关于水窗波段X射线的研究新发现

（文章来源：科技报告与资讯）
苏黎世联邦理工学院的物理学家开发出一个高重复频率的激光源，该激光源会产生跨越整个“水窗”波段的相干软X射线。这项技术突破可以推动对生物，化学和材料科学以及物理学的广泛研究。

大约20年前首次证明的产生亚飞秒持续时间的光脉冲的能力已经引发了一个全新的领域：原子秒科学和技术。桌面激光系统的出现使以前不可能进行的研究成为可能，从而使研究人员可以在自然、秒级的时间尺度上跟踪、成像和表征原子、分子和固体中的电子过程。

使此类研究成为可能的激光系统通常在极紫外光谱带中运行。然而，长期以来一直在寻求获得更高的光子能量。特别令人感兴趣的是所谓的水窗波段，被波长在2.2至4.4 nm之间的软X射线占据。该光谱窗口的名称和意义归因于以下事实：在这些频率下，光子不会被氧气（因此也不会被水）吸收，但会被碳吸收。这是研究有机分子和天然水环境中的生物标本的理想选择。

现在，存在少数跨越该频率范围的阿秒波源，但其适用性受到相对较低的1 kHz或更低的重复频率的限制，这反过来又意味着计数率低和信噪比差。量子电子研究所Ursula Keller教授的超快激光物理小组的Justinas Pupeikis及其同事在Optica中写道，该创新技术克服了现有技术的局限性。他们展示了第一个软X射线源，它以100 kHz的重复频率跨越了整个水窗波段，比最先进的射线源提高了100倍。

在高重复率下产生软X射线的瓶颈是缺乏合适的激光系统来驱动台式系统中产生阿秒脉冲。该过程称为高谐波产生，它涉及与目标（通常是原子气体）相互作用的强飞秒激光脉冲。然后，目标的非线性电子响应导致以驱动激光场频率的奇数倍发射阿秒脉冲。为了确保响应包含跨越水窗波段的X射线光子，飞秒源必须在中红外范围内工作。而且，它必须传送高峰值功率脉冲。而且所有这些都以高重复率进行。到目前为止，还没有这样的激光源。

Pupeikis等研究人员基于光学参量脉冲放大（简称OPCPA），系统地改进了他们在较早的工作中已 经探索过的方面。他们之前已经确定该方法很有希望实现高功率的中红外光源，但是仍然需要进行实质性的改进，以实现在水窗中高谐波生成X射线光子所需的性能。特别是，他们将峰值功率从以前的6.3 GW提升到了14.2 GW，对于脉冲而言，其平均功率达到25 W，而脉冲的长度仅比基础光场的两次振荡（16.5 fs）长一点。对于波长大于2μm的任何高重复率系统，显示出的峰值功率是迄今为止报道的最高功率。

基于目前已达到的高水平性能，团队计划下一个阶段通过高谐波产生进行频率上变频。为此，OPCPA的输出光束通过潜望镜系统被路由到距离15 m以上的另一个实验室，以适应当地实验室的空间限制。在那里，光束遇到了保持在45 bar压力下的氦靶。对于红外和X射线辐射之间的相位匹配，这样的高压是必需的，因此是最佳的能量转换效率。

一旦所有碎片都放置到位，系统便会交付，产生相干的软X射线辐射，其能量扩展至620 eV（2 nm波长），覆盖整个水窗，相对于其他高重复率光源而言，这是在该频率范围内杰出的成就。
（责任编辑：fqj）