毛細(xì)管放電等離子體狀態(tài)研究及低氣壓X光激光輸出.pdf

1、X光激光由于具有其他相干光源不可替代的優(yōu)越特性，因而在許多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。但是，因為X光激光需要很高的泵浦能量，使得泵浦源龐大，帶來造價昂貴、能量轉(zhuǎn)換效率低等問題限制了應(yīng)用的推廣。
　　毛細(xì)管放電泵浦方案是實現(xiàn)低造價的小型化X光激光最成功的機(jī)制之一。自1994年國際上首次實現(xiàn)毛細(xì)管放電類氖氬46.9nm激光以來，許多國家都開展了這項研究，因為其激光產(chǎn)生條件的復(fù)雜性，到2000-2002年才又有三個研究小組獲得了成功。本課題組

2、在獨立研制的毛細(xì)管放電裝置上于2004年6月實現(xiàn)了激光輸出，成為國際上第五家在這個領(lǐng)域獲得成功的研究小組。本文介紹了在獲得激光以后，我們在理論研究、裝置改進(jìn)和提高激光輸出能量等方面取得的進(jìn)展。
　　毛細(xì)管放電X光激光的增益介質(zhì)是放電等離子體，通過Z箍縮過程將泵浦能量轉(zhuǎn)化為激光，因此研究等離子體的演變過程和產(chǎn)生激光時刻的狀態(tài)對于深入理解激光產(chǎn)生的物理過程及光束質(zhì)量的決定因素非常重要。本文在這兩方面進(jìn)行了研究，對于等離子體演變過程，基

3、于對Z箍縮物理過程的合理分析，提出了對雪耙模型的改進(jìn)，使其能夠計算更完整的演變過程，并編制了數(shù)值模擬程序，特別是通過計算得到了等離子體的多次箍縮過程，這一理論結(jié)果是毛細(xì)管放電X光激光理論研究上的一個新的觀點，并且與本裝置上進(jìn)行的實驗觀察有很好的吻合。對于產(chǎn)生激光時刻的等離子體狀態(tài)，根據(jù)X光在等離子體中傳播的理論模型編制了數(shù)值計算程序，突破了解析計算的局限性，使得可以對任意等離子體密度梯度和增益分布計算出激光的空間特性，再結(jié)合實驗測量結(jié)果

4、，就可以判斷出產(chǎn)生激光時刻的等離子體狀態(tài)。本文給出了幾種典型密度梯度分布的計算結(jié)果，為進(jìn)行等離子體狀態(tài)的判斷提供了依據(jù)。
　　毛細(xì)管放電裝置是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，包括放電脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)、脈沖整形系統(tǒng)、預(yù)脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)和毛細(xì)管放電與探測系統(tǒng)。為了克服裝置本身對激光輸出不利的因素，提高運行的穩(wěn)定性，進(jìn)行了大量的維修和改造工作。利用DQ128型汽車點火線圈重新設(shè)計制造了預(yù)脈沖觸發(fā)裝置，比原來的觸發(fā)系統(tǒng)更簡單可靠。自制了羅可夫斯基線圈，并對其進(jìn)

5、行了標(biāo)定，代替原先使用的回流器測量放電電流，解決了無法準(zhǔn)確測量流過毛細(xì)管電流的問題，為實驗分析提供了更準(zhǔn)確的依據(jù)。改造了Blumlein傳輸線的前置脈沖隔離開關(guān)，消除了長期困擾實驗的前置脈沖對激光輸出條件的破壞，使激光達(dá)到了穩(wěn)定輸出。最后對主開關(guān)和放電室進(jìn)行了改進(jìn)，提高了放電電流的幅值，抑制了放電室中的旁路放電，提高了裝置的性能。
　　首先在15厘米長毛細(xì)管上完成了大量的基礎(chǔ)實驗，包括通過一系列判別實驗找到了X射線二極管（XRD）

6、干擾信號的來源，并消除了干擾信號，保證了實驗的順利進(jìn)行。深入研究了裝置中各氣體開關(guān)的性質(zhì)，找到了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的方法，保證了裝置的穩(wěn)定運行。完成了放電電流上升沿波形和預(yù)主脈沖延時對激光輸出影響的實驗，確定了最佳的電流波形和預(yù)主延時范圍，獲得了激光的穩(wěn)定輸出。其次，在20厘米毛細(xì)管上實現(xiàn)了激光輸出，使激光輸出能量進(jìn)一步提高。通過改變放電電極形狀和預(yù)脈沖電流幅值研究了放電參數(shù)對產(chǎn)生激光的影響，確定了最佳預(yù)脈沖電流幅值范圍。實驗驗證了XRD探測的多

7、個尖峰信號的來源，提出了XRD設(shè)計的改進(jìn)方案。測量了激光的增益特性、方向性，測量增益系數(shù)為0.45cm-1，增益長度積為8.28。設(shè)計實驗測量了激光的束輪廓，束散角為5.3mrad，并結(jié)合理論計算結(jié)果對等離子體狀態(tài)進(jìn)行了判別。最后，結(jié)合實驗結(jié)果計算了激光輸出能量，結(jié)果表明實驗中獲得的低氣壓（25Pa）下類氖氬46.9nm激光單脈沖能量達(dá)到了3.5μJ。
　　本文的內(nèi)容是理論研究與實驗研究緊密結(jié)合的結(jié)果。這些結(jié)果加深了對毛細(xì)管放電泵