Influence of Initial Gas Pressure on the Spatial Intensity Distribution of Double-Pass Amplified 69.8 nm and 72.6 nm Lasers

位于可见光谱紫端之外、人类肉眼无法看见的光，在现代科学中占据着独特的地位。这就是极紫外线（EUV）的领域，这种辐射形式能量极高，足以揭示原子世界的微小细节。为了产生这种光，科学家们并不使用传统的灯泡或激光器；相反，他们通过将气体加热到极高温度使其变成等离子体来生成它——这是一种电子从原子中脱离、形成沸腾且高温的“汤”的状态。在这种环境下，特定的离子可以被诱导释放出特定颜色的光脉冲。虽然这种光对于先进制造和显微技术极其有用，但捕捉并放大它却非常困难。用于引导和加强这些光束的反射镜本身往往会被产生它们的等离子体所产生的高温和轰击破坏或损毁。这种脆弱性长期以来迫使研究人员不得不采用一种“一次性”的方法，即让光只穿过等离子体一次后便进行收集，这限制了他们能够提取的总能量。

一组研究人员现在发现了一种方法，可以通过成功地将光反射回等离子体进行第二次通过，从而从这一脆弱的过程中获得更多收益，有效地实现了两倍的放大而不损坏他们的设备。他们专注于两种特定波长的极紫外光，一种在69.8纳米，另一种在72.6纳米，这些光是由类氖氩离子产生的。他们成功的关键在于一面由碳化硅制成的反射镜，这种材料非常坚硬，能够承受其他反射镜会失效的严酷等离子体环境。通过将这面反射镜放置在一个充满氩气的狭窄管末端，他们能够将光反射回等离子体柱，给它第二次变强的机会。这种简单而稳健的装置使他们能够研究随着他们调整气体初始条件时，光束的形状和分布是如何变化的，从而揭示了光束对管内气体压力的惊人敏感性。

实验始于一根长而细的陶瓷管，被称为毛细管，其中充满了氩气。研究人员使用强大的电放电首先产生少量的等离子体，然后向其中注入巨大的电流。这股电流就像一种磁性挤压，将等离子体压缩成一个紧凑、高温的柱状体。当等离子体达到其峰值密度时，内部的原子被激发并开始发射出该团队正在寻找的特定紫外光。为了观察发生的情况，他们使用了专门的照相机和一个能够分离不同颜色光的衍射光栅，从而能够绘制出光在光束中的分布情况。他们对比了两种情景：一种是光仅穿过等离子体一次，另一种是碳化硅反射镜将光送回进行第二次运行。结果立竿见影且效果显著。当光完成往返行程时，69.8纳米的光束亮度增加了七倍以上，而72.6纳米的光束亮度则增长了三倍以上。这证实了反射镜工作完美，在没有受损的情况下反射了光，并且等离子体已准备好放大返回的光束。

然而，最有趣的发现出现在研究人员开始改变管内氩气压力的时刻。他们发现，激光束的形状并非固定不变；它会根据存在的气体量发生剧烈变化。在14帕斯卡尔的较低压力下，被放大的光保持在光束中心附近，形成一个相对窄分布的亮点。当他们将压力增加到16帕斯卡尔时，光束开始变宽，光开始更均匀地扩散。但当他们将压力推高到18帕斯卡尔时，光束经历了彻底的转变。明亮的中心消失了，光重新排列成一个空心环（或称圆环），最强的强度现在位于边缘而非中间。这种转变在两种颜色的光中都发生了，表明光在通过等离子体时的传播方式发生了根本性的变化。

这种转变的原因在于等离子体本身不可见的结构。随着气体压力的增加，等离子体被磁场挤压的方式发生了变化，导致从光束中心到边缘的电子密度梯度变得更加陡峭。这种密度梯度就像一个透镜，在光传输时对其进行折射。当压力较低时，梯度较缓，光通过时几乎没有偏转，保持在中心附近。当压力较高时，梯度变得陡峭，表现得像一个强力透镜，将光线向外弯曲。由反射镜反射回来的光经过这个致密且具有丰富梯度的环境，被强烈弯曲，从而被推离中心并被迫移动到光束的边缘。这解释了为什么在高压下光束会变成一个环形；等离子体本质上是在将光从中间折射出去，并将其集中在周缘。

研究人员观察到，即使是气体压力微小的变化（仅几帕斯卡尔），也会引起光束形状的巨大偏移。这种敏感性表明，69.8和72.6纳米的激光对产生瞬间等离子体的精确条件高度敏感。团队指出，虽然他们已经成功地将69.8纳米的光放大到了饱和点（即等离子体能提供的能量已达极限），但72.6纳米的光仍有增长空间。他们首次实现72.6纳米波长的这种双程放大，是一个重要的进步。通过了解气体压力如何通过折射控制光束形状，科学家们现在有了优化这些激光器的清晰路径。这种知识对于未来尝试构建更复杂的系统至关重要，例如使用完整的光学腔让光多次往返，这可能会产生更强大、更有用的极紫外光源。