作者：Gail Overton

美國(guó)《Laser Focus World》雜志曾于2011年7月刊報(bào)道了波長(zhǎng)13nm的桌面型X射線(xiàn)激光器，其能在30秒內(nèi)獲得25nm的成像分辨率。相比于之前需要80分鐘才能獲得30~50nm分辨率的光源而言，該結(jié)果為人們留下了深刻印象。然而如今，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金極紫外科學(xué)與技術(shù)工程研究中心（NSF EUV ERC）、科羅拉多州立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校以及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合研究小組，演示了一種高脈沖能量的、波長(zhǎng)8.8nm桌面型X射線(xiàn)激光源，重復(fù)頻率達(dá)到1Hz。^[1]與之相比，以往基于等離子體的產(chǎn)生波長(zhǎng)10.9nm以下X射線(xiàn)輻射的方法，通常重復(fù)率很低，僅為每小時(shí)若干發(fā)輻射。

更低的泵浦能量

直到最近，要想產(chǎn)生波長(zhǎng)小于10nm的軟X射線(xiàn)激光器，需要采用幾十焦的泵浦能量以及合適的工作物質(zhì)。在本項(xiàng)研究工作中，為了從1~2mm厚的固態(tài)類(lèi)鎳鑭（La）靶中獲得增益飽和的8.8nm激光輸出，研究人員僅需要7.5nJ的光泵浦能量。

泵浦裝置中包括來(lái)自800nm鈦藍(lán)寶石激光器的兩個(gè)脈沖（如圖）。第一個(gè)法向入射預(yù)脈沖具有6×10¹²W/cm²的光強(qiáng)，半高全寬（FWHM）脈寬為210ps，并通過(guò)球面透鏡及柱透鏡聚焦為30μm×6.4mm的線(xiàn)焦點(diǎn)。該預(yù)脈沖能夠快速加熱等離子體，從而在類(lèi)鎳態(tài)（La⁺²⁹）中產(chǎn)生大量的離子。等離子體膨脹后，第二個(gè)能量為4J、光強(qiáng)為6×10¹⁴W/cm²、脈寬為3ps的脈沖，以35º入射角將等離子體加熱到大約850eV的電子溫度，并且有效地將離子激發(fā)到激光上能級(jí)。這一入射角以及通過(guò)聚焦光學(xué)元件后獲得的均勻30μm×6.4mm的線(xiàn)焦點(diǎn)，確保了折射能夠有效地將泵浦光束能量耦合到等離子體中，以獲得最大的X射線(xiàn)發(fā)射。

圖：工作頻率為1Hz、低泵浦能量的波長(zhǎng)8.8nm的軟X射線(xiàn)激光器的實(shí)驗(yàn)裝置圖及光譜。

為了克服泵浦脈沖與放大脈沖傳輸速度之間的不匹配（這通常限制輸出能量），研究人員采用五鏡發(fā)射階梯式光柵以獲得準(zhǔn)行波激發(fā)，從而顯著提高激光輸出。

為了實(shí)現(xiàn)在1Hz重復(fù)頻率下測(cè)量，研究人員以每秒200μm的速度移動(dòng)鑭靶，以確保每發(fā)激光脈沖入射到新的材料表面。這一工作在8.85nm波長(zhǎng)處的軟X射線(xiàn)光源，在2.7μJ脈沖能量時(shí)達(dá)到增益飽和，相應(yīng)的增益系數(shù)為33cm^-1, 增益長(zhǎng)度積為14.6。

更短波長(zhǎng)

通過(guò)將主泵浦脈寬降至1.1ps，該研究小組還在類(lèi)鎳釤靶中獲得了波長(zhǎng)7.36nm的激光輸出。隨著二極管泵浦固態(tài)光源的不斷改進(jìn)，波長(zhǎng)小于10nm的桌面型X射線(xiàn)激光源也將獲得不斷改進(jìn)。這些光源將會(huì)在超快納米尺度動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的順序成像等應(yīng)用中扮演重要角色。

美國(guó)利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的博士后David Alessi（以前曾在NSF EUV ERC的Jorge Rocca領(lǐng)導(dǎo)的研究小組工作）表示：“這些軟X射線(xiàn)激光源能夠?qū)崿F(xiàn)那些需要高脈沖能量或平均功率的桌面級(jí)應(yīng)用，例如高密度等離子體診斷、納米尺度成像及動(dòng)力學(xué)研究。NSF EUV ERC將繼續(xù)研究及開(kāi)發(fā)波長(zhǎng)小于10nm的軟X射線(xiàn)激光器，目的在于提高它們的空間、時(shí)間性能以及脈沖能量。”

參考文獻(xiàn)：

1. D. Alessi et al., Phys. Rev. X, 1, 2, 021023 (Sept. 27, 2011).