毛细管放电类氖氩46.9 nm软X光激光谱线的分辨

张兴强，王骐

（1.湖北汽车工业学院 理学系，湖北 十堰 442002; 2.哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150006）

毛细管放电类氖氩46.9 nm软X光激光谱线的分辨

张兴强1，王骐2

（1.湖北汽车工业学院 理学系，湖北 十堰 442002; 2.哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150006）

毛细管放电46.9 nm软X光激光以高温高密度氩等离子体作为激光增益介质，在46.9 nm激光谱线附近会出现大量的背景光谱，这对于进一步研究激光及其应用极为不利。本文实验研究了不同气压下毛细管放电输出激光的情况，发现低气压下适于产生激光的氩气气压为38 Pa，此时激光信号最大。随着气压的增加，激光信号减小。当气压达到65 Pa时，激光信号完全消失。由于气压相差不多，2种情况下的背景光基本相同，可作为分辨激光谱线时的参考光。利用平焦场光栅谱仪并采用胶片测谱法，分别用胶片记录38 Pa和65 Pa氩气的激光谱线。对比曝光并冲洗后的胶片可找到46.9 nm谱线的大致位置。用黑度扫描仪对冲洗后的胶片进行扫描，再与He+和Ar8+的标准定标谱线比较，经过对谱线的相对位置和强度的分析，最终分辨出46.9 nm软X光激光谱线。

激光技术；毛细管放电；软X光激光；激光光谱

0 引言

自1984年首次实现软X光激光以来［1］，X光激光器的研制和X光波段的激光技术都得到了很快的发展［2-4］。X光激光具有波长短、光子能量大、光源亮度高、相干性好等优点，在X光激光相干测量、全息、光刻、工业加工、医疗等方面具有广阔的应用前景［5-6］。毛细管放电46.9nm激光来源于Ar8+离子的2p53p-2p53s J=0-1能级跃迁，当氩等离子体的电子温度达到60～90 eV、电子密度达到（0.5～2）×1019/cm3时，Ar8+离子的丰度很高，此时毛细管放电产生的细长等离子体柱有可能成为很好的软X光激光增益介质。毛细管放电产生激光的过程中，由于采用电子碰撞离子的泵浦方式，电子速度存在一定的分布，电子与离子碰撞时都处于运动中，通过碰撞方式泵浦不仅产生不同电离价的离子，而且相同的离子也可能被激发到不同的激光上能级，再加上毛细管的管壁剥蚀和电极烧蚀提供少量的杂质离子，这样在46.9 nm激光谱线的附近存在大量的伴线光谱和背景光谱。要从这些谱线中辨认46.9 nm激光谱线，需要经过精心的实验设计，采用合适的仪器和测量方法。本文利用平焦场光栅谱仪先对激光束进行分光，再采用胶片测谱法用黑白胶片在谱仪后面记录分光后的激光光谱，用黑度扫描仪对冲洗后的胶片进行扫描，最后通过谱线分析，寻找46.9 nm激光谱线。辨认激光谱线一方面便于发现新的激光谱线，另一方面对研究产生激光的放电条件和工作参数等具有一定的指导作用。测谱是测光的基础，也是激光应用的前提，具有重要的现实意义。

1 测谱实验

测谱所用的毛细管放电激光装置［7-9］和平焦场光栅谱仪示意图如图1所示。毛细管放电类氖氩46.9 nm软X光激光采用预—主脉冲工作方式，预脉冲电流先将毛细管内的氩气电离成+1～+2价的离子，经适当延时随后而来的主脉冲电流将预电离等离子体进一步电离、欧姆加热、箍缩到所需状态，使高温高密度等离子体成为软X光激光的增益介质。实验中毛细管长度15 cm，内径3 mm，气压在10～100 Pa范围内可调；Marx发生器最大输出电压为300 kV，经主开关和布鲁姆林（Blumlein）传输线（7.3 nF）对毛细管内的预电离等离子体放电，产生的主脉冲电流峰值为20～40 kA，上升沿约为55ns；平焦场光栅谱仪的长度为1.5 m，激光束以87°角入射到轮胎镜上，平场光栅常数为1200 l/mm。

图1 毛细管放电激光装置和平焦场光栅谱仪示意图

在利用平焦场光栅谱仪测谱前，先用X射线二极管（XRD）研究产生激光的条件。XRD安装在平焦场光栅谱仪的位置，保持预脉冲电流（9 μs,20 A）、主脉冲电流（39 kA,上升沿约为55 ns）和它们之间的延时（约为6 μs）不变，当氩气气压调节时，激光强度随气压的变化如图2所示。从图中可见，当气压为38 Pa时，激光强度达到最大，激光信号如图3a所示。随着气压的升高，激光强度逐渐减小，接近55Pa时，激光强度接近于零，到65 Pa时，激光几乎没有输出，此时激光输出的情况如图3b所示。从图3中可见，尽管主脉冲电流的峰值和上升沿基本相同，但38 Pa的氩气输出了强激光信号，而65 Pa氩气没有输出激光。反复试验，2种不同气压下产生激光的情形都如此，激光输出或不输出的情况非常稳定。根据图2中激光强度的误差分析，55～65Pa这一段，没有激光信号输出的情况非常稳定，这使得65Pa气压适合作为背景光条件。

图2 激光强度随Ar气气压的变化

采用平焦场光栅谱仪代替XRD，在MCP&CCD位置上安放黑白胶片，在38 Pa和65 Pa气压下分别放电10次，让胶片充分曝光，冲洗后胶片上的激光谱线和背景光如图4所示，上面是38 Pa气压下的光谱，下面是65 Pa气压下的光谱。根据2张胶片上背景光的对比以及谱仪上标示的46.9 nm位置，可大致确定46.9 nm激光谱线的位置，如图4中标记所示。38 Pa和65 Pa气压相差不大，两者的背景光基本相同。从图4中可见，两者的背景光相似，46.9 nm激光谱线在38 Pa气压下非常明显，而在65 Pa气压下不太明显，不能判断是否产生了激光。与图3中所示的实际测量结果比较，65 Pa气压下可能没有产生激光，这个结论还需要进一步分析，但图4中胶片上记录的谱线还是大致反映了图3中的情形。

图3 主脉冲电流和激光信号的波形

图4 冲洗后胶片上的激光谱线和背景光

2 胶片扫描和分析

为了准确判断图4中65 Pa气压下是否真正产生了46.9 nm激光，用黑度扫描仪对不同气压下毛细管放电输出激光的测谱胶片分别进行扫描，结果如图5所示，其中图5a是积分谱，便于观察不同气压下背景光的轮廓，为进一步判断分析提供参考；图5b是分辨谱，便于细致地比较和分析不同气压下的激光谱线。图中小方块表示65 Pa气压时输出激光的谱线，小圆圈表示38 Pa气压下输出激光的情形。从图中可见，38 Pa和65 Pa气压下，两者积分谱的背景光轮廓基本相似，由此可进一步分析分辨谱。图5b中向下的黑色小箭头表示46.9 nm激光谱线的位置，38 Pa气压下46.9 nm激光谱线十分明显，而65 Pa气压下该激光谱线消失。这充分印证了图3的测量结果，也说明图4中65 Pa气压下没有46.9 nm激光谱线。这些结果表明，38 Pa氩气有利于46.9 nm激光的产生，而65 Pa氩气却抑制46.9 nm激光的输出。

图5 扫描谱线包含如向下箭头所示的46.9 nm激光线

实际上65 Pa气压下采用胶片测谱只是为了给38 Pa气压下的胶片测谱提供参考，65 Pa气压下是否产生激光已经变得不重要了。为了确定46.9 nm激光谱线的位置，采用He+&Ar8+的标准定标谱线（图6）与38 Pa气压下的分辨谱进行对比，结果如图7所示。图7中向上的三角形表示图6中的标准定标谱线，4条带三角形的短线表示He+的24.3 nm、25.6 nm、30.3 nm和53.7 nm谱线，其余较长的表示Ar8+的激光谱线；小圆点表示图5b中38 Pa气压下的激光谱线，为便于比较，只截取包含46.9 nm激光谱线在内的较小区域；2个向下的小箭头表示Ar8+的38.7 nm和46.9 nm激光谱线，这2条谱线与标准定标谱线完全一致。

图7中38 Pa气压下38.7 nm激光谱线的强度大于46.9 nm的强度，这与38.7 nm激光谱线前面的35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm激光谱线的消失不无关系。从图7可见，在38 Pa气压下，35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm激光谱线被抑制了。由于这3条谱线的波长小于38.7 nm，可推测出38.7 nm激光谱线的上能级比较稳定，粒子在此能级上的弛豫时间相对较长，可获得较大的粒子数布居。而35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm激光谱线的上能级相对来说不太稳定，处于这些能级上的粒子极易退激发到38.7 nm激光谱线的上能级。这些粒子的跃迁导致38.7 nm激光谱线增强，而35.3 nm、35.9 nm和37.4 nm却消失。图7中38 Pa气压下这3条激光谱线的消失充分说明了这一点。通过与标准定标谱线对比，考虑到激光谱线的相对位置和强度等关系，发现图7中第2个向下的小箭头标示出46.9 nm激光谱线的位置，由此在38 Pa气压下分辨出46.9 nm激光谱线。

图6 He+&Ar8+的定标线

图7 用定标线辨认46.9 nm激光谱线

3 结论

本文利用毛细管放电软X光激光装置对46.9 nm激光进行了测谱实验。通过调节氩气气压，确定有利于或抑制46.9 nm激光输出的最佳气压分别是38 Pa和65 Pa，然后利用平焦场光栅谱仪进行胶片测谱实验。曝光胶片用黑度计扫描后经谱线分析，最终分辨出46.9 nm激光谱线。46.9 nm激光谱线的辨认对进一步开展激光研究和应用等具有十分重要的意义。

［1］D.L.Matthews,P.L.Hagelstein,M.D.Rosen,et al.Demonstration of a soft X-ray amplifier［J］.Phys.Rev.Lett.,1985,54（2）:110-113.

［2］J.J.Rocca,V.Shlyaptsev,F.G.Tomasel,et al.Demonstration of a discharge pumped tabletop soft-X-ray laser［J］.Phys.Rev.Lett.,1994,73（16）:2192-2195.

［3］A.Ben-Kish,R.A.Nemirovsky,M.Shuker,et al.,Parametric investigation of capillary discharge experiment for collisional excitation X-ray lasers ［J］.SPIE.1999, 3776:166-174.

［4］Gohta Niimi,Yasushi Hayashi,Mitsuo Nakajima,et al., Observation of multi-pulse soft x-ray lasing in a fast capillary discharge ［J］.J.Phys.D:Appl.Phys.,2001, 34:2123-2126.

［5］J.C.Solem.Imaging biological specimens with high-intensity soft X-rays ［J］.J.Opt.Soc.Am.B.,1986,3: 1551-1556.

［6］L.B.Da Silva,T.W.Barbee,Jr.R.Cauble,et al.Electron density measurements of high density plasmas using soft X-ray laser interferometry ［J］.Phys.Rev.Lett., 1995,74:3991-3994.

［7］张兴强,程元丽,王骐,等.延时对毛细管放电类氖氩46.9 nm软X光激光的影响 ［J］.中国激光.2008,35（3）:363-366.

［8］X.Q.Zhang,Y.L.Cheng,and Q.Wang.Characteristic of a Ne-like Ar 46.9-nm soft X-ray laser in capillary discharge at a low Ar pressure［J］.Laser Physics.2008, 18（8）:958-961.

［9］张兴强,程元丽,王骐,等.主开关改进对毛细管放电软X光激光的影响［J］.中国激光.2009,36（2）:324-32.

［10］张兴强.毛细管内径对类氖氩46.9nm激光输出的影响［J］.湖北汽车工业学院学报，2010，24（1）：50-53.

Spectrum Identification of Ne-like Ar 46.9 nm Soft X-ray Laser in Capillary Discharge

Zhang Xingqiang1,Wang Qi2
（1.Department of Sciences,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China；2.National Key Laboratory of Tunable Laser Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150006,China）

Capillary discharge 46.9 nm soft X-ray laser depends on hightemperature highdensity Ar plasma as gain medium of laser.Usually there come a large number of background spectra around 46.9 nm laser spectrum,which greatly disturbs its further research and applications.This article concerns experimental study of laser output in capillary discharge at different gas pressure,it is found that in the range of low pressure the 38 Pa Ar gas is feasible to output the largest laser signal.As the Ar pressure increases,the laser signal decreases.When Ar pressure reaches 65 Pa,the laser signal disappears completely.Because two pressures approach each other,the background spectra under two conditions are similar which serves as reference spectra to laser identification.With a flatfield grating spectrograph and by means of film measuring method,the laser spectra at 38 Pa and 65 Pa are respectively recorded on black and white films.The rough position of 46.9 nm laser line can be found by comparison of two exposed and developed films.The developed films are scanned by a black scanner and then compared with standard spectra of He+and Ar8+ions,the 46.9 nm soft X-ray laser spectrum is finally identified by analyzing relative location and intensity of spectra.

laser technique;capillary discharge;soft X-ray laser;laser spectrum

TN248

A

1008-5483（2011）02-0053-04

2011-03-01

国家自然科学基金（60038010）；国家863计划（863-804-7-10）；哈尔滨工业大学创新团队资助作者简介：张兴强（1969-）,男,博士，湖北松滋人，从事毛细管放电软X光激光和EUVL光源研究。