Femtoseconde harde röntgenpulsen zijn een belangrijk hulpmiddel voor het ontrafelen van structuurveranderingen van gecondenseerde materie op atomaire lengte- en tijdschalen. Een nieuwe lasergestuurde röntgenbron levert femtoseconde koperen Kα-pulsen met een herhalingssnelheid van 1 kHz met een ongekende flux van ongeveer 10 ¹² Röntgenfotonen per seconde.

Elementaire processen in de natuurkunde, scheikunde, en biologie zijn verbonden met veranderingen van de atomaire of moleculaire structuur op een femtoseconde tijdschaal (1 femtoseconde (fs) =10 ^-15 seconden). Ultrasnelle röntgenmethoden hebben een sterk potentieel voor het volgen van structuurveranderingen in ruimte en tijd en genereren 'films' van de bewegingen van elektronen, atomen en moleculen. Dit perspectief heeft geresulteerd in een sterke vraag naar femtoseconde harde röntgenpulsen voor toepassing in röntgenverstrooiing en spectroscopie.

Er zijn twee hoofdbenaderingen om ultrakorte harde röntgenpulsen te genereren. De eerste zijn bronnen gebaseerd op grootschalige elektronenversnellers en undulatoren waarin femtoseconde elektronenbundels heldere röntgenpulsen uitstralen. De tweede zijn kleine laboratoriumbronnen die worden aangedreven door intense femtoseconde optische lasers. Hier, elektronenversnelling vindt plaats in het sterke elektrische veld van een optische puls en röntgenpulsen worden gegenereerd door botsingsinteractie van dergelijke elektronen met atomen van een metalen doelwit, vergelijkbaar met een conventionele röntgenbuis.

Onderzoekers van het Max Born Institute (MBI) in Berlijn hebben nu een doorbraak bereikt in het genereren van femtoseconde röntgenpulsen op tafels door een stabiele pulstrein aan te tonen met een kilohertz-herhalingsfrequentie met een totale flux van ongeveer 10 ¹² Röntgenfotonen per seconde. Zoals ze rapporteren in Optica Letters , de combinatie van een nieuwe optische driver die femtoseconde midden-infraroodpulsen rond een golflengte van 5 μm (5000 nm) levert met een metalen banddoel in een transmissiegeometrie, maakt het mogelijk om harde röntgenpulsen te genereren met een golflengte van 0,154 nm met een zeer hoge efficiëntie.

De optische driver is gebaseerd op optische parametrische chirped pulse amplification (OPCPA) en levert 80-fs pulsen op een centrale golflengte van 5 m met een energie van 3 mJ en een herhalingssnelheid van 1 kHz. Om röntgenpulsen te genereren, de midden-infrarode pulsen zijn strak gefocust op een dun koperen doelwit (figuur 1). In een optische cyclus van het optische veld, elektronen worden uit de kopertape gehaald, versneld in vacuüm en teruggestuurd naar het doel. Elektronen met een kinetische energie tot 100 keV komen het doelwit opnieuw binnen en genereren heldere koperen Kα-pulsen met een golflengte van 0,154 nm, vergezeld van spectraal brede remstraling. De langere optische cyclus van de midden-infraroodpulsen in vergelijking met pulsen bij kortere optische golflengten resulteert in langere versnellingstijden van de elektronen, hogere kinetische energieën, en uiteindelijk een hogere efficiëntie bij het genereren van röntgenstralen (Fig. 2).

De nieuwe röntgenbron op tafelblad bereikt een gemiddeld aantal Cu-Kα-fotonen tot 1,5x10 ⁹ fotonen per puls in de volledige ruimtehoek of 1.5x10 ¹² fotonen per seconde (blauwe stippen in figuur 2c). Deze fotonenflux is 30 keer hoger dan die van veelgebruikte röntgenbronnen op tafelbladen die worden aangedreven door Ti:saffierlasers met een centrale golflengte van 0,8 m (zwarte stippen in figuur 2c). Dergelijke bronparameters openen spannende perspectieven voor het onderzoeken van ultrasnelle structuurveranderingen in gecondenseerde materie door in de tijd opgeloste röntgenverstrooiing.