張大成 葛韓星 巴雨璐 汶偉強(qiáng) 張怡 陳冬陽 汪寒冰 馬新文

1) (西安電子科技大學(xué)光電工程學(xué)院,西安 710071)

2) (中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所,蘭州 730000)

1 引言

高電荷態(tài)離子(highly charged ion,HCI),又稱高離化態(tài)離子,是指原子被剝掉多個(gè)核外電子后處在高度帶電狀態(tài)的離子,其廣泛存在于各種天體和人工制造的等離子體中[1].宇宙中超過95%的可見物質(zhì)是由等離子體組成的,其中恒星、超新星、近恒星云、激波和活躍星系核噴射物等處于高溫等離子體狀態(tài),包含大量的HCI 離子,它們主要是通過光電離和電子碰撞電離產(chǎn)生[2].HCI 光譜是了解天體物質(zhì)成分、離子所處天體的等離子體環(huán)境狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)最直接甚至是唯一的手段,對(duì)于理解和發(fā)展天體物理和宇宙模型必不可少[3].HCI 的光電離截面、光吸收截面、能級(jí)壽命、躍遷速率等基本參數(shù),對(duì)于研究從太陽日冕到星系中心黑洞周圍的吸積盤等天體物理中等離子體的密度、溫度等特性具有重要意義[4,5].目前對(duì)于低價(jià)離子的光電離實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型計(jì)算結(jié)果符合比較好,但對(duì)于高價(jià)HCI 離子,理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值偏差較大,需要大量高精度的絕對(duì)光電離截面測(cè)量數(shù)據(jù)來驗(yàn)證及修正相關(guān)理論模型[6,7].因此,實(shí)驗(yàn)室開展HCI 光譜測(cè)量可為天文觀測(cè)提供高精度光譜數(shù)據(jù)庫和建立天體演化模型提供重要數(shù)據(jù)支撐[8].

與中性原子或低電荷態(tài)離子相比,HCI 隨著離子核電荷數(shù)Z的不斷增高,其核外電子所能感受到的原子核的庫侖場(chǎng)強(qiáng)不斷增強(qiáng),離子能級(jí)結(jié)構(gòu)中涉及的量子電動(dòng)力學(xué)(quantum electrodynamics,QED)效應(yīng)(～Z4)、相對(duì)論效應(yīng)(～Z2)、超精細(xì)分裂(～Z3)及原子核尺寸效應(yīng)(～Z5～Z6)等會(huì)急劇增大[9].因此,開展不同核電荷數(shù)Z的HCI光譜的精密測(cè)量,對(duì)于理解QED 效應(yīng)、相對(duì)論效應(yīng)、甚至開展原子核性質(zhì)研究具有至關(guān)重要的意義[2].其中HCI 中基態(tài)超精細(xì)分裂(hyperfine splitting,HFS)精密測(cè)量是精確檢驗(yàn)QED 效應(yīng)的理想體系[10].除此之外,HCI 能級(jí)壽命測(cè)量對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的理論發(fā)展十分重要.測(cè)量HCI 短壽命能級(jí)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法包括束箔技術(shù)、重離子存儲(chǔ)環(huán)、離子阱等[5,11-17],這些實(shí)驗(yàn)方法主要是研究ms 至ns 量級(jí)的壽命.然而,重離子的能級(jí)壽命隨核電荷序數(shù)Z的增加急劇變短,達(dá)到飛秒甚至更短時(shí)間尺度,使得相關(guān)短壽命能級(jí)與光譜的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)十分有限.因此,發(fā)展新方法開展高Z重離子的超短壽命能級(jí)測(cè)量對(duì)于能級(jí)結(jié)構(gòu)的理解具有重要意義.再者,深入理解認(rèn)識(shí)HCI 對(duì)光的發(fā)射和吸收對(duì)于模擬地球等離子體、核聚變研究以及探索熱致密物質(zhì)的狀態(tài)方程至關(guān)重要[2].

HCI 光譜精密測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仍然非常有限,以往主要是通過被動(dòng)觀測(cè)光譜測(cè)量獲得,其測(cè)量精度與靈敏度均有待提高[18,19].利用激光主動(dòng)激發(fā)的激光光譜技術(shù)是獲得高精度光電離截面、能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命等數(shù)據(jù)的重要方法[20].然而,HCI 的電離能從數(shù)eV 到數(shù)百eV 不等,實(shí)驗(yàn)室制備的離子靶密度又通常較低(～106cm-3),比氣體靶中的中性原子或分子的數(shù)量密度小5—10 個(gè)數(shù)量級(jí),因此,實(shí)驗(yàn)室開展HCI 激發(fā)光譜測(cè)量需要非常高的光子能量和光子通量[21].目前對(duì)于HCI 共振激發(fā)光譜實(shí)驗(yàn)研究?jī)H有利用自由電子激光、同步輻射等光源完成的有限工作.阿秒光源是利用飛秒激光驅(qū)動(dòng)氣體靶等通過非線性效應(yīng)產(chǎn)生的具有極短脈沖的極紫外波段的相干光,具有高光子能量、超短脈沖寬度以及高峰值功率等特點(diǎn).特別是隨著先進(jìn)阿秒光源、歐洲極端光設(shè)施(ELI-ALPS)等重大阿秒科學(xué)大科學(xué)設(shè)施的建設(shè),更高通量、重頻、光子能量的大型極紫外超快光源可以在未來提供,這使得利用阿秒光源開展HCI 的激光光譜測(cè)量成為可能.

本文總結(jié)了國(guó)際上利用同步輻射光、自由電子激光器以及飛秒高次諧波等光源開展HCI 光譜測(cè)量的進(jìn)展.通過分析這些光源與阿秒光源的參數(shù)特點(diǎn),討論了未來利用阿秒光源開展HCI 離子能級(jí)壽命、能級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)量的可行性,為理解天文光譜觀測(cè)、QED 理論模型檢驗(yàn)、核聚變中熱束縛條件下的等離子體規(guī)律溫?zé)岢砻芪镔|(zhì)的狀態(tài)方程等研究提供參考.

2 HCI 激發(fā)光譜測(cè)量進(jìn)展

共振激光光譜學(xué)方法是研究原子和分子結(jié)構(gòu)最靈敏、最精確的工具之一.1992 年,丹麥奧胡斯大學(xué)利用ASTRID 存儲(chǔ)環(huán)(Aarhus storage ring in Denmark,ASTRID)開展了100 keV 的7Li+離子的激光冷卻和高精度光譜測(cè)量.利用可見光波段激光將亞穩(wěn)態(tài)1s2s3S1的7Li+激發(fā)到1s2p3P2態(tài),并通 過F′′=5/2-F′=7/2 的HFS 進(jìn)行激光冷卻,測(cè)得其靜止時(shí)的躍遷波長(zhǎng)為548.6 nm,上能級(jí)壽命為43 ns[22].1994 年,Klaft 等[23]在德國(guó)重離子研究中心GSI 的重離子存儲(chǔ)環(huán)ESR 上,采用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量了類氫209Bi82+基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)F=4至F=5 的躍遷波長(zhǎng)為243.87(4) nm,F=5亞能級(jí)的壽命為0.351(16) ms,這也是人們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中首次直接觀測(cè)到HFS.2017 年德國(guó)GSI 的Ullmann 等[24]完成了類氫和類鋰Bi 離子的HFS精密測(cè)量實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果差異巨大,提出了所謂的“超精細(xì)分裂之謎”.這些精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)極大地激發(fā)了人們開展基于原子分子以及HCI 精密測(cè)量的興趣.德國(guó)GSI 上的HITRAP 減速器將HCI離子能量降低至6 keV/u,然后被Penning 阱捕獲,并通過電子冷卻和電阻冷卻將離子冷卻到液氦溫度,進(jìn)而可以開展HCI 的高精度激光光譜測(cè)量[25].電子束離子阱(electron beam ion trap,EBIT)技術(shù)的發(fā)展,使得在實(shí)驗(yàn)室可以更容易地獲得高電荷態(tài)的中重質(zhì)量離子,并通過光譜測(cè)量這些離子的精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu).2011 年,德國(guó)海德堡的馬克斯·普朗克核物理研究所的科研人員利用線寬為1.2 GHz 染料激光器在EBIT 中開展類硼離子Ar13+的1s22s22p 的2P3/2→2P1/2躍遷的共振激光光譜學(xué)實(shí)驗(yàn),測(cè)得亞穩(wěn)態(tài)2P3/2的壽命為9.573 ms;結(jié)合蒸發(fā)冷卻技術(shù)后,進(jìn)一步得到Ar13+離子的1s22s22p 的2P3/2-2P1/2躍遷的精確波長(zhǎng)為441.25568(26) nm,測(cè)量精度達(dá)到了Δλ/λ=6×10-7,盡管這與理論值441.261(70) nm 已經(jīng)符合得很好,但理論計(jì)算精度比實(shí)驗(yàn)測(cè)量低2 個(gè)數(shù)量級(jí),從而對(duì)多電子體系能級(jí)理論計(jì)算提出挑戰(zhàn)[3].2015 年,該研究所在低溫射頻離子阱中,利用激光冷卻的方式將Be+成功冷卻到亞開爾文溫度,實(shí)現(xiàn)了庫侖晶化束和Ar13+離子的協(xié)同冷卻,從而有效抑制了多普勒效應(yīng)引起的譜線展寬,極大地提高了激光光譜實(shí)驗(yàn)的分辨率,為高精度檢驗(yàn)新型原子鐘和自然常數(shù)等奠定了基礎(chǔ)[26].

由于HCI 的躍遷主要在XUV 甚至X 射線波段,可見光波段所能測(cè)量的離子光譜十分有限,開展更多HCI 能級(jí)測(cè)量需要適于激發(fā)離子能級(jí)躍遷的激光光源.同步輻射可以提供高亮度的極紫外至X 射線波段光源,很早便被用于HCI 激發(fā)光譜研究.早在20 世紀(jì)80 年代,Lyon 等[27]首次在英國(guó)Daresbury 的同步輻射光源進(jìn)行了Ba+離子的光電離實(shí)驗(yàn).他們利用光子能量16.0—29.5 eV 的同步輻射光對(duì)基態(tài)Ba+的光電離的絕對(duì)截面進(jìn)行了測(cè)量,獲得了75 個(gè)電離峰,其中最高的峰對(duì)應(yīng)的光電離截面大于10-15cm2.2002 年,Covington 等[28]利用美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源(advanced light source,ALS)結(jié)合離子-光子束(IPB)終端,在40—71 eV 光子能量范圍內(nèi)測(cè)量了Ne+的態(tài)和態(tài)的絕對(duì)光離截面,光譜分辨率在22—2 meV 內(nèi).2005 年,Bizau 等[29]利用ASTRID儲(chǔ)存環(huán)上產(chǎn)生的同步輻射激發(fā)由電子回旋共振(electron cyclotron resonance,ECR)離子源產(chǎn)生的N2+,N3+,O3+,O4+,F3+,F4+和Ne4+等離子,測(cè)量了它們的絕對(duì)光電離截面.2010 年,Simon 等[30]利用德國(guó)BESSYⅡ同步輻射產(chǎn)生的高光子通量X 射線和FLASH-EBIT 裝置產(chǎn)生的N3+,Ar8+等離子,研究了其光電離過程,從而將共振光譜學(xué)擴(kuò)展到軟X 射線波段,為理論模型檢驗(yàn)提供了高分辨高精度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).2013 年,Rudolph 等[31]利用德國(guó)漢堡DESY 同步光源的PETRA III 所產(chǎn)生的光子能量約6.6 keV 的單色X 射線測(cè)量了從類氦到類氟鐵離子(Fe24+到Fe17+)的Kα躍遷的光吸收,并計(jì)算了它們的躍遷幾率和躍遷能量.2014 年,Schippers 等[32]將光子-離子共線束應(yīng)用于PETRA III 的新光子-離子光譜儀,測(cè)量了Xeq+(q=1—5)離子的多光子電離,以及Ne+的單光子、雙光子和三光子電離[33],W4+的單光子電離[34],Fe+單光子m次光電離(m=1,2,···,6)的絕對(duì)截面[35].盡管利用同步輻射可以實(shí)現(xiàn)對(duì)HCI 共振激發(fā)光譜的研究,然而同步輻射裝置無法獲得飛秒量級(jí)的脈沖寬度,不能開展高時(shí)間分辨光譜測(cè)量.

自由電子激光能產(chǎn)生極紫外甚至X 射線波段的相干光,其脈沖寬度可短至fs 量級(jí),峰值功率高,能在獲得高單色性的同時(shí)保持較高的峰值功率.位于德國(guó)DESY 的FLASH 是國(guó)際上第一臺(tái)工作在XUV、軟X 射線波段的自由電子激光器,其光子能量可以覆蓋原子序數(shù)Z=15 (所需激發(fā)光子能量約為20 eV)到Z=75 (所需激發(fā)光子能量約為200 eV)的類鋰離子22S1/2-22P1/2躍遷光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)[2],結(jié)合為軟X 射線波段光譜研究設(shè)計(jì)的EBIT,可開展XUV 波段的HCI 離子的共振熒光激光光譜實(shí)驗(yàn).FLASH 以及XFEL 自由電子激光能提供幾eV 至幾十keV 的光子,可研究周期表中大部分元素類鋰離子的2S1/2-2P1/2躍遷(圖1)[36].2007 年,Epp 等[36]將自由電子激光FLASH 和EBIT 結(jié)合,首次利用自由電子激光測(cè)量了類鋰Fe23+離子的共振熒光光譜,研究了HCI 離子蘭姆位移密切相關(guān)的1s22s2S1/2態(tài)到1s22p2P1/2態(tài)的躍遷(48.6 eV).然而受限于光源技術(shù),目前對(duì)于X 射線波段內(nèi)得到的能級(jí)躍遷精度比可見光范圍內(nèi)HCI 的精細(xì)和超精細(xì)躍遷仍要相差幾個(gè)量級(jí).

圖1 FLASH 和XFEL 光子能量范圍與可研究的2S1/2-2P1/2躍遷離子種類[36]Fig.1.Photon energy range covered by FLASH and XFEL and transition energy 2S1/2-2P1/2 for some systems[36].

飛秒激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高次諧波(HHG)作為一種臺(tái)面式低成本的極紫外相干光源,其所產(chǎn)生的光子能量最高已達(dá)keV[37].2015 年,Rothhardt 等[38]提出了將高功率飛秒HHG 光源與GSI 重離子束冷卻儲(chǔ)存環(huán)結(jié)合進(jìn)行類鋰銀離子XUV 波段激光光譜學(xué)研究.如圖2(a)所示,他們采用重頻為MHz的高功率飛秒光纖激光器驅(qū)動(dòng)氣體靶在40 nm(光子能量約30 eV)處產(chǎn)生的單個(gè)諧波通量可以達(dá)到1013光子/s,其輻射通量已達(dá)到與同步輻射相當(dāng)?shù)乃?并且共振增強(qiáng)腔HHG 可以產(chǎn)生光子能量帶寬減小到ΔE/E約為3×10-3的窄帶諧波,從而有望在重離子冷卻儲(chǔ)存環(huán)上開展相對(duì)論能量的Z=47 的類鋰離子的2S1/2-2P1/2躍遷(躍遷能量約100 eV)光譜測(cè)量,這為QED 效應(yīng)和核修正檢驗(yàn)提供了高靈敏度的檢測(cè)方法,他們通過計(jì)算估計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熒光計(jì)數(shù)率可達(dá)到每秒幾十個(gè).利用高功率飛秒激光振蕩器通過共振增強(qiáng)腔產(chǎn)生的HHG 光子能量較低,通常在5—25 eV,只能夠測(cè)量Z=18 以下的HCI 的2S1/2-2P1/2的躍遷能級(jí)以及QED 效應(yīng)隨Z序數(shù)的變化規(guī)律.利用飛秒放大器驅(qū)動(dòng)的桌面式HHG 系統(tǒng)的光子能量可達(dá)20—200 eV,光子通量可達(dá)1013光子/s,可以開展更寬范圍的HCI 光譜測(cè)量,但其產(chǎn)生的光源單色性較差,因此仍需研究如何將HHG 所產(chǎn)生的XUV光的線寬(Δλ/λ)壓縮至10-4以下,以提高HCI能級(jí)躍遷的測(cè)量精度[39].

圖2 (a) 德國(guó)儲(chǔ)存環(huán)ESR 上開展XUV 波段激光光譜的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖;(b) 類鋰離子2S1/2-2P1/2 躍遷能級(jí)間隔與Z 的關(guān)系圖[38]Fig.2.(a) Schematic of an XUV laser spectroscopy experiment at the storage ring ESR in Germany;(b) 2S1/2-2P1/2 transition energies for Li-like ions plotted as a function of the nuclear charge Z[38].

3 HCI 離子阿秒激光光譜測(cè)量分析

飛秒激光驅(qū)動(dòng)HHG 的極紫外輻射具有飛秒甚至阿秒級(jí)的超快時(shí)間特性,且HHG 與驅(qū)動(dòng)激光天然同步,可開展最短至阿秒級(jí)時(shí)間分辨的光譜實(shí)驗(yàn).特別是臺(tái)面式極紫外HHG光源已經(jīng)較為成熟,許多實(shí)驗(yàn)室已利用臺(tái)面式極紫外HHG 開展光譜實(shí)驗(yàn)[40].對(duì)于HCI 離子短波長(zhǎng)的躍遷,激發(fā)截面非常小,而光源光子通量、輻射收集效率以及實(shí)驗(yàn)室可制備的HCI 密度等仍然比原子激光光譜測(cè)量等弱幾個(gè)數(shù)量級(jí).因此,要實(shí)現(xiàn)對(duì)HCI 離子高激發(fā)態(tài)能級(jí)以及截面更小的躍遷的測(cè)量,需要高通量、高重頻的阿秒光源,或者是能夠產(chǎn)生高電荷態(tài)、高流強(qiáng)的離子靶,同時(shí)還需要發(fā)展高靈敏的探測(cè)方法.歐洲以及中國(guó)等也都在建設(shè)阿秒大科學(xué)裝置,這些阿秒大科學(xué)裝置可以提供更高光子通量和光子能量的光源,進(jìn)而開展極紫外波段,飛秒乃至阿秒時(shí)間分辨的HCI 離子能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命測(cè)量實(shí)驗(yàn).國(guó)際上已建成的大型離子束裝置有德國(guó)重離子研究中心GSI 的ESR、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的CSRe 等,以及德國(guó)正在建設(shè)的FAIR 項(xiàng)目和中國(guó)正在建設(shè)的HIAF 項(xiàng)目等.由于阿秒光源與離子束裝置的建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)等需要完全不同的技術(shù),目前國(guó)際上尚沒有同時(shí)具備阿秒光源大科學(xué)裝置與重離子加速器等兩大科學(xué)裝置的實(shí)驗(yàn)室.為實(shí)現(xiàn)對(duì)HCI 離子的阿秒激光光譜測(cè)量,可以根據(jù)待測(cè)體系的特點(diǎn)以及各類不同光源、離子束裝置的特點(diǎn),分別在阿秒大科學(xué)裝置上建設(shè)HCI 光譜測(cè)量終端以及在重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)上增加臺(tái)面式極紫外阿秒光源的HCI 離子激光光譜測(cè)量平臺(tái).本節(jié)將分別從光源、離子靶以及測(cè)量方法等方面討論HCI 離子阿秒時(shí)間分辨激光光譜測(cè)量可能的方案與可行性.

3.1 極紫外阿秒光源

自2001 年首次獲得阿秒脈沖以來[41],實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生阿秒光源的主要方式仍是利用飛秒激光驅(qū)動(dòng)氣體靶產(chǎn)生極紫外高次諧波.2017 年,瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)(ETH)使用臺(tái)面式Ti:Sa 飛秒激光經(jīng)過光參量放大(OPA),產(chǎn)生了1.8 μm 紅外驅(qū)動(dòng)激光,經(jīng)空芯光纖壓縮后,脈寬為11.5 fs,脈沖能量為480 μJ.再利用該飛秒激光驅(qū)動(dòng)氖或氬氣體,產(chǎn)生了最短脈寬為43 as 的孤立脈沖,最高光子能量達(dá)到180 eV,帶寬近100 eV[42].此外,他們還利用單脈沖能量2.5 mJ 的鈦寶石飛秒激光驅(qū)動(dòng)高壓氖氣,已經(jīng)產(chǎn)生了100—350 eV 的軟X 射線超連續(xù)譜,利用這一超寬帶軟X 射線光源可以對(duì)碳的K 殼層吸收邊和硫的所有L 殼層吸收邊進(jìn)行瞬態(tài)吸收光譜測(cè)量[40].同年,Müller 等[34]使用光參量啁啾脈沖放大器(OPCPA)產(chǎn)生了載波包絡(luò)相位(CEP)穩(wěn)定的1.8 μm 飛秒驅(qū)動(dòng)激光脈沖,脈寬為12 fs,重復(fù)頻率為1 kHz.他們利用該中紅外飛秒激光驅(qū)動(dòng)氖氣,獲得了脈寬為53 as,100—330 eV的超帶寬極紫外阿秒光脈沖,并將其應(yīng)用于碳K 殼層吸收光譜的研究.隨著全固態(tài)飛秒激光技術(shù)的發(fā)展,具有MHz 重頻的高功率、窄脈寬全固態(tài)飛秒激光也已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生HHG 的重要驅(qū)動(dòng)光源,利用其產(chǎn)生的HHG 光子通量已可以達(dá)到3×1013光子/s[43],能夠滿足HCI 離子光譜測(cè)量需求.除此之外,德國(guó)耶拿大學(xué)利用高重頻高功率光纖飛秒激光器為在重離子加速器上開展XUV 波段激光光譜實(shí)驗(yàn)研制光源.光纖飛秒激光器產(chǎn)生的1 μm 波段激光經(jīng)倍頻和脈寬壓縮后驅(qū)動(dòng)氣體靶,在光子能量為26.5 eV 的單諧波線上獲得了功率為(12.9±3.9) mW 的極紫外光脈沖,對(duì)應(yīng)的光子通量為3×1015光子/s,在30 eV 以上的光子能量下平均功率也已大于1 mW[44].

國(guó)際上正在建設(shè)多個(gè)可提供高通量、高光子能量阿秒脈沖的阿秒大科學(xué)裝置,包括歐洲極端光基礎(chǔ)設(shè)施阿秒脈沖光源(ELI-ALPS)、北京懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)室以及正在籌建的先進(jìn)阿秒光源等.ELI-ALPS 設(shè)計(jì)有5 條光束線,其中4 條光束線利用氣體靶產(chǎn)生高次諧波(GHHG),一條束線通過表面等離子體相干尾流發(fā)射產(chǎn)生的新型表面高次諧波(SHHG).ELI-ALPS 在平均功率、脈沖持續(xù)時(shí)間和重復(fù)頻率等方面比臺(tái)面式的極紫外阿秒光源等有很大提高,其能夠提供的最高光子能量為120 eV,最大光子通量為1.25×1012光子/s,最短脈沖小于500 as[45].北京懷柔的綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置(SECUF)中也包含了阿秒激光源(ALS),共有4 條XUV 光束線.第1 束線是一個(gè)中心光子能量約為90 eV 的高能亞100 as 束線,重復(fù)頻率為1 kHz;第2 束線由200 kHz—1 MHz 的高功率飛秒光纖激光器驅(qū)動(dòng),具有高的重復(fù)頻率以及窄的XUV 帶寬;第3 束線是由CEP 穩(wěn)定的亞10 fs 鈦藍(lán)寶石激光脈沖驅(qū)動(dòng)的單阿秒寬頻XUV 波束線,重復(fù)頻率為10 kHz;第4 束線由CEP 穩(wěn)定的亞10 fs OPCPA 激光脈沖驅(qū)動(dòng),可以產(chǎn)生具有更高重復(fù)頻率的寬帶孤立阿秒脈沖,重復(fù)頻率達(dá)到了100 kHz.表1 給出了ALS (SECUF)與ELI-ALPS,RAL,seeded FEL 和SASE FEL 等國(guó)際上同類裝置主要指標(biāo)的對(duì)比.這些光源都為實(shí)驗(yàn)室開展HCI 高精度能級(jí)壽命測(cè)量以及高激發(fā)態(tài)能級(jí)測(cè)量等提供了非常好的光源條件.

表1 ALS (SECUF)與HHG,seeded FEL 和SASE FEL 等XUV 光源的主要參數(shù)比較Table 1.Comparison of ALS (SECUF) and other XUV light sources based on HHG,seeded FEL,and SASE FEL.

3.2 HCI 離子靶

開展HCI 離子精密光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量的另一個(gè)難題在于HCI 靶的制備.目前實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生HCI 離子的主要方法有EBIT、ECR 離子源和重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)等.

3.2.1 電子束離子阱

EBIT 是一種結(jié)構(gòu)緊湊、成本相對(duì)較低,可以產(chǎn)生和約束HCI 的裝置,可以剝離原子中大部分電子使其成為HCI 離子.一個(gè)桌面級(jí)的EBIT 甚至可以完全剝離最重的U 原子的電子,是研究低密度天體等離子體輻射的理想裝置.EBIT 還可以將注入的低價(jià)離子逐漸剝離到高電荷態(tài),從而可以系統(tǒng)地研究各個(gè)價(jià)態(tài)離子的光譜.目前,利用EBIT在HCI 離子的發(fā)射光譜測(cè)量方面已開展了大量工作,包括躍遷光子的發(fā)射和吸收,以及離子能級(jí)結(jié)構(gòu)等[12,46-49].國(guó)際上已有DREEBIT 等公司可以提供商用EBIT 裝置[50,51],國(guó)內(nèi)復(fù)旦大學(xué)等也根據(jù)光譜測(cè)量等實(shí)驗(yàn)需求自主研制了各類不同參數(shù)的EBIT[52,53].為了研制超精密光學(xué)原子鐘和尋找精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)的變化,2019 年,中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所和復(fù)旦大學(xué)合作研制了一臺(tái)低能量、緊湊型的Shanghai-Wuhan EBIT 作為HCI 源,能夠產(chǎn)生W14+,Ar13+等光學(xué)離子鐘所需的備選離子并測(cè)量了其發(fā)射光譜,為開展光鐘離子能級(jí)精密測(cè)量提供了有力工具[54-57].由于EBIT 束流較弱,激光激發(fā)所得到的退激熒光計(jì)數(shù)率低,測(cè)量難度較大,目前只有德國(guó)在FLASH 上利用EBIT 開展了HCI 離子的激光光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量[36].

3.2.2 ECR 離子源

ECR 離子源是利用ECR 產(chǎn)生高能電子,高能電子與中性原子碰撞產(chǎn)生HCI 離子,再利用高壓將HCI 離子束引出磁約束腔體獲得HCI 束流的裝置,其產(chǎn)生的HCI 離子流強(qiáng)可達(dá)μA 甚至mA[58,59].歐洲核子研究中心(CERN)的重離子注入ECR源可以產(chǎn)生超過100 μA 的Pb27+束流.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所研制的ECR 離子源產(chǎn)生的O7+束流強(qiáng)度達(dá)到了235 eμA,Ar11+束流強(qiáng)度達(dá)到了240 eμA,Xe26+的束流強(qiáng)度也超過了90 eμA[60].丹麥奧胡斯大學(xué)就是利用ASTRID 同步輻射光和ECR 離子源結(jié)合,開展了類鈹?shù)腘3+,O4+等離子以及分子離子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量[29].近年來隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,超導(dǎo)ECR 離子源得到快速發(fā)展.美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的VENUS 離子源[61]以及中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的SECRAL 離子源[62]相繼建成,并已為加速器提供束流.其中,中國(guó)的SECRAL 能夠產(chǎn)生的Ar12+的束流強(qiáng)度達(dá)到了1420 eμA,Xe26+的束流強(qiáng)度超過1100 eμA,Xe30+的束流強(qiáng)度為322 eμA,209Bi31+的束流強(qiáng)度為680 eμA,209Bi50+的束流強(qiáng)度為10 eμA[63].可以看出,超導(dǎo)ECR 源能夠提供的束流強(qiáng)度和高電荷態(tài)較常規(guī)ECR 源均有大幅提高,非常有利于開展光激發(fā)截面小的HCI 離子激光光譜測(cè)量.

3.2.3 重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)

重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)可以通過加速剝離的方式進(jìn)一步提高前端離子源產(chǎn)生的HCI 的電荷態(tài),從而獲得高流強(qiáng)HCI 離子束[64].重離子加速器提供的離子束通常具有很高的能量,例如在德國(guó)ESR以及蘭州重離子加速器冷卻器儲(chǔ)存環(huán)CSRe 上,離子速度均可達(dá)相對(duì)論能量.根據(jù)多普勒效應(yīng),這極大降低了探測(cè)HCI 光譜時(shí)對(duì)激發(fā)激光光子能量的要求[65-69].國(guó)際上利用加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)已開展了多種離子的激光光譜學(xué)研究.早在1990 年,Schr?der等[70]在德國(guó)TSR 冷卻儲(chǔ)存環(huán)上利用514.5 nm 的Ar+離子激光器和584.8 nm 的環(huán)形染料激光器雙向冷卻的方式首次實(shí)現(xiàn)能量為13.3 MeV/u 的7Li+離子束的縱向冷卻,冷卻溫度達(dá)到了3 K,實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量退激熒光的方式精密測(cè)量了類氦7Li+的2s3S1(F=5/2) → 2p3P2(F=7/2)躍遷的波長(zhǎng)[71,72].2006 年,Schramm 等[73]利用257 nm 的連續(xù)激光在德國(guó)ESR 上首次開展了對(duì)相對(duì)論能量的C3+離子束的激光冷卻和激光精密譜學(xué)實(shí)驗(yàn)研究.此后,在該裝置上利用可見光波段激光也實(shí)現(xiàn)了對(duì)類氫207Pb81+(F=0 ?F=1),209Bi82+(F=4 ?F=5)和類鋰209Bi80+(F=1 ?F=2)等離子的HFS和壽命的精密測(cè)量[24,74].2018 年,中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所與西安電子科技大學(xué)共同在CSRe裝置上使用220 nm 的紫外激光,實(shí)現(xiàn)了能量為275.7 MeV/u 的類鋰16O5+離子束的激光冷卻[68,69],并開展了16O5+離子2s1/2-2p1/2精密激光譜學(xué)的初步測(cè)量.目前,國(guó)際上還在建設(shè)更高能量和流強(qiáng)的重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán),德國(guó)GSI 在建的FAIR項(xiàng)目中,兩個(gè)同步加速器SIS-100 和SIS-300 預(yù)期可以將重離子束加速到幾十GeV/u[75,76].中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所在廣東惠州在建的強(qiáng)流重離子加速器裝置HIAF,將超導(dǎo)直線加速器與高能同步加速器結(jié)合,產(chǎn)生的離子束最高能量可達(dá)GeV/u量級(jí)[77-79].這些新建的高能強(qiáng)流加速器上,利用相對(duì)論多普勒頻移效應(yīng),結(jié)合臺(tái)面式XUV 光源未來能夠?qū)⒖蓽y(cè)量的HCI 能級(jí)躍遷從百eV 量級(jí)推進(jìn)至keV 量級(jí),并能夠測(cè)量更低激發(fā)截面的躍遷.

3.3 探測(cè)方法

3.3.1 熒光檢測(cè)

激光泵浦-探測(cè)技術(shù)是高精度測(cè)量短壽命能級(jí)的方法,已廣泛應(yīng)用于中性原子能級(jí)壽命的測(cè)量[16,20].其基本原理是通過調(diào)諧泵浦脈沖激光的波長(zhǎng)與目標(biāo)粒子能級(jí)共振,將粒子布居到待測(cè)激發(fā)態(tài)能級(jí),并同步監(jiān)測(cè)熒光信號(hào),得到熒光最強(qiáng)時(shí)對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)獲得躍遷能級(jí)精確信息.然后利用另一束探測(cè)激光經(jīng)一定時(shí)間延遲后,以共振或非共振激發(fā)的方式將處于激發(fā)態(tài)的粒子進(jìn)一步激發(fā)到另一個(gè)激發(fā)態(tài)或?qū)⒛繕?biāo)粒子電離,通過同步監(jiān)測(cè)高激發(fā)態(tài)的退激熒光光強(qiáng)或電離粒子產(chǎn)額隨兩束激光延遲間隔的演化得到目標(biāo)激發(fā)態(tài)的能級(jí)壽命(圖3).這種泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)能級(jí)壽命測(cè)量的絕對(duì)精度,僅受到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及泵浦和探測(cè)激光脈沖脈寬的限制,可以為理論模型檢驗(yàn)提供高精度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).HCI 離子的能級(jí)及其壽命等也可以通過激光泵浦-探測(cè)的方法進(jìn)行精密測(cè)量.利用兩個(gè)飛秒激光脈沖來分別激發(fā)和探測(cè)激發(fā)態(tài)的布居數(shù),可以獲得更短壽命的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)隨時(shí)間的演化規(guī)律.目前,利用激光光譜的方法進(jìn)行HCI 離子的超短能級(jí)壽命的高精度測(cè)量非常有限,只有極少數(shù)的實(shí)驗(yàn)中通過將飛秒級(jí)自由電子激光與EBIT 結(jié)合.采用XUV 波段泵浦-探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更多HCI 離子能級(jí)壽命的高精度測(cè)量.2015 年,德國(guó)馬克斯·普朗克核物理研究所提出了利用PETRA III 同步輻射產(chǎn)生的高通量單色X 射線共振激發(fā)FLASH-EBIT 產(chǎn)生的高荷電Fe23+,實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示.在EBIT 的軸向上利用一個(gè)沿離子束方向的漂移管產(chǎn)生的靜電勢(shì)將離子囚禁在阱中.在EBIT 側(cè)壁3 個(gè)不同角度還安裝有高純鍺探測(cè)器,用于探測(cè)離子退激熒光.他們通過熒光探測(cè),對(duì)鐵的K 殼空穴的輻射和俄歇過程進(jìn)行研究[80].中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所在CSRe 上已經(jīng)加裝了適用于前向發(fā)射極紫外熒光收集的光子探測(cè)系統(tǒng),可在未來的HCI 離子激光光譜研究中通過熒光探測(cè)進(jìn)行離子能級(jí)信息的測(cè)量[81].

圖3 類鈹C 離子1s22snp 1P1 (n=2—5)能級(jí)壽命的熒光測(cè)量方法示意圖[16]Fig.3.Schematic diagram of lifetime measurement for the 1s22snp 1P1 (n=2—5) states in Be-like carbon ion by fluorescence method[16].

圖4 在FLASH-EBIT 上開展HCI 光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[80]Fig.4.Schematic diagram of the experimental setup for HCI spectral measurement on FLASH-EBIT[80].

3.3.2 離子探測(cè)

利用熒光光譜測(cè)量與質(zhì)譜測(cè)量結(jié)合的方式可以大幅提高探測(cè)靈敏度,這種測(cè)量方式在原子短壽命能級(jí)高精度測(cè)量中已有應(yīng)用.2014 年,Tr?bert 等[5]提出利用泵浦-探測(cè)電離產(chǎn)物的方案測(cè)量Fe16+離子能級(jí)壽命,其實(shí)驗(yàn)原理如圖5 所示,LCLS上測(cè)量EBIT 中HCI 離子能級(jí),離子被X 射線泵浦光共振激發(fā)到待測(cè)能級(jí)后,第2 束探測(cè)光脈沖進(jìn)一步電離被激發(fā)的離子,產(chǎn)生Fe17+離子并被引出離子阱,通過測(cè)量不同荷質(zhì)比離子的計(jì)數(shù),同步測(cè)量Fe17+計(jì)數(shù)與激光脈沖延遲時(shí)間的曲線,即可得到Fe16+激發(fā)能級(jí)布居演化,進(jìn)而得到其能級(jí)壽命的衰減曲線.在PETRA III 同步輻射上的HCI 光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置中(圖4),通過降低收集極板的電勢(shì)可以將離子從阱內(nèi)引出,EBIT 外安裝有一個(gè)90°的靜電能量速度選擇器,可以將不同荷質(zhì)比的離子在空間上分開,并被位置靈敏離子探測(cè)器記錄,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光電離產(chǎn)物的高靈敏測(cè)量[81].

圖5 類Ne 的Fe16+離子泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)示意圖[5]Fig.5.Schematics of a pump-probe experiment on Ne-like iron ions (Fe16+)[5].

由于離子靶的密度很低,與氣體靶中中性原子或分子的數(shù)量密度相比,要小10 個(gè)數(shù)量級(jí),要獲得有效的熒光或者離子計(jì)數(shù)需要非常高的光子通量.利用光子-離子共線束技術(shù)可以獲得更大的光子-離子相互作用距離,從而提高激發(fā)電離產(chǎn)物.Bizau 等[29]采用離子束與光束共線的方式在ASTRID 儲(chǔ)存環(huán)產(chǎn)生的同步輻射上開展了HCI 離子光譜研究,其實(shí)驗(yàn)裝置如圖6 所示,由ECR 離子源產(chǎn)生的電荷態(tài)為q的離子經(jīng)離子束線傳輸后與同步輻射光在50 cm 長(zhǎng)的距離上共線作用,將離子進(jìn)一步電離至q+1 態(tài),再利用二極磁鐵M2將同步輻射光電離產(chǎn)生的電荷態(tài)為q+1 的離子與目標(biāo)離子進(jìn)行空間分離,再分別用粒子探測(cè)器和法拉第筒探測(cè)這兩種離子的產(chǎn)額.利用該方法,他們實(shí)現(xiàn)了對(duì)類鈹?shù)腘3+(光子能量范圍62—89 eV),O4+(100—130 eV),類硼的N2+(39—138 eV),O3+(65—99 eV),F4+(100—140 eV),類碳的F3+(75—110 eV)和Ne4+(110—170 eV)的絕對(duì)光離截面的測(cè)量[29].

圖6 ASTRID 和ECR 離子源結(jié)合裝置示意圖[29]Fig.6.Schematic diagram of the ASTRID and ECR ion source combining device[29].

3.3.3 阿秒吸收光譜測(cè)量

阿秒光脈沖可以提供超寬帶的XUV 光子,已在原子內(nèi)殼層電子結(jié)構(gòu)研究方面開展了吸收光譜測(cè)量.2018 年,Chew 等[82]利用光參量啁啾脈沖放大器產(chǎn)生2 mJ 載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的1.7 μm 飛秒驅(qū)動(dòng)激光脈沖,脈寬為11 fs,重復(fù)頻率為1 kHz.如圖7 所示,飛秒驅(qū)動(dòng)激光被分成兩束,一束用于驅(qū)動(dòng)氣體靶產(chǎn)生極紫外阿秒脈沖,另一束作為探測(cè)光在輪胎鏡之后與阿秒脈沖共線傳輸作用在待測(cè)分子氣體靶上.通過改變HHG 與驅(qū)動(dòng)激光之間的延遲時(shí)間可以進(jìn)行阿秒瞬態(tài)吸收光譜測(cè)量.利用該方法,他們測(cè)量了氬的2p-1L2,3吸收邊(～250 eV)處的阿秒瞬態(tài)吸收光譜,證明了俄歇衰變和遂穿電離在多電子原子內(nèi)殼層空穴驅(qū)動(dòng)演化中的共同作用.2010 年,Wang 等[83]首次用阿秒瞬態(tài)吸收光譜結(jié)合泵浦-探測(cè)技術(shù)證明了Ar 原子自電離過程的時(shí)間尺度小于10 fs.借鑒阿秒瞬態(tài)吸收譜測(cè)量技術(shù)對(duì)原子內(nèi)殼層電子、分子結(jié)構(gòu)的測(cè)量實(shí)驗(yàn),也可以將阿秒瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)應(yīng)用于HCI 的躍遷能級(jí)及激發(fā)態(tài)壽命測(cè)量.

圖7 阿秒瞬態(tài)吸收實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[84]Fig.7.Schematic diagram of experimental setup for attosecond transient absorption[84].

3.4 HCI 離子阿秒光譜測(cè)量方式

3.4.1 阿秒大科學(xué)裝置上建設(shè)EBIT 終端

FLASH-EBIT 的建成與實(shí)驗(yàn)研究為在阿秒光源等大型光源裝置上開展HCI 精密光譜測(cè)量提供了很好的參考.EBIT 系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、體積較小,成本也較低,可以方便地安裝在阿秒光源等大科學(xué)裝置上.可以利用如圖8 所示的方法進(jìn)行測(cè)量,利用阿秒光束線將極紫外阿秒脈沖導(dǎo)入離子阱中心區(qū)域,通過共振吸收激發(fā)EBIT 中的HCI 離子,離子阱側(cè)面裝有多個(gè)X 射線熒光探測(cè)器,用于同步監(jiān)測(cè)熒光計(jì)數(shù),從而獲得飽和激發(fā)條件.由于EBIT產(chǎn)生的靶密度較低,為獲得有效計(jì)數(shù),需要有高通量光源,以提高熒光或離子產(chǎn)額.因此,在阿秒光源大科學(xué)裝置上開展HCI 離子激光光譜測(cè)量,可首先考慮采用高重頻的阿秒光脈沖與離子能級(jí)共振激發(fā)的方式實(shí)現(xiàn).而高重頻飛秒激光的單脈沖能量相對(duì)較低,例如在重頻為1 MHz 的束線上,所設(shè)計(jì)的XUV 光子能量范圍為20—60 eV,光譜線寬小于50 meV,利用該光源可以測(cè)量類鈹?shù)腃 離子等低Z離子的激發(fā)態(tài)壽命.而當(dāng)阿秒光脈沖的脈沖能量達(dá)到1 μJ 以上時(shí),就有望開展阿秒XUV-泵浦XUV-探測(cè)的激光光譜實(shí)驗(yàn),獲得HCI 離子能級(jí)的阿秒級(jí)高精度時(shí)間分辨光譜.

圖8 基于EBIT 的HCI 離子阿秒光譜測(cè)量裝置示意圖Fig.8.Schematic diagram of the experimental setup for attosecond spectroscopy of HCI on EBIT.

3.4.2 臺(tái)面式極紫外阿秒光源與重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)結(jié)合

隨著全固態(tài)高重頻、高功率泵源技術(shù)發(fā)展,未來易于獲得臺(tái)面式高重頻高通量阿秒脈沖,由于這些XUV 源體積緊湊、環(huán)境適應(yīng)性好,因此,它們可以靠近儲(chǔ)存環(huán)放置,實(shí)現(xiàn)與HIAF 等加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)的結(jié)合,開展高Z的HCI 離子能級(jí)測(cè)量.盡管臺(tái)式超快XUV 光源的單脈沖能量有限,但其重復(fù)頻率最高可達(dá)MHz,且重離子束團(tuán)以每秒數(shù)十萬次頻率在儲(chǔ)存環(huán)中旋轉(zhuǎn),XUV 光束可以在加速器直線段與離子束長(zhǎng)距離共線作用,因此,利用臺(tái)面式超快XUV 光源與重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)結(jié)合有望在短測(cè)量時(shí)間內(nèi)獲得非常高的信噪比和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).利用XUV 泵浦-探測(cè)方法實(shí)驗(yàn)測(cè)量HCI 離子超短壽命激發(fā)態(tài)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置[16],如圖9 所示.一臺(tái)飛秒激光器經(jīng)分光后獲得兩束高精度同步的飛秒激光脈沖,利用光學(xué)延遲線高精度控制兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間延遲,這兩個(gè)飛秒脈沖隨后聚在兩個(gè)單獨(dú)的氣體噴嘴上產(chǎn)生兩束XUV 波段HHG.兩束XUV 光合束后,再與存儲(chǔ)環(huán)中的HCI束共線作用,對(duì)HCI 離子進(jìn)行激發(fā)和電離.通過調(diào)整泵浦-探測(cè)脈沖之間的延遲時(shí)間并同步記錄電離信號(hào),即可獲得飛秒級(jí)精度的HCI 能級(jí)壽命信息[16].此外,重離子加速器冷卻儲(chǔ)存環(huán)能夠提供周期表中幾乎所有穩(wěn)定元素的離子束,并將離子加速至相對(duì)論能量,利用多普勒頻移效應(yīng),能夠?qū)⒖蓽y(cè)量的HCI能級(jí)躍遷從臺(tái)面式XUV 光源自身可提供的百eV量級(jí)推進(jìn)至離子坐標(biāo)系中的keV 量級(jí),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)更寬范圍內(nèi)離子能級(jí)的激光光譜測(cè)量.

圖9 儲(chǔ)存環(huán)上開展HCI 離子XUV-泵浦XUV-探測(cè)的示意圖[16]Fig.9.Schematic diagram of a XUV-pump XUV-probe experiment on HCI at storage rings[16].

綜上所述,我們初步設(shè)計(jì)了一個(gè)可以開展HCI離子阿秒光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置,如圖10 所示.將離子源或加速器產(chǎn)生的離子束與阿秒光源產(chǎn)生的極紫外光束在直線束線段進(jìn)行共線相互作用.阿秒光源可通過泵浦光分光后分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)氣體靶產(chǎn)生兩束波長(zhǎng)可獨(dú)立控制的極紫外光源,再經(jīng)空間延遲后進(jìn)入離子束共線作用區(qū).共線作用區(qū)側(cè)方安裝X 射線探測(cè)器用于飽和激發(fā)熒光測(cè)量,離子束經(jīng)過共線作用區(qū)后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁鐵將電離產(chǎn)生的不同電荷態(tài)離子在空間分開,并被位置靈敏探測(cè)器記錄,從而得到阿秒光電離后離子產(chǎn)額信息.通過改變兩束阿秒光驅(qū)動(dòng)的延遲并同步測(cè)量退激熒光和離子產(chǎn)額計(jì)數(shù)等可以獲得HCI 離子能級(jí)及其壽命等信息.對(duì)于極紫外波段HCI 離子能級(jí)及壽命測(cè)量等,目前僅有FLASH 自由電子激光開展了相關(guān)的工作.盡管FLASH 自由電子激光的脈沖能量可以達(dá)到mJ 量級(jí),比阿秒光源的μJ 高了3 個(gè)量級(jí),但是典型脈沖寬度相差近3 個(gè)量級(jí).因此,兩種光源典型峰值功率處于同等水平,而阿秒光源的重復(fù)頻率可以達(dá)到MHz 量級(jí),比FLASH 高4 個(gè)量級(jí),HCI 離子激光光譜測(cè)量的計(jì)數(shù)率也會(huì)比自由電子激光要大幅提高.特別是,阿秒光源的脈沖寬度可以達(dá)到100 as 以內(nèi),可以開展阿秒級(jí)的HCI 離子能級(jí)壽命的精密測(cè)量.利用阿秒光源的峰值功率、重復(fù)頻率等典型參數(shù)對(duì)常見的Fe23+,Cu26+,O5+等HCI 離子的XUV 激光激發(fā)譜進(jìn)行估算.根據(jù)已知的光激發(fā)截面、探測(cè)效率等估算,當(dāng)離子流強(qiáng)達(dá)到百pA 量級(jí)、阿秒脈沖光強(qiáng)達(dá)到100 nJ 以上等,則每秒鐘有望獲得數(shù)十個(gè)熒光或光電離計(jì)數(shù),這對(duì)于光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量而言具有可行性.因此,未來利用阿秒光源開展HCI 離子激光光譜測(cè)量具有可行性.

圖10 HCI 離子阿秒光譜測(cè)量裝置示意圖Fig.10.Schematic diagram of the setup for attosecond spectroscopy of HCI.

4 總結(jié)與展望

HCI 的光電離、光吸收等過程在天體物理等離子體中起著至關(guān)重要的作用,在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行HCI 離子激光光譜測(cè)量對(duì)于天文觀測(cè)提供高精度光譜數(shù)據(jù)庫和建立天體演化模型等具有重要數(shù)據(jù)支撐.阿秒技術(shù)提供了一種極紫外甚至軟X 波段的超短脈沖,為實(shí)驗(yàn)室開展HCI 的光譜與超短能級(jí)壽命等提供了新的機(jī)遇.本文總結(jié)了國(guó)際上利用同步輻射、自由電子激光等已開展的一些HCI 離子光譜測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法、研究進(jìn)展等,簡(jiǎn)要介紹了國(guó)際上阿秒光源、離子靶等技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀.目前將阿秒光源與HCI 相結(jié)合進(jìn)行離子能級(jí)及壽命測(cè)量的工作尚未有相關(guān)報(bào)道,但通過與自由電子激光、同步輻射等光源上已有實(shí)驗(yàn)對(duì)比,本文分析了將極紫外阿秒光源與HCI 離子靶的技術(shù)結(jié)合開展HCI 離子阿秒時(shí)間分辨精密光譜測(cè)量的可行性,可以為離子能級(jí)結(jié)構(gòu)計(jì)算、QED 理論高精度檢驗(yàn)、天文光譜觀測(cè)等研究提供新平臺(tái).中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所正在建設(shè)強(qiáng)流重離子加速器(HIAF)大科學(xué)裝置等高能重離子儲(chǔ)存環(huán),利用臺(tái)面式極紫外阿秒激光束與離子束作用,可利用多普勒效應(yīng)開展最高可達(dá)keV 范圍的能級(jí)躍遷和超短能級(jí)壽命精密測(cè)量,將極大地拓展HCI 激光光譜研究范圍.