自由电子激光脉冲科技，单光栅和双光栅的设计，紫外线衍生

文|梦书君

编辑|梦书君

前言

这种技术的主要应用，是对高阶激光谐波和自由电子激光脉冲进行飞秒级时间尺度下的光谱选择。科学家介绍了单光栅和双光栅单色仪的设计和实现，使用了一种创新的光栅几何结构，即非平面安装。科学家展示了现有仪器的性能。

极紫外和X射线光子在许多基础发现和自然科学中有着重要的应用。它们在基础研究和医学诊断以及工业研究和开发方面发挥了关键作用。这一成功的主要原因是波长决定了使用此类探测器可以研究的最小距离，这个距离与分子和原子尺寸相当。

另一方面，飞秒激光的出现彻底改变了从固体物理到生物学等许多科学领域的研究。飞秒时间范围的重要性在于控制结构动态的原子运动，例如相变和化学反应，发生在约100飞秒的振动时间尺度上。虽然飞秒光学激光为超快动态提供了独特的洞察力，但由于核的结构排列和运动不能直接从测得的光学特性中获得，它们受到一定的限制。

在XUV和X射线中可用的相干和可调谐光源，其特性类似于可见光和近红外激光，在基础和应用研究方面开辟了全新的实验类别。它需要将超快技术的能力与XUV和X射线领域的仪器和实验的知识结合起来。处理这些光子需要特别注意管理高强度脉冲，保持超短脉冲持续时间以及光学元件对脉冲相位的影响。

在这里，科学家讨论了在飞秒甚至更短的时间尺度内，保持极紫外光和软X射线脉冲的光谱选择问题。这种技术对于高阶激光谐波和自由电子激光脉冲非常有用。

重要应用

由于飞秒激光脉冲的强峰功率，与气体喷射的非线性相互作用产生了奇数激光谐波，远高于100阶。当激光束及其二次谐波一起使用时，得到了一整个偶数和奇数谐波的光谱。通过这种方式，将近红外或可见光转换成极紫外光和软X射线辐射，形成了一个具有相干性和短脉冲持续时间的极紫外光源，与产生激光具有相同的特性。

HH光谱被描述为对应于基础激光波长的谐波的峰序列，并具有广阔的平台，其延伸与激光脉冲强度有关。最近使用激光脉冲产生的HH方案的辐射成为以亚飞秒或阿秒分辨率研究物质的工具。进入这个未经探索的时间领域为原子，分子和固态科学开辟了新的前沿，因为现在可以进行具有前所未有的时间分辨率和强度的实验。

在极紫外光领域，另一种获得非常强烈、超短且可调谐脉冲的方法是使用自由电子激光产生。FEL与传统激光具有相同的光学特性，但它们使用不同的操作原理来形成光束，即利用相对论电子束作为激射介质，通过诱导辐射的磁场结构自由运动。

在极紫外光和X射线范围缺乏合适的镜子，使得FEL振荡器无法运行；因此，必须通过undulator在一次通过中获得XUV和X射线的FEL辐射。在这种情况下，可以用比存储环中可实现的更小发射度的电子束进入undulator。目前世界各地都有一些XUV和X射线FEL设施：比如德国汉堡的FLASH。

高阶谐波

让科学家考虑一个XUV辐射的超短脉冲，其波长在4-100纳米范围内，并且与不同光谱范围的辐射混合。这样的脉冲的光谱选择需要使用单色仪。以HH产生中需要由这样一个仪器解决的实验问题为例，科学家可以引用从广泛的HH光谱中提取单一谐波，以获得在适当XUV波长处的超快脉冲，随后在给定范围内进行扫描。

单色仪对FEL辐射也是有用的，既可以增加基本FEL辐射的光谱纯度，也可以选择FEL高阶谐波在较短波长处，同时拒绝最强的基本频率。为了实现这一目的，所需的单色仪也必须保持XUV脉冲的时间持续性与产生过程中一样短。这对于同时具有高时间分辨率和高峰值功率非常重要。

这种补偿型单色仪的研究和设计扩展了常规的几何光学和XUV衍射光栅装置的领域，包括对XUV脉冲在频谱和光谱相位中的变换进行分析。单色仪可以被建模为一个具有复杂频率响应K的滤波器，它包括频率作为频率的函数的光谱传输和光谱相位的失真。

由于在产生时，XUV脉冲可能接近其变换极限，对其复杂频谱的任何修改都会导致严重的时间展宽，正如其傅里叶变换所描述的那样。对于没有相位或频率调制的高斯型脉冲，半峰宽Δω1/2和半高持续时间Δτ1/2的乘积有一个由关系式1表示的下限。

单色仪必须满足两个条件，以保持在单色化后由方程1表示的时间持续性：单色仪传输的带宽Δωm必须大于脉冲的带宽Δω1/2；复杂传递函数K在带宽内几乎是恒定的。在HH选择的情况下，由于谐波峰值之间有很好的分离，如果单色仪选择了一个谐波的整个光谱带，那么就不会引起傅里叶频谱的任何修改。

FEL辐射的情况也类似：单色仪的带宽必须大于固有的FEL带宽。第二个条件几乎总是满足的，如果单色仪是通过反射光学来实现的：脉冲带宽内涂层的反射率变化通常可以忽略不计，因此可以认为K(ω)几乎是恒定的，虽然小于1。

利用多层膜镜在法线入射下来获得超短脉冲的光谱选择是最简单的方法，这不会改变脉冲的时间持续性，保持在几分之一飞秒的时间尺度内，并且效率非常高：实际上，将选择单个光谱脉冲并将其聚焦的功能可以要求单个凹透镜完成，从而最大限度地增加光通量。

可以在许多材料对中选择多层膜的类型，以优化在给定光谱区域内的响应。已经提出并实现了具有一或两多层膜镜的单色仪。使用多层膜光学的主要缺点是需要许多不同的镜子才能在广泛的光谱区域内实现可调谐性。

在XUV超短脉冲的光谱选择中，也可以通过普通反射模式下的光栅来实现。在这种情况下，主要改变脉冲时间持续性的机制是由不同光栅槽所折射的光线的光学路径长度差异。事实上，由于衍射作用，单个光栅不可避免地导致超快脉冲的时间展宽。

由λ波长辐射照射的N个槽所折射的光线的光学路径的总差，其中m是折射次序。这种效应在图1中用示意图表示。因此，光栅的曝光面积越大，槽密度越高，从第一个照射的槽折射出的光线和最后一个槽折射出的光线之间的时间差就越长。

例如，考虑一个300条/mm的光栅，由40nm辐射照射在半高度长度为10mm的区域上，参与衍射的总槽数为3000，对应于第一个折射次序的最大延迟为120mm，即400飞秒的半高宽。

对于皮秒脉冲来说，这种延迟通常是无关紧要的，但对于飞秒脉冲来说，它会大大降低时间分辨率和输出的峰值强度。尽管如此，由于设计简单且使用单个光学元件的高效性，单光栅单色仪可用于超短脉冲的光谱选择。

事实上，在XUV和软X射线光谱区域，反射率通常较低，常规方案通常使用单个光栅。此外，许多泵浦探测实验可以容忍在100-300飞秒时间范围内的时间分辨率，这在低密度光栅的时间响应范围内。

光栅引起的时间展宽问题不能通过传统的单色仪设计解决。为了有效选择扩展光谱中的一部分，而不引入光束中不同光线的光学路径长度差异，必须使用所谓的时间延迟补偿光学装置，它涉及使用两个光栅在减法配置中来补偿色散效应。

这种配置将被定义为时间延迟补偿单色仪，因为第二个光栅可以补偿第一个光栅引入的时间和频谱展宽。这些概念在啁啾脉冲激光放大和更一般地超快光脉冲传播领域已经广泛应用，在这里科学家将讨论它们在XUV光谱领域中的应用。

从光线路径的角度来看，设计必须满足两个条件：由第一个光栅引起的光束孔径内具有相同波长但入射方向不同的光线的路径长度差异必须由第二个光栅进行补偿，要选择的脉冲光谱范围内的两个不同波长的光线必须聚焦在同一点上，即全局光谱展宽必须为零。这两个条件都可以通过使用两个相等的凹面光栅，以相反的衍射顺序安装来满足。

第二个光栅的入射角等于第一个光栅的衍射角。光谱选择是通过放置在两个光栅之间的中间位置的一个缝隙来完成的，辐射会被第一个光栅聚焦。在设计中，只使用了两个光学元件，即凹面光栅，因为光栅本身通过衍射提供了光谱展宽，同时由于表面的曲率而提供了聚焦。在经典几何中。

对于波长低于约35纳米的情况，由于常规涂层在正入射时的低反射率，无法采用正入射配置。因此，光栅必须以斜入射方式运行。在这种情况下，由于斜入射安装固有的困难，补偿更为复杂，斜入射安装对像差和失调非常敏感。已经提出和讨论过两个托洛洛光栅的配置。

时间补偿在这种情况下同样非常有效，但一旦确定了光栅半径和扇角，补偿仅在非常窄的光谱范围内是最优的，因此调谐性受到影响，除非为不同的光谱范围改变几何结构。在这种情况下，单色仪的整体效率预计会相当低。效率显然是区分不同单色仪之间的主要因素：输出通量较低的仪器可能对科学实验没有用处。

科学家可以总结单光栅和双光栅单色仪之间的主要区别如下：单光栅设计更简单、更高效，但其时间响应更长；双光栅设计更复杂、效率较低，但时间响应可以达到几飞秒。在两种配置之间的选择必须在光子通量和时间分辨率之间进行权衡。

在离轴几何结构中设计的单光栅单色仪采用平行光束和两个凹面镜。第一面镜使来自点光源的光线聚焦；光栅在α=β的条件下运行；第二面镜将衍射光线聚焦在出口缝上。所有光学元件都以斜入射方式运行。

波长扫描是通过绕过光栅中心并与凹槽方向平行的轴旋转光栅来实现的，在这个设计中，方位角随着波长的变化而改变，而高度γ保持不变在不同波长下，效率会降低，因为光栅是在热点角之外运行的。

总结

本次研究讨论了在XUV光谱区域内，使用衍射光栅进行超短脉冲的光谱选择。该技术的主要应用包括在飞秒时间尺度下选择高阶激光谐波和自由电子激光脉冲。

在XUV光谱范围内实现广泛频谱可调的单色仪需要使用斜入射的光栅。显然，保持脉冲在单色仪输出端的时间持续性，对于实现高时间分辨率和高峰值功率至关重要。单个光栅由于衍射会导致超快脉冲的时间展宽。

这种效应对于皮秒或更长的脉冲可以忽略不计，但在飞秒时间尺度下会产生显著影响。然而，通过采用两个光栅进行时间补偿配置，科学家可以设计出不会改变飞秒时间尺度下脉冲时间持续性的光栅单色仪。在这样的配置中，第二个光栅可以补偿第一个光栅引入的时间和频谱展宽。

效率显然是区分不同设计的主要因素：效率低的仪器可能对科学实验没有太大帮助。已经讨论了一种创新的配置，用于实现高效率和广泛调谐范围的单色仪。该配置采用了斜入射光栅的离面安装方式，其中入射光方向位于与凹槽方向平行的平面内。离面安装的效率高于传统安装方式，并且一旦选择了光栅凹槽密度，它在斜入射情况下可以实现最小的时间响应。

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