關(guān)于水窗波段X射線的研究新發(fā)現(xiàn)

（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(gè)高重復(fù)頻率的激光源，該激光源會(huì)產(chǎn)生跨越整個(gè)“水窗”波段的相干軟X射線。這項(xiàng)技術(shù)突破可以推動(dòng)對(duì)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(shí)間的光脈沖的能力已經(jīng)引發(fā)了一個(gè)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(jí)的時(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)被氧氣（因此也不會(huì)被水）吸收，但會(huì)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(duì)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(gè)軟X射線源，它以100 kHz的重復(fù)頻率跨越了整個(gè)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(dòng)臺(tái)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(dòng)激光場(chǎng)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。

Pupeikis等研究人員基于光學(xué)參量脈沖放大（簡(jiǎn)稱OPCPA），系統(tǒng)地改進(jìn)了他們?cè)谳^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(duì)于脈沖而言，其平均功率達(dá)到25 W，而脈沖的長(zhǎng)度僅比基礎(chǔ)光場(chǎng)的兩次振蕩（16.5 fs）長(zhǎng)一點(diǎn)。對(duì)于波長(zhǎng)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(gè)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(gè)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(duì)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(huì)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(zhǎng)），覆蓋整個(gè)水窗，相對(duì)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）