X射线可分为波长较长的软X射线和波长较短的硬X射线，软X射线的波长在0.1 nm到10 nm之间，其中2.34 nm到4.4 nm的波段位于氧原子和碳原子K吸收带之间，相对于水透明，被称作水窗，高重频高通量水窗软X射线在基础研究和生物科学领域具有重大意义。产生X射线激光的方法主要有同步加速器驱动自由电子激光器和kHz高能脉冲驱动高次谐波产生两种。利用高功率超快光纤激光驱动的高次谐波光源具有体积小、空间相干性好和脉冲短等优点。本期介绍德国Jena课题组在这方面发表的两篇文章。

第一篇文章中，该课题组使用重复频率98 kHz、中心波长1910 nm、脉冲能量450 µJ、宽度为100 fs的掺铥光纤激光作为泵浦，在芯径84.5 µm、长120 cm的充氦空芯光纤中通过调整气压梯度调控自压缩过程，减小了对泵浦光能量和脉宽的要求，并在光纤末端产生高次谐波[1]。实验装置如图1所示。高压室b和真空室c由1 mm厚的蓝宝石窗隔开，环形镜和金属薄板将泵浦光滤出，并将衰减后的信号光输入平场成像光栅光谱仪中。

图1 实验装置图

经实验，空芯光纤输入端气压为1 bar，输出端气压3.345 bar时可以获得较好的结果：当输入脉冲能量为265 µJ时，脉冲宽度从100 fs减小到输出端的20 fs，随着峰值功率的升高，在脉冲的后段出现电离现象。实验中通过调整气压和输入脉冲的方式产生了300 eV的高通量脉冲。图2(a)展示了最佳输入脉冲能量和对应的最大X射线光通量随高压气室气压的变化，纵向误差来自240次连续测量的标准差，横向误差恒定为气压读数的不确定度0.1 bar。从图中可以看到信号光对气压敏感，以3.8 bar为中心，10%的气压变化将导致光通量变为原来的1⁄e^2 ，但模拟可知泵浦光对气压不敏感，10%的气压变化下脉冲积累的非线性和输出端峰值功率变化不大，由此证明气压梯度主要影响了相位匹配。图2(b)为最优情况下测得的光谱和发散情况，发散角约2 mrad，截止能量330 eV，中心对应碳原子吸收带，可能来自光谱仪光栅上沉积的有机污染。图3(c)为去除碳原子吸收后的光谱，300 eV处光通量超过10^6 s^(-1) (eV)^(-1)。

图2 通过高次谐波产生获得X射线脉冲

第二篇文章也是利用空芯光纤产生高次谐波，但是产生的是波长更长的极紫外光[2]。与上一篇文章不同，这里的空芯光纤只起到展宽光谱的作用，脉冲压缩在光纤外进行。

图3 10 µW以上极紫外光的实验结果

图3为1999年至今产生12 eV到30 eV（100 nm到40 nm），10 µW以上极紫外光的实验结果，纵轴为平均功率，颜色对应光子能量，圆形代表泵浦源为中心波长1 µm的掺镱激光器，方形代表钛宝石激光器，星型代表对两种激光器进行二倍频或三倍频，EC代表使用了增强腔（enhancement cavity）。驱动脉冲的脉宽越小、平均功率越高、波长越短，产生的极紫外光通量越大、效率越高、截止能量越高。本文中使用平均功率51 W、中心波长为515 nm、宽度为18.6 fs的驱动脉冲产生了平均功率12.9 mW、光子能量为26.5 eV的脉冲，效率为2.5×10^(-4)，与过去的记录相比，功率提升了一个数量级。

图4 实验装置

实验装置如图4所示，使用四路相干合成的掺镱光纤激光脉冲聚焦到200 µm厚的BBO晶体产生515 nm的脉冲，之后利用1 m长的充氪空芯光纤进行光谱展宽，展宽后的脉冲被啁啾镜压缩至18.6 fs，平均功率51 W，作为高次谐波的驱动脉冲。

驱动脉冲在真空室中汇聚到氪喷气孔前，光斑直径33 µm，焦点位置和光阑大小可调节，喷气孔直径430 µm，喷气气压1bar，成布儒斯特角的两片玻璃和数个1 µm铝片将驱动光和极紫外光分离，并将极紫外光衰减，最后输入平场CCD光谱仪中测量。

图5 实验结果

当焦点距喷气孔144 µm、对应气压0.4bar时，在20 eV到35 eV的范围内产生数阶谐波，其中第11次谐波位于26.5 eV处，具有最高的平均功率12.9 mW，最高次谐波的能量超过30 eV。图5(b)为第11次谐波的模拟脉冲和变换极限脉冲的对比，脉冲宽度5.1 fs。图5(c)为第11次谐波时间稳定性测量，在30分钟内每0.2秒记录一次平均功率，最后的均方根偏差为2.6%，图5(d)是脉冲的空间发散情况和拟合高斯函数的对比，发散角也为2 mrad。从掺镱光纤激光器泵浦源算起，此装置极紫外产生的总效率为7×10^(-5)。

这两个工作表明，高功率飞秒光纤激光配合空芯光纤能够有效产生高通量的软X射线或者极紫外波段的超短脉冲，为这两种光源的小型化奠定了坚实的技术基础。

参考文献：

[1]Gebhardt, M., Heuermann, T., Klas, R. et al. Bright, high-repetition-rate water window soft X-ray source enabled by nonlinear pulse self-compression in an antiresonant hollow-core fibre. Light Sci Appl 10, 36 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00477-x

[2]Klas, R., Kirsche, A., Gebhardt, M. et al. Ultra-short-pulse high-average-power megahertz-repetition-rate coherent extreme-ultraviolet light source. PhotoniX 2, 4 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00028-y