JP研究最新进展

JP研究最新进展9: Physical Review系列 |实测Spring8-SCALA中自由电子激光的脉冲宽度

2022330日,理化学研究所(RIKEN矢橋牧名(Makina Yabashi) 和大阪大学山内和人(Kazuto Yamauchi)教授课题组等共同合作在专业杂志Physical Review Research上在线发表了题为 Hard x-ray intensity autocorrelation using direct two-photon absorption」的科技论文,该研究成功地实现了日本Sping8-SCALA同步辐射设施中自由电子激光的脉冲宽度的实测。

https://journals.aps.org/prresearch/pdf/10.1103/PhysRevResearch.4.L012035

01研究亮点

  1. 成功测量了飞秒自由电子激光的脉冲宽度,为6±0.8 fs
  2. 结果与之前估计的脉冲宽度一致
  3. 向极短X射线激光时间波形的完全测量前进一大步

 

02研究概要

【研究背景】

诞生于20世纪下的激光,在半个世纪之后仍在继续带来科学技术的重大变革。普通激光振荡的波长范围仅限于红外到近紫外光,但近年来,美国的LCLS和日本的“SACLA”等X射线自由电子激光(X-ray Free Electron Laser,XFEL)设施已经建成。XFEL是第一个在X射线区域实现的激光器,它拥有波长约为埃(Å,1Å为0.1纳米)的电磁波。XFEL的特点之一是发光时间的宽度(脉冲宽度)非常短,仅仅几飞秒(fs,1fs为10-15秒)。利用这种短脉冲宽度,正在进行诸如阐明化学反应过程和未被X射线破坏的蛋白质的结构分析等研究。了正确而深入地了解果,准确了解XFEL的脉冲度至关重要。XFEL的脉冲宽度是通过其他信息间接评估的,例如作为光源的电子束的波长分布和时间波形。但是,这些技术需要各种“假设”,其正确性存疑。

另一方面,对于比X射线激光器有更长历史的可见光激光器来说, “强度自相关测量”是最流行的脉冲宽度测量技术。在该技术中,利用自相关器复制的激光脉冲光照射介量非线性光学象的信号。然而,在X射线区域,非线性光学现象发生的概率很低,需要非常强的X射线进行观察。

目前,所有可用的X射线自相关器都使用硅单晶。因此,能够通过X射线自相关器的X射线的波长宽度是一般XFEL的波长宽度的百分之几以下(即强度也是百分之几以下),无法达到非线性观察的强度。

【结果与讨论】

为了增加通过X射线强度,合作研究组采用自播种方法产生具有窄波长宽度的明亮XFEL。因此,对于波长为1.38ÅXFEL,实现了超过 1016 W / cm2的强度。该强度足以观察X射线双光子吸收,这是非线性光学现象之一。

X射线自相关器复制的XFEL照射锆薄膜,同时逐步地改变到达时间差,并测量发生X射线双光子吸收的概率。结果表示:发生概率仅在大约20fs期间增加,其中每个XFEL在时间上重叠(图2c)。从测量结果来看,XFEL的脉冲宽度计算为7.6±0.8fs(正态分布的半峰宽),这与过去的间接评估结果一致。该实验实现了XFEL的强度自相关测量,并在世界上首次成功地直接量了脉冲。另外,由于X 射线自相关器中使用的硅单晶中的布拉格反射,本研究中测量的 XFEL时间波形可能与原始时间波形有所不同。为了检测这些差异,研究人员通过数值模拟计算了布拉格反射会得到什么样的时间波形。通过仿真预测表明:原始时间波形几乎不受影响,通过自相关器时时间波形几乎相同(图4)。

【未来展望】

在本研究中,测量了X射线自相关器整形后的XFEL的脉冲宽度,但没有测量整形前的脉冲宽度。未来,通过开发使用不改变XFEL时间波形的光学元件的X射线自相关器,将可以测量1阿秒(10-18秒)的 X射线激光脉冲宽度。此外,本研究中实现的强度自相关测量可应用于频率分辨光选通方法,该方法在可见光激光器方面具有良好的检测能力。这使得不仅包括脉冲宽度,还包括相位在内的X射线激光时间波形的完整测量成为可能,因此它有望成为开发可以控制时间波形的阿秒X射线激光器的重要工具。

本研究由的理化学研究所和大阪大学研究小合作完成,第一作者和通作者Taito Osaka博士,受到日本学術振興会(JSPS)科学研究費補助金若手研究「硬X線分割遅延光学系によるメゾスケールピコ秒ダイナミクス測定に関する研究(研究代表者:大坂泰斗)」研費经费支持。

 03作者介绍 


矢橋牧名(Makina Yabashi),日本理化学研究所Spring8同步辐射中心主任研究员。Yabashi教授致力于大型同步辐射装置开发的基础研究,是X射线光谱学和光量子科学领域的权威专家。曾获2004年日本放射光学会鼓励奖,2010年日本文部科学省青年科学家奖和2019年日本文部科学大臣科学技术奖等重大奖项; 在Nature系列, Physical Review系列等国际知名科学杂志发表研究型论文360余篇。其研究成果被引用22000余次,其中单篇最高引用数达1600余次,h指数为72 (2022/04/02/, Google Scholar)

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