毛细管放电极紫外激光是一种小型化的纳秒极紫外激光光源。相比自由电子激光和同步辐射等短波长光源，该光源具有运行成本低、单脉冲能量高和机时充足等显著优势。随着毛细管放电极紫外激光光源的发展，其输出已提高至深度饱和区，并且实现了重复频率输出、多波长输出等多样化输出方式。小型化的灵活性和优质的输出参数使其逐渐成为进行极紫外激光应用研究的理想光源。本文介绍了自1994年毛细管放电极紫外激光成功输出至今，该光源在微纳结构加工、物质成分检测、生物科学以及高分辨成像等领域的前沿应用。在微纳加工方面，极短的波长和极小的能量衰减深度使得该光源能够在纳米量程内进行材料的刻蚀。同时，较长的激光脉宽增加了极紫外激光诱导自组织微纳结构的可能性。在物质成分检测方面，极紫外激光的高能量光子能够以单光子电离材料表面，结合飞行时间质谱仪测量纳米尺度范围内的材料成分，便可实现超高分辨的物质组成分布检测。在生物科学领域，极紫外激光能够实现对微观生物样本的三维成分扫描，获得更多的表征信息。在高分辨成像方面，基于极紫外激光的短波长和良好的相干性，以Gabor同轴等方法进行高分辨成像能达到接近照明光水平的成像分辨率。已有的应用成果表明，毛细管放电极紫外激光是探索微观世界、制造微观结构的有力工具。在人类对短波长光源需求日益增长的今天，毛细管放电极紫外激光将有更多的机会展现它的应用价值和优势。

等离子体状态是决定极紫外光源功率和转换效率的最重要因素之一, 理论和实验研究上Xe气流量对放电等离子体极紫外光源辐射谱和等离子体状态的影响, 对于优化光源工作条件具有重要的意义。 理论上, 采用碰撞-辐射模型, 模拟了非局部热力学平衡条件下, 不同电离度的离子丰度分布随电子温度和离子密度的变化。 推导了Xe8+~Xe11+离子4d-5p跃迁谱线强度随电子温度的变化趋势。 实验上, 采用毛细管放电机制, 利用罗兰圆谱仪测量和分析了不同等离子体密度条件下, 放电等离子体极紫外光谱的变化, 分析了Xe气流量对等离子体状态的影响。 理论和实验结果表明: 相同的电流条件下, 等离子体箍缩时的平均电子温度随着Xe气流量的增加而降低。 对于4d-5p跃迁, 低电离度离子与高电离度离子谱线强度的比值随着温度的增加而减少。 电流28 kA、 Xe气流量0.4 sccm(cm3·min-1)时, 等离子体Z 箍缩平均电子温度位于29 eV附近。 Xe气流量增加时, 受离子密度和最佳电子温度的影响, 实现Xe10+离子4d-5p跃迁13.5 nm(2%带宽)辐射谱线强度最优化的Xe气流量位于0.3~0.4 sccm之间。

极紫外光刻技术(EUVL)利用波长为13.5 nm 的极紫外(EUV)光源，可以轻松突破30 nm 技术节点而实现大规模工业生产。毛细管放电直接将电能转换成等离子体的极紫外辐射能，具有较高的能量转换效率。毛细管放电三束等离子体极紫外耦合光源利用激光等离子体(LPP)的热膨胀力与三束等离子体所受的洛仑兹力相互作用，耦合出较大面积的极紫外辐射区，从而在满足用光要求的前提下大幅度地降低毛细管放电的重复频率，有利于光刻生产。在实现三对电极同时放电以及放电与激光同步触发的基础上，探讨了激光对耦合光源所起的作用。实验发现位置耦合对极紫外光源的影响很小，激光等离子体引起的动力耦合成为问题的关键，有待于逐步解决。

计算了放电等离子体极紫外光刻光源中，不同等离子体长度条件下的收集效率，实验上研究了等离子体长度对Xe气放电极紫外辐射的影响。结合本系统光学收集系统设计参数和理论计算结果，给出了不同等离子体长度条件下中间焦点处13.5 nm(2%带宽)光功率。结果表明等离子体长度为3~6 mm时毛细管光源中间焦点光功率和尺寸最优。

为了提高毛细管放电类氖氩46.9 nm软X射线激光的强度，研究了主脉冲电流波形对等离子体Z箍缩过程、激光的产生时间及激光强度的影响。通过改变主开关导通电感，实现了对主脉冲电流上升沿的改变。随着电流上升沿的增加，激光尖峰幅值减小，激光产生时间增加。实验进一步研究了平均电流变化率对激光强度的影响:在毛细管内径3 mm、管内初始气压30 Pa的情况下，产生46.9 nm激光的最佳平均电流变化率约为7.0×1011 A/s。

介绍了在毛细管放电实验中采用预脉冲开关,成功地抑制了由于采用Blumlein传输线作为电流脉冲成形线时存在的前置固有脉冲对Z箍缩过程的破坏。同时成功地加载了预脉冲,建成了毛细管放电X光激光装置,实现了类氖氩46.9 nm软X光激光输出,准确地测量了激光波长,并对激光的一系列特性,包括激光的方向性、增益特性和束散角等进行了实验研究。这一装置提高了Marx发生器的使用效率,为进一步实现毛细管放电装置的小型化提供了一条有效的途径。此外还介绍了毛细管放电抽运机制可能的应用。

利用等离子体波导实现光场感应电离（OFI）X射线激光放大，一方面可以降低产生X射线激光的抽运激光阈值，从而提高由于自散焦而降低的有效激光功率密度；另一方面，由于等离子体中产生的大量电子被束缚在等离子体波导内，降低X光信号色散影响，可以大大提高激光增益长度，这是一种实现台上X射线激光新的抽运机制。详细介绍了光场感应电离X射线激光、强激光等离子体波导以及等离子体波导中光场感应电离X射线激光的研究进展。

自软X光激光发现以来，实现低激发阈、台式软X光激光一直是一个十分重要的研究方向。利用毛细管放电激励产生软X光激光，是实现台式软X光激光的主要方案之一。实验采用20 cm长的毛细管，利用X射线二极管(XRD)探测了毛细管放电抽运软X光46.9 nm激光输出。研究表明，放电电极的材料并不是影响激光输出质量的决定性因素。但考虑到电极元素的飞溅，在长时间的实验研究中，选择钼电极更为有利。电极形状在放电过程中只影响预脉冲的导通情况，而对激光影响并不大。在更长毛细管的实验中，选择锥状端面的电极将有利于预脉冲的导通，以便获得激光输出。

在低气压(25 Pa)快电流前沿(27 ns)下，利用镀金X射线二极管(XRD)测量获得了毛细管放电软X射线激光尖峰输出。研究该软X射线激光输出特性，为其未来的应用打下基础。低气压和快前沿导致等离子体的快速箍缩，此时激光产生于背景光峰值附近，脉宽1.6 ns。实验测量了快速Z箍缩时激光的束散角和增益特性。采用小孔扫描法，测得激光束散角为5.3 mrad。通过改变增益介质长度的方法，测得介质的增益系数为0.45 cm-1，最大的增益长度积为8.28。此外利用单色仪在46.9 nm处测得了激光尖峰输出。