TW класу Аттосекунд рентгенівський імпульсний лазер

TW класу Аттосекунд рентгенівський імпульсний лазер
Аттосекунд рентгенівськийпульсовий лазерЗ високою потужністю та короткою тривалістю імпульсу є ключовим фактором для досягнення надшвидкої нелінійної спектроскопії та рентгенівської дифракційної томографії. Дослідницька група в США використовувала каскад з двома стадіямиРентгенівські безкоштовні електронні лазеридля виведення дискретних атоцекундних імпульсів. Порівняно з існуючими повідомленнями, середня пікова потужність імпульсів збільшується на порядок, максимальна пікова потужність становить 1,1 ТВ, а середня енергія - понад 100 мкДж. Дослідження також надає вагомі докази поведінки суперрадіації, що нагадує Солітон, у рентгенівській галузі.Високоенергетичні лазерикерували багатьма новими областями досліджень, включаючи фізику високого поля, аттосекундна спектроскопія та прискорювачі лазерних частинок. Серед усіх видів лазерів рентгенівські промені широко використовуються в медичній діагностиці, виявленні промислових недоліків, огляду безпеки та наукових дослідженнях. Рентгенівський вільно-електронний лазер (XFEL) може збільшити пікову рентгенівську потужність на кілька порядків порівняно з іншими технологіями генерації рентгенівських променів, тим самим розширюючи застосування рентгенівських променів до поля нелінійної спектроскопії та одночастинної дифракційної томографії, де потрібна велика потужність. Нещодавній успішний Attosecond Xfel є головним досягненням в аттосекундній науці та технологіях, що збільшує наявну пікову потужність на більш ніж на шість порядків порівняно з рентгенівськими джерелами Benchtop.

Безкоштовні електронні лазериможе отримати імпульсні енергії на багато порядків, що перевищують рівень спонтанного випромінювання, використовуючи колективну нестабільність, що викликається безперервною взаємодією поля випромінювання в релятивістському електронному промені та магнітному осцилятору. У жорсткому діапазоні рентгенівських променів (приблизно від 0,01 нм до 0,1 нм довжини хвилі) FEL досягається методами стиснення та розсилення після насінщоства. У м'якому рентгенівському діапазоні (приблизно від 0,1 нм до 10 нм довжиною хвилі) FEL реалізується за допомогою технології Cascade Fresh Slice. Нещодавно повідомлялося про те, що апосекундні імпульси з піковою потужністю 100 ГВт генеруються за допомогою посиленого методу самосампліфікованого спонтанного випромінювання (ESASE).

Дослідницька група використовувала двоступеневу систему ампліфікації на основі Xfel для ампліфікації м'якого рентгенівського аттосоекундного імпульсу з когерентного Linacджерело світлаДо рівня TW, порядок поліпшення величини порівняно з повідомленнями про результати. Експериментальна установка показана на малюнку 1. На основі методу Есази, випромінювач фотокатоду модулюється для отримання електронного променя з високим струмом струму і використовується для генерації атосоекундних рентгенівських імпульсів. Початковий імпульс розташований на передньому краю шипа електронного променя, як показано у верхньому лівому куті фігури 1. Коли Xfel досягає насичення, електронний промінь затримується відносно рентгенограми магнітним компресором, а потім імпульс взаємодіє з електронним променем (свіжий шматочок), який не змінюється модуляцією eSase або фель-лазером. Нарешті, для подальшого посилення рентгенівських променів використовується другий магнітний стриманець через взаємодію аттосекундних імпульсів із свіжим шматочком.

Рис. 1 експериментальна схема пристрою; Ілюстрація показує поздовжній фазовий простір (діаграма часу та енергетика електронного, зеленого), поточний профіль (синій) та випромінювання, що виробляється шляхом ампліфікації першого порядку (фіолетовий). Xtcav, x-діапазон порожня порожнини; CVMI, Коаксіальна система візуалізації швидкого відображення; FZP, спектрометр пластини Fresnel

Усі атоцестові імпульси побудовані від шуму, тому кожен імпульс має різні спектральні та часові області, які дослідники досліджували більш детально. З точки зору спектрів, вони використовували спектрометр пластини Fresnel для вимірювання спектрів окремих імпульсів при різних еквівалентних довжинах undulator і виявили, що ці спектри підтримували гладкі форми хвиль навіть після вторинного посилення, що вказує на те, що імпульси залишаються унімодальними. У часовій області вимірюється кутова бахрома та характеризується форма хвилі часової домени імпульсу. Як показано на малюнку 1, рентгенівський імпульс перекривається круговим поляризованим інфрачервоним лазерним імпульсом. Фотоелектрони, що іонізуються рентгенівським імпульсом, створюватимуть смуги в напрямку, протилежному векторному потенціалу інфрачервоного лазера. Оскільки електричне поле лазера обертається з часом, розподіл імпульсу фотоелектрону визначається часом випромінювання електронів, і встановлено взаємозв'язок між кутовим режимом викидів та розподілом імпульсу фотоелектрону. Розподіл фотоелектронного імпульсу вимірюється за допомогою коаксіального спектрометра для швидкого відображення. На основі результатів розподілу та спектральних результатів може бути реконструйована форма хвилі моменту аттосекундних імпульсів. На малюнку 2 (а) показано розподіл тривалості імпульсу, медіаною 440 AS. Нарешті, було використано детектор моніторингу газу для вимірювання енергії імпульсу, а графік розсіювання між піковою силою імпульсу та тривалістю імпульсу, як показано на малюнку 2 (b). Три конфігурації відповідають різним умовам фокусування електронного променя, умовами для перемикання та умовами затримки магнітного компресора. Три конфігурації дали середні імпульсні енергії 150, 200 та 260 мкД відповідно з максимальною піковою потужністю 1,1 TW.

Малюнок 2. (A) Гістограма розподілу тривалості імпульсу на половину висоти (FWHM); (b) графік розсіювання, що відповідає піковій потужності та тривалості імпульсу

Крім того, дослідження також вперше спостерігалось явищем суперезісії, що нагадує солітон, у рентгенівській смузі, яке відображається як безперервне скорочення імпульсу під час ампліфікації. Він викликаний сильною взаємодією між електронами та випромінюванням, енергія швидко переноситься з електрона на головку рентгенівського імпульсу і назад до електрона з хвоста імпульсу. Завдяки поглибленому вивченню цього явища очікується, що рентгенівські імпульси з коротшою тривалістю та більш високою піковою потужністю можна додатково реалізувати, продовжуючи процес посилення суперрадіації та скористаючись скороченням імпульсу в режимі, що нагадує солітон.