TW atosekundni pulsni rendgenski laser

TW atosekundni pulsni rendgenski laser
Atosekundna rendgenska snimkapulsni lasers velikom snagom i kratkim trajanjem impulsa ključni su za postizanje ultrabrze nelinearne spektroskopije i rendgenske difrakcijske slike. Istraživački tim u Sjedinjenim Državama koristio je kaskadu dvostupanjskihX-zrake laseri sa slobodnim elektronimaza 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 medijan energije je veći od 100 μJ. Studija također pruža snažne dokaze za ponašanje superzračenja slično solitonima u rendgenskom polju.Visokoenergetski laseripotaknuli su mnoga nova područja istraživanja, uključujući fiziku visokog polja, atosekundnu spektroskopiju i laserske akceleratore čestica. Među svim vrstama lasera, rendgenske zrake se široko koriste u medicinskoj dijagnostici, industrijskoj detekciji nedostataka, sigurnosnim inspekcijama i znanstvenim istraživanjima. Rendgenski laser sa slobodnim elektronima (XFEL) može povećati vršnu snagu rendgenskog zračenja za nekoliko redova veličine u usporedbi s drugim tehnologijama generiranja rendgenskog zračenja, proširujući tako primjenu rendgenskih zraka na područje nelinearne spektroskopije i snimanja difrakcije pojedinačnih čestica gdje je potrebna velika snaga. Nedavni uspješni atosekundni XFEL veliko je postignuće u atosekundnoj znanosti i tehnologiji, povećavajući dostupnu vršnu snagu za više od šest redova veličine u usporedbi s stolnim izvorima rendgenskog zračenja.

Laseri sa slobodnim elektronimamogu se dobiti energije impulsa mnogo redova veličine veće od razine spontane emisije korištenjem kolektivne nestabilnosti, koja je uzrokovana kontinuiranom interakcijom polja zračenja u relativističkom elektronskom snopu i magnetskog oscilatora. U području tvrdog rendgenskog zračenja (valna duljina od oko 0,01 nm do 0,1 nm), FEL se postiže tehnikama kompresije snopa i post-zasićenog konusa. U području mekog rendgenskog zračenja (valna duljina od oko 0,1 nm do 10 nm), FEL se implementira kaskadnom tehnologijom svježeg presjeka. Nedavno je objavljeno da su atosekundni impulsi s vršnom snagom od 100 GW generirani korištenjem metode poboljšane samopojačane spontane emisije (ESASE).

Istraživački tim koristio je dvostupanjski sustav pojačanja temeljen na XFEL-u za pojačavanje mekog rendgenskog atosekundnog impulsa koji izlazi iz koherentnog linearnog ubrzanja.izvor svjetlostido TW razine, što je poboljšanje za red veličine u odnosu na objavljene rezultate. Eksperimentalni postav prikazan je na slici 1. Na temelju ESASE metode, fotokatodni emiter se modulira kako bi se dobio elektronski snop s visokim strujnim šiljkom i koristi se za generiranje atosekundnih rendgenskih impulsa. Početni impuls se nalazi na prednjem rubu šiljka elektronskog snopa, kao što je prikazano u gornjem lijevom kutu slike 1. Kada XFEL dosegne zasićenje, elektronski snop se odgađa u odnosu na rendgensko zračenje magnetskim kompresorom, a zatim impuls interagira s elektronskim snopom (svježi sloj) koji nije modificiran ESASE modulacijom ili FEL laserom. Konačno, drugi magnetski undulator se koristi za daljnje pojačavanje rendgenskih zraka interakcijom atosekundnih impulsa sa svježim slojem.

SL. 1 Dijagram eksperimentalnog uređaja; Ilustracija prikazuje longitudinalni fazni prostor (dijagram vremena i energije elektrona, zeleno), profil struje (plavo) i zračenje proizvedeno pojačanjem prvog reda (ljubičasto). XTCAV, transverzalna šupljina X-pojasa; cVMI, koaksijalni sustav za brzo mapiranje slike; FZP, Fresnelov spektrometar s pločama

Svi atosekundni impulsi izgrađeni su od šuma, tako da svaki impuls ima različita spektralna i vremenska svojstva, koja su istraživači detaljnije istražili. Što se tiče spektara, koristili su Fresnelov spektrometar s pločama za mjerenje spektara pojedinačnih impulsa pri različitim ekvivalentnim duljinama undulatora i otkrili da su ti spektri zadržali glatke valne oblike čak i nakon sekundarnog pojačanja, što ukazuje na to da su impulsi ostali unimodalni. U vremenskoj domeni mjeri se kutni rub i karakterizira se valni oblik impulsa u vremenskoj domeni. Kao što je prikazano na slici 1, impuls X-zrake preklapa se s kružno polariziranim impulsom infracrvenog lasera. Fotoelektroni ionizirani impulsom X-zrake stvorit će pruge u smjeru suprotnom od vektorskog potencijala infracrvenog lasera. Budući da se električno polje lasera rotira s vremenom, raspodjela momenta fotoelektrona određena je vremenom emisije elektrona, a uspostavlja se odnos između kutnog moda vremena emisije i raspodjele momenta fotoelektrona. Raspodjela momenta fotoelektrona mjeri se pomoću koaksijalnog spektrometra za brzo mapiranje slika. Na temelju distribucije i spektralnih rezultata, može se rekonstruirati valni oblik atosekundnih impulsa u vremenskoj domeni. Slika 2 (a) prikazuje distribuciju trajanja impulsa, s medijanom od 440 as. Konačno, detektor za praćenje plina korišten je za mjerenje energije impulsa, 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 elektronskog snopa, uvjetima formiranja konusa i uvjetima kašnjenja magnetskog kompresora. Tri konfiguracije dale su prosječne energije impulsa od 150, 200 i 260 µJ, s maksimalnom vršnom snagom od 1,1 TW.

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

Osim toga, studija je prvi put uočila fenomen superemisije slične solitonima u rendgenskom pojasu, koji se pojavljuje kao kontinuirano skraćivanje impulsa tijekom pojačanja. Uzrokuje ga jaka interakcija između elektrona i zračenja, pri čemu se energija brzo prenosi s elektrona na čelo rendgenskog impulsa i natrag na elektron s repa impulsa. Dubinskim proučavanjem ovog fenomena očekuje se da se rendgenski impulsi kraćeg trajanja i veće vršne snage mogu dodatno ostvariti produljenjem procesa pojačanja superzračenjem i iskorištavanjem skraćivanja impulsa u solitonskom načinu rada.