超快光学元件: 用于阿秒极紫外激光器的高精度多层反射镜

产生阿秒激光脉冲产生超快激光脉冲需要足够的带宽和适当的中心波长。光谱带宽确定最小脉冲持续时间，其由傅立叶变换关系控制。原则上，光谱带宽越宽，脉冲持续时间越短。然而，在工程实践中，不可能产生无限宽的光谱来产生具有无限短持续时间的激光脉冲。

作为激光脉冲的中心波长的周期的光学周期也限制了脉冲持续时间。可以通过将中心波长除以光速来获得光学周期。例如，中心波长为800 nm的脉冲具有大约2.67fs的光学周期。从该结果可以看出，即使具有足够宽的光谱带宽，中心波长为800 nm的激光脉冲也不能被压缩到阿秒水平。此外，对于中心波长为19 nm的脉冲，最小脉冲持续时间约为63。因此，阿秒激光脉冲通常位于电磁波谱的EUV (也称为XUV) 带中，并且不能在较低能量 (较长波长) 带中产生。

阿秒激光源EUV阿秒脉冲最常见的来源是自由电子激光器 (fel) 和高谐波发生 (HHG)，激光用户通常使用HHG。通常，通过HHG产生阿秒脉冲的过程包括三个步骤。首先，样品 (通常是惰性气体) 与激光提供的强电场相互作用，使控制电子波函数的库仑电势失真，并通过隧穿使样品电离。其次，电子被激光提供的电场加速远离母离子，但是当电场反转时，电子被加速回到母离子。最后，当电子与母离子复合时，它在加速过程中获得的动能以驱动激光频率的奇次谐波光子的形式释放。

阿秒极紫外激光器的光学元件阿秒极紫外应用对光学器件有非常严格的要求组件。高精度金属/电介质多层反射镜通常用于引导，聚焦和整形阿秒脉冲 (见图)。阿秒光学组件的设计应最大程度地控制脉冲的中心波长/能量，光谱形状，光谱相位和脉冲持续时间。

阿秒实验需要非常同步的激光脉冲。由于相干EUV/软x射线源的可调性有限，因此必须使用脉冲整形阿秒光学组件 (例如激光镜) 来解决此问题。另外，光学组件的色散效应可以在时域中加宽脉冲，因此非色散或与角度无关的光学组件是优选的。与光栅等其他光学组件相比，多层反射镜更适合满足这些需求。为了保持阿秒激光脉冲的特性，反射镜反射表面上的多层涂层的精度必须非常高，并且基板的抛光表面粗糙度应达到1 Å (10 ^-10 m) 左右，以最大程度地减少由于散射引起的光损失。在镀膜之前，需要对多层反射镜镀膜的幅度和相位特性进行仿真和优化。

可以使用不同的沉积技术 (例如化学气相沉积，脉冲激光沉积，磁控溅射和电子束蒸发) 来涂覆原子厚度的多层膜，以用于阿秒EUV激光镜。其中，磁控溅射和电子束蒸发是更常用的。目前，通过磁控溅射实现的垂直入射EUV反射镜的最高反射率为70.9%。然而，通过离子束沉积 (也称为离子束溅射) 实现了最高水平的膜控制和再现性。

离子束沉积是精确控制薄膜厚度的有力工具，无需实时厚度监测 (见图)。可以独立地控制离子能量和电流以增加自由度并优化膜生长。

EUV阿秒反射镜的光学性能通常使用白光光谱椭圆光度法、EUV/软x射线反射法以及掠入射硬x射线反射法来测量。白光光谱椭偏仪是一种综合测量技术，它以固定的入射角调制来自镜面的反射光束的相位和幅度。

椭圆光度法可用于原位测量，以分析沉积期间的膜厚度并确定所需的沉积速率。EUV/软x射线反射法提供了一种在一定入射角下测量多层反射镜绝对反射率的方法，而掠入射硬x射线反射法可以测量薄膜的粗糙度，直接影响反射镜的反射率。结合所有这些信息，可以建立一个全面的模型来研究EUV阿秒多层反射镜的理论和实际性能。

阿秒光学的应用阿秒光学的发展促进了阿秒科学领域的发展。由于阿秒脉冲的特性，传统的超快技术，例如泵浦探针光谱技术得到了增强。

泵浦-探测技术的典型配置包括条纹相机技术或瞬态吸收。在瞬态吸收实验中，可见波长范围内的泵浦光首先激发样品，经过一定的时间延迟后，白光作为探针监测样品激发态的光谱演变。在阿秒瞬态吸收光谱 (ATAS) 系统中，可见光至近红外范围内的脉冲激光用作激发样品的泵浦光，而阿秒EUV脉冲用作探针。然而，在阿秒条纹相机系统中，情况相反-阿秒激光脉冲首先电离原子或分子，然后，第二个较长波长的激光脉冲的振荡电场调制发射电子的能量。EUV阿秒脉冲提供的光谱分辨率可以深入了解价电子的运动和核心电子态的动力学。

在大多数当前的阿秒实验中，Ti: 蓝宝石激光系统仍用于产生HHG。啁啾脉冲放大技术 (Strickland和Mourou为此获得了2018年诺贝尔物理学奖) 和其他脉冲压缩方法提供了接近单周期的脉冲持续时间来产生HHG。不幸的是，钛: 蓝宝石激光系统的重复频率相对较低 (最大10 khz)，这严重限制了阿秒生成过程和复杂探测实验的数据采集时间。因此，阿秒科学领域迫切需要更高功率和更高重复率的激光系统，从而引入了重复率在兆赫兹范围内的EUV激光系统。

当前，用于产生阿秒的激光源逐渐从Ti: 蓝宝石激光系统转移到中心波长为1030 nm的掺Yb激光器。此外，光参量啁啾脉冲放大技术的应用显著提高了激光器的平均功率和重复率，阿秒科学领域正趋向于使用更高功率的激光来探测基本的电子现象。

随着阿秒科学的发展，阿秒技术越来越多地被不同的激光用户使用。对于研究人员来说，获得支持其科学研究的光学组件至关重要。获得复杂的超快光学部件，例如阿秒EUV反射镜，传统上是困难的，因为这些反射镜通常需要定制设计。对于大多数人来说，小批量的高成本和漫长的交货时间令人望而生畏。但是，阿秒EUV反射镜现在可以作为标准的现成组件使用，大大降低了小批量采购的成本和交货时间。这对于快速修复受损系统，快速探索系统原型的新思路，加快科学发现的步伐尤为重要。