超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源

王向贤

（巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源

王向贤

（巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

超短超强激光与物质相互作用产生的K-alpha线辐射，有准单能、发射区域小、时间短等优点，具有广泛的应用前景。介绍了超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源的基本原理及其主要研究内容，讨论了该领域的研究热点。

超短超强激光；K-alpha源；基本原理

1 引言

超短超强激光与物质相互作用产生的K-alpha线辐射。有准单能（几十个keV）、发射区域小（微米量级），时间短（飞秒-皮秒量级）等优点[1,2]。可广泛应用于惯性约束聚变背光照相，医学成像，光刻，时间分辨X射线衍射等领域。同时，超短超强激光与物质相互作用中超热电子辐射是强场物理的重要研究内容之一，而K-alpha线的产生和超热电子直接相关，故可以通过研究K-alpha线辐射研究超短超强激光与物质相关作用产生的超热电子。

2 超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源的基本原理

如图1所示，用超短超强激光脉冲辐照靶物质，如铝（Al）、铜（Cu）、金（Au）等，激光与靶物质的耦合将产生超热电子，超热电子向靶中输运，碰撞电离1S轨道电子，使得1S轨道产生空穴，此时2P轨道电子将向1S轨道跃迁，产生K-alpha光子辐射，产生的K-alpha线辐射包括K-alpha1线和K-alpha2线[3]，分别对应于跃迁22P3/2→12S1/2和 22P1/2→12S1/2。

图1 超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha光辐射的基本物理过程

基于超短超强激光脉冲驱动的K-alpha源的实验布局如图2所示。主激光经全反射镜反射后，被离轴抛面镜聚焦到铜等靶物质上。X射线光谱仪（如：光子计数型CCD、晶体谱仪等）用于测量K-alpha线光谱，安装在与入射激光处于同一水平面的靶室法兰上（靶前、靶后位置均可），电子谱仪可同时在线测量实验产生的超热电子能谱。

3 超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源的主要研究内容：

当前，国内外对超短超强激光与靶物质相互作用产生的K-alpha线辐射有较广泛的研究。这些研究主要包括：激光偏振态对K-alpha线产额的影响；K-alpha光辐射的角分布；K-alpha光的脉冲宽度；K-alpha光的空间尺度；K-alpha线产额、激光K-alpha光转化效率；预脉冲对K-alpha线产额的影响；靶材结构及靶表面粗糙度对K-alpha产额的影响；各种条件下K-alpha线辐射的优化以及K-alpha线的应用等等。

3.1 激光偏振状态对K-alpha线的影响[4]：

由于P-偏振光与物质相互作用产生的超热电子的能量和产额远远高于S-偏振光与物质相互作用产生的超热电子的能量和产额。因此P-偏转光与物质相互作用时X射线产额也远远高于S-偏振光与物质相互作用。

3.2 K-alpha光辐射的角分布：

Yoichiro Hironaka 等[5]将 41fs 激光以 60°入射聚焦到Cu靶上 （聚焦后强度1.3×1017W/cm2）。用X射线光电二极管测量硬X射线(4-20keV)的产额，用Si单晶衍射仪测量Cu的K-alpha线。发现在激光为P-极化时，K线辐射是各向同性的。一般实验都假设K线辐射是各向同性的。

图2 超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha光辐射的实验布局简图

3.3 K-alpha光的脉冲宽度：

X射线脉冲宽度随着激光强度增加而增加。T.Feurer等[6]用 80fs，Ti：蓝宝石 CPA 系统激光（最大能量200mJ）辐照Si靶，测得X射线脉冲宽度在200-640fs之间，并用PIC和Monte-Carlo电子输运程序模拟K线辐射的时间特性，实验结果和计算符合的较好。一般，K-alpha线辐射的脉冲宽度约为入射激光宽度的3-10倍左右。

3.4 K-alpha 光的空间尺度[7，8]：

Ch.Reich等[8]用一二维的单色成像系统（6μm分辨）研究了飞秒激光与Ti靶相互作用K线辐射的空间特性。K-alpha线辐射的空间特性对高、低激光强度（大于或小于1017W/cm2）有定性的不同。低强度时，K-alpha线的辐射由一宽的峰组成，而在高强度时，K-alpha线峰值的中心被一大的弱K-alpha线辐射的环围绕，它占K线辐射的2/3。当激光强度为 7×1018W/cm2时，K-alpha线辐射区达400um，峰值的半高宽为70um,而激光尺寸为3um。当激光强度增加时K-alpha线辐射的峰值不再增加，甚至减小。

3.5 K-alpha线产额、激光K-alpha光转化效率[9-12]：

D.Salzmann[10]等考虑光子的再吸收现象。解析得出最优的产生K-alpha线辐射的靶厚度和超热电子的能量及靶材的关系，发现最优的靶厚和电子的射程及光子的平均自由程相当。此时，超热电子的能量应为K壳层电离能的4～12倍（Cu为 6倍）。

Ch.Reich[11]等考虑了K-alpha线向靶前辐射时的再吸收效应，用一解析模型和PIC程序模拟了最优的产生K线辐射的激光强度。解析模型得到的产生K线辐射最优的激光强度为：Iopt=7×109Z4.4，PIC 模拟结果得到 Cu、Ag的 K-alpha线辐射的最优辐照激光强度则分别为7×1015W/cm2和3×1016W/cm2,其结果与解析模型结果有一定的偏差，这主要是由于考虑再吸收过程的近似处理造成的。

大多数实验结果[12]K-alpha线产额约为109-1011（4πSr），激光 K-alpha 光的转化效率约为 10-6-10-5。

3.6 预脉冲对K-alpha线产额的影响：

108-109W/cm2低的ASE预脉冲虽然不能电离物质[13]，但可以加热和气化靶材，当这些气体被激光的上升沿电离时，它可影响高强度激光与固体靶的相互作用。Ch.Ziener等[14]发现使用适当的预脉冲，K-alpha线转换效率可以提高2～5倍。预脉冲可以使K-alpha线辐射增加，但会因为预脉冲使得K-alpha线脉宽变宽。

3.7 靶材结构对K-alpha线产额的影响：

靶的表面结构对X射线的产额影响很大，故另一类现在广泛研究的办法是使用带一定表面结构的靶，如：刻槽（grating）靶，胶体靶（Colloidal），天鹅绒靶（Velvet），多孔靶（Porous Si），纳米圆孔阵列靶（Nanocylinder），以及金属纳米颗粒靶等等。例如P.P.Rajeev等[15]通过高压直流溅射法在铜基底上形成厚度约1μm的球形和椭球形（比率为1.5）铜纳米粒子层。用P极化的100fs钛宝石激光（1014～1015W/cm2）以 45°入射到纳米粒子层，测量到10keV-200keV范围内的硬X射线产额，相对于抛光的铜靶，最大有13倍的提高。这些带表面结构的靶通过不同的机制，提高了激光到不同波长范围X射线（软X射线，中等硬X射线和硬X射线）的转化效率。效率的提高在4倍到20倍不等，但脉冲宽度基本不变，可见带表面结构的靶在增强激光靶耦合方面的优势。

4 讨论

研究清楚超短超强激光与靶物质相互作用产生K-alpha线辐射的产额，转化效率与激光入射角、激光强度，靶厚度以及靶材结构的关系，是将其广泛应用的前提。

超短超强激光与物质相互作用产生K-alpha线辐射的研究在很大程度上受到激光器激光能量的限制。目前，超短超强激光与靶物质相互作用K-alpha线辐射研究主要集中在：如何提高K-alpha线产额，激光K-alpha光转化效率，如：利用预脉冲和微结构靶或团簇是一种很好的解决途径；利用K-alpha线辐射研究超热电子；K-alpha线辐射的最优化条件等方面；随着超短超强激光器激光强度的不断提高，高强度激光与靶物质相互作用K-alpha线辐射也是研究的重点之一。另外，超短超强激光与物质相互作用产生的K-alpha线辐射的应用也是主要研究内容之一。

[1]王向贤.超短超强激光与物质相互作用X射线辐射实验研究[D].成都：四川大学原子与分子物理研究所，2006.

[2]赵宗清,丁永坤,谷渝秋等.超短超强激光与铜靶相互作用产生Kα源的蒙特卡罗模拟[J].物理学报，2007，56（12）：7127-7231.

[3]王向贤，鲁超，朱仁义.原子信息_基态和k_alpha线教学软件的研发与教学实践[J].巢湖学院学报,2009,11(6)：128-130.

[4]U.Teubner,J.Bergmann,B.Van Wonterghen et al.Angle-Dependent of X-Ray Emission and Resonance Absorption in a Laser-Produced Plasma Generated by a High Intensity Ultrashort Pulse[J].Phys.Rev.Lett,1993,70(6):794～797.

[5]Yoichiro Hironaka,Kazutaka G.Nakamura,Ken-ichi Kondo.Angular distribution of x-ray emission from a copper target irradiated with a femtosecond laser[J].Appl.Phys.Lett,2000,77(25):4110～4111.

[6]T.Feurer,A.Morak,I.Uschmann et al.Femtosecond silicon Ka pulses from laser-produced plasmas[J].Phys.Rev.E,2001,65:016412-1～ 016412-4.

[7]N.Zhavoronkov,Y.Gritsai,M.Bargheer et al.Generation of ultrashort Ka radiation from quasipoint interaction area of femtosecond pulses with thin foils[J].Appl.Phys.Lett,2005,86:244107-1～244107-3.

[8]Ch.Reich,I.Uschmann,F.Ewald et al.Spatial characteristics of K a x-ray emission from relativistic femtosecond laser plasmas[J].Phys.Rev.E,2003,68:056408-1～056408-5.

[9]L.M.Chen,P.Forget,S.Fourmaux et al.Study of hard x-ray emission from intense femtosecond Ti:sapphire laser-solid target interactions[J].Phys.Plasmas,2004,11(9):4439～4445.

[10]D.Salzmann，Ch.Reich，I.Uschmann et al.Theory of K a generation by femtosecond laser-produced hot electrons in thin foils[J].Phys.Rev.E,2002,65:036402-1～036402-7.

[11]Ch.Reich,P.Gibbon,I.Uschmann et al.Yield Optimization and Time Structure of Femtosecond Laser Plasma Ka Sources[J].Phys.Rev.Lett,2000,84(21):4846～4849.

[12]J.A.King， K.Akli， R.A.Snavely et al.Characterization of a picosecond laser generated 4.5 keV Ti K-alpha source for pulsed radiography[J].Rev.Sci.Instrum,2005,76:076102-1～076102-3.

13]K.B.Wharton,C.D.Boley,A.M.Komashko et al.Effects of nonionizing prepulses in high-intensity laser-solid interactions[J].Phys.Rev.E,2001,64:025401-1～025401-4.

[14]Ch.Ziener， I.Uschmann，G.Stobrawa et al.Optimization of K a bursts for photon energies between 1.7 and 7 keV produced by femtosecond-laser-produced plasmas of different scale length[J].Phys.Rev.E,2002,65:066411-1～066411-8.

[15]P.P.Rajeev,S.Banerjee,A.S.Sandhu et al.Role of surface roughness in hard-x-ray emission from femtosecond-laserproduced copper plasmas[J]Phys.Rev.A,2002,65:052903-1～052903-5.

BRIEF INTRODUCTION OF K-ALPHA SOURCE PRODUCED BY ULTRA-SHORT AND ULTRA-INTENSE LASER IRRADIATING TARGET MATTER

WANG Xiang-Xian
（Department of Physics and Electronic Science,Chaohu College,Chohu Anhui 238000）

The k-alpha x-ray which is produced by ultra-short and ultra-intense laser irradiating target matter has extensive application prospect for the advantage of quasi mono-energy，small emitting region and short pulse duration et al.The fundamental and main research contents of k-alpha source produced by ultra-short and ultra-intense laser irradiating target matter are introduced.The research hot spot in the field is also discussed.

ultra-short and ultra-intense laser；k-alpha source；fundamental

O434

A

1672－2868（2011）03－0045－03

2010-12-19

巢湖学院科研基金资助项目（项目编号：XLY-200906）

王向贤（1980-），男，甘肃定西人。讲师，研究方向：光学和原子物理

责任编辑：宏 彬