X射線可分為(wei) 波長較長的軟X射線和波長較短的硬X射線，軟X射線的波長在0.1 nm到10 nm之間，其中2.34 nm到4.4 nm的波段位於(yu) 氧原子和碳原子K吸收帶之間，相對於(yu) 水透明，被稱作水窗，高重頻高通量水窗軟X射線在基礎研究和生物科學領域具有重大意義(yi) 。產(chan) 生X射線激光的方法主要有同步加速器驅動自由電子激光器和kHz高能脈衝(chong) 驅動高次諧波產(chan) 生兩(liang) 種。利用高功率超快光纖激光驅動的高次諧波光源具有體(ti) 積小、空間相幹性好和脈衝(chong) 短等優(you) 點。本期介紹德國Jena課題組在這方麵發表的兩(liang) 篇文章。

第一篇文章中，該課題組使用重複頻率98 kHz、中心波長1910 nm、脈衝(chong) 能量450 µJ、寬度為(wei) 100 fs的摻銩光纖激光作為(wei) 泵浦，在芯徑84.5 µm、長120 cm的充氦空芯光纖中通過調整氣壓梯度調控自壓縮過程，減小了對泵浦光能量和脈寬的要求，並在光纖末端產(chan) 生高次諧波[1]。實驗裝置如圖1所示。高壓室b和真空室c由1 mm厚的藍寶石窗隔開，環形鏡和金屬薄板將泵浦光濾出，並將衰減後的信號光輸入平場成像光柵光譜儀(yi) 中。

圖1 實驗裝置圖

經實驗，空芯光纖輸入端氣壓為(wei) 1 bar，輸出端氣壓3.345 bar時可以獲得較好的結果：當輸入脈衝(chong) 能量為(wei) 265 µJ時，脈衝(chong) 寬度從(cong) 100 fs減小到輸出端的20 fs，隨著峰值功率的升高，在脈衝(chong) 的後段出現電離現象。實驗中通過調整氣壓和輸入脈衝(chong) 的方式產(chan) 生了300 eV的高通量脈衝(chong) 。圖2(a)展示了最佳輸入脈衝(chong) 能量和對應的最大X射線光通量隨高壓氣室氣壓的變化，縱向誤差來自240次連續測量的標準差，橫向誤差恒定為(wei) 氣壓讀數的不確定度0.1 bar。從(cong) 圖中可以看到信號光對氣壓敏感，以3.8 bar為(wei) 中心，10%的氣壓變化將導致光通量變為(wei) 原來的1⁄e^2 ，但模擬可知泵浦光對氣壓不敏感，10%的氣壓變化下脈衝(chong) 積累的非線性和輸出端峰值功率變化不大，由此證明氣壓梯度主要影響了相位匹配。圖2(b)為(wei) 最優(you) 情況下測得的光譜和發散情況，發散角約2 mrad，截止能量330 eV，中心對應碳原子吸收帶，可能來自光譜儀(yi) 光柵上沉積的有機汙染。圖3(c)為(wei) 去除碳原子吸收後的光譜，300 eV處光通量超過10^6 s^(-1) (eV)^(-1)。

圖2 通過高次諧波產(chan) 生獲得X射線脈衝(chong)

第二篇文章也是利用空芯光纖產(chan) 生高次諧波，但是產(chan) 生的是波長更長的極紫外光[2]。與(yu) 上一篇文章不同，這裏的空芯光纖隻起到展寬光譜的作用，脈衝(chong) 壓縮在光纖外進行。

圖3 10 µW以上極紫外光的實驗結果

圖3為(wei) 1999年至今產(chan) 生12 eV到30 eV（100 nm到40 nm），10 µW以上極紫外光的實驗結果，縱軸為(wei) 平均功率，顏色對應光子能量，圓形代表泵浦源為(wei) 中心波長1 µm的摻鐿激光器，方形代表鈦寶石激光器，星型代表對兩(liang) 種激光器進行二倍頻或三倍頻，EC代表使用了增強腔（enhancement cavity）。驅動脈衝(chong) 的脈寬越小、平均功率越高、波長越短，產(chan) 生的極紫外光通量越大、效率越高、截止能量越高。本文中使用平均功率51 W、中心波長為(wei) 515 nm、寬度為(wei) 18.6 fs的驅動脈衝(chong) 產(chan) 生了平均功率12.9 mW、光子能量為(wei) 26.5 eV的脈衝(chong) ，效率為(wei) 2.5×10^(-4)，與(yu) 過去的記錄相比，功率提升了一個(ge) 數量級。

圖4 實驗裝置

實驗裝置如圖4所示，使用四路相幹合成的摻鐿光纖激光脈衝(chong) 聚焦到200 µm厚的BBO晶體(ti) 產(chan) 生515 nm的脈衝(chong) ，之後利用1 m長的充氪空芯光纖進行光譜展寬，展寬後的脈衝(chong) 被啁啾鏡壓縮至18.6 fs，平均功率51 W，作為(wei) 高次諧波的驅動脈衝(chong) 。

驅動脈衝(chong) 在真空室中匯聚到氪噴氣孔前，光斑直徑33 µm，焦點位置和光闌大小可調節，噴氣孔直徑430 µm，噴氣氣壓1bar，成布儒斯特角的兩(liang) 片玻璃和數個(ge) 1 µm鋁片將驅動光和極紫外光分離，並將極紫外光衰減，最後輸入平場CCD光譜儀(yi) 中測量。

圖5 實驗結果

當焦點距噴氣孔144 µm、對應氣壓0.4bar時，在20 eV到35 eV的範圍內(nei) 產(chan) 生數階諧波，其中第11次諧波位於(yu) 26.5 eV處，具有最高的平均功率12.9 mW，最高次諧波的能量超過30 eV。圖5(b)為(wei) 第11次諧波的模擬脈衝(chong) 和變換極限脈衝(chong) 的對比，脈衝(chong) 寬度5.1 fs。圖5(c)為(wei) 第11次諧波時間穩定性測量，在30分鍾內(nei) 每0.2秒記錄一次平均功率，最後的均方根偏差為(wei) 2.6%，圖5(d)是脈衝(chong) 的空間發散情況和擬合高斯函數的對比，發散角也為(wei) 2 mrad。從(cong) 摻鐿光纖激光器泵浦源算起，此裝置極紫外產(chan) 生的總效率為(wei) 7×10^(-5)。

這兩(liang) 個(ge) 工作表明，高功率飛秒光纖激光配合空芯光纖能夠有效產(chan) 生高通量的軟X射線或者極紫外波段的超短脈衝(chong) ，為(wei) 這兩(liang) 種光源的小型化奠定了堅實的技術基礎。

參考文獻：

[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