作者：Gail Overton

美国《Laser Focus World》杂志曾于2011年7月刊报道了波长13nm的桌面型X射线激光器，其能在30秒内获得25nm的成像分辨率。相比于之前需要80分钟才能获得30~50nm分辨率的光源而言，该结果为人们留下了深刻印象。然而如今，美国国家自然科学基金极紫外科学与技术工程研究中心（NSF EUV ERC）、科罗拉多州立大学、加州大学伯克利分校以及橡树岭国家实验室的联合研究小组，演示了一种高脉冲能量的、波长8.8nm桌面型X射线激光源，重复频率达到1Hz。^[1]与之相比，以往基于等离子体的产生波长10.9nm以下X射线辐射的方法，通常重复率很低，仅为每小时若干发辐射。

更低的泵浦能量

直到最近，要想产生波长小于10nm的软X射线激光器，需要采用几十焦的泵浦能量以及合适的工作物质。在本项研究工作中，为了从1~2mm厚的固态类镍镧（La）靶中获得增益饱和的8.8nm激光输出，研究人员仅需要7.5nJ的光泵浦能量。

泵浦装置中包括来自800nm钛蓝宝石激光器的两个脉冲（如图）。第一个法向入射预脉冲具有6×10¹²W/cm²的光强，半高全宽（FWHM）脉宽为210ps，并通过球面透镜及柱透镜聚焦为30μm×6.4mm的线焦点。该预脉冲能够快速加热等离子体，从而在类镍态（La⁺²⁹）中产生大量的离子。等离子体膨胀后，第二个能量为4J、光强为6×10¹⁴W/cm²、脉宽为3ps的脉冲，以35º入射角将等离子体加热到大约850eV的电子温度，并且有效地将离子激发到激光上能级。这一入射角以及通过聚焦光学元件后获得的均匀30μm×6.4mm的线焦点，确保了折射能够有效地将泵浦光束能量耦合到等离子体中，以获得最大的X射线发射。

图：工作频率为1Hz、低泵浦能量的波长8.8nm的软X射线激光器的实验装置图及光谱。

为了克服泵浦脉冲与放大脉冲传输速度之间的不匹配（这通常限制输出能量），研究人员采用五镜发射阶梯式光栅以获得准行波激发，从而显著提高激光输出。

为了实现在1Hz重复频率下测量，研究人员以每秒200μm的速度移动镧靶，以确保每发激光脉冲入射到新的材料表面。这一工作在8.85nm波长处的软X射线光源，在2.7μJ脉冲能量时达到增益饱和，相应的增益系数为33cm^-1, 增益长度积为14.6。

更短波长

通过将主泵浦脉宽降至1.1ps，该研究小组还在类镍钐靶中获得了波长7.36nm的激光输出。随着二极管泵浦固态光源的不断改进，波长小于10nm的桌面型X射线激光源也将获得不断改进。这些光源将会在超快纳米尺度动力学现象的顺序成像等应用中扮演重要角色。

美国利弗莫尔国家实验室的博士后David Alessi（以前曾在NSF EUV ERC的Jorge Rocca领导的研究小组工作）表示：“这些软X射线激光源能够实现那些需要高脉冲能量或平均功率的桌面级应用，例如高密度等离子体诊断、纳米尺度成像及动力学研究。NSF EUV ERC将继续研究及开发波长小于10nm的软X射线激光器，目的在于提高它们的空间、时间性能以及脉冲能量。”

参考文献：

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