在現(xiàn)代科技的諸多領(lǐng)域，從醫(yī)學成像到量子信息處理，從精密制造到遙感探測，對光波的精確控制一直是推動科技進步的關(guān)鍵。X射線作為一種高能光源，與光頻電磁波場一樣，同樣可以在振幅、相位和偏振態(tài)等方面進行空間信息編碼。然而，由于材料和技術(shù)限制，對X射線進行光學操控相當困難。在過去的幾十年內(nèi)，科學界一致試圖在該領(lǐng)域?qū)で笸黄疲⑻岢隽嗽S多可行的方案。然而，現(xiàn)有的X射線空間調(diào)制技術(shù)均是通過預制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，缺乏動態(tài)可調(diào)性，限制了其在復雜變化環(huán)境中的應用。
近日，這一難題被日本同步輻射研究所與美國斯坦福大學的聯(lián)合研究團隊所突破。研究團隊發(fā)現(xiàn)，飛秒激光在單晶硅中誘導的瞬態(tài)應變能夠顯著改變晶體對X射線的反射率，通過圖案化飛秒激光光場分布，研究團隊成功實現(xiàn)了對X射線束的動態(tài)空間調(diào)制。 這項研究為模式化X射線提供了全新的思路，極大地促進了先進X射線傳感與成像技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)成果發(fā)表以“Dynamically patterning X-ray beam by a femtosecond optical laser”為題發(fā)表在Science Advances 上。
調(diào)制原理
在X射線波段，單晶硅因其獨特的布拉格反射特性而成為少數(shù)幾種可用的光學元件之一。當X射線的波長λ、晶體的晶面間距d 以及入射角θB 之間滿足布拉格關(guān)系時(式1)，X射線會被強烈反射。
研究發(fā)現(xiàn)，飛秒激光脈沖在硅晶體中產(chǎn)生的瞬態(tài)應變能夠引起晶面間距d 的局部變化，進而導致布拉格角(θB)發(fā)生偏移。如果這種應變足夠大，以至于θB的偏移超過了布拉格反射的內(nèi)在角寬度，就會導致X射線反射率的顯著降低。基于這一原理，即可實現(xiàn)對X射線反射率的精確調(diào)控，而為了最大化這種調(diào)控效果，研究人員精心選擇了能量為9.886 keV的X射線，其在Si 555晶面上的布拉格角為89.5°。在這一特定的條件下，僅需1.5 mJ/cm²的激光光強就能誘導X射線反射率發(fā)生大幅變化。
X射線空間調(diào)制
圖1A展示了空間X射線調(diào)制器的裝置示意圖，圖案化的飛秒激光首先照射至調(diào)制器表面，在一定延時后，X射線以布拉格角入射，并被探測器接收。實驗中所用飛秒激光波長為800 nm，脈寬120 fs，單脈沖能量0.6 mJ，通過液晶硅基空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)，激光光斑被調(diào)制成笑臉圖案。X射線由日本同步輻射光源SPring-8裝置產(chǎn)生，其脈沖寬度為40 ps，重復率與飛秒激光一致，均為948 Hz。圖1E至圖1G展示了該裝置用于X射線空間調(diào)制的能力，證明了其在動態(tài)X射線調(diào)制方面的潛力。
圖1 空間X射線調(diào)制器。(A)實驗裝置示意圖;(B)LCOS-SLM 圖案;(C)-(D)調(diào)制后的飛秒激光光場分布;(E)-(F)有、無調(diào)制時X射線光場分布;(G)歸一化的空間調(diào)制X射線光場分布
晶體表面應變決定了布拉格角的偏移，這種偏移可以通過調(diào)整飛秒激光光強和X射線的入射時間延遲來精確控制。在圖2中，通過控制激光光斑的強度分布，可以在硅晶體的特定區(qū)域改變X射線的反射率。此外，為了驗證該調(diào)制器的動態(tài)特性，研究團隊為LCOS-SLM編程輸入了一系列的圖像序列，并實時拍攝獲得了動態(tài)的X射線調(diào)制圖樣，如圖3所示。
圖2 (A)LCOS-SLM輸入圖樣，較低的灰度輸入值對應了更高的X射線反射率;(B)動態(tài)測試圖像序列
圖3 X射線動態(tài)調(diào)制展示
總結(jié)與展望
利用飛秒激光在單晶硅表面誘導晶格應變，改變晶體對X射線的布拉格反射，能夠?qū)崿F(xiàn)X射線的動態(tài)空間調(diào)制，這一技術(shù)突破對于短波探測及成像等領(lǐng)域具有重要意義。盡管當前調(diào)制器的動態(tài)性能受到晶體溫度和LCOS-SLM響應頻率的限制，但研究人員表示，通過引入額外的溫控設(shè)計，調(diào)制晶體的工作頻率能夠提升至10 kHz。隨著技術(shù)發(fā)展，未來的X射線調(diào)制技術(shù)將為短波光源的應用提供更多的可能性，進一步推動相關(guān)領(lǐng)域的進步與創(chuàng)新。
