近日，同济大学物理科学与工程学院李文斌教授和王占山教授团队在《纳米快报》（Nano Letters）上在线发表了题为《B4C/Ru纳米双层膜纳秒极紫外光诱导损伤动力学超快时间分辨泵浦-探测研究》（Ultrafast time-resolved pump-probe investigation of nanosecond extreme ultraviolet light induced damage dynamics on B4C/Ru nano-bilayer film）的论文。该论文首次建立了高时间和空间分辨纳秒极紫外泵浦-飞秒红外激光探测成像损伤测试系统，并利用该系统研究了B4C/Ru纳米双层膜反射镜的极紫外损伤动力学过程，揭示了极紫外辐照损伤区存在自我恢复的现象。
近年来，世界各国相继建设并发展了新一代极紫外/X射线自由电子激光光源（Free electron laser，FEL），为物理、化学和材料等基础科学研究提供了极紫外-X射线波段超强、超快的相干光源。光学薄膜反射镜是极紫外/X射线FEL光束线建设中不可或缺的光学元件，以实现光束的偏转、单色、聚焦等功能。由于XFEL光源具有超高峰值亮度的特点，因此光学薄膜反射镜抗辐照损伤能力和损伤机制是FEL光束线设计的核心问题。目前XFEL薄膜反射镜辐照损伤研究还是采用离线表征方法测试损伤区的终态形貌，无法获得时间分辨的超快损伤动力学信息，因此亟需发展在线原位表征方法，这对深入理解超快损伤动力学过程和损伤机制至关重要。
图1 纳秒极紫外泵浦-飞秒红外激光探测成像损伤测试系统
针对上述科学问题，该研究团队以纳秒极紫外光为泵浦光，飞秒光学激光为探测光，在解决了泵浦光的时序控制和杂散光抑制等关键技术难题下，研制成功了高时间和空间分辨的纳秒极紫外泵浦-飞秒红外激光探测成像损伤测试系统（图1），可实现对纳秒极紫外辐照薄膜反射镜的动态损伤形貌开展高时间分辨成像探测。面向我国硬X射线FEL装置（SHINE）FEL-I光束线的应用需求，研究团队设计制备了B4C/Ru双层膜反射镜，并利用上述泵浦-探测系统研究了B4C/Ru双层膜极紫外损伤动力学过程（图2）。泵浦-探测实验表明B4C/Ru双层膜在极紫外光辐照下产生了凸起状损伤，并且在辐照过程中损伤区迅速增加后出现了部分恢复现象。结合温度场和应力场理论模拟与实验测试，发现在EUV辐照下Ru薄膜内部产生的压应力导致双层膜从基板表面脱离并形成凸起状损伤。该研究通过建立热应力损伤物理模型解释了B4C/Ru双层膜损伤区部分自行恢复的现象。
图2 B4C/Ru纳米双层膜瞬态损伤形貌测试图、损伤面积实验和模拟值随时间的演变、热应力损伤物理模型及测试结果
该项研究在国际上首次建立了纳秒极紫外泵浦-飞秒红外激光成像探测方法，通过结合多种离线表征方法，能够深入地探索极紫外、X射线损伤动力学过程以及损伤机制。该方法可推广到飞秒X射线自由电子激光领域，进一步发展飞秒XFEL泵浦-飞秒光学激光探测方法，在飞秒时间尺度下研究薄膜反射镜XFEL超快损伤动力学过程。
同济大学物理科学与工程学院博士生潘刘洋和李淑慧为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讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目的支持(No.11875203, No.61621001)。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01171