高能阿秒脉冲聚焦及光谱分析复合系统设计

王 超，王 兴，田进寿，卢 裕，曹希斌，王俊锋，徐向晏，温文龙

高能阿秒脉冲聚焦及光谱分析复合系统设计

王 超，王 兴，田进寿，卢 裕，曹希斌，王俊锋，徐向晏，温文龙

（中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安710119）

为了减小阿秒脉冲聚焦反射过程的能量损失、降低阿秒脉冲测量过程中由聚焦像差引起的测量误差以及提高阿秒光脉冲光谱分析监测的可操作性，采用各环节性能分别优化的方法，设计了一种高能阿秒光脉冲聚焦及光谱分析复合系统，聚焦及光谱分析元件分别采用镀金掠入射型超环面镜和掠入射型凹面聚焦光栅，并给出了其具体结构和特性参量。结果表明，此系统适用于以短脉宽、高能量阿秒脉冲为新型探针的阿秒光谱学研究。

光谱学；阿秒脉冲；平场光谱仪；超环面镜；像散

引 言

随着飞秒脉冲产生及控制技术的成熟，如空心光纤脉冲压缩技术和载波包络相位锁定技术的出现，促成了可重复性良好的超短超强疏周期飞秒脉冲产生技术的出现，而这使得光学已经从微扰非线性光学机制阶段进入非微扰非线性光学机制——强场非线性光学（或称为极端非线性光学）机制阶段［1］。其中，法国原子能委员会光子、原子和分子研究所以及奥地利维也纳理工大学于2001年首次报道在实验上通过高阶谐波产生过程，成功产生了阿秒光脉冲（1as＝10－18s），拉开了以这种新型光源为探测工具的阿秒研究热潮［2-8］。截至目前，阿秒光脉冲宽度已达到67as［9］，单能量却仅仅达到亚纳焦量级，基于这个水平虽然已经开展了一些原子内部俄歇电子弛豫等现象的诊断研究，但这样的能量距离其被预测所具有的广泛应用层面还存在着一定的差距。因此，产生脉宽更短、能量更高的阿秒光脉冲必将是当前和今后较长一段时间内阿秒科学界的主要目标之一。根据脉冲时间宽度（脉宽τp）与其对应频谱宽度Δν之间由傅里叶变换所决定的约束关系τp·Δν≈0.44可知（这里考虑的是变换限定脉冲的情况），阿秒光脉冲在时间宽度上的缩短直接意味着其频谱的变宽，这使得用于阿秒光脉冲传输及特性分析测等关键部件的性能也要作相应的匹配调整。当前，在脉宽为几百个阿秒的阿秒脉冲的聚焦方面，常用的是Mo／Si多层介质球面镜，它的平均反射率仅有10%左右［5-6，10］，这使得源于高阶谐波产生过程的原本能量较低的单阿秒脉冲，真正用于阿秒抽运-探测式应用研究的能量已非常低。这无疑限制了阿秒脉冲这种新型光源的应用领域，同时也增加了系统的调试难度。更重要的是，随着阿秒脉冲脉宽的变短，这种介质镜在更宽光谱上的反射率将急剧降低［11］。因此，从阿秒研究及相关应用的实际需求考虑，开展可用于高能量、短脉宽阿秒脉冲聚焦及光谱分析系统的设计研究，是非常有必要的。

作者从减小阿秒脉冲聚焦反射过程的能量损失、降低阿秒脉冲测量过程中由聚焦像差引起的测量误差、以及提高阿秒光脉冲光谱分析监测的可操作性等角度，研究了基于超环面镜和凹面光栅的平场光谱仪系统，给出了其初步的设计结果。

1 阿秒脉冲聚焦及光谱分析系统的设计要求

当前阿秒光谱学研究的典型实验平台可参阅参考文献［10］，它本质上属于抽运-探测式测量机制构型，主要包括3个部分：（1）载波-包络相位锁定疏周期超强近红外光脉冲系统（中心波长约为800nm），以提供强场高阶谐波过程的激励源，同时也作为抽运-探测过程的探测光；（2）阿秒光脉冲产生系统，以提供用于抽运-探测研究的抽运光，根据所产生阿秒光脉冲的特点，其光谱也将显著不同：阿秒脉冲序列的频谱是分立的，而单阿秒脉冲的频谱则是超连续谱；（3）高精度抽运-探测式互相关测量系统，包括光束监测与能谱探测系统。其具体工作过程为：系统（1）提供的近红外飞秒脉冲光源在系统（2）中与惰性气体作用，以强场高次谐波过程产生阿秒光脉冲（处于极紫外波段）；其后，阿秒光脉冲和近红外脉冲经光束传输系统到达系统（3），与靶原子发生双色场电离过程。这里仅考虑与阿秒脉冲聚焦和光谱监测相关的部分。

由时域宽度和频域宽度之间的傅里叶约束关系可知，相对常用的近红外飞秒脉冲，源于高阶谐波产生过程的阿秒脉冲的频谱位于极紫外甚至X射线波段，且谱宽要宽得多。这意味着，为保证能使更多的阿秒脉冲能量用于抽运-探测诊断研究，用于阿秒脉冲聚焦传输的光学镜子必须支持较宽的频率范围，且具有较高的反射率；同时为提高抽运-探测诊断研究的精度，阿秒脉冲在靶材处聚焦光斑的像差要小，以保证阿秒脉冲的有效电离空间严格位于近红外飞秒脉冲的焦斑内。如目前常用的Mo／Si交替多层极紫外介质镜，当交替达40多个周期时在4.0eV频谱宽度内具有高达平均60%的反射率，这足以支持几百个阿秒的脉冲的聚焦和传输。而当减少介质交替周期以加宽其可支持频率范围时，其光场反射率将急剧降低，如介质交替为3个周期时，其反射率将降至5%以下。依据现有的阿秒脉冲产生技术中，近红外飞秒光场向阿秒光场的转换效率来考虑，如此低的反射率使得此类阿秒脉冲已不再具有应用价值。

阿秒脉冲光谱分析系统是阿秒光谱学研究平台的附属监测装置，其作用是：通过其监测到的光谱的特点，可确定高阶谐波产生过程所产生的是阿秒脉冲序列还是单阿秒脉冲；同时其光谱也可作为阿秒脉冲测量时结果边界检验过程的重要参考［11］。作为附属装置，除了监测性能方面的要求外，操作的简单性是相当重要的。比如，在一个位置处即可观测到较宽范围的光谱，而不需要不断地改变监测位置。当前常用的基于平面光栅的光谱仪，在测量光谱时需要在较大空间范围内变换探测位置。

2 系统初步设计

本文中给出的阿秒脉冲聚焦传输及光谱分析系统见图1。其中，聚焦元器件为掠入射型超环面镜（toroidalmirror，TM），光谱分析器件为掠入射型凹面聚焦光栅。图中分别还有载波包络相位（carrier envelope phase，CEP），近红外（near infrared，NIR）和气体阀（gas jet，GJ）。下面将根据这两个光学元件特定的使用要求详细说明光学元件之间的相对位置尺寸。

Fig.1 Three-step scenario of high-harmonic generation

本文中使用的是由ARW Optical Corporation生产的触光面镀金的超环面镜，其结构如图2所示，其两个特征曲率半径分别为Rv＝90.5mm，Rh＝3230mm，半径公差小于±1%。触光面精度优于λ／2＠632.8nm。在使用的过程中，半径为Rh的圆面处于水平位置，也即光路所在的平面。超环面镜对光束的聚焦可分解为子午面内和弧矢面内的聚焦，如图3所示，其相应的数学描述如下［12-14］：

Fig.2 Description of toroidalmirror

式中，r指物点与镜子中心之间聚焦出射光束光路的长度，α为光束入射角，rh和rv分别为水平方向和垂直方向的聚焦点与镜子中心之间的长度。鉴于这里对超紫外线（extreme ultra violet，XUV）光束聚焦以消除像散的使用要求，有rh＝rv，联合（1）式与（2）式可得α＝80.4°，此即为超环面镜所要求的掠入射角。在满足这个特定使用条件下，上两式可化简为：

式中，r′指聚焦点与镜子中心之间聚焦出射光束光路的长度。结合本系统中超环面镜两侧光学元件的设置，选择r＝r′＝540mm。在作者的光学系统中，物点即为产生阿秒脉冲的GJ-1处，而聚焦点为XUV产生电离电子的GJ-2处，故在系统设计过程中要确保这3个光学元件之间的相对尺寸。镀金超环面镜的反射率见图4，可知平均反射率高达50%。

Fig.3 Focusing properties of toroidalmirror

作者在系统设计中采用的光谱仪是凹面光栅。凹面光栅是由形状为凹球面反射镜的毛胚所刻成的光栅，其与平面光栅的主要区别在于［15-17］：凹面光栅本身既是色散元件，又是聚焦元件，因而其分光仪的色差小；同时掠入射的使用条件也决定其反射损失率小，所以能用到远紫外光谱区。另外，凹面光栅在刻制的过程中还可以通过设计特定的表面光栅线分布，以使得近似将某个波长范围的衍射光同时聚焦在一个平面内。这样的特点也为光电直读光谱记录提供了方便，省却了平面光栅所要求的光谱显示记录过程中不断移动探测器的麻烦。也正因如此，在实际应用中常将这样的光谱仪称为平场光谱仪。这里使用的凹面光栅的表面光栅线密度分布为：

Fig.4 Reflectivity of toroidalmirror coated with Au

式中，w是光栅线中点距离光栅过顶点法线的距离，d1，d2与d3是光栅线变化的控制参量，且d1＝－3.546mm－2，d2＝8.656×10－3mm－3，d3＝－2.209× 10－5mm－4。其中心光栅线密度d0＝1200line／mm，光栅面曲率半径Rg＝13450mm，ri＝564mm为光栅光束入射臂的设计要求长度，闪耀角为3°。新阿秒相机系统中采用的掠入射型凹面光栅平场光谱仪如图5所示。其中，rg（λ）指的是波长为λ的衍射光聚焦位置距离光栅中心的距离，β（λ）是波长为λ的衍射光的衍射角，rg指的是平场光谱仪光谱记录平面距离光栅中心的垂直距离。

Fig.5 Grazing incidence concave grating spectrometerwith flat-field imaging focusing

对于凹面光栅，β（λ）与rg（λ）所满足的条件为：

式中，σ为光栅线之间的距离，σ＝1／d（w）≈1／d0，m为衍射级数。对于凹面聚焦光栅而言，常取其1级衍射角为闪耀角，因而可仅考虑m＝1的情况。β（λ）及rg（λ）随波长的变化关系如图6所示。根据不同波长聚焦点距离光栅法线垂直距离（即rg（λ）sinβ（λ））的曲线可以看出，波长在λ＝5nm～32nm范围内的光，其聚焦点大致在与光栅法线平行且距离法线为563.2mm的平面内，也即rg＝563.2mm。因而在实际光谱仪的使用中，光谱显示元件如主板控制芯片的位置应满足这样的条件。不同波长衍射光在光谱平面上的位置如图7所示。由图可知，5nm～32nm波长范围的衍射光分布在光谱平面上宽度为L＝95mm的范围内。

Fig.6 Diffraction of concave grating

Fig.7 Diffraction spectrum of 5nm～32nm on focusing plane

3 结 论

针对阿秒研究及相关应用对高能量、短脉宽阿秒脉冲聚焦和光谱分析的实际需求考虑，从减小阿秒脉冲聚焦反射过程的能量损失、降低阿秒脉冲测量过程中由聚焦像差引起的测量误差、以及提高阿秒光脉冲光谱分析监测的可操作性等角度，研究了基于超环面镜和凹面光栅的平场光谱仪系统，给出了其初步的设计结果。作者设计了一种基于镀金掠入射型超环面镜和掠入射型凹面聚焦光栅阿秒光脉冲聚焦及光谱分析系统，给出了其具体结构和特性参量。

本文中的个别概念源自作者在美国Kansas State University留学期间的合作研究，在此特别提及以示纪念。

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Design of a combined system for focusing and spectrum-analyzing of high energy attosecond pulse

WANGChao，WANGXing，TIANJinshou，LUYu，CAOXibin，WANGJunfeng，XUXiangyan，WENWenlong
（State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics，Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese A-cademy of Sciences，Xi’an 710119，China）

For reducing attosecond pulses energy loss in the focusing reflection process andmeasurementerror caused by attosecond pulse focusing aberration measurement，as well as improving the operability of attosecond pulse spectroscopy monitoring，a combined focusing and spectrum-analysis system for attosecond pulse was designed through step-by-step performance optimization.The structure and characteristic parameters were given in detail.The focusing and spectrumanalyzing components are gold-coated grazing incidence toroidal mirror and grazing incidence concave focusing grating，respectively.The proposed system can find application in research platform of attosecond spectroscopy using high energy short attosecond pulse as basic probe tool.

spectroscopy；attosecond pulse；flat-field spectrometer；toroidalmirror；aberration

O433；O437

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.022

1001-3806（2014）02-0251-04

王 超（1980-），男，博士，主要从事原子、分子与光物理方面的研究。

E-mail：igodwang＠gmail.com

2013-04-23；

2013-05-24