通过水窗的X射线视觉使新一代的Atosecond技术

在高压气体电池中的高谐波发电过程中拍摄照片，中间 - 左右到达右侧的红外输入和左侧的软X-射线输出。

Eth物理学家开发了第一个高重复速率激光源，生产跨越整个“水窗”的相干软X射线，阐述了新一代Atosecond技术的开始。这种技术突破应在生物，化学和物质科学以及物理学中进行广泛的研究。

在大约20年前首先展示了亚飞秒持续时间的光脉冲的能力，这已经升级了一个完全新的领域：Attosecond科学和技术。表格顶级激光系统已经出现了实现几十年而是遥远的梦想 - 以遵循，图像和特征在原子，分子和固体上的电子过程，他们的自然，attosecond时间尺度。使得这种研究可能的激光系统通常在极端的紫外光谱带中操作。尽管如此，长期以来一直是推动达到更高的光子能量。特别感兴趣的是“水窗”，被软X射线辐射占用，波长在2.2和4.4nm之间。该光谱窗口归功于其名称和重要性，以至于在那些频率下，光子不被氧气吸收（因此通过水），但它们是碳。这是研究其天然水性环境中的有机分子和生物标本的理想选择。如今，存在跨越该频率范围的少量辅助源，但它们的适用性受到1 kHz或下方的相对低的重复率的限制，这又意味着低计数率和差的信噪比。在Optica[1]中，贾斯坦斯·帕勒和同事在UltaFast激光物理集团的Ursula Keller教授中，现在是克萨斯研究所报告的基本飞跃，以克服现有来源的局限性。它们介绍了第一种软X射线源，跨越100 kHz重复率 - 与最先进的来源相比，百倍改善。

促进技术能力

在高重复率下生产软X光的瓶颈一直是缺乏合适的激光系统，以驱动台面系统中的次要脉冲产生的关键过程。该过程被称为高谐波产生，并且涉及与目标相互作用的强烈的飞秒激光脉冲，通常是原子气。然后，目标的非线性电子响应导致在驱动激光场的频率的奇数倍数下发射AtsoSecond脉冲。为确保响应包含跨越水上窗口范​​围的X射线光子，飞秒源必须在中红外线范围内运行。此外，它必须提供高峰功率脉冲。所有这一切都处于高重复率。到目前为止，这种来源并不存在。

Pupeikis等人。挑战并系统地改善了他们在早期工作中已经探索的布局[2]，基于光学参数啁啾脉冲放大（或短暂的OPCPA）。他们在这方面建立起来，这一方法很有希望，以实现高功率的中红外来源，但仍然需要大量的改进来达到X射线光子的高谐波产生所需的性能水窗口。特别是，它们将峰值从先前的6.3 GW推动到14.2 GW，它们达到25W的平均功率，对于底层光学场（16.5FS）的两个振荡，脉冲的平均功率仅为一点。所示的峰值功率舒适地是迄今为止的最高报告的任何高重复速率系统，其中波μ长为2米（参见P，面板A）。

（a）最先进的高重复率（> 10 kHz）中红外系统。（b）高重复率的最先进的相位匹配的高谐波切断。（参考点于2019年10月编制，在提交之日起。）

随着这种表现的绩效，团队已经准备好了下一阶段，通过高谐波产生了频率上调。为此，OPCPA的输出光束通过潜望镜系统路由到另一个超过15米的实验室，以适应当地的实验室限制。在那里，光束达到氦靶，保持在45巴的压力下。在红外和X射线辐射之间相位匹配是必要的，并且因此最佳的能量转换效率是必要的。

所有碎片都仔细到位，该系统确实交付了。它产生的相干软X射线辐射延伸到620eV（2nm波长）的能量，覆盖全水窗口 - 相对于其他高重复速率源的突出成就，参见p的pare b。 （在高压气体电池的高谐波生成过程中采用上面的照片，其中左右的中红外输入到达，左侧出现的软X射线输出。）

一个机会窗口

这一示范开辟了广泛的新鲜机会。在水上窗口光谱区域中的相干成像，对于化学和生物学高度相关，必须具有紧凑的设置。同时，可用的高重复率有助于解决由于扰乱脉冲源的空间电荷形成而导致的限制。此外，“水窗”不仅包括碳，氮和氧的k-边缘，而且包括一系列金属的L-和m-边缘，现在可以以更高的敏感性或特异性研究。

通过如此明亮的前景，源头的实现现已提出了预示着下一代Atosecond技术的开始，其中一个实验者第一次可以结合使用高重复率和高光子能量。旨在利用这些新功能的Attosecond BeamLine目前正在凯勒实验室建设。

参考：

“水窗软X射线源通过J.Pupeikis，P.-a，通过J.Pupeikis（100khz）µ启用了25W的几个周期2.2M OPCPA。 Cheveruil，N.Bigler，L. Gallmann，C. R. Phillips和U. Keller，2月7日，Optica.doi：
10.1364 / Optica.379846

“高功率OPCPA通过µN.Bigleder，J.Pupeikis，S. Hrisafov，L. Gallmann，C. R. Phillips和U.凯勒，2018年9月28日
，Optica.doi：10.1364 / OE.26.026750