TW trieda AttoseCond Röntgenový impulzný laser

TW trieda AttoseCond Röntgenový impulzný laser
Prítomný röntgenpulzný laserS vysokým výkonom a trvaním krátkych impulzov sú kľúčom na dosiahnutie ultra rýchlej nelineárnej spektroskopie a rôntgenového difrakčného zobrazovania. Výskumný tím v Spojených štátoch použil kaskádu dvojstupňovejRöntgenové elektrónové laseryna výstup diskrétnych attosekundových impulzov. V porovnaní s existujúcimi správami sa priemerný maximálny výkon impulzov zvyšuje o rádovo, maximálny maximálny výkon je 1,1 tw a stredná energia je vyššia ako 100 μJ. Štúdia tiež poskytuje silný dôkaz o správaní superradiácie podobného Solitonu v röntgenovom poli.Vysokoenergetické laserypoháňali mnoho nových oblastí výskumu, vrátane fyziky s vysokým poľom, attosekundovej spektroskopie a urýchľovačov laserových častíc. Spomedzi všetkých druhov laserov sa röntgenové lúče široko používajú pri lekárskej diagnostike, detekcii priemyselných chýb, kontrole bezpečnosti a vedeckého výskumu. Röntgenový laser voľného elektrónu (XFEL) môže zvýšiť špičkový röntgenový výkon o niekoľko rádov v porovnaní s inými technológiami generovania röntgenového žiarenia, čím sa rozšíri aplikácia röntgenových lúčov na pole nelineárnej spektroskopií a jednotlivé difrakčné zobrazovanie, kde je potrebný vysoký výkon. Nedávny úspešný AttoseCond XFEL je hlavným úspechom v oblasti AtoseCond Science and Technology, čím sa v porovnaní so zdrojmi röntgenového žiarenia na benchtop zvyšuje dostupná maximálna sila o viac ako šesť rásov.

Bezplatné elektrónové laserymôže získať pulznú energiu oveľa viac rádov ako spontánna úroveň emisií pomocou kolektívnej nestability, ktorá je spôsobená kontinuálnou interakciou žiarenia v relativistickom elektrónovom lúči a magnetickom oscilátore. V tvrdom röntgenovom rozmedzí (približne 0,01 nm až 0,1 nm vlnovej dĺžky) sa FEL dosahuje technikami kompresie zväzku a po saturácii. V mäkkom röntgenovom rozsahu (približne 0,1 nm do 10 nm vlnová dĺžka) je Fel implementovaný technológiou Cascade Fresh-Slice. Nedávno sa uvádza, že attosekundové impulzy s maximálnym výkonom 100 GW sa generujú pomocou metódy zosilnenej samostatnej spontánnej emisie (ESASA).

Výskumný tím použil dvojstupňový amplifikačný systém založený na XFEL na zosilnenie mäkkého röntgenového pulzusvetelný zdrojNa úroveň TW, poradie veľkosti zlepšenia oproti hláseným výsledkom. Experimentálne nastavenie je znázornené na obrázku 1. Na základe metódy ESASE je emitor fotokatódy modulovaný tak, aby sa získal elektrónový lúč s vysoko prúdovým hrotom a používa sa na generovanie atosekundových röntgenových impulzov. Počiatočný impulz je umiestnený na prednom okraji hrotu elektrónového lúča, ako je to znázornené v ľavom hornom rohu na obrázku 1. Keď XFEL dosiahne saturáciu, elektrónový lúč je oneskorený v porovnaní s röntgenom magnetickým kompresorom a potom impulz interaguje s elektrónovým lúčom (čerstvý plátok), ktorý nie je modifikovaný pomocou ESASE modulácie alebo ľadového laseru. Nakoniec sa na ďalšie zosilnenie röntgenových lúčov pomocou interakcie attosekundových impulzov s čerstvým plátkom používa druhý magnetický zväzok.

Obr. 1 Schéma experimentálneho zariadenia; Ilustrácia ukazuje priestor pozdĺžnej fázy (časovo energetický diagram elektrónu, zelený), prúdový profil (modrá) a žiarenie produkované amplifikáciou prvého poriadku (fialová). XTCAV, X-pásová priečna dutina; CVMI, koaxiálny systém rýchleho mapovania; FZP, Fresnel Band Plate Spectrometer

Všetky attosekundové impulzy sú vyrobené z hluku, takže každý impulz má rôzne spektrálne a časovo doménové vlastnosti, ktoré vedci podrobnejšie skúmali. Pokiaľ ide o spektrá, použili spektrometer Fresnel Band Plate na meranie spektier jednotlivých impulzov pri rôznych ekvivalentných dĺžkach zvlniteľa a zistili, že tieto spektrá udržiavajú hladké priebeh, a to aj po sekundárnej amplifikácii, čo naznačuje, že impulzy zostali unimodálne. V časovej doméne sa meria uhlový okraj a charakterizuje sa priebeh časovej domény pulzu. Ako je znázornené na obrázku 1, rôntgenový impulz sa prekrýva s kruhovo polarizovaným infračerveným laserovým impulzom. Fotoelektróny ionizované rôntgenovým impulzom budú produkovať pruhy v smere oproti vektorovému potenciálu infračerveného lasera. Pretože elektrické pole laseru sa časom otáča, rozdelenie hybnosti fotoelektrónu je určené časom elektrónovej emisie a je vytvorený vzťah medzi uhlovým režimom emisného času a rozdelením hybnosti fotoelektrónu. Distribúcia hybnosti fotoelektrónu sa meria pomocou koaxiálneho spektrometra rýchleho mapovania. Na základe distribučných a spektrálnych výsledkov je možné rekonštruovať priebeh časovej oblasti AttoseCond. Obrázok 2 (a) zobrazuje distribúciu trvania impulzu, s mediánom 440 AS. Nakoniec sa na meranie energie impulzov použil detektor monitorovania plynu a vypočítal sa rozptylový graf medzi pulzovým impulzovým výkonom a trvaním impulzu, ako je znázornené na obrázku 2 (b). Tri konfigurácie zodpovedajú rôznym podmienkam zaostrenia elektrónových lúčov, podmienkam zaostrenia Waver a podmienkami oneskorenia magnetického kompresora. Tri konfigurácie poskytli priemerné pulzné energie 150, 200 a 260 µJ, s maximálnym maximálnym výkonom 1,1 tw.

Obrázok 2. (A) Distribučný histogram trvania impulzov s polovičnou výškou (FWHM); b) Rozptyl graf zodpovedajúci maximálnemu výkonu a trvaniu impulzov

Štúdia okrem toho po prvýkrát pozorovala fenomén supermisie podobného Solitonu v röntgenovom pásme, ktoré sa javí ako kontinuálne skrátenie impulzov počas amplifikácie. Je to spôsobené silnou interakciou medzi elektrónmi a žiarením, pričom energia sa rýchlo prenáša z elektrónu do hlavy röntgenového impulzu a späť do elektrónu z chvosta impulzu. Prostredníctvom hĺbkovej štúdie tohto fenoménu sa očakáva, že röntgenové impulzy s kratšou trvaním a vyšším maximálnym výkonom sa môžu ďalej realizovať rozšírením procesu amplifikácie superradiacie a využitím impulzného skrátenia v režime podobnom Solitonu.