（文章來源：科技報告與資訊）
蘇黎世聯邦理工學院的物理學家開發出一個高重復頻率的激光源，該激光源會產生跨越整個“水窗”波段的相干軟X射線。這項技術突破可以推動對生物，化學和材料科學以及物理學的廣泛研究。

大約20年前首次證明的產生亞飛秒持續時間的光脈沖的能力已經引發了一個全新的領域：原子秒科學和技術。桌面激光系統的出現使以前不可能進行的研究成為可能，從而使研究人員可以在自然、秒級的時間尺度上跟蹤、成像和表征原子、分子和固體中的電子過程。

使此類研究成為可能的激光系統通常在極紫外光譜帶中運行。然而，長期以來一直在尋求獲得更高的光子能量。特別令人感興趣的是所謂的水窗波段，被波長在2.2至4.4 nm之間的軟X射線占據。該光譜窗口的名稱和意義歸因于以下事實：在這些頻率下，光子不會被氧氣（因此也不會被水）吸收，但會被碳吸收。這是研究有機分子和天然水環境中的生物標本的理想選擇。

現在，存在少數跨越該頻率范圍的阿秒波源，但其適用性受到相對較低的1 kHz或更低的重復頻率的限制，這反過來又意味著計數率低和信噪比差。量子電子研究所Ursula Keller教授的超快激光物理小組的Justinas Pupeikis及其同事在Optica中寫道，該創新技術克服了現有技術的局限性。他們展示了第一個軟X射線源，它以100 kHz的重復頻率跨越了整個水窗波段，比最先進的射線源提高了100倍。

在高重復率下產生軟X射線的瓶頸是缺乏合適的激光系統來驅動臺式系統中產生阿秒脈沖。該過程稱為高諧波產生，它涉及與目標（通常是原子氣體）相互作用的強飛秒激光脈沖。然后，目標的非線性電子響應導致以驅動激光場頻率的奇數倍發射阿秒脈沖。為了確保響應包含跨越水窗波段的X射線光子，飛秒源必須在中紅外范圍內工作。而且，它必須傳送高峰值功率脈沖。而且所有這些都以高重復率進行。到目前為止，還沒有這樣的激光源。

Pupeikis等研究人員基于光學參量脈沖放大（簡稱OPCPA），系統地改進了他們在較早的工作中已 經探索過的方面。他們之前已經確定該方法很有希望實現高功率的中紅外光源，但是仍然需要進行實質性的改進，以實現在水窗中高諧波生成X射線光子所需的性能。特別是，他們將峰值功率從以前的6.3 GW提升到了14.2 GW，對于脈沖而言，其平均功率達到25 W，而脈沖的長度僅比基礎光場的兩次振蕩（16.5 fs）長一點。對于波長大于2μm的任何高重復率系統，顯示出的峰值功率是迄今為止報道的最高功率。

基于目前已達到的高水平性能，團隊計劃下一個階段通過高諧波產生進行頻率上變頻。為此，OPCPA的輸出光束通過潛望鏡系統被路由到距離15 m以上的另一個實驗室，以適應當地實驗室的空間限制。在那里，光束遇到了保持在45 bar壓力下的氦靶。對于紅外和X射線輻射之間的相位匹配，這樣的高壓是必需的，因此是最佳的能量轉換效率。

一旦所有碎片都放置到位，系統便會交付，產生相干的軟X射線輻射，其能量擴展至620 eV（2 nm波長），覆蓋整個水窗，相對于其他高重復率光源而言，這是在該頻率范圍內杰出的成就。
（責任編輯：fqj）