Pulzný röntgenový laser triedy TW atosekundový

Pulzný röntgenový laser triedy TW atosekundový
Atosekundový röntgenpulzný lasers vysokým výkonom a krátkym trvaním impulzu sú kľúčom k dosiahnutiu ultrarýchlej nelineárnej spektroskopie a zobrazovania röntgenovou difrakciou. Výskumný tím v Spojených štátoch použil kaskádu dvojstupňovýchRöntgenové lasery s voľnými elektrónmina výstup diskrétnych atosekundových impulzov. V porovnaní s existujúcimi správami je priemerný špičkový výkon impulzov rádovo zvýšený, maximálny špičkový výkon je 1,1 TW a stredná energia je viac ako 100 μJ. Štúdia tiež poskytuje silné dôkazy o správaní superžiarenia podobnom solitónom v röntgenovom poli.Vysokoenergetické laserypodnietili mnoho nových oblastí výskumu vrátane fyziky vysokých polí, attosekundovej spektroskopie a laserových urýchľovačov častíc. Spomedzi všetkých druhov laserov sa röntgenové lúče široko používajú v lekárskej diagnostike, priemyselnej detekcii defektov, bezpečnostných kontrolách a vedeckom výskume. Röntgenový laser na voľných elektrónoch (XFEL) dokáže zvýšiť špičkový výkon röntgenového žiarenia o niekoľko rádov v porovnaní s inými technológiami generovania röntgenového žiarenia, čím rozširuje použitie röntgenového žiarenia na oblasť nelineárnej spektroskopie a zobrazovania difrakcie jednotlivých častíc, kde je potrebný vysoký výkon. Nedávno úspešný attosekundový XFEL je významným úspechom v atosekundovej vede a technike, ktorý zvyšuje dostupný špičkový výkon o viac ako šesť rádov v porovnaní so stolovými zdrojmi röntgenového žiarenia.

Lasery s voľnými elektrónmije možné získať energie impulzov o mnoho rádov vyššie ako je úroveň spontánnej emisie pomocou kolektívnej nestability, ktorá je spôsobená kontinuálnou interakciou radiačného poľa v relativistickom elektrónovom lúči a magnetického oscilátora. V rozsahu tvrdého röntgenového žiarenia (vlnová dĺžka približne 0,01 nm až 0,1 nm) sa FEL dosahuje technikami kompresie zväzkov a post-saturácie. V rozsahu mäkkého röntgenového žiarenia (vlnová dĺžka približne 0,1 nm až 10 nm) sa FEL implementuje technológiou kaskádového čerstvého rezu. Nedávno bolo hlásené, že atosekundové impulzy so špičkovým výkonom 100 GW boli generované pomocou metódy zosilnenej samozosilnenej spontánnej emisie (ESASE).

Výskumný tím použil dvojstupňový zosilňovací systém založený na XFEL na zosilnenie mäkkého röntgenového atosekundového impulzu výstupu z koherentného lineárneho urýchľovača.zdroj svetlana úroveň TW, čo je rádové zlepšenie oproti hláseným výsledkom. Experimentálne usporiadanie je znázornené na obrázku 1. Na základe metódy ESASE je fotokatódový emitor modulovaný tak, aby sa získal elektrónový lúč s vysokou prúdovou špičkou, a používa sa na generovanie atosekundových röntgenových impulzov. Počiatočný impulz sa nachádza na prednom okraji špičky elektrónového lúča, ako je znázornené v ľavom hornom rohu obrázku 1. Keď XFEL dosiahne saturáciu, elektrónový lúč sa oneskorí vzhľadom na röntgenové žiarenie magnetickým kompresorom a potom impulz interaguje s elektrónovým lúčom (čerstvý rez), ktorý nie je modifikovaný moduláciou ESASE alebo FEL laserom. Nakoniec sa na ďalšie zosilnenie röntgenového žiarenia prostredníctvom interakcie atosekundových impulzov s čerstvým rezom použije druhý magnetický undulátor.

OBR. 1 Schéma experimentálneho zariadenia; Obrázok zobrazuje pozdĺžny fázový priestor (časovo-energetický diagram elektrónu, zelený), prúdový profil (modrý) a žiarenie produkované zosilnením prvého rádu (fialová). XTCAV, transverzálna dutina v pásme X; cVMI, koaxiálny systém rýchleho mapovania; FZP, Fresnelov pásmový doskový spektrometer

Všetky atosekundové impulzy sú zostavené zo šumu, takže každý impulz má odlišné spektrálne a časové vlastnosti, ktoré výskumníci podrobnejšie preskúmali. Pokiaľ ide o spektrá, použili Fresnelov pásmový spektrometer na meranie spektier jednotlivých impulzov pri rôznych ekvivalentných dĺžkach undulátora a zistili, že tieto spektrá si zachovali hladké priebehy aj po sekundárnom zosilnení, čo naznačuje, že impulzy zostali unimodálne. V časovej doméne sa meria uhlový prúžok a charakterizuje sa priebeh impulzu v časovej doméne. Ako je znázornené na obrázku 1, röntgenový impulz sa prekrýva s kruhovo polarizovaným infračerveným laserovým impulzom. Fotoelektróny ionizované röntgenovým impulzom budú vytvárať pruhy v smere opačnom k ​​vektorovému potenciálu infračerveného lasera. Pretože elektrické pole laseru sa s časom otáča, rozloženie hybnosti fotoelektrónu je určené časom emisie elektrónu a je stanovený vzťah medzi uhlovým módom času emisie a rozložením hybnosti fotoelektrónu. Rozloženie hybnosti fotoelektrónu sa meria pomocou koaxiálneho rýchleho mapovacieho zobrazovacieho spektrometra. Na základe výsledkov rozloženia a spektrálnych hodnôt je možné rekonštruovať priebeh časovej domény atosekundových impulzov. Obrázok 2 (a) znázorňuje rozloženie trvania impulzu s mediánom 440 as. Nakoniec sa na meranie energie impulzu použil detektor monitorovania plynu a vypočítal sa bodový graf medzi špičkovým výkonom impulzu a trvaním impulzu, ako je znázornené na obrázku 2 (b). Tri konfigurácie zodpovedajú rôznym podmienkam zaostrovania elektrónového lúča, podmienkam vlnového kužeľa a podmienkam oneskorenia magnetického kompresora. Tri konfigurácie priniesli priemerné energie impulzov 150, 200 a 260 µJ s maximálnym špičkovým výkonom 1,1 TW.

Obrázok 2. (a) Histogram rozloženia trvania impulzu s polovičnou výškou a plnou šírkou (FWHM); (b) Bodový graf zodpovedajúci špičkovému výkonu a trvaniu impulzu

Okrem toho štúdia po prvýkrát pozorovala jav solitónovej superemisie v röntgenovom pásme, ktorý sa prejavuje ako kontinuálne skracovanie impulzu počas zosilnenia. Je spôsobený silnou interakciou medzi elektrónmi a žiarením, pričom energia sa rýchlo prenáša z elektrónu na koniec röntgenového impulzu a späť na elektrón z konca impulzu. Prostredníctvom hĺbkového štúdia tohto javu sa očakáva, že röntgenové impulzy s kratším trvaním a vyšším špičkovým výkonom sa dajú ďalej realizovať predĺžením procesu zosilnenia superžiarením a využitím skracovania impulzu v solitónovom režime.