江苏激光联盟导读：

据悉，2021年4月12日Optica上刊登的新研究表明如何测量从自由电子激光器(FELs)发出的高频光的超短脉冲。通过使用光感应电离本身创建飞秒光学快门，该技术将FEL脉冲的电场编码为可见光脉冲，以便可以使用标准的慢速可见光相机对其进行测量。

自由电子激光器 (free electron lasers, FELs) 由一公里长的线性加速器驱动，发射持续时间为千分之一秒的短波长光脉冲。因此，它们可以作为闪光灯来观察自然界中最快的事件（原子或分子运动）。超快极紫外辐射 (Extreme ultraviolet, EUV) 和X射线FELs通过将激光的相干性与X射线散射和光谱学结合在一起，有望让人们对几乎任何种类物质获得新的理解。但是，要完全实现这种潜力，需要针对这些脉冲的完整场（振幅和相位）测量的新诊断方法。大多数FELs在强度、频谱和脉冲持续时间上显示出明显的抖动，这限制了信噪比和分辨率。脉冲形状的逐个测量将改善这些局限性。同样，更全面的诊断可以导致更好的理解和控制，包括产生亚飞秒脉冲和双色脉冲的新能利。此外，完整的现场测量将把诸如2D光谱学之类的宽带相位敏感光谱学扩展到更短的波长。

飞秒脉冲不能用典型的电子学完全表征。但是，非线性光学可以达到阿秒级分辨率，其中光-物质的相互作用提供了快速的“快门”这一概念被广泛使用。例如，频率分辨光学开关 (frequency resolved optical gating, FROG) 中，它可以从频谱分辨的非线性光学信号中提取相对于延迟（FROG迹线）的关系。尽管瞬时材料响应是优选的，但是多种非线性过程可用于FROG。

由于以下几个原因，将FROG扩展到更短的波长是有问题的：首先，短波长光的通量低。第二，具有EUV和X射线脉冲的非线性光学器件尚处于起步阶段；第三，主要过程是光电离，材料恢复缓慢。这些困难致使采用基于光电子的技术来测量EUV和X射线脉冲。尽管光电子技术具有许多优势，但将光学FROG技术套件扩展到更高的频率可以允许新功能，如单次发射和EL脉冲的时空特性。

在该研究中，来自美国洛斯·阿拉莫斯国家试验室、乔治亚理工学院(亚特兰大)和意大利的国际研究团队演示了光学检测短波长飞秒脉冲的方法，解决了每个难题。

▲图1. 在光学非线性信号中编码单个EUV脉冲的脉冲形状。图解：(a). EUV脉冲信息被传输到可见探针脉冲。(b). 线焦点允许单次测量，其中两个泵浦光束之间的交叉角将其延迟相对于彼此映射到适当位置。(c). 从每个FROG迹线中提取出完整的电场。(a) 中的图是从上面以小角度看的视图，而(b) 中的图是从上面看的视图。

首先，从EUV诱导的光栅中衍射光学探针，将EUV脉冲信息传输到光场，并允许使用标准的可见相机和单次成像进行检测。瞬态光栅长期以来一直用于FROG ，但是直到最近才认识到瞬态光栅互相关FROG（XFROG）可能将检测移至方便的波长。其次，尽管存在严重的相位匹配角，但在探测光束中引入脉冲前倾斜仍可提供足够的时间分辨率，从而有可能识别出所关注的短时相干四波混频（FWM）响应。最后，电离通常会在纳秒内改变材料的光学特性，这比FEL脉冲持续时间慢10000倍，但是电离上升沿的持续时间要快得多，由电子离开原子需要多长时间决定。扫描EUV脉冲对分离使用光电离的相移时间作为快速时间门。研究人员通过在FERMI FEL上测量31.3 nm脉冲的强度和相位来首次展示这一概念。

图2. 时空映射的校准（行焦点）。扫描EUV-EUV脉冲分离，并在每个点拟合一次FROG迹线（左上方）以找到其中心（右上方：蓝色：水平投影，橙色：高斯拟合）。中心与已知的时间延迟可对单次时间延迟进行校准（右下：蓝色曲线代表所有拟合数据，黑色圆圈显示用于校准的点，橙色是线性拟合，斜率为5.4918 fs/pixel） 。

总而言之，这种新颖的全光测量短波长FEL脉冲的脉冲形状的方法，该方法将广泛应用于EUV、软x射线和硬x射线光谱范围，以及台式EUV光源中通常都是有用的 。该方法还实现了单次测量，为在线诊断X射线FEL设施的详细脉冲形状铺平了道路。

本文来源：William K. Peters et al, All-optical single-shot complete electric field measurement of extreme ultraviolet free electron laser pulses, Optica (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.416463