Атосекундний рентгенівський імпульсний лазер класу TW

Атосекундний рентгенівський імпульсний лазер класу TW
Атосекундний рентгенімпульсний лазерз високою потужністю та короткою тривалістю імпульсу є ключовими для досягнення надшвидкої нелінійної спектроскопії та рентгенівської дифракції. Дослідницька група в США використовувала двоступеневий каскадРентгенівські лазери на вільних електронахдля виведення дискретних аттосекундних імпульсів. У порівнянні з існуючими звітами, середня пікова потужність імпульсів зросла на порядок, максимальна пікова потужність становить 1,1 ТВт, а середня енергія більше 100 мкДж. Дослідження також надає переконливі докази солітоноподібної поведінки надвипромінювання в рентгенівському полі.Високоенергетичні лазерипоклали початок багатьом новим напрямкам досліджень, включаючи фізику сильного поля, аттосекундну спектроскопію та лазерні прискорювачі частинок. Серед усіх видів лазерів рентгенівські промені широко використовуються в медичній діагностиці, промисловій дефектоскопії, перевірці безпеки та наукових дослідженнях. Рентгенівський лазер на вільних електронах (XFEL) може збільшити пікову потужність рентгенівського випромінювання на кілька порядків порівняно з іншими технологіями генерації рентгенівського випромінювання, таким чином розширюючи застосування рентгенівського випромінювання в області нелінійної спектроскопії та одиночної спектроскопії. зображення дифракції частинок, де потрібна висока потужність. Недавній успішний аттосекундний XFEL є великим досягненням у аттосекундній науці та техніці, завдяки чому доступна пікова потужність збільшується більш ніж на шість порядків у порівнянні з настільними джерелами рентгенівського випромінювання.

Лазери на вільних електронахможе отримати імпульсні енергії на багато порядків вище рівня спонтанного випромінювання, використовуючи колективну нестабільність, яка спричинена безперервною взаємодією поля випромінювання в релятивістському електронному пучку та магнітному осциляторі. У діапазоні жорсткого рентгенівського випромінювання (приблизно від 0,01 нм до 0,1 нм довжина хвилі) FEL досягається шляхом стиснення пучка та методів конусу після насичення. У діапазоні м’якого рентгенівського випромінювання (довжина хвилі від 0,1 нм до 10 нм) FEL реалізується за допомогою каскадної технології свіжого зрізу. Нещодавно було повідомлено, що аттосекундні імпульси з піковою потужністю 100 ГВт генеруються за допомогою методу посиленого спонтанного випромінювання (ESASE).

Дослідницька група використала двоступеневу систему підсилення на основі XFEL для посилення вихідного аттосекундного імпульсу м’якого рентгенівського випромінювання від когерентного лінійного ускорювача.джерело світладо рівня TW, це на порядок покращення порівняно з повідомленими результатами. Експериментальна установка показана на малюнку 1. На основі методу ESASE випромінювач фотокатода модулюється для отримання електронного пучка з великим сплеском струму та використовується для генерації аттосекундних імпульсів рентгенівського випромінювання. Початковий імпульс розташований на передньому краї спалаху електронного пучка, як показано у верхньому лівому куті рисунка 1. Коли XFEL досягає насичення, електронний промінь затримується відносно рентгенівського випромінювання магнітним компресором, а потім імпульс взаємодіє з електронним пучком (новий зріз), який не модифікується модуляцією ESASE або лазером FEL. Нарешті, другий магнітний ондулятор використовується для подальшого посилення рентгенівського випромінювання через взаємодію аттосекундних імпульсів зі свіжим зрізом.

ФІГ. 1 Схема експериментального пристрою; На ілюстрації показано поздовжній фазовий простір (діаграма час-енергія електрона, зелений), профіль струму (синій) і випромінювання, створене підсиленням першого порядку (фіолетовий). XTCAV, Х-діапазон поперечної порожнини; cVMI, коаксіальна система швидкого відображення зображень; FZP, пластинчастий спектрометр зі смугою Френеля

Усі аттосекундні імпульси створені з шуму, тому кожен імпульс має різні спектральні та часові властивості, які дослідники дослідили більш детально. Що стосується спектрів, вони використовували пластинчастий спектрометр зі смугою Френеля для вимірювання спектрів окремих імпульсів на різних еквівалентних довжинах ондулятора, і виявили, що ці спектри зберігають плавні форми хвиль навіть після вторинного посилення, що вказує на те, що імпульси залишаються унімодальними. У часовій області вимірюється кутова смуга та характеризується форма хвилі імпульсу в часовій області. Як показано на малюнку 1, рентгенівський імпульс накладається на циркулярно поляризований інфрачервоний лазерний імпульс. Фотоелектрони, іонізовані рентгенівським імпульсом, створюватимуть смуги в напрямку, протилежному векторному потенціалу інфрачервоного лазера. Оскільки електричне поле лазера обертається з часом, розподіл фотоелектрона за імпульсом визначається часом емісії електрона, і встановлюється залежність між кутовою модою часу випромінювання та розподілом фотоелектрона за імпульсом. Розподіл фотоелектронного імпульсу вимірюється за допомогою коаксіального спектрометра швидкого відображення. На основі розподілу та спектральних результатів можна реконструювати форму хвилі аттосекундних імпульсів у часовій області. На малюнку 2 (а) показано розподіл тривалості імпульсу з медіаною 440 ас. Нарешті, детектор моніторингу газу використовувався для вимірювання енергії імпульсу, і була розрахована діаграма розсіювання між піковою потужністю імпульсу та тривалістю імпульсу, як показано на малюнку 2 (b). Три конфігурації відповідають різним умовам фокусування електронного променя, умовам хвильового конуса та умовам затримки магнітного компресора. Три конфігурації дали середню енергію імпульсу 150, 200 і 260 мкДж відповідно з максимальною піковою потужністю 1,1 ТВт.

Рисунок 2. (a) Гістограма розподілу тривалості імпульсу повної ширини на піввисоті (FWHM); (b) Діаграма розсіювання, що відповідає піковій потужності та тривалості імпульсу

Крім того, дослідження також вперше спостерігало явище солітоноподібного супервипромінювання в рентгенівському діапазоні, яке проявляється як безперервне скорочення імпульсу під час посилення. Це спричинено сильною взаємодією між електронами та випромінюванням, коли енергія швидко передається від електрона до голови рентгенівського імпульсу та назад до електрона з хвоста імпульсу. Завдяки поглибленому вивченню цього явища очікується, що рентгенівські імпульси з меншою тривалістю та вищою піковою потужністю можуть бути реалізовані шляхом розширення процесу посилення надвипромінювання та використання переваг укорочення імпульсу в солітоноподібному режимі.