Modern Physics 现代物理, 2013, 3, 22-26 http://dx.doi.org/10.12677/mp.2013.31004 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/mp.html) Impact of Ar Pressure on Capillary Discharge Soft X-Ray Laser Output* Xingqiang Zhang 1, Qi Wang2 1School of Science, Hubei Automotive Industries Institute, Shiyan 2National Key Laboratory of Tunable Laser Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin Email: zhangxinqiang.student@sina.com Received: Jan. 16th, 2013; revised: Jan. 28th, 2013; accepted: Feb. 4th, 2013 Abstract: Ar pressure was such a key parameter in capillary discharge soft X-ray laser research that it played important role in generating mechanism and output and so on of laser. Through systemic investigation of the impact of Ar pressure on laser output in this article, it was found that the maximum output of laser signal had really been increased from ~17 V to ~18.4 V when Ar pressure went up from 38 Pa to 65 Pa. But the prerequisite was to increase the pre-current pulse and to prolong the delay time between pre- and main-current pulse properly which could make the main-current pulse utilize the better state of pre-ionized plasma adequately and obtain the laser medium with larger gain coefficient. These research works had important significance in optimizing the discharge parameter further and improving the output power of laser and so on. Keywords: Laser Technique; Capillary Discharge; Soft X-Ray Laser; Laser Output; Ar Pressure Ar 气气压对毛细管放电软 X光激光输出的影响* 张兴强 1,王 骐2 1湖北汽车工业学院理学系,十堰 2哈尔滨工业大学,可调谐激光技术国家重点实验室,哈尔滨 Email: zhangxinqiang.student@sina.com 收稿日期:2013 年1月16 日;修回日期:2013年1月28 日;录用日期:2013 年2月4日 摘 要:Ar 气气压是毛细管放电软 X光激光研究中的关键参量,其对激光的产生机理和输出等发挥重要的作用。 本文通过系统地研究 Ar 气气压对激光输出的影响,发现当 Ar 气气压从 38 Pa升高到 65 Pa时,激光信号的最大 输出值确实从~17 V提高到~18.4 V。但前提条件是适当地增大预脉冲电流,并适当地延长预–主脉冲延时,使 主脉冲电流能够更充分地利用良好的预电离等离子体状态,获得增益系数较大的激光介质。这些研究工作对进 一步优化放电参量,提高激光的输出功率等具有重要的意义。 关键词:激光技术;毛细管放电;软 X光激光;激光输出;Ar气气压 1. 引言 激光的出现是人类发明史上的大事,极大地促进 了人类社会的发展和文明的进步。正如当年人们从 Maser 向Laser 进军一样,获得更短波长的 X光激光[1] 始终是人类梦寐以求的向往。X光激光具有波长短、 单光子能量大、光源亮度高、相干性好等优点,在 X 光激光相干检测、全息、光刻、工业加工、医疗等方 面具有重要的应用前景。毛细管放电类氖氩 46.9 nm 软X光激光来源于 Ar8+。当满足一定的放电条件时, Ar8+的丰度很高,此时轴向均匀、细长的等离子体柱 *基金项目:国家自然科学基金重点项目(60838005)和哈尔滨工业大 学创新团队资助。 Copyright © 2013 Hanspub 22 Ar 气气压对毛细管放电软 X光激光输出的影响 成为很好的软 X光激光增益介质。由此可见,Ar 气 气压是影响软 X光激光输出的关键因素之一。在一定 的放电条件下,升高 Ar 气气压应该获得增强的激光 输出。然而在实验中我们发现,一定的放电条件对应 一个最佳的气压值,高于或低于这个值,激光输出都 会减小,偏离这个最佳值达到一定的程度,根本无法 输出激光。因此,系统地分析 Ar 气气压与激光输出 的关系对于优化放电参量,获得较强的激光输出具有 重要的现实意义。 2. 毛细管放电 Ar 气的击穿电压分析 采用预–主脉冲方式工作的毛细管放电软 X光 激光装置首先将Ar 气电离成+1、+2 价的等离子体, 随后经过适当延时的峰值20~40 kA的主脉冲电流到 来后进一步电离、欧姆加热,并快速箍缩等离子体, 当等离子体的电子温度达到60~90 eV、电子密度达到 (0.5~2) × 1019/cm3时,可输出类氖氩 46.9 nm 激光[2,3]。 从产生软 X光激光的工作过程可见,Ar 气的击穿是 输出激光的基础。为此我们首先计算Ar 气的击穿电 压与气压的关系。 毛细管放电通道小,管壁对电子繁流影响大,与 平板电极放电不受管壁限制不同。考虑到管壁的影 响,通过建立电子繁流方程,可计算毛细管放电的击 穿电压。电子繁流方程[4]表示为: 2 34 214 d1 ln 1 d S BPd V S APdeC RV P (1) 其中 A 、B和C是与气体性质有关的常数, 为 正离子打到阴极引起的次级电子发射系数,也是常 数,为毛细管内气体的初始气压, d为气柱长度,P R 为气柱的初始半径, 为击穿电压。方程左边第 一项表示电子通过长度d所产生的电子(离子)数,第 二项表示电子通过长度 d由于管壁复合引起的电子 减少数,方程右边是常数。 S V 陶瓷毛细管的长度为 15 cm,内 径 为3 mm,内充 Ar 气,气压可调。在一定的气压范围内,由式(1)计 算出毛细管放电 Ar 气的击穿电压与气压的关系如图 1所示。从图中可见,Ar 气在 90 Pa附近的击穿电压 为181 V,达到最小值。此时该电压能够引起毛细管 内电子定向运动形成电流,在开始形成电流时,因电 子与气体分子碰撞使分子电离而产生的电子数和正 Breakdown Voltage (V) 400 350 300 250 200 150 0 100 200 300 400 500 Ar pressure (Pa) Figure 1. Breakdown voltage vs. pressure of Ar gas in capillary discharge 图1. 毛细管放电 Ar 气的击穿电压与气压的关系 离子数抵消因管壁复合而损耗的电子数和正离子数, 达到瞬时平衡时,净电荷数等于方程(1)右边的值,从 而形成电流。升高或降低气压后,在181V 的电压下, 电子碰撞电离产生的电荷数不足以克服因管壁复合 而损耗的电荷数,无法形成电流,此时只能升高电压, 尽量增加电子碰撞电离产生的电荷数。当气压小于90 Pa 时,Ar 气的击穿电压随着气压的降低而快速增加, 图中只给出 40 Pa 气压时,Ar气的击穿电压为 355 V, 当气压降低到30 Pa 时,Ar 气的击穿电压迅速增加到 1204 V,而当气压降低到 20 Pa 时,Ar 气的击穿电压 提高到 73,754 V,10 Pa 的Ar气理论上很难击穿。当 气压大于90 Pa时,Ar气的击穿电压随着气压的升高 缓慢增加,图中只给出了 500 Pa气压时,Ar 气的击 穿电压为384 V,当气压升高到 1000 Pa时,Ar气的 击穿电压仅增加到 630 V。即使气压分别升高到 10,000 Pa 和50,000 Pa,Ar 气的击穿电压也分别只有 4042 V 和16,267 V。 在实际的毛细管放电装置上,由于接触电势的存 在,Ar 气的实测击穿电压相对于理论曲线要整体抬 升。在最佳易穿气压值附近,Ar 气的击穿电压实验值 至少约 1500 V左右,相对于 181 V 的理论值扩大了近 10 倍,其它气压所对应的击穿电压也有不同程度的提 高。此外,毛细管放电不同于平板电极或其它形状的 电极放电,毛细管放电过程中,内壁涓流弥补了管内 气压的不足,使理论曲线整体向左移动。因此,在实 验中毛细管内Ar气的最佳易穿气压值大约在 40 Pa 附近,理论曲线受涓流的影响向左平移了大约 50~60 Pa。毛细管放电装置的击穿电压随气压的实验关系是 将理论曲线向左上方进行了移动,具体数据需要在实 验中验证。 Copyright © 2013 Hanspub 23 Ar 气气压对毛细管放电软 X光激光输出的影响 在实验操作中,我们很少利用图 1中90 Pa以下 的气压进行工作。一方面击穿电压随气压的变化率较 大,气压微小的波动也会影响到击穿电压的剧烈变 化,这对于预电离等离子体的状态非常不利,最终影 响到激光的输出。另一方面气压低,最终参与发光的 Ar8+的丰度不高,对激光的输出也不利。因此,在实 验操作中,利用90 Pa以上的气压进行工作,有多方 面的好处:1) 当气压大于 90 Pa时,击穿电压随Ar 气气压的变化线性度较好,这便于分析激光输出与气 压的关系;2) 当气压大于 90 Pa 时,击穿曲线比较平 缓,气压微小的波动不会引起激光输出的剧烈变化, 有利于实验观察和现象分析;3)当气压大于 90 Pa 时, 参与发光的 Ar8+的丰度增加,激光介质的增益系数提 高,对于相同的等离子体柱长度,激光输出必然增大, 这有利于实验研究。 3. 实验研究 在一定的放电条件下,我们已经研究了激光强度 与Ar 气气压的关系。发现 38 Pa气压时输出了~17 V 的激光信号,而 65 Pa气压时基本没有激光输出[5]。 以预–主脉冲方式工作的毛细管放电软 X光激光装 置,预脉冲电压维持在15 kV,脉宽 9 μs,电流大小 可调。高的预脉冲电压一方面可以确保毛细管内的 Ar 气能被击穿,在更大的气压范围内可调;另一方面 在适宜的气压条件下,预脉冲电路的总阻抗一定,高 的预脉冲电压可获得较大的预脉冲电流,预脉冲电流 的较强磁场有利于预电离等离子体柱的轴向稳定性, 为主脉冲电流的到来提供电流较大、轴向稳定的预电 离等离子体,有利于激光的输出。 实验中保持毛细管长度和内径不变,预–主脉冲 延时根据需要进行调节,维持在微秒量级[6]。将预脉 冲电流从20 A升高到25 A,主脉冲电流峰值从 39 kA 升高到 40 kA,研究 Ar 气在 38 Pa和65 Pa气压下激 光输出的情况。不同气压下的激光输出和主脉冲电流 波形如图 2所示,从图中可见,两种气压下主脉冲电 流的峰值均为40 kA,所不同的是在 38 Pa气压下, 调节预–主脉冲延时,当延时达到~6 μs时,获得最 大的激光输出值为~17 V,如图 2(a)所示;而在 65 Pa 气压下,当预–主脉冲延时调节到~10 μs时,获得最 大的激光输出值为~18.4 V,如图 2(b)所示。 10 8 6 4 2 0 −2 −4 −6 −8 −10 50 40 30 20 10 0 −10 −20 −30 −40 −50 Laser signal(V) Main-pulse current(kA) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Time(ns) 激光信号 主脉冲电流 (a) 10 8 6 4 2 0 −2 −4 −6 −8 −10 50 40 30 20 10 0 −10 −20 −30 −40 −50 Laser signal(V) Main-pulse current(kA) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Time ( ns ) 激光信号 主脉冲电流 (b) Figure 2. Laser signal and main-current pulse at different pressure (a) 38 Pa, delay time ~6 μs; (b) 65 Pa, delay time ~10 μs 图2. 不同气压下的激光信号和主脉冲电流波形(a) 38 Pa, 延时~6 μs; (b) 65 Pa, 延时~10 μs 4. 结果与分析 从上面的实验中可以看出,当Ar 气气压从 38 Pa 调节到 65 Pa时,可以获得较强的激光输出。为此需 要调节预脉冲电流和预–主脉冲延时等放电参量。 在两种不同的气压条件下,毛细管内Ar 气的密 度不同。由于 46.9 nm 软X光激光来源于 Ar8+的 2p53p~2p53s 能级跃迁,38 Pa 是Ar 气的易穿气压,较 小的电压就可以将 Ar 气击穿,在这种情况下,适当 调节预–主脉冲延时,维持合适的主脉冲电流,就可 以输出较大的激光信号。在65 Pa气压条件下,气体 密度越大,气柱越不易击穿,但 15 kV 的预脉冲电压 可以轻易将其击穿。此时适当增加预脉冲电流,两种 相差不大的气压条件下,毛细管内壁的涓流基本相 同,预脉冲电流的增加部分主要流经预电离等离子 体,这样预电离等离子体电离更加充分,由预电离等 离子体作为载体的预脉冲电流增大,产生的磁场也增 强,这种磁场对预电离等离子体起镇静和稳定作用。 Copyright © 2013 Hanspub 24 Ar 气气压对毛细管放电软 X光激光输出的影响 因此,在65 Pa气压下,通过增大预脉冲电流,可以 获得更稳定、轴向更均匀、电离状态更好的预电离等 离子体,经过~10 μs的延时,强大的主脉冲电流到来 后,可以将预电离等离子体箍缩到增益系数更高的等 离子体状态。图 2中观察到65 Pa气压的激光输出高 于38 Pa气压的现象,充分说明了前者的增益系数较 大。 图2中两种气压条件下,主脉冲电流的峰值都是 40 kA,电流上升沿~55 ns。激光在上升沿的~28 ns 处 产生,上升沿的剩余部分对激光输出没有影响,因此, 主脉冲电流峰值 39 kA或40 kA都可以产生激光输 出。这里重要的是主脉冲电流的上升沿,上升沿太慢, 洛伦兹力对等离子体作用产生的磁压力增加较慢,在 箍缩过程中要克服等离子体热压力的作用,不可能将 预电离等离子体快速箍缩成激光增益介质;上升沿太 快,开始磁压力远大于热压力,等离子体先被箍缩到 很小的直径,直到两种力达到瞬时平衡,随后巨大的 热压力反抗磁力的作用,使等离子体向外急剧膨胀, 直到热压力减小到等于磁压力时,达到瞬时平衡。接 着开始下一周期的振荡。这样预电离等离子体在箍缩 过程中会因磁压力和热压力的剧烈作用而产生振荡, 不利于激光增益介质的形成。在两种气压条件下,因 主脉冲电流的上升沿相同,其对 38 Pa和65 Pa气压 的作用基本相同。然而后者的气体密度较大,单位体 积内 Ar8+离子的丰度较高,形成的激光介质的增益系 数较大,输出激光信号较强。 在65 Pa 气压条件下,20 A的预脉冲电流和~6 μs 的预–主脉冲延时不能产生激光信号。主要的原因 是:1) 相对于38 Pa 的气压来说,此时的预脉冲电流 较小,无法提供比较理想的预电离等离子体状态。毛 细管内壁的涓流对两种气压的影响基本相同,可以不 考虑。65 Pa 气压比 38 Pa 气压升高不少,两者的气体 密度不同,气体稀薄时,20 A的预脉冲电流经过预电 离等离子体,Ar+和Ar2+离子的浓度较高,而当气体稠 密时,20 A的预脉冲电流经过预电离等离子体,Ar+ 和Ar2+离子的浓度明显降低。两种情况下,气体都不 可能完全电离,随后到来的主脉冲电流将预电离等离 子体进一步电离成各种电离价的终态等离子体,如果 Ar8+离子的丰度较高,则产生激光的可能性较大。在 65 Pa气压下,主脉冲电流主要用于电离预脉冲电流 还没有来得及电离的中性 Ar 原子和进一步电离低价 离子。能够电离达到 Ar8+的离子数量不会太多,因此 不能形成较好的激光增益介质。2) 即使20 A的预脉 冲电流可以将 65 Pa的Ar 气充分电离成 Ar+和Ar2+离 子。当预–主脉冲延时~6 μs时,预脉冲还没有来得 及将 Ar 气充分电离,主脉冲电流已经到来,此时由 于预电离等离子体的状态不佳,主脉冲电流也不可能 进一步将预电离等离子体电离成较好的激光增益介 质。此时,也难以产生激光输出。在不同的气压下, 预–主脉冲延时有一个最佳值,可以产生较大的激光 输出。而对于一定的气压而言,存在一个最佳延时值, 可产生最大的激光输出,当延时小于该值时,预电离 等离子体来不及充分电离;当延时大于该值时,充分 电离的预电离等离子体已经开始坍塌、弥散和复合 等。这两种情况都不利于主脉冲电流的工作。 在65 Pa气压条件下,适当增加预脉冲电流,可 以充分电离 Ar 气,产生较好的预电离等离子体状态, 由于此时气体密度增大,充分电离 Ar气所需时间延 长,因此,适当增大预–主脉冲延时,可以使主脉冲 电流尽可能充分利用预电离等离子体的良好状态,形 成增益系数更大的激光增益介质。图 2中将预脉冲电 流从 20 A提高到 25 A,预–主脉冲延时从~6 μs提高 到~10 μs,观察到较大的激光输出,说明在65 Pa气 压条件下,激光介质的增益系数确实提高了。但激光 信号仅增加了~1.4 V,这是因为两种气压的差别不太 大。如果进一步升高 Ar 气气压,并优化预脉冲电流 和预–主脉冲延时等参量,激光信号应明显增强。由 于实验装置的限制,在更高的气压条件下研究激光的 输出情况无法进行。国外有过这方面的报道,在 100~200 Pa 的气压条件下,产生了更大的激光输出或 得到了更短波长的激光[7,8]。由此可见,研究 Ar 气气 压对激光输出的影响是一件非常有意义的工作。 5. 结论 毛细管放电软 X光激光输出实验中,升高 Ar气 的气压,适当增加预脉冲电流,可以获得状态良好的 预电离等离子体;同时适当延长预–主脉冲延时,可 使主脉冲电流充分利用良好的预电离等离子体状态, 最终产生了增益系数更大的激光介质。这些研究工作 不仅有利于毛细管放电参量的优化和激光器的稳定 运行,而且对提高激光输出功率和探索气压条件等都 Copyright © 2013 Hanspub 25 Ar 气气压对毛细管放电软 X光激光输出的影响 Copyright © 2013 Hanspub 26 发挥了积极的作用。 参考文献 (References) [1] J. 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