Atosekundni rentgenski impulzni laser razreda TW

Atosekundni rentgenski impulzni laser razreda TW
Atosekundni rentgenski žarekpulzni laserz veliko močjo in kratkim trajanjem impulza so ključ do doseganja ultrahitre nelinearne spektroskopije in slikanja z rentgensko difrakcijo. Raziskovalna ekipa v Združenih državah Amerike je uporabila kaskado dvostopenjskihRentgenski laserji na prostih elektronihza oddajanje diskretnih atosekundnih impulzov. V primerjavi z obstoječimi poročili je povprečna vršna moč impulzov povečana za velikostni red, največja vršna moč je 1,1 TW, mediana energije pa je več kot 100 μJ. Študija zagotavlja tudi močne dokaze za solitonsko podobno supersevanje v rentgenskem polju.Visokoenergijski laserjiso spodbudile številna nova področja raziskav, vključno s fiziko visokih polj, atosekundno spektroskopijo in laserskimi pospeševalniki delcev. Med vsemi vrstami laserjev se rentgenski žarki pogosto uporabljajo v medicinski diagnostiki, industrijskem odkrivanju napak, varnostnih pregledih in znanstvenih raziskavah. Rentgenski laser na prostih elektronih (XFEL) lahko poveča največjo moč rentgenskih žarkov za več velikostnih razredov v primerjavi z drugimi tehnologijami za generiranje rentgenskih žarkov, s čimer razširi uporabo rentgenskih žarkov na področje nelinearne spektroskopije in slikanja z uklonom posameznih delcev, kjer je potrebna velika moč. Nedavni uspešni atosekundni XFEL je pomemben dosežek v atosekundni znanosti in tehnologiji, saj je razpoložljivo največjo moč povečal za več kot šest velikostnih razredov v primerjavi z namiznimi rentgenskimi viri.

Laserji s prostimi elektroniZ uporabo kolektivne nestabilnosti, ki jo povzroča neprekinjena interakcija sevalnega polja v relativističnem elektronskem žarku in magnetnem oscilatorju, je mogoče doseči energije impulzov, ki so za veliko velikostnih razredov višje od ravni spontane emisije. V območju trdega rentgenskega žarka (valovna dolžina od približno 0,01 nm do 0,1 nm) se FEL doseže s tehnikami kompresije snopov in post-saturacijskega stožca. V območju mehkega rentgenskega žarka (valovna dolžina od približno 0,1 nm do 10 nm) se FEL izvaja s tehnologijo kaskadnega svežega rezanja. Nedavno so poročali o generiranju atosekundnih impulzov z največjo močjo 100 GW z metodo izboljšane samoojačane spontane emisije (ESASE).

Raziskovalna skupina je uporabila dvostopenjski ojačevalni sistem, ki temelji na XFEL-u, za ojačanje mehkega rentgenskega atosekundnega impulza, ki ga oddaja koherentni linearni usmerjevalnik.vir svetlobena raven TW, kar je za velikostni red izboljšanje v primerjavi s poročanimi rezultati. Eksperimentalna postavitev je prikazana na sliki 1. Na podlagi metode ESASE se fotokatodni emiter modulira, da se dobi elektronski žarek z visoko tokovno konico, in se uporablja za generiranje atosekundnih rentgenskih impulzov. Začetni impulz se nahaja na sprednjem robu konice elektronskega žarka, kot je prikazano v zgornjem levem kotu slike 1. Ko XFEL doseže nasičenost, se elektronski žarek glede na rentgenski žarek zakasni z magnetnim kompresorjem, nato pa impulz interagira z elektronskim žarkom (sveža rezina), ki ga modulacija ESASE ali FEL laser ne spreminjata. Nazadnje se za dodatno ojačanje rentgenskih žarkov z interakcijo atosekundnih impulzov s svežo rezino uporabi drugi magnetni undulator.

SLIKA 1 Diagram eksperimentalne naprave; Ilustracija prikazuje vzdolžni fazni prostor (časovno-energijski diagram elektrona, zelen), profil toka (moder) in sevanje, ki ga povzroči ojačanje prvega reda (vijolično). XTCAV, prečna votlina v X-pasu; cVMI, koaksialni sistem za hitro mapiranje; FZP, Fresnelov spektrometer s ploščo

Vsi atosekundni impulzi so zgrajeni iz šuma, zato ima vsak impulz drugačne spektralne in časovno-domenske lastnosti, ki so jih raziskovalci podrobneje raziskali. Kar zadeva spektre, so uporabili Fresnelov pasovni spektrometer za merjenje spektrov posameznih impulzov pri različnih ekvivalentnih dolžinah undulatorjev in ugotovili, da so ti spektri ohranili gladke valovne oblike tudi po sekundarnem ojačanju, kar kaže na to, da so impulzi ostali unimodalni. V časovni domeni se izmeri kotni trak in karakterizira valovna oblika impulza v časovni domeni. Kot je prikazano na sliki 1, se rentgenski impulz prekriva s krožno polariziranim infrardečim laserskim impulzom. Fotoelektroni, ki jih ionizira rentgenski impulz, bodo ustvarili proge v smeri, nasprotni vektorskemu potencialu infrardečega laserja. Ker se električno polje laserja s časom vrti, je porazdelitev gibalne količine fotoelektrona določena s časom emisije elektronov, vzpostavi pa se tudi razmerje med kotnim načinom časa emisije in porazdelitvijo gibalne količine fotoelektrona. Porazdelitev gibalne količine fotoelektrona se meri s koaksialnim hitrim mapirnim slikovnim spektrometrom. Na podlagi porazdelitve in spektralnih rezultatov je mogoče rekonstruirati valovno obliko atosekundnih impulzov v časovni domeni. Slika 2 (a) prikazuje porazdelitev trajanja impulza z mediano 440 as. Nazadnje je bil za merjenje energije impulza uporabljen detektor za spremljanje plina in izračunan je bil diagram razpršitve med največjo močjo impulza in trajanjem impulza, kot je prikazano na sliki 2 (b). Tri konfiguracije ustrezajo različnim pogojem fokusiranja elektronskega žarka, pogojem valovnega stožca in pogojem zakasnitve magnetnega kompresorja. Tri konfiguracije so dale povprečne energije impulzov 150, 200 oziroma 260 µJ, z največjo največjo močjo 1,1 TW.

Slika 2. (a) Histogram porazdelitve trajanja impulza polovične višine polne širine (FWHM); (b) Diagram razpršitve, ki ustreza vršni moči in trajanju impulza

Poleg tega je študija prvič opazila tudi pojav solitonski podobne superemisije v rentgenskem pasu, ki se kaže kot neprekinjeno krajšanje impulza med ojačitvijo. Povzroča ga močna interakcija med elektroni in sevanjem, pri čemer se energija hitro prenese iz elektrona v glavo rentgenskega impulza in nazaj iz repa impulza nazaj na elektron. S poglobljeno študijo tega pojava se pričakuje, da bo mogoče rentgenske impulze s krajšim trajanjem in višjo vršno močjo dodatno uresničiti z razširitvijo procesa ojačitve s supersevanjem in izkoriščanjem krajšanja impulzov v solitonskem načinu.