Fysiker vid ETH Zürich har utvecklat den första laserkällan med hög upprepningsfrekvens som producerar sammanhängande mjuka röntgenstrålar som spänner över hela "vattenfönstret". Det tekniska genombrottet skulle kunna möjliggöra ett brett utbud av studier inom biologiska, kemi- och materialvetenskap, såväl som i fysik.

Förmågan att generera ljuspulser med varaktighet under femtosekunder, demonstrerade första gången för cirka 20 år sedan, har gett upphov till ett helt nytt område:attosecond vetenskap och teknik. Baserade lasersystem har framkommit som möjliggör studier som tidigare inte var möjliga, låta forskare följa, avbilda och karakterisera elektroniska processer i atomer, molekyler och fasta ämnen på deras naturliga, attosecond tidsskalor.

Lasersystemen som möjliggör sådana studier fungerar vanligtvis i det extrema ultravioletta spektralbandet. Dock, det har länge funnits en push för att uppnå högre fotonenergier. Av särskilt intresse är det så kallade vattenfönstret, upptas av mjuk röntgenstrålning med våglängder mellan 2,2 och 4,4 nm. Det spektrala fönstret har sitt namn och sin betydelse till det faktum att vid dessa frekvenser, fotoner absorberas inte av syre (och därmed av vatten), men de är av kol. Detta är idealiskt för att studera organiska molekyler och biologiska prover i deras naturliga vattenmiljö.

I dag, det finns en handfull attosekundskällor som spänner över detta frekvensområde, men deras tillämpbarhet är begränsad av relativt låga repetitionsfrekvenser på 1 kHz eller lägre, vilket i sin tur innebär låga räknehastigheter och dåliga signal-brus-förhållanden. Skriver in Optica , Justinas Pupeikis och kollegor i gruppen för ultrasnabb laserfysik av prof. Ursula Keller vid Institutet för kvantelektronik har rapporterat en innovation som övervinner begränsningarna hos tidigare källor. De presenterar den första mjuka röntgenkällan som spänner över hela vattenfönstret med 100 kHz repetitionshastighet, en hundrafaldig förbättring jämfört med toppmoderna källor.

En ökning av den tekniska förmågan

Flaskhalsen i att producera mjuka röntgenstrålar med höga upprepningshastigheter har varit bristen på lämpliga lasersystem för att driva nyckelprocessen bakom attosekundspulsgenerering i bordssystem. Den processen är känd som högharmonisk generering, och det involverar en intensiv femtosekundlaserpuls som interagerar med ett mål, vanligtvis en atomgas. Det olinjära elektroniska svaret från målet orsakar sedan utsändning av attosekundpulser med en udda ordningsmultipel av frekvensen för det drivande laserfältet. För att säkerställa att svaret innehåller röntgenfotoner som spänner över vattenfönstrets område, femtosekundkällan måste verka i det mellaninfraröda området. Också, den måste leverera pulser med hög toppeffekt. Och allt detta med höga upprepningsfrekvenser. En sådan källa har inte funnits hittills.

Pupeikis et al. antog utmaningen och förbättrade systematiskt en layout som de redan hade utforskat i tidigare arbete, baserat på optisk parametrisk chirped puls amplification (eller OPCPA för kort). De hade tidigare konstaterat att tillvägagångssättet är lovande med sikte på att realisera högeffekts mellaninfraröda källor, men betydande förbättringar behövdes fortfarande för att nå den prestanda som krävs för den högharmoniska generationen av röntgenfotoner i vattenfönstret. Särskilt, de flyttade toppeffekten från tidigare 6,3 GW till 14,2 GW, och de nådde en medeleffekt på 25 W för pulser bara lite längre än två svängningar av det underliggande optiska fältet (16,5 fs). Den påvisade toppeffekten är den högsta rapporterade hittills för något system med hög repetitionsfrekvens med en våglängd över 2 μm (se figur, panel a).

Klart för röntgenrummet

Med denna prestandanivå till sitt förfogande, laget var redo för nästa etapp, frekvensuppkonvertering genom högharmonisk generering. För det, utgångsstrålen från OPCPA dirigerades via ett periskopsystem till ett annat laboratorium mer än 15 m bort, för att tillgodose lokala laboratorierutrymmen. Där, strålen träffade ett heliummål som hölls vid ett tryck på 45 bar. Ett sådant högt tryck var nödvändigt för fasmatchning mellan den infraröda och röntgenstrålningen, och därmed optimal energiomvandlingseffektivitet.

När alla bitar var på plats, det levererade systemet, genererar koherent mjuk röntgenstrålning som sträcker sig till en energi av 620 eV (2 nm våglängd), täcker hela vattenfönstret – en framstående prestation jämfört med andra källor med hög upprepningsfrekvens i detta frekvensområde (se figur, panel b).

Ett möjlighetsfönster

Denna demonstration öppnar upp ett stort spektrum av nya möjligheter. Sammanhängande avbildning i vattenfönstrets spektralregion, mycket relevant för kemi och biologi, borde vara möjligt med en kompakt installation. På samma gång, den höga upprepningsfrekvensen som finns tillgänglig adresserar begränsningar på grund av rymdladdningsbildning som plågar fotoemissionsexperiment med pulserande källor. Dessutom, vattenfönstret omfattar inte bara kolens K -kanter, kväve och syre, men även L- och M-kanterna på en rad metaller, som nu kan studeras med högre sensitivitet eller specificitet.

Med så ljusa framtidsutsikter, förverkligandet av källan förebådar början på nästa generation av attosecond-teknologi, där forskare kan kombinera höga upprepningshastigheter och höga fotonenergier för första gången. En attosecond beamline designad för att utnyttja dessa nya funktioner är för närvarande under uppbyggnad i Keller-labbet.