物理科學(xué)與工程學(xué)院李文斌/王占山團(tuán)隊在極紫外泵浦-飛秒紅外激光探測成像研究上取得進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表于《納米快報》
? ? 近日，同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院李文斌教授和王占山教授團(tuán)隊在《納米快報》（Nano Letters）上在線發(fā)表了題為《B4C/Ru納米雙層膜納秒極紫外光誘導(dǎo)損傷動力學(xué)超快時間分辨泵浦-探測研究》（Ultrafast time-resolved pump-probe investigation of nanosecond extreme ultraviolet light induced damage dynamics on B4C/Ru nano-bilayer film）的論文。該論文首次建立了高時間和空間分辨納秒極紫外泵浦-飛秒紅外激光探測成像損傷測試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)研究了B4C/Ru納米雙層膜反射鏡的極紫外損傷動力學(xué)過程，揭示了極紫外輻照損傷區(qū)存在自我恢復(fù)的現(xiàn)象。
? ? 近年來，世界各國相繼建設(shè)并發(fā)展了新一代極紫外/X射線自由電子激光光源（Free electron laser，F(xiàn)EL），為物理、化學(xué)和材料等基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了極紫外-X射線波段超強(qiáng)、超快的相干光源。光學(xué)薄膜反射鏡是極紫外/X射線FEL光束線建設(shè)中不可或缺的光學(xué)元件，以實現(xiàn)光束的偏轉(zhuǎn)、單色、聚焦等功能。由于XFEL光源具有超高峰值亮度的特點，因此光學(xué)薄膜反射鏡抗輻照損傷能力和損傷機(jī)制是FEL光束線設(shè)計的核心問題。目前XFEL薄膜反射鏡輻照損傷研究還是采用離線表征方法測試損傷區(qū)的終態(tài)形貌，無法獲得時間分辨的超快損傷動力學(xué)信息，因此亟需發(fā)展在線原位表征方法，這對深入理解超快損傷動力學(xué)過程和損傷機(jī)制至關(guān)重要。
圖1 納秒極紫外泵浦-飛秒紅外激光探測成像損傷測試系統(tǒng)
? ? 針對上述科學(xué)問題，該研究團(tuán)隊以納秒極紫外光為泵浦光，飛秒光學(xué)激光為探測光，在解決了泵浦光的時序控制和雜散光抑制等關(guān)鍵技術(shù)難題下，研制成功了高時間和空間分辨的納秒極紫外泵浦-飛秒紅外激光探測成像損傷測試系統(tǒng)（圖1），可實現(xiàn)對納秒極紫外輻照薄膜反射鏡的動態(tài)損傷形貌開展高時間分辨成像探測。面向我國硬X射線FEL裝置（SHINE）FEL-I光束線的應(yīng)用需求，研究團(tuán)隊設(shè)計制備了B4C/Ru雙層膜反射鏡，并利用上述泵浦-探測系統(tǒng)研究了B4C/Ru雙層膜極紫外損傷動力學(xué)過程（圖2）。泵浦-探測實驗表明B4C/Ru雙層膜在極紫外光輻照下產(chǎn)生了凸起狀損傷，并且在輻照過程中損傷區(qū)迅速增加后出現(xiàn)了部分恢復(fù)現(xiàn)象。結(jié)合溫度場和應(yīng)力場理論模擬與實驗測試，發(fā)現(xiàn)在EUV輻照下Ru薄膜內(nèi)部產(chǎn)生的壓應(yīng)力導(dǎo)致雙層膜從基板表面脫離并形成凸起狀損傷。該研究通過建立熱應(yīng)力損傷物理模型解釋了B4C/Ru雙層膜損傷區(qū)部分自行恢復(fù)的現(xiàn)象。
圖2 B4C/Ru納米雙層膜瞬態(tài)損傷形貌測試圖、損傷面積實驗和模擬值隨時間的演變、熱應(yīng)力損傷物理模型及測試結(jié)果
? ? 該項研究在國際上首次建立了納秒極紫外泵浦-飛秒紅外激光成像探測方法，通過結(jié)合多種離線表征方法，能夠深入地探索極紫外、X射線損傷動力學(xué)過程以及損傷機(jī)制。該方法可推廣到飛秒X射線自由電子激光領(lǐng)域，進(jìn)一步發(fā)展飛秒XFEL泵浦-飛秒光學(xué)激光探測方法，在飛秒時間尺度下研究薄膜反射鏡XFEL超快損傷動力學(xué)過程。
? ? 同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院博士生潘劉洋和李淑慧為本文的共同第一作者，李文斌教授和王占山教授是本文的共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持(No.11875203, No.61621001)。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01171
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