Attosekundowy laser impulsowy rentgenowski klasy TW
Attosekundowe zdjęcie rentgenowskielaser impulsowyo dużej mocy i krótkim czasie trwania impulsu są kluczem do uzyskania ultraszybkiej spektroskopii nieliniowej i obrazowania dyfrakcji promieni rentgenowskich. Zespół badawczy w USA zastosował kaskadę dwustopniowąLasery rentgenowskie na swobodnych elektronachdo wyprowadzania dyskretnych impulsów attosekundowych. W porównaniu z istniejącymi raportami średnia moc szczytowa impulsów jest zwiększona o rząd wielkości, maksymalna moc szczytowa wynosi 1,1 TW, a mediana energii przekracza 100 μJ. Badanie dostarcza również mocnych dowodów na zachowanie superradiacji w polu rentgenowskim podobne do solitonu.Lasery wysokoenergetycznepobudziły wiele nowych obszarów badań, w tym fizykę wysokich pól, spektroskopię attosekundową i laserowe akceleratory cząstek. Spośród wszystkich rodzajów laserów promienie rentgenowskie są szeroko stosowane w diagnostyce medycznej, wykrywaniu wad przemysłowych, kontroli bezpieczeństwa i badaniach naukowych. Rentgenowski laser na swobodnych elektronach (XFEL) może zwiększyć szczytową moc promieniowania rentgenowskiego o kilka rzędów wielkości w porównaniu z innymi technologiami generowania promieni rentgenowskich, rozszerzając w ten sposób zastosowanie promieni rentgenowskich na dziedzinę spektroskopii nieliniowej i pojedynczych obrazowanie dyfrakcyjne cząstek, gdzie wymagana jest duża moc. Niedawny sukces attosekundowego XFEL jest głównym osiągnięciem nauki i technologii attosekundowej, zwiększającym dostępną moc szczytową o ponad sześć rzędów wielkości w porównaniu ze laboratoryjnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego.
Darmowe lasery elektronowemoże uzyskać energie impulsów o wiele rzędów wielkości wyższe od poziomu emisji spontanicznej, wykorzystując niestabilność zbiorczą, która jest spowodowana ciągłym oddziaływaniem pola promieniowania w relatywistycznej wiązce elektronów i oscylatorze magnetycznym. W zakresie twardego promieniowania rentgenowskiego (długość fali od około 0,01 nm do 0,1 nm) FEL osiąga się poprzez techniki kompresji wiązek i stożka po nasyceniu. W zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (długość fali od około 0,1 nm do 10 nm) FEL jest realizowany w technologii kaskadowego świeżego plastra. Ostatnio doniesiono, że impulsy attosekundowe o mocy szczytowej 100 GW są generowane przy użyciu metody wzmocnionej samowzmacniającej się emisji spontanicznej (ESASE).
Zespół badawczy zastosował dwustopniowy system wzmacniania oparty na technologii XFEL do wzmocnienia attosekundowego impulsu miękkiego promieniowania rentgenowskiego ze spójnego układu liniowegoźródło światłado poziomu TW, co oznacza poprawę o rząd wielkości w stosunku do raportowanych wyników. Układ eksperymentalny pokazano na rysunku 1. W oparciu o metodę ESASE, emiter fotokatody jest modulowany w celu uzyskania wiązki elektronów o wysokim impulsie prądu i służy do generowania attosekundowych impulsów rentgenowskich. Impuls początkowy znajduje się na przedniej krawędzi piku wiązki elektronów, jak pokazano w lewym górnym rogu rysunku 1. Kiedy XFEL osiąga nasycenie, wiązka elektronów jest opóźniana w stosunku do promieni rentgenowskich przez kompresor magnetyczny, a następnie impuls oddziałuje z wiązką elektronów (świeżym plasterkiem), która nie jest modyfikowana przez modulację ESASE lub laser FEL. Na koniec drugi undulator magnetyczny służy do dalszego wzmacniania promieni rentgenowskich poprzez interakcję impulsów attosekundowych ze świeżym plasterkiem.
FIGA. 1 Schemat urządzenia eksperymentalnego; Ilustracja przedstawia podłużną przestrzeń fazową (wykres czas-energia elektronu, zielony), profil prądu (niebieski) i promieniowanie wytwarzane przez wzmocnienie pierwszego rzędu (fioletowy). XTCAV, wgłębienie poprzeczne pasma X; cVMI, współosiowy system szybkiego mapowania obrazu; FZP, spektrometr płytkowy z pasmem Fresnela
Wszystkie impulsy attosekundowe zbudowane są z szumu, zatem każdy impuls ma inne właściwości widmowe i w dziedzinie czasu, które badacze zbadali bardziej szczegółowo. Jeśli chodzi o widma, wykorzystali spektrometr płytkowy Fresnela do pomiaru widm poszczególnych impulsów przy różnych równoważnych długościach undulatora i odkryli, że widma te zachowują gładkie przebiegi nawet po wtórnym wzmocnieniu, co wskazuje, że impulsy pozostają jednomodalne. W dziedzinie czasu mierzony jest prążek kątowy i charakteryzowany jest przebieg impulsu w dziedzinie czasu. Jak pokazano na rysunku 1, impuls promieniowania rentgenowskiego nakłada się na spolaryzowany kołowo impuls lasera podczerwieni. Fotoelektrony zjonizowane przez impuls promieni rentgenowskich będą wytwarzać smugi w kierunku przeciwnym do potencjału wektorowego lasera podczerwonego. Ponieważ pole elektryczne lasera zmienia się w czasie, rozkład pędu fotoelektronu jest określony przez czas emisji elektronu i ustalana jest zależność pomiędzy modą kątową czasu emisji a rozkładem pędu fotoelektronu. Rozkład pędu fotoelektronów mierzy się za pomocą współosiowego spektrometru obrazowania szybkiego mapowania. Na podstawie rozkładu i wyników widmowych można zrekonstruować przebieg impulsów attosekundowych w dziedzinie czasu. Rycina 2 (a) przedstawia rozkład czasu trwania impulsu, z medianą wynoszącą 440 as. Na koniec do pomiaru energii impulsu wykorzystano detektor monitorujący gaz i obliczono wykres rozrzutu pomiędzy szczytową mocą impulsu a czasem trwania impulsu, jak pokazano na rysunku 2 (b). Trzy konfiguracje odpowiadają różnym warunkom skupienia wiązki elektronów, warunkom stożka falowania i warunkom opóźnienia kompresora magnetycznego. Trzy konfiguracje dały średnie energie impulsów odpowiednio 150, 200 i 260 µJ przy maksymalnej mocy szczytowej 1,1 TW.
Rysunek 2. (a) Histogram rozkładu czasu trwania impulsu o połowie wysokości o pełnej szerokości (FWHM); (b) Wykres punktowy odpowiadający mocy szczytowej i czasowi trwania impulsu
Ponadto w badaniach po raz pierwszy zaobserwowano także zjawisko solitonowej superemisji w paśmie rentgenowskim, które objawia się ciągłym skracaniem impulsu podczas wzmacniania. Jest to spowodowane silną interakcją pomiędzy elektronami i promieniowaniem, w wyniku której energia jest szybko przenoszona z elektronu do szczytu impulsu rentgenowskiego i z powrotem do elektronu z ogona impulsu. Oczekuje się, że dzięki dogłębnym badaniom tego zjawiska impulsy rentgenowskie o krótszym czasie trwania i wyższej mocy szczytowej będą mogły być dalej realizowane poprzez wydłużenie procesu wzmacniania superpromieniowania i wykorzystanie skracania impulsów w trybie solitonowym.
Czas publikacji: 27 maja 2024 r