Attosekundni rentgenski impulzni laser razreda TW

Attosekundni rentgenski impulzni laser razreda TW
Attosekundni rentgenpulzni laserz visoko močjo in kratkim trajanjem impulza so ključnega pomena za doseganje ultra hitre nelinearne spektroskopije in slikanja z rentgensko difrakcijo. Raziskovalna skupina v Združenih državah je uporabila dvostopenjsko kaskadoLaserji brez rentgenskih žarkovza oddajanje diskretnih atosekundnih impulzov. V primerjavi z obstoječimi poročili se povprečna konična moč impulzov poveča za red velikosti, največja konična moč je 1,1 TW, srednja energija pa več kot 100 μJ. Študija zagotavlja tudi trdne dokaze za solitonsko podobno supersevanje v polju rentgenskih žarkov.Visokoenergijski laserjiso spodbudili številna nova področja raziskav, vključno s fiziko visokega polja, atosekundno spektroskopijo in laserskimi pospeševalniki delcev. Med vsemi vrstami laserjev se rentgenski žarki pogosto uporabljajo v medicinski diagnostiki, odkrivanju napak v industriji, pregledu varnosti in znanstvenih raziskavah. Rentgenski laser s prostimi elektroni (XFEL) lahko poveča največjo moč rentgenskih žarkov za več velikosti v primerjavi z drugimi tehnologijami za ustvarjanje rentgenskih žarkov in tako razširi uporabo rentgenskih žarkov na področje nelinearne spektroskopije in enojne spektroskopije. slikanje z difrakcijo delcev, kjer je potrebna velika moč. Nedavni uspešni atosekundni XFEL je velik dosežek v atosekundni znanosti in tehnologiji, saj poveča razpoložljivo konično moč za več kot šest velikosti v primerjavi z namiznimi rentgenskimi viri.

Laserji s prostimi elektronilahko z uporabo kolektivne nestabilnosti, ki je posledica neprekinjenega medsebojnega delovanja polja sevanja v relativističnem elektronskem žarku in magnetnega oscilatorja, pridobijo energije impulzov, ki so za veliko velikostnih redov višje od ravni spontane emisije. V območju močnega rentgenskega sevanja (približno 0,01 nm do 0,1 nm valovne dolžine) se FEL doseže s stiskanjem snopa in tehnikami stožčastega ponasičenja. V območju mehkih rentgenskih žarkov (približno 0,1 nm do 10 nm valovne dolžine) se FEL izvaja s kaskadno tehnologijo sveže rezine. Pred kratkim so poročali, da so atosekundni impulzi s konično močjo 100 GW ustvarjeni z metodo izboljšane samoojačane spontane emisije (ESASE).

Raziskovalna skupina je uporabila dvostopenjski ojačevalni sistem, ki temelji na XFEL, da bi ojačal izhod mehkega rentgenskega atosekundnega impulza iz lina koherentnegavir svetlobena raven TW, izboljšanje za red velikosti glede na sporočene rezultate. Eksperimentalna postavitev je prikazana na sliki 1. Na podlagi metode ESASE je fotokatodni oddajnik moduliran za pridobitev elektronskega žarka 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 zakasni glede na rentgenski žarek z magnetnim kompresorjem, nato pa impulz interagira z elektronskim žarkom (sveža rezina), ki ni spremenjen z modulacijo ESASE ali laserjem FEL. Končno se uporabi drugi magnetni ondulator za nadaljnje ojačanje rentgenskih žarkov z interakcijo atosekundnih impulzov s svežo rezino.

FIG. 1 diagram eksperimentalne naprave; Ilustracija prikazuje vzdolžni fazni prostor (diagram čas-energija elektrona, zelena), tokovni profil (modra) in sevanje, ki nastane zaradi ojačanja prvega reda (vijolično). XTCAV, X-band prečna votlina; cVMI, koaksialni slikovni sistem za hitro preslikavo; FZP, ploščasti spektrometer s Fresnelovim pasom

Vsi attosekundni impulzi so zgrajeni iz šuma, zato ima vsak impulz različne spektralne in časovne lastnosti, ki so jih raziskovalci podrobneje raziskali. Kar zadeva spektre, so uporabili ploščasti spektrometer s Fresnelovim pasom za merjenje spektrov posameznih impulzov pri različnih ekvivalentnih dolžinah ondulatorja in ugotovili, da ti spektri ohranjajo gladke valovne oblike tudi po sekundarnem ojačanju, kar kaže, da so impulzi ostali unimodalni. V časovni domeni se meri kotni rob 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, ionizirani z rentgenskim impulzom, bodo proizvedli črte 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 in vzpostavljena je povezava med kotnim načinom časa emisije in porazdelitvijo gibalne količine fotoelektrona. Porazdelitev zagona fotoelektronov se meri s koaksialnim spektrometrom za hitro preslikavo. 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. Končno je bil detektor za spremljanje plina uporabljen za merjenje energije impulza in izračunana je bila razpršenost med največjo močjo impulza in trajanjem impulza, kot je prikazano na sliki 2 (b). Tri konfiguracije ustrezajo različnim pogojem fokusiranja elektronskega žarka, pogojem valovitega stožca in pogojem zakasnitve magnetnega kompresorja. Tri konfiguracije so dale povprečno energijo impulza 150, 200 oziroma 260 µJ z največjo konično močjo 1,1 TW.

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

Poleg tega je študija prvič opazila tudi pojav solitonu podobne superemisije v rentgenskem pasu, ki se pojavi kot neprekinjeno skrajšanje impulza med ojačanjem. Povzroča ga močna interakcija med elektroni in sevanjem, pri čemer se energija hitro prenaša od elektrona do glave rentgenskega impulza in nazaj k elektronu iz repa impulza. S poglobljeno študijo tega pojava se pričakuje, da je mogoče rentgenske impulze s krajšim trajanjem in višjo konično močjo nadalje realizirati z razširitvijo procesa ojačanja superradiacije in izkoriščanjem krajšanja impulza v solitonskem načinu.