多层膜反射镜与HHG极紫外光源的相辅相成（下）

 德国 Jena Tower，象征着耶拿150多年的光学工业历史

利用聚焦飞秒激光与气体靶作用产生高次谐波（HHG），可输出宽谱、阿秒级脉冲，是一种相对简易的紧凑型、高空间相干极紫外光源的产生方法。该技术输出的光源能够在纳米级的空间尺度和阿秒级的时间尺度上探测和研究各类材料和物质，逐渐成为原子、分子、先进量子等材料研究以及纳米成像的重要光源工具之一。特别是微观尺度的超快动力学研究尤其需要具备短波长、短脉冲和高相干度的激光光源，而这正是 HHG 光源的突出优势。

然而，要将HHG光源的潜力转化为实际科研能力，仅靠光源本身是远远不够的。在前一篇文章中，我们探讨了多层膜反射镜如何在极紫外成像技术中扮演关键角色。实际上，在波前信息的完整保留、光谱的窄带筛选以及超短脉冲的保真传输等前沿光谱与动力学研究领域，高性能多层膜反射镜同样发挥着不可替代的作用，为科学家探索物质超快行为提供了关键性工具。

研究需求： 极紫外涡旋光束因其携带的轨道角动量，在纳米尺度成像、超快物质操控及高容量信息编码等领域展现出巨大潜力。为研究其生成动力学，荷兰阿姆斯特丹先进纳米光刻研究中心的研究团队通过在驱动激光后插入螺旋相位板产生红外涡旋光，并利用高次谐波（HHG）过程将其转换为极紫外涡旋光 ^[1]。该研究面临的核心挑战在于：如何从宽谱的HHG光源中，高效地分离出多个特定的谐波成分，并保存其波前信息，从而实现对不同谐波光束的定量波前传感与重建，最终揭示驱动激光参数（如焦点位置、像散）对轨道角动量纯度和传播行为的影响。

图一. a）实验装置示意图 b）红外波前重建 c）多层膜反射率与得到的高次谐波 d）掩膜图像 e）29-23次谐波波前图

镜片性能的匹配： 如图1a所示，研究采用了一对由optiX fab.提供的平面与球面（ROC=500 mm）多层膜镜，对HHG光束进行光谱筛选与聚焦。如图1c所示，这对镜片的关键特性在于其特定的宽带反射率曲线，能够同时覆盖23至29阶谐波，从而在一次测量中为波前传感提供包含多个谐波成分、且光子通量充足的复合光束。镜片的高反射率是成功进行波前重建的重要保障。同时，尽管离轴使用的球面镜会引入固有的几何像散，但镜片优异的面形精度与光学稳定性确保了所引入的波前畸变是稳定且可精确模型的，这为后续进行数值校正、还原真实光场奠定了可靠基础。

实现的效果： 基于该多层膜镜提供的特定带宽、高通量且波前特性稳定的极紫外光束，研究人员利用叠层衍射波前传感技术，并行重建了23至29阶谐波的完整复振幅场。通过基于光路模型的数值校正，有效消除了球面镜引入的像散。这使得研究团队能够定量分析不同驱动激光条件下各谐波的波前演变，并精确解析其轨道角动量模态纯度。最终，研究揭示了驱动激光的微小像差会通过非线性过程被显著放大，导致谐波光束OAM纯度下降，为极紫外涡旋光束的生成调控与实际应用提供了关键的物理依据与优化路径。

研究需求： 极紫外波段下的超快磁动力学研究需具备元素特异性、飞秒时间分辨率与纳米空间分辨率的实验手段。为此，德国马克斯·玻恩研究团队成功搭建了一套基于高次谐波（HHG）的桌面级极紫外光谱与散射联合实验平台^[2]。如图二所示，该平台包含两条束线：一条用于螺旋度依赖的吸收光谱，另一条则专门用于单色极紫外光的共振小角散射实验。后者对光源的核心要求是高通量、高纯度的单色光，以便有效激发元素的特定吸收边（如Co的M边），并探测由此产生的纳米磁畴散射信号。

图二. HHG装置示意图，包含一螺旋度依赖性光谱分析光束线与一小角散射实验用光束线

镜片性能的匹配： 在散射束线中，这一关键需求由一块特制的球形多层膜反射镜得以满足。该镜片（由optiXfab GmbH提供）针对第39阶谐波（光子能量60.8 eV，位于Co的M边）进行了优化。其卓越的性能体现在51%的高反射率与2.1 eV的窄带宽，这使其能够从HHG宽谱中高效地筛选出目标谐波，并将相邻谐波的强度抑制至1:17的极低水平。这块镜片同时完成了“单色化”与“聚焦”两个关键步骤，为实验提供了高通量、高光谱纯度的探测光束。

实现的效果：得益于该多层膜镜聚焦得到的高纯度、高强度10 μm单色光斑，研究团队成功实现了对Co/Pt多层膜中宽度约180 nm的磁畴结构实现了纳米级的空间分辨探测。通过时间分辨的散射测量，他们清晰地观测到了飞秒激光诱导的超快退磁过程（图三）。这项工作不仅展示了桌面级极紫外光源在超快磁动力学研究中的强大能力，更凸显了定制化的高性能多层膜镜在实现元素特异、飞秒时间与纳米空间分辨率探测中不可替代的作用。

图三. (a) Co/Pt多层膜样品磁畴在Co M₂,₃边的共振小角散射图像，散射环强度与磁化强度平方成正比。(b) 两种激发能量密度下，相对磁化强度随泵浦-探测延迟的变化。

研究需求： 在极紫外超快泵浦-探测实验中，传统光栅单色仪因巨大的色散会导致飞秒阿秒脉冲严重的时间展宽，成为制约时间分辨率的关键瓶颈。因此，开发一种能在进行窄带光谱滤波的同时，几乎不引起附加色散、不改变脉宽的单色仪，是该领域迫切的需求。

图四. 左）多层镜单色仪系统示意图 右）optiX fab.特殊设计窄带多层膜的反射率与相位参数。

镜片性能的匹配： 为解决这一挑战，德国DESY、汉堡大学及科堡大学联合团队开发了一款脉冲保持型单色仪，其核心是一对特殊设计的平面与球面多层膜反射镜^[3]。同样是Z形光路，这对镜片的独特之处在于其带宽、反射率与相位的兼容。它们针对92 eV附近的EUV光进行了优化，在实现超窄带（0.52eV）滤波的同时，通过膜层设计，将系统引入的群延迟色散（GDD）控制在了-0.157 fs²的极低水平，该色散量对于数飞秒量级的脉冲展宽影响可忽略不计。（例如，将一个3.5 fs脉冲的宽度仅增加约0.0001 fs）。如图四右图所示，其指标是实现“脉冲保持”性能的决定性因素。

图五. (a)单色仪后方HHG光谱随入射角（AOI）的变化曲线；(b)在13°、20°和26°三处反射角处的反射HHG光谱。

实现的效果： 得益于这对多层膜镜的卓越性能，该单色仪在获得超窄带宽，高信噪比的同时，成功地将入射的飞秒脉冲宽度近乎完美地保持在其傅里叶极限附近。其最终性能在实验中得到完美验证。如图五与表一所示，在13°, 20°, 26°等多个代表性角度下，单色仪均成功地从宽谱HHG光源中高效地筛选出近乎纯净的单阶谐波。定量分析表明，其输出带宽稳定在0.52 eV左右，且相邻谐波的抑制比优异。这一结果证实了该单色仪成功地将超窄带宽、高信号强度与短时间展宽这三个看似矛盾的特性集于一身，为阿秒科学提供了极其接近傅里叶极限的窄带探针光。

从对极紫外涡旋光束的波前重构与轨道角动量纯度分析，到实现元素特异性、飞秒时间与纳米空间分辨的超快磁动力学探测，再到构建几乎不展宽飞秒脉冲的窄带单色仪系统，HHG-EUV光源在超快光谱与动力学研究领域正不断开辟新的前沿。贯穿所有这些尖端应用的，是对极紫外光在光谱纯度、波前质量与时间特性上进行精密调控的持续追求，高性能、可定制的多层膜反射镜，正是满足这些苛刻需求的关键技术。它们已不再是简单的反射镜，而是能够根据具体实验的物理目标，通过其特定的反射率、带宽、相位响应和面形精度，主动为科研人员提供“定制化”解决方案的核心部件。

图六 在柏林同步加速器 BESSY II 反射仪上测量的 13.5 纳米波长处的 EUV 窄带反射镜反射情况。在高反射阶次中，半峰全宽（FWHM）显著减小。由于吸收率增加，反射率也有所降低。因此，必须找到一种最佳的涂层设计，以在反射率和半峰全宽的要求之间找到平衡。

众星联恒携手德国optiX fab.公司，致力于将这种从需求出发的理念与实践引入中国。无论是需要高反射率、特定带宽、低色散还是波前控制，我们都能够提供相应的标准或定制化极紫外多层膜镜片，确保中国的研究人员能够便捷地获得这些推动科学前沿探索的关键光学引擎。

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