CN102185250A

CN102185250A - 一种产生飞秒级时间分辨的x射线源的装置及方法

Info

Publication number: CN102185250A
Application number: CN 201010600541
Authority: CN
Inventors: 陈黎明; 毛婧一; 张璐; 孙彦乾; 张�杰
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-16
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明提供一种用于产生飞秒级时间分辨的X射线源的装置，包括：飞秒激光器、反射镜、聚焦光学元件以及设置在真空靶室中的靶物质和超声气体喷嘴，其中所述飞秒激光器用于输出脉宽在飞秒量级的激光脉冲，所述激光的对比度在10^-9至10^-8范围内；所述聚焦光学元件用于接收所述激光脉冲并将其引导到聚焦光学元件的聚焦区域，所述聚焦区域激光的平均强度至少为5×10¹⁶W/cm²；所述靶物质通过所述超声气体喷嘴后变为团簇，并与所述聚焦区域的激光脉冲相互作用后产生飞秒级X射线，所述气体为惰性气体。该装置操作简便，所形成的超快单色硬X射线源为单发激光驱动的X射线在fs时间分辨上的应用提供了可能。

Description

一种产生飞秒级时间分辨的X射线源的装置及方法

技术领域

本发明涉及X射线源领域，特别涉及一种产生飞秒级时间分辨X射线源的装置及方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步和发展，X射线技术已在许多领域得到广泛应用。在过去，X射线源可以通过同步辐射光源和X光管等设备产生，比如同步辐射光源被证明可以应用于各种科学研究，但是，由于其设备巨大，相对长的脉冲时间特性和多色性，在实际应用中具有较大的局限，而X光管是连续的X射线源，不能进行时间分辨的应用和测量。近些年来，由飞秒激光器产生的等离子体中辐射出的硬X射线被广泛研究，这种超强超短硬X射线源以其紧凑、亚皮秒脉冲宽度以及其单色性的特质成为一种同步辐射源的补充光源。然而目前，这种激光驱动的硬X射线源的缺点是未达到飞秒量级的时间分辨，因此无法实现对原子分子层面的超快时间探测，使其在成像领域的应用受到很大限制。

发明内容

为此，本发明提供一种用于产生飞秒(fs)量级时间分辨的X射线源的装置及方法，能够解决上述现有技术中存在的问题，而且该装置配置简单、便于操作，可广泛应用于各个应用领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种用于产生飞秒级时间分辨的X射线源的装置，包括：飞秒激光器、反射镜、聚焦光学元件以及设置在真空靶室中的靶物质和超声气体喷嘴，其中：

所述飞秒激光器用于输出脉宽在飞秒量级的激光脉冲，所述激光的对比度在10^-9至10^-8范围内；

所述聚焦光学元件用于接收所述激光脉冲并将其引导到聚焦光学元件的聚焦区域，所述聚焦区域激光的平均强度至少为5×10¹⁶W/cm²；

所述靶物质通过所述超声气体喷嘴后变为团簇，并与所述聚焦区域的激光脉冲相互作用后产生飞秒级X射线，所述气体为惰性气体。

在上述装置中，所述聚焦光学元件为离轴抛物镜、长焦透镜或凸透镜。

在上述装置中，还包括铍膜，用于当所产生的飞秒级X射线经过该铍膜，以滤掉杂散光。

在上述装置中，还包括CCD和计算机，用于当所产生的飞秒级X射线入射到其中时，探测聚焦区域的等离子体阴影像并测量X射线的能谱与通量。

在上述装置中，还包括探针光系统，其设置在聚焦区域上，用于探测聚焦区域的等离子体阴影像。其中，所述探针光系统包括入射到所述聚焦区域的探针光。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于产生飞秒级时间分辨的X射线源的方法，包括以下步骤：

1)将飞秒量级的激光脉冲会聚到聚焦区域，所述激光的对比度在10^-9至10^-8范围内，所述聚焦区域激光的平均强度至少为5×10¹⁶W/cm²；

2)惰性气体的团簇与聚焦区域的所述激光脉冲相互作用并产生飞秒级X射线。

在上述方法中，所述惰性气体的团簇在真空下形成。

在上述方法中，还包括步骤3)：对步骤2)的飞秒级X射线进行单光子计数。

在上述方法中，还包括步骤4)：测量步骤2)的飞秒级X射线流强。

本发明克服了已有技术的缺点，通过高对比度飞秒激光脉冲与小尺寸团簇靶相互作用产生超快的Ar的K壳层X射线，从而提供一种产生超快X射线源的方法。该装置操作简便，峰值亮度约为2×10²¹photons/s/mm²/mrad²，可以与第三代同步辐射源的峰值亮度相比拟，并经数值分析证实此源为脉冲宽度为10飞秒量级的超快源，此超快单色硬X射线源为单发激光驱动的X射线在fs时间分辨上的应用提供了可能。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明优选的实施例的装置示意图；

图2(a)和图2(b)分别是根据理论模拟的本发明优选实施例的超快X射线源的原理图，其中图2(a)为团簇内电子能量，图2(b)为团簇外电子的能量。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明的目的，其不以任何方式限制本发明的范围。另外需要说明，本发明所使用的术语“超快X射线”取其在本领域内的常规含义，指的是脉冲时间尺度为飞秒(fs)量级的X射线。

图1为本发明一个优选实施例的用于产生超快X射线源的装置示意图。如图1所示，由10Hz、800mJ、中心波长为800nm的钛宝石激光器1输出脉宽为28fs的激光脉冲，经过800nm全反镜(或反射镜)2入射到真空靶室，然后经过离轴抛物镜3(OAP)聚焦成光斑，聚焦区域激光的平均强度为1.6×10¹⁸W/cm²。位于真空靶室中的超声速气体喷嘴4和靶物质(未示出)设置为使得当喷嘴中4有气体喷出时，所产生的靶物质团簇位于抛物镜聚焦区域处，该团簇在聚焦区域处与激光相互作用，产生K壳层超快X射线源。在本实施例中，靶物质可以是诸如Ar的惰性气体。

可选地，还可以让X射线经过铍膜5和6到达单光子计数CCD 7进行单光子计数，并经过与之相连的计算机8控制并测量Ar的K壳层X射线流强。

经实验测得，超强飞秒激光与Ar团簇相互作用产生了能量约3keV的超快X射线源，数值模拟实验显示，其K壳层X脉冲宽度短至10fs，是一个超短超快的X射线源。

本发明的原理在于：由于采用飞秒激光器，即产生高对比度激光(对比度是预脉冲和主脉冲强度的比值，其值越小越好，预脉冲能够使得固体密度的团簇预膨胀，会导致电子的无效加热，从而减小X射线流强。在本发明中采用10^-8至10^-9量级的对比度)，其能够抑制团簇的先期膨胀，当主脉冲到来时高对比激光直接与固体密度的团簇相互作用，电子被激光电场所控制，沿团簇做周期震荡；在激光脉冲过后，电子振动能量迅速消失，从而形成超快X射线源。电子在10飞秒的时间尺度内被有效驱动，产生脉宽比同步辐射源短约100倍的X射线辐射。如果采用普通激光器的低对比度的激光，由于预脉冲的作用，激光主峰到来之前，团簇已经膨胀到共振吸收的密度，激光所激发的是一个长时间行为的共振过程，电子在团簇内部反复震荡，则激发出K壳层的X射线不是fs量级，而是高达ps量级。此外，在本发明中，聚焦区域的平均激光强度应至少大于振动能量3keV所对应的激光场强度，约为I＝5×10¹⁶W/cm²，从而能够激发K壳层X射线的发射。

图2(a)和图2(b)是根据理论模拟上述优选实施例的超快X射线源原理图，反映了K壳层X射线光子产生于激光场前沿的电子振动情况。其中图2(a)表示Ar团簇内电子振动的平均能量与激光周期的关系，图2(b)表示Ar团簇外电子振动的平均能量与激光周期的关系。一般说来，当I＝1×10¹⁷W/cm²，振动能量约为6keV，这个能量已经足够高来激发能量为3keV的Ar的K壳层光子。图2(a)显示团簇内电子的振动能量不足以激发K壳层的X射线发射。图2(b)中，只有尖刺大于5keV的约3个激光周期才能符合此能量段(相应于10fs脉宽)。考虑到Ar的K壳层空穴寿命约为4.8fs，推断K壳层X射线脉冲宽度短至10fs，由此说明上述装置所产生的为一个超快硬X射线源。

可选地，在上述装置中还可以包括探针光系统，用于探测聚焦区域的等离子体阴影像。如图1所示，探针光9经过反射镜10和11入射到聚焦区域，出射的光束经透镜12、反射镜13和14被聚焦到CCD 17上，CCD17与计算机18相连。所述CCD还可以是单光子计数CCD，用于定量地测量X射线单发流强。可选地，在反射镜14和CCD 17之间还可以设置衰减片15，以控制射入CCD的光强，或者还可以设置与激光波长相同的带通滤光片16，例如本实施例中为800nm的带通滤光片，以排除其它波段的光干扰。另外，对于本领域普通技术人员可以理解，在此探针光探测阴影像系统中，反射镜10、11的作用是为了引导光束到聚焦区域，然而这不是必需的，不采用任何光学元件或者采用其他元件而使探针光入射到相互作用区域内同样能够实现此目的。同样，反射镜13、14也可以没有或由其他元件所替代。

在上述装置中，所采用的光学元件及其数量仅为示意性的，采用能起到相同作用的其他本领域公认的元器件同样可以实现本发明的目的。例如，钛宝石激光器可以由超强激光领域所常用的其他飞秒激光器(即可以产生飞秒级脉宽的激光器)所替代，例如通常有KrF激光器等。对于激光器的波长、频率等条件，没有严格限制，本领域普通技术人员在本实施例的启示下，可以根据具体情况选用。另外，离轴抛物镜还可以由诸如球面聚焦镜、长焦透镜等其他聚焦光学元件所替代，它们都可以对激光进行聚焦，但离轴抛物镜能够消除激光传输过程中的像差，并且能够承受更高的激光能量阈值，因此作为优选。单光子计数CCD用来测量产生的X射线能谱与通量，衰减片用于控制入射到CCD中的光强以避免CCD的损坏，铍膜用于滤掉低能部分的X射线和杂散光从而得到所需能段的X射线，这些装置对于X射线的产生都属非必要装置。

虽然没有详细说明，但本领域普通技术人员可以理解，本发明的装置的部分部件需要设置在真空中，如图1中用外框所表示的部分元件及光路。另外，还可以通过改变激光和相互作用条件，如激光对比度，气体背压，喷嘴相对于激光焦点位置等，获得更优的超短X射线辐射以及最大的K壳层X射线辐射通量。

综上所述，本发明提出的超快X射线源装置操作简单，占用空间小，造价低廉，与同步辐射源、X光管等相比，具有显著优异，能够进行fs时间分辨的测量与应用。尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进。

Claims

1.一种用于产生飞秒级时间分辨的X射线源的装置，包括：飞秒激光器、反射镜、聚焦光学元件以及设置在真空靶室中的靶物质和超声气体喷嘴，其中，所述飞秒激光器用于输出脉宽在飞秒量级的激光脉冲，所述激光的对比度在10^-9至10^-8范围内；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦光学元件为离轴抛物镜、球面聚焦镜或长焦透镜。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括铍膜，用于当所产生的飞秒级X射线经过该铍膜，以滤掉杂散光。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括CCD和计算机，用于当所产生的飞秒级X射线入射到其中时，探测聚焦区域的等离子体阴影像并测量X射线的能谱与通量。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括探针光系统，其设置在聚焦区域上，用于探测聚焦区域的等离子体阴影像。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述探针光系统包括入射到所述聚焦区域的探针光。

7.一种用于产生飞秒级时间分辨的X射线源的方法，包括以下步骤：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述惰性气体的团簇在真空下形成。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，还包括步骤3)：对步骤2)的飞秒级X射线进行单光子计数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括步骤4)：测量步骤2)的飞秒级X射线流强。