[論文レビュー] Apparatus for generation of nanojoule-class water-window high-order harmonics

Kotaro Nishimura, Yuxi Fu+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 63被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、テラワット級中赤外フェムト秒レーザーと差圧駆動を施した二重構造のパルスガスセルを用いて、ナノジュールクラスの水窓領域高次高調波（284–543 eV）を生成する新規装置を提示する。このシステムは、安定した高圧（最大1.5 bar）ヘリウムガス標的にして、ガス消費量を96.45%削減することで、スケーラブルでエネルギー調整可能なソフトX線源を実現し、アトセカンド科学および分光法に応用可能である。

ABSTRACT

In our recent study [Commun. Phys. 3, 92 (2020)], we have developed an approach for energy-scaling of high-order harmonic generation in water-window region under neutral-medium condition. More specifically, we obtained nanojoule-class water-window soft x-ray harmonic beam under phase match condition. It has been achieved by combining a newly developed terawatt-class mid-infrared femtosecond laser and a loose focusing geometry for high-order harmonic generation. The generated beam is more than 100 times intense compared to previously reported results. The experimental setup included two key parts: terawatt mid-infrared femtosecond driving laser [ Sci. Rep. 8, 7692 (2018)] and specially designed gas cell. Despite the dramatic drop in the optimal gas pressure due to loose focusing geometry, it still reached 1 bar level for helium. Moreover, faster leaking speed caused by larger pinhole size of the gas cell made the use of a normal gas cell impossible. Thus, we have designed a double-structured pulsed-gas cell with a differential pumping system, which enabled providing sufficiently high gas pressure. Moreover, it allowed reducing gas consumption significantly. Robust energy-scalable apparatus for high-order harmonic generation developed in in this study will enable the generation of over tens nanojoule water-window attosecond pulses in the nearest future.

研究の動機と目的

• ナノジュールレベルのパルスエネルギーを有する水窓領域ソフトX線高調波の耐障害性・エネルギースケーラブルな光源の開発。
• ローティングフォーカス幾何形状においても、最大1.5 barの高ガス圧を維持する課題の克服。
• 差圧駆動を導入したパルスガス操作により、高圧ガスセルにおけるガス消費量の低減。
• 長波長（1.7–2.4 µm）の中赤外駆動レーザーを用いて、水窓領域で位相一致を達成した高次高調波発生（HHG）の実現。
• 超高速ソフトX線分光法への応用を可能とする、強度が高く、コherentで、エネルギー調整可能な水窓放射の提供。

提案手法

• 高エネルギー（最大100 J）、少数周期、中赤外（1.7–2.4 µm）フェムト秒パルスを生成するため、二重チープド光増幅（DC-OPA）レーザーシステムを採用。
• 位相一致条件を満たす状態で、エネルギースケーリング可能な高次高調波を実現するため、ローティングフォーカス幾何形状を用いた。
• 相互作用領域で最大1.5 barの高ガス圧を維持しつつ、外部では高真空を保つため、差圧駆動を施した二重構造のパルスガスセルを設計。
• 時間およびバックプレッシャー関数としてのガスセルおよび真空チャンバー内の圧力プロファイルを理論計算し、実験的に検証。測定結果と良好な一致を示した。
• 位相一致条件式を用いてガス圧を最適化：Popt = [reNLω₀²(2πδn/reNLλ₁² + f₁/q² − η)]⁻¹、ここでδnは屈折率差、f₁は原子散乱因子、ηはイオン化度を表す。
• ヘリウムガスを用い、1.55 µm駆動波長で位相一致を達成し、284 eV光子エネルギーで0.12%の臨界イオン化度を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相一致条件下で、中赤外・テラワットクラスレーザーシステムを用いてナノジュールクラスの水窓領域高次高調波を生成可能か？
• RQ2 ローティングフォーカスHHG設定において、真空の完全性を損なわずに最大1.5 barの高ガス圧を維持できるか？
• RQ3 差圧駆動・パルスガスセルは、連続ガス供給方式と比較して、ガス消費量をどの程度低減できるか？
• RQ4 本装置を用いて水窓領域で達成可能な最大高調波強度は何か？ また、従来のシステムと比較してどうか？
• RQ5 本光源は、芳香族薄膜などの軽元素材料の高分解能吸収分光法に応用可能か？

主な発見

• 本装置は、ナノジュールクラスの水窓領域高調波（284–543 eV）を生成し、従来報告された結果と比較して100倍以上の強度を達成した。
• 二重構造のパルスガスセルにより、相互作用領域で最大1.5 barの安定したガス圧を維持しつつ、ヘリウム用ターボ分子ポンプの正常運転を可能にした。
• パルスガス供給と差圧駆動のおかげで、ガス消費量は連続供給時の3.55%にまで低減され、96.45%の削減が達成された。
• 従来の連続ガスセルと比較して、高調波強度が10倍以上に増加した。主な要因は、より高いガス圧へのアクセスが可能になったことである。
• 本装置により、芳香族薄膜の吸収分光法において、炭素Kエッジ（284 eV）付近に合理的なエネルギー分解能を有する2次元微細吸収構造の観測が可能になった。
• ガスセル内の理論的および実験的圧力プロファイルは良好な一致を示し、高圧運転のための設計および制御戦略の妥当性が検証された。