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1、臺(tái)式X射線激光束聚焦和激光燒蝕摘要：我們用一個(gè)表面由硅和鈧多層鍍膜過的球面鏡聚焦一個(gè)波長為46.9nm的高重復(fù)頻率毛細(xì)管放電的臺(tái)式激光器光束。它的能量密度明顯超過金屬的損傷閾值。利用單脈沖激光的燒蝕痕跡與射線追跡計(jì)算程序相結(jié)合，以便得出聚焦后的光束特性。其焦點(diǎn)中心直徑2微米以內(nèi)區(qū)域的輻射能量大約為1011W/cm2，對應(yīng)的能量密度大約為100J/cm2。目前的單發(fā)軟X射線激光具有足夠的亮度產(chǎn)生高分辨率的影像。最新進(jìn)展的臺(tái)式軟X射線激光光源的干涉輻射已經(jīng)使產(chǎn)生高峰值高重復(fù)率的短波長輻射脈沖成為可能。這種高峰值強(qiáng)度和高重復(fù)率是史無前例的。將這些強(qiáng)軟
2、X射線光束聚焦會(huì)展開新的應(yīng)用，包括超短波長范圍內(nèi)的非線性光學(xué)，納米加工和利用軟X射線光子產(chǎn)生等離子體。波長接近55nm持續(xù)時(shí)間為亞皮秒的高次調(diào)諧脈沖目前已經(jīng)聚焦達(dá)到大約1×1011W/cm2的強(qiáng)度。臺(tái)式軟X射線激光現(xiàn)已能夠產(chǎn)生毫焦耳級脈沖，對其激光束進(jìn)行聚焦也應(yīng)該可以在允許更高的能量密度的條件下產(chǎn)生十分高的強(qiáng)度。最近，Ohichi小組通過對類鋰鋁15.47nm譜線進(jìn)行聚焦，將納焦耳脈沖聚焦為一個(gè)亞微米級的光斑，產(chǎn)生的能量密度約為2×107Ｗ/cm2。一次有關(guān)嘗試聚焦由一個(gè)大的光學(xué)激光泵浦的碰撞軟X射線激光器產(chǎn)生的高能量激光脈沖的初步結(jié)果同樣被報(bào)
3、道了。在這篇文章中我們報(bào)道了一個(gè)強(qiáng)度和能量密度遠(yuǎn)超過金屬損傷閾值的聚焦軟X射線激光光束的產(chǎn)生和特性。我們通過一塊多層鍍Si/Sc膜的光學(xué)聚焦鏡聚焦由毛細(xì)管放電產(chǎn)生的脈寬持續(xù)時(shí)間為0.12ns，能量為0.13mJ的類氖氬46.9nm激光，從而得出這些結(jié)果。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。激光脈沖由一個(gè)快的電流脈沖泵浦18.2cm長的毛細(xì)管內(nèi)的氬等離子體產(chǎn)生，重復(fù)頻率為1Hz。其遠(yuǎn)場激光光束分布圖是環(huán)狀的外形，且能量峰值間有大約4.6mrad的偏離。激光在激光器出口附近的能來那個(gè)分布被證實(shí)也為環(huán)狀；未被聚焦的激光光束在位于距離毛細(xì)管末端1.1cm的一片丙烯上燒蝕了
4、能量峰值間距離為340μm的環(huán)狀圖樣。這種環(huán)形的強(qiáng)度分布是由等離子體柱內(nèi)半徑方向上的密度梯度引起的光線偏折所導(dǎo)致的。激光束由放在真空室中的一個(gè)半徑10cm的Si/Sc多層鍍膜的球面鏡聚焦，該球面鏡距離毛細(xì)管放電激光器的出口有256.5cm的距離。在一個(gè)2.5cm直徑的經(jīng)過超級拋光的硼硅襯底上利用磁控濺射進(jìn)行鍍膜，鍍膜后表面粗糙度的均方根為0.1nm。經(jīng)測量多層鍍膜對46.9nm波長的光的正入射反射率約為43%。為了最大限度減小像的畸變選擇了正入射方式進(jìn)行聚焦，而且反射光束被聚焦到一片薄的裸金屬片的最窄的一邊（厚為1.6mm，寬約等于1cm）。本
5、文中我們采用的是銅靶，但是用不銹鋼靶獲得了類似的結(jié)果。我們注意到在這套裝置中靶也攔截了一部分的入射光線。但是，這不會(huì)造成問題，因?yàn)榘兄當(dāng)r截了一小部分入射光線，這一位置光斑具有大約12mm的直徑。聚焦的激光束被觀察到在距離焦點(diǎn)幾百千分尺的金屬上很容易的進(jìn)行燒蝕，并產(chǎn)生一個(gè)可見的等離子體羽輝。盡管存在樣品材料的熱傳導(dǎo)、材料的熔點(diǎn)和激光脈沖的持續(xù)時(shí)間對蓉蓉區(qū)域大小產(chǎn)生的影響，但留在金屬表面的痕跡還是提供了有關(guān)聚焦激光束強(qiáng)度分布的重要二維信息。為了測試在沿著傳播方向的不同截面上的聚焦光束的強(qiáng)度分布，我們將靶固定在一個(gè)由電腦控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的平移臺(tái)上。
6、平移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)軸被固定在與光軸成50度角的位置。通過不斷移動(dòng)平移臺(tái)，并且以1Hz的頻率重復(fù)打出激光，我們獲得了一系列沿光軸傳播的激光束的剖面痕跡。圖1用來描述和聚焦軟X射線激光的實(shí)驗(yàn)裝置圖2是通過掃描電鏡探測到的，在靶逐漸遠(yuǎn)離聚焦鏡并向焦點(diǎn)方向移動(dòng)過程中產(chǎn)生的一系列燒蝕圖樣。圖中顯示出光束光線在中軸區(qū)域內(nèi)距離焦點(diǎn)450μm附近的光束的聚焦情況。沿光軸相鄰兩燒蝕點(diǎn)之間的采樣距離是22.2μm（注意到這個(gè)圖樣之間的中軸距離小于在掃描電鏡掃描的圖片上所顯示的距離，因?yàn)闃悠肥桥c光軸成角度移動(dòng)的）。每個(gè)燒蝕圖樣都是單發(fā)激光燒蝕的結(jié)果。圖3展示了在更大的放大
7、倍數(shù)下與圖2中相同部分的燒蝕圖樣。硅靶距離聚焦區(qū)域幾百微米所得到的燒蝕光斑為淺的環(huán)狀圈的形狀。除了在入射光線被靶擋住的部分有小的間斷，圖樣呈很好的對稱形狀。由于靶向焦點(diǎn)移動(dòng)，燒蝕的環(huán)狀圈的深度隨之增大，而且在中心逐漸形成一個(gè)燒蝕點(diǎn)。這些環(huán)狀凹槽的深度由一個(gè)可見激光干涉儀測量為大約2μm。最終，在非?？拷裹c(diǎn)時(shí)燒蝕的圖樣演變?yōu)橐粋€(gè)在光軸上很深的坑。最小的燒蝕點(diǎn)為一個(gè)直徑大約為7μm，直徑大約為3μm的在光軸上的深坑。在焦點(diǎn)另一段移動(dòng)靶遠(yuǎn)離聚焦鏡所產(chǎn)生的燒蝕圖樣沒有在圖3上展示，那些圖樣快速擴(kuò)散而且更難識(shí)別。圖2軟X射線激光在一個(gè)銅樣表面燒蝕圖樣的
8、電鏡掃描圖，證明了聚焦光線的匯聚圖3焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)燒蝕圖樣的電鏡掃描圖我們利用光線追跡計(jì)算來分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并估計(jì)了激光光束能夠達(dá)到的能量密度。光束近似假設(shè)
