基於光場感生電離的複合機制和電子碰撞機制被認為很有希望實現台上X 射線雷射的新的泵浦機制 ,並且隨著超短脈衝、超高功率雷射器的發展, 雷射強度的大幅度提高, 為這一領域的研究提供了理想的驅動源, 也使得這一領域的研究異常活躍。
基本介紹
- 中文名：光場感生電離
- 外文名：Optical-Field-InducedIonization
光場感生電離 X 射線雷射,高能電子碰撞電離的 X 射線雷射,光場感生電離 X 射線雷射方案的提出及優點,光場感生電離 X 射線雷射理論,光場感生電離 X 射線雷射理論進展情況,國內進展及展望,
光場感生電離 X 射線雷射
X 射線雷射是目前可以得到的瞬間亮度最高、頻帶窄 、波長最短的相干光源 。X 射線雷射的這些特點使得它在生物活體細胞和亞細胞結構的 X 射線雷射成像 ,雷射產生的電漿狀態診斷,高密度積體電路光刻等需要極高的時間和空間分辨的微觀過程的研究領域具有廣闊的套用前景。為使 X 射線雷射得到廣泛的套用,以減小泵浦雷射器的體積和降低運行費用為目的的台上 X 射線雷射的研究在 X 射線雷射研究領域一直倍受人們的關注 ,並且也取得了一定的進展。近年來, 基於光場感生電離的複合機制和電子碰撞機制被認為很有希望實現台上X 射線雷射的新的泵浦機制 ,並且隨著超短脈衝、超高功率雷射器的發展, 雷射強度的大幅度提高, 為這一領域的研究提供了理想的驅動源, 也使得這一領域的研究異常活躍。所以, 這一領域的研究也開始得到人們的密切關注 。
高能電子碰撞電離的 X 射線雷射
20 世紀 80 年代, X 射線雷射的研究取得了突破性的進展。 1984 年 ,勞倫斯·利弗莫爾實驗室( LLNL) 的 M atthew s 等人利用順序電離及隨後的電子碰撞激發 ,獲得了 Ne-like Se 波長為 20 . 6nm 和 21 . 0nm 的軟 X 射線雷射放大。與此同時 ,普林斯頓大學的 Suckewer 等人利用順序電離及隨後的複合激發,獲得了 H-like C 波長為 18 . 2nm 的軟 X 射線雷射放大 。上述兩種機制都是利用能量很高的雷射脈衝照射到固體靶上產生電漿, 自由電子通過逆韌致輻射吸收雷射能量而被加熱到足夠高的溫度, 然後通過碰撞電離產生所需的離子。由於泵浦雷射的脈衝能量為幾百焦耳 ,使得泵浦雷射器不僅體積龐大而且運行費用昂貴, 所以, 世界範圍內只有很少幾個實驗室可以開展相應的工作。此後, 人們開始尋求降低泵浦雷射能量的途徑, 以減小泵浦雷射器的體積和運行費用, 使得 X 射線雷射得到廣泛的套用。所以 ,自從 80年代末以來 ,台上 X 射線雷射的研究在 X 射線雷射研究領域一直倍受人們的關注, 並且也取得了一定的進展 。Hara 等人和 Kim等人利用絕熱冷卻複合泵浦機制, 在泵浦雷射能量為幾個焦耳的情況下,分別獲得了 Li-like Al 波長為 15 . 4nm 和 H-like C 波長為 18 . 2nm 的軟 X射線雷射放大。 Basu 等人利用電子碰撞泵浦機制, 在泵浦雷射能量小於 1J 的情況下, 獲得了 Ni-like Nb 波長為 20 . 4nm 的軟 X 射線雷射放大。另外 , Rocca 等人在一個放電產生的電漿中 ,利用電子碰撞激發 ,獲得了 Ne-like Ar 波長為 46 . 9nm 的 XUV 雷射放大。
光場感生電離 X 射線雷射方案的提出及優點
80 年代中期以來, 基於 CPA( chirped-pulse-amplification)技術的脈寬可以短於 10fs ,或脈衝能量可以大於 100mJ ,雷射強度可以達到 1020W/cm2 以上的緊湊型超短脈衝、超高功率雷射器的出現,不僅開創了現代雷射物理學最有前途的分支之一———超強輻射物理和技術 ,而且也為基於強雷射場的光場感生電離的電子碰撞機制和複合機制的 X 射線雷射的研究提供了理想的驅動源。基於強雷射場的光場感生電離 X 射線雷射的這兩種新的泵浦機制是由加拿大的 Corkum , Burnett 分別於 1988 年和 1989 年提出來的 。所謂的光場感生電離( opticalfield-induced ionization , OFI) 是指原子在強雷射場的作用下 ,當相應的雷射電場超過原子的庫侖電場時, 能夠使原子迅速發生隧道電離或越過勢壘電離 ,例如對於氫原子, 當雷射強度大於3 . 5 ×1016W/cm2 時,相應的雷射電場將超過氫原子的庫侖電場( E a =5 . 1 ×109V/cm),從而使氫原子迅速發生電離 。這兩種機制都是利用光場電離的閾值特性, 將原子直接電離至所需的離子態,從而獲得產生雷射作用所需的離子和適合溫度的電子, 複合機制是通過離子與冷電子三體複合實現集居數反轉 ; 電子碰撞機制是通過低溫離子與高能電子的碰撞實現集居數反轉 。
與傳統的基於高能電子碰撞電離 X 射線雷射相比, 基於 OFI 的泵浦機制所用的超短脈衝、超高功率雷射器 ,無論是體積上還是費用上都有了很大程度的降低, 並且, 基於 OFI 的泵浦機制要求泵浦雷射器產生較高的峰值功率 ,而不是大的雷射能量 ,所以, 對於脈寬很窄的超短脈衝 、超高功率雷射器欲達到較高的功率密度 ,較低的泵浦能量即可滿足要求, 從而使得 X射線雷射可以有較高的重複頻率, 這對一些實際套用具有重要的意義。基於 OFI 的泵浦機制還有如下的兩個優點 。第一,有可能相對於某一離子的基態產生集居數反轉。這是因為 OFI和隨後的三體複合過程快於相關共振譜線的輻射衰減速率, 所以 ,與激發態之間的躍遷相比可獲得更短的雷射波長。第二 ,與傳統的基於電子碰撞電離 X 射線雷射相比, 基於 OFI 的 X射線雷射能更有效地運轉 ,因為它們具有高的量子效率和電漿特性的可控制性。電漿特性的可控制性是指通過控制泵浦雷射的波長和偏振特性 , 可在很大範圍內控制電子溫度。
與傳統的基於高能電子碰撞電離 X 射線雷射相比, 基於 OFI 的泵浦機制所用的超短脈衝、超高功率雷射器 ,無論是體積上還是費用上都有了很大程度的降低, 並且, 基於 OFI 的泵浦機制要求泵浦雷射器產生較高的峰值功率 ,而不是大的雷射能量 ,所以, 對於脈寬很窄的超短脈衝 、超高功率雷射器欲達到較高的功率密度 ,較低的泵浦能量即可滿足要求, 從而使得 X射線雷射可以有較高的重複頻率, 這對一些實際套用具有重要的意義。基於 OFI 的泵浦機制還有如下的兩個優點 。第一,有可能相對於某一離子的基態產生集居數反轉。這是因為 OFI和隨後的三體複合過程快於相關共振譜線的輻射衰減速率, 所以 ,與激發態之間的躍遷相比可獲得更短的雷射波長。第二 ,與傳統的基於電子碰撞電離 X 射線雷射相比, 基於 OFI 的 X射線雷射能更有效地運轉 ,因為它們具有高的量子效率和電漿特性的可控制性。電漿特性的可控制性是指通過控制泵浦雷射的波長和偏振特性 , 可在很大範圍內控制電子溫度。
光場感生電離 X 射線雷射理論
基於 OFI 的電子碰撞機制和複合機制是近年來被認為很有希望實現台上 X 射線雷射的泵浦機制之一, 且隨著超短脈衝、超高功率雷射器的發展,雷射強度的大幅度提高,也使得這一領域的研究異常活躍 。已有美國、加拿大、英國及日本等幾個研究小組對基於 OFI 的 X 射線雷射進行了大量的理論和實驗研究 。理論工作主要集中在基於 OFI 的複合機制的理論模擬 。1990 年 , Burnett 和 Enright對基於 OFI 的 X 射線雷射以瞬時模式和準穩態模式獲得增益的方案 ,在 Jones 和 Ali 模型的基礎上 ,建立了自己的模型 , 並對 H-like B 的瞬時模式的增益, Li-like Ar 和 H-like C 的準穩態模式的增益進行了計算 。準穩態模式以時間尺度超過流體擴展或冷卻時間 ,以及激發態之間躍遷波長較長為特徵(>100ps); 瞬時模式以時間尺度與基態躍遷的輻射時間相當為特徵(～ 1ps)。對 X 射線雷射的準穩態模式的增益已進行了大量的分析研究, 實驗上已證明其可行性。 X 射線雷射的瞬時模式的增益, 在文獻中進行了計算 ,並指出其存在性,但是由於沒有適合的方法在瞬時模式所要求的亞皮秒的時間尺度里產生所需的電漿, 所以 ,以瞬時模式獲得增益的方案實驗上一直沒有得到實現 。但隨著超短脈衝 、超高功率雷射器的發展 ,超短脈衝 、超高功率雷射器的脈衝寬度( 0 . 1 ～ 1ps ,甚至更短) 與以瞬時模式獲得增益的方案所要求的時間尺度相匹配, 從而使得以瞬時模式獲得增益的方案的實現成為可能 。所以, 通過 Burnett 等人的理論分析不僅使人們對基於 OFI 的 X 射線雷射的研究有了全新的認識, 也使得以瞬時模式獲得增益的方案開始得到人們的重視。
1991 年 , LLNL 的 Amendt , Eder 等人使用簡化的原子動力學模型, 對基於 OFI 瞬時模式的 Li-like Ne X 射線雷射( 9 . 8nm)進行了理論探討 ,分析了飽和效應以及由受激喇曼散射( stimulated raman scattering , SRS) 所引起的電子加熱過程 ,並指出更短的雷射脈衝寬度, 可顯著提高效率。1992 年 ,該研究小組在原來工作的基礎上 ,進一步深入地研究了基於 OFI 的X 射線雷射的飽和效應 ,能量效率以及瞬時模式中與相對於基態躍遷相關的其它問題 。在考慮和不考慮精細結構的兩種情況下, 對 H-like 和 Li-like 離子相對於基態躍遷中的飽和強度( 增益減小為小信號增益值一半時所對應的強度) 進行了較為詳細的計算。文中同時使用較大的篇幅對基於 OFI 的 X 射線雷射效率的計算進行了討論, 以 Li-like Ne( 9 . 8nm) 為例, 具體地討論了電子溫度及電子密度的變化對最大增益係數和能量效率的影響。通過該研究小組較為詳盡的計算 ,使人們對基於 OFI 的瞬時模式的 Li-like 方案有了更加深入、全面的認識 ,為進一步開展基於 OFI 的 X 射線雷射的研究奠定了基礎 。
對基於 OFI 的電子碰撞激發機制的理論模擬工作 ,主要是 1994 年美國 Stanford 大學的Lemoff 等人組成的研究小組首次發表了基於這種機制的三個系統 Ne-like Ar( Ar Ⅸ), Nilike Kr( Kr Ⅸ) 和 Pd-like Xe( Xe Ⅸ) 的理論計算的結果, 計算結果顯示每一個系統都能產生很高的增益, 理論上的增益值分別為 17cm -1 , 94cm -1和 107cm -1 。隨後, 該研究小組的 Hooker和 H arris 等人又提出了基於 OFI 電子碰撞機制的以類鈹離子作為雷射介質的新方案 ,與該小組先前提出的幾個系統的主要差別是 : 對於先前的系統雷射躍遷發生在 Δn =0 的能級間 ,而新提出的系統雷射躍遷發生在 Δn ≠0 的能級間 ,從而使得同樣躍遷波長所要求的電離雷射強度比先前系統大大降低, 並給出了 Be-like N( NⅣ), Be-like Ne( Ne Ⅶ ), Be-like Al( Al Ⅹ) 三個系統的理論計算結果。
國內的哈爾濱工業大學光電子技術研究所、北京套用物理與計算數學研究所等單位 ,對基於 OFI 的 X 射線雷射的研究進行了一些理論計算。前者主要開展了基於 OFI 的電子碰撞激發機制的類鎳氪系統( Kr Ⅸ) 的理論模擬。利用在現有的各種強場電離理論中與實驗符合得很好的由 Ammosov , Delone 和 Krainov 等人提出的複雜原子隧道電離模型 ( 即 ADK 模型),計算了 KrⅠ至 Kr Ⅸ 的電離速率隨光強的變化關係,進而根據閾值雷射強度 I th的定義和簡單的一維準經典庫侖勢壘壓制電離( barrier-suppression ionization , BSI) 模型計算出類鎳氪系統光場電離所需的閾值雷射強度。以準靜態隧道電離模型和準經典閾上電離理論為基礎,建立了描述圓偏振光場電離電子能量分布的簡單模型 ,並編制了相應的數值計算程式 ,計算了圓偏振光場電離產生的類鎳氪電漿中電子的剩餘能量分布 。利用 Cow an 程式計算了類鎳氪系統的偶極躍遷原子參數,得到了類鎳氪雷射系統有關能級的能量值、能級壽命 、能級間偶極躍遷矩陣元、振子強度 、自發輻射速率 。另外, 將 Cow an 程式推廣到了任意電子能量分布的情形, 利用 Cow an 程式計算出的平面波玻恩近似下的電子碰撞強度值, 然後求出電子碰撞激發截面 ,最後將激發截面對上述計算出的電子能量分布進行積分 ,得到了電子碰撞激發速率係數。對反轉粒子數密度、小信號增益係數等的進一步計算正在進行之中。
1991 年 , LLNL 的 Amendt , Eder 等人使用簡化的原子動力學模型, 對基於 OFI 瞬時模式的 Li-like Ne X 射線雷射( 9 . 8nm)進行了理論探討 ,分析了飽和效應以及由受激喇曼散射( stimulated raman scattering , SRS) 所引起的電子加熱過程 ,並指出更短的雷射脈衝寬度, 可顯著提高效率。1992 年 ,該研究小組在原來工作的基礎上 ,進一步深入地研究了基於 OFI 的X 射線雷射的飽和效應 ,能量效率以及瞬時模式中與相對於基態躍遷相關的其它問題 。在考慮和不考慮精細結構的兩種情況下, 對 H-like 和 Li-like 離子相對於基態躍遷中的飽和強度( 增益減小為小信號增益值一半時所對應的強度) 進行了較為詳細的計算。文中同時使用較大的篇幅對基於 OFI 的 X 射線雷射效率的計算進行了討論, 以 Li-like Ne( 9 . 8nm) 為例, 具體地討論了電子溫度及電子密度的變化對最大增益係數和能量效率的影響。通過該研究小組較為詳盡的計算 ,使人們對基於 OFI 的瞬時模式的 Li-like 方案有了更加深入、全面的認識 ,為進一步開展基於 OFI 的 X 射線雷射的研究奠定了基礎 。
對基於 OFI 的電子碰撞激發機制的理論模擬工作 ,主要是 1994 年美國 Stanford 大學的Lemoff 等人組成的研究小組首次發表了基於這種機制的三個系統 Ne-like Ar( Ar Ⅸ), Nilike Kr( Kr Ⅸ) 和 Pd-like Xe( Xe Ⅸ) 的理論計算的結果, 計算結果顯示每一個系統都能產生很高的增益, 理論上的增益值分別為 17cm -1 , 94cm -1和 107cm -1 。隨後, 該研究小組的 Hooker和 H arris 等人又提出了基於 OFI 電子碰撞機制的以類鈹離子作為雷射介質的新方案 ,與該小組先前提出的幾個系統的主要差別是 : 對於先前的系統雷射躍遷發生在 Δn =0 的能級間 ,而新提出的系統雷射躍遷發生在 Δn ≠0 的能級間 ,從而使得同樣躍遷波長所要求的電離雷射強度比先前系統大大降低, 並給出了 Be-like N( NⅣ), Be-like Ne( Ne Ⅶ ), Be-like Al( Al Ⅹ) 三個系統的理論計算結果。
國內的哈爾濱工業大學光電子技術研究所、北京套用物理與計算數學研究所等單位 ,對基於 OFI 的 X 射線雷射的研究進行了一些理論計算。前者主要開展了基於 OFI 的電子碰撞激發機制的類鎳氪系統( Kr Ⅸ) 的理論模擬。利用在現有的各種強場電離理論中與實驗符合得很好的由 Ammosov , Delone 和 Krainov 等人提出的複雜原子隧道電離模型 ( 即 ADK 模型),計算了 KrⅠ至 Kr Ⅸ 的電離速率隨光強的變化關係,進而根據閾值雷射強度 I th的定義和簡單的一維準經典庫侖勢壘壓制電離( barrier-suppression ionization , BSI) 模型計算出類鎳氪系統光場電離所需的閾值雷射強度。以準靜態隧道電離模型和準經典閾上電離理論為基礎,建立了描述圓偏振光場電離電子能量分布的簡單模型 ,並編制了相應的數值計算程式 ,計算了圓偏振光場電離產生的類鎳氪電漿中電子的剩餘能量分布 。利用 Cow an 程式計算了類鎳氪系統的偶極躍遷原子參數,得到了類鎳氪雷射系統有關能級的能量值、能級壽命 、能級間偶極躍遷矩陣元、振子強度 、自發輻射速率 。另外, 將 Cow an 程式推廣到了任意電子能量分布的情形, 利用 Cow an 程式計算出的平面波玻恩近似下的電子碰撞強度值, 然後求出電子碰撞激發截面 ,最後將激發截面對上述計算出的電子能量分布進行積分 ,得到了電子碰撞激發速率係數。對反轉粒子數密度、小信號增益係數等的進一步計算正在進行之中。
光場感生電離 X 射線雷射理論進展情況
基於 OFI 的 X 射線雷射的實驗研究在 1993 年取得了突破性進展,日本 RIKEN 研究所的Nagata 等人首次觀察到光場感生電離複合機制 X 射線雷射增益 ,他們採用長脈衝雷射預電離與隨後的短脈衝雷射場電離相結合的實驗方案。在他們的實驗中 , 首先將一台脈寬為20ns,波長為 248nm 的 KrF 雷射器出射的雷射束線聚焦於放在真空室內的固體鋰靶上 , 相應的功率密度為 109W/cm2 ,在真空室內產生 Li+電漿 ,經過一定時間的延遲,另一台與先前KrF 雷射器同步的脈寬為 0 . 5ps ,能量為 50mJ , 波長為 248nm 的亞皮秒 KrF 雷射器出射的雷射通過光場感生電離產生完全離化的鋰離子 ,亞皮秒 KrF 雷射被一個焦距為 300mm 的消色差透鏡點聚焦於靶上方 0 . 5mm 處的 Li+電漿中 ,焦斑為 10μ m , 相應的功率密度為 1017W/cm2 ,上述兩台雷射器的重複頻率都為 3H z 。由電漿所發出的 X 射線輻射由光譜儀及光譜儀出射狹縫處的微通道板進行檢測。對於 H-like Li 13 . 5nm( Lym an-α, n =2 -1) 躍遷 ,由觀測到的軸向光譜和離軸光譜強度的對比表明產生增益 ,並且由軸向譜線強度隨著增益長度增加的非線性增長測得小信號增益係數為 20cm -1 , 相應的增益長度為 2mm , 所以 , 增益長度積 gl =4 。這個實驗的成功 ,充分證明了基於 OFI 複合機制 X 射線雷射的可行性 ,也給基於OFI 的 X 射線雷射的研究注入了新的動力 。
1994 年 , LLNL 的 Eder 等人在泵浦光的波長為 0 . 8μ m 及其二次諧波 0 . 4μ m 的兩種情況下 ,對基於 OFI 複合機制的 H-like Li 13 . 5nm 躍遷的輻射譜線進行了測量,當泵浦光的波長為 0 . 4μ m 時, 譜線強度隨增益長度的增加有非線性增長, 並測得小信號增益係數為 30cm -1 ,相應的增益長度為 1 . 5mm ,故增益長度積 gl =4 . 5 ; 而當泵浦光的波長為 0 . 8μ m 時 ,譜線強度隨增益長度的增加無非線性增長。該實驗不僅進一步證明了基於 OFI 複合機制 X 射線雷射的可行性 ,且說明該實驗中波長較長的泵浦光不利於基於 OFI 複合機制 X 射線雷射的產生。
1996 年, 普林斯頓大學的 Krushelnick 等人在實驗中觀測到, 對於 H-like Li 13 . 5nm( Lyman-α, n =2 -1) 的躍遷 ,譜線強度隨增益長度的增大有非線性增長 ,並且在靶的長度大於2mm 時,譜線的強度不再呈現非線性增長。該實驗與日本 RIKEN研究所的實驗不同之處在於,該實驗中預脈衝雷射的能量較高, 所以, 預脈衝雷射在真空室內產生的是 Li2 +電漿 ,而日本 RIKEN 研究所的實驗中預脈衝雷射產生的是 Li1 +電漿。
1994 年 , LLNL 的 Eder 等人在泵浦光的波長為 0 . 8μ m 及其二次諧波 0 . 4μ m 的兩種情況下 ,對基於 OFI 複合機制的 H-like Li 13 . 5nm 躍遷的輻射譜線進行了測量,當泵浦光的波長為 0 . 4μ m 時, 譜線強度隨增益長度的增加有非線性增長, 並測得小信號增益係數為 30cm -1 ,相應的增益長度為 1 . 5mm ,故增益長度積 gl =4 . 5 ; 而當泵浦光的波長為 0 . 8μ m 時 ,譜線強度隨增益長度的增加無非線性增長。該實驗不僅進一步證明了基於 OFI 複合機制 X 射線雷射的可行性 ,且說明該實驗中波長較長的泵浦光不利於基於 OFI 複合機制 X 射線雷射的產生。
1996 年, 普林斯頓大學的 Krushelnick 等人在實驗中觀測到, 對於 H-like Li 13 . 5nm( Lyman-α, n =2 -1) 的躍遷 ,譜線強度隨增益長度的增大有非線性增長 ,並且在靶的長度大於2mm 時,譜線的強度不再呈現非線性增長。該實驗與日本 RIKEN研究所的實驗不同之處在於,該實驗中預脈衝雷射的能量較高, 所以, 預脈衝雷射在真空室內產生的是 Li2 +電漿 ,而日本 RIKEN 研究所的實驗中預脈衝雷射產生的是 Li1 +電漿。
國內進展及展望
國內的一些高校和研究所在對基於 OFI 的 X 射線雷射的進行理論研究的同時 ,也開展了相應的實驗研究 ,但實驗研究相對於國外起步較晚。哈爾濱工業大學光電子技術研究所可調諧雷射技術國家級重點實驗室, 利用購於美國光譜物理公司的重複頻率 10Hz , 能量 60m J ,脈寬 105fs ,波長 800nm 的摻鈦藍寶石( Ti∶ sapphire)雷射系統正開展 Ni-like Kr( Kr Ⅸ) 31 . 9nm及 Pd-like Xe( Xe Ⅸ) 41 . 8nm 的 XUV 雷射的實驗研究。靶室的結構類似於 Lemoff 等人所採用的結構 ,靶室與外面真空室也是通過薄的銅片隔離, 由靶室出射的 X 射線輻射由 0 . 5m 真空紫外單色儀和單色儀出射狹縫處增益可達 106 的兩級 Chevron 結構的微通道板及 4400 信號測與分析系統等組成的信號檢測系統進行檢測 。實驗上已完成了聚焦系統、氣體靶室 、檢測系統等的設計、加工及整個實驗裝置的聯調, 並已開展了初期物理實驗,進一步的實驗工作正在進行之中。
