超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源

王向賢

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源

王向賢

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射，有準(zhǔn)單能、發(fā)射區(qū)域小、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。介紹了超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源的基本原理及其主要研究?jī)?nèi)容，討論了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

超短超強(qiáng)激光；K-alpha源；基本原理

1 引言

超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射。有準(zhǔn)單能（幾十個(gè)keV）、發(fā)射區(qū)域?。ㄎ⒚琢考?jí)），時(shí)間短（飛秒-皮秒量級(jí)）等優(yōu)點(diǎn)[1,2]?？蓮V泛應(yīng)用于慣性約束聚變背光照相，醫(yī)學(xué)成像，光刻，時(shí)間分辨X射線衍射等領(lǐng)域。同時(shí)，超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用中超熱電子輻射是強(qiáng)場(chǎng)物理的重要研究?jī)?nèi)容之一，而K-alpha線的產(chǎn)生和超熱電子直接相關(guān)，故可以通過(guò)研究K-alpha線輻射研究超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相關(guān)作用產(chǎn)生的超熱電子。

2 超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源的基本原理

如圖1所示，用超短超強(qiáng)激光脈沖輻照靶物質(zhì)，如鋁（Al）、銅（Cu）、金（Au）等，激光與靶物質(zhì)的耦合將產(chǎn)生超熱電子，超熱電子向靶中輸運(yùn)，碰撞電離1S軌道電子，使得1S軌道產(chǎn)生空穴，此時(shí)2P軌道電子將向1S軌道躍遷，產(chǎn)生K-alpha光子輻射，產(chǎn)生的K-alpha線輻射包括K-alpha1線和K-alpha2線[3]，分別對(duì)應(yīng)于躍遷22P3/2→12S1/2和 22P1/2→12S1/2。

圖1 超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha光輻射的基本物理過(guò)程

基于超短超強(qiáng)激光脈沖驅(qū)動(dòng)的K-alpha源的實(shí)驗(yàn)布局如圖2所示。主激光經(jīng)全反射鏡反射后，被離軸拋面鏡聚焦到銅等靶物質(zhì)上。X射線光譜儀（如：光子計(jì)數(shù)型CCD、晶體譜儀等）用于測(cè)量K-alpha線光譜，安裝在與入射激光處于同一水平面的靶室法蘭上（靶前、靶后位置均可），電子譜儀可同時(shí)在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的超熱電子能譜。

3 超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha源的主要研究?jī)?nèi)容：

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)超短超強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射有較廣泛的研究。這些研究主要包括：激光偏振態(tài)對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響；K-alpha光輻射的角分布；K-alpha光的脈沖寬度；K-alpha光的空間尺度；K-alpha線產(chǎn)額、激光K-alpha光轉(zhuǎn)化效率；預(yù)脈沖對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響；靶材結(jié)構(gòu)及靶表面粗糙度對(duì)K-alpha產(chǎn)額的影響；各種條件下K-alpha線輻射的優(yōu)化以及K-alpha線的應(yīng)用等等。

3.1 激光偏振狀態(tài)對(duì)K-alpha線的影響[4]：

由于P-偏振光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的超熱電子的能量和產(chǎn)額遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S-偏振光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的超熱電子的能量和產(chǎn)額。因此P-偏轉(zhuǎn)光與物質(zhì)相互作用時(shí)X射線產(chǎn)額也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于S-偏振光與物質(zhì)相互作用。

3.2 K-alpha光輻射的角分布：

Yoichiro Hironaka 等[5]將 41fs 激光以 60°入射聚焦到Cu靶上 （聚焦后強(qiáng)度1.3×1017W/cm2）。用X射線光電二極管測(cè)量硬X射線(4-20keV)的產(chǎn)額，用Si單晶衍射儀測(cè)量Cu的K-alpha線。發(fā)現(xiàn)在激光為P-極化時(shí)，K線輻射是各向同性的。一般實(shí)驗(yàn)都假設(shè)K線輻射是各向同性的。

圖2 超短超強(qiáng)激光輻照靶物質(zhì)產(chǎn)生K-alpha光輻射的實(shí)驗(yàn)布局簡(jiǎn)圖

3.3 K-alpha光的脈沖寬度：

X射線脈沖寬度隨著激光強(qiáng)度增加而增加。T.Feurer等[6]用 80fs，Ti：藍(lán)寶石 CPA 系統(tǒng)激光（最大能量200mJ）輻照Si靶，測(cè)得X射線脈沖寬度在200-640fs之間，并用PIC和Monte-Carlo電子輸運(yùn)程序模擬K線輻射的時(shí)間特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算符合的較好。一般，K-alpha線輻射的脈沖寬度約為入射激光寬度的3-10倍左右。

3.4 K-alpha 光的空間尺度[7，8]：

Ch.Reich等[8]用一二維的單色成像系統(tǒng)（6μm分辨）研究了飛秒激光與Ti靶相互作用K線輻射的空間特性。K-alpha線輻射的空間特性對(duì)高、低激光強(qiáng)度（大于或小于1017W/cm2）有定性的不同。低強(qiáng)度時(shí)，K-alpha線的輻射由一寬的峰組成，而在高強(qiáng)度時(shí)，K-alpha線峰值的中心被一大的弱K-alpha線輻射的環(huán)圍繞，它占K線輻射的2/3。當(dāng)激光強(qiáng)度為 7×1018W/cm2時(shí)，K-alpha線輻射區(qū)達(dá)400um，峰值的半高寬為70um,而激光尺寸為3um。當(dāng)激光強(qiáng)度增加時(shí)K-alpha線輻射的峰值不再增加，甚至減小。

3.5 K-alpha線產(chǎn)額、激光K-alpha光轉(zhuǎn)化效率[9-12]：

D.Salzmann[10]等考慮光子的再吸收現(xiàn)象。解析得出最優(yōu)的產(chǎn)生K-alpha線輻射的靶厚度和超熱電子的能量及靶材的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的靶厚和電子的射程及光子的平均自由程相當(dāng)。此時(shí)，超熱電子的能量應(yīng)為K殼層電離能的4～12倍（Cu為 6倍）。

Ch.Reich[11]等考慮了K-alpha線向靶前輻射時(shí)的再吸收效應(yīng)，用一解析模型和PIC程序模擬了最優(yōu)的產(chǎn)生K線輻射的激光強(qiáng)度。解析模型得到的產(chǎn)生K線輻射最優(yōu)的激光強(qiáng)度為：Iopt=7×109Z4.4，PIC 模擬結(jié)果得到 Cu、Ag的 K-alpha線輻射的最優(yōu)輻照激光強(qiáng)度則分別為7×1015W/cm2和3×1016W/cm2,其結(jié)果與解析模型結(jié)果有一定的偏差，這主要是由于考慮再吸收過(guò)程的近似處理造成的。

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]K-alpha線產(chǎn)額約為109-1011（4πSr），激光 K-alpha 光的轉(zhuǎn)化效率約為 10-6-10-5。

3.6 預(yù)脈沖對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響：

108-109W/cm2低的ASE預(yù)脈沖雖然不能電離物質(zhì)[13]，但可以加熱和氣化靶材，當(dāng)這些氣體被激光的上升沿電離時(shí)，它可影響高強(qiáng)度激光與固體靶的相互作用。Ch.Ziener等[14]發(fā)現(xiàn)使用適當(dāng)?shù)念A(yù)脈沖，K-alpha線轉(zhuǎn)換效率可以提高2～5倍。預(yù)脈沖可以使K-alpha線輻射增加，但會(huì)因?yàn)轭A(yù)脈沖使得K-alpha線脈寬變寬。

3.7 靶材結(jié)構(gòu)對(duì)K-alpha線產(chǎn)額的影響：

靶的表面結(jié)構(gòu)對(duì)X射線的產(chǎn)額影響很大，故另一類(lèi)現(xiàn)在廣泛研究的辦法是使用帶一定表面結(jié)構(gòu)的靶，如：刻槽（grating）靶，膠體靶（Colloidal），天鵝絨靶（Velvet），多孔靶（Porous Si），納米圓孔陣列靶（Nanocylinder），以及金屬納米顆粒靶等等。例如P.P.Rajeev等[15]通過(guò)高壓直流濺射法在銅基底上形成厚度約1μm的球形和橢球形（比率為1.5）銅納米粒子層。用P極化的100fs鈦寶石激光（1014～1015W/cm2）以 45°入射到納米粒子層，測(cè)量到10keV-200keV范圍內(nèi)的硬X射線產(chǎn)額，相對(duì)于拋光的銅靶，最大有13倍的提高。這些帶表面結(jié)構(gòu)的靶通過(guò)不同的機(jī)制，提高了激光到不同波長(zhǎng)范圍X射線（軟X射線，中等硬X射線和硬X射線）的轉(zhuǎn)化效率。效率的提高在4倍到20倍不等，但脈沖寬度基本不變，可見(jiàn)帶表面結(jié)構(gòu)的靶在增強(qiáng)激光靶耦合方面的優(yōu)勢(shì)。

4 討論

研究清楚超短超強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用產(chǎn)生K-alpha線輻射的產(chǎn)額，轉(zhuǎn)化效率與激光入射角、激光強(qiáng)度，靶厚度以及靶材結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是將其廣泛應(yīng)用的前提。

超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生K-alpha線輻射的研究在很大程度上受到激光器激光能量的限制。目前，超短超強(qiáng)激光與靶物質(zhì)相互作用K-alpha線輻射研究主要集中在：如何提高K-alpha線產(chǎn)額，激光K-alpha光轉(zhuǎn)化效率，如：利用預(yù)脈沖和微結(jié)構(gòu)靶或團(tuán)簇是一種很好的解決途徑；利用K-alpha線輻射研究超熱電子；K-alpha線輻射的最優(yōu)化條件等方面；隨著超短超強(qiáng)激光器激光強(qiáng)度的不斷提高，高強(qiáng)度激光與靶物質(zhì)相互作用K-alpha線輻射也是研究的重點(diǎn)之一。另外，超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的K-alpha線輻射的應(yīng)用也是主要研究?jī)?nèi)容之一。

[1]王向賢.超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用X射線輻射實(shí)驗(yàn)研究[D].成都：四川大學(xué)原子與分子物理研究所，2006.

[2]趙宗清,丁永坤,谷渝秋等.超短超強(qiáng)激光與銅靶相互作用產(chǎn)生Kα源的蒙特卡羅模擬[J].物理學(xué)報(bào)，2007，56（12）：7127-7231.

[3]王向賢，魯超，朱仁義.原子信息_基態(tài)和k_alpha線教學(xué)軟件的研發(fā)與教學(xué)實(shí)踐[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào),2009,11(6)：128-130.

[4]U.Teubner,J.Bergmann,B.Van Wonterghen et al.Angle-Dependent of X-Ray Emission and Resonance Absorption in a Laser-Produced Plasma Generated by a High Intensity Ultrashort Pulse[J].Phys.Rev.Lett,1993,70(6):794～797.

[5]Yoichiro Hironaka,Kazutaka G.Nakamura,Ken-ichi Kondo.Angular distribution of x-ray emission from a copper target irradiated with a femtosecond laser[J].Appl.Phys.Lett,2000,77(25):4110～4111.

[6]T.Feurer,A.Morak,I.Uschmann et al.Femtosecond silicon Ka pulses from laser-produced plasmas[J].Phys.Rev.E,2001,65:016412-1～ 016412-4.

[7]N.Zhavoronkov,Y.Gritsai,M.Bargheer et al.Generation of ultrashort Ka radiation from quasipoint interaction area of femtosecond pulses with thin foils[J].Appl.Phys.Lett,2005,86:244107-1～244107-3.

[8]Ch.Reich,I.Uschmann,F.Ewald et al.Spatial characteristics of K a x-ray emission from relativistic femtosecond laser plasmas[J].Phys.Rev.E,2003,68:056408-1～056408-5.

[9]L.M.Chen,P.Forget,S.Fourmaux et al.Study of hard x-ray emission from intense femtosecond Ti:sapphire laser-solid target interactions[J].Phys.Plasmas,2004,11(9):4439～4445.

[10]D.Salzmann，Ch.Reich，I.Uschmann et al.Theory of K a generation by femtosecond laser-produced hot electrons in thin foils[J].Phys.Rev.E,2002,65:036402-1～036402-7.

[11]Ch.Reich,P.Gibbon,I.Uschmann et al.Yield Optimization and Time Structure of Femtosecond Laser Plasma Ka Sources[J].Phys.Rev.Lett,2000,84(21):4846～4849.

[12]J.A.King， K.Akli， R.A.Snavely et al.Characterization of a picosecond laser generated 4.5 keV Ti K-alpha source for pulsed radiography[J].Rev.Sci.Instrum,2005,76:076102-1～076102-3.

13]K.B.Wharton,C.D.Boley,A.M.Komashko et al.Effects of nonionizing prepulses in high-intensity laser-solid interactions[J].Phys.Rev.E,2001,64:025401-1～025401-4.

[14]Ch.Ziener， I.Uschmann，G.Stobrawa et al.Optimization of K a bursts for photon energies between 1.7 and 7 keV produced by femtosecond-laser-produced plasmas of different scale length[J].Phys.Rev.E,2002,65:066411-1～066411-8.

[15]P.P.Rajeev,S.Banerjee,A.S.Sandhu et al.Role of surface roughness in hard-x-ray emission from femtosecond-laserproduced copper plasmas[J]Phys.Rev.A,2002,65:052903-1～052903-5.

BRIEF INTRODUCTION OF K-ALPHA SOURCE PRODUCED BY ULTRA-SHORT AND ULTRA-INTENSE LASER IRRADIATING TARGET MATTER

WANG Xiang-Xian
（Department of Physics and Electronic Science,Chaohu College,Chohu Anhui 238000）

The k-alpha x-ray which is produced by ultra-short and ultra-intense laser irradiating target matter has extensive application prospect for the advantage of quasi mono-energy，small emitting region and short pulse duration et al.The fundamental and main research contents of k-alpha source produced by ultra-short and ultra-intense laser irradiating target matter are introduced.The research hot spot in the field is also discussed.

ultra-short and ultra-intense laser；k-alpha source；fundamental

O434

A

1672－2868（2011）03－0045－03

2010-12-19

巢湖學(xué)院科研基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XLY-200906）

王向賢（1980-），男，甘肅定西人。講師，研究方向：光學(xué)和原子物理

責(zé)任編輯：宏 彬