X射线可分为波长较长的软X射线和波长较短的硬X射线,软X射线的波长在0．1 nm到10 nm之间,其中2．34 nm到4．4 nm的波段位于氧原子和碳原子K吸收带之间,相对于水透明,被称作水窗,高重频高通量水窗软X射线在基础研究和生物科学领域具有重大意义。产生X射线激光的方法主要有同步加速器驱动自由电子激光器和kHz高能脉冲驱动高次谐波产生两种。利用高功率超快光纤激光驱动的高次谐波光源具有体积小、空间相干性好和脉冲短等优点。本期介绍德国Jena课题组在这方面发表的两篇文章。

第一篇文章中,该课题组使用重复频率98 kHz、中心波长1910 nm、脉冲能量450 ?J、宽度为100 fs的掺铥光纤激光作为泵浦,在芯径84．5 ?m、长120 cm的充氦空芯光纤中通过调整气压梯度调控自压缩过程,减小了对泵浦光能量和脉宽的要求,并在光纤末端产生高次谐波[1]。实验装置如图1所示。高压室b和真空室c由1 mm厚的蓝宝石窗隔开,环形镜和金属薄板将泵浦光滤出,并将衰减后的信号光输入平场成像光栅光谱仪中。

图1 实验装置图

经实验,空芯光纤输入端气压为1 bar,输出端气压3．345 bar时可以获得较好的结果:当输入脉冲能量为265 ?J时,脉冲宽度从100 fs减小到输出端的20 fs,随着峰值功率的升高,在脉冲的后段出现电离现象。实验中通过调整气压和输入脉冲的方式产生了300 eV的高通量脉冲。图2(a)展示了最佳输入脉冲能量和对应的最大X射线光通量随高压气室气压的变化,纵向误差来自240次连续测量的标准差,横向误差恒定为气压读数的不确定度0．1 bar。从图中可以看到信号光对气压敏感,以3．8 bar为中心,10%的气压变化将导致光通量变为原来的1?e^2 ,但模拟可知泵浦光对气压不敏感,10%的气压变化下脉冲积累的非线性和输出端峰值功率变化不大,由此证明气压梯度主要影响了相位匹配。图2(b)为最优情况下测得的光谱和发散情况,发散角约2 mrad,截止能量330 eV,中心对应碳原子吸收带,可能来自光谱仪光栅上沉积的有机污染。图3(c)为去除碳原子吸收后的光谱,300 eV处光通量超过10^6  s^(-1) (eV)^(-1)。

图2 通过高次谐波产生获得X射线脉冲

第二篇文章也是利用空芯光纤产生高次谐波,但是产生的是波长更长的极紫外光[2]。与上一篇文章不同,这里的空芯光纤只起到展宽光谱的作用,脉冲压缩在光纤外进行。

图3 10 ?W以上极紫外光的实验结果

图3为1999年至今产生12 eV到30 eV(100 nm到40 nm),10 ?W以上极紫外光的实验结果,纵轴为平均功率,颜色对应光子能量,圆形代表泵浦源为中心波长1 ?m的掺镱激光器,方形代表钛宝石激光器,星型代表对两种激光器进行二倍频或三倍频,EC代表使用了增强腔(enhancement cavity)。驱动脉冲的脉宽越小、平均功率越高、波长越短,产生的极紫外光通量越大、效率越高、截止能量越高。本文中使用平均功率51 W、中心波长为515 nm、宽度为18．6 fs的驱动脉冲产生了平均功率12．9 mW、光子能量为26．5 eV的脉冲,效率为2．5×10^(-4),与过去的记录相比,功率提升了一个数量级。

图4 实验装置

实验装置如图4所示,使用四路相干合成的掺镱光纤激光脉冲聚焦到200 ?m厚的BBO晶体产生515 nm的脉冲,之后利用1 m长的充氪空芯光纤进行光谱展宽,展宽后的脉冲被啁啾镜压缩至18．6 fs,平均功率51 W,作为高次谐波的驱动脉冲。

驱动脉冲在真空室中汇聚到氪喷气孔前,光斑直径33 ?m,焦点位置和光阑大小可调节,喷气孔直径430 ?m,喷气气压1bar,成布儒斯特角的两片玻璃和数个1 ?m铝片将驱动光和极紫外光分离,并将极紫外光衰减,最后输入平场CCD光谱仪中测量。

图5 实验结果

当焦点距喷气孔144 ?m、对应气压0．4bar时,在20 eV到35 eV的范围内产生数阶谐波,其中第11次谐波位于26．5 eV处,具有最高的平均功率12．9 mW,最高次谐波的能量超过30 eV。图5(b)为第11次谐波的模拟脉冲和变换极限脉冲的对比,脉冲宽度5．1 fs。图5(c)为第11次谐波时间稳定性测量,在30分钟内每0．2秒记录一次平均功率,最后的均方根偏差为2．6%,图5(d)是脉冲的空间发散情况和拟合高斯函数的对比,发散角也为2 mrad。从掺镱光纤激光器泵浦源算起,此装置极紫外产生的总效率为7×10^(-5)。

这两个工作表明,高功率飞秒光纤激光配合空芯光纤能够有效产生高通量的软X射线或者极紫外波段的超短脉冲,为这两种光源的小型化奠定了坚实的技术基础。

参考文献:

[1]Gebhardt, M．, Heuermann, T．, Klas, R． et al． Bright, high-repetition-rate water window soft X-ray source enabled by nonlinear pulse self-compression in an antiresonant hollow-core fibre． Light Sci Appl 10, 36 (2021)． https://doi．org/10．1038/s41377-021-00477-x

[2]Klas, R．, Kirsche, A．, Gebhardt, M． et al． Ultra-short-pulse high-average-power megahertz-repetition-rate coherent extreme-ultraviolet light source． PhotoniX 2, 4 (2021)． https://doi．org/10．1186/s43074-021-00028-y