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基于自由电子激光的极紫外涡旋光
信息来源:信息管理中心 发布时间:2017年12月28日 【 】 【打印】 【关闭

  极紫外涡旋光可用来调控纳米粒子的磁性特征,增加显微镜的分辨率,获得材料的对称性和手性特征;甚至还可用来在长距离空间通信中增加带宽。但是,与可见和红外波段涡旋光的产生不同,产生强度高的极紫外和x射线波段的涡旋光仍然存在一些挑战,涡旋光是螺旋等相位面光束,位相因子为exp(l是拓扑荷值,ϕ是垂直光束传播方向的方位坐标,每个光子拥有轨道角动量l物质和极紫外涡旋光的相互作用将会产生新的现象,如光致电离中的偶极跃迁选择定则的破坏。提出了新的材料表征技术。在高分辨率激光加工和长距离空间通信方面也有潜在应用。上述大多数方案都要求能产生超短、高强度的极紫外或x射线涡旋光源,与产生可见和红外波段的涡旋光不同,产生强的极紫外或x射线涡旋光仍然存在挑战。 

  本文提出了一种基于自由电子激光的in-situ ex-situ 的在极紫外波段产生强的飞秒相干涡旋光技术,第一种方法利用螺旋波荡器中非线性谐波产生原理,在二次谐波上产生涡旋光,不需要额外的光学元件;后一种方法利用螺旋波带片产生聚焦的、微米尺寸涡旋光,峰值强度可达1014W/cm2,为短波长涡旋光非线性光学实验铺平了道路。 

  近来理论研究表明自由电子辐射出涡旋光是常见的,以圆或螺旋轨道运动的相对论电子产生辐射的谐波分量,每个光子携带有n(自旋和轨道)角动量,n是谐波次数,在近轴区域,这相当l=n-1的轨道角动量;尽管已经知道螺旋波荡器中辐射的谐波形似donut分布,轴线上强度为0,但这种辐射的螺旋相位才刚刚被详细地提出来,这些理论预测第一次得到证实是在同步辐射装置上用螺旋波荡器产生了极紫外涡旋光。但是同步辐射中电子的随机分布及辐射的非相干性,导致产生的涡旋光强度较低、时间相干性差。时间相干性和强度可以通过用种子激光及在辐射波长上对电子密度进行调制而得到加强,目前已用这种方案在单个波荡器上产生了红外波段相干涡旋光。 

  本研究发展了这种方法,用高次谐波和非线性谐波产生原理将涡旋光光谱扩展到了极紫外。实验装置如下图: 

  

  在第一个波荡器中用高斯分布的紫外种子激光对电子束能量进行调制,然后让电子进入色散段,将能量调制转变成密度调制(聚束),其傅里叶分量包含很多种子激光频率的谐波分量,这样的电子束进入螺旋波荡器,可产生基频为31.2nm的相干极紫外辐射,FEL工作在高增益模式,在这种条件下,基频辐射和电子束的相互作用会引起电子在二次谐波上的聚束,产生的辐射在后续波荡器上得到加强,使得二次谐波强度达到基频辐射的10-3 

  为了让这方案能工作,所有波荡器中的电子束轨道需在中心,从而各个波荡器中的辐射可以在横向平面上极大地干涉。在波荡器下游插入YAG screen来收集辐射的横向强度分布,Zr滤色镜可以阻挡辐射中的基频高斯形模式,从而在YAG screen仅能观察二次谐波辐射。 

  将一螺旋波带片直接置于基频FEL光路上也可获得高强度涡旋光,螺旋波带片持续将螺旋相位写入FEL光束并使其聚焦,就像普通的Fresnel波带片,可以产生聚焦的涡旋光。为克服FEL强光对波带片的破坏,衍射元件材料可选用耐极紫外射线辐射的硅,其破坏阈值高于4J/cm2 

  本研究提供了两种方案来产生强的飞秒相干极紫外涡旋光,第一种方案是利用FEL中非线性谐波产生原理,利用在一系列波荡器上产生的二次谐波可产生相干的l=1的涡旋光,这个实验装置不需在FEL光路上增加额外光学元件,还可产生更高拓扑荷值的涡旋光,以及可以通过控制基频辐射的螺旋来控制拓扑荷值符号。第二种方案,将螺旋波带片置于FEL基频光束的光路上来产生强的聚焦涡旋光,不同的螺旋波带片可产生l=1,2,3的涡旋光,对于l=1的涡旋光,其聚焦平面峰值强度可很容易达到1014W/cm2,通过使用更小平板宽度的螺旋波带片,其值可达1017W/cm2。在这种方案里,高强度涡旋光并不是必要的,在隔离目标谐波与其余谐波之后,螺旋波带片装置也可用在基于HHG的源上,上面两种方案均可在更短波长(软x射线和硬x射线)范围上产生涡旋光。 

摘译自:Primož Rebernik Ribič et al., Extreme-Ultraviolet Vortices from a Free-Electron Laser. Physical Review X 7, 031036 (2017) 


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