CN1587932A - 双色场x射线交叉相关测量仪 - Google Patents

Abstract

一种双色场X射线交叉相关测量仪，包括差分泵浦真空系统和高强度超短飞秒激光束，在该飞秒激光束的光路中有分束镜，该分束镜的反射光束经真空系统的CaF窗片进入真空系统，在该反射光束的光路上依次还有时间延迟系统、第一会聚透镜、He气室、第一薄膜片、合束镜、球形多层膜反射镜，所述分束镜的反射光束经第一全反射镜和第二CaF窗片进入真空系统，该透射光束依次经BBO倍频晶体、第二会聚透镜、第二全反射镜、第二薄膜片到达合束镜，该合束镜是一中心开小孔的反射镜，在所述球形多层膜反射镜的反射光方向设有氖气喷嘴和时间飞行电子谱仪，该时间飞行电子谱仪接计算机。本发明能够识别出高次谐波过程中产生的是单个的阿秒XUV脉冲还是阿秒XUV脉冲序列。

Description

双色场x射线交叉相关测量仪

技术领域

本发明涉及阿秒脉冲，特别是一种双色激光场x射线交叉相关测量仪，是极紫外和软x射线波段单个阿秒脉冲和阿秒脉冲序列的识别系统，能够识别出周期量级强激光脉冲泵浦的高次谐波过程中产生的是单个阿秒脉冲还是包含两个或两个以上脉冲的阿秒脉冲序列。

背景技术

激光与物质的相互作用进入强场物理领域后，对于阿秒量级的超短脉冲的研究一直非常活跃。近年来提出了多种产生阿秒脉冲的方法，其中最为有效的产生途径是周期量级的钛宝石激光脉冲与惰性气体相互作用的高次谐波过程。实验上已经证明了高次谐波过程可以产生阿秒脉冲的理论预言，这揭开了阿秒测量学和研究亚飞秒电子动力学过程的序幕。但高次谐波过程中产生的可能是单个阿秒脉冲，也可能是包含两个或多个强度相当、间隔为泵浦激光周期一半的阿秒脉冲序列。对于阿秒时间尺度的探测，单个阿秒脉冲的产生是非常重要的，因此需要识别高次谐波过程中产生的是单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。现有的测量阿秒脉冲宽度的方法主要是基于激光辅助原子的XUV光电离，但是这些方法均无法识别高次谐波过程中产生的是单个阿秒脉冲还是包含有多个脉冲的阿秒脉冲序列。已有的可以识别单个阿秒脉冲和阿秒脉冲序列的方法是阿秒互相关，见Armin Scrinzi，Michael Geissler，and Thomas Brabec，“Attosecond Cross Correlation Technique”，PRL，Vol 86，No.3，412~415(2001)：根据原子或离子的电离率随激光与XUV光之间时间延迟的变化曲线做出判断。该方法的缺点是要求XUV光子能量要低于原子或离子的电离势，这在实验上很难实现。

传统的激光辅助电离中，采用高次谐波泵浦激光同时作为测量过程的辅助激光，由于高次谐波过程产生的阿秒脉冲序列中脉冲之间的间隔为泵浦激光周期的一半，所以在传统的激光辅助电离中，单个阿秒脉冲和阿秒脉冲序列引起的XUV光电子能谱随辅助激光和XUV脉冲之间时延的变化关系相同，无法确定所测量的是单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种双色激光场x射线交叉相关测量仪，它可以识别出高次谐波过程产生的是单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。

本发明的基本原理是采用基频激光脉冲与其倍频光的组合光束作为测量过程的辅助激光，使在某些时延位置，相邻阿秒脉冲产生的光电子能谱出现分离，从而将单个阿秒脉冲和阿秒脉冲序列识别开来。

本发明的技术解决方案如下：

一种双色场X射线交叉相关测量仪，包括差分泵浦真空系统和一高强度超短飞秒激光束，其特征是在该飞秒激光束的光路中有一分束镜，该分束镜的反射光束经真空系统的第一CaF窗片进入真空系统，在该反射光束的光路上依次还有时间延迟系统、第一会聚透镜、He气室、第一薄膜片、合束镜、球形多层膜反射镜，所述的分束镜的反射光束经第一全反射镜和真空系统的第二CaF窗片进入真空系统，在该透射光束的光路依次经BBO倍频晶体、第二会聚透镜、第二全反射镜、第二薄膜片到达合束镜，该合束镜是中心开一小孔的反射镜，在所述球形多层膜反射镜的反射光方向设有一氖气喷嘴和一时间飞行电子谱仪，该时间飞行电子谱仪的输出端接一计算机，所述的第一薄膜片和第二薄膜片均是在其中心镀相同大小的圆形锆膜的薄膜片。

所述的真空系统具有差分泵浦功能，前端阿秒脉冲产生腔可达10^-2Pa以上的真空度，后端阿秒脉冲测量腔可达约10^-5Pa的真空度。

所述的第三反射镜、第一全反射镜表面镀有基频光高反膜。

所述的时间延迟系统是由四块表面镀有基频光高反膜的全反透镜组成的。

所述的第二反射镜是表面镀有倍频光高反膜。

所述的第一会聚透镜和第二会聚透镜是透镜前后表面镀有基频光的0°增透膜。

所述的球形多层膜反射镜具有一个环形部分，中间是一个小孔，孔中是一个微型反射镜，这两部分的基底具有相同的曲率半径，中心的微型反射镜装在压电陶瓷控制的步进电机上，该步进电机与真空系统之外的计算机相连。

所述的时间飞行电子谱仪的轴向垂直于光束传播方向和激光偏振方向所构成的平面。

本发明的优点是：

1、将基频激光束经分束透镜的透射光束倍频得到倍频光激光束，保证了基频激光束与倍频激光束之间的锁相。

2、确定了高次谐波过程中产生的是单个阿秒脉冲后，挡掉光路B，即可通过基频光激光辅助电离阿秒XUV脉冲宽度对电子能谱展宽作用的影响测量阿秒脉冲宽度。

附图说明

图1是本发明双色激光场x射线交叉相关测量仪的结构图。

图2是双色场单阿秒脉冲产生的XUV光电子能谱与双色光和阿秒XUV光之间时间延迟的关系图。

图3是双色场双阿秒脉冲产生的XUV光电子能谱与双色光和阿秒XUV光之间时间延迟的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明双色激光场x射线交叉相关测量仪的结构图。由图可见，本发明双色场X射线交叉相关测量仪，包括差分泵浦真空系统5和一高强度超短飞秒激光束1，其特征是在该飞秒激光束1的光路中有一分束镜10，该分束镜10的反射光束A经真空系统5的第一CaF窗片14进入真空系统5，在该反射光束A的光路上依次还有时间延迟系统8、第一会聚透镜12、He气室19、第一薄膜片17、合束镜11、球形多层膜反射镜20，所述的分束镜10的反射光束B经第一全反射镜7和真空系统5的第二CaF窗片15进入真空系统5，在该透射光束B的光路上依次经BBO倍频晶体16、第二会聚透镜13、第二全反射镜9、第二薄膜片18到达合束镜11，该合束镜11是中心开一小孔的反射镜，在所述球形多层膜反射镜20的反射光方向设有一氖气喷嘴21和一时间飞行电子谱仪22，该时间飞行电子谱仪22的输出端接一计算机23，所述的第一薄膜片17和第二薄膜片18均是在其中心镀相同大小的圆形锆膜的薄膜片。

所述的真空系统5具有差分泵浦功能，前端阿秒脉冲产生腔可达10^-2Pa以上的真空度，后端阿秒脉冲测量腔可达约10^-5Pa的真空度。

所述的第三反射镜6、第一全反射镜7表面镀有基频光高反膜。所述的第二反射镜9是表面镀有倍频光高反膜。

所述的时间延迟系统8是由四块表面镀有基频光高反膜的全反透镜组成的。

所述的第一会聚透镜12和第二会聚透镜13是透镜前后表面镀有基频光的0°增透膜。

所述的球形多层膜反射镜20具有一个环形部分，中间是一个小孔，孔中是一个微型反射镜，这两部分的基底具有相同的曲率半径，中心的微型反射镜装在压电陶瓷控制的步进电机上，该步进电机与真空系统5之外的计算机23相连。

所述的时间飞行电子谱仪22的轴向垂直于光束传播方向和激光偏振方向所构成的平面。

以下是本发明测量仪实施例的详细说明：

高强度超短飞秒激光束1，即基频光，d＝8.0±02mm，τ＝7fs，倍频激光束2，光束1的倍频光，阿秒XUV脉冲3，组合激光束4，即光束1和光束2的组合，真空系统5，具有差分泵浦功能，前端阿秒脉冲产生腔可达10^-2Pa以上的真空度，后端阿秒脉冲测量腔可达约10^-5Pa的真空度，第三反射镜6、第一反射镜7，φ＝30mm，表面镀有基频光高反膜，时间延迟系统8，由四块φ＝30mm，表面镀有基频光高反膜的全反透镜组成，第二反射镜9，φ＝30mm，表面镀有倍频光高反膜，分束透镜10，φ＝30mm，对基频光的入射光束1分束，其反射光与透射光强度之比可为1∶1、1∶0.5或1∶0.2等不同比率的透镜，合束镜11，φ＝30mm，中心开一小孔，小孔的直径约为2mm，第一会聚透镜12，φ＝30mm，透镜前后表面镀有基频光的0°增透膜，焦距f＝150cm，也可选用其它不同焦距的透镜，第二会聚透镜13，φ＝30mm，透镜前后表面镀有倍频光的0°增透膜，焦距f＝150cm，也可选用其它焦距的透镜，第一CaF窗片14、第二CaF窗片15，BBO倍频晶体16，第一薄膜片17和第一薄膜片18都是中心镀有锆膜的薄膜片，200nm厚，直径3mm的锆膜片挡住了一个直径2mm的小孔，准静态Ne气室19，Mo/Si球形多层膜反射镜20，包括一个外径为10mm的环形部分，中间是一个直径3mm的小孔，孔中则是一个直径略小一些的微型反射镜，这两部分共有相同的基底，以确保具有相同的曲率半径R＝70mm，中心的微型反射镜则装在压电晶体控制的步进电机上，可以从真空系统5外进行调整和控制，He气喷嘴21，时间飞行电子谱仪(TOF)22，该谱仪的轴向垂直于光束传播方向和激光偏振方向构成的平面，计算机23与时间飞行电子谱仪(TOF)22相连。

其工作过程，将超短脉冲激光1分为两束，其中一束倍频后的激光束2与基频光1组成双色场4，作为激光辅助电离过程的辅助激光场。调节双色场与阿秒脉冲之间的延迟，时间飞行电子谱仪22探测双色场激光辅助电离XUV光电子能谱随延迟时间的变化并送计算机23显示和存贮。从得到的XUV光电子能谱—延迟时间关系图可识别出高次谐波过程产生的是单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。

本发明用于识别高次谐波过程中产生的XUV脉冲是单个阿秒脉冲还包含有两个或多个脉冲的阿秒脉冲序列。周期量级基频强激光脉冲1经第三全反透镜6入射到分束透镜10上。其反射光束A穿过第一CaF窗片14进入真空系统5，经过时间延迟系统8后由会聚透镜12聚焦到准静态Ne气室19内，强激光脉冲与惰性气体相互作用的产生高次谐波过程，生成阿秒XUV脉冲3。XUV脉冲3与激光脉冲1共轴地向前传播，穿过中心镀有锆(Zr)膜的第一薄膜片17，由于锆模对XUV是完全透明的而激光脉冲则无法通过，因此最后获得的是一个中央为XUV光束而周围为环状激光光束的组合光束，这个组合光束继续向前传播，透过中心开有小孔的合束镜11，高次谐波3可由中心小孔无阻挡地通过。这是一方面。

另一方面，分束透镜10的透射光束B，走光路B经第一全反镜7后穿过第二CaF窗片15进入真空系统5，经过BBO倍频晶体16后转换为倍频激光束2，激光光束2由会聚透镜13聚焦后由第二全反镜9反射，经过一个中心镀有锆模的第二薄膜片18，激光光束2的中心部分被锆膜阻挡，透过的环状光束射向中心开有小孔的合束镜11被反射。经过合束镜11的光束A的透射光束和光束B的反射光束共轴的向前传播，基频光和倍频光的环状光束组成了双色激光场。调整光路，使得第一会聚透镜12、第二会聚透镜13到中心开有小孔的合束镜11的距离相等，倍频光环状光束与基频光环状光束之间的时间延迟可以由时间延迟系统8从真空系统5外部进行调整和控制，以形成不同的组合效果。双色激光场和阿秒XUV光脉冲共轴向前传播，由一个中心被双压电陶瓷控制的Mo/Si球形多层膜反射镜20反射聚焦到He气喷嘴21处。该反射镜的压电陶瓷能够实现分辨率达到0.1fs，程长约50fs的无抖动延迟。在激光与惰性气体原子的相互作用区，双色激光场作为辅助激光场参与He气原子的XUV光电离过程，阿秒XUV脉冲和双色光电场在He气原子的电离过程中发生互相关作用。时间飞行电子谱仪(TOF)22在与光束传播方向和激光偏振方向构成的平面垂直的方向探测XUV光电子能谱，探测结果输送到计算机23。球多层膜反射镜20可由外部调节连续改变双色激光场与阿秒脉冲之间的时间延迟，从而记录XUV光电子能谱随时间延迟的变化。从得到的XUV光电子能谱随双色激光场和阿秒XUV光之间时间延迟的变化图中，是否有能谱分离出现，可以立即得出结论，高次谐波过程中得到的是单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。

为了验证本发明的有效性，我们分别对双色场激光场辅助的的单个阿秒脉冲和含两个脉冲的阿秒序列电离进行了数值模拟。我们的计算基于公式(1)参见J.Itatani，F.Quere.G.L.Yudin，M.Yu.Ivanov，F.Krausz，and P.B.Corkum，“Attosecond Streak Camera”，PRL，Vol 88，No.17，l73903(2002)

${\left|a_v\right|}^2\∝\frac{{\left|d_{p\left(t_0\right)}{E}_X\left(t_0\right)\right|}^2}{\mathrm{\μ}}\exp [-{(\frac{p^2\left(t_0\right)}{2}-W_0)}^2\frac{{\mathrm{\τ}}^2}{{\mathrm{\μ}}^2}],---\left(1\right)$

$\mathrm{\μ}=\sqrt{1+{\mathrm{\η}}^2},$ η＝E_L(t₀)p(t₀)τ²，

其中，|a_v(T)|²表示在双色场和阿秒XUV脉冲过去之后探测到的动量为v的态|v>的强度几率，p(t₀)表示光电子的瞬时动量，它由阿秒脉冲单独存在时XUV光电子的动量和瞬时双色场矢势组成，d_p(t0)是从基态跃迁到连续态的动量为p(t₀)偶极跃迁矩阵元素，E_X(t₀)表示阿秒脉冲，W₀表示XUV光电子的初始动能，E_L(t₀)表示双色激光电场，t₀表示电离时刻。

数值计算中，双色光脉冲可以用(2)式表示(数值计算中采用基频光场波长为800nm)

E_c(t)＝E₀(t)(sin(ω_Lt)+0.5sin(2ω_Lt))，                  (2)

其中E₀(t)为高斯形脉冲包络，基频光的脉冲宽度为5fs，双色激光场的峰值强度为7.88×10¹⁴W/cm²，这样的激光脉冲在现在的激光技术条件下是可以得到的。

测试结果如图2和图3所示，图2是双色场单阿秒脉冲产生的XUV光电子能谱与双色光和阿秒XUV光之间时间延迟的关系图。

图3是双色场双阿秒脉冲产生的XUV光电子能谱与双色光和阿秒XUV光之间时间延迟的关系图。

由图可见，从XUV光电子能谱随双色激光场和阿秒XUV光之间时间延迟的变化图中，是否有能谱分离出现，可以立即得出结论，高次谐波过程中得到的是单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲序列。

Claims (7)

1、一种双色场X射线交叉相关测量仪，包括差分泵浦真空系统(5)和高强度超短飞秒激光束(1)，其特征是在该飞秒激光束(1)的光路中有分束镜(10)，该分束镜(10)的反射光束(A)经真空系统(5)的第一CaF窗片(14)进入真空系统(5)，在该反射光束(A)的光路上依次还有时间延迟系统(8)、第一会聚透镜(12)、He气室(19)、第一薄膜片(17)、合束镜(11)、球形多层膜反射镜(20)，所述的分束镜(10)的反射光束(B)经第一全反射镜(7)和真空系统(5)的第二CaF窗片(15)进入真空系统(5)，在该透射光束(B)的光路上依次还有BBO倍频晶体(16)、第二会聚透镜(13)、第二全反射镜(9)、第二薄膜片(18)到达合束镜(11)，该合束镜(11)是一中心开孔的反射镜，在所述球形多层膜反射镜(20)的反射光方向设有一氖气喷嘴(21)和一时间飞行电子谱仪(22)，该时间飞行电子谱仪(22)的输出端接一计算机(23)，所述的第一薄膜片(17)和第二薄膜片(18)均是在其中心镀相同大小的圆形锆膜的薄膜片。

2、根据权利要求1所述的双色场X射线交叉相关测量仪，其特征在于所述的第三反射镜(6)、第一全反射镜(7)表面镀有基频光高反膜。

3根据权利要求1所述的双色场X射线交叉相关测量仪，其特征在于所述的时间延迟系统(8)是由四块表面镀有基频光高反膜的全反透镜组成的。

4、根据权利要求1所述的双色场X射线交叉相关测量仪，其特征在于所述的第二反射镜(9)是表面镀有倍频光高反膜。

5、根据权利要求1所述的双色场X射线交叉相关测量仪，其特征在于所述的第一会聚透镜(12)和第二会聚透镜(13)是透镜前后表面镀有基频光的0°增透膜。

6、根据权利要求1所述的双色场X射线交叉相关测量仪，其特征在于所述的球形多层膜反射镜(20)具有一个环形部分，中间设小孔，孔中是个微型反射镜，两者的基底具有相同的曲率半径，中心的微型反射镜装在压电陶瓷控制的步进电机上，该步进电机与真空系统(5)之外的计算机(23)相连。

7、根据权利要求1所述的双色场X射线交叉相关测量仪，其特征在于所述的时间飞行电子谱仪(22)的轴向垂直于光束传播方向和激光偏振方向所构成的平面。

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