Рентгеновское зрение нового поколения позволяет использовать аттосекундные технологии

Физики ETH разработали первый лазерный источник с высокой частотой повторения импульсов, который генерирует когерентные мягкие рентгеновские лучи, охватывающие весь спектр “водяных преград”, что ознаменовало начало нового поколения аттосекундных технологий. Этот технологический прорыв должен обеспечить широкий спектр исследований в области биологии, химии и материаловедения, а также физики.

Способность генерировать световые импульсы субфемтосекундной длительности, впервые продемонстрированная около 20 лет назад, дала начало совершенно новой области: современной науке и технике. Появились настольные лазерные системы, которые позволяют проводить исследования, которые на протяжении десятилетий были лишь далекой мечтой – наблюдать, изображать и характеризовать электронные процессы в атомах, молекулах и твердых телах в их естественном масштабе времени. Лазерные системы, позволяющие проводить такие исследования, обычно работают в ультрафиолетовом диапазоне спектра. Там уже давно был толчок для достижения более высоких энергий фотонов, хотя особый интерес представляет “водяная преграда”, занимаемое мягким рентгеновским излучением с длинами волн от 2,2 до 4,4 нм.

Это спектральное окно обязано своим названием и важностью тому факту, что на этих частотах фотоны не поглощаются кислородом (и, следовательно, водой), а являются углеродом. Это идеально подходит для изучения органических молекул и биологических образцов в их естественной водной среде. Сегодня существует несколько источников аттосекунд, охватывающих этот частотный диапазон, но их применимость ограничена относительно низкими частотами повторения 1 кГц или ниже, что, в свою очередь, означает низкие скорости счета и плохие отношения сигнал/шум. В статье, написанной в журнале Optica, Юстинас Пупейкис и его коллеги в группе сверхбыстрой лазерной физики профессора Урсулы Келлер из Института квантовой электроники сообщают о существенном скачке в преодолении ограничений предыдущих источников. Они представляют первый источник мягкого рентгеновского излучения, который охватывает полную “водяную преграду” с частотой повторения 100 кГц – стократное улучшение по сравнению с современными источниками.

Увеличение технологических возможностей

Узким местом в производстве мягкого рентгеновского излучения с высокой частотой повторения является отсутствие подходящих лазерных систем для управления ключевым процессом, лежащим в основе генерации аттосекундных импульсов в настольных системах. Этот процесс известен, как генерация высших гармоник, и он включает интенсивный фемтосекундный лазерный импульс, взаимодействующий с мишенью, обычно атомным газом. Нелинейный электронный отклик цели вызывает излучение аттосекундных импульсов с нечетным порядком, кратным частоте возбуждающего лазерного поля. Чтобы этот отклик содержал рентгеновские фотоны, охватывающие диапазон водяного окна, фемтосекундный источник должен работать в среднем инфракрасном диапазоне. Кроме того, он должен доставлять импульсы с высокой пиковой мощностью. И все это при высокой частоте повторения. Такого источника пока не было.

Пупейкис принял вызов и систематически улучшил компоновку, которую он уже исследовал в более ранней работе на основе оптического параметрического усиления чирпированного импульса (или OPCPA вкратце). Ранее они установили, что этот подход является многообещающим с целью реализации мощных средне-инфракрасных источников, но все же необходимы существенные улучшения для достижения характеристик, необходимых для генерации рентгеновских фотонов с высокой гармоникой в водной среде. В частности, они увеличили пиковую мощность с ранее 6,3 ГВт до 14,2 ГВт, и достигли средней мощности 25 Вт для импульсов, чуть длиннее двух колебаний основного оптического поля (16,5 фс). Показанная пиковая мощность комфортно является самой высокой из зарегистрированных на сегодняшний день для любой системы с высокой частотой повторения с длиной волны более 2 мкм (см. рисунок ниже, панель a).

Готов к рентген-кабинету

Имея в своем распоряжении этот уровень производительности, команда была готова к следующему этапу – преобразованию с повышением частоты посредством генерации высших гармоник. Для этого выходной луч OPCPA был направлен через систему перископа в другую лабораторию, расположенную на расстоянии более 15 м, чтобы приспособиться к местным ограничениям лабораторного пространства. Там луч встретился с гелиевой мишенью, находящейся под давлением 45 бар. Такое высокое давление было необходимо для согласования фаз между инфракрасным и рентгеновским излучением и, следовательно, для оптимальной эффективности преобразования энергии.

Все детали аккуратно поставлены на место, система полностью доставлена. Она генерировала когерентное мягкое рентгеновское излучение, распространяющееся до энергии 620 эВ (длина волны 2 нм), охватывающее полное водное пространство – выдающееся достижение по сравнению с другими источниками с высокой частотой повторения в этом диапазоне частот, см. панель рисунка b. (Фотография выше сделана во время процесса генерации высших гармоник в газовой ячейке высокого давления, когда вход среднего инфракрасного излучения поступает справа, а выход мягкого рентгеновского излучения – слева.)

Окно возможностей

Эта демонстрация открывает широкий спектр новых возможностей. Когерентная визуализация в спектральной области “водяного окна”, имеющая большое значение для химии и биологии, должна быть возможной при компактной установке. В то же время доступная высокая частота повторения помогает, например, устранить ограничения, связанные с образованием пространственного заряда, который мешает фотоэмиссионным экспериментам с импульсными источниками. Кроме того, водная преграда включает в себя не только частицы углерода (K), азота и кислорода, но также L- и M-частицы ряда металлов, которые теперь можно изучать с более высокой чувствительностью или специфичностью.

С такими яркими перспективами реализация источника, представленного в настоящее время, предвещает начало следующего поколения аттосекундной технологии, в которой экспериментаторы впервые могут комбинировать использование высоких частот повторения и высоких энергий фотонов. Аттосекундная линия луча, предназначенная для использования этих новых возможностей, в настоящее время строится в лаборатории Келлера.