基于多层膜结构的超短X射线脉冲反射原理的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王月 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 李宾 |
| 关键词 | X射线 多层膜结构 超短脉冲 Parratt理论 线性啁啾近似 |
| 英文摘要 | 随着光子科学的不断发展,基于气体和固体高次谐波产生(High Harmonic Generation,简称HHG)以及自由电子激光(Free Electron Laser,简称FEL)的超短X射线脉冲产生机制不断成熟。特别的,作为新一代光源,FEL可以产生超高亮度的超短X射线脉冲,使许多相关的基础科学领域,特别是超快动力学的研究领域迎来了新的契机。X射线多层膜光学元件作为一种人造纳米周期排列的光子晶体结构,它可以使X射线光束通过在多层材料界面上的布拉格衍射提高其传输过程的反射效率。多层膜光学元件也是超快实验中的关键部件:它们一方面用于脉冲反射传输以及聚焦等功能,另一方面也被应用于构造和整形出具有明确特征的超短脉冲。由FEL产生的飞秒(fs=10~(-15)s)和阿秒(as=10~(-18)s)时间尺度的X射线脉冲使得多层膜光学在这一领域的应用又有了新的机遇和挑战:FEL脉冲具有超快时间结构的基本特征,对于多层膜结构反射FEL脉冲,必然要考虑到FEL脉冲在多层膜结构中的色散效应以及多层膜结构对脉冲的影响。因此,为了研究X射线波段的FEL超短脉冲在多层膜结构中的反射的物理问题,本课题主要进行了以下的工作:首先,我们利用多层膜结构的设计和优化的基本原理并结合材料性质,讨论了多层膜结构的参数计算。我们利用Parratt严格迭代算法构建起了X射线多层膜结构的仿真框架,包含了多层膜结构优化计算以及多层膜结构反射率计算程序。特别的,在多层膜反射率计算程序中,考虑到多层膜结构制备中出现的层间粗糙度以及层间材料梯度扩散结构,并通过多层膜结构反射率计算程序优化了膜层设计。接下来,针对SASE FEL脉冲,尤其是对于1-3keV的中能X射线脉冲,为了优化光学元件,在线性光学范围内,利用傅里叶分析的方法,针对具有多个尖峰的SASE FEL脉冲进行多层膜结构反射研究。我们考察了经过设计的Cr/B_4C多层膜结构反射后的SASE FEL脉冲的时域-频域结构特征变化,并且证实了多层膜结构反射SASE脉冲的可靠性。最后,我们针对硬X射线超短脉冲,尤其是单个阿秒脉冲在周期性多层膜结构中的反射问题进行了仔细的探讨。首先引入单峰高斯入射脉冲,通过傅里叶变换以及W/B_4C周期性多层膜结构反射后频谱的逆傅里叶变换,我们得到了经过多层膜结构反射的超短脉冲结构和相位特征。根据高斯脉冲和多层膜结构的基本属性,我们建立了一个对X射线反射脉冲的评估模型——线性啁啾近似模型。通过这个模型,我们可以在一定的范围内对反射脉冲的啁啾以及脉冲长度进行定量的描述,进而对多层膜结构的线性反射性能进行定量的描述。通过傅里叶分析模型的结果与线性啁啾近似模型的结果比较,我们能够初步理解多层膜结构反射超短脉冲的基本特征和多层膜结构对脉冲造成的影响。本研究从多层膜结构设计出发,以单色光X射线作为X射线多层膜结构的优化设计依据,利用Parratt理论框架搭建X射线反射率计算模块,通过对不同的周期性多层膜结构参数的考察,对多层膜结构本身的性能进行了全面的分析和计算。以此作为依据,对多层膜结构反射超短脉冲的物理过程进行计算仿真,深入了解X射线脉冲与多层膜结构材料的相互作用,为多层膜光学元件应用于FEL光束的传输与分束、优化光束线站结构单元的研制与建设提供更多的理论参考依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33875]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王月. 基于多层膜结构的超短X射线脉冲反射原理的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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