Femtosekund hårda röntgenpulser är ett viktigt verktyg för att reda ut strukturförändringar av kondenserad materia på atomära längd- och tidsskalor. En ny laserdriven röntgenkälla ger femtosekundkoppar Kα-pulser med en repetitionshastighet på 1 kHz med ett aldrig tidigare skådat flöde på cirka 10 ¹² Röntgenfotoner per sekund.

Elementära processer i fysik, kemi, och biologi är kopplade till förändringar av den atomära eller molekylära strukturen på en femtosekundsskala (1 femtosekund (fs) =10 ^-15 sekunder). Ultrasnabba röntgenmetoder har stor potential för att följa strukturförändringar i rum och tid och generera "filmer" av elektronernas rörelser, atomer och molekyler. Detta perspektiv har resulterat i en stark efterfrågan på femtosekunders hårda röntgenpulser som ska appliceras vid röntgenspridning och spektroskopi.

Det finns två huvudsakliga metoder för att generera ultrakorta hårda röntgenpulser. Den första är källor baserade på storskaliga elektronacceleratorer och undulatorer där femtosekundelektronknippen utstrålar ljusa röntgenpulser. Den andra är laboratoriekällor med små ramar som drivs av intensiva femtosekunds optiska lasrar. Här, elektronacceleration sker i det starka elektriska fältet hos en optisk puls och röntgenpulser genereras genom kollisionsinteraktion mellan sådana elektroner och atomer i ett metallmål, liknande ett konventionellt röntgenrör.

Forskare vid Max Born Institute (MBI) i Berlin har nu åstadkommit ett genombrott inom bordsgenerering av femtosekundsröntgenpulser genom att demonstrera ett stabilt pulståg vid kilohertz-repetitionshastighet med ett totalt flöde på cirka 10 ¹² Röntgenfotoner per sekund. Som de rapporterar in Optik bokstäver , kombinationen av en ny optisk drivenhet som tillhandahåller femtosekunds-mid-infraröda pulser runt en 5 μm (5000 nm) våglängd med ett metallbandmål i en transmissionsgeometri möjliggör generering av hårda röntgenpulser vid en våglängd på 0,154 nm med mycket hög effektivitet.

Den optiska drivrutinen är baserad på optisk parametrisk chirped pulse amplification (OPCPA) och ger 80-fs pulser vid en central våglängd på 5 μm med en energi på 3 mJ och en repetitionshastighet på 1 kHz. För att generera röntgenpulser, de mellaninfraröda pulserna är tätt fokuserade på ett tunt kopparmål (fig 1). I en optisk cykel av det optiska fältet, elektroner extraheras från kopparbandet, accelererade i vakuum och styrde tillbaka till målet. Elektroner med en kinetisk energi på upp till 100 keV kommer in i målet igen och genererar ljusa koppar Kα-pulser vid en våglängd på 0,154 nm, åtföljd av spektralt bred bremsstrahlung. Den längre optiska cykeln för de mellaninfraröda pulserna jämfört med pulser vid kortare optiska våglängder resulterar i längre accelerationstider för elektronerna, högre kinetiska energier, och så småningom högre effektivitet vid röntgengenerering (fig. 2).

Den nya bordsröntgenkällan når ett genomsnittligt antal Cu-Kα-fotoner upp till 1,5x10 ⁹ fotoner per puls i hela rymdvinkeln eller 1,5x10 ¹² fotoner per sekund (blå prickar i fig 2c). Detta fotonflöde är 30 gånger högre än från vanliga bordsröntgenkällor som drivs av Ti:safirlasrar vid den centrala våglängden på 0,8 μm (svarta prickar i fig 2c). Sådana källparametrar öppnar spännande perspektiv för att undersöka ultrasnabba strukturförändringar i kondenserad materia genom tidsupplöst röntgenspridning.