Laser cu impulsuri de raze X atosecunde clasa TW
Raze X cu atosecundelaser cu impulsuricu putere mare și durată scurtă a impulsurilor sunt cheia pentru a obține spectroscopie neliniară ultrarapidă și imagistică prin difracție de raze X. Echipa de cercetare din Statele Unite a folosit o cascadă de electroni în două etapeLasere cu electroni liberi cu raze Xpentru a genera impulsuri discrete de atosecundă. Comparativ 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 mediană este mai mare de 100 μJ. Studiul oferă, de asemenea, dovezi solide pentru un comportament de superradiație asemănător solitonului în câmpul de raze X.Lasere de înaltă energieau impulsionat multe noi domenii de cercetare, inclusiv fizica câmpurilor înalte, spectroscopia cu atosecunde și acceleratoarele de particule cu laser. Dintre toate tipurile de lasere, razele X sunt utilizate pe scară largă în diagnosticul medical, 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 câteva ordine de mărime în comparație cu alte tehnologii de generare a razelor X, extinzând astfel aplicarea razelor X în domeniul spectroscopiei neliniare și al imagisticii prin difracție cu particule unice, unde este necesară o putere mare. Recentul XFEL cu atosecunde, obținut cu succes, este o realizare majoră în știința și tehnologia atosecundelor, crescând puterea de vârf disponibilă cu peste șase ordine de mărime în comparație cu sursele de raze X de laborator.
Lasere cu electroni liberise pot obține energii ale impulsurilor cu multe ordine de mărime mai mari decât nivelul emisiei spontane folosind instabilitatea colectivă, care este cauzată de interacțiunea continuă a câmpului de radiație în fasciculul de electroni relativist și oscilatorul magnetic. În domeniul razelor X dure (lungime de undă de aproximativ 0,01 nm până la 0,1 nm), FEL se realizează prin compresie fascicul și tehnici de conificare post-saturație. În domeniul razelor X moi (lungime de undă de aproximativ 0,1 nm până la 10 nm), FEL este implementat prin tehnologia cascade proaspăt-slice. Recent, s-a raportat că impulsuri atosecundare cu o putere de vârf de 100 GW au fost generate folosind metoda ESASE (Enhanced Self-Amplified Spontanee Emission).
Echipa de cercetare a folosit un sistem de amplificare în două etape bazat pe XFEL pentru a amplifica impulsul de atosecundă de raze X moi de ieșire de la linia lină coerentă.sursă de luminăpână la nivelul TW, o îmbunătățire de un ordin de mărime față de rezultatele raportate. Configurația experimentală este prezentată în Figura 1. Pe baza metodei ESASE, emițătorul fotocatodic 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 atosecunde. Impulsul 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 atinge saturația, fasciculul de electroni este întârziat față de raza X de către un compresor magnetic, iar apoi impulsul interacționează cu fasciculul de electroni (fecțiune proaspătă) care nu este modificat de modulația ESASE sau de laserul FEL. În cele din urmă, un al doilea ondulator magnetic este utilizat pentru a amplifica în continuare razele X prin interacțiunea impulsurilor atosecunde cu felia proaspătă.
FIG. 1 Diagrama dispozitivului experimental; Ilustrația prezintă spațiul de fază longitudinal (diagrama timp-energie a electronului, verde), profilul curentului (albastru) și radiația produsă prin amplificarea de ordinul întâi (violet). XTCAV, cavitate transversală în bandă X; cVMI, sistem de imagistică cu cartografiere rapidă coaxială; FZP, spectrometru cu placă cu bandă Fresnel
Toate impulsurile atosecundare sunt construite din zgomot, astfel încât fiecare impuls are proprietăți spectrale și temporale diferite, pe care cercetătorii le-au explorat mai detaliat. În ceea ce privește spectrele, au folosit un spectrometru cu placă cu 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 line chiar și după amplificarea secundară, indicând faptul că impulsurile au rămas unimodale. În domeniul temporal, se măsoară franja unghiulară și se caracterizează forma de undă a impulsului în domeniul temporal. După cum se arată în Figura 1, impulsul de raze X se suprapune cu impulsul laserului cu infraroșu polarizat circular. Fotoelectronii ionizați de impulsul de raze X vor produce dungi în direcția opusă potențialului vectorial al laserului cu infraroșu. Deoarece câmpul electric al laserului se rotește în timp, distribuția impulsului fotoelectronului este determinată de momentul emisiei electronilor, iar relația dintre modul unghiular al timpului de emisie și distribuția impulsului fotoelectronului este stabilită. Distribuția impulsului fotoelectronului este măsurată folosind un spectrometru de imagistică cu cartografiere rapidă coaxială. Pe baza distribuției și a rezultatelor spectrale, se poate reconstrui forma de undă în domeniul timp a impulsurilor atosecunde. Figura 2 (a) prezintă distribuția duratei impulsului, cu o mediană de 440 as. În cele din urmă, detectorul de monitorizare a gazelor a fost utilizat pentru a măsura energia impulsului și a fost calculată diagrama de dispersie între puterea impulsului de vârf și durata impulsului, așa cum se arată în Figura 2 (b). Cele trei configurații corespund unor condiții diferite de focalizare a fasciculului de electroni, condiții de conificare a ondulației și condiții de întârziere a compresorului magnetic. Cele trei configurații au produs energii medii ale impulsurilor de 150, 200 și respectiv 260 µJ, cu o putere maximă de vârf de 1,1 TW.
Figura 2. (a) Histograma distribuției duratei impulsului la jumătate de înălțime și lățime completă (FWHM); (b) Diagramă de dispersie corespunzătoare puterii de vârf și duratei impulsului
În plus, studiul a observat pentru prima dată fenomenul de superemisie de tip soliton în banda de raze X, care apare ca o scurtare continuă a impulsului în timpul amplificării. Aceasta este cauzată de o interacțiune puternică între electroni și radiație, energia fiind transferată rapid de la electron la capul impulsului de raze X și înapoi la electron de la coada impulsului. Prin studiul aprofundat al acestui fenomen, se așteaptă ca impulsurile de raze X cu o durată mai scurtă și o putere de vârf mai mare să poată fi realizate în continuare prin extinderea procesului de amplificare prin superradiație și prin valorificarea scurtării impulsului în modul de tip soliton.
Data publicării: 27 mai 2024