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關(guān)于水窗波段X射線的研究新發(fā)現(xiàn)

獨(dú)愛72H ? 來源:科技報(bào)告與資訊 ? 作者:佚名 ? 2020-04-12 17:29 ? 次閱讀
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(文章來源:科技報(bào)告與資訊)
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的物理學(xué)家開發(fā)出一個高重復(fù)頻率的激光源,該激光源會產(chǎn)生跨越整個“水窗”波段的相干軟X射線。這項(xiàng)技術(shù)突破可以推動對生物,化學(xué)和材料科學(xué)以及物理學(xué)的廣泛研究。

大約20年前首次證明的產(chǎn)生亞飛秒持續(xù)時間的光脈沖的能力已經(jīng)引發(fā)了一個全新的領(lǐng)域:原子秒科學(xué)和技術(shù)。桌面激光系統(tǒng)的出現(xiàn)使以前不可能進(jìn)行的研究成為可能,從而使研究人員可以在自然、秒級的時間尺度上跟蹤、成像和表征原子、分子和固體中的電子過程。

使此類研究成為可能的激光系統(tǒng)通常在極紫外光譜帶中運(yùn)行。然而,長期以來一直在尋求獲得更高的光子能量。特別令人感興趣的是所謂的水窗波段,被波長在2.2至4.4 nm之間的軟X射線占據(jù)。該光譜窗口的名稱和意義歸因于以下事實(shí):在這些頻率下,光子不會被氧氣(因此也不會被水)吸收,但會被碳吸收。這是研究有機(jī)分子和天然水環(huán)境中的生物標(biāo)本的理想選擇。

現(xiàn)在,存在少數(shù)跨越該頻率范圍的阿秒波源,但其適用性受到相對較低的1 kHz或更低的重復(fù)頻率的限制,這反過來又意味著計(jì)數(shù)率低和信噪比差。量子電子研究所Ursula Keller教授的超快激光物理小組的Justinas Pupeikis及其同事在Optica中寫道,該創(chuàng)新技術(shù)克服了現(xiàn)有技術(shù)的局限性。他們展示了第一個軟X射線源,它以100 kHz的重復(fù)頻率跨越了整個水窗波段,比最先進(jìn)的射線源提高了100倍。

在高重復(fù)率下產(chǎn)生軟X射線的瓶頸是缺乏合適的激光系統(tǒng)來驅(qū)動臺式系統(tǒng)中產(chǎn)生阿秒脈沖。該過程稱為高諧波產(chǎn)生,它涉及與目標(biāo)(通常是原子氣體)相互作用的強(qiáng)飛秒激光脈沖。然后,目標(biāo)的非線性電子響應(yīng)導(dǎo)致以驅(qū)動激光場頻率的奇數(shù)倍發(fā)射阿秒脈沖。為了確保響應(yīng)包含跨越水窗波段的X射線光子,飛秒源必須在中紅外范圍內(nèi)工作。而且,它必須傳送高峰值功率脈沖。而且所有這些都以高重復(fù)率進(jìn)行。到目前為止,還沒有這樣的激光源。

關(guān)于水窗波段X射線的研究新發(fā)現(xiàn)

Pupeikis等研究人員基于光學(xué)參量脈沖放大(簡稱OPCPA),系統(tǒng)地改進(jìn)了他們在較早的工作中已 經(jīng)探索過的方面。他們之前已經(jīng)確定該方法很有希望實(shí)現(xiàn)高功率的中紅外光源,但是仍然需要進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的改進(jìn),以實(shí)現(xiàn)在水窗中高諧波生成X射線光子所需的性能。特別是,他們將峰值功率從以前的6.3 GW提升到了14.2 GW,對于脈沖而言,其平均功率達(dá)到25 W,而脈沖的長度僅比基礎(chǔ)光場的兩次振蕩(16.5 fs)長一點(diǎn)。對于波長大于2μm的任何高重復(fù)率系統(tǒng),顯示出的峰值功率是迄今為止報(bào)道的最高功率。

基于目前已達(dá)到的高水平性能,團(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一個階段通過高諧波產(chǎn)生進(jìn)行頻率上變頻。為此,OPCPA的輸出光束通過潛望鏡系統(tǒng)被路由到距離15 m以上的另一個實(shí)驗(yàn)室,以適應(yīng)當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室的空間限制。在那里,光束遇到了保持在45 bar壓力下的氦靶。對于紅外和X射線輻射之間的相位匹配,這樣的高壓是必需的,因此是最佳的能量轉(zhuǎn)換效率。

一旦所有碎片都放置到位,系統(tǒng)便會交付,產(chǎn)生相干的軟X射線輻射,其能量擴(kuò)展至620 eV(2 nm波長),覆蓋整個水窗,相對于其他高重復(fù)率光源而言,這是在該頻率范圍內(nèi)杰出的成就。
(責(zé)任編輯:fqj)

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