Atosekundový rentgenový pulzní laser třídy TW

Atosekundový rentgenový pulzní laser třídy TW
Atosekundový rentgenpulzní lasers vysokým výkonem a krátkou dobou trvání pulzu jsou klíčem k dosažení ultrarychlé nelineární spektroskopie a rentgenového difrakčního zobrazování. Výzkumný tým ve Spojených státech použil kaskádu dvoustupňovýchRentgenové lasery s volnými elektronyk výstupu diskrétních attosekundových pulzů. Ve srovnání se stávajícími zprávami je průměrný špičkový výkon pulzů řádově zvýšen, maximální špičkový výkon je 1,1 TW a střední energie je více než 100 μJ. Studie také poskytuje silné důkazy o chování superzáření podobném solitonům v rentgenovém poli.Vysokoenergetické laserypodnítily vývoj mnoha nových oblastí výzkumu, včetně fyziky vysokých polí, attosekundové spektroskopie a laserových urychlovačů částic. Ze všech druhů laserů se rentgenové záření široce používá v lékařské diagnostice, průmyslové detekci defektů, bezpečnostních kontrolách a vědeckém výzkumu. Rentgenový laser s volnými elektrony (XFEL) dokáže zvýšit špičkový výkon rentgenového záření o několik řádů ve srovnání s jinými technologiemi generování rentgenového záření, čímž rozšiřuje použití rentgenového záření na oblast nelineární spektroskopie a zobrazování difrakce jednotlivých částic, kde je vyžadován vysoký výkon. Nedávný úspěšný attosekundový XFEL je významným úspěchem v attosekundové vědě a technologii, který zvyšuje dostupný špičkový výkon o více než šest řádů ve srovnání se stolními rentgenovými zdroji.

Lasery s volnými elektronylze získat energie pulzů o mnoho řádů vyšší než úroveň spontánní emise pomocí kolektivní nestability, která je způsobena kontinuální interakcí radiačního pole v relativistickém elektronovém paprsku a magnetického oscilátoru. V oblasti tvrdého rentgenového záření (vlnová délka přibližně 0,01 nm až 0,1 nm) se FEL dosahuje technikami komprese svazků a post-saturačního kuželování. V oblasti měkkého rentgenového záření (vlnová délka přibližně 0,1 nm až 10 nm) se FEL realizuje technologií kaskádového čerstvého řezu. Nedávno byly hlášeny attosekundové pulzy se špičkovým výkonem 100 GW generované pomocí metody zesílené samozesílené spontánní emise (ESASE).

Výzkumný tým použil dvoustupňový zesilovací systém založený na XFEL k zesílení měkkého rentgenového attosekundového pulzu, který vychází z koherentního lineárního urychlovače.zdroj světlana úroveň TW, což je řádové zlepšení oproti publikovaným výsledkům. Experimentální uspořádání je znázorněno na obrázku 1. Na základě metody ESASE je fotokatodový emitor modulován tak, aby se získal elektronový paprsek s vysokou proudovou špičkou, a používá se ke generování attosekundových rentgenových pulzů. Počáteční pulz je umístěn na přední hraně hrotu elektronového paprsku, jak je znázorněno v levém horním rohu obrázku 1. Když XFEL dosáhne saturace, elektronový paprsek je zpožděn vzhledem k rentgenovému záření magnetickým kompresorem a poté pulz interaguje s elektronovým paprskem (čerstvý řez), který není modifikován modulací ESASE ani FEL laserem. Nakonec se k dalšímu zesílení rentgenového záření interakcí attosekundových pulzů s čerstvým řezem použije druhý magnetický undulátor.

OBR. 1 Schéma experimentálního zařízení; Ilustrace ukazuje podélný fázový prostor (časoenergetický diagram elektronu, zelený), proudový profil (modrý) a záření produkované zesílením prvního řádu (fialová). XTCAV, transverzální dutina v X-pásmu; cVMI, koaxiální systém pro rychlé mapování; FZP, Fresnelův pásový destičkový spektrometr

Všechny attosekundové pulzy jsou tvořeny šumem, takže každý pulz má odlišné spektrální a časové vlastnosti, které vědci podrobněji zkoumali. Pokud jde o spektra, použili Fresnelův pásový spektrometr k měření spekter jednotlivých pulzů při různých ekvivalentních délkách undulátoru a zjistili, že tato spektra si i po sekundárním zesílení zachovala hladké průběhy, což naznačuje, že pulzy zůstaly unimodální. V časové doméně se měří úhlové proužky a charakterizuje se průběh pulzu v časové doméně. Jak je znázorněno na obrázku 1, rentgenový pulz se překrývá s kruhově polarizovaným infračerveným laserovým pulzem. Fotoelektrony ionizované rentgenovým pulzem budou vytvářet pruhy ve směru opačném k vektorovému potenciálu infračerveného laseru. Protože se elektrické pole laseru s časem otáčí, je rozložení hybnosti fotoelektronu určeno časem emise elektronů a je stanoven vztah mezi úhlovým módem času emise a rozložením hybnosti fotoelektronu. Rozložení hybnosti fotoelektronu se měří pomocí koaxiálního rychlého mapovacího zobrazovacího spektrometru. Na základě výsledků distribuce a spektra lze rekonstruovat časový průběh attosekundových pulzů. Obrázek 2 (a) ukazuje distribuci trvání pulzu s mediánem 440 µJ. Nakonec byl k měření energie pulzu použit detektor monitorování plynu a byl vypočítán bodový graf mezi špičkovým výkonem pulzu a trváním pulzu, jak je znázorněno na obrázku 2 (b). Tři konfigurace odpovídají různým podmínkám zaostřování elektronového paprsku, podmínkám zvlnění a podmínkám zpoždění magnetického kompresoru. Tyto tři konfigurace poskytly průměrné energie pulzů 150, 200 a 260 µJ s maximálním špičkovým výkonem 1,1 TW.

Obrázek 2. (a) Histogram rozdělení trvání pulzu s poloviční výškou a plnou šířkou (FWHM); (b) Bodový graf odpovídající špičkovému výkonu a trvání pulzu

Studie navíc poprvé pozorovala jev solitonové superemise v rentgenovém pásmu, který se projevuje jako kontinuální zkracování pulzu během zesílení. Je způsoben silnou interakcí mezi elektrony a zářením, přičemž energie se rychle přenáší z elektronu do čela rentgenového pulzu a zpět na elektron z konce pulzu. Prostřednictvím hloubkového studia tohoto jevu se očekává, že rentgenové pulzy s kratší dobou trvání a vyšším špičkovým výkonem lze dále realizovat prodloužením procesu zesílení superradiací a využitím zkracování pulzu v solitonovém režimu.