激光与光电子学进展
" # 年第 $ 期 ( #$ " 总第 3 "期 + 4
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飞秒 ' 射线衍射研究进展
谢红兰
提 要
陈建文
高鸿奕
陈 敏
陆陪祥
徐至展
中国科学院上海光学精密机械研究所 ) 上海 " $ # + ( #*# 介绍 ' 射线脉冲光源的三种产生方式及其在飞秒 ' 射线衍射 实 验 中 的 应 用 ) 重 介 绍 了 着 飞秒射线衍射实验研究的进展状况 ) 最后对实验结果进行了详细的理论分析 , ' 射线 ) 衍射 ) 激光等离子体 ) 半导体
关键词
$ 引言
随 着 $- 年 ' 射 线 的 发 现) 们 可 利 人 *. 用 '射线分辨越来越复杂的物质系统的原 子排列情况 ,值得着重指出的是 ' 射线的重 要性 ! 在上个世纪 ) 射线已经提供给我们绝 ' 包 大 部 分 关 于 物 质 静 态 结 构 信 息 的 知 识) 括 从简单物质系统到复杂的生物大分子 , 然而自然界有许多基本过程例如化学反 都 应 和 相 变) 涉 及 到 物 质 结 构 性 质 的 改 变 和 原子的重排列 , 这些变化通常发生在飞秒的 时 间 尺 度 上) 原 子 或 分 子 的 自 由 振 荡 周 期 与 相当 ) 约为 $ #/, # 0 在过去 " 年里 ) 可见光波段的超短脉冲 # 的 脉 宽 已 由 几 皮 秒 压 缩 到 飞 秒 量 级) 则 上 原 但是 ) 由于 允许探测到原子具体的运动过程 , 可见光实际上只对外层的价电子和自由电子 的 动 态 敏 感) 不 能 和 含 有 物 质 结 构 信 息 的 并 更深层的电子层和原子核相互作用 , 而价电 子和自由电子在许多原子位置上是不定域 的) 此 这 些 超 短 光 脉 冲 几 乎 不 能 带 回 有 关 因 物质结构性质的真实信息 , 因为千电子伏特范围的 '射线直接与 原 子 核 周 围 的 中 心 电 子 层 相 互 作 用) 此 这 因 个范围的 ' 射线对原子排列很敏感 ,又因为
'射线的波长正好与原子间距同一个数量 级) 在晶体中的穿透深度 ( 微米 + 比可见光 ( 亚 大一个数量级 , 因此超短 ( 脉宽为皮秒 微米 + 或 飞秒量级+ 射线脉冲提供了比 超 短 光 脉 ' 冲更适合研究动态结构排列的可能性 , 结合 传统的超短光脉冲探测物质结构动态排列的 技术 ) 人们用超 短 ' 射线 脉冲 代替超 短光脉 冲) 可直接探测原子排列的动态变化过程 , 这 种方法被称为飞秒 '射线衍射或超快 '射 线衍射 ,图 $为飞秒 ' 射线衍射实验的原理
$ 示意图 1 2) 在超短激光脉冲激励后 ) 不同时间
延迟的动态演变系统的瞬态结构可被超短 '
图 $ 飞秒 ' 射线衍射实验原理示意图 , 在受到 一 个 超 短 激 光 脉 冲 激 励 后) 每 个 延 迟 时 在 间上 ) 动态演变系统的瞬态结构被测量到
万方数据
收稿日期 ! # $ & # " # %# %$
射线脉冲探测 到 , 飞秒 ' 射线 衍射可 探测到
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激光与光电子学进展
' * 年第 / 期 % */ ' 总第 - '期 & 2 般 在 - ./ *0 的范围 内 # 最近 " 利用 飞秒 * * 1 激光对高速运动的相对论电子束的汤姆逊散 射" 得到了 2 *3 的 $ 射线脉冲 #此外 " 带有 * 1 激光触发的光阴极的真空 $射线二极管也
的动态过程包括 ! 化学键的断裂与形成 " 蛋白 质 的 运 动" 荷 的 转 移" 质 的 相 变" 端 条 电 物 极 件下材料的应变 " 声子的动态特性 " 催化反应 等 # 这些动态过程大多发生在几皮秒甚至更 短的时间尺度上 #只有当 $ 射线脉宽比这个 飞 时间更短时 " 秒 $ 射 线衍 射才可在原 子 水 平 上 直 接 观 察 这 些 动 态 过 程" 接 观 测 化 学 直 生物化学 & 反应和物理变化 % 如相变 & 过程中 % 的结构变化和原子运动 #
产生了脉宽 为皮 秒量级的 $ 射线 超短脉 冲 # 目前 " 广泛应用 于飞秒 $ 射线 衍射研 究的是 前三种方式产生的超短脉冲 # 发射 5 4 6 飞秒激光激励固体产生等离子体 " 7 射线超短脉冲 术 在 过 去 8年 中 " 于 采 用 了 新 的 放 大 技 由 啁 啾 脉 冲 放 大 % 9 ;& 术 和 新 的 即 : 技

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