“實時、精準(zhǔn)地表征紫外光源的光譜、空間、強度等特性，

一直是超快實驗中不可忽視的工作?！?/span>

• 光譜分析：捕捉動態(tài)光譜予以優(yōu)化

自由電子激光（FEL）中，自放大自發(fā)輻射（SASE）會導(dǎo)致脈沖間光譜劇烈波動（如諧波能量占比變化），需實時測量瞬時光譜特性（例如避免高次諧波掩蓋雙光子信號），以優(yōu)化濾波策略甚至光源參數(shù)。對于高次諧波（HHG）光源，其產(chǎn)生效率與驅(qū)動激光參數(shù)高度相關(guān)，實時光譜監(jiān)測可動態(tài)調(diào)節(jié)匹配條件；同時，HHG的光譜抖動（諧波階次漂移或強度波動）可能破壞實驗重復(fù)性，需通過實時校準(zhǔn)濾波策略加以抑制。

• 束斑分析：消除位置漂移

FEL光束可能因機械振動或熱漂移發(fā)生位移，需實時調(diào)整光學(xué)激光的束斑位置以補償空間偏差。在HHG實驗中，驅(qū)動激光束斑與氣體靶的匹配（如焦斑尺寸與靶長度）直接影響輸出光束，需通過實時束斑分析校準(zhǔn)消除漂移。此外，實時監(jiān)測可優(yōu)化聚焦質(zhì)量（束斑強度與形狀）。或在雙色泵浦-探針實驗中確保兩束光的空間重疊精度。

• 強度檢測：降低波動干擾

HHG中驅(qū)動激光能量與氣體壓力變化導(dǎo)致XUV輸出不穩(wěn)定，需實時反饋以優(yōu)化實驗條件（如氣體密度動態(tài)調(diào)節(jié)）?；蚋鶕?jù)后端實驗實時調(diào)整前端光源強度，比如光電子能譜中高密度電離會導(dǎo)致光電子能譜展寬或偏移，需實時調(diào)整氣體壓力或FEL能量以最小化干擾。

• 波前檢測：分辨率的基石

基于相干衍射成像的實驗要求光源具備高空間相干性，而波前畸變會顯著降低分辨率，需實時校正。此外，單色儀和聚焦光學(xué)元件的性能高度依賴入射波前質(zhì)量，實時檢測可支持光學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)校準(zhǔn)，確保實驗條件最優(yōu)。

傳統(tǒng)XUV光譜儀因體積龐大（米級規(guī)模）、功能單一且難以適應(yīng)動態(tài)實驗需求，逐漸成為超快科學(xué)發(fā)展的障礙。尤其在阿秒時間分辨光譜等超快實驗中，光路干涉穩(wěn)定性要求極高，需盡可能減少光路中光學(xué)元件的移動，而傳統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)與之沖突。以下幾項工作便展示了針對光源即將開展的實驗而優(yōu)化的光源表征方法：

一、針對HHG光源優(yōu)化設(shè)計的新構(gòu)型光譜儀

2010年，美國勞倫斯伯克利國家實驗室團隊首次提出了一種緊湊的、非侵入式的多功能的真空紫外（VUV）光束表征裝置。可同步實現(xiàn)光譜分布（10-80 nm，分辨率0.25-0.13 nm）與空間束斑（成像直徑10 mm，分辨率0.1 mm）的原位表征。如圖一所示，該裝置通過DN200 CF法蘭集成至光路，內(nèi)置真空平移臺支持光譜儀與束斑分析模式快速切換，且可完全移出光束路徑以避免干擾后續(xù)實驗。其靈巧設(shè)計支持其多光源間切換表征。

功能驗證與實驗結(jié)果（如下圖二）：

1）動態(tài)光譜響應(yīng)測試

通過調(diào)節(jié)驅(qū)動激光的群速度色散（GVD），團隊觀測到第21次諧波峰的分裂行為（三峰→單峰→雙峰）。光譜儀成功捕捉到1 nm級特征間距變化，與量子路徑干涉理論預(yù)測吻合，證實其對強場非線性過程的動態(tài)監(jiān)測能力。

2）空間束斑關(guān)聯(lián)性驗證

實驗測得HHG光束呈橢圓形分布（垂直4.0 mm × 水平2.5 mm，F(xiàn)WHM），其形變源于紅外驅(qū)動光束的散焦（4 m曲率凹面鏡，16 mrad水平入射角）。實測結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)一致，揭示了VUV光譜對驅(qū)動激光啁啾的強依賴性。

圖二. 21次諧波的光譜形狀隨GVD的變化。光譜被歸一化為最大強度相等。縱坐標(biāo)上的值和刻度標(biāo)記表示相應(yīng)光譜的GVD值和基線位置（左圖）。實驗測得HHG光束的空間分布（右圖）其中，六邊形形狀是由于MCP通道排列結(jié)構(gòu)所致。

二、超快時間分辨光電子能譜中的FEL表征

2005年，全球首個覆蓋極紫外（EUV）至軟X射線波段的自由電子激光（FEL）光源FLASH投入運行。為充分發(fā)揮其性能，F(xiàn)LASH團隊同步開發(fā)了一套集成EUV-FEL與鈦藍(lán)寶石飛秒激光器的雙色泵浦-探測系統(tǒng)面向光電子能譜等應(yīng)用（圖三），并針對光源時空穩(wěn)定性建立了多維表征。

圖三.使用FEL與光學(xué)激光器組合的泵浦-探測實驗的實驗裝置

實驗裝置與表征需求：

如圖三所示，紅外激光通過離軸拋物面鏡（離軸30°，焦距272 mm，孔徑76 mm）聚焦，其中心預(yù)留6 mm通孔供FEL光束共焦傳輸。實驗中，EUV脈沖與氣體靶作用釋放電子，電子在紅外強場下通過多光子吸收/發(fā)射產(chǎn)生動能偏移（光電子能譜邊帶峰），隨后由永磁體引導(dǎo)至飛行時間探測器解析動能分布。為保障單次測量靈敏度，需對光源的時空重疊精度、光譜分布進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

同步表征方法：

1、時間同步校準(zhǔn)

采用寬譜響應(yīng)（NIR至EUV）、具有快速上升時間的高抗輻射能力光電二極管實時監(jiān)測兩束光的時序重疊，通過示波器信號（圖四左）提供時間延遲粗調(diào)基準(zhǔn)，確保高同步精度。

2、空間重疊優(yōu)化

利用熒光屏與CCD相機同步捕捉EUV和NIR光斑（圖四右），通過調(diào)節(jié)離軸拋物面鏡與伽利略望遠(yuǎn)鏡，降低空間偏移，避免信號失真。

圖四.示波器上光電二極管對FLASH和紅外激光脈沖的響應(yīng)（左圖），右上為20倍放大下，800nm激光的光束輪廓，右下為FLASH的光束輪廓（右圖）

3、瞬態(tài)光譜監(jiān)測

FEL脈沖因自放大自發(fā)輻射（SASE）存在顯著光譜波動，且高次諧波可能掩蓋過程信號，團隊采用無狹縫平場光柵光譜儀（圖五左，無狹縫對準(zhǔn)容易，且保有高通量吞吐。）實現(xiàn)單脈沖光譜捕獲，并基于實時數(shù)據(jù)優(yōu)化濾波策略。

圖五.13.7 nm光單個脈沖的光譜分布。多脈沖的積分光譜以實黑線表示(左圖)，右上為一系列單次發(fā)射光譜。右下為單次閃光脈沖的原始CCD數(shù)據(jù)。右下插圖為用于優(yōu)化二次和三次諧波的濾光片的透過率。（右圖）

此外，2005至2006年間，通過持續(xù)表征調(diào)整裝置，將二次/三次諧波能量占比從1:1降至1:8，顯著提升EUV基頻能量并創(chuàng)下當(dāng)時紀(jì)錄。

三、HHG&FEL雙色泵浦-探測實驗的在線表征系統(tǒng)

自由電子激光（FEL）與高次諧波（HHG）光源在超快研究中呈現(xiàn)顯著互補性：FEL可產(chǎn)生高相干性、寬光譜（VUV至軟X射線）脈沖，而HHG雖光子通量較低，但具備緊湊靈活的優(yōu)勢。2020年，德國DESY、馬克斯·普朗克研究所等團隊將HHG-VUV光源深度集成至FLASH2設(shè)施，通過實時光譜、脈沖能量與束斑監(jiān)測實現(xiàn)雙光源（HHG-VUV: 10-40 eV；FEL-XUV）的精準(zhǔn)同步，并完成首例紫外FEL-HHG雙色泵浦-探測實驗，成功解析氬氣中多階諧波電離路徑的三維動量分布，驗證了系統(tǒng)的飛秒時間分辨能力。該系統(tǒng)成為FLASH2首個永久性雙色超快研究平臺，也是首個在FEL設(shè)施中永久部署HHG-VUV的光源。

圖六.光束線示意圖。HHG-VUV由紅外激光（A）驅(qū)動氣體靶（B）生成，經(jīng)濾光片（C）阻擋驅(qū)動光后，通過耦合鏡（D）與FEL光束耦合。移除鏡組后，HHG光路由光譜儀（E）直接表征。右下插圖為VUV光束線的三維CAD圖。

集成設(shè)計與實時校準(zhǔn)

1. 光束耦合與動態(tài)對準(zhǔn)

如上圖六所示，鏡組插入時，兩束光平行聚焦至REMI終端站，相機實時監(jiān)測束斑位置，結(jié)合六軸調(diào)節(jié)臺調(diào)整鏡片來校正機械振動或熱漂移，確保共焦精度（最終實現(xiàn)重復(fù)定位誤差<3 μm，滿足長期實驗穩(wěn)定性需求）。

圖七.光束線耦合腔室。裝載了碳涂層雙曲面鏡（由optiXfab GmbH提供），團隊感興趣光譜范圍內(nèi)反射率接近80%。HHG-VUV光束通過鏡片后與FEL光束平行，鏡片通過六軸運動臺調(diào)節(jié)。頂部的凹槽允許將鏡片從光路中移除。

2. 脈沖能量、光譜的實時反饋與動態(tài)優(yōu)化

鏡片移出光路時，HHG-VUV光抵達(dá)搭載有XUV二極管的在線光譜儀。（?。〩HG脈沖能量易受激光波動與氣體參數(shù)（如壓力）影響（圖八左），通過二極管實時監(jiān)測為實驗提供強度參考，并動態(tài)矯正濾波，避免氧化干擾。（ⅱ）激光脈沖間的抖動易導(dǎo)致諧波階次強度波動，平場光柵光譜儀實時監(jiān)測單脈沖光譜，確保目標(biāo)波段（10-40 eV）覆蓋，調(diào)整濾波策略抑制高階諧波干擾。

圖八.SIGC中壓力與VUV脈沖能量的關(guān)系趨勢。脈沖能量由光電二極管響應(yīng)（左圖插圖）估算，校正了光束線損失（左圖）。VUV光譜是在使用21 mbar氬氣下獲得的。虛線表示在光束路徑中插入0.1 μm鋁片后記錄的光譜。數(shù)字表示諧波階次（右圖）。

整套系統(tǒng)總長僅1.26米，無縫兼容實驗線站，避免對后端設(shè)備的干擾。

四、HHG束線裝置的紫外在線診斷

ELI Beamlines（2018年啟用）是當(dāng)前性能最先進(jìn)的HHG用戶設(shè)施之一，具備高通量、高重復(fù)頻率及多終端集成等特點。為持續(xù)優(yōu)化光源性能，其建設(shè)初期即針對XUV脈沖集成了一套多維在線診斷方案：

1、激光對準(zhǔn)校正

通過CCD/CMOS相機結(jié)合遠(yuǎn)場/近場參考點，動態(tài)調(diào)整激光入射角，確保光束與氣體靶的空間匹配。

2、絕對脈沖能量監(jiān)測

采用標(biāo)定XUV光電二極管測量單脈沖能量，為實驗提供強度基準(zhǔn)。

3、波前動態(tài)校正

基于Hartmann波前傳感器（孔陣列板+CCD），實時檢測并矯正波前畸變以支持光學(xué)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)整。

4、光譜實時調(diào)控

平場光柵光譜儀快速捕獲單脈沖光譜，動態(tài)優(yōu)化諧波生成條件以及濾波策略。

圖九.紫外光電二極管、波前傳感器和光譜儀的光路示意圖

技術(shù)升級

2020年，全二極管泵浦高重頻拍瓦激光系統(tǒng)HAPLS正式集成至ELI-Beamlines設(shè)施中，并于2021年實現(xiàn)超高強度（~1021 W/cm2）穩(wěn)定運行。為研究激光-靶材相互作用（通過分析高次諧波生成和等離子體發(fā)射過程），團隊引入商用光譜儀maxLIGHT pro（圖十）.

特點：

1、雙模式運行—束斑分析模式與平場光柵光譜模式（7-80 nm，舊版）；

2、時間分辨測量—MCP組件與高壓脈沖發(fā)生器支持10 ns內(nèi)門控。

圖十.安裝在ECU D2腔室內(nèi)的HPS紫外光譜儀

光源表征是超快實驗成功的基石，其精確度直接決定數(shù)據(jù)可靠性。然而，構(gòu)建高效的表征系統(tǒng)往往面臨復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。針對這一需求，我們可提供經(jīng)過嚴(yán)格驗證的標(biāo)準(zhǔn)化在線表征系統(tǒng)方案，覆蓋光譜、空間、強度及波前全維度診斷。這些方案不僅技術(shù)成熟度高、兼容性強，更能顯著節(jié)省科研人員在系統(tǒng)搭建上的時間與資源投入，助力團隊專注于核心科學(xué)問題的探索，加速研究進(jìn)程。

內(nèi)容    Jay

審核   凱文

編輯    Yee

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