激光等离子体产生超短x射线激光

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1、§1．1引言第一章绪论自第一台激光器在1960年诞生以来，人们一直在试图制造各种波长的激光器。x射线激光具有广泛的应用前景f1】，波长短，穿透力较强，x射线激光比其它x射线光源亮度高、相干性好、频带窄、脉冲短，是具有很高应用价值的x射线源。它可以用于基础研究，技术研究和生物医学等，可以提供表面物理、团簇物理、高密度等离子体物理等高空间和时间分辨的精密诊断手段。特别是当波长短到水窗波段(2．3～4．5rim)，是活细胞动态全息照相和显微照相的唯一光源，意义尤为重大。本论文的研究重点就是由强激光作用激光等离子体产生的X射线激光。x射线激光的形成与激光能量能否

2、在等离子体的高密度区被吸收紧密相关。x射线激光是在假设等离子体能够被快速冷却的情况下形成的。等离子体能够迅速冷却是由于12J：1高热量的梯度结构使得电子能量能够迅速传导到固体表面趋肤深度以下的范围(热传导)：2高的压力梯度使得等离子体能够通过膨胀到表面之上的空间来迅速冷却(膨胀做功)；3等离子体中的非稳定条件能够使得热电子通过原子和离子之间的无弹性碰撞而迅速冷却(能量损失)。§1．2国内外研究的发展状况物质通常处于三种聚集态，而且随着温度的变化物质的三态之间可以相互转化。等离子体被称作是“物质的第四念”，有着许多独特的物理和化学特性，并且现在已成为一门独

3、立的学科——等离子体物理。目前无论是国内还是国外，激光等离子体技术都是一项的热门科学技术。它是建立在许多物理学基础上的一门新兴的科学。二十多年来，它发展得很快，在受控核聚变研究、空间研究、天文学、地球物理等各个领域罩都有广泛的应用。激光与等离子体相互作用方面也有很多的研究成果。二者作用会产生很多新奇的现象，这些现象激发了人们对其进行研究的浓厚兴趣，比如准静态强磁场的产生【3】，成丝现象[41，孤立予的行为【5l，密度凹陷【61以及自聚焦【7】等，当强激光照射在固体表面上时，其中的电子吸收能量并且迅速升温。热的电子随之会将冷的原子电离，在固体表面形成一个X

4、射线激发的，高温的等离子体区。自二十世纪六十年代，在作稳定的受限的聚变反应时有关激光作用于等离子体的研究就开始了，近年来这种聚变反应被用作x射线激光的媒介物【8】o1972年美国学者kantrowitz首次提出了激光推进的概念【91。标志着激光推进研究工作的开始。以此概念为背景，近二十年来国内外对激光维持等离子体特性进行了许多实验与数值模拟研究，包括揭示激光能量的转换机制、流场与温度场的基本特征、参数测量或预言等。1988年LawrenceLivermore国家实验室的D，GSteams，O．L．Landen，E．M．Campbell和J．H．Scofi

5、eld研究由低强度、几个纳秒量级的激光脉冲加热固体靶产生一个低温等离子体，然后用高能量皮秒量级激光脉冲激发这个等离子体，产生超短x射线激光的过程。1993年，美国华盛顿州立大学的科研小组在M．M．Murnane的主持下，研究了提高激光转化效率的方法。实验中，他们采用了新式的靶材(金光栅靶和金团簇靶)，提高了对入射激光能量的吸收。实验结果表明：这种靶材对激光能量的吸收可超过90％，强烈的激光耦合产生了高密等离子体，对能量大于lkeV的X射线，激光能量转化为X射线的效率大于1％。这说明在实验中不同的靶材料产生超热电子和硬x射线的量是不同的。著名的贝尔实验室开

6、始以超快激光脉冲的反射率来研究固体A1在室温到接近100eV(106K)过程中的电阻系数的变化情况。电阻系数饱和可归结于当电子分散后自由通道的长度接近原子间距时的最小值。他们还在研究用很薄的箔片靶生成比其他固体靶温度更高的等离子体。英国卢瑟福实验室测量了固体靶等离子体的高能离子辐射‘10】，证实了热电子的产生，这也是快速点燃核聚变的必要条件。国内关于等离子体的研究也很活跃，还成立了专门的激光等离子体研究所。对于等离子体诊断方法有些很有价值的研究。按照研究目的的不同，产生等离子体的方法的不同，工作物质的不同、诊断其参数的方法也不同。主要有静电探针法、光谱法

7、、阻抗测量法等。激光与等离子体相互作用研究的一个重要应用背景是激光推进。这项研究结合了数值、计算机等好多方面知识，采用数值模拟方法，对激光推进所涉及的激光维持等离子体的特性进行了一些初步研究。关于细管放电产生软X射线激光的方向也有些很有价值的研究成果。它采用硼硅酸玻璃(pyrex)细管，直径为2．5mm，长度为5mm，应用预电离氩气的充气细管放电工作2方式。在电流最大时刻附近被筘缩成一根直径为300p．m的均匀细长柱。它所得到的谱线结果表明该装置所产生的等离子体的温度及其对应的氩电离等级接近产生氩类氖离子(ArlX)软x射线激光要求【38】。我国科学家经

8、过多年的研究，在强激光物理领域已取得一批国际首创的研究成果，标志着我国强激光物理