基于镱激光器的X射线激光脉冲生成技术

Edgar Kaksis (左) und Paolo Carpeggiani

       X射线是一种波长范围在0.01纳米到10纳米之间的电磁辐射形式，因其独特的物理和化学特性，经过科学家潜心研究，利用了它的穿透、荧光和衰减特性，成功将其应用到医疗和工业中。医疗中的胸透、脑CT等应用所需的X射线很容易产生。然而工业上则完全不同，它需要波长更短、能量更高的X射线脉冲。因为X射线的波长越短,光子的能量越大,穿透物质的能力越强。其通常被用于配件制造缺陷检测、铸件质量筛查、化学反应实时监测等领域。

       但工业用X激光难生产，特别是当激光辐射需要以高强度、极短波的脉冲形式存在时。为了解决这个问题，奥地利维也纳工业大学（TU Wien）的研究人员设计了一种更加简便新颖的方法：使用镱激光器代替钛蓝宝石激光器，关键之处在于光通过在填充有分子气体的空芯光纤(HCF)中传播，进而诱发朝向长波长方向的非对称光谱展宽。此时新产生的光谱能够包含80%以上的脉冲能量，该效应可用于压缩脉冲。

       激光束的波长取决于发出激光的活性物质：在组成增益介质的原子或分子中，电子从一种状态（激发态）转变为另一种能量较低的状态（基态），并发射出一个光子。发光波长（颜色）由激发态和基态两者的能量差决定。通过这种方式，可以产生从红色到紫色全光谱范围内的任意波长。

       然而，为了生成波长更短的激光，必须采用一些特殊的方法。首先通过长波长的强激光场使气体原子的库伦势发生倾斜，电子能够通过隧道电离方式逃离原子核的束缚，进入连续态。然后进入连续态的电子在外加激光电场力的驱动下加速运动，从而积累一定的动能。最后，加速运动的电子会在某些时刻以一定概率再回到电离的原子核附近与之发生复合，在复合过程中电子会将其在激光电场中运动累积的动能进行释放，由此产生短波X 射线，这种技术被称为“高次谐波产生”。

       维也纳工业大学光子学研究所的Paolo Carpeggiani 表示，乍一看，这种情况似乎有点违反直觉。但事实证明，原始激光束的波长越长，最终能实现的波长就越短。但是，X射线辐射产生的效率在这个过程中也会降低：如果要产生短波辐射，它的强度就会变得很低。

        目前为止，该技术几乎都是基于钛蓝宝石激光器，然后用特殊晶体增加其辐射波长，以通过高次谐波产生尽可能短的 X 射线辐射。但是，TU Wien 的团队选择了镱激光器。相比于钛蓝宝石激光器，它成本更低、性能更高。Paolo Carpeggiani及其同事增加了镱激光器的辐射波长，然后采用分子气体来代替传统晶体来输出脉冲，从而极大地提高了效率，高达80%。

       该成果以“HHG at the Carbon K-Edge Directly Driven by SRS Red-Shifted Pulses from an Ytterbium Amplifier”发表在ACS Photonics上（DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01021）。