纳秒、飞秒激光脉冲下铝等离子体发射光谱及其空间特性的比较
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研究了45fs和6ns的强激光脉冲作用铝靶等离子体的发射光谱特性，发现在飞秒下X射线发射以K壳层为主，等离子体的温度(500eV)，电子密度(3×1021/cm3)比纳秒情况(100eV，2×1020/cm3)下要高；铝等离子体的X射线发射长度短而且强区更靠近靶面。
关键词：
飞秒激光，等离子体诊断，空间分辨测量
Abstract：ThecharacteristicsofX-rayemissioninaluminumplasmasusing45fsand6nspulsedlasersrespectivelyarereported.Itshowsthatunderthefslaser,theX-rayemissionisdominantlyfromtheKshell,thealuminumplasma′stemperatureis500eVandtheelectrondensityis3×1021/cm3,whileunderthenslaser,theLshell,100eVand2×1020/cm3areobtainedcorrespondingly.Thespatialdistributionsarealsocomparedsimply.
Keywords：femtosecondpulsedlaser,plasmadiagnostics,measurementofspatialresolution▲
随着激光器件的发展，飞秒强激光的产生、超短强激光与物质的相互作用已成为当今研究的热点之一。强激光与物质(固体、分子、原子、团簇)作用过程中，等离子体的动力学特性，如温度、密度分布及其均匀性直接影响了X射线的发射特性、产生的X射线激光的增益高低及X射线的传输特性［1，2］，因而利用X射线谱来获取等离子体的温度、密度等重要参数，有助于我们对激光与物质相互作用机制和过程的认识和理解。国内P.X.Lu,王晓方等用条纹相机对纳秒光与各种固体靶进行了比较细致的研究［3，4］，但是在飞秒激光脉冲条件下，激光与物质的作用过程很快，超强激光能迅速地消融固体靶面，等离子体膨胀和扩散时间变得很小或可以忽略不计，等离子体的尺度在百分之一到十分之一个激光波长的范围，从而激光能量可以直接沉积在固体表面上，产生大梯度的具有极高乃至近似固体密度的等离子体，其动力学过程及原子与离子的状态和时空特性与纳秒情况下完全不同。因此对飞秒激光下等离子体的特性，特别是时间与空间特性方面的研究具有重要的意义，飞秒与纳秒激光与物质作用的比较研究也有利于对其相互作用机理的理解。
本文报道了利用具有空间分辨能力的大面积透射光栅软X射线谱仪对铝等离子体在0.5～11nm的发射光谱进行的研究，并用线强度比的方法对纳秒与飞秒激光打铝靶产生的等离子体的温度、密度特性进行了诊断，对其空间特性也做了简单的比较。
1实验安排
图1给出了实验布局。所用的纳秒激光为YAG激光，其波长为532nm，单发能量为180mJ，脉宽为6ns；飞秒激光为钛宝石激光，中心波长为785nm，单发能量为35mJ，脉宽为45fs。两者的工作频率均为10Hz，经过同一聚焦透镜和与铝靶作用，光强分别为3.8×1011W/cm3，8.9×1015W/cm3。图中打靶透镜5装在步进电机上，调靶时利用He-Ne激光模拟光路使纳秒、飞秒激光共轴，并保证聚焦后落在靶面上。XUV二极管用来监视X射线的发射。大面积透射光栅软X射线谱仪由轮胎镜、大面积透射光栅和X射线CCD照相机组成，光栅刻线为5000条/mm，光栅前面加0.25μm厚的铝膜挡可见光。实验过程中，靶室的真空度优于1.3×10-3Pa。
图1实验装置示意图
1：远场监视系统；2：光谱仪；3：软X射线光栅谱仪；
4：Al靶；5：聚焦透镜；6：计算机；7：XUV二极管
Fig.1Schematicoftheexperimentalsetup
1:far-fieldmonitoringsystem;2:oscilloscope;3:soft-X-raygratingspectrograph;4:Altarget;5:focusinglens;6:computor;7:XUVdiode
2实验结果
2.1X射线谱
图2给出了X射线CCD照相机接收到的谱图。图3(a)，(b)分别为纳秒与飞秒激光下铝等离子体X射线的时间积分谱，积分时间为5s，解谱时以文献［5,6］为参考。在我们的实验条件下，谱仪的光谱分辨率