Laser cu puls cu raze X de clasa TW attosecundă

Laser cu puls cu raze X de clasa TW attosecundă
Radiografia attosecundălaser cu pulscu putere mare și durata scurtă a impulsului sunt cheia pentru a obține spectroscopie neliniară ultrarapidă și imagistica prin difracție cu raze X. Echipa de cercetare din Statele Unite a folosit o cascadă în două etapeLaser cu electroni liberi cu raze Xpentru a scoate impulsuri discrete de attosecundă. În comparație cu rapoartele existente, puterea medie de vârf a impulsurilor este crescută cu un ordin de mărime, puterea maximă de vârf este de 1,1 TW, iar energia medie este mai mare de 100 μJ. Studiul oferă, de asemenea, dovezi puternice pentru comportamentul superradiației de tip soliton în câmpul cu raze X.Laser de înaltă energieau condus multe noi domenii de cercetare, inclusiv fizica câmpurilor înalte, spectroscopia de atosecundă și acceleratorii de particule laser. Printre toate tipurile de lasere, razele X sunt utilizate pe scară largă în diagnosticarea medicală, detectarea defectelor industriale, inspecția de siguranță și cercetarea științifică. Laserul cu electroni liberi cu raze X (XFEL) poate crește puterea de vârf a razelor X cu mai multe ordine de mărime în comparație cu alte tehnologii de generare a razelor X, extinzând astfel aplicarea razelor X în domeniul spectroscopiei neliniare și al spectroscopiei unice. imagistica prin difracție de particule acolo unde este necesară o putere mare. Recentul XFEL attosecond de succes este o realizare majoră în știința și tehnologia attosecondului, crescând puterea de vârf disponibilă cu mai mult de șase ordine de mărime în comparație cu sursele de raze X de pe banc.

Lasere cu electroni liberipot obține energii de impuls cu multe ordine de mărime mai mari decât nivelul de emisie spontană utilizând instabilitatea colectivă, care este cauzată de interacțiunea continuă a câmpului de radiație în fasciculul de electroni relativist și oscilatorul magnetic. În intervalul de raze X dure (aproximativ 0,01 nm până la 0,1 nm lungime de undă), FEL se realizează prin tehnici de compresie a fasciculului și coning post-saturare. În intervalul de raze X moi (aproximativ 0,1 nm până la 10 nm lungime de undă), FEL este implementat prin tehnologia în cascadă de tip fresh-slice. Recent, s-a raportat că sunt generate impulsuri de attosecundă cu o putere de vârf de 100 GW utilizând metoda de emisie spontană autoamplificată îmbunătățită (ESASE).

Echipa de cercetare a folosit un sistem de amplificare în două etape bazat pe XFEL pentru a amplifica impulsul de ieșire de raze X moale attosecunde de la coerent linac.sursa de luminala nivelul TW, o îmbunătățire de ordin de mărime față de rezultatele raportate. Configurația experimentală este prezentată în Figura 1. Pe baza metodei ESASE, emițătorul fotocatodului este modulat pentru a obține un fascicul de electroni cu un vârf de curent ridicat și este utilizat pentru a genera impulsuri de raze X de attosecundă. Pulsul inițial este situat la marginea frontală a vârfului fasciculului de electroni, așa cum se arată în colțul din stânga sus al figurii 1. Când XFEL ajunge la saturație, fasciculul de electroni este întârziat în raport cu razele X de un compresor magnetic, și apoi pulsul interacționează cu fasciculul de electroni (slice proaspătă) care nu este modificat de modulația ESASE sau laserul FEL. În cele din urmă, un al doilea ondulator magnetic este utilizat pentru a amplifica în continuare razele X prin interacțiunea impulsurilor de attosecundă cu felia proaspătă.

SMOCHIN. 1 Diagrama dispozitivului experimental; Ilustrația prezintă spațiul de fază longitudinală (diagrama timp-energie a electronului, verde), profilul curentului (albastru) și radiația produsă de amplificarea de ordinul întâi (violet). XTCAV, cavitate transversală în bandă X; cVMI, sistem coaxial de cartografiere rapidă a imaginii; FZP, spectrometru cu placă cu bandă Fresnel

Toate impulsurile de attosecundă sunt construite din zgomot, astfel încât fiecare impuls are proprietăți spectrale și în domeniul timpului diferite, pe care cercetătorii le-au explorat mai detaliat. În ceea ce privește spectrele, au folosit un spectrometru cu placă de bandă Fresnel pentru a măsura spectrele impulsurilor individuale la diferite lungimi echivalente ale ondulatorului și au descoperit că aceste spectre au menținut forme de undă netede chiar și după amplificarea secundară, ceea ce indică faptul că impulsurile au rămas unimodale. În domeniul timpului, franja unghiulară este măsurată și este caracterizată forma de undă din domeniul timpului a pulsului. După cum se arată în Figura 1, pulsul de raze X este suprapus cu impulsul laser infraroșu polarizat circular. Fotoelectronii ionizați de impulsul de raze X vor produce dungi în direcția opusă potențialului vectorial al laserului infraroșu. Deoarece câmpul electric al laserului se rotește în timp, distribuția impulsului fotoelectronului este determinată de timpul de emisie a electronului și se stabilește relația dintre modul unghiular al timpului de emisie și distribuția impulsului fotoelectronului. Distribuția impulsului fotoelectronului este măsurată utilizând un spectrometru coaxial cu cartografiere rapidă. Pe baza distribuției și a rezultatelor spectrale, forma de undă în domeniul timpului a impulsurilor attosecunde poate fi reconstruită. Figura 2 (a) arată distribuția duratei pulsului, cu o mediană de 440 as. În cele din urmă, detectorul de monitorizare a gazului a fost utilizat pentru a măsura energia pulsului și a fost calculat graficul de împrăștiere dintre puterea de vârf a impulsului și durata pulsului, așa cum se arată în Figura 2 (b). Cele trei configurații corespund diferitelor condiții de focalizare a fasciculului de electroni, condițiilor de ondulare a conului și condițiilor de întârziere a compresorului magnetic. Cele trei configurații au generat energii medii de impuls de 150, 200 și, respectiv, 260 µJ, cu o putere maximă de vârf de 1,1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribuție a duratei impulsului la jumătatea înălțimii (FWHM); (b) Graficul de dispersie corespunzător puterii de vârf și duratei impulsului

În plus, studiul a observat, de asemenea, pentru prima dată fenomenul de supraemisie de tip soliton în banda de raze X, care apare ca o scurtare continuă a pulsului în timpul amplificării. Este cauzată de o interacțiune puternică între electroni și radiații, cu energie transferată rapid de la electron la capul pulsului de raze X și înapoi la electron din coada pulsului. Prin studiul aprofundat al acestui fenomen, este de așteptat ca impulsurile de raze X cu durată mai scurtă și putere de vârf mai mare să poată fi realizate în continuare prin extinderea procesului de amplificare a superradiației și profitând de scurtarea impulsurilor în modul soliton.