Laser rentgenowski klasy TW attosekundowy impulsowy

Laser rentgenowski klasy TW attosekundowy impulsowy
Promienie rentgenowskie attosekundowelaser pulsacyjnyo dużej mocy i krótkim czasie trwania impulsu są kluczem do osiągnięcia ultraszybkiej nieliniowej spektroskopii i obrazowania dyfrakcji rentgenowskiej. Zespół badawczy w Stanach Zjednoczonych wykorzystał kaskadę dwuetapowychLasery 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 wynosi ponad 100 μJ. Badanie dostarcza również mocnych dowodów na zachowanie superradiacji podobne do solitonu w polu promieniowania rentgenowskiego.Lasery wysokoenergetycznenapędzały wiele nowych obszarów badań, w tym fizykę wysokiego pola, spektroskopię attosekundową i akceleratory cząstek laserowych. 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 promieni rentgenowskich, rozszerzając w ten sposób zastosowanie promieni rentgenowskich na obszar nieliniowej spektroskopii i obrazowania dyfrakcji pojedynczych cząstek, gdzie wymagana jest duża moc. Niedawny udany laser attosekundowy XFEL jest ważnym osiągnięciem w nauce i technologii attosekundowej, zwiększając dostępną moc szczytową o ponad sześć rzędów wielkości w porównaniu ze źródłami promieni rentgenowskich na stanowiskach laboratoryjnych.

Lasery na swobodnych elektronachmoże uzyskać energie impulsów o wiele rzędów wielkości wyższe niż poziom emisji spontanicznej, wykorzystując niestabilność zbiorczą, która jest spowodowana ciągłą interakcją pola promieniowania w relatywistycznej wiązce elektronów i oscylatorze magnetycznym. W zakresie twardych promieni rentgenowskich (długość fali około 0,01 nm do 0,1 nm) FEL jest osiągany przez kompresję wiązki i techniki stożka po nasyceniu. W zakresie miękkich promieni rentgenowskich (długość fali około 0,1 nm do 10 nm) FEL jest implementowany przez technologię kaskadowego świeżego plasterka. Ostatnio doniesiono, że impulsy attosekundowe o mocy szczytowej 100 GW są generowane przy użyciu metody ulepszonej 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, rząd wielkości poprawy w stosunku do zgłoszonych wyników. Układ eksperymentalny pokazano na rysunku 1. Na podstawie metody ESASE, emiter fotokatody jest modulowany w celu uzyskania wiązki elektronów z wysokim prądem szczytowym i jest używany do generowania attosekundowych impulsów rentgenowskich. Początkowy impuls znajduje się na przedniej krawędzi kolca wiązki elektronów, jak pokazano w lewym górnym rogu rysunku 1. Gdy XFEL osiągnie nasycenie, wiązka elektronów jest opóźniana względem promieni rentgenowskich przez kompresor magnetyczny, a następnie impuls oddziałuje z wiązką elektronów (świeży plaster), który nie jest modyfikowany przez modulację ESASE lub laser FEL. Na koniec, drugi undulator magnetyczny jest używany do dalszego wzmacniania promieni rentgenowskich poprzez oddziaływanie attosekundowych impulsów ze świeżym plasterkiem.

FIG. 1 Diagram urządzenia eksperymentalnego; Ilustracja pokazuje podłużną przestrzeń fazową (diagram czasowo-energetyczny elektronu, zielony), profil prądu (niebieski) i promieniowanie wytwarzane przez wzmocnienie pierwszego rzędu (fioletowy). XTCAV, poprzeczna wnęka pasma X; cVMI, współosiowy system obrazowania szybkiego mapowania; FZP, spektrometr płytkowy pasma Fresnela

Wszystkie impulsy attosekundowe są zbudowane z szumu, więc każdy impuls ma inne właściwości widmowe i czasowe, które badacze zbadali bardziej szczegółowo. Jeśli chodzi o widma, użyli spektrometru płytkowego pasma Fresnela do pomiaru widm pojedynczych impulsów przy różnych równoważnych długościach undulatora i odkryli, że widma te zachowały gładkie przebiegi nawet po wtórnym wzmocnieniu, co wskazuje, że impulsy pozostały unimodalne. W dziedzinie czasu mierzona jest prążkowana kątowo i charakteryzowany jest przebieg impulsu w dziedzinie czasu. Jak pokazano na rysunku 1, impuls rentgenowski nakłada się na kołowo spolaryzowany impuls lasera podczerwonego. Fotoelektrony jonizowane przez impuls rentgenowski będą wytwarzać smugi w kierunku przeciwnym do wektorowego potencjału lasera podczerwonego. Ponieważ pole elektryczne lasera obraca się w czasie, rozkład pędu fotoelektronu jest określany przez czas emisji elektronu, a związek między trybem kątowym czasu emisji a rozkładem pędu fotoelektronu jest ustalany. Rozkład pędu fotoelektronów mierzony jest za pomocą współosiowego spektrometru obrazowania szybkiego mapowania. Na podstawie rozkładu i wyników widmowych można zrekonstruować przebieg w dziedzinie czasu impulsów attosekundowych. Rysunek 2 (a) przedstawia rozkład czasu trwania impulsu, z medianą 440 as. Na koniec, detektor monitorujący gaz został użyty do pomiaru energii impulsu, a wykres rozrzutu między szczytową mocą impulsu a czasem trwania impulsu, jak pokazano na rysunku 2 (b), został obliczony. 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 połowie wysokości i pełnej szerokości (FWHM); (b) Wykres punktowy odpowiadający mocy szczytowej i czasowi trwania impulsu

Ponadto w badaniu po raz pierwszy zaobserwowano zjawisko superemisji podobnej do solitonu w paśmie rentgenowskim, które pojawia się jako ciągłe skracanie impulsu podczas wzmacniania. Jest ono spowodowane silną interakcją między elektronami i promieniowaniem, przy czym energia jest szybko przenoszona z elektronu do czoła impulsu rentgenowskiego i z powrotem do elektronu z ogona impulsu. Dzięki dogłębnemu badaniu tego zjawiska oczekuje się, że impulsy rentgenowskie o krótszym czasie trwania i wyższej mocy szczytowej można będzie dalej realizować poprzez wydłużenie procesu wzmacniania superradiacji i wykorzystanie skracania impulsu w trybie solitonowym.