苏黎世联邦理工学院 这张照片是在高压气室产生高次谐波的过程中拍摄的，中间？红外输入到达右边和软x-？出现在左侧的光线输出
信用:苏黎世联邦理工学院/PHYS·凯勒集团 苏黎世联邦理工学院的物理学家开发了第一个高重复率激光源，它能产生横跨整个“水窗”的相干软x光
“这一技术突破可以在生物、化学和材料科学以及物理学领域开展广泛的研究
大约20年前首次证明的产生亚飞秒时间光脉冲的能力已经产生了一个全新的领域:阿秒科学和技术
桌面激光系统已经出现，使以前不可能的研究成为可能，使研究人员能够跟踪、成像和表征原子、分子和固体在自然阿秒时间尺度上的电子过程
使这种研究成为可能的激光系统通常工作在极紫外波段
然而，长期以来，人们一直在努力实现更高的光子能量
特别令人感兴趣的是所谓的水窗，由波长在2
2和4
4 nm
这个光谱窗口的名称和意义在于，在这些频率下，光子不会被氧气(因此也不会被水)吸收，而是被碳吸收
这是研究有机分子和生物样品在其自然水环境中的理想选择
如今，跨越这一频率范围的阿秒源为数不多，但它们的适用性受到1千赫或更低的相对较低重复频率的限制，这反过来意味着计数率低和信噪比差
在Optica中，Justinas Pupeikis和他的同事在教授的超快激光物理组中写道
量子电子学研究所的乌苏拉·凯勒报道了一项创新，它克服了以前资料的局限性
他们展示了第一个软x光源，它以100千赫的重复频率跨越整个水窗口，比最先进的源提高了一百倍
技术能力的提高 在高重复率下产生软x光的瓶颈是缺乏合适的激光系统来驱动桌面系统中阿秒脉冲产生的关键过程
这一过程被称为高次谐波产生，它包括一个强飞秒激光脉冲与目标，通常是原子气体相互作用
然后，目标的非线性电子响应导致以驱动激光场频率的奇数倍发射阿秒脉冲
为了确保响应包含跨越水窗范围的x光光子，飞秒源必须在中红外范围内工作
此外，它必须提供高峰值功率脉冲
所有这些都是以高重复率进行的
迄今为止，这种来源并不存在
Pupeikis等人
接受挑战，系统地改进了他们在早期工作中已经探索过的布局，基于光参量啁啾脉冲放大(简称OPCPA)
他们之前已经确定，这种方法有望实现高功率中红外光源，但仍需要进行实质性改进，以达到在水窗口产生高谐波x光光子所需的性能
特别是，他们将峰值功率从之前的6
3千兆瓦至14千兆瓦
对于比底层光场的两次振荡稍长的脉冲，它们达到了25 W的平均功率(16
5 fs)
所展示的峰值功率是迄今报道的波长超过2微米的任何高重复率系统的最高值(见图，图a)
最先进高重复率(>;10千赫)中红外系统
高重复率下最先进的相位匹配高次谐波截止频率
(参考点于2019年10月提交时汇编
)信贷:苏黎世联邦理工学院/PHYS·凯勒集团 准备去x光室 有了这种水平的性能，团队为下一阶段做好了准备，即通过高次谐波产生进行频率上变频
为此，OPCPA的输出光束通过潜望镜系统传送到15米以外的另一个实验室，以适应当地实验室空间的限制
在那里，光束遇到了保持在45巴压力下的氦靶
如此高的压力对于红外线和x光辐射之间的相位匹配是必要的，从而获得最佳的能量转换效率
一旦所有部件都就位，该系统就会产生相干的软x光辐射，辐射能量可达620电子伏(2纳米波长)，覆盖整个水窗口——相对于该频率范围内的其他高重复率源而言，这是一项突出的成就(见图，b图)
机会之窗 这次展示开辟了大量新的机会
水窗光谱区的相干成像与化学和生物学高度相关，应该可以用紧凑的装置实现
同时，可用的高重复率解决了空间电荷形成的限制，这种限制困扰着脉冲源的光电发射实验
此外，水窗不仅包括碳、氮和氧的K边，还包括一系列金属的L边和M边，现在可以用更高的灵敏度或特异性来研究它们
有了如此光明的前景，源的实现预示着下一代阿秒技术的开始，在这种技术中，研究人员可以首次结合使用高重复率和高光子能量
凯勒实验室目前正在建造一条阿秒束线，用于开发这些新功能
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