聚焦XUV辐射，如何让光“保持初心” -Hartman-Shack波前传感器

对于XUV泵浦探针实验及高分辨成像表征而言，要获得高强度的XUV辐射输出，光束的高度聚焦和超快时间结构的保持非常重要。然而，固有像差（包括几何像差和色散像差）导致的输出XUV光在成像平面上的光学畸变，将对阿秒光学、成像等应用造成不利的影响。

2004年，日本科学家D. Yoshitomi等人^[1]创造性地提出了基于光学波前整形的优化控制技术，利用IR激光波前传感器及变形镜构成的自适应光学系统对驱动激光脉冲波前进行整形优化，在17~28nm波段获得了13倍增幅的高次谐波输出，该项工作对于优化高次谐波强度以达到非线性相互作用状态具有非常重要的意义。

Hartmann-Shack波前传感器是目前最为常见的在线波前整形诊断方法（如图1所示）。该方法的核心思想是通过模拟几何光学追迹，反演重构出入射光场实际的波前信息。简单来讲，就是使用一组微透镜或微孔阵列将入射光束分割成一系列微小光束，并根据焦平面处CCD探测器对这些微束的成像及光强空间分布信息，反推出入射光场的波前相位和强度信息。因此，相较于传统的刀边或显微成像等焦斑成像方法，Hartmann-Shack波前传感器能够在不影响实验光路的情况下对聚焦光的波前像差进行在线诊断和反馈，甚至可实现单发脉冲光场的幅度和强度检测。

图1基于Hartmann-Shack波前传感器的（a）波前整形监测及（b）原理示意图[2]。

将波前传感器与XUV聚焦元件相结合，实现XUV波段的波前诊断优化，能够进一步拓展其应用领域。但相比于红外激光聚焦条件，EUV和软X射线受材料的强吸收衰减，使得XUV光束的调控难度急剧增加，针对XUV辐射（尤其是宽带宽的高次谐波辐射）聚焦和波前整形尤其困难。尽管非周期性多层膜镜可实现宽带的XUV反射，但反射率都比较低；掠入射椭球镜原则上也可满足宽带的高次谐波反射，但受光束尺寸及其稳定性影响较大。

图3（a）波前测试结合反向传播计算和（b）光束追迹模拟得到的焦斑尺寸对比结果。

图4在FLASH BL3光束线上使用Hartmann-Shack波前传感器的自适应光学系统（a）聚焦前，（b）调试过程中及（c）聚焦后的波前测试结果。测试波长为13.3nm。

图5 用于FLASH的XUV波前传感器实物图

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参考文献

[1] Yoshitomi, D., Nees, J., Miyamoto, N. et al. Phase-matched enhancements of high-harmonic soft X-rays by adaptive wave-front control with a genetic algorithm. Appl. Phys. B 78, 275–280 (2004).

[2] Coudert-Alteirac, H.; Dacasa, H.; Campi, F.; Kueny, E.; Farkas, B.; Brunner, F.; Maclot, S.; Manschwetus, B.; Wikmark, H.; Lahl, J.; et al. Micro-Focusing of Broadband High-Order Harmonic Radiation by a Double Toroidal Mirror. Appl. Sci. 7, 1159-1170 (2017).

[3] Keitel B., Plönjes E., Kreis S., Kuhlmann M., Tiedtke K., Mey T., Schäfer B., Mann K., Hartmann wavefront sensors and their application at FLASH. J. Synchrotron Rad. 2, 43-49 (2016).

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