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台式X射线激光束聚焦和激光烧蚀

摘要：我们用一个表面由硅和钪多层镀膜过的球面镜聚焦一个波长为46.9nm的高重复频率毛细管放电的台式激光器光束。它的能量密度明显超过金属的损伤阈值。利用单脉冲激光的烧蚀痕迹与射线追迹计算程序相结合，以便得出聚焦后的光束特性。其焦点中心直径2微米以内区域的辐射能量大约为1011W/cm2，对应的能量密度大约为100J/cm2。

目前的单发软X射线激光具有足够的亮度产生高分辨率的影像。最新进展的台式软X射线激光光源的干涉辐射已经使产生高峰值高重复率的短波长辐射脉冲成为可能。这种高峰值强度和高重复率是史无前例的。将这些强软X射线光束聚焦会展开新的应用，包括超短波长范围内的非线性光学，纳米加工和利用软X射线光子产生等离子体。波长接近55nm持续时间为亚皮秒的高次调谐脉冲目前已经聚焦达到大约1×1011W/cm2的强度。台式软X射线激光现已能够产生毫焦耳级脉冲，对其激光束进行聚焦也应该可以在允许更高的能量密度的条件下产生十分高的强度。最近，Ohichi小组通过对类锂铝15.47nm谱线进行聚焦，将纳焦耳脉冲聚焦为一个亚微米级的光斑，产生的能量密度约为2×107Ｗ/cm2。一次有关尝试聚焦由一个大的光学激光泵浦的碰撞软X射线激光器产生的高能量激光脉冲的初步结果同样被报道了。在这篇文章中我们报道了一个强度和能量密度远超过金属损伤阈值的聚焦软X射线激光光束的产生和特性。我们通过一块多层镀Si/Sc膜的光学聚焦镜聚焦由毛细管放电产生的脉宽持续时间为0.12ns，能量为0.13mJ的类氖氩46.9nm激光，从而得出这些结果。
实验装置如图1。激光脉冲由一个快的电流脉冲泵浦18.2cm长的毛细管内的氩等离子体产生，重复频率为1Hz。其远场激光光束分布图是环状的外形，且能量峰值间有大约4.6mrad的偏离。激光在激光器出口附近的能来那个分布被证实也为环状；未被聚焦的激光光束在位于距离毛细管末端1.1cm的一片丙烯上烧蚀了能量峰值间距离为340μm的环状图样。这种环形的强度分布是由等离子体柱内半径方向上的密度梯度引起的光线偏折所导致的。激光束由放在真空室中的一个半径10cm的Si/Sc多层镀膜的球面镜聚焦，该球面镜距离毛细管放电激光器的出口有256.5cm的距离。在一个2.5cm直径的经过超级抛光的硼硅衬底上利用磁控溅射进行镀膜，镀膜后表面粗糙度的均方根为0.1nm。经测量多层镀膜对46.9nm波长的光的正入射反射率约为43%。为了最大限度减小像的畸变选择了正入射方式进行聚焦，而且反射光束被聚焦到一片薄的裸金属片的最窄的一边（厚为1.6mm，宽约等于1cm）。本文中我们采用的是铜靶，但是用不锈钢靶获得了类似的结果。我们注意到在这套装置中靶也拦截了一部分的入射光线。但是，这不会造成问题，因为靶之拦截了一小部分入射光线，这一位置光斑具有大约12mm的直径。聚焦的激光束被观察到在距离焦点几百千分尺的金属上很容易的进行烧蚀，并产生一个可见的等离子体羽辉。尽管存在样品材料的热传导、材料的熔点和激光脉冲的持续时间对蓉蓉区域大小产生的影响，但留在金属表面的痕迹还是提供了有关聚焦激光束强度分布的重要二维信息。为了测试在沿着传播方向的不同截面上的聚焦光束的强度分布，我们将靶固定在一个由电脑控制的步进电机驱动的平移台上。平移台的运动轴被固定在与光轴成50度角的位置。通过不断移动平移台，并且以1Hz的频率重复打出激光，我们获得了一系列沿光轴传播的激光束的剖面痕迹。

图1 用来描述和聚焦软X射线激光的实验装置
图2是通过扫描电镜探测到的，在靶逐渐远离聚焦镜并向焦点方向移动过程中产生的一系列烧蚀图样。图中显示出光束光线在中轴区域内距离焦点450μm附近的光束的聚焦情况。沿光轴相邻两烧蚀点之间的采样距离是22.2μm（注意到这个图样之间的中轴距离小于在扫描电镜扫描的图片上所显示的距离，因为样品是与光轴成角度移动的）。每个烧蚀图样都是单发激光烧蚀的结果。图3展示了在更大的放大倍数下与图2中相同部分的烧蚀图样。硅靶距离聚焦区域几百微米所得到的烧蚀光斑为浅的环状圈的形状。除了在入射光线被靶挡住的部分有小的间断，图样呈很好的对称形状。由于靶向焦点移动，烧蚀的环状圈的深度随之增大，而且在中心逐渐形成一个烧蚀点。这些环状凹槽的深度由一个可见激光干涉仪测量为大约2μm。最终，在非常靠近焦点时烧蚀的图样演变为一个在光轴上很深的坑。最小的烧蚀点为一个直径大约为7μm，直径大约为3μm的在光轴上的深坑。在焦点另一段移动靶远离聚焦镜所产生的烧蚀图样没有在图3上展示，那些图样快速扩散而且更难识别。

图2 软X射线激光在一个铜样表面烧蚀图样的电镜扫描图，证明了聚焦光线的汇聚

图3 焦点区域内烧蚀图样的电镜扫描图
我们利用光线追迹计算来分析实验结果，并估计了激光光束能够达到的能量密度。光束近似假设为一个放置在距离镜子263cm处的点光源，它的角分布与所测量的激光的近场与远场的强度都很接近。当进行光束聚焦模拟计算，并将光源设置为一个直径300微米的圆盘形光源时，得到了与实验结果相似的数据。我们计算了13000条光线的轨迹模拟了光束的传播。图4展示了计算的在焦点区域光束强度分布的横截面图。根据实验中的对比，图4中测量出的烧蚀区域的边界由被填充的圆圈表示。图2和图3中观察到的烧蚀剖面图的所有主要性质已经被光线追迹计算很好的描述了。计算展示了最高密集度的光线在距离焦点区域几百微米以外烧蚀出了浅的环状圆盘图样。当靶向焦点区域移动时，可以观察到一个在光轴上的高强度的尖峰，这和实验结果也是一致的。这两个特性都是球面相差导致的结果，这种球面相差引起了光线在这些地点的汇聚和交叉。因此，所观察到的环形烧蚀图样不是激光的环形剖面直接导致的结果。球面相差同样能引起任何光束的剖面形成的相似的环形，这些光束通常在边界处有很高的强度（例如一个扁平的强度分布）。同样地，球面相差导致中心尖峰的出现，这些中心尖峰在最外层光线在光轴上汇聚的时候开始扩大。通过计算得知，在所谓的最小模糊平面处中心尖峰的强度分布远超过附近其他部分，这导致了观察到的接近图3底部的烧蚀图样中心的深坑。通过计算在中心直径2μm区域内交叉的那部分光线，估计出这个区域的平均强度约为1011W/cm2。这个区域所对应的能量密度约为100J/cm2。这个分析也证明了最小的斑点尺寸最先由球面相差所决定，而不是由激光光束的局部空间相干决定。

图4 在焦点区域内计算的光束的交叉部分。填充的圈是铜样上烧蚀图样的测量边界。
综上所述，一个多层镀膜的球面镜被用作聚焦由一个46.9nm台式毛细管放电激光器产生的高能量激光脉冲（0.13mJ），产生了据我们所知的第一个清晰的证明，它是关于一束相干软X射线激光烧蚀材料的证明。尖峰的强度估计为1011W/cm2，这个强度被球面相差所支配。考虑能量接近为1mJ的类氖氩激光脉冲最近已经达到4Hz的重复频率，1TWcm-2的强度数量级应该通过同样的聚焦设备很容易地获得。以此展开台式软X射线激光的新应用。特殊形状的聚焦光学应用应该允许更高的强度。