作者：Gail Overton

美國《Laser Focus World》雜志曾于2011年7月刊報道了波長13nm的桌面型X射線激光器，其能在30秒內(nèi)獲得25nm的成像分辨率。相比于之前需要80分鐘才能獲得30~50nm分辨率的光源而言，該結(jié)果為人們留下了深刻印象。然而如今，美國國家自然科學(xué)基金極紫外科學(xué)與技術(shù)工程研究中心（NSF EUV ERC）、科羅拉多州立大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校以及橡樹嶺國家實驗室的聯(lián)合研究小組，演示了一種高脈沖能量的、波長8.8nm桌面型X射線激光源，重復(fù)頻率達到1Hz。^[1]與之相比，以往基于等離子體的產(chǎn)生波長10.9nm以下X射線輻射的方法，通常重復(fù)率很低，僅為每小時若干發(fā)輻射。

更低的泵浦能量

直到最近，要想產(chǎn)生波長小于10nm的軟X射線激光器，需要采用幾十焦的泵浦能量以及合適的工作物質(zhì)。在本項研究工作中，為了從1~2mm厚的固態(tài)類鎳鑭（La）靶中獲得增益飽和的8.8nm激光輸出，研究人員僅需要7.5nJ的光泵浦能量。

泵浦裝置中包括來自800nm鈦藍寶石激光器的兩個脈沖（如圖）。第一個法向入射預(yù)脈沖具有6×10¹²W/cm²的光強，半高全寬（FWHM）脈寬為210ps，并通過球面透鏡及柱透鏡聚焦為30μm×6.4mm的線焦點。該預(yù)脈沖能夠快速加熱等離子體，從而在類鎳態(tài)（La⁺²⁹）中產(chǎn)生大量的離子。等離子體膨脹后，第二個能量為4J、光強為6×10¹⁴W/cm²、脈寬為3ps的脈沖，以35º入射角將等離子體加熱到大約850eV的電子溫度，并且有效地將離子激發(fā)到激光上能級。這一入射角以及通過聚焦光學(xué)元件后獲得的均勻30μm×6.4mm的線焦點，確保了折射能夠有效地將泵浦光束能量耦合到等離子體中，以獲得最大的X射線發(fā)射。

圖：工作頻率為1Hz、低泵浦能量的波長8.8nm的軟X射線激光器的實驗裝置圖及光譜。

為了克服泵浦脈沖與放大脈沖傳輸速度之間的不匹配（這通常限制輸出能量），研究人員采用五鏡發(fā)射階梯式光柵以獲得準行波激發(fā)，從而顯著提高激光輸出。

為了實現(xiàn)在1Hz重復(fù)頻率下測量，研究人員以每秒200μm的速度移動鑭靶，以確保每發(fā)激光脈沖入射到新的材料表面。這一工作在8.85nm波長處的軟X射線光源，在2.7μJ脈沖能量時達到增益飽和，相應(yīng)的增益系數(shù)為33cm^-1, 增益長度積為14.6。

更短波長

通過將主泵浦脈寬降至1.1ps，該研究小組還在類鎳釤靶中獲得了波長7.36nm的激光輸出。隨著二極管泵浦固態(tài)光源的不斷改進，波長小于10nm的桌面型X射線激光源也將獲得不斷改進。這些光源將會在超快納米尺度動力學(xué)現(xiàn)象的順序成像等應(yīng)用中扮演重要角色。

美國利弗莫爾國家實驗室的博士后David Alessi（以前曾在NSF EUV ERC的Jorge Rocca領(lǐng)導(dǎo)的研究小組工作）表示：“這些軟X射線激光源能夠?qū)崿F(xiàn)那些需要高脈沖能量或平均功率的桌面級應(yīng)用，例如高密度等離子體診斷、納米尺度成像及動力學(xué)研究。NSF EUV ERC將繼續(xù)研究及開發(fā)波長小于10nm的軟X射線激光器，目的在于提高它們的空間、時間性能以及脈沖能量。”

參考文獻：

1. D. Alessi et al., Phys. Rev. X, 1, 2, 021023 (Sept. 27, 2011).