近日，同濟大學物理科學與工程學院李文斌教授和王占山教授團隊在《納米快報》（Nano Letters）在線發表題為《B₄C/Ru納米雙層膜納秒極紫外光誘導損傷動力學超快時間分辨泵浦-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，并利用該系統研究了B₄C/Ru納米雙層膜反射鏡的極紫外損傷動力學過程，揭示了極紫外輻照損傷區存在自我恢復的現象。

     近年來，世界各國相繼建設并發展了新一代極紫外/X射線自由電子激光光源（Free electron laser，FEL），為物理、化學和材料等基礎科學研究提供了極紫外-X射線波段超強、超快的相干光源。光學薄膜反射鏡是極紫外/X射線FEL光束線建設中不可或缺的光學元件，以實現光束的偏轉、單色、聚焦等功能。由于XFEL光源具有超高峰值亮度的特點，因此光學薄膜反射鏡抗輻照損傷能力和損傷機制是FEL光束線設計的核心問題。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的終態形貌，無法獲得時間分辨的超快損傷動力學信息，因此亟需發展在線原位表征方法，這對深入理解超快損傷動力學過程和損傷機制至關重要。

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 

    針對上述科學問題，該研究團隊以納秒極紫外光為泵浦光，飛秒光學激光為探測光，在解決了泵浦光的時序控制和雜散光抑制等關鍵技術難題下，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（圖1），可實現對納秒極紫外輻照薄膜反射鏡的動態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光束線的應用需求，研究團隊設計制備了B₄C/Ru雙層膜反射鏡，并利用上述泵浦-探測系統研究了B₄C/Ru雙層膜極紫外損傷動力學過程（圖2）。泵浦-探測實驗表明B₄C/Ru雙層膜在極紫外光輻照下產生了凸起狀損傷，并且在輻照過程中損傷區迅速增加后出現了部分恢復現象。結合溫度場和應力場理論模擬與實驗測試，發現在EUV輻照下Ru薄膜內部產生的壓應力導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力損傷物理模型解釋了B₄C/Ru雙層膜損傷區部分自行恢復的現象。

圖2 B₄C/Ru納米雙層膜瞬態損傷形貌測試圖、損傷面積實驗和模擬值隨時間的演變、熱應力損傷物理模型及測試結果

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射線損傷動力學過程以及損傷機制。該方法可推廣到飛秒X射線自由電子激光領域，進一步發展飛秒XFEL泵浦-飛秒光學激光探測方法，在飛秒時間尺度下研究薄膜反射鏡XFEL超快損傷動力學過程。

同濟大學物理科學與工程學院博士生潘劉洋和李淑慧為論文共同第一作者，李文斌教授和王占山教授是論文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金項目的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01171

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