毛细管放电软X射线激光研究进展

近几年来实用型、台式软X射线激光器发展非常迅速，特别是毛细管放电抽运的X射线激光源，已经获得46.9nm近1mJ激光输出，重复率4Hz。该台式激光器在等离子体诊断、物质烧熔等方面已经开展了初步的应用实验。本文首先简介了利用毛细管放电抽运X射线激光器的两种物理机制：电子碰撞机制和三体复合机制。然后着重介绍毛细管放电碰撞机制软X射线激光的研究进展，包括实验方案、实验装置、增益测量实验及初步的应用。对毛细管放电软X射线激光的几个关键性问题进行了讨论。     

固体激光与铜蒸气激光混合抽运的染料激光放大实验

采用倍频Nd:YAG绿光激光器与铜蒸气激光器混合抽运双级染料激光放大器的实验方法,通过抽运激光器精确的脉冲同步控制和匹配技术,获得了9.0W的染料激光输出,第二级染料激光放大器对抽运激光的提取效率达到了26.6%,系统总提取效率达到了13.6%.实验研究了染料激光输出功率和抽运激光提取效率随染料激光波长的变化关系.     

真空紫外和X射线自由电子激光器

直线加速器的最新进展，激光驱动低发射度电子枪的新发展和超高精度长摆动器的可行性，开创了以自放大自发辐射（SASE）为基础建立单程自由电子激光器（FEL）的可能性。这种自由电子激光器有可能在真空紫外和X射线区提供极强，偏振、超短脉冲的辐射。除了它们的高峰值亮度和平均亮度，光子能量的可调谐性和辐射的横向相干性都将使这种自由电子激光器成为无可匹敌的光源。关于真空紫外和X射线自由电子激光器世界范围的几项课题已经启动。汉堡德国电子同步加速器（DESY）的真空紫外自由电子激光器（VUV-FEL）上，首次在真空紫外区观察到激光发射。讨论了以自放大自发辐射为基础的自由电子激光器工作原理及元件；提出了克服统计起伏和增加纵向相干性的方案，给出了与这种自由电子激光有关的基础研究和应用研究例子。     

放电电极对毛细管放电软X光激光的影响

自软X光激光发现以来,实现低激发阈、台式软X光激光一直是一个十分重要的研究方向.利用毛细管放电激励产生软X光激光,是实现台式软X光激光的主要方案之一.实验采用20 cm长的毛细管,利用X射线二极管(XRD)探测了毛细管放电抽运软X光46.9 nm激光输出.研究表明,放电电极的材料并不是影响激光输出质量的决定性因素.但考虑到电极元素的飞溅,在长时间的实验研究中,选择钼电极更为有利.电极形状在放电过程中只影响预脉冲的导通情况,而对激光影响并不大.在更长毛细管的实验中,选择锥状端面的电极将有利于预脉冲的导通,以便获得激光输出.     

纳秒脉冲激光抽运下的铯蒸气电离度研究

为了研究碱金属蒸气电离对半导体抽运碱金属激光器(DPAL)定标放大的影响, 采用适宜于短脉冲激光抽运源的光电流法来测量碱金属蒸气电离度, 并开展了铯蒸气电离度同激光抽运功率密度、碱金属池温度、抽运激光器重复频率之间关系的实验研究。结果表明, 在不考虑热效应的情况下, 即使抽运激光的功率密度高达3×108W/cm2、碱金属池温度150℃、氦气缓冲气压力9.33×104Pa条件下, 铯蒸气的电离度也仅仅达到1%左右; 在碱金属池温度从122℃升高至163℃的过程中, 相对于铯蒸气粒子数密度的显著增大, 铯蒸气电离度的变化非常小。该研究结果对于铯DPAL通过增加抽运激光功率密度和提高碱金属池温度进行定标放大具有非常积极的意义。     

大阪自由电子激光研究所的自由电子激光研究

大阪自由电子激光研究所由日本关键技术中心计划建立，计划结束后，由几个组织机构在此联合工作。该所的自由电子激光器有0.27-50靘以上宽阔的可调谐波长区，正用于各种研究领域。该装置除作为用户装置基本应用外，还努力向短波长扩展。提出了带微型摇摆器和种子源X射线的自放大自发辐射自由电子激光器方案，并在这方面进行研究。微型摇摆器的基础开发接近完成。种子源X射线将采用激光产生的等离子体X射线。本文给出该所目前的研究状况。     

铜蒸气激光链中激光脉冲的抖动分析

运用概率论方法导出了铜蒸气激光链中激光脉冲抖动量的表达式,结果表明:当铜蒸气激光器并联时,两台激光器输出光脉冲之间的抖动量的平方等于每台激光器输出光脉冲相对于电触发脉冲抖动量的平方和;当多台铜蒸气激光器串联放大时,第m台激光器输出光脉冲相对于振荡器输出光脉冲的抖动量随m的增加而增加,但总是小于每台激光器放电脉冲抖动量的2~(1/2)百倍。实验结果与理论计算基本相符。     

大阪自由电子微光研究所的自由电子激光研究

大阪自由电子激光研究所由日本关键技术中心计划建议，计划结束后，由几个组织机构在此联合工作，该所的自由电子激光器有0.27-50μm以上宽阔的可调谐波长区，正用于各种研究领域。该装置除作了用户装置基本应用外，还努力向短波长扩展，提出了带微型摇摆器和种子源X射线的自放大自发辐射自由电子激光器方案，并在这方面进行研究，微型摇摆器的基础开发接近完成，种子源X射线将采用光产生的等离子体X射线，本文给出该所目前的研究状况。     

输出功率50 W的脉冲染料激光放大器

推导了准稳态下横向抽运的脉冲染料激光放大器的简化速率方程,提出了双侧横向抽运方式的脉冲染料激光放大器的设计原则和设计方法.应用高功率脉冲染料激光放大器的物理设计结果,研制了输出功率为50 W的脉冲染料激光放大器的实验装置.采用铜蒸气激光(CVL)作为抽运光,在此染料激光放大器上进行了实验研究,获得染料激光输出功率为52 W,抽运激光功率提取效率为41%.给出了染料激光波长、注入染料激光功率以及抽运激光的时间和空间匹配特性与染料激光放大器输出激光功率和抽运激光功率提取效率的相互关系,讨论了染料溶液浓度对双侧横向抽运方式的脉冲染料激光放大器的输出光束质量的影响.     

低能量抽运的增益开关型Cr4+:Mg2SiO4激光器

为了研究低能量的1.06μm调Q激光脉冲抽运的增益开关型Cr4+:Mg2SiO4激光器,对该激光器的速率方程进行数值求解,并选取合适的初始条件,得到输出的1.22μm激光脉冲的时间波形、脉冲的建立时间和脉冲宽度与抽运能量的关系,理论计算与实验研究结果基本符合。当抽运激光脉冲的能量为45mJ、脉冲宽度为30ns时,激光器输出的1.22μm激光脉冲的能量和脉宽分别是7mJ和8.2ns。输出激光的脉冲宽度是抽运激光的脉冲宽度的近1/4,光-光转换效率为15.5%。数值计算和实验研究结果均表明,在低能量抽运情况下,激光脉冲的建立时间和脉冲宽度均随着抽运能量的增加而减小。     

自由电子激光器及其发展

本文给出了自由电子激光器的工作原理、基本特性和主要应用领域。综述丁世界各国自由电子激光器的研究状况和发展水乎。指出发展自由电子激光器的关键技术是提高电子束的亮度。最后简要介绍了我国自由电子激光的研究状况和发展潜力。     

短脉冲泵浦类锂铝离子X射线激光模拟

建立了适合描述短脉冲激光泵浦类Ｌｉ离子产生Ｘ射线激光的简化流体和原子动力学模型。短脉冲激光泵浦纤维靶产生等离子体的电子密度、电子温度、电离态分布等和驱动激光功率密度、脉宽及纤维靶半径相联系。研究了类Ｌｉ铝离子４ｆ－３ｄ跃迁激光增益系数随时间的演化过程，以及峰值增益和泵浦激光功率、脉宽及纤维靶半径之间的关系。     

用波导激光理论讨论自由电子激光辐射的传输

本文提出新的建议,用波导激光理论来处理自由电子激光辐射的传输问题。研究表明,存在特定的低损耗传输模。介质波导中电磁场为EH_(11)模。讨论了模的耦合损耗。     

溴化亚铜脉冲激光研究

本文应用电子温度、电子密度实验值,通过数值求解CuBr激光能级粒子数速率方程,得到了脉冲期间随时间变化的铜原子能级粒子数和激光脉冲功率,结果表明:计算的激光脉冲与实验观测基本相符;电子温度峰值和电子温度在较高能量区的滞留时间,是决定激光行为的两个重要因素。     

纳秒、飞秒激光脉冲下铝等离子体发射光谱及其空间特性的比较

研究了４５ ｆｓ和６ ｎｓ的强激光脉冲作用铝靶等离子体的发射光谱特性,发现在飞秒下Ｘ射线发射以Ｋ 壳层为主,等离子体的温度（５００ ｅＶ）,电子密度（３×１０２１／ｃｍ ３）比纳秒情况（１００ ｅＶ,２×１０２０／ｃｍ ３）下要高;铝等离子体的Ｘ射线发射长度短而且强区更靠近靶面。     

喇曼自由电子激光器辐射谱的测量

本文报道了利用微波栅摄谱仪测量在超辐射工作条件下的喇曼自由电子激光器辐射谱的初步结果。观察到了毫米波自由电子激光器的调谐特性。实验结果表明,辐射谱的中心频率随波荡场强度的增加而减小,这与考虑波导模影响的集体制式自由电子激光的有关理论预言相符。     

软X射线自由电子激光试验装置微波系统

软X射线自由电子激光装置(SXFEL)是中国第一台X射线相干光源,其最短波长可达到2 nm。这台基于1.5 GeV的C波段高梯度电子直线加速器的激光装置分试验装置(SXFEL-TF)和用户装置(SXFEL-UF)两个阶段进行研制,最终形成包含1条种子型自由电子激光束线、1条自放大自发辐射束线以及5个实验站的用户装置。试验装置SXFEL-TF已经通过了国家验收,其上游段由0.84 GeV直线加速器组成,主体由S波段光阴极注入器、基于X波段线性化微波单元的束团压缩系统和C波段高梯度直线加速器组成,同时还应用了X、C和S波段的能量倍增器、偏转腔和波导等微波技术,创造了多项高水平的技术成果。本文将详细介绍SXFEL试验装置的微波系统及相关成果。     

软X射线自由电子激光单色器优化方法

软X射线自由电子激光(FEL)光栅单色器的设计是个多目标优化任务,涉及到能量分辨能力、脉冲展宽、光斑投影大小、物距、像距、光栅线密度、光栅变线距等众多参数,优化起来十分复杂。本文提出了光栅单色器的统一优化方法模型,该模型把多目标优化任务转化为单目标(光栅焦点常数C;)优化任务。基于该模型,本文对比了三种软X射线FEL光栅单色器设计方案,并直观地对单色器能量分辨能力、脉冲展宽和光斑在光栅上投影大小进行评估。此外对这三种光栅单色器的设计方案进行了详细的计算,并绘制出了"C;-波长-优化参数"三元图。通过"C;-波长-优化参数"三元图,能够清晰地得到光栅单色器的能量分辨能力、脉冲展宽和光斑投影大小随着C;变化而变化的趋势。本项工作为光栅单色器的设计和优化提供指导作用。     

飞秒激光器产生等离子体中电子剩余能量的研究

飞秒激光器的出现，使强场中的电离过程由最初的多光子电离和阈上电离，发展为以隧道电离（Tunneling Ionization,TI)或越过垫垒电离（Over-the-Barrier Ionization,OBI)为主要过程的光场感生电离（Optical-Field-Induced Ionization,OFI)。由于等离子参数对电子温度的可控制性，使基于OFI的X射线激光的等离子体特性在很大范围内具有可控制性。文中主要研究不同激光参数（泵浦激光的偏振特性，泵浦激光的波长，激光强度，电离能等）对等离子体中电子剩余能量的影响。     

激光诱导Al等离子体中电子密度和温度的实验研究

激光烧蚀等离子体在微量元素分析方面有着重要的应用背景，而缓冲气体的种类及压力对激光等离子体的特性有重要影响。报道了以氦气、氩气、氮气和空气作为缓冲气体，实验测定了不同气压下Nd：YAG激光烧蚀Al靶产生的等离子体中的时间分辨发射光谱，利用发射谱线的Stark展宽和相对强度计算了等离子体中的电子密度和温度，得到了在不同缓冲气体中激光诱导Al等离子体的电子密度随延时、气压的演化规律，同时得到了电子温度的时间演化特性。实验结果表明，电子密度的数量级约为10^17cm^-3，电子温度测量值约为10000K，二者都是在激光脉冲后随时间快速衰减，直到4μs以后达到一个较低的水平并缓慢变化，其中以氩气作为缓冲气体时等离子体中的电子密度最大。