TW atosekundni pulsni rendgenski laser
Atosekundni rendgenski snimakpulsni lasers velikom snagom i kratkim trajanjem impulsa ključni su za postizanje ultrabrze nelinearne spektroskopije i rendgenske difrakcijske rendering slike. Istraživački tim u Sjedinjenim Državama koristio je kaskadu dvostepenihRendgenski laseri sa slobodnim elektronimaza proizvodnju diskretnih atosekundnih impulsa. U poređenju sa postojećim izvještajima, prosječna vršna snaga impulsa je povećana za red veličine, maksimalna vršna snaga je 1,1 TW, a srednja energija je veća od 100 μJ. Studija takođe pruža jake dokaze za ponašanje superzračenja slično solitonima u polju X-zraka.Visokoenergetski laseripokrenuli su mnoga nova područja istraživanja, uključujući fiziku visokog polja, atosekundnu spektroskopiju i laserske akceleratore čestica. Među svim vrstama lasera, rendgenski zraci se široko koriste u medicinskoj dijagnostici, industrijskoj detekciji defekata, sigurnosnim inspekcijama i naučnim istraživanjima. Rendgenski laser sa slobodnim elektronima (XFEL) može povećati vršnu snagu rendgenskog zračenja za nekoliko redova veličine u poređenju s drugim tehnologijama generisanja rendgenskog zračenja, proširujući tako primjenu rendgenskog zračenja na područje nelinearne spektroskopije i snimanja difrakcije pojedinačnih čestica gdje je potrebna velika snaga. Nedavno uspješni atosekundni XFEL je veliko dostignuće u atosekundnoj nauci i tehnologiji, povećavajući dostupnu vršnu snagu za više od šest redova veličine u poređenju sa stolnim rendgenskim izvorima.
Laseri sa slobodnim elektronimaMogu se dobiti energije impulsa mnogo redova veličine veće od nivoa spontane emisije korištenjem kolektivne nestabilnosti, koja je uzrokovana kontinuiranom interakcijom polja zračenja u relativističkom elektronskom snopu i magnetskog oscilatora. U opsegu tvrdog rendgenskog zračenja (talasna dužina od oko 0,01 nm do 0,1 nm), FEL se postiže tehnikama kompresije snopa i post-zasićenog konusa. U opsegu mekog rendgenskog zračenja (talasna dužina od oko 0,1 nm do 10 nm), FEL se implementira tehnologijom kaskadnog svježeg sloja. Nedavno je objavljeno da su atosekundni impulsi sa vršnom snagom od 100 GW generisani korištenjem metode poboljšane samopojačane spontane emisije (ESASE).
Istraživački tim je koristio dvostepeni sistem pojačanja zasnovan na XFEL-u kako bi pojačao izlaz mekog rendgenskog zračenja atosekundnog impulsa iz koherentnog linearnog ubrzanja.izvor svjetlostido TW nivoa, što je poboljšanje za red veličine u odnosu na objavljene rezultate. Eksperimentalna postavka je prikazana na Slici 1. Na osnovu ESASE metode, fotokatodni emiter je moduliran kako bi se dobio elektronski snop sa visokim strujnim šiljkom i koristi se za generisanje atosekundnih X-zraka. Početni impuls se nalazi na prednjoj ivici šiljka elektronskog snopa, kao što je prikazano u gornjem lijevom uglu Slike 1. Kada XFEL dostigne zasićenje, elektronski snop se odlaže u odnosu na X-zrake pomoću magnetnog kompresora, a zatim impuls interaguje sa elektronskim snopom (svježi sloj) koji nije modifikovan ESASE modulacijom ili FEL laserom. Konačno, drugi magnetni ondulator se koristi za dalje pojačavanje X-zraka kroz interakciju atosekundnih impulsa sa svježim slojem.
SLIKA 1 Dijagram eksperimentalnog uređaja; Ilustracija prikazuje longitudinalni fazni prostor (dijagram vremena i energije elektrona, zeleno), profil struje (plavo) i zračenje proizvedeno pojačanjem prvog reda (ljubičasto). XTCAV, transverzalna šupljina X-pojasa; cVMI, koaksijalni sistem za brzo mapiranje slike; FZP, Fresnelov spektrometar sa pločama
Svi atosekundni impulsi su izgrađeni od šuma, tako da svaki impuls ima različita spektralna i vremenska svojstva, koja su istraživači detaljnije istražili. Što se tiče spektara, koristili su Fresnelov spektrometar s trakastom pločom za mjerenje spektara pojedinačnih impulsa na različitim ekvivalentnim dužinama undulatora i otkrili da ovi spektri održavaju glatke talasne oblike čak i nakon sekundarnog pojačanja, što ukazuje na to da su impulsi ostali unimodalni. U vremenskom domenu, mjeri se ugaona pruga i karakterizira se talasni oblik impulsa u vremenskom domenu. Kao što je prikazano na Slici 1, impuls X-zraka se preklapa s kružno polariziranim infracrvenim laserskim impulsom. Fotoelektroni ionizirani impulsom X-zraka će proizvesti pruge u smjeru suprotnom od vektorskog potencijala infracrvenog lasera. Budući da se električno polje lasera rotira s vremenom, raspodjela impulsa fotoelektrona određena je vremenom emisije elektrona, a uspostavlja se odnos između ugaonog moda vremena emisije i raspodjele impulsa fotoelektrona. Raspodjela impulsa fotoelektrona mjeri se pomoću koaksijalnog spektrometra za brzo mapiranje. Na osnovu distribucije i spektralnih rezultata, može se rekonstruisati talasni oblik atosekundnih impulsa u vremenskom domenu. Slika 2 (a) prikazuje distribuciju trajanja impulsa, sa medijanom od 440 as. Konačno, detektor za praćenje gasa je korišten za mjerenje energije impulsa, a izračunat je dijagram raspršenja između vršne snage impulsa i trajanja impulsa kao što je prikazano na Slici 2 (b). Tri konfiguracije odgovaraju različitim uslovima fokusiranja elektronskog snopa, uslovima formiranja konusa talasa i uslovima kašnjenja magnetnog kompresora. Tri konfiguracije su dale prosječne energije impulsa od 150, 200 i 260 µJ, respektivno, sa maksimalnom vršnom snagom od 1,1 TW.
Slika 2. (a) Histogram distribucije trajanja impulsa polovične visine pune širine (FWHM); (b) Grafik raspršenja koji odgovara vršnoj snazi i trajanju impulsa
Pored toga, studija je prvi put uočila fenomen superemisije slične solitonima u rendgenskom opsegu, koji se pojavljuje kao kontinuirano skraćivanje impulsa tokom pojačanja. Uzrokuje ga jaka interakcija između elektrona i zračenja, pri čemu se energija brzo prenosi s elektrona na čelo rendgenskog impulsa i nazad na elektron s repa impulsa. Kroz dubinsko proučavanje ovog fenomena očekuje se da se rendgenski impulsi kraćeg trajanja i veće vršne snage mogu dalje realizovati produžavanjem procesa pojačavanja superzračenjem i iskorištavanjem skraćivanja impulsa u solitonskom modu.
Vrijeme objave: 27. maj 2024.