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聚焦XUV辐射,如何让光“保持初心” -Hartman-Shack波前传感器

2024-01-06 15:12:02 Cavan

Jan.

2024.01

北京众星联恒科技有限公司


Hartman-Shack波前传感器

实现XUV、X-ray光束的波前、光斑参数的实时探测

波前传感器可同时检测入射光场的相位和强度,是近红外到软X射线波段重要的光源在线波前诊断工具,在同步辐射光束线调试(如聚焦镜、K-B聚焦系统的调节)、分析高次谐波和自由电子激光等XUV、X-ray光源的位置、形状和尺寸和FEL用户实验诊断(当时主要实验是对于FEL光束透明时,可以用户于单发光斑的尺寸为位置测试)等方面非常广泛的应用。

聚焦XUV辐射,该如何让光“保持初心”


对于XUV泵浦探针实验及高分辨成像表征而言,要获得高强度的XUV辐射输出,光束的高度聚焦和超快时间结构的保持非常重要。然而,固有像差(包括几何像差和色散像差)导致的输出XUV光在成像平面上的光学畸变,将对阿秒光学、成像等应用造成不利的影响。

2004年,日本科学家D. Yoshitomi等人[1]创造性地提出了基于光学波前整形的优化控制技术,利用IR激光波前传感器及变形镜构成的自适应光学系统对驱动激光脉冲波前进行整形优化,在17~28nm波段获得了13倍增幅的高次谐波输出,该项工作对于优化高次谐波强度以达到非线性相互作用状态具有非常重要的意义。

Hartmann-Shack波前传感器是目前最为常见的在线波前整形诊断方法(如图1所示)。该方法的核心思想是通过模拟几何光学追迹,反演重构出入射光场实际的波前信息。简单来讲,就是使用一组微透镜或微孔阵列将入射光束分割成一系列微小光束,并根据焦平面处CCD探测器对这些微束的成像及光强空间分布信息,反推出入射光场的波前相位和强度信息。因此,相较于传统的刀边或显微成像等焦斑成像方法,Hartmann-Shack波前传感器能够在不影响实验光路的情况下对聚焦光的波前像差进行在线诊断和反馈,甚至可实现单发脉冲光场的幅度和强度检测。

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图1基于Hartmann-Shack波前传感器的(a)波前整形监测及(b)原理示意图[2]。


将波前传感器与XUV聚焦元件相结合,实现XUV波段的波前诊断优化,能够进一步拓展其应用领域。但相比于红外激光聚焦条件,EUV和软X射线受材料的强吸收衰减,使得XUV光束的调控难度急剧增加,针对XUV辐射(尤其是宽带宽的高次谐波辐射)聚焦和波前整形尤其困难。尽管非周期性多层膜镜可实现宽带的XUV反射,但反射率都比较低;掠入射椭球镜原则上也可满足宽带的高次谐波反射,但受光束尺寸及其稳定性影响较大。

利用Hartmann-Shack波前传感光学系统

实现宽带高次谐波调控微聚焦


利用Hartmann-Shack波前传感器对聚焦后的谐波实现在线诊断和优化调控,首先需要确定导致波前畸变的主要像差来源。针对宽带的XUV聚焦,瑞典隆德大学Anne L’Huillier教授[2]等人提出了一种基于Wolter结构的双超环面反射镜光学系统,利用模态技术将波前分解为了Zernike多项式的加权和,实验分析结果如图2所示。结果表明,像散是主要的像差来源,占了完美波前偏差的绝大部分。水平测角仪贡献产生了0°像散,而旋转和垂直测角仪则贡献产生了45°像散。这些不同的行为帮助快速确定并优化聚焦几何。

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图2主像差的相对Zernike系数与(a)旋转;(b)水平测角仪和(c)垂直测角仪的角度函数关系。


根据实验测得的发散角计算,优化后的波前向焦点的反向传播产生的全宽焦斑尺寸为3.6×4.0μm2,这与光束追迹模拟预测的最小焦斑尺寸3.0×3.2μm2吻合较好,对比数据如图3所示。该研究工作将Hartmann-Shack波前传感光学系统应用到XUV波段的聚焦条件优化,为宽带高次谐波辐射的调控聚焦提供了新的解决方案。

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图3(a)波前测试结合反向传播计算和(b)光束追迹模拟得到的焦斑尺寸对比结果。


当前,德国HP Spectroscopy公司联合哥廷根激光实验室共同推出了基于Hartmann-Shack波前传感器的光学系统,可实现<1~60nm宽谱范围的波前探测和光束优化。目前已经在德国DESY自由电子激光FLASH BL3光束线上使用[3],对13.3nm波长的EUV脉冲获得了较高的波前测试精度,结果如图4、5所示。可以看出,在波前整形优化前的光学畸变主要来源于像散,整形后的像差得到明显改善(消除像差效率超过60%)

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图4在FLASH BL3光束线上使用Hartmann-Shack波前传感器的自适应光学系统(a)聚焦前,(b)调试过程中及(c)聚焦后的波前测试结果。测试波长为13.3nm。

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图5 用于FLASH的XUV波前传感器实物图


主要系统参数


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北京众星联恒科技有限公司除了可以提供整套的XUV、X射线波前传感器解决方案,我司还可提供各类型的微纳波前相位调制板

2维硅孔

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间距:25μm 孔:12.5μm 

2维硅孔

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间距:30μm 孔:3μm

金孔阵列

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间距:60μm

孔:3,4,5μm

金厚度:~95μm

金孔阵列

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间距:60μm

孔:3,4,5μm

金厚度:~95μm




关于HP Spectroscopy


HP Spectroscopy公司位于德国,一直以来致力于多学科交叉领域,可提供XUV波前诊断光学系统、激光驱动等离子体EUV-软X射线光源、平场光栅谱仪、单色仪、X射线吸收谱仪在内的定制化解决方案。主要团队由X射线、光谱、光栅设计、等离子体物理、beamline等领域的专家组成。长期与全球领先的研究机构的科学家维持紧密合作,关注前沿技术,保持产品的迭代与创新。

北京众星联恒科技有限公司作为德国HP Spectroscopy系统在中国区的代理,为中国客户提供所有产品的售前咨询,销售及售后服务。我司始终致力于为广大科研用户提供专业的EUV、X射线产品及解决方案。如果您有任何问题,欢迎联系我们进行交流和探讨。


参考文献

[1] Yoshitomi, D., Nees, J., Miyamoto, N. et al. Phase-matched enhancements of high-harmonic soft X-rays by adaptive wave-front control with a genetic algorithm. Appl. Phys. B 78, 275–280 (2004).

[2] Coudert-Alteirac, H.; Dacasa, H.; Campi, F.; Kueny, E.; Farkas, B.; Brunner, F.; Maclot, S.; Manschwetus, B.; Wikmark, H.; Lahl, J.; et al. Micro-Focusing of Broadband High-Order Harmonic Radiation by a Double Toroidal Mirror. Appl. Sci. 7, 1159-1170 (2017).

[3] Keitel B., Plönjes E., Kreis S., Kuhlmann M., Tiedtke K., Mey T., Schäfer B., Mann K., Hartmann wavefront sensors and their application at FLASH. J. Synchrotron Rad. 2, 43-49 (2016).

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