波长处的光辐射。进一步,研究了双脉冲激光对Bi靶极紫外光谱辐射特性影响,实验发现双脉冲打靶下原来在单脉冲打靶时出现在波长13～14 nm范围内的凹陷消失。最后,对单脉冲激光作用Bi靶产生极紫外光源碎屑角分布进行了测量。结果表明,当探测方向从靶面法线方向移动到沿着靶面方向上的过程中,探测到Bi离子动能依次减小,并且离子动能随激光脉冲能量降低而呈线性减小。此项研究有望为我国在研制极紫外光刻机过程所需的计量学领域提供技术支持和打下夯实的基础。     

Red-Shift Conical Emission by Femtosecond Pulses at Low Input Power

Red-shift conical emission （CE） is observed by femtosecond laser pulse propagating in BK7 at a low input power （compared to those input powers for generation of blue-shift CE）. With the increasing input power the blue-shift CE begins to appear whereas the red-shift CE ring （902 nm in our experiment） disappears accompanied by the augment of the central white spot size synchronously. The disappearing of red-shift CE in our experiment is explained such that the increase of axial intensity is much higher than that of ring emission and the augment of the central white spot size with the increasing input laser power.     

Enhanced betatron radiation by a modulating laser pulse in laser wakefield acceleration

We propose a new idea to enhance and control the betatron radiation by using a modulating laser pulse in laser wakefield acceleration. In this scheme, a high-power laser pulse is used for self-trapping and acceleration of the plasma electrons and the accelerated electron beam is modulated by a separately-propagating laser pulse for large amplitude betatron oscillations and microbunching. In this way, the relatively low power modulating laser pulse can enhance the X-ray photon flux and energy significantly. We performed two-dimensional particle-in-cell simulations to demonstrate the idea and the results show that a sub-TW laser pulse is enough for electron beam modulation and it can generate easily-controllable fs X-ray pulses with a wide range of photon energies from soft X-rays to hard X-rays.     

A pulse-train laser driven XUV source for picosecond pump–probe experiments in the water window

We describe the development of a table top soft X-ray source based on a laser produced plasma. The plasma is produced by a Nd:YLF pulse-train laser which delivers pulse trains of up to 400 pulses each of about 25 ps duration. Number and energy of the micropulses are fully computer controlled adjustable for an optimum interaction with a rotating solid target. Spectral, spatial and temporal characteristics of the X-ray emission from Mylar and copper targets have been studied. A calibrated back-illuminated CCD camera together with a slit grating spectrograph were utilized for the measurement of the absolute soft X-ray photon fluxes. The temporal measurements were performed using a streak camera while the plasma size was measured with a zone plate. An application of the system in a X-ray absorption experiment is shown. The advantages of the system in view of possible optical pump and soft X-ray probe experiments will be discussed.     

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。     

CO2 laser beam modulating for surface texturing machining

Laser texturing is a novel technique that may be used to texture a cold roller in the process of manufacturing high quality steel sheets. With the aim of improving the quality of the textured roller by using a CO₂ laser, a new laser beam modulating device is proposed. An optical beam expander with a fast rotating chopper system is designed. The laser pulse is split into two parts by the chopper blades; one is the preheating pulse that is reflected onto optical loop mirrors; the other is the directly transmitted pulse that creates the craters at the preheated spots. The preheating beam focus spot size and position can be adjusted. The focusing characteristics and optical parameter compensation for the flying optics are investigated. The heat transfer and melt process of laser texturing are numerically simulated. The effects of the double pulses on the texturing are analyzed. The effect of preheating the sample ahead of the laser texturing pulse is examined. The surface profile and bump hardness show improvements by using this approach.     

Characterization of Kovar-to-Kovar laser welded joints and its mechanical strength

For the packaging of a pump laser in butterfly package, the most crucial assembly step is the fiber-to-laser diode coupling and attachment. The use of laser welding as the joining method offers several advantages if compared with the adhesive joints: strong joining strength, short process time and less contamination. This paper reports on laser welding process characteristics; weld strength and its fracture mode. The penetration depth and melt area of laser spot welds were found to be complicated functions of laser pulse energy, intensity, and beam diameter. Effects of pulse width, input power and size of the focal spot on the rate of energy input to the workpieces and consequently, the weld strength were reported. The weld strength was found to be dependent on the overlapping area between the two joining materials. Surface roughness, R_a, has influence on the fraction of energy absorbed, A, and therefore, affecting the penetration depth. Thermal analysis was carried out on the laser-welded joints and its heat-affected zone (HAZ) induced by various power densities was examined. These data are important in order to optimize and utilize the laser welding process as an effective manufacturing tool for fabrication of reliable pump laser.     

基于脉冲CO2激光锡等离子体光刻光源的极紫外辐射光谱特性研究

研究了不同条件下脉冲放电CO₂激光烧蚀平板锡靶产生的等离子体极紫外辐射特性, 设计并建立了一套掠入射极紫外平焦场光栅光谱仪, 结合X射线CCD探测了光源在6.5～16.8 nm波段的时间积分辐射光谱,得到了极紫外光谱随激光脉宽, 入射脉冲能量及背景气压的变化规律。实验结果发现：入射激光脉冲能量在30～600 mJ变化时,极紫外辐射光谱的强度随辐照激光脉冲能量的增加而增加, 但并不是线性关系, 具有饱和效应, 且产生极紫外辐射的脉冲能量阈值约为30 mJ,当激光脉冲能量为425 mJ时具有最高的转换效率,此时中心波长13.5 nm处2%带宽内的转换效率约为1.2%。激光脉冲半高全宽在50～120 ns范围内变化时, 极紫外辐射光谱的峰值位置均位于13.5 nm,光谱形状几乎没有什么变化, 但是脉宽从120 ns变到52 ns后,由于激光功率密度的提高,极紫外辐射强度也随之增强了约1.6倍。极紫外光谱的强度随背景气压的增大而迅速下降, 当腔内空气气压为200 Pa时, 极紫外辐射光子几乎被全部吸收,而当缓冲氦气气压为7×104 Pa时,仍能够探测到微弱的极紫外辐射信号,计算表明100 Pa的空气对13.5 nm极紫外光的吸收系数为3.0 m-1,而100 Pa的He气的吸收系数为0.96 m-1。     

超短超强激光脉冲作用下的Mo等离子体X射线辐射(英文)

在SILEX-1激光器上,利用光子计数型CCD测量了超短超强激光束与高纯度Mo相互作用而产生的发射谱。实验发现, 在超短超强激光脉冲作用下, Mo等离子体辐射Kα X射线, 这一过程伴随很强的热辐射和轫致辐射。Mo等离子体Kα X射线辐射强度、 热辐射和轫致辐射随激光功率密度增加而增强。Using a Single photon counting CCD, X ray emission spectra of high purity Mo irradiated by ultra short and ultra intense laser pulse was firstly detected. The experiment was carried out with the SILEX 1 laser facility. The experimental results show that, for Mo target, characteristic K shell emission (Kα) is observed in the 0.23—2.32 J energy range in addition to a broadband bremsstrahlung background, and the X ray radiation intensity, thermal radiation and bremsstrahlung increase with enhancementofthe laser power density.     

5—200?范围激光等离子体X射线辐射特性研究

利用带有针孔的透射式光栅光谱仪研究了激光等离子体X射线辐射的原子序数依赖性和激光功率密度对辐射的影响。得到了波长为1.06μm,平均功率密度为5×10¹⁴W/cm²的激光辐照条件下Z=6(C)到Z=79(Au)的不同原子序数激光等离子体X射线发射光谱。点聚焦和线聚焦激光照射方式下Al,Au等离子体X射线发射的对照实验结果表明,激光功率密度对低Z等离子体X射线发射的影响比对高Z的影响更明显。 关键词：