激光技术在科学研究的应用（激光驱动的高通量桌面型光源用于产生飞秒硬X射线脉冲）

江苏激光联盟导读：来自波恩研究所的人员研制了一个飞秒中红外脉冲激光驱动的紧凑型高通量桌面型硬X射线源，重复频率为1 kHz。这一光源的参数为通过时间分辨率的X射线散射来研究固态物质的超快结构的变化打开令人兴奋的视角。

图1

图解：上图：桌面型的光驱动产生波长为5 μm飞秒中红外脉冲。非线性的ZnGeP_2 (ZGP) 晶体用作脉冲放大。下图：铜薄带靶材用于Ｘ射线的产生，放置在一个真空室内。高强度的中红外脉冲（红色的点线）聚焦在一个20 μm厚度的铜薄带上（蓝色Ｘ射线的截取点）。铜薄带以速度为5 cm/s 的速度提供一个新目标用于每一次的驱动脉冲。塑料薄带用作收集从靶材而来的碎片并平行的移动。

飞秒硬Ｘ射线脉冲对固态材料在原子长度和时间尺度的分解结构的变化至关重要。一个新颖的激光驱动的Ｘ射线光源可以提供飞秒铜 Kα脉冲，具有的重复速率为1 kHz，且可以达到前所未有的流量，10ｅｘｐ（12）Ｘ射线光子每秒。

在物理，化学和生物学中的基本过程同原子或分子结构在飞秒（１(fs)＝10ｅｘｐ（-15 ））尺度的变化密切相关。超快Ｘ射线的办法拥有强大的潜力可以获得结构在空间和时间上的画面，以电子，原子和分子的运动的电影的形式进行展现。这一客观判断力导致了一个强烈的需求来使用飞秒硬Ｘ射线脉冲来应用在Ｘ射线散射和光谱学中。

图2 5 µm 飞秒激光驱动的实验装置示意图及其结果的表征

目前有两种办法可以产生超快的硬Ｘ射线脉冲。第一种办法基于大规模的电子加速器和波荡器，基于此，飞秒电子束激发出明亮的Ｘ射线脉冲。第二种办法是一个小框架的实验室光源，通过高强度的飞秒激光来驱动。在这里，电子加速发生在强烈的光学脉冲以及Ｘ射线脉冲的电场中，通过在金属靶材上这些电子同原子之间的碰撞相互作用而产生，这一过程同传统的Ｘ射线管相类似。

图3

图解：(a)在同靶材上进行光驱动脉冲的相互作用的形状。飞秒中红外脉冲在一个中心波长为5 μm （红色的光束）聚焦和从一个薄的铜靶材上反射。 电子(e-)取自铜表面，加速，被砸回到靶材，该靶材在一个垂直于表面的光学电场的光学循环范围内。这就导致硬X射线脉冲的产生和宽谱韧致辐射 。(b)在特征X射线发射线 Cu-Kα_1 和 Cu-Kα_2中的硬X射线脉冲的光谱。 (c)在完全固态角度随两个不同的驱动波长的电场及光子变化时，每脉冲的总的 Cu-Kα光子的总数量 。在X射线场中的5-μm驱动波长（蓝色点）显著的高于小于 0.8-μm波长（黑色点）的结果。

来自柏林麦克斯玻恩研究所的研究人员如今实现了一个巨大的进展，通过展示一个稳定的脉冲在千Hz重复频率，总通量为10exp（12）X射线每秒的条件下，在桌面型光源产生飞秒X射线脉冲。这一研究结果发表在《Optics Letters》上，这一组合了一个新颖的光学驱动提供了飞秒中红外脉冲，大约在 5 μm (5000 nm) 波长时在一个金属薄带的目标上，该靶材在一个投射的形状中允许产生硬X射线脉冲，该X射线的波长为0.154 nm，且具有非常高的效率。

光学驱动基于光参量啁啾脉冲放大（optical parametric chirped pulse amplification (OPCPA)）和提供了 80-fs 脉冲，在一个中心波长为 5 μm ，能量为3 mJ和重复频率为1 kHz。为了产生X射线脉冲，中红外脉冲紧密的聚焦在一个薄的薄靶材上，见图1。在光场的光学循环中，电子取自铜薄带，在真空中加速和退后到靶材上。电子在动能高至100 keV，重新进入靶材和产生明亮的铜Kα脉冲，波长为0.154 nm，伴随着一个宽谱韧致辐射。同短的光学波长相比较，中红外脉冲的光学循环越长，就会导致更长的电子加速时间和更高的动力学动能，最终X射线产生的效率就更高，见图3。

这一新的桌面型X射线光源达到的平均Cu-Kα光子的数量在每脉冲在全固态角或1.5x10exp（12）光子每脉冲（见图3中的蓝色点）。这一光子的通量比常规的通过在中心波长为0.8 μm（图3c中的黑色点）Ti:sapphire激光所驱动的桌面X射线光源要高30倍。这一光源的参数为通过时间分辨率的X射线散射来研究固态物质的超快结构的变化打开令人兴奋的视角。

图4 激光同原子的相互作用：作为一个简单的正弦波的替代，光波具有一个复杂的形状，定制来操纵原子

图5 该动画显示了一系列的摄谱仪图像，相对光学激光脉冲，可以用来精密的测量X射线到达时间

图解：上部的黑色图案的边缘表示的为X射线激光脉冲到达的时间。在左边测量X射线的相对延迟和光学激光脉冲，底部的测量的为传输的光学的波长

文章来源：Azıze Koç et al, Compact high-flux hard X-ray source driven by femtosecond mid-infrared pulses at a 1 kHz repetition rate, Optics Letters (2020).

参考文献：1.Optimization of Quantum Trajectories Driven by Strong-Field Waveforms,S. Haessler, T. Balčiunas, G. Fan, G. Andriukaitis, A. Pugžlys, A. Baltuška, T. Witting, R. Squibb, A. Zaïr, J. W. G. Tisch, J. P. Marangos, and L. E. Chipperfield，Phys. Rev. X 4, 021028 – Published 19 May 2014

2.Hartmann, N., Helml, W., Galler, A. et al. Sub-femtosecond precision measurement of relative X-ray arrival time for free-electron lasers. Nature Photon 8, 706–709 (2014).