用于播撒瑞士自由电子激光的高谐波辐射

Dr. Jens Rauschenberger, H+P光谱学| Dr. Hoerlein + Partner GbR
Christoph Hauri，德国保罗谢勒研究所教授

介绍

在过去的几十年里，两种不同的光源极大地改变了许多研究领域:激光的进步推动了超快过程、新材料和许多其他领域的研究，而同步加速器产生的强x射线有助于成像微小结构和物质的其他不可见部分。最近，这两个研究领域的互动增加，合作成果丰硕。

例如，桌面相干软x射线辐射源是过去几年研究的目标。基于高次谐波产生(HHG)的激光器可以说是这些光源中最突出的代表，它已经成为阿秒科学中以前所未有的时间分辨率探测电子跃进的公认工具。
然而，其他的应用正在出现，需要bob综合app官网登录更强的和/或可调的辐射。自由电子激光器(FEL)能够在波长小于0.1 nm的情况下发送短至几飞秒的脉冲，其亮度超过同步加速器光源许多量级。这种亮度的显著提高将使生物学领域的成像技术得到改进:形成细胞膜的蛋白质结构只有在这种亮度的相干辐射下才能被分解。

方法

为了创造自由电子激光器，一束电子束被加速到几乎光速。高能电子束然后通过一个波动器，这个波动器是由周期性排列的磁体在电子束路径上产生的磁场，磁体的两极是交替的。通过这条路径的电子的横向加速度(“摆动”)导致光子的释放。发射的光子和横向电子流之间的相互作用(通过有质动力)导致电子聚集和光子的相干加法，从而产生相干激光般的光发射。发射波长可以从太赫兹区域通过红外、可见光和紫外线范围到达x射线区域，这取决于自由电子激光器的设计。

图1自由电子激光器原理示意图^［１］

与FELs相关的一个问题是由于嘈杂的启动过程而缺乏时间相干性。为了避免这种情况，可以在自由职业者激光器中植入调谐到自由职业者激光器共振的激光。这种时间相干的种子可以通过使用激光脉冲的高谐波产生产生。这导致了输入信号的相干放大;实际上，自由激光激光器的输出质量是由种子表征的。
因此，大尺度FELs在世界各地的出现也加强了基于HHG的极端紫外/软x射线范围强相干飞秒源的研究。x射线自由电子激光器(SwissFEL)是这些自由电子激光器中的一种。^［１］目前正在瑞士Villigen的Paul Scherrer研究所建造，种子操作是软x射线分支(ATHOS)的一个考虑选项。Christoph Hauri教授的团队^［2］正在开发一种光谱密度高的HHG源(120-5 nm波长)，其激光脉冲强度足以克服FELs中的噪声问题。

图2 -瑞士自由空间实验室的高重力线示意图^［１］

为了充分挖掘基于HHG的种子源的潜力，瑞士自由激光实验室建立了HHG束线。为了表征HHG辐射，光束依赖于最先进的设备。校准的光电二极管用于绝对光子通量的测量和H+P光谱学提供的光谱仪^［３］与Andor Newton DO940P-BN相机一起，用于以高分辨率量化单个谐波的谱密度。掠入射光谱仪使用像差校正光栅进行1-80 nm光谱范围的平场成像。光谱范围5-80 nm由单个光栅覆盖，在此范围内，光谱仪可以使用无入口狭缝最大限度地收集光，这意味着80%或更多的入射光束可以用于测量。这种配置直接将谐波源成像到探测器上，因此与传统的XUV光谱仪相比，采集效率和信噪比提高了25倍。^{(4 - 6)})．

当机械滤光片抑制基本的红外激光时，设备中的滤光片单元允许在光束路径中插入薄金属滤光片，以选择特定的波长区域进行近距离观察。一般来说，该仪器的模块化设计允许适应不同的实验情况，这一特点在大规模研究设施(如PSI)中得到高度赞赏。

图3 -通过H+P光谱和Andor Newton CCD相机的XUV光谱仪FF05(右)

结果和前景

H+P谱仪的首次测量表明，与现有的光谱工具相比，该仪器有了改进。在信号强度相同的情况下，H+P仪器的分辨率明显高于已经安装在HHG线上的标准光谱仪(见图4)(<0.02nm检测器限制的分辨率)。^［7］．标准方法的等效分辨率需要窄缝设置，因此信号强度会显著降低。专有的H+P方法没有入口狭缝提供高分辨率和信号强度的同时。
H+P光谱仪结合Andor x射线相机对HHG种子进行全面光谱表征，将是实现未来几年瑞士自由电子激光器雄心勃勃的目标的关键组成部分。

图4 -用标准光谱仪(虚线)和H+P XUV光谱仪(实线)记录的氖和氩气的HHG光谱。采用薄金属箔进行光谱滤波(200nm铝箔用于氩测量，200nm锆箔用于氖测量)。

参考文献

1. 保罗·谢勒研究所的x射线激光瑞士自由电子激光器，https://www.psi.ch/media/overview-swissfel
2. 瑞士自由激光实验室的激光小组，https://www.psi.ch/swissfel/laser-group
3. H+P光谱学| Dr. Hoerlein + Partner GbR网站，http://www.hp-spectroscopy.com
4. L. Waldecker等。固体密度等离子体的高次谐波聚焦。等离子体物理控制。融合53124021 (2011)
5. B. Dromey等。相对论激光-等离子体相互作用中形成的电子纳米束的相干同步辐射。自然物理8804 (2012)
6. S. Hädrich等。高光子通量桌面相干极紫外源。自然光子学8779 (2014)
7. F. Ardana-Lamas等。用太赫兹条纹描述阿秒脉冲序列的单个谐波的时间特性。在今天接受了。启一(2016)