Attosekundowy laser rentgenowski klasy TW
Promienie rentgenowskie attosekundowelaser pulsacyjnyo dużej mocy i krótkim czasie trwania impulsu są kluczem do uzyskania ultraszybkiej spektroskopii nieliniowej i obrazowania dyfrakcji rentgenowskiej. Zespół badawczy w Stanach Zjednoczonych wykorzystał kaskadę dwuetapowychLasery rentgenowskie na swobodnych elektronachdo generowania dyskretnych impulsów attosekundowych. W porównaniu z dotychczasowymi doniesieniami, średnia moc szczytowa impulsów wzrosła o rząd wielkości, maksymalna moc szczytowa wynosi 1,1 TW, a mediana energii przekracza 100 μJ. Badanie dostarcza również mocnych dowodów na występowanie zjawiska superradiacji w polu promieniowania rentgenowskiego, podobnego do solitonu.Lasery wysokoenergetycznenapędzały wiele nowych obszarów badań, w tym fizykę wysokiego pola, 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. Laser rentgenowski na swobodnych elektronach (XFEL) może zwiększyć szczytową moc promieniowania rentgenowskiego o kilka rzędów wielkości w porównaniu z innymi technologiami generowania promieniowania rentgenowskiego, rozszerzając tym samym zastosowanie promieni rentgenowskich na dziedzinę spektroskopii nieliniowej i obrazowania dyfrakcji pojedynczych cząstek, gdzie wymagana jest wysoka moc. Niedawno pomyślnie zrealizowany laser attosekundowy XFEL jest ważnym osiągnięciem w nauce i technologii attosekundowej, zwiększając dostępną moc szczytową o ponad sześć rzędów wielkości w porównaniu ze laboratoryjnymi źródłami promieniowania rentgenowskiego.
Lasery na swobodnych elektronachmoże uzyskać energie impulsów o wiele rzędów wielkości wyższe niż poziom emisji spontanicznej, wykorzystując niestabilność kolektywną, która jest spowodowana ciągłą interakcją 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 jest osiągany poprzez kompresję wiązek i techniki stożkowe po nasyceniu. W zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (długość fali od około 0,1 nm do 10 nm) FEL jest realizowany za pomocą kaskadowej technologii świeżego plastrów. Ostatnio doniesiono o generowaniu impulsów attosekundowych o mocy szczytowej 100 GW za pomocą metody wzmocnionej samowzmocnionej emisji spontanicznej (ESASE).
Zespół badawczy wykorzystał dwustopniowy system wzmacniający oparty na XFEL do wzmocnienia attosekundowego impulsu miękkiego promieniowania rentgenowskiego z liniowego akceleratora koherentnegoźródło światłado poziomu TW, co stanowi rząd wielkości poprawę w stosunku do zgłoszonych wyników. Układ eksperymentalny pokazano na rysunku 1. W oparciu o metodę ESASE, emiter fotokatody jest modulowany w celu uzyskania wiązki elektronów z wysokim impulsem prądowym i jest używany do generowania attosekundowych impulsów promieniowania rentgenowskiego. Początkowy impuls znajduje się na przedniej krawędzi impulsu wiązki elektronów, jak pokazano w lewym górnym rogu rysunku 1. Gdy XFEL osiąga nasycenie, wiązka elektronów jest opóźniana względem promieniowania rentgenowskiego przez kompresor magnetyczny, a następnie impuls oddziałuje z wiązką elektronów (świeży plaster), który nie jest modyfikowany przez modulację ESASE ani laser FEL. Na koniec, drugi undulator magnetyczny jest używany do dalszego wzmocnienia promieniowania rentgenowskiego poprzez oddziaływanie impulsów attosekundowych ze świeżym plasterkiem.
Rys. 1 Schemat urządzenia eksperymentalnego; Ilustracja przedstawia podłużną przestrzeń fazową (diagram czasowo-energetyczny elektronu, kolor zielony), profil prądu (niebieski) oraz promieniowanie wytwarzane przez wzmocnienie pierwszego rzędu (fioletowy). XTCAV, poprzeczna wnęka rezonansowa pasma X; cVMI, współosiowy system obrazowania z szybkim odwzorowaniem; FZP, płytkowy spektrometr pasma Fresnela
Wszystkie impulsy attosekundowe zbudowane są z szumu, dlatego każdy impuls ma inne właściwości widmowe i czasowe, które badacze zbadali bardziej szczegółowo. Jeśli chodzi o widma, wykorzystali spektrometr płytkowy pasma Fresnela do pomiaru widm pojedynczych impulsów przy różnych równoważnych długościach undulatora i stwierdzili, że widma te zachowały gładkie przebiegi nawet po wtórnym wzmocnieniu, co wskazuje, że impulsy pozostały unimodalne. W dziedzinie czasu mierzono prążek kątowy i charakteryzowano przebieg impulsu w dziedzinie czasu. Jak pokazano na rysunku 1, impuls promieniowania rentgenowskiego nakłada się na impuls lasera podczerwonego o polaryzacji kołowej. Fotoelektrony jonizowane przez impuls promieniowania rentgenowskiego wytworzą smugi w kierunku przeciwnym do wektorowego potencjału lasera podczerwonego. Ponieważ pole elektryczne lasera obraca się w czasie, rozkład pędu fotoelektronu jest określony przez czas emisji elektronu, a zależność między modą kątową czasu emisji a rozkładem pędu fotoelektronu jest ustalona. Rozkład pędu fotoelektronów mierzony jest za pomocą współosiowego spektrometru obrazowego z szybkim odwzorowaniem. Na podstawie rozkładu i wyników widmowych można zrekonstruować przebieg impulsów attosekundowych w dziedzinie czasu. Rysunek 2 (a) przedstawia rozkład czasu trwania impulsu, z medianą 440 as. Na koniec, do pomiaru energii impulsu użyto detektora monitorującego gaz, a następnie obliczono wykres rozrzutu między szczytową mocą impulsu a czasem trwania impulsu, jak pokazano na rysunku 2 (b). Trzy konfiguracje odpowiadają różnym warunkom ogniskowania wiązki elektronów, warunkom stożka falowego 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 pełnej szerokości (FWHM) w połowie wysokości; (b) Wykres punktowy odpowiadający mocy szczytowej i czasowi trwania impulsu
Ponadto, w badaniu po raz pierwszy zaobserwowano zjawisko superemisji solitonowej w paśmie rentgenowskim, objawiające się ciągłym skracaniem impulsu podczas wzmacniania. Jest ono spowodowane silną interakcją między elektronami a promieniowaniem, w której energia jest szybko przenoszona z elektronu do czoła impulsu rentgenowskiego i z powrotem do elektronu z ogona impulsu. Dzięki dogłębnym badaniom tego zjawiska oczekuje się, że impulsy rentgenowskie o krótszym czasie trwania i wyższej mocy szczytowej będą mogły być jeszcze bardziej realizowane poprzez wydłużenie procesu wzmacniania superemisji i wykorzystanie skrócenia impulsu w trybie solitonowym.
Czas publikacji: 27 maja 2024 r.