用于激光等离子体诊断的软X射线双频光栅剪切干涉

基于多层膜或光栅分束的软X射线Mach－Zehnder干涉系统，可直接探测等离子体临界面附近电子密度的空间分布，但是这种干涉系统结构复杂，调节困难，造成激光等离子体诊断实验成功率偏低。本项目提出将软X射线双频光栅剪切干涉方法用于激光等离子体诊断，该方法只需一块双频光栅即可产生剪切干涉，简单、稳定、便于调节。.软X射线双频光栅剪切干涉系统的核心元件是双频光栅，本项目根据激光等离子体特性优化设计双频光栅结构参数；采用全息光刻－离子束刻蚀的方法探索软X射线双频衍射光栅的制作方法，解决研制过程中遇到的关键问题；提供软X射线双频光栅进行物理实验研究。为惯性约束聚变、X射线激光等前沿科学领域提供更高精度、更为方便的实验研究方法。

波长短、相干性好、高亮度的优点使得软X射线常被用于激光等离子体诊断中,进行测试等离子体的密度分布。目前国际上常用的是利用光栅或多层介质膜作为分束元件的马赫-曾德尔干涉法，但等光程调节的困难及分束元件的面型误差造成该方法的成功率偏低。基于此,我们设计了一种新的软X射线双频光栅结构,提出了该种结构的制作方法，并对剪切干涉系统进行了优化。首先，根据离子体密度分布特点，确定了剪切干涉法的数据处理方法及双频光栅的参数要求；其次，利用全息法制作光栅工艺中对衍射光斑位置的监测及光栅1与光栅2的光刻胶掩模形成的莫尔条纹，保证双频光栅的两组光栅栅线平行精度优于0.01°。为研究双频光栅的衍射光强分布特性，利用合肥同步辐射真空紫外计量光束线对光栅频率为950line/mm和1000lines/mm的双频光栅衍射效率分布特点进行了测试，得到了双频光栅的衍射级次分布特点，测试结果表明该结构双频光栅的两组衍射光的强度比值优于75%，干扰级次与工作级次的衍射效率比值低于0.05。 对等离子体诊断实验中需求的频率分别为1000lines/mm和1002.5lines/mm的双频光栅的两组-1级衍射效率进行测试，光栅的两组-1级衍射效率达到10%，达到了研究目标。 2009年至 2011年,在上海激光等离子体所进行了40余次等离子体密度剪切干涉测试，2009年和2010年的实验结果暴露了剪切干涉系统及双频光栅存在一些问题。在双频光栅制作工艺和剪切干涉系统改进后，2011年的实验结果得到对比度较高的剪切干涉图，数据易于处理，能够满足目前利用软X射线测试激光等离子体密度的实验需求。在神光II的等离子体密度诊断试验中软X射线双频光栅剪切干涉法已成功替代马赫－曾德尔干涉法，提高了实验成功率及工作效率。