新方法准确测量超快X射线脉冲宽度

封面文章|李成名,李宾. 基于太赫兹调制的超快X射线脉冲长度复原方法[J]. 光学学报, 2020, 40(6): 0632001

X射线自由电子激光(XFEL)是一种超快X射线光源，具有辐射脉冲短(数飞秒至数百飞秒)、光子通量高、时空相干性好、波长可调谐等优点。其中极紫外至X射线波段的高功率飞秒脉冲兼具辐射波长短及辐射脉冲短的特性，从而成为时间分辨实验的理想光源。

精确测量XFEL辐射脉冲宽度与时域信息，是开展XFEL光源前沿研究的重要前提，也是获取和分析最真实实验数据的重要依据。条纹相机技术可测量辐射脉冲宽度，然而目前世界上最先进的商用条纹相机也只能实现几百飞秒的时间分辨，无法准确测量脉冲宽度仅为数飞秒至数十飞秒的XFEL辐射脉冲。

中国科学院上海高等研究院李宾研究员课题组采用单周期太赫兹场调制来测量和复原超快X射线脉冲，提出了超快X射线脉冲激发气体光电子波包受太赫兹场调制的全动量模型，可以精准测量XFEL辐射脉冲的时域信息。

课题组研究了光电子波包处于太赫兹场矢势零点不同延时的调制作用，依据全动量动态模型，可计算出在各延时下的光电子终态能谱；通过比较调制能谱与初始能谱的相对展宽，及太赫兹场的调制强度，便可计算XFEL脉冲的宽度。图1展示了不同脉宽(35 fs、20 fs、10 fs)的初始能谱和在太赫兹场矢势零点的调制能谱分布情况。

图1 不同宽度的XFEL脉冲(a) 35 fs、(b)20 fs、(c) 10 fs在太赫兹场矢势零点的光电子调制能谱分布，紫红色的高斯曲线表示各自的初始能谱。

该技术适用于测量自由电子激光的自放大自发辐射模式(SASE)和种子调制模式(SEEDING)、以及其它超快X射线脉冲。其中SASE模式产生的是一种部分相干光源，其激发的光电子波包呈现出离散的时间和能量分布，全动量模型考虑了光电子波包相空间中不同电子的动态演化过程，可以很好地复原SASE脉冲的时间信息。

终态光电子调制能谱除了在THz场矢势零点附近显著展宽，其展宽量也会随相对于矢势零点的延时改变。通过计算不同延时处不同FEL脉冲的宽度并评估其脉冲复原误差，可确定实验过程中所允许的时间抖动。如图2所示，在偏离太赫兹矢势零点不同延时处，XFEL脉冲宽度复原结果的误差呈凹型分布。

当脉冲中心相对于太赫兹矢势零点延迟为零时，根据模型复原的结果最为准确，当脉冲中心相对于太赫兹矢势中心零点延迟越大，复原的脉冲宽度误差越大。另外，XFEL自身脉冲宽度越短，偏离太赫兹矢势零点的影响越显著。

图2 全动量X射线脉冲复原模型针对不同XFEL脉冲宽度(10、20、35和50 fs)，当脉冲中心偏离太赫兹矢势零点±100 fs范围内，复原脉冲与原始脉冲之间相对误差。

本文提出的超快X射线脉冲复原方法，可以准确测量数飞秒至数百飞秒的XFEL脉冲宽度。接下来课题组将研制先进的XFEL辐射脉冲在线诊断技术设备，为机器调试及优化提供技术参数，并为广大科学实验用户提供单发XFEL辐射脉冲信息。

 

延伸阅读：

[1] 邵任之,李宾. 基于超快动力学模型的阿秒脉冲复原方法[J]. 光学学报, 2018, 38(9): 0932001

[2] 吴晓君,郭丰玮,马景龙,欧阳琛,王天泽,张保龙,王暄,李尚卿,孔德胤,柴姝愫,阮存军,苗俊刚,李玉同. 基于倾斜波前技术的高能强场太赫兹辐射脉冲源[J]. 中国激光, 2019, 46(6): 0614008

[3] 杨善初,喻虹,陆荣华,谈志杰,韩申生. X射线强度关联干涉测量能谱展宽校正[J]. 光学学报, 2019, 39(10): 1034001

[4] 白雁力,姚荣彬,高海英. 脉冲展宽分幅技术曝光时间的误差分析及修正[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(6): 063201

[5] 韩宏伟,张晓晖,钟炜. 基于选通深度曲线的脉冲激光水下传输时域展宽测量[J]. 光学学报, 2015, 35(6): 0612003