進展| 相對論雷射驅動的超快X射線衍射系統的研製


在超快時間尺度上獲得物質的動力學演化過程一直是人們努力的重要方向。基於雷射等離子體相互作用產生的飛秒硬X射線源由於具有脈寬短、亮度高和源尺寸小等突出的優點,可廣泛應用於瞬態微成像/相襯成像、時間分辨吸收譜學和X射線衍射等實驗研究中。其中,雷射泵浦——超快X射線衍射的手段能為我們提供飛秒級時間尺度、亞埃級空間尺度上材料的結構動力學信息。


圖1. 超快X射線衍射裝置示意圖


中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理實驗室L05組博士研究生朱常青(指導教師為原物理所陳黎明研究員、現上海交通大學物理與天文學院教授),利用L05組的高脈衝能量(>100mJ)、低重頻(10Hz)雷射器,研製了一套飛秒時間分辨的X射線衍射系統。該裝置工作在相對論的雷射強度(2×10¹⁹ W/cm²)下,可以有效地激發高Z金屬材料的Kα射線,並且能夠通過優化X射線多層膜反射鏡,進一步提高X射線的聚焦強度。利用該裝置對SrCoO₂.₅薄膜樣品的瞬態結構進行了探測,結果表明該裝置不僅可以用來分析樣品的超快動力學行為,並且和KHz等小能量裝置相比對於不同的特殊應用具有高度的靈活性。該裝置有望將來在物理、化學和生物領域的超快動力學探測方面發揮重要作用。


圖2. 在光泵浦下超快X射線衍射信號隨延時的變化:(a)泵浦光作用20ps後勞厄衍射斑的角移;(b)不同的泵浦-探針延時,所對應的光致拉伸度。


相關成果以「快速通訊」的形式發表於最近的Chinese Physics B上,並被選為該期的亮點文章。這也是該團隊利用雷射超快X射線源在成像和衍射應用方面,最新獲得的創新成果。前序成果包括Rev. Sci. Instrum. 85 113304 (2014)、Chin. Phys. B 24 108701 (2015)等。該實驗室裝置的建成,也為物理所懷柔綜合極端條件用戶裝置中的超快X射線動力學子系統(XD3)的建設,提供了有益的經驗。該成果的取得也得到了XD3研製團隊成員魯欣副研究員、李毅飛博士和王進光博士的大力支持。


這項工作及相關研究得到了國家重點研發計劃、科學挑戰計劃、國家自然科學基金和中科院先導專項的支持。


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編輯:牧魚

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