TW třída Attosekundová rentgenový pulzní laser

TW třída Attosekundová rentgenový pulzní laser
Attosekund rentgenPulzní laserS vysokým výkonem a krátkém trvání pulsu jsou klíčem k dosažení ultrarychlé nelineární spektroskopie a rentgenového difrakčního zobrazování. Výzkumný tým ve Spojených státech použil kaskádu dvoustupňovýchRentgenové elektronové lasery bez paprskůpro výstup diskrétních Attosekundových pulzů. Ve srovnání s existujícími zprávami je průměrná maximální síla impulsů zvýšena o řádovou velikost, maximální maximální výkon je 1,1 TW a střední energie je více než 100 μJ. Studie také poskytuje silný důkaz pro soliton-podobné nadměrné chování v rentgenovém poli.Vysokoenergetické laseryřídili mnoho nových oblastí výzkumu, včetně fyziky s vysokým polem, attosekundové spektroskopie a akcelerátorů laserových částic. Mezi všemi druhy laserů se rentgenové paprsky široce používají při lékařské diagnostice, detekci průmyslové vady, bezpečnostní inspekci a vědeckém výzkumu. Rentgenový volný elektronový laser (XFEL) může zvýšit maximální rentgenový výkon o několik řádů ve srovnání s jinými technologiemi generování rentgenového záření, čímž se rozšiřuje aplikaci rentgenových paprsků do pole nelineární spektroskopie a difrakční difrakční zobrazování s jednou stranou. Nedávný úspěšný AttoseCond XFEL je hlavním úspěchem ve vědě a technologii AttoseCond, čímž se zvyšuje dostupná špičková síla o více než šest řádů ve srovnání s rentgenovými zdroji Benchtop.

Volné elektronové laserymůže získat pulzní energii o mnoho řádů vyšší velikosti vyšší než spontánní emisní úroveň pomocí kolektivní nestability, která je způsobena kontinuální interakcí radiačního pole v relativistickém elektronovém paprsku a magnetickém oscilátoru. V tvrdém rentgenovém rozsahu (asi 0,01 nm až 0,1 nm vlnové délky) je Fel dosažen pomocí komprese svazku a techniky koni nasazení. V rozsahu měkkého rentgenu (asi 0,1 nm až 10 nm vlnové délky) je FEL implementován kaskádovou technologií Fresh-Slice. Nedávno bylo hlášeno, že Attosekundové impulzy s maximálním výkonem 100 GW byly generovány pomocí metody zvýšené samospívající spontánní emise (ESASE).

Výzkumný tým použil dvoustupňový amplifikační systém založený na XFEL pro zesílení měkkého rentgenového výstupu Attosecond Puls of the Linac Coherentsvětelný zdrojNa úroveň TW je zdokonalení řádu oproti hlášeným výsledkům. Experimentální nastavení je znázorněno na obrázku 1.. Na základě metody ESASE je emitor fotokatodu modulován tak, aby získal elektronový paprsek s vysokým proudovým špičkem a používá se ke generování atosekundových rentgenových pulsů. Počáteční impuls je umístěn na přední okraji špičky elektronového paprsku, jak je znázorněno v levém horním rohu obrázku 1. Když XFEL dosáhne nasycení, elektronový paprsek je zpožděn vzhledem k rentgenovému modulaci nebo koláč a modulací eSase. Nakonec se druhý magnetický undulátor používá k další amplifikaci rentgenových paprsků prostřednictvím interakce atosekundových pulzů s čerstvým řezem.

Obr. 1 experimentální schéma zařízení; Ilustrace ukazuje podélný fázový prostor (časový energetický diagram elektronu, zelené), proudový profil (modrá) a záření produkované zesílením prvního řádu (fialová). XTCAV, X-pásmová příčná dutina; CVMI, zobrazovací systém koaxiálního rychlého mapování; FZP, Fresnel Band Plate Spectrometer

Všechny Attosekundové impulsy jsou vytvořeny z šumu, takže každý puls má různé spektrální a časové domény, které vědci podrobněji prozkoumali. Pokud jde o spektra, použili k měření spektra jednotlivých impulsů v různých ekvivalentních délkách zvlnění a zjistili, že tato spektra udržovala hladké průběhy i po sekundárním amplifikaci, což naznačuje, že pulzy zůstaly uniimodální. V časové doméně se měří úhlová okraj a charakterizuje se průběh časové domény pulsu. Jak je znázorněno na obrázku 1, rentgenový impuls se překrývá s kruhově polarizovaným infračerveným laserovým pulsem. Fotoelektrony ionizované rentgenovým pulsem vytvoří pruhy ve směru opačném vektorovém potenciálu infračerveného laseru. Protože elektrické pole laseru se časem otáčí, je rozložení hybnosti fotoelektronu určeno v době emise elektronů a vzhledem k úhlovému režimu emisního času a rozložením hybnosti fotoelektronu je stanovena. Distribuce photoelektronové hybnosti se měří pomocí koaxiálního zobrazovacího spektrometru rychlého mapování. Na základě distribuce a spektrálních výsledků lze rekonstruovat průběh vlny v časové doméně. Obrázek 2 (a) ukazuje distribuci trvání pulsu, se střední hodnotou 440 AS. Nakonec byl detektor monitorování plynu použit k měření pulzní energie a byl vypočten rozptyl mezi maximálním pulzním výkonem a dobou trvání pulsu, jak je znázorněno na obrázku 2 (b). Tyto tři konfigurace odpovídají různým podmínkám zaostřování elektronového paprsku, podmínkám měniče a podmínky zpoždění magnetického kompresoru. Tyto tři konfigurace poskytly průměrné pulzní energie 150, 200 a 260 uj, s maximální maximální silou 1,1 TW.

Obrázek 2. (a) Distribuční histogram poloviční výšky plné šířky (FWHM) trvání pulsu; (b) Rozptyl graf odpovídající špičkovému výkonu a trvání pulsu

Kromě toho studie také poprvé pozorovala jev solitonového superemise v rentgenovém pásmu, který se během amplifikace jeví jako kontinuální zkrácení pulsu. Je to způsobeno silnou interakcí mezi elektrony a zářením, s energií rychle přenesenou z elektronu do hlavy rentgenového pulsu a zpět do elektronu z ocasu pulsu. Podrobnou studií tohoto jevu se očekává, že rentgenové pulzy s kratším dobou trvání a vyšším maximálním výkonem lze dále realizovat rozšířením procesu amplifikace superradicí a využitím zkrácení pulzu v režimu podobném solitonu.