TW Klasa Attosecond Laser pulsowy

TW Klasa Attosecond Laser pulsowy
Attosecond Rentodemstwolaser pulsowyPrzy dużej mocy i krótkim czasie trwania impulsu są kluczem do osiągnięcia ultraszybkiej nieliniowej spektroskopii i obrazowania dyfrakcji rentgenowskiej. Zespół badawczy w Stanach Zjednoczonych użył kaskady dwustopniowejLasery elektronowe wolne od promieniowania rentgenowskiegoAby wyprowadzić dyskretne impulsy attosekundowe. W porównaniu z istniejącymi doniesieniami średnia maksymalna moc impulsów jest zwiększona o rzędu wielkości, maksymalna moc szczytowa wynosi 1,1 TW, a mediana energii wynosi ponad 100 μJ. Badanie dostarcza również mocnych dowodów na zachowanie superradycji przypominające soliton w polu rentgenowskiego.Lasery wysokoenergetycznenapędzali wiele nowych obszarów badań, w tym fizykę wysokiego pola, spektroskopię attosekundową i akceleratorów cząstek laserowych. Spośród wszystkich rodzajów laserów promieniowanie rentgenowskie są szeroko stosowane w diagnozie medycznej, wykryciu wad przemysłowych, kontroli bezpieczeństwa i badaniach naukowych. Laser swobodnego elektronu rentgenowskiego (XFEL) może zwiększyć szczytową moc rentgenowską o kilka rzędów wielkości w porównaniu z innymi technologiami generowania promieniowania rentgenowskiego, rozszerzając w ten sposób zastosowanie promieni rentgenowskich do pola nieliniowej spektroskopii i obrazowania dyfrakcji pojedynczej, gdzie wymagana jest duża moc. Ostatnie udane attosekundowe XFEL jest głównym osiągnięciem w nauce i technologii attosekundowej, zwiększając dostępną moc szczytową o ponad sześć rzędów wielkości w porównaniu ze źródłami rentgenowskiej.

Darmowe lasery elektronowemoże uzyskać energie impulsowe wiele rzędów wielkości wyższych niż spontaniczny poziom emisji przy użyciu niestabilności zbiorowej, który jest spowodowany ciągłą interakcją pola promieniowania w relatywistycznej wiązce elektronowej i oscylator magnetyczny. W twardym zakresie rentgenowskim (około 0,01 nm do 0,1 nm długości fali) osiąga się za pomocą technik kompresji wiązki i konstrukcji. W miękkim zakresie rentgenowskim (około 0,1 nm do 10 nm długości fali), FEL jest wdrażany za pomocą technologii Fresh-Slice Cascade. Ostatnio doniesiono, że impulsy attosekundowe o szczytowej mocy 100 GW są wygenerowane przy użyciu wzmocnionej samozliczonej spontanicznej emisji (ESASE).

Zespół badawczy zastosował dwustopniowy system amplifikacji oparty na XFEL, aby wzmocnić miękkie wyjście impulsów rentgenowskichźródło światłaDo poziomu TW rząd wielkości w porównaniu z zgłoszonymi wynikami. Konfiguracja eksperymentalna pokazano na rycinie 1. Na podstawie metody ESASE emiter photocathod jest modulowany w celu uzyskania wiązki elektronów o wysokim skok prądu i jest używany do generowania impulsów rentgenowskich. Początkowy impuls znajduje się na przedniej krawędzi kolca wiązki elektronowej, jak pokazano w lewym górnym rogu ryc. 1. Gdy XFEL osiąga nasycenie, wiązka elektronowa jest opóźniona w stosunku do promieniowania rentgenowskiego przez sprężarkę magnetyczną, a następnie impuls oddziałuje z wiązką elektronów (świeży wycinek), który nie jest modyfikowany przez modulację ESase lub Laser Fel. Wreszcie, drugi magnetyczny undulator służy do dalszego wzmocnienia promieni rentgenowskich poprzez interakcję impulsów attosekundowych ze świeżym plasterem.

FIGA. 1 Eksperymentalny schemat urządzenia; Ilustracja pokazuje przestrzeń fazową podłużną (schemat energii czasowej elektronu, zielony), prądowy profil (niebieski) i promieniowanie wytwarzane przez wzmocnienie pierwszego rzędu (fioletowe). XTCAV, wnęka poprzeczna X-pasmowa; CVMI, współosiowy system obrazowania szybkiego mapowania; FZP, spektrometr płytki opaski Fresnela

Wszystkie impulsy attosekundowe są zbudowane z hałasu, więc każdy impuls ma inne właściwości widmowe i domenowe, które naukowcy badali bardziej szczegółowo. Pod względem widm zastosowali spektrometr płytki pasma fresnelowego do pomiaru widm poszczególnych impulsów przy różnych równoważnych długościach underulatorów i stwierdzili, że te widma utrzymywały płynne przebiegi, nawet po amplifikacji wtórnej, co wskazuje, że impulsy pozostały unimodalne. W dziedzinie czasu mierzona jest grzywka kątowa i charakteryzuje się fali w dziedzinie czasu impulsu. Jak pokazano na rycinie 1, impuls rentgenowski nakłada się na okrągłego spolaryzowanego impulsu laserowego w podczerwieni. Fotoelektrony zjonizowane przez impuls rentgenowski wytwarzają smugi w kierunku przeciwnym do potencjału wektorowego lasera w podczerwieni. Ponieważ pole elektryczne lasera obraca się z czasem, rozkład pędu fotoelektronu jest określany w czasie emisji elektronów i ustalono związek między trybem kątowym czasu emisji a rozkładem pędu fotoelektronu. Rozkład pędu fotoelektronowego mierzy się przy użyciu koncentrycznego spektrometru obrazowania szybkiego mapowania. W oparciu o rozkład i wyniki spektralne można zrekonstruować przebieg w domenach w dziedzinie czasu. Ryc. 2 (a) pokazuje rozkład czasu trwania impulsu, z medianą 440 AS. Na koniec wykorzystano detektor monitorowania gazu do pomiaru energii impulsu, a wykres rozproszenia między szczytową mocą impulsu a czasem trwania impulsu, jak pokazano na ryc. 2 (b). Trzy konfiguracje odpowiadają różnym warunkom skupienia wiązki elektronów, warunkami przekazywania wahania i warunkami opóźnienia sprężarki magnetycznej. Trzy konfiguracje dały średnio średnio 150, 200 i 260 µJ, przy maksymalnej mocy szczytowej 1,1 TW.

Ryc. 2. (A) Histogram rozkładu o pół-wysokości pełnej szerokości (FWHM) Czas trwania impulsu; (b) Wykres rozproszenia odpowiadający mocy szczytowej i czasu trwania impulsu

Ponadto w badaniu zaobserwowano również po raz pierwszy zjawisko superremizji podobnej do solitonu w paśmie rentgenowskiej, która pojawia się jako ciągłe skracanie impulsu podczas wzmocnienia. Jest to spowodowane silną interakcją między elektronami a promieniowaniem, z energią szybko przenoszoną z elektronu do głowy impulsu rentgenowskiego i z powrotem do elektronu z ogona impulsu. Poprzez dogłębne badanie tego zjawiska oczekuje się, że impulsy rentgenowskie o krótszym czasie trwania i wyższej mocy szczytowej można dalej zrealizować poprzez rozszerzenie procesu wzmacniania superradycji i wykorzystanie skracania impulsu w trybie podobnym do solitonu.