納秒雷射

納秒、飛秒雷射脈衝下鋁電漿發射光譜及其空間特性的比較

英文介紹

2004年11月25日10時55分 慧聰網雷射光電子行業

關鍵字：飛秒雷射，電漿診斷，空間分辨測量

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▲

雷射介紹

隨著雷射器件的發展，飛秒強雷射的產生、超短強雷射與物質的相互作用已成為當今研究的熱點之一。強雷射與物質（固體、分子、原子、團簇）作用過程中，電漿的動力學特性，如溫度、密度分布及其均勻性直接影響了X射線的發射特性、產生的X射線雷射的增益高低及X射線的傳輸特性[1，2]，因而利用X射線譜來獲取電漿的溫度、密度等重要參數，有助於我們對雷射與物質相互作用機制和過程的認識和理解。國內P. X. Lu，王曉方等用條紋相機對納秒光與各種固體靶進行了比較細緻的研究[3，4]，但是在飛秒雷射脈衝條件下，雷射與物質的作用過程很快，超強雷射能迅速地消融固體靶面，電漿膨脹和擴散時間變得很小或可以忽略不計，電漿的尺度在百分之一到十分之一個雷射波長的範圍，從而雷射能量可以直接沉積在固體表面上，產生大梯度的具有極高乃至近似固體密度的電漿，其動力學過程及原子與離子的狀態和時空特性與納秒情況下完全不同。因此對飛秒雷射下電漿的特性，特別是時間與空間特性方面的研究具有重要的意義，飛秒與納秒雷射與物質作用的比較研究也有利於對其相互作用機理的理解。

本文報導了利用具有空間分辨能力的大面積透射光柵軟X射線譜儀對鋁電漿在0.5～11 nm的發射光譜進行的研究，並用線強度比的方法對納秒與飛秒雷射打鋁靶產生的電漿的溫度、密度特性進行了診斷，對其空間特性也做了簡單的比較。

實驗安排

圖1給出了實驗布局。所用的納秒雷射為YAG雷射，其波長為532 nm，單發能量為180 mJ，脈寬為6 ns；飛秒雷射為鈦寶石雷射，中心波長為785 nm，單發能量為35 mJ，脈寬為45 fs。兩者的工作頻率均為10Hz，經過同一聚焦透鏡和與鋁靶作用，光強分別為3.8×1011 W/cm3，8.9×1015 W/cm3。圖中打靶透鏡5裝在步進電機上，調靶時利用He-Ne雷射模擬光路使納秒、飛秒雷射共軸，並保證聚焦後落在靶面上。XUV二極體用來監視X射線的發射。大面積透射光柵軟X射線譜儀由輪胎鏡、大面積透射光柵和X射線CCD照相機組成，光柵刻線為5000條/mm，光柵前面加0.25 μm厚的鋁膜擋可見光。實驗過程中，靶室的真空度優於1.3×10-3 Pa。

圖1　實驗裝置示意圖

1：遠場監視系統；2：光譜儀；3：軟X射線光柵譜儀；

4：Al靶；5：聚焦透鏡；6：計算機；7：XUV二極體

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

實驗結果

X射線譜

圖2給出了X射線CCD照相機接收到的譜圖。圖3(a），（b）分別為納秒與飛秒雷射下鋁電漿X射線的時間積分譜，積分時間為5 s，解譜時以文獻[5,6]為參考。在我們的實驗條件下，譜儀的光譜解析度<0.03 nm(對5 nm），空間解析度為20 μm，解譜時譜線的精確度小於0.05 nm。

圖2　X射線CCD面上的鋁譜

Fig.2　Spectrum taken by soft X-ray transmission

grating spectrograph with soft-X-CCD camera

圖3　鋁的X射線譜。（a) 532 nm雷射；（b) 785 nm雷射

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)

從圖3可見，飛秒雷射條件下，X射線短波方向明顯增強。這說明飛秒雷射下，電漿的溫度升高。從圖3(a）的X射線譜來看，納秒雷射情況下鋁電漿的離子態以Al10+，Al9+為主，X射線發射主要是5 nm左右的L帶，這與文獻[4]中的結果是一致的。而從圖3(b）的X射線譜來看，飛秒雷射情況下鋁電漿的離子態以Al12+，Al11+，Al10+為主，X射線發射主要是2.5 nm左右的K帶，5 nm左右的L帶也有較強的分布。這是飛秒雷射條件下高光強所致（8.9×1015 W/cm3）。圖3(a）中出現Al8+，Al7+，Al6+離子以及圖3(b）中出現Al9+，Al8+，Al7+，Al6+離子是由於時間積分造成的，這也說明鋁離子是逐步電離的。對納秒雷射，電離以碰撞電離為主；飛秒雷射情況下，電離以光場電離為主，但是，在我們的實驗條件下，光場電離又不足以產生Al12+，Al11+這樣高電離態，說明飛秒雷射與鋁作用過程中，也有碰撞電離的存在。

溫度與密度

在XUV診斷中，用線強度比的方法可以比較精確地測量電漿的溫度和密度。其方法是選取兩條位置比較靠近、強度比較強的譜線，由一定的模型計算出兩譜線強度比和電漿溫度與密度的依賴關係，從而由實驗的譜線強度反推出電漿的溫度與密度。對鋁電漿的K，L殼層發射，Duston等用CRE模型作了深入的研究[5，6]。我們先用簡化的二能級模型來獲取納秒雷射下電漿的平均電子溫度[7]，假設當電子碰撞到5 nm的能級幾率最大時，導致該能級的輻射最強，有kTe=xPQ/2=113 eV。其中xPQ為兩能級的寬度。在這樣的溫度下，可以參照Duston等的理論計算結果，選用類Li鋁2p（2P)-3s（2S）線與類B鋁2s2（1S)-2s3P（1P）線的強度比來估計溫度，用AlⅦ2s22p3（4S)-2s22p3s（4P）線與Al?Ⅴ?Ⅰ?Ⅰ2s22p3（2D)-2s22p2（1D)3s（2D）線強度比來測量納秒情況下的電漿密度[8]。對我們的實驗數據，兩組線的比分別為0.62，0.66。與圖4比較得到納秒下電漿的電子溫度約為100 eV，電子密度為2×1020/cm3。

圖4　納秒雷射下用線強度比測量

鋁電漿的參數

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

在飛秒雷射下，鋁電漿的短波發射增強，說明電漿的溫度很高，以上的類Li鋁的發射在這樣的溫度下發射很弱[5]，因此選用有較高豐度的類H鋁1s-2p線與類He鋁1s2-1s3p（1P）線的強度比來估計鋁電漿的溫度與密度[6]。我們的實驗數據為1.75，與圖5比較，得到在光學薄近似下飛秒雷射作用的電漿電子溫度為500 eV，電子密度為3×1021/cm3。在我們的系統中，由於兩線靠近輪胎鏡的設計全反射角，因此兩條線損失較大，但由於兩線很靠近，而測的是比值，所以對測量結果是有效的。與納秒結果比較，發現飛秒下雷射電漿的溫度、密度都比納秒下的要高得多，這也正是飛秒雷射與固體靶相互作用的特點。

圖5飛秒雷射下用線強度比測量

鋁電漿的參數

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，線強度比的方法雖然可以減少溫度與密度絕對測量的困難，但是仍然有一定的誤差，考慮到譜儀的譜解析度、解譜以及CRE模型的理論誤差，在納秒與飛秒下，溫度診斷誤差分別約為30～40 eV,100 eV；密度診斷的誤差分別約為100%，120%。

對納秒雷射情況，為了驗證我們的線強度比方法的結果，用類Li鋁的5f-3d躍遷譜線的Stark展寬來估算納秒雷射下鋁電漿的密度[8,9]，在準靜態近似下，有Δλ=0.04 nm，對應的密度為1×1020/cm3。可見Stark展寬方法與線強度比方法得出的結論是一致的。

空間特性

利用大面積透射光柵譜儀的一維空間分辨的特點，可得到電漿的空間分布情況，光譜零級結果反映電漿X射線發射是各個波長的總效應的空間分布；一級結果反映單個波長發射的空間特性。圖6(a）～（c）分別給出了飛秒與納秒下Al X射線譜的零級，K，L帶的空間分布比較圖。

圖6　鋁射線譜的空間分布比較圖。（a) 零級；（b) K帶；（c) L帶

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

從圖6(a）可知，飛秒雷射下Al電漿的X射線發射長度為1500 μm（圖中1200～2700 μm處），納秒下發射長度為2500 μm，因此飛秒下Al電漿的噴射長度比納秒下要短；飛秒雷射下X射線發射強區在1900 μm處，納秒下強區在1975 μm處，兩者相距75 μm，因此飛秒雷射下Al電漿的X射線的發射強區更靠近靶面。（b），（c）中X射線的發射區域在飛秒下K帶為750 μm長，納秒下無K帶發射，L帶都約為800 μm，這是由於飛秒雷射光強很高，使電子密度和溫度很高，導致X射線短波明顯增強。

結論

用大面積透射光柵譜儀觀察了飛秒與納秒雷射作用下鋁電漿的發射譜，對兩種情況下電漿的溫度、密度用線強度比的方法進行了測量，發現在飛秒下X射線發射以K殼層為主，電漿的溫度（500 eV），電子密度（3×1021/cm3）比納秒情況（100 eV，2×1020/cm3）下要高，顯示飛秒與納秒下不同的作用機制；對空間特性的分析，發現飛秒雷射電漿的發射長度短，而且更靠近靶面。由於譜儀解析度的限制，解譜時得到的譜線信息不完全而限制了對譜更多的重要信息的獲取（例如高解析度光譜和譜的時間特性）。因此需利用具有更高解析度的譜儀，如條紋像機對飛秒與納秒雷射下的電漿的特性做更深入的研究。

信息來源：中國雷射 王真祥 朱巧雲

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