Физики ETH разработали первый высокочастотный лазерный источник, который производит когерентные мягкие рентгеновские лучи, охватывающие всё "водное окно". Этот технологический прорыв должен позволить провести широкий спектр исследований в области биологических, химических и материальных наук, а также в области физики.
Появились настольные лазерные системы, позволяющие проводить исследования, которые десятилетиями были лишь далекой мечтой - следить, изображать и характеризовать электронные процессы в атомах, молекулах и твердых телах на их естественных аттосекундных временах. Лазерные системы, позволяющие проводить такие исследования, обычно работают в экстремальном ультрафиолетовом спектральном диапазоне. Тем не менее, уже давно предпринимаются усилия по достижению более высоких энергий фотонов. Особый интерес представляет "водное окно", занятое мягким рентгеновским излучением с длиной волны от 2.2 до 4.4 нм. Это спектральное окно обязано своим названием и значением тому факту, что на этих частотах фотоны не поглощаются кислородом (а, следовательно, и водой), а поглощаются углеродом. Это идеально подходит для изучения органических молекул и биологических образцов в их естественной водной среде. Сегодня существует горстка аттосекундных источников, охватывающих этот диапазон частот, но их применимость ограничена относительно низкой частотой повторения 1 кГц или ниже, что в свою очередь, означает низкую скорость счета и плохое соотношение сигнал/шум. Они представляют первый источник мягких рентгеновских лучей, который охватывает все водное окно с частотой повторения 100 кГц - стократное улучшение по сравнению с современными источниками.
Повышение технологического потенциала
Генерация аттосекундных импульсов в настольных системах - этот процесс известен как генерация высокогармонических импульсов, и он включает в себя интенсивный фемтосекундный лазерный импульс, взаимодействующий с мишенью, обычно это атомный газ. Нелинейный электронный отклик мишени вызывает излучение аттосекундных импульсов в нечетном порядке, кратном частоте движущегося лазерного поля. Для обеспечения того, чтобы этот ответ содержал рентгеновские фотоны, охватывающие диапазон водяного окна, фемтосекундный источник должен работать в среднем инфракрасном диапазоне. Кроме того, он должен выдавать импульсы высокой пиковой мощности. И все это при высокой частоте повторения. Пока такого источника не существовало.
Пупейкис и др. приняли этот вызов и систематически улучшали компоновку, которую они уже исследовали в предыдущих работах, основываясь на оптическом параметрическом щебетном импульсном усилении (или OPCPA для краткости). До этого они установили, что этот подход является перспективным с целью реализации мощных источников среднего инфракрасного излучения, но для достижения производительности, необходимой для генерации высокогармонических рентгеновских фотонов в водном окне, все еще требуются значительные улучшения. В частности, они увеличили пиковую мощность с ранее 6,3 ГВт до 14,2 ГВт и достигли средней мощности 25 Вт для импульсов чуть дольше двух колебаний подстилающего оптического поля (16,5 футов в секунду). Демонстрируемая пиковая мощность является самой высокой из зарегистрированных на сегодняшний день для любой системы с высокой частотой повторения и длиной волны более 2 мкм.
Готовность к работе в рентгеновском кабинете
Имея в своем распоряжении такой уровень производительности, команда была готова к следующему этапу - преобразованию частоты в высокогармоническое поколение. Для этого выходной пучок OPCPA был направлен через перископную систему в другую лабораторию, расположенную на расстоянии более 15 м, с учетом ограничений местного лабораторного пространства. Там пучок достиг гелиевой мишени, находящейся под давлением 45 бар. Такое высокое давление было необходимо для фазового согласования инфракрасного и рентгеновского излучения и, таким образом, оптимальной эффективности преобразования энергии.
Все детали были аккуратно установлены, система действительно была доставлена. Она генерировала когерентное мягкое рентгеновское излучение с энергией 620 эВ (длина волны 2 нм), покрывающее все водяное окно - выдающееся достижение по сравнению с другими источниками с высокой частотой повторения в этом диапазоне частот.
Возможное окно.
Эта демонстрация открывает широкий спектр новых возможностей. Когерентная визуализация в спектральной области водяного окна, имеющая большое значение для химии и биологии, должна быть возможна при компактной установке. В то же время, имеющаяся высокая частота повторения помогает, например, преодолеть ограничения, связанные с образованием космического заряда, при котором проводятся эксперименты по фотоэмиссиям с импульсными источниками. Кроме того, "водяное окно" включает в себя не только K-края углерода, азота и кислорода, но и L- и M-края ряда металлов, которые теперь можно изучать с более высокой чувствительностью или специфичностью.
С такими яркими перспективами реализация источника теперь предвещает начало нового поколения аттосекундной технологии, где экспериментаторы впервые могут комбинированно использовать высокую частоту повторения и высокую энергию фотонов. В настоящее время в лаборатории Келлера строится линия аттосекундных лучей, предназначенная для использования этих новых возможностей.
