[发明专利]产生软X射线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及产生软X射线的方法，主要应用于提高激光与物质相互作用时所产生的高次谐波辐射的强度，提供一种优异的X射线源。 

背景技术

X射线广泛应用于医学检测、成像和光刻等生产活动中。强激光和原子分子相互作用可以产生高次谐波辐射，该辐射位于软X射线波段。这种方法提供了一种全新的具有优异的光学特性的软X射线源，在实验室中即可实现，易于操作和使用。目前，利用其短波长和低发散角等特性，已经可以进行空间分辨率高达几十纳米的静态和动态微结构衍射成像研究。在当前的研究中，为了获得更高光子能量（更短波长）的X射线辐射，一种方法是利用中红外波段的强激光作为驱动光场：根据高次谐波产生的理论模型，高次谐波光谱最高光子能量同驱动激光的波长的平方成正比，因此波长更长的驱动激光利于产生更高光子能量的高次谐波辐射。但是，高次谐波产生的效率和驱动光波长的5.5次方成反比，因而高次谐波的产率更低，脉冲能量仅达到可供检测的水平。此外，利用离子化气体也可以产生较高光子能量的高次谐波。相比于原子分子，离子具有更高的电离能，因而可以产生更短波长的输出，但是通常难以在空间上约束离子气体以实现较高的密度，因而无法获得高的产率。 

为了获得高强度的软X射线辐射（高次谐波），当前的研究主要集中在激光传输和相位匹配的宏观介质效应上。例如，美国科罗拉多大学Murne教授研究组从提高入射激光能量和谐波产率的角度都做出了较系统的研究，所获得的高次谐波辐射强度最高达到微焦量级，已经能够应用于衍射成像的研究中。但是，仅仅采用以上方法，得到的高次谐波产率仍然较低，单脉冲能量最高只能达到微焦耳级，严重限制着它更广泛应用。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种产生软X射线的方法，该方法大大提高了软X射线的产生效率。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种产生软X射线的方法，其特征是：该方法是将超短脉冲激光聚焦到随气体喷出的纳米颗粒上，产生软X射线，所述纳米颗粒为平均直径为20nm的金属粒子；所述气体为氩气，气压为2个大气压，喷射前真空腔内气压小于10^-3Pa；纳米颗粒随氩气由喷射器喷至真空腔内，喷射器喷嘴直径0.5mm；所用超短脉冲激光脉冲宽度40fs，单脉冲能量至少为毫焦耳量级，聚焦后峰值功率大于10¹⁴W/cm²。 

本发明的优点： 

1、本发明利用金属纳米颗粒随气体喷出作为产生介质的方法，利用了激光与金属粒子作用更容易辐射高次谐波的特性，比激光直接与气体相互作用产生软X射线的方法单个波长产率提高了至少10倍。而且，这种方法在整个光谱范围内都能产生连续谱，而不是气体所产生的分离光谱，整个光谱范围内的总能量至少提高100倍。 

2、以气体作为金属颗粒的载体，有效避免了金属固体对高次谐波的吸收，所以所产生的高次谐波辐射大部分得到透射，可以被有效利用。 

总之，本方法对于已有的高次谐波产生方法有明显的改进，大大提高了其产率，具有应用价值。 

附图说明

图1为本发明实施光路示意图。 

图2为在同样入射激光条件下，以纯氩气作为介质和以随氩气喷出的纳米金属银粒子作为介质时所产生高次谐波辐射的对比。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

先请参阅图1，图1为本发明实施光路示意图。由图可见，本发明 产生高强度高次谐波辐射的方法，实现方式为：飞秒激光放大器1产生的飞秒激光脉冲中心波长为800nm，脉冲宽度40fs，单脉冲能量2mJ，重复频率1kHz。该激光脉冲由焦距为30cm的透镜2聚焦到金属粒子喷射器3喷出的介质5中，喷射器口4直径0.5mm。该介质由氩气和金属银粒子组成，其中氩气气压为2个大气压，金属银粒子的平均直径为20nm。激光与介质作用产生的高次谐波用常用的X射线检测光路检测：高次谐波由焦距为20cm的凹面镜6聚焦，经X射线光栅7，进入X射线CCD8。通过连接X射线CCD的电脑，可获得高次谐波谱。 

图2为在上述相同激光条件下，以纯氩气作为介质(a)和以随氩气喷出的纳米金属银粒子作为介质(b)所产生高次谐波辐射的对比。通过对比可以看出：以氩气作为介质时，所产生的高次谐波光谱是分离的，仅在激光的2n+1（n为正整数）次谐波处产生，最强计数为8×10⁵个，光谱区积分计数为3.3×10⁷个，估算能量5纳焦耳；以随氩气喷出的纳米金属银粒子作为介质时，最强计数为1.6×10⁷个，光谱区积分计数为1.1×10¹⁰个，估算能量1.7μJ。该实验中，所获得的高次谐波的能量受限于超短脉冲激光的能量，即单脉冲能量仅为2mJ就能获得约1.7μJ的软X射线辐射，如果激光单脉冲能量达到焦耳量级（此种激光器已经商品化），依本发明方法实施，一定能获得几十微焦，甚至更高功率的软X射线辐射。