Natuurkundigen van ETH Zürich hebben de eerste laserbron met hoge herhalingssnelheid ontwikkeld die coherente zachte röntgenstralen produceert die het hele "watervenster" overspannen. Die technologische doorbraak zou een breed scala aan studies in de biologische, chemische en materiaalwetenschappen, evenals in de natuurkunde.

Het vermogen om lichtpulsen van sub-femtoseconde te genereren, 20 jaar geleden voor het eerst gedemonstreerd, heeft geleid tot een geheel nieuw veld:attoseconde wetenschap en technologie. Er zijn tafelbladlasersystemen ontstaan ​​die studies mogelijk maken die voorheen niet mogelijk waren, waardoor onderzoekers kunnen volgen, elektronische processen in atomen in beeld brengen en karakteriseren, moleculen en vaste stoffen op hun natuurlijke, attoseconde tijdschalen.

De lasersystemen die dergelijke studies mogelijk maken, werken typisch in de extreem ultraviolette spectrale band. Echter, er is lang een druk geweest om hogere foton-energieën te bereiken. Van bijzonder belang is het zogenaamde watervenster, bezet door zachte röntgenstraling met golflengten tussen 2,2 en 4,4 nm. Dat spectrale venster dankt zijn naam en betekenis aan het feit dat bij die frequenties, fotonen worden niet geabsorbeerd door zuurstof (en dus door water), maar ze zijn van koolstof. Dit is ideaal voor het bestuderen van organische moleculen en biologische specimens in hun natuurlijke waterige omgeving.

Vandaag, er zijn een handvol attoseconde bronnen die dit frequentiebereik overspannen, maar hun toepasbaarheid wordt beperkt door relatief lage herhalingsfrequenties van 1 kHz of lager, wat op zijn beurt lage telsnelheden en slechte signaal-ruisverhoudingen betekent. Inschrijven optiek , Justinas Pupeikis en collega's in de Ultrafast Laser Physics-groep van prof. Ursula Keller van het Institute for Quantum Electronics hebben een innovatie gerapporteerd die de beperkingen van eerdere bronnen overwint. Ze presenteren de eerste zachte röntgenbron die het volledige watervenster overspant met een herhalingssnelheid van 100 kHz, een honderdvoudige verbetering ten opzichte van state-of-the-art bronnen.

Een boost in technologisch vermogen

Het knelpunt bij het produceren van zachte röntgenstralen met hoge herhalingsfrequenties is het ontbreken van geschikte lasersystemen om het belangrijkste proces aan te sturen dat ten grondslag ligt aan het genereren van attoseconde-pulsen in tafelbladsystemen. Dat proces staat bekend als hoogharmonische generatie, en het gaat om een ​​intense femtoseconde laserpuls die in wisselwerking staat met een doelwit, typisch een atomair gas. De niet-lineaire elektronische respons van het doel veroorzaakt dan de emissie van attoseconde pulsen met een oneven veelvoud van de frequentie van het aansturende laserveld. Om ervoor te zorgen dat de respons röntgenfotonen bevat die het watervensterbereik overspannen, de femtoseconde-bron moet in het midden-infraroodbereik werken. Ook, het moet pulsen met een hoog piekvermogen leveren. En dat alles met hoge herhalingssnelheden. Een dergelijke bron bestond tot nu toe niet.

Pupeikis et al. gingen de uitdaging aan en verbeterden systematisch een lay-out die ze al in eerder werk hadden verkend, gebaseerd op optische parametrische chirped pulsversterking (of kortweg OPCPA). Ze hadden eerder vastgesteld dat de aanpak veelbelovend is voor het realiseren van krachtige mid-infraroodbronnen, maar er waren nog steeds substantiële verbeteringen nodig om de prestaties te bereiken die nodig zijn voor de hoogharmonische generatie van röntgenfotonen in het watervenster. Vooral, ze duwden het piekvermogen van voorheen 6,3 GW naar 14,2 GW, en ze bereikten een gemiddeld vermogen van 25 W voor pulsen die net iets langer waren dan twee oscillaties van het onderliggende optische veld (16,5 fs). Het gedemonstreerde piekvermogen is het hoogste dat tot nu toe is gerapporteerd voor elk systeem met hoge herhalingssnelheid met een golflengte van meer dan 2 m (zie afbeelding, paneel a).

Klaar voor de röntgenkamer

Met dit prestatieniveau tot hun beschikking, het team was klaar voor de volgende fase, frequentie-upconversie door het genereren van hoge harmonische. Daarom, de uitgangsstraal van de OPCPA werd via een periscoopsysteem naar een ander laboratorium op meer dan 15 m afstand geleid, om tegemoet te komen aan lokale beperkingen van de laboratoriumruimte. Daar, de straal ontmoette een heliumdoel dat op een druk van 45 bar werd gehouden. Een dergelijke hoge druk was nodig voor fase-aanpassing tussen de infrarode en de röntgenstraling, en dus een optimale energie-omzettingsefficiëntie.

Toen alle stukjes op hun plaats zaten, het systeem geleverd, het genereren van coherente zachte röntgenstraling die zich uitstrekt tot een energie van 620 eV (2 nm golflengte), het volledige watervenster bestrijken - een opvallende prestatie in vergelijking met andere bronnen met een hoge herhalingssnelheid in dit frequentiebereik (zie afbeelding, paneel b).

Een kans

Deze demonstratie opent een breed spectrum aan nieuwe kansen. Coherente beeldvorming in het spectrale gebied van het watervenster, zeer relevant voor scheikunde en biologie, moet mogelijk zijn met een compacte opstelling. Tegelijkertijd, de hoge herhalingssnelheid die beschikbaar is, lost beperkingen op als gevolg van de vorming van ruimteladingen die foto-emissie-experimenten met gepulseerde bronnen teisteren. Bovendien, het watervenster omvat niet alleen de K-randen van koolstof, stikstof en zuurstof, maar ook de L- en M-randen van een reeks metalen, die nu kunnen worden bestudeerd met een hogere gevoeligheid of specificiteit.

Met zulke mooie vooruitzichten, de realisatie van de bron luidt het begin in van de volgende generatie attoseconde-technologie, waarin onderzoekers voor het eerst gecombineerd gebruik kunnen maken van hoge herhalingssnelheden en hoge fotonenenergieën. Een attoseconde bundellijn die is ontworpen om deze nieuwe mogelijkheden te benutten, is momenteel in aanbouw in het Keller-lab.