Røntgensyn gennem vandvinduet

Fysikere ved ETH Zürich har udviklet den første laserkilde med høj gentagelseshastighed, der producerer sammenhængende bløde røntgenstråler, der spænder over hele "vandvinduet". Det teknologiske gennembrud kunne muliggøre en bred vifte af undersøgelser inden for det biologiske, kemi- og materialevidenskab, såvel som i fysik.

Evnen til at generere lysimpulser af varighed under femtosekunder, første gang demonstreret for omkring 20 år siden, har givet anledning til et helt nyt felt:attosecond videnskab og teknologi. Der er opstået bordlasersystemer, der muliggør undersøgelser, der tidligere ikke var mulige, giver forskere mulighed for at følge med afbilde og karakterisere elektroniske processer i atomer, molekyler og faste stoffer på deres naturlige, attosecond tidsskalaer.

Lasersystemerne, der gør sådanne undersøgelser mulige, opererer typisk i det ekstreme ultraviolette spektralbånd. Imidlertid, der har længe været et skub for at opnå højere fotonenergier. Af særlig interesse er det såkaldte vandvindue, optaget af blød røntgenstråling med bølgelængder mellem 2,2 og 4,4 nm. Dette spektralvindue skylder sit navn og sin betydning til det faktum, at ved disse frekvenser, fotoner absorberes ikke af ilt (og dermed af vand), men de er af kulstof. Dette er ideelt til at studere organiske molekyler og biologiske prøver i deres naturlige vandige miljø.

I dag, der findes en håndfuld attosekundskilder, der spænder over dette frekvensområde, men deres anvendelighed er begrænset af relativt lave gentagelseshastigheder på 1 kHz eller derunder, hvilket igen betyder lave tællehastigheder og dårlige signal-støj-forhold. Skriver ind Optica , Justinas Pupeikis og kolleger i gruppen af ​​ultrahurtig laserfysik af prof. Ursula Keller ved Institut for Kvanteelektronik har rapporteret om en innovation, der overvinder begrænsningerne i tidligere kilder. De præsenterer den første bløde røntgenkilde, der spænder over hele vandvinduet ved 100 kHz gentagelseshastighed, en hundrede gange forbedring i forhold til de nyeste kilder.

Et løft i teknologisk kapacitet

Flaskehalsen i at producere bløde røntgenstråler ved høje gentagelseshastigheder har været manglen på egnede lasersystemer til at drive den nøgleproces, der ligger til grund for attosekund-pulsgenerering i bordsystemer. Den proces er kendt som højharmonisk generering, og det involverer en intens femtosekund laserpuls, der interagerer med et mål, typisk en atomart. Målets ikke-lineære elektroniske respons forårsager derefter udsendelsen af ​​attosekundpulser ved et multiplum af ulige orden af ​​frekvensen af ​​det drivende laserfelt. For at sikre, at responsen indeholder røntgenfotoner, der spænder over vandvinduesområdet, femtosekundskilden skal fungere i det mellem-infrarøde område. Også, den skal levere impulser med høj spidseffekt. Og alt det med høje gentagelsesrater. En sådan kilde eksisterede ikke indtil videre.

Pupeikis et al. tog udfordringen op og forbedrede systematisk et layout, de allerede havde udforsket i tidligere arbejde, baseret på optisk parametrisk chirped puls forstærkning (eller OPCPA for kort). De havde før fastslået, at tilgangen er lovende med henblik på at realisere højeffekts mid-infrarøde kilder, men væsentlige forbedringer var stadig nødvendige for at nå den ydeevne, der kræves til den højharmoniske generering af røntgenfotoner i vandvinduet. I særdeleshed, de skubbede spidseffekten fra tidligere 6,3 GW til 14,2 GW, og de nåede en gennemsnitlig effekt på 25 W for pulser, der kun er lidt længere end to svingninger af det underliggende optiske felt (16,5 fs). Den påviste spidseffekt er den højeste rapporterede til dato for et system med høj gentagelseshastighed med en bølgelængde over 2 μm (se figur, panel a).

Klar til røntgenrummet

Med dette præstationsniveau til deres rådighed, holdet var klar til næste etape, frekvensopkonvertering gennem højharmonisk generering. For det, udgangsstrålen fra OPCPA blev dirigeret via et periskopsystem til et andet laboratorium mere end 15 m væk, for at imødekomme lokale laboratoriepladsbegrænsninger. der, strålen mødte et heliummål holdt ved et tryk på 45 bar. Et sådant højt tryk var nødvendigt for fasetilpasning mellem den infrarøde og røntgenstrålingen, og dermed optimal energiomsætningseffektivitet.

Når alle brikkerne var på plads, det leverede system, genererer kohærent blød røntgenstråling, der strækker sig til en energi på 620 eV (2 nm bølgelængde), dækker det fulde vandvindue - en fremtrædende præstation i forhold til andre kilder med høj gentagelseshastighed i dette frekvensområde (se figur, panel b).

Et vindue af muligheder

Denne demonstration åbner op for et stort spektrum af nye muligheder. Kohærent billeddannelse i vandvinduets spektrale region, yderst relevant for kemi og biologi, burde være muligt med en kompakt opsætning. På samme tid, den høje gentagelseshastighed, der er tilgængelig, adresserer begrænsninger på grund af rumladningsdannelse, der plager fotoemissionseksperimenter med pulserende kilder. I øvrigt, vandvinduet omfatter ikke kun K-kanterne af kulstof, nitrogen og ilt, men også L- og M-kanterne af en række metaller, som nu kan studeres med højere sensitivitet eller specificitet.

Med så lyse udsigter, erkendelsen af ​​kilden varsler begyndelsen på den næste generation af attosecond-teknologi, hvor forskerne kan gøre kombineret brug af høje gentagelseshastigheder og høje fotonenergier for første gang. En attosecond beamline designet til at udnytte disse nye muligheder er i øjeblikket under opbygning i Keller-laboratoriet.