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由光場游離碰撞激發機制所產生之X光雷射的實驗研究

為了解決GLE450的問題，作者周明昌 這樣論述：

實用的桌上型X光雷射可開拓更多新領域的探索，如超短波長下的非線性光學研究。在過去的二十多年來科學家對於研發精密且實用的X光雷射有著莫大的進展。藉由適當的實驗設計可在類氖、類鎳與類鈀的離子中經由碰撞激發機制來產生高效率、短波長的飽和X光雷射輸出。實驗與模擬研究兩方面同時的進展對產生X光雷射的條件有進一步的瞭解，包括像是如何產生適當的電漿條件、提高能量的轉換效率、製造夠寬夠長的增益區以及如何消除一些不利的效應。此外使用小規模、高重複率、高必v的飛秒脈衝雷射經由光場游離碰撞激發機制來製造產生出極紫外光或軟X光波段 (< 50 nm) 的雷射增益物質所需的電漿已成為發展X光雷射重要的課題之一。使用惰

性氣體填充至氣室與毛細管做為靶材裝置來產生飽和X光雷射的放大輸出已被報導。目前，使用電漿波導技術來發展將已有的X光雷射做更進一步的放大已展現了莫大的潛力且被密集的研究中。這本論文報告了研究光場游離碰撞激發機制產生之X光雷射一系列的進展與成果。第一章回顧X光雷射的發展歷史與簡介各種用來研發X光雷射的機制。第二章則是敘述用於完成本實驗所需的一套多弁鄋?0兆瓦雷射系統。接著，在第三章的第一部分將介紹經由光場游離產生之X光雷射的基本理論，第二部分則報告首次在氣體團簇中經由光場游離碰撞激發機制產生之X光雷射的實驗結果。藉由一道預脈衝來控制氣體團簇的游離與膨脹，我們可得到波長41.8 nm近飽和放大的類鈀

氙氣X光雷射輸出且輸出能量高達95 nJ 而發散角為5.2 mrad。在最強的雷射輸出下所觀察到的最佳原子密度經證實為增益係數的增加與因游離致發折射效應而導致增益長度縮短二者之間平衡後的結果。在氙氣與氪氣的氣體團簇中經由短焦距元件的聚焦型態來實現X光雷射與針對此X光雷射的參數空間完整掃瞄將在第四章呈現與討論。藉由使用短焦距的聚焦元件與將激發雷射的焦點位置最佳化，雷射光在電漿中傳播時所遭受的繞射與游離散射效可被補償因而延長了增益長度。在此實驗中對於產生X光雷射重要的參數如原子密度、激發雷射的焦點位置與激發雷射的橢圓率皆可調整至最佳狀態以獲得最強的X光雷射輸出。此外使用雷射脈衝加工的斷層掃瞄量測技

術可用來獲得並清楚得瞭解X光雷射放大過程。第五章將描述第一次以全光學式製造的電漿波導來強烈增加經由光場游離碰撞激發機制所產生波長為32.8 nm的類鎳氪氣X光雷射的實驗成果。相較於沒有電漿波導的情況下，利用以圓錐透鏡結合點火—加熱方案所製造之9 mm長的純氪氣電漿波導，我們可提高32.8 nm的X光雷射近400倍。輸出光子數可達每發雷射約8×10^(10)，其對應的能量轉換效率約是2×10^(-6)。此X光雷射的尖峰亮度高達1.2×10^(34) photons/cm^2/nm/sec/sr，高於相同波長下的同步輻射光源約3個數量級。此外運用此電漿波導的技術與特性我們也得以實現第一次以光場游離

碰撞激發機制產生波長為46.9 nm且具高游離能、低增益之特性的類氖氬氣X光雷射。相較於之前在毛細管放電或以毛細管充氣方式製造之電漿波導中產生的X光雷射，我們相信在氣體噴流中以全光學式方法達成的電漿波導技術可在實際的應用上作為無損害、長期且高重複率的操作。另外，第六章敘述藉由點火—加熱方案應用於形成電漿波導的優點，在發展固體靶材X光雷射的研究中，我們也將此技術應用於增加預脈衝製造的電漿橫向長度，藉此減低了令人困擾的折射效應。我們利用一道縱向探測光形成之偏向儀與一道橫向探測光形成之反射式干涉儀來解析與控制電漿的中間產物。如此一來我們便可以縮小在發展固態X光雷射過程中實驗物理與應用工程之間的差異。

最後，第七章將針對此論文在發展以光場游離碰撞激發機制產生之X光雷射的實驗研究作各總結，同時也討論未來在發展X光雷射更具潛力的技術與機制，以及後續以X光雷射為光源來進行具實用價值的應用。