Attosekundový röntgenový pulzný laser triedy TW

Attosekundový röntgenový pulzný laser triedy TW
Attosekundový röntgenpulzný lasers vysokým výkonom a krátkym trvaním pulzu sú kľúčom k dosiahnutiu ultrarýchlej nelineárnej spektroskopie a röntgenového difrakčného zobrazovania. Výskumný tím v Spojených štátoch použil kaskádu dvoch stupňovRöntgenové lasery s voľnými elektrónmina výstup diskrétnych attosekundových impulzov. V porovnaní s existujúcimi správami sa priemerný špičkový výkon impulzov rádovo zvýšil, maximálny špičkový výkon je 1,1 TW a stredná energia je viac ako 100 μJ. Štúdia tiež poskytuje silný dôkaz o správaní sa superradiačného správania podobnému solitónu v röntgenovom poli.Vysokoenergetické laseryviedli k mnohým novým oblastiam výskumu, vrátane fyziky vysokých polí, attosekundovej spektroskopie a laserových urýchľovačov častíc. Medzi všetkými druhmi laserov sú röntgenové lúče široko používané v lekárskej diagnostike, detekcii priemyselných chýb, kontrole bezpečnosti a vedeckom výskume. Röntgenový laser s voľnými elektrónmi (XFEL) môže zvýšiť špičkový výkon röntgenového žiarenia o niekoľko rádov v porovnaní s inými technológiami generovania röntgenových lúčov, čím sa rozširuje aplikácia röntgenového žiarenia do oblasti nelineárnej spektroskopie a jedno- časticové difrakčné zobrazovanie tam, kde je potrebný vysoký výkon. Nedávna úspešná attosekundová XFEL je veľkým úspechom v attosekundovej vede a technológii, ktorá zvyšuje dostupný špičkový výkon o viac ako šesť rádov v porovnaní so stolnými röntgenovými zdrojmi.

Voľné elektrónové laserydokáže pomocou kolektívnej nestability, ktorá je spôsobená kontinuálnou interakciou poľa žiarenia v relativistickom elektrónovom lúči a magnetickým oscilátorom, získať energie impulzov o mnoho rádov vyššie ako je úroveň spontánnej emisie. V oblasti tvrdého röntgenového žiarenia (vlnová dĺžka približne 0,01 nm až 0,1 nm) sa FEL dosahuje pomocou kompresie zväzkov a post-saturačných kužeľových techník. V oblasti mäkkého röntgenového žiarenia (vlnová dĺžka približne 0,1 nm až 10 nm) je FEL implementovaný technológiou kaskádových čerstvých plátkov. Nedávno bolo hlásené, že attosekundové impulzy so špičkovým výkonom 100 GW sa generujú pomocou metódy vylepšenej samozosilňovanej spontánnej emisie (ESASE).

Výskumný tím použil dvojstupňový zosilňovací systém založený na XFEL na zosilnenie mäkkého röntgenového attosekundového impulzného výstupu z linac koherentnéhosvetelný zdrojna úroveň TW, rádovo zlepšenie oproti oznámeným výsledkom. Experimentálne usporiadanie je znázornené na obrázku 1. Na základe metódy ESASE je fotokatódový žiarič modulovaný tak, aby získal elektrónový lúč s vysokým prúdovým hrotom, a používa sa na generovanie attosekundových röntgenových impulzov. Počiatočný impulz sa nachádza na prednom okraji hrotu elektrónového lúča, ako je znázornené v ľavom hornom rohu obrázku 1. Keď XFEL dosiahne saturáciu, elektrónový lúč sa oneskorí v porovnaní s röntgenovým lúčom magnetickým kompresorom, a potom impulz interaguje s elektrónovým lúčom (čerstvým plátkom), ktorý nie je modifikovaný moduláciou ESASE alebo laserom FEL. Nakoniec sa použije druhý magnetický undulátor na ďalšie zosilnenie röntgenových lúčov prostredníctvom interakcie attosekundových impulzov s čerstvým rezom.

Obr. 1 Schéma experimentálneho zariadenia; Obrázok ukazuje pozdĺžny fázový priestor (časovo-energetický diagram elektrónu, zelený), profil prúdu (modrý) a žiarenie produkované zosilnením prvého rádu (fialové). XTCAV, X-band priečna dutina; cVMI, koaxiálny rýchly mapovací zobrazovací systém; FZP, Fresnelov pásový doskový spektrometer

Všetky attosekundové impulzy sú postavené zo šumu, takže každý impulz má iné spektrálne vlastnosti a vlastnosti v časovej oblasti, ktoré vedci skúmali podrobnejšie. Pokiaľ ide o spektrá, použili Fresnelov pásový doskový spektrometer na meranie spektier jednotlivých impulzov pri rôznych ekvivalentných dĺžkach zvlnenia a zistili, že tieto spektrá si zachovali hladké priebehy aj po sekundárnom zosilnení, čo naznačuje, že impulzy zostali unimodálne. V časovej oblasti sa meria uhlový okraj a charakterizuje sa priebeh impulzu v časovej oblasti. Ako je znázornené na obrázku 1, röntgenový impulz sa prekrýva s kruhovo polarizovaným infračerveným laserovým impulzom. Fotoelektróny ionizované röntgenovým impulzom vytvoria pruhy v smere opačnom k ​​vektorovému potenciálu infračerveného lasera. Pretože elektrické pole lasera rotuje s časom, rozloženie hybnosti fotoelektrónu je určené časom emisie elektrónu a je stanovený vzťah medzi uhlovým režimom času emisie a rozdelením hybnosti fotoelektrónu. Distribúcia hybnosti fotoelektrónov sa meria pomocou koaxiálneho rýchleho mapovacieho zobrazovacieho spektrometra. Na základe distribúcie a spektrálnych výsledkov je možné rekonštruovať priebeh attosekundových impulzov v časovej oblasti. Obrázok 2 (a) zobrazuje rozdelenie trvania impulzu s mediánom 440 as. Nakoniec sa na meranie energie impulzu použil detektor monitorovania plynu a vypočítal sa rozptyl medzi maximálnym výkonom impulzu a trvaním impulzu, ako je znázornené na obrázku 2 (b). Tieto tri konfigurácie zodpovedajú rôznym podmienkam zaostrovania elektrónového lúča, podmienkam vlnového kužeľa a podmienkam oneskorenia magnetického kompresora. Tieto tri konfigurácie poskytli priemerné pulzné energie 150, 200 a 260 µJ, s maximálnym špičkovým výkonom 1,1 TW.

Obrázok 2. (a) Histogram distribúcie trvania pulzu v polovičnej výške (FWHM); b) Bodový graf zodpovedajúci špičkovému výkonu a trvaniu impulzu

Štúdia navyše prvýkrát pozorovala fenomén solitónovej superemisie v röntgenovom pásme, ktorá sa javí ako kontinuálne skracovanie pulzu počas zosilnenia. 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 konca impulzu. Prostredníctvom hĺbkového štúdia tohto javu sa očakáva, že röntgenové impulzy s kratším trvaním a vyšším špičkovým výkonom možno ďalej realizovať rozšírením procesu zosilňovania superžiarenia a využitím výhod skrátenia impulzov v režime podobnom solitónu.