[发明专利]X射线相干测量装置及测量方法

说明书

本发明提供了一种X射线相干测量装置包括：X射线分光单元；X射线合束单元；以及X射线延时扫描单元，设于X射线分光单元和X射线合束单元之间，包括相对于中轴线彼此对称设置的第一对传输反射镜以及相对于中轴线彼此对称设置的第二对传输反射镜；第一对传输反射镜分别固定在两个滑轨上；两个滑轨的滑轨方向近似垂直于中轴线；第二对传输反射镜一起固定在一维平移台上；一维平移台的平移方向平行于中轴线。本发明还提供了该X射线相干测量装置的两种测量方法。本发明的X射线相干测量装置适用波段从极紫外XUV、软X射线至硬X射线，可在时域里直接测量软X射线自由电子激光、硬X射线自由电子激光以及强场激光诱导的阿秒脉冲的时间相干长度。

技术领域

本发明涉及X射线光学、相干光学及超快光学等领域，尤其涉及一种测量X射线脉冲的时间相干性及相干度的装置及方法。

背景技术

X射线自19世纪末被德国科学家伦琴发现以后，广泛用于科学研究以及社会各通用技术领域，发挥着极其重要的作用。X射线是一种短波长的不可见光源，从经典物理学的角度，它的波长(10nm)要远小于可见光波长(400-700nm)。从X射线诞生之初，X射线光源技术取得了飞速发展，其辐射波长越来越短，光源亮度也越来越高。特别是同步辐射光源以及波荡器技术的日益成熟，使X射线同步辐射光源成为了极为重要的科研辅助手段，在探索人类未知世界中发挥了巨大的作用，同时也推动了X射线实验及工程技术的发展。许多依赖X射线光源的现代科学研究，如生物大分子成像，高温超导材料的能谱分析，气体分子或是材料中单原子的双光子及多光子过程，高能量密度物理，等离子体非平衡态的非弹性散射等对光源亮度和品质提出了更高的要求，由此催生并推动了第四代光源-自由电子激光(FEL)的发展。它与第三代及以前光源的最根本区别是：不仅其辐射峰值亮度提高了数个量级，而且具有了更好的相干特性。

根据自由电子激光的发光机理，分为自发放大模式(即SASE)和采用外种子激光调制的高增益模式(譬如HGHG)。SASE辐射脉冲是一种部分相干光源，其相干长度与辐射波长密切相关，XUV到软X射线波段(如100-200eV的软X射线)，其相干长度为1-5飞秒；而硬X射线(如光子能量≥6keV)，其相干长度只有100-400阿秒。外种子调制的FEL(如HGHG模式)相较于SASE模式的最大不同是，其辐射光谱几乎不含毛刺而呈单一的高斯分布状，具有很窄的带宽，接近于其辐射功率谱的傅里叶变换极限。所以HGHG的辐射脉冲非常接近全相干，其相干长度要比SASE脉冲的相干长度长很多，可以达到几十到几百飞秒量级，而全相干辐射脉冲的相干时间长度即是其脉冲长度。对于全相干的长脉冲，延时扫描范围更广，所以要求X射线测量装置具有更加优良的机械准直度和重复稳定性。

除了自由电子激光模式的超快X射线光源外，还有另一种典型的超快XUV光源(或X射线)产生模式。这种模式采用强场激光激发气体分子(或固体)中的非线性过程而产生相干辐射脉冲，其脉冲长度为飞秒以下，一般只有300as，远小于激光光场的半周期(在时域里对应于亚飞秒尺度，也就是几十到数百的阿秒)。世界上目前测得的最短阿秒脉冲只有约60as。

目前，直接测量X射线波段亚飞秒量级的时间精度依然是世界性难题，一些技术和方案仍在探索和研发之中。一般采用红外光能量-相位调制作用于X射线激发的光电子(即Streaking过程)，通过时间分辨的光电子能谱来反演X射线脉冲的信息，这是一种间接的时间相干性测量方案。目前一些X射线相干测量技术比如杨氏双缝实验，光栅自成像技术等主要用于空间(或波前)相干性测量^[1-3]，不能测量X射线的时间相干性及相位信息。在2013年，X射线时间相干测量技术就被报告过，但当时该技术主要应用于EUV-软X射线波段^[4]。

随着X射线自由电子激光技术的发展和硬X射线自由电子激光(FEL)的出光，对于硬X射线的时间相干性测量和研究变得越发重要和迫切，但目前并没有成熟可靠的光学方法可以直接测量X射线的时间相干性，特别是在时域中直接测量飞秒、阿秒量级的超短X射线辐射脉冲的时间长度以及相位信息基本上不可能。

其中，参考文献如下：