[论文解读] 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 13

一句话总结

本论文提出一种新颖装置，利用千瓦级中红外飞秒激光与具有差压泵送功能的双结构脉冲气体腔，实现了纳米焦耳量级水窗波段高阶谐波（284–543 eV）的产生。该系统通过实现稳定、高压（最高达1.5 bar）的氦气靶，同时将气体消耗降低96.45%，使谐波强度较以往结果提升超过100倍，从而为阿秒科学与光谱学提供了可扩展、能量可调的软X射线源。

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.

研究动机与目标

• 开发一种坚固、能量可扩展的水窗波段软X射线谐波源，脉冲能量达到纳米焦耳量级。
• 克服在松散聚焦几何结构中维持高气体压力（最高达1.5 bar）的同时保持真空完整性的挑战。
• 通过采用脉冲气体运行与差压泵送技术，降低高压气体腔中的气体消耗。
• 利用长波长（1.7–2.4 µm）中红外驱动激光，在水窗波段区域实现相位匹配的高阶谐波产生（HHG）。
• 通过提供高强度、相干且可调谐的水窗辐射，促进超快软X射线光谱学的应用。

提出的方法

• 采用双啁啾光学参量放大（DC-OPA）激光系统，生成能量高达100 J、少周期、中红外（1.7–2.4 µm）飞秒脉冲。
• 利用松散聚焦几何结构，在相位匹配条件下实现高阶谐波的能量扩展。
• 设计一种双结构脉冲气体腔，结合差压泵送，实现在相互作用区域维持高气体压力（最高达1.5 bar），同时在外部保持高真空。
• 计算并实验验证了气体腔与真空室中压力分布随时间与背压的变化，测量结果与理论预测高度一致。
• 基于相位匹配条件方程优化气体压力：Popt = [reNLω₀²(2πδn/reNLλ₁² + f₁/q² − η)]⁻¹，其中δn为折射率差，f₁为原子散射因子，η为电离度。
• 在1.55 µm驱动波长下实现相位匹配，对于氦气在284 eV光子能量下，临界电离分数为0.12%。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相位匹配条件下，能否利用中红外、千瓦级激光系统产生纳米焦耳量级的水窗波段高阶谐波？
• RQ2 在松散聚焦HHG装置中，如何在不破坏真空完整性的前提下维持高达1.5 bar的气体压力？
• RQ3 与连续流系统相比，采用差压泵送的脉冲气体腔在多大程度上降低了气体消耗？
• RQ4 该装置在水窗波段区域可实现的最大谐波强度是多少？与以往系统相比性能如何？
• RQ5 该光源能否实现对轻元素材料（如芳香薄膜）的高分辨率吸收光谱分析？

主要发现

• 该装置成功生成了纳米焦耳量级的水窗波段谐波（284–543 eV），其强度较以往报道结果提升超过100倍。
• 双结构脉冲气体腔在相互作用区域实现了高达1.5 bar的稳定气体压力，同时确保了涡轮分子泵对氦气的正常运行。
• 由于采用脉冲气体输送与差压泵送，气体消耗降低至连续流运行的3.55%，即减少了96.45%。
• 与传统连续气体腔相比，该系统实现了谐波强度超过十倍的提升，主要归因于可实现更高的气体压力。
• 该装置在碳K边附近（284 eV）实现了二维精细吸收结构，且在芳香薄膜吸收光谱分析中表现出合理的能量分辨率。
• 理论与实验测得的气体腔内压力分布高度一致，验证了高压运行下装置设计与控制策略的有效性。