[논문 리뷰] Apparatus for generation of nanojoule-class water-window high-order harmonics

Kotaro Nishimura, Yuxi Fu외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 30.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 63인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 테라와트급 중적외선 피코초 레이저와 차압 펌프링을 갖춘 이중 구조의 펄스 가스 셀을 사용하여 나노줄 레벨의 워터 윈도우 고차 조화성분(284–543 eV)을 생성하는 새로운 장치를 제시한다. 이 시스템은 안정적인 고압(최대 1.5 bar) 헬륨 기체 표적을 가능하게 하면서도 기체 소비를 96.45% 감소시켜, 약속된 에너지 조절이 가능한 연속적인 연장 가능한 소프트 엑스선 원천을 실현함으로써 아토세컨드 과학 및 분광법에 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노줄 수준의 펄스 에너지를 갖춘 내구성 있고 에너지 조절이 가능한 워터 윈도우 소프트 엑스선 조화성분 원천 개발.
• 이완 초점 기하학에서 고압(최대 1.5 bar)을 유지하면서 진공의 무결성을 유지하는 문제 해결.
• 차압 펌프링을 통한 펄스 가스 공급 방식을 도입하여 고압 가스 셀의 기체 소비를 감소.
• 장파장(1.7–2.4 µm) 중적외선 주입 레이저를 사용하여 워터 윈도우 영역에서 고차 조화성분 발생의 위상 일치 조건 달성.
• 초고속 소프트 엑스선 분광법 응용을 위해 강력하고, 간섭계적으로 일관되며, 에너지 조절이 가능한 워터 윈도우 복사원 제공.

제안 방법

• 고에너지(최대 100 J), 소수기, 중적외선(1.7–2.4 µm) 피코초 펄스를 생성하기 위해 이중 채널링 광학 주입 증폭(이중-채널링 OPA) 레이저 시스템을 사용.
• 위상 일치 조건 하에서 고차 조화성분의 에너지 확장을 가능하게 하기 위해 이완 초점 기하학을 적용.
• 상호작용 영역에서 고압(최대 1.5 bar)을 유지하면서 외부는 고진공 상태를 유지하기 위해 차압 펌프링을 갖춘 이중 구조의 펄스 가스 셀을 설계.
• 시간과 배압에 따른 가스 셀 및 진공 챔버 내 압력 프로파일을 이론적으로 계산하고 실험적으로 검증하여 측정 결과와 양호한 일치를 확보.
• 위상 일치 조건 방정식을 사용하여 최적의 기체 압력을 최적화: Popt = [reNLω₀²(2πδn/reNLλ₁² + f₁/q² − η)]⁻¹, 여기서 δn은 굴절률의 차이, f₁은 원자 산산율 계수, η는 이온화도이다.
• 헬륨에서 284 eV 광자 에너지에서 1.55 µm 주입 파장에서 위상 일치를 달성하였으며, 임계 이온화도는 0.12%였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위상 일치 조건 하에서 중적외선 테라와트급 레이저 시스템을 사용하여 나노줄 수준의 워터 윈도우 고차 조화성분을 생성할 수 있는가?
• RQ2 이완 초점 HHG 구조에서 진공의 무결성을 해치지 않으면서 최대 1.5 bar의 고압을 유지할 수 있는가?
• RQ3 연속 유량 시스템에 비해 차압 펌프링 및 펄스 가스 셀이 기체 소비를 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 이 장치를 사용하여 워터 윈도우 영역에서 도달 가능한 최대 조화성분 강도는 얼마이며, 이는 이전 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 이 원천은 페놀성 박막과 같은 경량 원소 물질의 고해상도 흡수 분광법을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 장치는 이전에 보고된 결과보다 100배 이상 높은 강도를 갖는 나노줄 수준의 워터 윈도우 조화성분(284–543 eV)을 생성하였다.
• 이중 구조의 펄스 가스 셀은 상호작용 영역에서 최대 1.5 bar의 안정된 기체 압력을 유지하면서도 헬륨의 터보 분자 펌프 정상 작동을 가능하게 하였다.
• 펄스 가스 공급 및 차압 펌프링 덕분에 기체 소비가 연속 유량 작동 대비 3.55%로 감소하여 총 96.45% 감소를 달성하였다.
• 기존 연속 가스 셀 대비 조화성분 강도가 10배 이상 증가하였으며, 주로 더 높은 가용 기체 압력 덕분이었다.
• 장치를 통해 페놀성 박막의 흡수 분광법에서 탄소 K-엣지(284 eV) 근처에서 합리적인 에너지 해상도를 갖는 이중 차원 미세 흡수 구조를 구현하였다.
• 가스 셀 내 이론적 및 실험적 압력 프로파일 간 우수한 일치를 보였으며, 고압 작동에 대한 설계 및 제어 전략의 타당성을 검증하였다.