Attosekundový pulsní rentgenový laser třídy TW

Attosekundový pulsní rentgenový laser třídy TW
Attosekundový 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 dvou fázíRentgenové lasery s volnými elektronypro výstup diskrétních attosekundových impulsů. Ve srovnání s existujícími zprávami je průměrný špičkový výkon pulzů zvýšen o řád, maximální špičkový výkon je 1,1 TW a střední energie je více než 100 μJ. Studie také poskytuje silný důkaz pro solitonové superradiační chování v rentgenovém poli.Vysokoenergetické laseryvedly k mnoha novým oblastem výzkumu, včetně fyziky vysokých polí, attosekundové spektroskopie a laserových urychlovačů částic. Mezi všemi druhy laserů jsou rentgenové paprsky široce používány v lékařské diagnostice, detekci průmyslových chyb, bezpečnostní kontrole a vědeckém výzkumu. Rentgenový laser s volnými elektrony (XFEL) může zvýšit špičkový výkon rentgenového záření o několik řádů ve srovnání s jinými technologiemi generování rentgenového záření, a rozšířit tak aplikaci rentgenového záření do oblasti nelineární spektroskopie a jedno- částicové difrakční zobrazování tam, kde je vyžadován vysoký výkon. Nedávná úspěšná attosekundová XFEL je významným úspěchem attosekundové vědy a technologie, která zvyšuje dostupný špičkový výkon o více než šest řádů ve srovnání se stolními rentgenovými zdroji.

Volné elektronové laserymůže pomocí kolektivní nestability, která je způsobena kontinuální interakcí pole záření v relativistickém elektronovém svazku a magnetického oscilátoru, získat pulzní energie o mnoho řádů vyšší, než je úroveň spontánní emise. V oblasti tvrdého rentgenového záření (přibližně 0,01 nm až 0,1 nm vlnové délky) se FEL dosahuje kompresí svazků a post-saturačními kónickými technikami. V oblasti měkkého rentgenového záření (vlnová délka asi 0,1 nm až 10 nm) je FEL implementován kaskádovou technologií čerstvých plátků. Nedávno bylo hlášeno, že attosekundové pulsy se špičkovým výkonem 100 GW jsou generovány pomocí metody vylepšené samozesilované spontánní emise (ESASE).

Výzkumný tým použil dvoustupňový zesilovací systém založený na XFEL k zesílení měkkého rentgenového attosekundového pulzního výstupu z linac koherentníhosvětelný zdrojna úroveň TW, řádové zlepšení oproti hlášeným výsledkům. Experimentální uspořádání je znázorněno na obrázku 1. Na základě metody ESASE je fotokatodový zářič modulován tak, aby získal elektronový paprsek s vysokou proudovou špičkou, a používá se ke generování attosekundových rentgenových pulzů. Počáteční impuls je umístěn na předním okraji 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 puls interaguje s elektronovým paprskem (čerstvým plátkem), který není modifikován modulací ESASE nebo FEL laserem. Nakonec je použit druhý magnetický undulátor k dalšímu zesílení rentgenového záření prostřednictvím interakce attosekundových pulzů s čerstvým řezem.

OBR. 1 Schéma experimentálního zařízení; Obrázek ukazuje podélný fázový prostor (časově-energetický diagram elektronu, zelená), proudový profil (modrá) a záření produkované zesílením prvního řádu (fialová). XTCAV, X-band příčná dutina; cVMI, koaxiální rychlý mapovací zobrazovací systém; FZP, Fresnelův pásový deskový spektrometr

Všechny attosekundové pulsy jsou vytvořeny ze šumu, takže každý puls má jiné spektrální vlastnosti a vlastnosti v časové oblasti, které vědci prozkoumali podrobněji. Pokud jde o spektra, použili Fresnelův pásmový deskový spektrometr k měření spekter jednotlivých pulzů při různých ekvivalentních délkách vlnění a zjistili, že tato spektra si udržují hladké průběhy i po sekundárním zesílení, což naznačuje, že pulzy zůstaly unimodální. V časové oblasti se měří úhlový proužek a charakterizuje se průběh pulsu v časové oblasti. Jak je znázorněno na obrázku 1, rentgenový puls se překrývá s kruhově polarizovaným infračerveným laserovým pulsem. Fotoelektrony ionizované rentgenovým pulsem budou produkovat pruhy ve směru opačném k vektorovému potenciálu infračerveného laseru. Protože elektrické pole laseru rotuje s časem, je rozložení hybnosti fotoelektronu určeno dobou emise elektronu a je stanoven vztah mezi úhlovým režimem doby emise a rozložením hybnosti fotoelektronu. Distribuce hybnosti fotoelektronu se měří pomocí koaxiálního zobrazovacího spektrometru s rychlým mapováním. Na základě distribuce a spektrálních výsledků lze rekonstruovat průběh attosekundových pulzů v časové oblasti. Obrázek 2 (a) ukazuje rozložení trvání pulzu s mediánem 440 as. Nakonec byl detektor pro monitorování plynu použit k měření energie pulzu a byl vypočten rozptylový graf mezi špičkovým výkonem pulzu a dobou trvání pulzu, jak je znázorněno na obrázku 2 (b). Tyto tři konfigurace odpovídají různým podmínkám zaostřování elektronového paprsku, podmínkám vlnového kužele a podmínkám zpoždění magnetického kompresoru. Tyto tři konfigurace poskytly průměrné pulzní energie 150, 200 a 260 µJ, v tomto pořadí, s maximálním špičkovým výkonem 1,1 TW.

Obrázek 2. (a) Histogram distribuce délky pulzu s poloviční výškou (FWHM); (b) Bodový graf odpovídající špičkovému výkonu a trvání pulsu

Kromě toho studie také poprvé pozorovala fenomén solitonové superemise v rentgenovém pásmu, která se jeví jako kontinuální zkracování pulzu během zesilování. Je způsobena silnou interakcí mezi elektrony a zářením, přičemž energie se rychle přenáší z elektronu do hlavy rentgenového pulsu a zpět do elektronu z konce pulsu. Prostřednictvím hloubkového studia tohoto jevu se očekává, že rentgenové pulsy s kratší dobou trvání a vyšším špičkovým výkonem lze dále realizovat rozšířením procesu zesílení superradiace a využitím výhod zkrácení pulsů v režimu podobnému solitonu.