Los pulsos de rayos X duros de femtosegundos son una herramienta importante para desentrañar los cambios en la estructura de la materia condensada en escalas de tiempo y longitud atómica. Una nueva fuente de rayos X impulsada por láser proporciona pulsos Kα de cobre de femtosegundos a una tasa de repetición de 1 kHz con un flujo sin precedentes de unos 10 ¹² Fotones de rayos X por segundo.

Procesos elementales en física, química, y la biología están conectados con cambios de la estructura atómica o molecular en una escala de tiempo de femtosegundos (1 femtosegundo (fs) =10 ^-15 segundos). Los métodos de rayos X ultrarrápidos tienen un gran potencial para seguir los cambios de estructura en el espacio y el tiempo y generan 'películas' de los movimientos de los electrones. átomos y moléculas. Esta perspectiva ha dado lugar a una fuerte demanda de pulsos de rayos X duros de femtosegundos para su aplicación en espectroscopía y dispersión de rayos X.

Hay dos enfoques principales para generar pulsos de rayos X ultracortos. Las primeras son fuentes basadas en onduladores y aceleradores de electrones a gran escala en los que grupos de electrones de femtosegundos irradian pulsos de rayos X brillantes. Las segundas son fuentes de laboratorio de marco pequeño impulsadas por láseres ópticos de femtosegundos intensos. Aquí, La aceleración de electrones se produce en el fuerte campo eléctrico de un pulso óptico y los pulsos de rayos X se generan por la interacción de colisión de dichos electrones con los átomos de un objetivo metálico. similar a un tubo de rayos X convencional.

Investigadores del Max Born Institute (MBI) de Berlín han logrado un gran avance en la generación de pulsos de rayos X de femtosegundos de sobremesa al demostrar un tren de pulsos estable a una tasa de repetición de kilohercios con un flujo total de unos 10 ¹² Fotones de rayos X por segundo. Como informan en Letras de óptica , La combinación de un nuevo controlador óptico que proporciona pulsos de infrarrojo medio de femtosegundos alrededor de una longitud de onda de 5 μm (5000 nm) con un objetivo de cinta metálica en una geometría de transmisión permite generar pulsos de rayos X duros a una longitud de onda de 0,154 nm con una eficiencia muy alta.

El controlador óptico se basa en la amplificación de pulso con chirrido paramétrico óptico (OPCPA) y proporciona pulsos de 80 fs a una longitud de onda central de 5 μm con una energía de 3 mJ y una tasa de repetición de 1 kHz. Para generar pulsos de rayos X, los pulsos del infrarrojo medio se enfocan firmemente en un objetivo de cobre delgado (Fig. 1). En un ciclo óptico del campo óptico, los electrones se extraen de la cinta de cobre, aceleró en el vacío y se dirigió de regreso al objetivo. Los electrones con una energía cinética de hasta 100 keV vuelven a entrar en el objetivo y generan pulsos brillantes de cobre Kα a una longitud de onda de 0,154 nm. acompañado de bremsstrahlung espectralmente amplio. El ciclo óptico más largo de los pulsos del infrarrojo medio en comparación con los pulsos en longitudes de onda ópticas más cortas da como resultado tiempos de aceleración más largos de los electrones, energías cinéticas superiores, y eventualmente una mayor eficiencia en la generación de rayos X (Fig. 2).

La nueva fuente de rayos X de sobremesa alcanza un número medio de fotones de Cu-Kα de hasta 1,5x10 ⁹ fotones por pulso en el ángulo sólido completo o 1.5x10 ¹² fotones por segundo (puntos azules en la figura 2c). Este flujo de fotones es 30 veces mayor que el de las fuentes de rayos X de sobremesa de uso común impulsadas por láseres de Ti:zafiro en la longitud de onda central de 0,8 μm (puntos negros en la figura 2c). Estos parámetros de la fuente abren interesantes perspectivas para investigar los cambios ultrarrápidos en la estructura de la materia condensada mediante la dispersión de rayos X resuelta en el tiempo.