[发明专利]产生X射线或远紫外线激光的方法及其装置

说明书

本发明涉及一种产生X射线或远紫外线激光的方法及其装置。该激光装置的特点在于大输出功率，高效率和价格低廉。

任何激光的产生都需要有粒子数反转存在于原子或分子中，再由受激发射而产生激光。为了得到粒子数反转，需要对发光介质泵浦能量。通常在普通的可见光波长范围内的激光中，电子的跃迁能量在电子伏特(ev)量级，跃迁电子的寿命在纳秒量级。可是，在X射线激光中，电子的跃迁能量在几百电子伏特到几千电子伏特量级，跃迁电子的寿命在皮秒量级。因此，为产生X射线激光，需要在非常短的时间内把大量的泵浦能量输入到产生X射线缴光的介质中去。

自从六十年代初可见光激光器出现以来，人们对研制、开发X射线以及远紫外线激光做了大量的探索性工作。直到前几年，软X射线激光才被成功地研制出来。第一台实验室X射线激光器由Rosen等人在1985年的Physical Review Letters第54期106页中公开报导，并由Matthews等人做了实验证明并发表在1985年Physical Review Letters第54期110页。同样的X射线激光器也由Cambell等人在美国专利4,827,479中公开。另一个与此有关的X射线激光器由Hegelstein在美国专利4,589,113中公开。但是在这些公开的X射线激光器都采用能产生脉冲能量在几百焦尔到几千焦尔的可见光短脉冲激光器作为驱动源，因而此类X射线激光器体积庞大，操作复杂，价格昂贵。此类X射线激光器的另一大缺点是能量转换效率低。这是由于能量转换过程是经过从电能到长波长的可见光脉冲激光，再由长波长的可见光脉冲激光照射到X射线激光发生介质薄膜，使其照射部成为等离子柱，进而产生X射线激光的缘故。

另一类X射线激光器是直接把电能注入等离子柱，进而激发X射线激光。这类激光器被称为放电式X射线激光器。这类X射线激光器的能量转换效率要远远大于可见光脉冲激光驱动的X射线激光器的能量转换效率。这类放电式X射线激光器使用电容器作为驱动能量源。释放同样能量的电容器的体积要比作为驱动源的可见光脉冲激光器的体积小得多。公开知道的放电式X射线激光器可分为两类：(1)Z·等离子柱放电式；(2)毛细管放电式。Apruzese等人在1988年的SPIE Proceeding第875期第2页中报告了他们在Z·等离子柱放电中测到了功率25吉瓦(GW)波长11埃的X光谱。可是这种Z·等离子柱放电式X射线激光器从物理结构上来说难以与谐振腔组合形成大功率、高相干性的X射线激光。毛细管放电式X射线激光器使用毛细管来限制放电产生的等离子柱。到目前为止所报告的毛细管放电式的脉冲宽度在100纳秒量级。因为等离子与毛细管内壁的相互作用时间在这样的数量级，等离子的温度被限制在几十个电子伏特。因此，毛细管放电很难被用于产生波长100埃以下的X射线激光。

本发明的目的是要提供一个产生X射线或远紫外线激光的方法及装置。

本发明的又一个目的是要提供一个电子碰撞激励式X射线或远紫外线激光器。

本发明的又一个目的是要提供一个电子离子复合式X射线或远紫外线激光器。

本发明的又一个目的是要提供一个光子激励式X射线或远紫外线激光器。

本发明的又一个目的是要提供一个电荷碰撞交换式X射线或远紫外线激光器。

本发明的又一个目的是要提供一个光电离式X射线或远紫外线激光器。

本发明的又一个目的是要提供一个大功率多离子柱式X射线或远紫外线激光器。

本发明的以上目的是通过下述方法来实现的。它包括以下工序：用液体材料形成一个刃状阳极；在该阳极的对面放置一个阴极；在阳极和阴极之间输入一个足够强的脉冲电流使该两极之间发生真空放电，放电产生的等离子体将被放电电流本身产生的强大磁场限制在靠近刃状阳极的细长空间内而形成高温、高密度的等离子柱。X射线或远紫外线激光就从该等离子柱内沿着轴线方向发射出来。

本发明的目的还通过下述装置来实现。该装置由以下几个部分组成：一个刃状液体阳极结构，它包括保存液体材料的容器，以及输送液体材料和形成液体刃的部件；一个被放置在刃状液体阳极结构对面的阴极；连接于刃状液体阳极和阴极之间的脉冲式高压电源系统。在工作时，该脉冲式高压电源系统输出一个足够大的脉冲电流到刃状液体阳极结构和阴极上，使它们之间产生真空放电。真空放电产生的等离子体将被放电电流本身产生的强大磁场限制在靠近刃状液体阳极结构的细长空间内而形成高温、高密度的等离子柱。X射线或远紫外线激光就从该等离子柱内沿着轴线方向发射出来。