X光激光实验研究进展

自１９８７年开展Ｘ光激光实验以来,在许多物理机制研究上取得重要进展,尤其利用电子碰撞激发机制实现了一系列类氖锗离子的Ｘ光激光增益．在驱动能量～６００Ｊ、脉宽～１．２ｎｓ条件下,首先获得１９．６～２８．６ｎｍ间的５条跃迁增益线,ＧＬ值约８,利用平面Ｘ光反射镜又实现双程放大．时间分辨的强度提高１０倍．在此基础上．又完成低能量驱动和预－主脉冲驱动的Ｘ光激光增益实验,为在较低驱动能量下实现高增益和准单线的Ｘ光激光输出探索有效的技术途径． This paper introduces the progress on X-ray laser investigations in CAEP,including the experiments of X-ray lasers gain of Ne-like Ge pumped by electron-collision excitation, double-pass amplification of X-ray laser, low enery double-pulse driving and X-raylasers pumped by other schemes. The attentions are paid to the experimental principles, designs and results. Some suggestions of future investigations are also discussed.     

实验室X光激光研究现状和展望

综述近几年各国在实验室X光激光研究领域的进展与成果,并讨论了电子碰撞激发、三体复合泵浦等多种机制的实验室X光激光。     

电子碰撞激发产生软X光激光的理论研究

用一维非平衡辐射流体力学程序JB19对激光照射Au、Se、Ge、Cu等靶进行了模拟计算,并对形成的等离子体状态做了详细描述。计算表明只要选取适当的激光介质(包括材料、形状和结构)和相匹配的激光条件就可以得到产生粒子数反转和激光增益的最佳等离子体状态。计算结果与LLNL(劳伦斯利弗莫尔实验室),NRL(海军实验室),CEL(里梅尔实验室)实验观察值符合得很好。     

模拟ps激光驱动的类氖锗19.6 nm X光激光

瞬态电子碰撞激发产生X光激光的机制可以极大减少X光激光的泵浦能量。模拟了脉宽为1 ps,波长1.053 μm的钕玻璃激光驱动的类氖锗X光激光。模拟表明,在临界面附近可以产生高达60 cm-1的增益,还计算了X光激光在等离子体中的传播,计算表明X光激光在等离子体中的折射效应仍然是影响X光激光输出强度及分布的重要因素。     

模拟 ps激光驱动的类氖锗19.6 nm X光激光

 瞬态电子碰撞激发产生X光激光的机制可以极大减少X光激光的泵浦能量。模拟了脉宽为1 ps,波长1.053 μm的钕玻璃激光驱动的类氖锗X光激光。模拟表明,在临界面附近可以产生高达60 cm ^-1的增益,还计算了X光激光在等离子体中的传播,计算表明X光激光在等离子体中的折射效应仍然是影响X光激光输出强度及分布的重要因素。     

用类氖锗X光激光实验检验理论模拟

 介绍了用国内1ns长脉冲和国外多脉冲驱动的类氖锗的实验数据检验X光激光的理论模拟程序系列的工作。在长脉冲驱动时，对波长19.6，23.2和23.6nm三条激光线，理论模拟与实验数据基本符合。在多个短脉冲驱动时，除了与严重过电离的复合等离子体有关的实验外，理论模拟与实验也基本符合。为今后设计激光聚变等离子体诊断所需类氖锗X光激光光源工作打下了基础。     

用类氖锗X光激光实验检验理论模拟

介绍了用国内1ns长脉冲和国外多脉冲驱动的类氖锗的实验数据检验X光激光的理论模拟程序系列的工作。在长脉冲驱动时,对波长19.6,23.2和23.6nm三条激光线,理论模拟与实验数据基本符合。在多个短脉冲驱动时,除了与严重过电离的复合等离子体有关的实验外,理论模拟与实验也基本符合。为今后设计激光聚变等离子体诊断所需类氖锗X光激光光源工作打下了基础。     

双短脉冲驱动类镍钐X光激光的模拟

介绍了模拟产生类镍离子电子碰撞激发X光激光全过程的系列程序。利用它模拟了英国RAL实验室的双短脉冲驱动类镍钐X光激光实验。与实验结果进行了比较。还研究了不同弯曲度的靶及驱动激光功率密度不均匀性对输出激光强度的影响。对驱动激光的脉宽、主脉冲的功率密度以及主脉冲的延迟时间等进行了优化设计。     

双短脉冲驱动类镍钐X光激光的模拟

 介绍了模拟产生类镍离子电子碰撞激发X光激光全过程的系列程序。利用它模拟了英国RAL实验室的双短脉冲驱动类镍钐X光激光实验。与实验结果进行了比较。还研究了不同弯曲度的靶及驱动激光功率密度不均匀性对输出激光强度的影响。对驱动激光的脉宽、主脉冲的功率密度以及主脉冲的延迟时间等进行了优化设计。     

类氖-锗电子碰撞激发X光激光的增益特性

电子碰撞激发X光激光的增益特性依赖于电子密度Ne、电子温度Te、增益区宽度D R和介质速度梯度dv/dz等四个表征等离子体内部状态的参数。以类氖-锗离子为例研究了反转和增益特性对Te、Ne的依赖关系,并在典型的增益区宽度（D R=100 μm）和介质速度梯度（dv/dz=1.3×109s-1）下讨论了共振线俘获对增益特性影响,给出波长为19.6nm, 23.2nm和23.6nm三条激光线的增益目标区域。还讨论了双电子复合过程对离子布居的重要影响。     

类氖-锗电子碰撞激发X光激光的增益特性

 电子碰撞激发X光激光的增益特性依赖于电子密度Ne、电子温度Te、增益区宽度D R和介质速度梯度dv/dz等四个表征等离子体内部状态的参数。以类氖-锗离子为例研究了反转和增益特性对Te、Ne的依赖关系，并在典型的增益区宽度（D R=100 μm）和介质速度梯度（dv/dz=1.3×10⁹s^-1）下讨论了共振线俘获对增益特性影响，给出波长为19.6nm, 23.2nm和23.6nm三条激光线的增益目标区域。还讨论了双电子复合过程对离子布居的重要影响。     

电子碰撞激发类氖锗X光激光增益饱和的理论研究

耦合ｘ光激光辐射输运方程与速率方程，编制了研究类氖锗等离子体中多条激光线增益饱和过程的程序。计算结果与普通饱和方程的结果在深度饱和阶段有显著区别。计算结果还显示了增益曲线“烧孔”及线宽在饱和前后由不断变窄到不断加宽的现象。理论结果与“多靶串接”类氖锗Ｘ光激光实验数据进行了比较。     

2ω1ω激光驱动的类氖锗19.6 nm X光激光

类氖离子的X光激光理论研究可以为类镍X光激光提供有益启示。设计了一系列瞬态电子碰撞激发类氖锗19.6 nm X光激光的实验,采用2ω1ω泵浦方式,即预脉冲采用倍频钕玻璃激光,主脉冲采用基频,用新开发的瞬态电子碰撞激发类氖锗的系列程序进行了模拟,并与1ω1ω驱动的情况进行了比较。模拟表明, 2ω1ω泵浦方案使类氖锗19.6 nm Ｘ光激光的小信号增益系数增大为1ω1ω方案的1.6倍,增益区也转移到了更高的电子密度区,是获得更短波长X光激光的一种有效方法。     

2ω1ω激光驱动的类氖锗19.6 nm X光激光

 类氖离子的X光激光理论研究可以为类镍X光激光提供有益启示。设计了一系列瞬态电子碰撞激发类氖锗19.6 nm X光激光的实验,采用2ω1ω泵浦方式,即预脉冲采用倍频钕玻璃激光,主脉冲采用基频,用新开发的瞬态电子碰撞激发类氖锗的系列程序进行了模拟,并与1ω1ω驱动的情况进行了比较。模拟表明, 2ω1ω泵浦方案使类氖锗19.6 nm Ｘ光激光的小信号增益系数增大为1ω1ω方案的1.6倍,增益区也转移到了更高的电子密度区,是获得更短波长X光激光的一种有效方法。     

X光激光实验中的等离子体状态诊断

在LF-12激光装置上,将500～600J、约1.5ns脉冲宽度的Nd玻璃激光聚焦成约120μm宽、20mm长的线作用到1mm厚的锗平面靶上。在靶室内设置具有空间分辨本领的平晶谱仪(测量波长范围在0.6～0.9nm)诊断锗等离子体状态。用2p-nd(n≥4)能级跃迁的类Ne离子谱线间的相对强度比估计等离子体电子温度在400～600eV。在实验中测到的线谱主要是类Ne GeXXⅢ离子产生的,类F GeXXⅣ离子产生的谱线次之,类Na GeXXⅡ离子产生的谱线比较弱。并且初步观察到线状等离子体轴向分布均匀性和横向离子分布特征。     

双短脉冲驱动的瞬态电子碰撞激发类镍银13.9 nm X光激光

 研究了两个皮秒短脉冲驱动的瞬态电子碰撞激发类镍银13.9 nm X光激光,考察了脉宽分别为1,2,3 ps驱动的情况,分别给出了输出X光激光的角分布特性。模拟表明,(330 ps, 1 ps, 1 ps)驱动条件下,第二短脉冲延迟约500 ps,可以充分利用临界面附近的高增益。通过与相同长脉冲条件下单短脉冲驱动的结果相比较,分析了第一个短脉冲的作用及双脉冲驱动的优点。     

X光激光行波放大实验对接技术

根据实验要求增加了辅助靶架绕Ｙ、Ｚ轴的旋转功能及小靶室靶组绕Ｘ轴电动旋转功能，使得靶组相对位置现场精密可调；同时改进了原来的焦线对接检测方法，使相距１ｍ的两条长约３０ｍｍ的焦线在ＹＺ平面内夹角小于０．２ｍｒａｄ，以保证Ｘ光激光在两段增益区顺利传输放大，为寻找高亮度小发散角Ｘ光激光输出匹配条件打下基础。     

激光产生X光的理论模型

在分析数值模拟计算结果的基础上,本文提出了一个计算平面金靶激光-X光转换的理论模型,并导出了X光转换效率等重要特征量的解析表达式。在感兴趣的激光强度范围内,对某些重要的特征量都作了详细计算。对于每一种量随激光吸收强度的变化,其理论模型得到的定性趋势和定量结果都与实验测量值很好地符合。     

低泵浦能X射线激光实验观测

采用减小焦线宽度，以使低能泵浦功率密度达到适当值的方法，在“星光”装置上开展了碰撞激发机制Ｘ射线激光实验。在泵浦能量约１３０～１８０Ｊ，焦线宽约８０μｍ，靶面功率密度约１０ＴＷ／ｃｍ￣２条件下，观察到了类Ｎｅ锗２３．２ｎｍ，２３．６ｎｍ，２８．６ｎｍ三条激光线。对有可能实现单色Ｘ射线激光的元素Ｚｎ，仅观察到类Ｎｅ锌２６．２ｎｍ，２６．７ｎｍ两条激光线。     

短脉冲强X光泵浦产生光电离三体复合X光激光

 介绍了激光打靶产生短脉冲强X光辐射的方法,给出了打钠靶的数值模拟结果。 数值研究短脉冲强钠X光泵浦氖激光介质的X光激光,通过在氖中加氢的办法降低了电子温 度,有效地提高了激光增益。研究了短脉冲强X光泵浦的高增益光电离三体复合X光激光机 制,提出了在大中型激光器上开展这种X光激光研究的想法。