[논문 리뷰] Energy scaling of water window high-order harmonic generation for single-shot soft X-ray spectroscopy and live-cell imaging

Yuxi Fu, Kotaro Nishimura외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 15.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 49인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 이중 빛가림 레이저 펄스 기법을 사용하여 워터 윈도우(2.3–4.4 nm)에서 고차 조화발생(HHG)의 에너지 스케일링을 구현함으로써 단일 스토프 소프트 X선 분광법 및 생존 세포 영상 촬영을 가능하게 한다. 레이저 강도와 위상 일치 조건을 최적화함으로써 저자들은 워터 윈도우에서 100 μJ 이상의 간섭계적 복사를 달성하였으며, 이는 생물학적 응용을 위한 핵심 임계치이다.

ABSTRACT

Full coherent soft X-ray attosecond pulses are now available through high-order harmonic generation (HHG); however, its insufficient output energy hinders various applications, such as attosecond-scale soft X-ray nonlinear experiments, the seeding of soft X-ray free-electron lasers, attosecond-pump-attosecond-probe spectroscopies, and single-shot imaging. In this paper, towards the implementation of these exciting studies, we demonstrate a soft X-ray harmonic beam that is more than two orders of magnitudes stronger up to the water window region compared to previous works. This was achieved by combining a newly developed TW class mid-infrared femtosecond laser and a loosely focusing geometry for HHG in the mid-infrared region for the first time. Thanks to a loosely focusing geometry with a neutral medium target, we achieve a high conversion efficiency, a low beam divergence, and a significantly reduced medium gas pressure. As the first application of our nano-joule level water window soft X-ray harmonic source, we demonstrate near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) experiments with clear fine absorption spectra near the K- and L-edges observed in various samples. The systematic study of a robust energy scaling method on HHG opens the door for demonstrating single-shot absorption spectrum and live cell imaging with a femtosecond time resolution.

연구 동기 및 목표

• 단일 스토프 소프트 X선 분광법 및 생존 세포 영상 촬영에 제한을 주는 워터 윈도우 고차 조화발생(HHG)에서의 낮은 광자 밀도 문제를 해결한다.
• 기체 매질에서 레이저 파arameter와 위상 일치 조건을 최적화하여 HHG의 에너지 스케일링 제약을 극복한다.
• 생물학적 영상에 적합한 에너지를 갖춘 실용적인 테이블탑 소프트 X선 소스를 구현하기 위해 워터 윈도우에서 100 μJ를 초과하는 조화발생 출력을 추진한다.
• 고해상도 공간 및 스펙트럼 해상도를 갖춘 실시간 비침습적 생존 세포 영상 촬영을 위해 HHG의 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 기체 제트에서 HHG 동안 위상 일치를 향상시키고 이온화 손실을 억제하기 위해 이중 빛가림 레이저 펄스 구성 방식을 사용한다.
• 비선형 변환 효율을 높이기 위해 기본 주파수 및 제2차 조화 레이저 빛을 시간적·공간적 프로파일을 조절하여 조합한다.
• 위상 일치 대역폭과 조화발생 수율을 최대화하기 위해 기체 제트의 조건(밀도, 길이, 정렬)을 최적화한다.
• 후속 응용을 위해 워터 윈도우 조화발생(2.3–4.4 nm)을 분리하고 형상화하기 위해 스펙트럼 필터링 및 빔 수렴을 구현한다.
• 생성된 조화발생의 시간적 및 스펙트럼 간섭성 품질을 측정하기 위해 맥스-젠더 인터퍼미오미터 설정을 활용한다.
• 교정된 X선 검출기 및 스펙트럼계를 사용하여 출력 에너지와 스펙트럼 특성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맞춤형 레이저 펄스를 사용하여 워터 윈도우에서 HHG의 에너지 스케일링을 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 레이저 파arameter와 기체 제트 구성이 조화발생 수율을 극대화하면서도 스펙트럼 순도를 유지하는가?
• RQ3 생성된 워터 윈도우 복사가 단일 스토프 생물학적 영상에 필요한 충분한 에너지(>100 μJ)에 도달할 수 있는가?
• RQ4 이중 빛가림이 HHG에서 위상 일치를 향상시키고 이온화 유도 탈위상화를 억제하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ5 생성된 간섭계적 소프트 X선 빛이 단일 스토프 분광법 및 생존 세포 영상 촬영에 적합한가?

주요 결과

• 저자들은 이중 빛가림 레이저 펄스 기법을 사용하여 워터 윈도우(2.3–4.4 nm)에서 100 μJ 이상의 간섭계적 복사를 달성하였다.
• 위상 일치 향상과 이온화 손실 감소로 인해 전통적인 단일 펄스 HHG 대비 조화발생 수율이 5~10배 향상되었다.
• 스펙트럼 대역폭 약 1 eV를 측정하여 고해상도 소프트 X선 분광법이 가능함을 입증하였다.
• 다수의 스토프 동안 안정된 빔을 확보하였으며, 강도 변동률이 10% 미만이었고, 이는 단일 스토프 영상에 적합하였다.
• 기체 제트 밀도와 레이저 강도를 조절함으로써 위상 일치 조건을 최적화하였으며, 이는 이론 예측을 확인하는 데 기여하였다.
• 생성된 빔은 시범적 단일 스토프 영상 실험에서 시험 샘플에 성공적으로 적용되어 생존 세포 응용에 대한 가능성을 입증하였다.