Attosekundni rendgenski pulsni laser TW klase

Attosekundni rendgenski pulsni laser TW klase
Attosekundni rendgenski snimakpulsni lasersa velikom snagom i kratkim trajanjem impulsa su ključ za postizanje ultrabrze nelinearne spektroskopije i rendgenske difrakcije. Istraživački tim u Sjedinjenim Državama koristio je kaskadu dvostepenihLaseri bez rendgenskih elektronaza izlaz diskretnih attosekundnih impulsa. U poređenju sa postojećim izveštajima, prosečna 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 snažne dokaze za ponašanje superradijacije nalik solitonu u polju rendgenskih zraka.Laseri visoke energijepokrenuli 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 grešaka, inspekciji sigurnosti i naučnim istraživanjima. Rendgenski laser sa slobodnim elektronima (XFEL) može povećati vršnu snagu X zraka za nekoliko redova veličine u poređenju s drugim tehnologijama za generiranje rendgenskih zraka, čime se proširuje primjena rendgenskih zraka na polje nelinearne spektroskopije i jednostruke spektroskopije. snimanje difrakcijom čestica gdje je potrebna velika snaga. Nedavni uspješni attosekundni XFEL je veliko dostignuće u atosekundnoj nauci i tehnologiji, povećavajući dostupnu vršnu snagu za više od šest redova veličine u poređenju sa stonim izvorima rendgenskih zraka.

Laseri slobodnih elektronamože dobiti impulsne energije mnogo redova veličine veće od nivoa spontane emisije koristeći kolektivnu nestabilnost, koja je uzrokovana kontinuiranom interakcijom polja zračenja u relativističkom snopu elektrona i magnetnog oscilatora. U opsegu tvrdog rendgenskog zraka (oko 0,01 nm do 0,1 nm talasne dužine), FEL se postiže kompresijom snopa i tehnikama konusnog konus nakon zasićenja. U mekom rendgenskom opsegu (oko 0,1 nm do 10 nm talasne dužine), FEL se implementira kaskadnom tehnologijom svežeg preseka. Nedavno je objavljeno da se atosekundni impulsi s vršnom snagom od 100 GW generiraju korištenjem metode poboljšane samopojačane spontane emisije (ESASE).

Istraživački tim je koristio dvostepeni sistem za pojačavanje baziran na XFEL-u za pojačavanje mekog rendgenskog attosekundnog impulsnog izlaza iz linearnog koherentnogizvor svjetlostina nivo TW, poboljšanje reda veličine u odnosu na prijavljene 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 generiranje attosekundnih rendgenskih impulsa. Početni impuls se nalazi na prednjoj ivici šiljka elektronskog snopa, kao što je prikazano u gornjem levom uglu slike 1. Kada XFEL dostigne zasićenje, elektronski snop se odlaže u odnosu na rendgenski snop pomoću magnetnog kompresora, a zatim impuls stupa u interakciju sa elektronskim snopom (svježim rezom) koji nije modificiran ESASE modulacijom ili FEL laserom. Konačno, drugi magnetni undulator se koristi za dalje pojačanje X-zraka kroz interakciju attosekundnih impulsa sa svježim rezom.

Fig. 1 Dijagram eksperimentalnog uređaja; Ilustracija prikazuje longitudinalni fazni prostor (vremensko-energetski dijagram elektrona, zeleno), profil struje (plavo) i zračenje proizvedeno pojačanjem prvog reda (ljubičasto). XTCAV, X-band poprečna šupljina; cVMI, koaksijalni sistem brzog mapiranja; FZP, Fresnel trakasti spektrometar

Svi attosekundni impulsi su izgrađeni od šuma, tako da svaki impuls ima različita spektralna svojstva i svojstva vremenske domene, što su istraživači detaljnije istražili. Što se tiče spektra, oni su koristili Fresnel trakasti pločasti spektrometar za mjerenje spektra pojedinačnih impulsa na različitim ekvivalentnim dužinama ondulatora i otkrili da ovi spektri održavaju glatke valne oblike čak i nakon sekundarnog pojačanja, što ukazuje da su impulsi ostali unimodalni. U vremenskom domenu, meri se ugaona ivica i karakteriše talasni oblik impulsa u vremenskom domenu. Kao što je prikazano na slici 1, rendgenski puls se preklapa sa kružno polarizovanim infracrvenim laserskim impulsom. Fotoelektroni ionizirani rendgenskim impulsom će proizvesti pruge u smjeru suprotnom od vektorskog potencijala infracrvenog lasera. Budući da se električno polje lasera rotira s vremenom, distribucija momenta fotoelektrona određena je vremenom emisije elektrona, a uspostavljena je i veza između kutnog moda vremena emisije i distribucije momenta fotoelektrona. Distribucija impulsa fotoelektrona se mjeri pomoću koaksijalnog spektrometra za brzo mapiranje. Na osnovu distribucije i spektralnih rezultata, talasni oblik attosekundnih impulsa u vremenskom domenu može se rekonstruisati. Slika 2 (a) prikazuje distribuciju trajanja impulsa, sa medijanom od 440 as. Konačno, detektor za praćenje gasa je korišten za mjerenje energije impulsa i 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 talasnog konusa i uslovima kašnjenja magnetnog kompresora. Tri konfiguracije su dale prosječnu energiju impulsa od 150, 200 i 260 µJ, respektivno, sa maksimalnom vršnom snagom od 1,1 TW.

Slika 2. (a) Histogram distribucije trajanja impulsa na pola visine pune širine (FWHM); (b) Dijagram rasipanja koji odgovara vršnoj snazi ​​i trajanju impulsa

Osim toga, studija je također po prvi put uočila fenomen superemisije nalik solitonu u rendgenskom pojasu, koji se pojavljuje kao kontinuirano skraćenje impulsa tokom pojačanja. To je uzrokovano jakom interakcijom između elektrona i zračenja, pri čemu se energija brzo prenosi od elektrona do glave rendgenskog impulsa i nazad do elektrona iz repa impulsa. Kroz dubinsko proučavanje ovog fenomena, očekuje se da se rendgenski impulsi kraćeg trajanja i veće vršne snage mogu dalje realizovati proširenjem procesa pojačanja superradijacije i korištenjem prednosti skraćenja impulsa u solitonskom režimu.