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年报专稿 X光激光实验研究进展王世绩 顾 援 （中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所）X光反射镜精密调整和焦线精确准直的技术手段，在中等规模的神光Ⅰ装置进行的类Ne锗系列实验中，成功地获得了强度达到增益饱和、方向性接近衍射极限的软X光激光输出。继而，在规模稍大的神光Ⅱ装置上，又创造性地采用焦线重叠方案，在预-主脉冲激光驱动下，获得了近水窗波长的类Ni离子软X光激光。在日本大阪大学激光工程研究所GekkoⅫ装置上进行的两轮合作实验，成功地推广应用均匀线聚焦和双靶对接技术，获得了高强度的类Ni离子软X光激光输出。
1、引言 众所周知， X光激光不仅具有一般光学激光准单色、强相干、高亮度等优异品质，而且由于其波长比光学激光短得多，在许多科学技术领域有着不可替代的潜在的应用价值。例如，在高功率激光驱动的惯性约束聚变（ICF）研究中，等离子体临界面附近1021cm-3量级的电子密度空间分布是一个十分重要的物理量，用波长约10nm的软X光激光，采用全息干涉技术，可以进行这个物理量的探测，这是光学激光无法做到的。用X光激光短波长、准单色、高亮度的特性，可以进行ICF关心的聚变靶表面激光烧蚀加速流体力学不稳定性的实验研究。采用更短波长的X光激光，利用它的高亮度、准单色和短脉冲的特性，还可以进行聚变靶内爆过程的成像分析。又如，波长在2.3~4.5nm范围的“水窗”X光激光，利用其强相干、高亮度、短脉冲的特性，能实现对生物活体细胞的全息摄影，这将对生命科学和生物工程的发展，起到重大的推动作用。二十世纪六十年代激光问世以后，人们就试图把激光波长延伸到 X光波段，并为此开展了大量的理论研究和先期实验工作。1984年，美国利弗莫尔实验室率先用高功率激光线聚焦辐照薄箔靶，获得了波长20nm的类Ne硒软X光激光输出。此后几年间，美、英、日、法、德等国家许多拥有高功率激光驱动装置的实验室，在X光激光研究中取得了一系列的成果，波长覆盖了4~30nm范围，有不少增益长度积GL值超过15，达到了增益饱和，发散角最小已接近1mrad，输出最大能量已达mJ。在应用研究方面，利用X光激光拍摄了直径f 800nm的碳纤维全息照片，进行了小白鼠精子干细胞的显微成像，开展了激光等离子体临界密度面附近电子密度空间分布的初步诊断和界面流体不稳定性“印记”的观测，演示了X光激光诱人的应用前景。始于八十年代末的 X光激光实验研究课题是在国家863激光技术主题支持下启动的，主题两位首席科学家陈能宽、杜祥琬以及王淦昌、王大珩、于敏、胡仁宇、陶祖聪、邓锡铭等前辈科学家对这一课题给予了关怀、指导和帮助。十年来，在理论、器件、靶和其他X光光学元件研制等相关课题密切配合下，发扬团结协作、开拓创新、奋力拼搏的863精神，提出了一些新颖独特的实验方案，解决了不少关键的技术难题，创造性地采用了柱面镜列阵、双靶对接、多靶串接、双程放大、远距离多靶串接空间限束等实验设计，建立了一系列行之有效的靶、镜精密调整和焦线精确准直的技术，在神光Ⅰ装置上成功地获得了强度达到增益饱和、方向性接近衍射极限的类Ne锗软X光激光。 继而，在神光Ⅱ装置上，率先采用焦线重叠以提高靶面激光辐照强度的方案，得到了近水窗波段的类Ni离子软X光激光。在日本大阪大学激光工程研究所GekkoⅫ装置上，推广应用均匀线聚焦和双靶对接技术，获得了高强度的近水窗软X光激光。2、神光Ⅰ类Ne锗系列实验 1990 年至1994年，在神光Ⅰ装置上进行了类Ne锗软X光激光系列实验。神光Ⅰ两路基频激光输出总能力约1.2kJ/ns，在国内是最大的，在国际上只能算是中等规模的激光实验装置。X 光激光的工作物质是细长的等离子体柱，其离子丰度、电子温度、电子密度必须合适，并且它们沿等离子体柱长度方向的分布必须足够均匀。这就要求驱动激光聚焦成线状，辐照光强必须合适，光强的轴向分布也必须足够均匀。利用柱面透镜-非球面透镜聚焦系统，可以形成线状聚焦，但对于圆形驱动激光光束，采用这种聚焦系统形成的焦线，必然是中间强、两头弱，焦线长度方向辐照光强的分布是不可能均匀的。以往采用方形光栏可以获得强度较均匀的焦线，但这是以损失至少36%的能量为代价的。在神光Ⅰ上成功地创造了图1所示独特的柱面透镜列阵，它与非球面透镜结合，在充分利用装置输出激光能量的同时，获得了长度方向辐照光强均匀性优于±10%的焦线，保证了实验的成功进行。
为提高X光激光输出强度，直至达到增益饱和，增加工作物质的长度是主要的途径之一。由于工作物质是线聚焦激光打靶形成的细长柱状等离子体，且存在着沿靶法线方向的电子密度梯度，X光激光在其中传输放大时，会发生明显的折射。随着靶长增加，折射越来越严重，甚至可能偏折出增益区域而不再放大。为了突破这一难题，在神光Ⅰ上首先创造性地采用了双靶对接以补偿折射影响的方案。如图2所示，装置的两路输出激光，相向引入靶室，经柱面透镜列阵-非球面透镜聚焦成线状，辐照在对接的两块平面靶上。
图2. 双靶对接原理示意图 图3. 双靶对接、多靶串接、双程放大实验中靶、 镜实验室监测系统示意图。1.2.3.平行光管， 4.显微镜，5.靶，6.反射镜
方案的成功关键是对接双靶形成的两段等离子体增益区在空间准确衔接，以有效地增加工作物质的长度。为此，首先要实现两根焦线的位置和指向的精确对准，同时要实现对接双靶的夹角和靶面间距的精密调整。为了实现焦线的精确对准，建立了一整套调节和监测的手段。通过调节靶场伺服反射镜和转动柱面透镜列阵，实现焦线位置和指向的调整；采用靶场模拟光和分裂场技术，监测焦线调节的效果。 最后，通过小能量激光线聚焦打镀铝玻璃平面靶，在显微镜下直接观察靶面线状烧蚀痕迹，精确测定两根焦线的位置和指向，并据此修正焦线的调节。这样焦线准直的精度达到10μm和0.5mrad。为了实现靶的精密调整，设计了专门的辅助靶架，两块X光激光靶固定在靶架的可以相互独立地作多维转动和平动调节的两个靶托上；建立了靶位的实验室监测装置如图3所示，以精确测量对接双靶的法线指向、靶面间距等参数。在完成靶的实验室装调后，辅助靶架安装到靶室主靶架上，在图4所示靶场监测系统帮助下，通过调节主靶架，完成靶的现场整体调整，实现靶与焦线的精确偶合。通过靶的五维调整，精度可达10μm和0.2mrad。
双靶对接类Ne锗实验，用波长覆盖范围为5~ 30nm的平焦场软X光光栅谱仪记录到波长为19.6、23.2、23.6、24.7和28.6nm的激光谱线，强度随靶长增加的曲线如图5所示，最大的GL值约14，已接近增益饱和。图中强度值未计及谱仪光栅约10%的衍射效率。为了更好地补偿折射的影响，增加有效的工作物质长度，接着进行的实验又提出并采用了四靶串接的方案。这个方案进一步缩短单块靶的长度，四块靶采用两两顺接再两组对接的方式，见图6。四靶串接实验获得了GL值约16的增益饱和的类Ne锗软X光激光。在宽度约1ns脉冲激光辐照厚靶的条件下，等离子体增益区的维持时间比较长，增益区的位置也比较稳定，利用反射镜把输出的X光激光送回增益区，可以在不增加靶长的情况下，实现双通放大，相当于增加了有效的增益长度，获得更高强度的激光输出。双通放大成功的关键是反射镜位置和镜面法线指向的精确调整，以保证X光激光光束沿原光路返回增益区。为此，又进一步完善了辅助靶架的设计，增加了可作多维平动和转动调节的反射镜架，同时完善了实验室和靶室现场的监测系统（参见图3和图4），使反射镜的调节精度达到50μm和0.5mrad。双通放大类锗Ne软X光激光实验中平焦场光栅谱仪记录的输出激光强度随靶长增加的结果如图7所示。由图，对于顺接的两块长14mm的靶，加上反射镜后的输出强度增加了约40倍；后面再对接一组总长28mm的顺接双靶，等效的GL值约17，达到深度增益饱和。
目前，实验室X光激光都还是放大的自发辐射，输出光束的发散角主要取决于工作物质的几何因子。如果增益区厚约100μm，长约50mm，发散角约2mrad，对于波长约0nm的激光，差不多是10倍衍射极限。为了得到方向性更好、发散角更小的激光输出，创造性地引用固体激光器中空间滤波的概念，提出了远距离多靶串接空间限束方案，如图8所示。 在这个方案中，拉开两组靶的轴向距离到约1m，使第一组靶等离子体输出光束中，只有发散角不大于0.1mrad的那一部分进入第二组靶的等离子体增益区继续放大，从而获得发散角很小、方向性很好的输出。在这一方案中，相距约1m的两根焦线和两组靶的准确的空间衔接，要求很高，难度很大。在增加了安装到靶室主靶架上的辅助靶架还可以作两维整体转动调节的机构，完善了靶、镜的现场调整和监测，并改进了焦线对接技术后，获得了强度达到增益饱和、发散角约0.8mrad的近衍射极限的类锗Ne软X光激光输出（参见图9）。
3、神光Ⅱ类Ni离子实验 进入九十年代以来，国际上的X光激光研究，以科学技术应用目标为牵引，不断朝着短波长（特别是水窗波长）、高效率（所谓“台式”X光激光器）的方向推进。其中，高功率激光线聚焦驱动的电子碰撞激发机制，仍然研究得最多，成绩也最大。然而，在现有的驱动激光装置上，采用类Ne系列获得高强度水窗波段X光激光输出，几乎是不可能的。于是，研究的重点逐渐转移到预-主脉冲驱动的类Ni系列，因为它对驱动激光能量的要求可能降低几十倍。1997年底到1998年初，在神光Ⅱ装置总体调试过程中，进行了近水窗波段类Ni离子X光激光的实验探索。 用镧系元素的类Ni离子作为工作物质，可获得5~8nm的近水窗波段软X光激光。物理设计要求靶面辐照激光光强达到50~100 TW/cm2，预-主脉冲时间间隔为几纳秒，强度比为1%~20%。根据当时神光Ⅱ装置的输出能力，单路基频激光约300J/500ps，如果聚焦成11mm长、80μm宽的焦线，考虑到靶场能量损耗和激光可聚焦效率等因素，靶上辐照光强30~40TW/cm2。为了满足实验对辐照光强的要求，率先采用了焦线重叠的方案，如图10所示。神光Ⅱ装置第二靶室的设计，考虑了多路激光线聚焦重叠辐照X光激光靶的需求，在两路并打条件下，每路激光与靶法线的夹角为21°，靶面辐照激光光强差不多是单路时的两倍，基本上能满足实验的要求。与神光Ⅰ单路激光垂直入射的实验相比，神光Ⅱ的两路并打实验对激光光束的调焦、焦线的重叠，以及靶的现场定位等，提出了更高的要求，以便防止应该重叠的焦线分裂开来，降低靶面辐照光强，导致实验的失败。特别是在双靶对接实验中，在调节靶面间距的同时，必须对入射激光光束的调焦和指向进行相应的修正，保证并打焦线的重叠。 此外，为了实现预-主脉冲驱动激光输出，在神光Ⅱ装置前级插入如图11所示的预-主脉冲发生部件，可以按实验设计的要求，在一定范围内调节预-主脉冲的时间间隔和强度比。在装置初步实现焦线重叠和预-主脉冲输出的改进后，进行了少量发次的类Ni离子软X光激光试打靶实验，用波长覆盖范围为1~ 10nm的新一台平焦场光栅谱仪，观测到了类Ni镱（5.02nm）、镝（5.86nm）、铒 (5.43nm)的软X光激光输出。实验测得的类Ni镱和镝软X光激光的增益系数分别为1.6和1.4cm-1，增益长度积GL值分别为3.2和2.8。虽然初次实验获得的这些近水窗波长的软X光激光的增益系数比较小，强度也比较低，但为神光Ⅱ投入正式运行后，采用预-主脉冲驱动、焦线重叠、双靶对接或多靶串接技术，开展高强度短波长X光激光实验打下了基础。 4、GekkoⅫ高强度短波长实验 日本大阪大学激光工程研究所（ILE）的GekkoⅫ，是国际上规模最大的高功率固体激光实验装置之一。装置有12路激光输出，单路基频激光的输出能力可达2TW。1996年和1998年，利用宽度为100ps的预-主脉冲或多脉冲基频激光输出，采用柱面透镜列阵-非球面透镜均匀线聚焦系统和双靶对接方案，进行了两轮中日合作X光激光实验。
M1，M2半透半反板，Mλ/2，λ/2波片，M全反板 特性与激光的时间分辨记录 在第一轮类Ni钕实验中，采用了四脉冲激光驱动方案，四个脉冲的时间间隔依次为1000、400、400ps，四个脉冲的激光能量大致相等。这里，第一个脉冲主要用来烧蚀掉靶面的氧化层，第二个脉冲产生预等离子体，使得第三个脉冲的激光能量被更多地吸收，以提高等离子体的电子温度，形成比较好的增益区。第四个脉冲用来实现X光激光的双通放大。在50 TW/cm2的激光驱动条件下，获得了高强度的类Ni钕软光激光输出，波长约7.9nm，增益系数约3cm-1，增益长度积GL值约为12。图12所示的时间分辨测量结果表明，输出的软X光激光由三个脉冲构成，分别对应于驱动激光的后三个脉冲。在单程放大情况下，第一个X光激光脉冲比后面两个大得多；在双程放大情况下，输出的三个X光激光脉冲的强度是可以比拟的，尤以最后一个脉冲的双程放大效果最为显著。 第二轮实验采用了预-主脉冲激光驱动的方式。在类Ni银实验中，预-主脉冲时间间隔约3ns，强度比约4%，靶面辐照光强约50~60 TW/cm2，获得了波长为13.9nm的X激光输出，增益系数高达19cm-1。在两块各长20mm的对接双靶实验中，靶面间距约300μm时，获得了最好的对接效果，输出的激光能量约300μJ。在短波长类Ni离子X光激光实验中，取预-主脉冲时间间隔约1.5ns，强度比约4%，靶面辐照光强约200TW/cm2，对接双靶靶面间距约150μm。 实验获得了高强度的类Ni镱和类Ni铪软X光激光输出，波长分别为5.02和4.66nm，增益系数分别为6.6和3.6cm-1，增益长度积分别为10和6。实验表明预-主脉冲的时间间隔对结果有很大影响。以类Ni镱为例，预-主脉冲时间间隔为1.2或1.8ns时，输出激光强度是1.5ns时的一半；时间间隔为0.6ns时，只有很弱的激光输出，如图13所示。实验还获得了类Ni钽和类Ni钨软X光激光输出，波长分别为4.48和4.32nm，已经进入水窗波段。因为水窗波段X光激光增益区的电子密度比较高，如果采用倍频的钕玻璃激光驱动，将会获得更高强度的X光激光输出。 5、结束语 十年来，X光激光实验研究取得了长足的进展，目前，研究工作的条件又有了很大的改善。神光Ⅱ装置已经投入打靶试运行，它的八路基频激光输出的总能力可达800J/100ps，且具有基频和倍频激光预-主脉冲输出能力，并正考虑实现长-短脉冲匹配打靶的技术改进。 装置第二靶室的设计尽可能考虑了X光激光及其应用实验研究的需要，能适应焦线对接和焦线重叠以及双靶对接、多靶串接、双通放大等各种打靶方式，可以开展水窗和近水窗波段激光实验研究，还能安排激光聚变研究关心的激光烧蚀加速靶面流体不稳定性观测和激光等离子体临界面附近电子密度和电子密度梯度空间分布的诊断等应用实验。大阪大学装置Gekko XII第二靶室的改建已经完成，可以进行多路驱动激光线聚焦重叠辐照X光激光靶的实验。今后的几年内，在这些装置上将开展高强度短波长软X光激光实验，以及X光激光在激光聚变等研究中的应用实验。 |
