反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置及调节方法

摘要

一种反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置及调节方法，特点是在第四出光靶与多层膜反射镜之间增加一个辅助靶，辅助靶倾斜粘接在相应的辅助靶托上，使所述辅助靶的上端高过多层膜反射镜支架上边缘所在的平面。靶室在线调节过程中，通过平行光管观察辅助靶位置可以间接知道各出光靶之间的排布情况，通过对辅助靶的操作来达到可以调节出光靶的目的。本发明有效地解决了靶场在线调节过程中多层膜反射镜遮挡其后面第六平行光管的视线问题，并且可以通过第六平行光管对出光靶装置的姿态进行有效地实时监测。实验表明，本发明出光靶装置还具有调节方便、稳定性好、调节精度高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及软X射线激光装置，特别是一种反射镜双程放大软X射线激光出光 靶装置及调节方法。

背景技术

软X射线激光(SXRL)具有波长短、亮度高、带宽窄、相干性强的特点，在 物理学、化学、生物学、材料学以及惯性约束聚变(ICF)等研究领域中具有广泛的 应用。实验室软X射线激光研究，旨在获得高强度、短波长、强相干的软X射线激 光输出，为各种应用研究提供更好的光源。

软X射线激光的实现比普通激光困难得多，原因主要是：一方面对驱动源要求 高；另一方面则是无腔运转模式。对于X射线激光来说，实现腔式运转有很大难度， 一是增益介质的维持时间非常短，多通不能有效增加增益介质长度，二是光学反射 元件的缺乏，谐振腔端使用的反射镜反射效率较低，难以有效地发挥谐振腔的作用。 所以，软X射线激光通常采用无腔的单程自发辐射放大(ASE)方式。然而，激光 线聚焦驱动平面靶等离子体对软X射线激光的传播具有强烈的折射效应，靶不宜太 长。研究表明，双靶以及多靶的对接或串接技术可以有效地增加增益介质长度，提 高软X射线激光的输出强度。为使增益介质的长度得到进一步增加，在多靶对串接 技术的基础上通过增加多层膜反射镜形成双程放大模式，达到部分增加增益介质长 度是一个可行的技术途径。实验证明，反射镜双程放大确实能够进一步提高软X射 线激光的输出强度。

软X射线激光实验中一个关键的技术问题是出光靶与驱动激光之间的耦合，一 般需要建立实验室装调监测系统和靶室调节监测系统，借助平行光管对出光靶装置 进行靶位参数调节。然而，反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置中多层膜反射 镜遮挡了其后面的第六平行光管的视线。在进行靶室在线调节时，无法在第六平行 光管视场中直接观察到各出光靶之间的排布情况，增加了靶室在线调节的难度。如 果不解决这个问题，就不能做到出光靶与驱动激光之间的精确耦合，甚至与不加反 射镜相比，增加反射镜反而会降低软X射线激光的输出强度。

20世纪90年代在“神光”装置上进行的反射镜双程放大软X射线激光实验中(参 见文献：王世绩等，强激光与离子束，1991，5(4)：558)，针对该问题通常采取的解 决方案是在多层膜反射镜背面刻上十字刻线，以十字刻线为基准进行靶室的在线调 节，如图5所示。其调节方法简单表述如下：

一、离线调节：

在串对接的四块出光靶完成实验室装调之后，把反射镜装进相应的反射镜架， 调节反射镜架的平动和转动，使其背面的十字刻线中心落在正对着的平行光管的光 轴上，并使它的法线与该平行光管的光轴成设定的角度，反射镜背面要求与正面精 确平行。把实验室装调好的出光靶装置上的多层膜反射镜平移开，使反射镜不遮挡 平行光管的视线，再将整个出光靶装置安放到靶室里。

二、在线调节：

保持出光靶的相对位置不变，调整出光靶装置的姿态，使出光靶504的工作面 落在第九平行光管508的光轴上。然后，平移多层膜反射镜505，使其背面的十字 刻线中心也落在第九平行光管508的光轴上。

以上调节方法在于阐明该方案的基本思想。该方案中离线调节较为简单，但在 线调节起来不方便，而且稳定性较差。在线调节过程中平移多层膜反射镜505是在 靶室中进行的，容易对出光靶姿态产生影响，在完成多层膜反射镜505平移操作之 后，由于多层膜反射镜505遮挡了第九平行光管508的视线，无法通过第九平行光 管508对出光靶装置进行有效地实时监测。在调节过程中出光靶的姿态若发生改变 会影响各出光靶与驱动激光之间的耦合。

发明内容

为了克服多层膜反射镜遮挡其后面平行光管视线的不利影响，本发明提供一种 反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置及调节方法。该装置能够有效解决靶室在 线调节过程中反射镜遮挡其后面平行光管视线的问题，并且可以对出光靶装置的姿 态进行有效地实时监测。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于反射镜双程放大软X射线激光的出光靶装置，包括一个长方形的靶架 固定底板，在该靶架固定底板上的一端横向地固设有多层膜反射镜架，该多层膜反 射镜架设置多层膜反射镜，在所述的靶架固定底板上自另一端至所述的多层膜反射 镜架，依次的第一出光靶和第二出光靶纵向成列、第三出光靶和第四出光靶纵向成 列并通过各自的靶架和靶座纵向地列放在所述的靶架固定底板上的两条平行的直线 上，所述的第一出光靶和第二出光靶的靶面与所述的第三出光靶和第四出光靶的靶 面相向并处于同一高度，所述的靶架固定底板通过燕尾形连杆固定在调节平台上， 其特征是：在所述的第四出光靶和所述的多层膜反射镜架间还设有辅助靶，该辅助 靶通过辅助靶架和辅助靶座设置在所述的靶架固定底板上，所述的辅助靶的主轴与 所述的第一出光靶、第二出光靶、第三出光靶和第四出光靶的主轴所在的平面夹角 为45°～90°，所述辅助靶的上端高于所述的多层膜反射镜支架的上边缘。

所述的多层膜反射镜是在透明的玻璃基板上镀Mo/Si多层膜构成的，对反射镜 双程放大软X射线激光反射，该多层膜反射镜的多层膜的正面和背面都具有反射光 的作用，且正面和背面的表面互相平行。

所述的出光靶装置的调节方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

一、离线调节：

①在所述的靶架固定底板建立直角坐标系，该靶架固定底板位于yz平面，该靶 架固定底板的左上角顶点为坐标原点，该靶架固定底板的宽边为y轴方向，长边为 z轴方向，垂直方向为x轴方向，在所述的第一出光靶和第二出光靶的靶面的正面 垂直方向，即该靶架固定底板的一边沿y方向设置第一平行光管，在所述的第三出 光靶和第四出光靶的靶面的正面垂直方向，即所述的靶架固定底板的另一边沿-y 方向设置第二平行光管，在所述的靶架固定底板一端沿z方向设置第三平行光管； 在所述的靶架固定底板的上方设置显微镜；

②分别调节所述的第二出光靶和第三出光靶的靶托和以及靶平移座和，使第一 平行光管和第二平行光管的光轴分别垂直于所述的第一出光靶和第三出光靶的靶 面，进而使所述的第二出光靶和第三出光靶的靶面处于同一垂直于所述的靶架固定 底板的平面，调节所述的显微镜，使所述的显微镜目镜的十字刻线竖线对准第二出 光靶与第三出光靶邻近的端点，沿-z方向平移所述的显微镜设计的距离z₂₃，调节 所述的第三出光靶的靶托，使所述的第三出光靶与第二出光靶邻近的端点对准显微 镜目镜的十字刻线竖线，通过第二平行光管监测并保持所述的第三出光靶的靶面与 第二平行光管的光轴垂直，锁定所述的第二出光靶；

③同样的方法利用所述的显微镜目镜的十字刻线横线沿y轴方向调节所述的第 三出光靶，使第三出光靶的靶面与第二出光靶的靶面的间距达到理论要求的靶面间 距y₂₃，锁定第三出光靶；

④调节所述的第一出光靶的靶托以及靶平移座，使第一平行光管的光轴垂直于 所述的第一出光靶的靶面，进而使所述的第一出光靶的靶面处于垂直于所述的靶架 固定底板的平面，调节所述的显微镜使所述的显微镜目镜的十字刻线横线与第二出 光靶的靶面重合，调节所述的第一出光靶的靶托以及靶平移座，使所述的第一出光 靶的靶面与所述的显微镜目镜的十字刻线横线重合；

⑤按照步骤②的方法调节所述的第一出光靶和第二出光靶的两邻近靶端之间距 达到设计要求的靶端间距为z₁₂，锁定第一出光靶；

⑥调节所述的第四出光靶的靶托以及靶平移座，使第二平行光管的光轴垂直于 所述的第四出光靶的靶面，进而使所述的第四出光靶的靶面处于垂直于所述的靶架 固定底板的平面，调节所述的显微镜，使所述的显微镜目镜的十字刻线横线与第三 出光靶的靶面重合，调节所述的第四出光靶的靶托以及靶平移座，使所述的第四出 光靶的靶面与所述的显微镜目镜的十字刻线横线重合；

⑦按照步骤②的方法调节所述的第三出光靶和第四出光靶的两邻近靶端之间距 达到设计的靶端间距为z₃₄，锁定第四出光靶；

⑧利用第二平行光管调节所述的辅助靶靶托和辅助靶平移座，使所述的辅助靶 的靶面与第二平行光管的光轴垂直，使所述的辅助靶的靶面与所述的第四出光靶的 靶面和第三出光靶的靶面处于同一垂直于所述的靶架固定底板的平面，利用第二平 行光管和显微镜调节所述的辅助靶平移座沿-y方向移动，使所述的辅助靶的靶面 相对于所述的第四出光靶的靶面间距y₄₅为50～100μm，锁定所述的辅助靶；

⑨利用所述的第三平行光管调节所述的多层膜反射镜的反射镜架，使所述的多 层膜反射镜的多层膜背面与所述的第三平行光管的光轴垂直，根据所述的第三平行 光管目镜上的十字刻线竖线与角度的对应关系，绕x轴逆时针方向转动所述的多层 膜反射镜架到理论计算的角度θ，进而使所述的多层膜反射镜工作面与理论计算出 的软X射线激光出光的方向垂直，完成出光靶装置的离线调节；

二、在线调节：

①把完成离线调节的出光靶装置的燕尾形连杆与靶室内的电控马达的燕尾槽相 连，出光靶装置呈倒悬姿态；

②在所述的靶室外，对应于出光靶装置的离线调节的第一平行光管、第二平行 光管和第三平行光管的位置设置第四平行光管、第五平行光管和第六平行光管；

③通过靶室内的电控马达，调节所述的出光靶装置的姿态，使所述的辅助靶的 靶面与第六平行光管视场中的十字刻线竖线重合，完成辅助靶的贴面操作；

④调节靶室内的电控马达，使第一出光靶的靶面与第四平行光管的光轴垂直；

⑤通过电控马达使所述的出光靶装置沿-y方向平移，使所述的第六平行光管 中的十字刻线竖线与所述的第四出光靶靶面重合，即完成出光靶装置的在线调节。

本发明的有益效果是：

本发明有效解决了靶场在线调节过程中多层膜反射镜遮挡其后面第六平行光管 的视线问题，并且可以通过第六平行光管对出光靶装置的姿态进行有效地实时监测。 实验表明，本发明出光靶装置还具有调节方便、稳定性好、调节精度高的特点。

附图说明

图1是本发明反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置实施例的示意图。

图中：101-第一出光靶，102-第二出光靶，103-第三出光靶，104-第四出 光靶，105-辅助靶，106-多层膜反射镜，107、108、109、110、111-与靶相对 应的靶拖及靶支撑柱，112-多层膜反射镜镜架，113、114、115、116、117-与靶 相对应的靶平移座，118-靶架固定底板，119-燕尾形连杆，120-调节平台

图2是本发明实验室离线装调监测系统及靶位情况俯视示意图。

图中：201-第一平行光管，202-第二平行光管，203-第三平行光管，204、 205、206-平行光管对应的光轴

图3是本发明实验室离线装调监测系统及靶位情况侧视示意图。

图中：301-显微镜，302-多层膜反射镜架上边缘所在平面，303-辅助靶105 主轴，304-辅助靶105主轴与出光靶主轴所在的平面夹角(各出光靶主轴与第三平 行光管203光轴在同一平面内)，305-显微镜物镜对应的主轴

图4是本发明柱形靶室在线调节监测系统及靶位情况俯视示意图。

图中：401-第四平行光管，402-第五平行光管，403-第六平行光管，404、 405、406-平行光管对应的光轴，407-第四平行光管对应的窗口(包括窗口玻璃、 非球面主透镜、柱面列阵透镜)，408-第五平行光管对应的窗口(包括窗口玻璃、 非球面主透镜、柱面列阵透镜)，409-第六平行光管对应的窗口玻璃，410-靶室z 方向上的窗口玻璃，411-柱形靶室壁

图5是现有球形靶室在线调节监测系统及靶位情况俯视示意图。

图中：501-原方案第一出光靶，502-原方案第二出光靶，503-原方案第三出 光靶，504-原方案第四出光靶，505-原方案多层膜反射镜，506-第七平行光管， 507-第八平行光管，508-第九平行光管，509、510、511-平行光管对应的光轴， 512-第七平行光管对应的窗口(包括窗口玻璃、非球面主透镜、柱面列阵透镜)， 513-第八平行光管对应的窗口(包括窗口玻璃、非球面主透镜、柱面列阵透镜)， 514-第九平行光管对应的窗口玻璃，515-靶室z方向上的窗口玻璃，516-球形靶 室壁

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。

先请参阅图1，图1是本发明反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置实施例 的示意图。由图可见，本发明反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置，包括一个 长方形的靶架固定底板118，在该靶架固定底板118上的一端横向地固设有多层膜反 射镜架112，该多层膜反射镜架设置多层膜反射镜106，在所述的靶架固定底板118 上自另一端至所述的多层膜反射镜架112，依次的第一出光靶101和第二出光靶102 纵向成列、第三出光靶103和第四出光靶104纵向成列并通过各自的靶架和靶座纵 向地列放在所述的靶架固定底板118上的两条平行的直线上，所述的第一出光靶101 和第二出光靶102的靶面与所述的第三出光靶103和第四出光靶104的靶面相向并 处于同一高度，所述的靶架固定底板118通过燕尾形连杆119固定在调节平台120 上，其特征是：在所述的第四出光靶104和所述的多层膜反射镜架112之间还设有 辅助靶105，该辅助靶105通过辅助靶架111和辅助靶座117设置在所述的靶架固定 底板118上，所述的辅助靶105的主轴与所述的第一出光靶101、第二出光靶102、 第三出光靶103和第四出光靶104的主轴所在的平面夹角304为45°～90°，所述辅助 靶105的上端高于所述的多层膜反射镜支架112的上边缘。

本发明反射镜双程放大软X射线激光出光靶装置及其调节方法的实施例详细说 明如下：

辅助靶105与第四出光靶104一样都是正式用靶，但是辅助靶105只是作为靶 室在线调节时的贴面之用，不参与软X射线激光的出光。

第一出光靶101用胶水与靶架107粘接在一起，尽量保持第一出光靶101的主 轴与平行光管201的光轴处在同一水平面内。靶托及支撑柱107与靶平移座117以 及靶平移座117与靶架固定底板118的连接方式都是用固定螺丝连接。其余出光靶 的连接方式与第一出光靶101相同，其位置关系上文已说明。

多层膜反射镜106用锁紧螺丝镶嵌在反射镜架112内，多层膜反射镜架112与 靶架固定底板118之间以及靶架固定底板118与燕尾形连杆119用固定螺丝连接。 燕尾形连杆119与调节平台120以及与靶室电控马达装置都通过燕尾槽连接。

多层膜反射镜106是在透明的玻璃基板上镀Mo/Si多层膜，多层膜反射镜106 的多层膜背面(注意：不是反射镜背面)也同样具有反射光的作用，且正面和背面 的表面互相平行。不需要在多层膜反射镜106背面刻十字线，也不要求所述的多层 膜反射镜106背面与工作面精确平行。

该装置以及实验室离线装调系统具有调节功能的部件说明如下：

靶托107、108、109、110、111可以实现绕x、z轴的转动以及沿z方向的平动。 靶平移座113、114、115、116、117可以进行沿y方向的平动。多层膜反射镜架112 可以实现绕x、y轴的转动以及沿y方向的平动。调节平台120可以实现x、y、z方 向的平动和绕x、y、z轴的转动。显微镜301可以实现在x、y、z方向上的平动， 以方便读数。靶室中的电控马达装置可以进行三维平动以及三维转动。

具体调节步骤及方法如下：

1、建立实验室装调监测系统

①利用水平仪调整调节平台120至水平；

②在调节平台120上安放长方体标准玻璃块进行基准的建立。标准玻璃块的六 个平面以及表面上的刻线互相精确平行或垂直，误差不大于2″(或10μrad)；

③调节第一平行光管201，使第一平行光管201的光轴对准标准块上下边缘的 中心；

④打开第一平行光管201上的光源，调成平行光，并照射到标准玻璃块的表面；

⑤调节第一平行光管201，使从标准玻璃块正对第一平行光管201镜头的表面 反射的光的自准像(十字亮线叉丝)与第一平行光管201发射光束的自准像重合， 这时第一平行光管201的光轴与该标准玻璃块表面严格垂直，即为自准状态。

⑥重复步骤③～⑤，使第二平行光管202和第三平行光管203的光轴分别与相对 应的标准玻璃块表面垂直。由于平行光管视场具有一定的范围，第一平行光管201 和第二平行光管102在z方向上应相距一段距离，使得第一出光靶101、第二出光靶 102和第三出光靶103、第四出光靶104的靶面可以同时分别处在第一平行光管201 和第二平行光管202的视场中。

⑦调节显微镜301到适当的位置，转动显微镜301的目镜，使目镜上的十字刻 线与标准玻璃块上表面边界对齐。

2、出光靶的调节

为了在显微镜301的视场里能够同时看到清晰的各靶的上边缘，将第一出光靶 101、第二出光靶102、第三出光靶103、第四出光靶104分别粘接到相应的靶托上 时应尽可能使各出光靶的主轴保持在同一水平面内。

具体调节步骤如下：

①分别调节所述的第二出光靶102和第三出光靶103的靶托108和109以及靶 平移座114和115，使第一平行光管201和第二平行光管202的光轴分别垂直于所 述的第一出光靶101和第三出光靶103的靶面，进而使所述的第二出光靶102和第 三出光靶103的靶面处于同一垂直于所述的靶架固定底板118的平面，调节所述的 显微镜301，使所述的显微镜301目镜的十字刻线竖线对准第二出光靶102与第三 出光靶103邻近的端点，沿-z方向平移所述的显微镜301理论要求的距离z23，调 节所述的第三出光靶103的靶托109，使所述的第三出光靶103与第二出光靶102 邻近的端点对准显微镜301目镜的十字刻线竖线，通过第二平行光管202监测并保 持所述的第三出光靶103的靶面与第二平行光管202的光轴垂直，锁定所述的第二 出光靶102；

②同样的方法利用所述的显微镜301目镜的十字刻线横线沿y轴方向调节所述 的第三出光靶103，使第三出光靶103的靶面与第二出光靶102的靶面的间距达到 理论要求的靶面间距y₂₃，锁定第三出光靶103；

③调节所述的第一出光靶101的靶托107以及靶平移座113，使第一平行光管 201的光轴垂直于所述的第一出光靶101的靶面，进而使所述的第一出光靶101的 靶面处于垂直于所述的靶架固定底板118的平面，调节所述的显微镜301使所述的 显微镜301目镜的十字刻线横线与第二出光靶102的靶面重合，调节所述的第一出 光靶101的靶托107以及靶平移座113，使所述的第一出光靶101的靶面与所述的 显微镜301目镜的十字刻线横线重合；

④按照步骤②的方法调节所述的第一出光靶101和第二出光靶102的两邻近靶 端之间距达到理论要求的靶端间距为z₁₂，锁定第一出光靶101；

⑤调节所述的第四出光靶104的靶托110以及靶平移座116，使第二平行光管 202的光轴垂直于所述的第四出光靶104的靶面，进而使所述的第四出光靶104的 靶面处于垂直于所述的靶架固定底板118的平面，调节所述的显微镜301，使所述 的显微镜301目镜的十字刻线横线与第三出光靶103的靶面重合，调节所述的第四 出光靶104的靶托110以及靶平移座116，使所述的第四出光靶104的靶面与所述 的显微镜301目镜的十字刻线横线重合；

⑥按照步骤②的方法调节所述的第三出光靶103和第四出光靶104的两邻近靶 端之间距达到理论要求的靶端间距为z₃₄，锁定第四出光靶104；

3、辅助靶105的调节

利用第二平行光管202调节所述的辅助靶靶托111和辅助靶平移座117，使所述 的辅助靶105的靶面与第二平行光管202的光轴垂直，使所述的辅助靶105的靶面 与所述的第四出光靶104的靶面和第三出光靶103的靶面处于同一垂直于所述的靶 架固定底板118的平面，利用第二平行光管202和显微镜301调节所述的辅助靶平 移座117沿-y方向移动，使所述的辅助靶105的靶面相对于所述的第四出光靶104 的靶面间距y₄₅为50～100μm，锁定所述的辅助靶105。

4、反射镜106的调节

以平面多层膜反射镜106为实施例，具体调节步骤如下：

①由于多层膜反射镜106是在透明的玻璃基板上镀的Mo/Si多层膜，多层膜反 射镜106的多层膜背面也同样具有反射光的作用，且正面和背面的表面互相平行。 调节多层膜反射镜架112，使多层膜反射镜106的多层膜背面与第三平行光管203 光轴垂直，那么多层膜反射镜106正面也与第三平行光管203光轴垂直；

②通过第三平行光管203上的目镜上的刻线与实际空间角度的换算关系以及 软X射线激光的偏折角计算目镜需要平移的刻度。具体换算关系是，在保证目镜上 的水平刻线与第三平行光管203视场内固有水平刻线互相平行或重合的情况下，目 镜上的百分旋钮每平移一格表示6″。假设软X射线激光的偏折角为θ＝10mrad，则 目镜上的百分旋钮需要平移343.8格。

③将第三平行光管203目镜上的十字刻线竖线向y方向平移343.8格，调节多 层膜反射镜架112，使第三平行光管203中从反射镜106返回的自准像(十字亮线 叉丝)平移至该十字刻线竖线，使他们完全重合。从第四出光靶104靶端发射的软 X射线激光光束就可以垂直入射到多层膜反射镜106镜面上了，这样可以保证软X 射线激光光束经多层膜反射镜106沿原路返回。

5、建立靶室在线调节监测系统

靶室在线调节监测系统的建立与实验室离线装调监测系统类似，这里不再详述， 示意图如图4所示。

6、出光靶装置的靶室在线调节

①把完成离线调节的出光靶装置的燕尾形连杆119与靶室内的电控马达的燕尾 槽相连，出光靶装置呈倒悬姿态；

②在所述的靶室外，对应于出光靶装置的离线调节的第一平行光管201、第二 平行光管202和第三平行光管203的位置设置第四平行光管401、第五平行光管402 和第六平行光管403；

③通过靶室内的电控马达，调节所述的出光靶装置的姿态，使所述的辅助靶105 的靶面与第六平行光管403视场中的十字刻线竖线重合，完成辅助靶105的贴面操 作；

④调节靶室内的电控马达，使第一出光靶101的靶面与第四平行光管401的光 轴垂直；

⑤通过电控马达使所述的出光靶装置沿-y方向平移，使所述的第六平行光管 403中的十字刻线竖线与所述的第四出光靶104靶面重合，即完成出光靶装置的在 线调节。