TW klases attosekundes rentgenstaru impulsu lāzers

TW klases attosekundes rentgenstaru impulsu lāzers
Attosekundes rentgena starojumsimpulsa lāzersar lielu jaudu un īsu impulsa ilgumu ir atslēga īpaši ātras nelineāras spektroskopijas un rentgenstaru difrakcijas attēlveidošanas sasniegšanai. Pētnieku komanda Amerikas Savienotajās Valstīs izmantoja divpakāpju kaskādiRentgenstaru brīvo elektronu lāzerilai izvadītu atsevišķus attosekundes impulsus. Salīdzinot ar esošajiem ziņojumiem, impulsu vidējā maksimālā jauda ir palielināta par vienu lieluma kārtu, maksimālā maksimālā jauda ir 1,1 TW, un vidējā enerģija ir vairāk nekā 100 μJ. Pētījums sniedz arī pārliecinošus pierādījumus par solitoniem līdzīgu superstarojuma uzvedību rentgena laukā.Augstas enerģijas lāzeriir veicinājuši daudzas jaunas pētniecības jomas, tostarp augsta lauka fiziku, attosekundes spektroskopiju un lāzera daļiņu paātrinātājus. Starp visiem lāzeru veidiem rentgenstarus plaši izmanto medicīniskajā diagnostikā, rūpniecisko defektu noteikšanā, drošības pārbaudēs un zinātniskajos pētījumos. Rentgenstaru brīvo elektronu lāzers (XFEL) var palielināt rentgenstaru maksimālo jaudu par vairākām lieluma kārtām, salīdzinot ar citām rentgenstaru ģenerēšanas tehnoloģijām, tādējādi paplašinot rentgenstaru pielietojumu nelineārās spektroskopijas un vienas daļiņas difrakcijas attēlveidošanas jomā, kur nepieciešama liela jauda. Nesen veiksmīgi izstrādātais attosekundes XFEL ir nozīmīgs sasniegums attosekundes zinātnē un tehnoloģijā, palielinot pieejamo maksimālo jaudu par vairāk nekā sešām lieluma kārtām, salīdzinot ar galda rentgenstaru avotiem.

Brīvo elektronu lāzerivar iegūt impulsa enerģijas, kas ir par daudzām lieluma kārtām augstākas par spontānās emisijas līmeni, izmantojot kolektīvo nestabilitāti, ko izraisa nepārtraukta starojuma lauka mijiedarbība relatīvistiskajā elektronu starā un magnētiskajā oscilatorā. Cietajā rentgenstaru diapazonā (aptuveni no 0,01 nm līdz 0,1 nm viļņa garums) FEL tiek panākts, izmantojot kūļa saspiešanas un pēcpiesātināšanas konusēšanas metodes. Mīkstajā rentgenstaru diapazonā (aptuveni no 0,1 nm līdz 10 nm viļņa garums) FEL tiek ieviests, izmantojot kaskādes svaigas šķēles tehnoloģiju. Nesen ir ziņots, ka, izmantojot uzlaboto pašpastiprināto spontānās emisijas (ESASE) metodi, tiek ģenerēti attosekundes impulsi ar maksimālo jaudu 100 GW.

Pētnieku komanda izmantoja divpakāpju pastiprināšanas sistēmu, kuras pamatā ir XFEL, lai pastiprinātu mīksto rentgenstaru attosekundes impulsu izvadi no lineārās lēcas koherentā lādiņa.gaismas avotslīdz TW līmenim, kas ir par kārtu labāks rezultāts nekā ziņots. Eksperimentālā iekārta ir parādīta 1. attēlā. Pamatojoties uz ESASE metodi, fotokatoda emitētājs tiek modulēts, lai iegūtu elektronu staru kūli ar lielu strāvas impulsu, un to izmanto, lai ģenerētu attosekundes rentgenstaru impulsus. Sākotnējais impulss atrodas elektronu stara impulsa priekšējā malā, kā parādīts 1. attēla augšējā kreisajā stūrī. Kad XFEL sasniedz piesātinājumu, elektronu staru kūli aizkavē magnētiskais kompresors attiecībā pret rentgenstaru, un pēc tam impulss mijiedarbojas ar elektronu staru kūli (svaigo šķēli), ko nemodificē ESASE modulācija vai FEL lāzers. Visbeidzot, tiek izmantots otrs magnētiskais undulators, lai vēl vairāk pastiprinātu rentgenstarus, izmantojot attosekundes impulsu mijiedarbību ar jauno šķēli.

1. attēls. Eksperimentālās ierīces diagramma; ilustrācijā parādīta gareniskā fāzes telpa (elektrona laika-enerģijas diagramma, zaļa), strāvas profils (zils) un pirmās kārtas pastiprināšanas radītais starojums (violets). XTCAV, X joslas šķērsvirziena rezonators; cVMI, koaksiālā ātrās kartēšanas attēlveidošanas sistēma; FZP, Frenela joslas plākšņu spektrometrs.

Visi attosekundes impulsi tiek veidoti no trokšņa, tāpēc katram impulsam ir atšķirīgas spektrālās un laika domēna īpašības, kuras pētnieki pētīja sīkāk. Runājot par spektriem, viņi izmantoja Frenela joslu plāksnes spektrometru, lai izmērītu atsevišķu impulsu spektrus dažādos ekvivalentos undulatoru garumos, un atklāja, ka šie spektri saglabāja vienmērīgas viļņu formas pat pēc sekundārās pastiprināšanas, kas norāda, ka impulsi saglabājās unimodāli. Laika domēnā tiek mērīta leņķiskā josla un raksturota impulsa laika domēna viļņu forma. Kā parādīts 1. attēlā, rentgenstaru impulss pārklājas ar cirkulāri polarizētu infrasarkanā lāzera impulsu. Rentgenstaru impulsa jonizētie fotoelektroni radīs svītras virzienā, kas ir pretējs infrasarkanā lāzera vektora potenciālam. Tā kā lāzera elektriskais lauks rotē ar laiku, fotoelektrona impulsa sadalījumu nosaka elektronu emisijas laiks, un tiek noteikta saistība starp emisijas laika leņķisko režīmu un fotoelektrona impulsa sadalījumu. Fotoelektrona impulsa sadalījums tiek mērīts, izmantojot koaksiālo ātrās kartēšanas attēlveidošanas spektrometru. Pamatojoties uz sadalījuma un spektrālajiem rezultātiem, var rekonstruēt attosekundes impulsu laika domēna viļņu formu. 2. attēlā (a) parādīts impulsa ilguma sadalījums ar mediānu 440 as. Visbeidzot, impulsa enerģijas mērīšanai tika izmantots gāzes monitoringa detektors, un tika aprēķināta izkliedes diagramma starp maksimālo impulsa jaudu un impulsa ilgumu, kā parādīts 2. attēlā (b). Trīs konfigurācijas atbilst dažādiem elektronu stara fokusēšanas nosacījumiem, viļņu konusēšanas nosacījumiem un magnētiskā kompresora aizkaves nosacījumiem. Trīs konfigurācijas deva vidējo impulsa enerģiju attiecīgi 150, 200 un 260 µJ ar maksimālo maksimālo jaudu 1,1 TW.

2. attēls. (a) Pusaugstuma pilna platuma (FWHM) impulsa ilguma sadalījuma histogramma; (b) Izkliedes diagramma, kas atbilst maksimālajai jaudai un impulsa ilgumam

Turklāt pētījumā pirmo reizi tika novērota solitonam līdzīga superemisija rentgena joslā, kas pastiprināšanas laikā izpaužas kā nepārtraukta impulsa saīsināšanās. To izraisa spēcīga elektronu un starojuma mijiedarbība, enerģijai ātri pārnesot no elektrona uz rentgena impulsa galvu un atpakaļ uz elektronu no impulsa astes. Padziļināti izpētot šo parādību, ir paredzēts, ka, paplašinot superstarojuma pastiprināšanas procesu un izmantojot impulsa saīsināšanos solitonam līdzīgā režīmā, var iegūt īsākus rentgena impulsus ar lielāku maksimālo jaudu.