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自由电子激光器泵浦产生X射线激光最新进展情况

  自激光器发明以来,人们就一直致力于通过原子能级跃迁来获得更短的激光波长。X射线自由电子激光的出现为原子X射线激光的产生提供了很好的泵浦源。文中应用X射线自由电子激光来电离原子内K壳层电子,从而实现了原子能级间的粒子数反转,并且获得了波长为1.46nm(对应于849eV的单光子能量)的氖离子Kα受激辐射光。本实验中所得到的原子X射线激光脉冲,无论是在更短波长还是更高强度等方面,都优于以往所见报道的实验成果。另外与X射线自由电子激光相比,该原子X射线激光具有更为优越的单色性、波长稳定性和时间相干性。该原子X射线激光可以被应用于高分辨光谱学和X射线非线性光学等领域内。

  实验装置如下图(a)中所示,由直线电子加速器相干光源(LCLS)输出的X射线自由电子激光(XFEL)单光子能量为960eV。X射线脉冲被聚焦至压强约为500torr的氖气中,焦斑半径为1~2μm。单脉冲能量为0.02~0.27mJ,而脉冲宽度为40~80fs,于是聚焦后的光场强度可以达到2×10^17Wcm^-2。

  光栅光谱仪探测结果如图(b)中所示,其中较宽偏暗的谱线为透过的X射线自由电子激光。而比较亮的细谱线则为部分氖离子的Kα辐射光,其单光子能量为849eV。其产生机理如图(c)所示,由于K壳层电子的光电离,在两能级间实现了粒子数反转,从而使Kα受激辐射光放大成为可能。

  上图三次实验结果所用入射脉冲能量均约为0.25mJ,而入射单光子能量略有变化。透射的X射线自由电子激光与Kα受激辐射光的衰减因子分别为2.5×10^3和2。 由于受到光谱仪分辨率的限制,测得Kα辐射光谱的半高全宽约为2eV。Kα辐射主谱峰两边伴生的旁瓣很可能是由光谱仪光栅产生的鬼线。

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