Attosekundni rendgenski pulsni laser klase TW

Attosekundni rendgenski pulsni laser klase TW
Attosekundni rendgenski snimakpulsni lasers velikom snagom i kratkim trajanjem impulsa ključ su za postizanje ultrabrze nelinearne spektroskopije i snimanja rendgenske difrakcije. Istraživački tim u Sjedinjenim Državama koristio je kaskadu od dva stupnjaLaseri bez rendgenskih zrakaza izlaz diskretnih atosekundnih impulsa. U usporedbi s postojećim izvješćima, prosječna vršna snaga impulsa povećana je za red veličine, maksimalna vršna snaga je 1,1 TW, a srednja energija veća je od 100 μJ. Studija također pruža snažne dokaze o ponašanju superzračenja sličnom 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, X-zrake se široko koriste u medicinskoj dijagnostici, industrijskom otkrivanju nedostataka, sigurnosnoj inspekciji i znanstvenim istraživanjima. Rendgenski laser sa slobodnim elektronima (XFEL) može povećati vršnu snagu rendgenskih zraka za nekoliko redova veličine u usporedbi s drugim tehnologijama generiranja rendgenskih zraka, proširujući tako primjenu rendgenskih zraka na područje nelinearne spektroskopije i jednostruke spektroskopije. prikaz difrakcije čestica gdje je potrebna velika snaga. Nedavni uspješni attosekundni XFEL veliko je postignuće u atosekundnoj znanosti i tehnologiji, povećavajući dostupnu vršnu snagu za više od šest redova veličine u usporedbi sa stacionarnim izvorima X-zraka.

Laseri slobodnih elektronamogu dobiti impulsne energije mnogo redova veličine veće od razine spontane emisije korištenjem kolektivne nestabilnosti, koja je uzrokovana kontinuiranom interakcijom polja zračenja u relativističkom elektronskom snopu i magnetskom oscilatoru. U području tvrdog rendgenskog zračenja (oko 0,01 nm do 0,1 nm valne duljine), FEL se postiže kompresijom snopa i tehnikama konusiranja nakon zasićenja. U mekom rasponu rendgenskih zraka (oko 0,1 nm do 10 nm valne duljine), FEL se provodi kaskadnom tehnologijom svježeg rezanja. Nedavno je objavljeno da se atosekundni impulsi s vršnom snagom od 100 GW generiraju pomoću metode poboljšane spontane emisije koja se samo pojačava (ESASE).

Istraživački tim upotrijebio je dvostupanjski sustav pojačanja temeljen na XFEL-u kako bi pojačao izlaz mekog rendgenskog atosekundnog impulsa iz koherentnog linakaizvor svjetlostina razinu TW, poboljšanje reda veličine u odnosu na objavljene rezultate. Eksperimentalna postavka prikazana je na slici 1. Na temelju metode ESASE, emiter fotokatode je moduliran kako bi se dobio elektronski snop s velikim udarom struje i koristi se za generiranje atosekundnih impulsa X-zraka. Početni puls nalazi se na prednjem rubu šiljka elektronske zrake, kao što je prikazano u gornjem lijevom kutu slike 1. Kada XFEL dosegne zasićenje, elektronska zraka je odgođena u odnosu na X-zrake pomoću magnetskog kompresora, a zatim puls stupa u interakciju s elektronskim snopom (svježi rez) koji nije modificiran ESASE modulacijom ili FEL laserom. Konačno, koristi se drugi magnetski ondulator za daljnje pojačavanje X-zraka kroz interakciju atosekundnih impulsa sa svježim rezom.

SLIKA 1 Dijagram eksperimentalnog uređaja; Ilustracija prikazuje longitudinalni fazni prostor (dijagram vrijeme-energija elektrona, zeleno), profil struje (plavo) i zračenje proizvedeno pojačanjem prvog reda (ljubičasto). XTCAV, X-band transverzalna šupljina; cVMI, koaksijalni sustav za brzo mapiranje slika; FZP, Fresnelov tračni pločasti spektrometar

Svi attosekundni impulsi izgrađeni su od šuma, tako da svaki puls ima različita spektralna svojstva i svojstva vremenske domene, što su istraživači detaljnije istražili. Što se tiče spektra, upotrijebili su spektrometar s Fresnelovom trakom za mjerenje spektra pojedinačnih impulsa na različitim ekvivalentnim duljinama ondulatora i otkrili da su ti spektri zadržali glatke valne oblike čak i nakon sekundarnog pojačanja, što ukazuje da su impulsi ostali unimodalni. U vremenskoj domeni mjeri se kutni rub i karakterizira valni oblik pulsa u vremenskoj domeni. Kao što je prikazano na slici 1, puls X-zraka se preklapa s cirkularno polariziranim infracrvenim laserskim pulsom. Fotoelektroni ionizirani pulsom X-zraka proizvest će pruge u smjeru suprotnom od vektorskog potencijala infracrvenog lasera. Budući da se električno polje lasera rotira s vremenom, raspodjela količine gibanja fotoelektrona određena je vremenom emisije elektrona, te je uspostavljen odnos između kutnog načina vremena emisije i raspodjele količine gibanja fotoelektrona. Raspodjela fotoelektronskog momenta mjeri se pomoću koaksijalnog spektrometra za brzo preslikavanje slike. Na temelju distribucije i spektralnih rezultata može se rekonstruirati valni oblik attosekundnih impulsa u vremenskoj domeni. Slika 2 (a) prikazuje distribuciju trajanja pulsa, s medijanom od 440 as. Konačno, detektor za praćenje plina korišten je za mjerenje energije pulsa, a izračunat je dijagram raspršenja između vršne snage impulsa i trajanja impulsa kao što je prikazano na slici 2 (b). Tri konfiguracije odgovaraju različitim uvjetima fokusiranja elektronske zrake, uvjetima valovitog stošca i uvjetima kašnjenja magnetskog kompresora. Tri konfiguracije dale su prosječne energije impulsa od 150, 200 i 260 µJ, redom, s maksimalnom vršnom snagom od 1,1 TW.

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

Osim toga, studija je također prvi put uočila fenomen solitonske superemisije u rendgenskom pojasu, koji se pojavljuje kao kontinuirano skraćenje pulsa tijekom pojačanja. Uzrokovana je jakom interakcijom između elektrona i zračenja, pri čemu se energija brzo prenosi od elektrona do glave pulsa X-zraka i natrag do elektrona iz repa pulsa. Kroz dubinsko proučavanje ovog fenomena, očekuje se da se rendgenski impulsi s kraćim trajanjem i većom vršnom snagom mogu dalje realizirati proširenjem procesa pojačanja superzračenja i iskorištavanjem prednosti skraćivanja impulsa u solitonskom načinu rada.