TW klases atosekundes rentgena impulsu lāzers

TW klases atosekundes rentgena impulsu lāzers
Attosekundes rentgensimpulsu lāzersar lielu jaudu un īsu impulsa ilgumu ir atslēga, lai panāktu īpaši ātru nelineāro spektroskopiju un rentgenstaru difrakcijas attēlveidošanu. Pētnieku grupa Amerikas Savienotajās Valstīs izmantoja divpakāpju kaskādiRentgenstaru brīvo elektronu lāzerilai izvadītu diskrētus attosekundes impulsus. Salīdzinot ar esošajiem ziņojumiem, impulsu vidējā maksimālā jauda ir palielināta par lielumu, maksimālā maksimālā jauda ir 1, 1 TW, un vidējā enerģija ir lielāka par 100 μJ. Pētījums sniedz arī pārliecinošus pierādījumus par solitonam līdzīgu superradiācijas uzvedību rentgena laukā.Augstas enerģijas lāzeriir virzījuši daudzas jaunas pētniecības jomas, tostarp augsta lauka fiziku, attosekundes spektroskopiju un lāzera daļiņu paātrinātājus. Visu veidu lāzeru vidū rentgena starus plaši izmanto medicīniskajā diagnostikā, rūpniecisko defektu noteikšanā, drošības pārbaudēs un zinātniskajos pētījumos. Rentgenstaru brīvo elektronu lāzers (XFEL) var palielināt maksimālo rentgenstaru jaudu par vairākām kārtām salīdzinājumā ar citām rentgenstaru ģenerēšanas tehnoloģijām, tādējādi paplašinot rentgenstaru pielietojumu nelineārās spektroskopijas un vienreizējās spektroskopijas jomā. daļiņu difrakcijas attēlveidošana, ja nepieciešama liela jauda. Nesenais veiksmīgais attosekundes XFEL ir nozīmīgs sasniegums attosekundes zinātnē un tehnoloģijā, palielinot pieejamo maksimālo jaudu par vairāk nekā sešām kārtām salīdzinājumā ar galda rentgena avotiem.

Bezmaksas elektronu lāzerivar iegūt impulsu enerģijas, kas daudzkārt pārsniedz spontānās emisijas līmeni, izmantojot kolektīvo nestabilitāti, ko rada nepārtraukta radiācijas lauka mijiedarbība relatīvistiskajā elektronu kūlī un magnētiskajā oscilatorā. Cietā rentgenstaru diapazonā (apmēram no 0,01 nm līdz 0,1 nm viļņa garums) FEL tiek panākts ar saišķa saspiešanas un pēcpiesātinājuma koninga paņēmieniem. Mīkstajā rentgenstaru diapazonā (apmēram no 0,1 nm līdz 10 nm viļņa garumā) FEL tiek īstenots ar kaskādes svaigu šķēlumu tehnoloģiju. Nesen tika ziņots, ka attosekundes impulsi ar maksimālo jaudu 100 GW tiek ģenerēti, izmantojot uzlabotās pašpastiprinātās spontānās emisijas (ESASE) metodi.

Pētnieku grupa izmantoja divpakāpju pastiprināšanas sistēmu, kuras pamatā ir XFEL, lai pastiprinātu mīksto rentgenstaru attosekundes impulsa izvadi no linac koherenta.gaismas avotslīdz TW līmenim, kas ir par kārtu uzlabojumu salīdzinājumā ar ziņotajiem rezultātiem. Eksperimentālā iekārta ir parādīta 1. attēlā. Pamatojoties uz ESASE metodi, fotokatoda emitētājs tiek modulēts, lai iegūtu elektronu staru kūli ar lielu strāvas smaili, un tiek izmantots atosekundes rentgenstaru impulsu ģenerēšanai. Sākotnējais impulss atrodas elektronu staru kūļa priekšējā malā, kā parādīts 1. attēla augšējā kreisajā stūrī. Kad XFEL sasniedz piesātinājumu, magnētiskais kompresors aizkavē elektronu staru attiecībā pret rentgenstaru. un tad impulss mijiedarbojas ar elektronu staru (svaigu šķēli), kas nav modificēts ar ESASE modulāciju vai FEL lāzeru. Visbeidzot, tiek izmantots otrs magnētiskais viļņotājs, lai vēl vairāk pastiprinātu rentgena starus, mijiedarbojoties attosekundes impulsiem ar svaigu šķēli.

Zīm. 1 Eksperimentālās ierīces diagramma; Attēlā parādīta gareniskā fāzes telpa (elektronu laika un enerģijas diagramma, zaļa), strāvas profils (zils) un starojums, ko rada pirmās kārtas pastiprinājums (violeta). XTCAV, X-joslas šķērsvirziena dobums; cVMI, koaksiālā ātrās kartēšanas attēlveidošanas sistēma; FZP, Freneļa joslas plāksnes spektrometrs

Visi attosekundes impulsi ir veidoti no trokšņa, tāpēc katram impulsam ir dažādas spektrālās un laika domēna īpašības, kuras pētnieki pētīja sīkāk. Runājot par spektriem, viņi izmantoja Fresnela joslas plates spektrometru, lai izmērītu atsevišķu impulsu spektrus dažādos ekvivalentos viļņotāja garumos, un konstatēja, ka šie spektri saglabā vienmērīgu viļņu formu pat pēc sekundārās pastiprināšanas, norādot, ka impulsi palika unimodāli. Laika apgabalā tiek mērīta leņķiskā robeža un raksturota impulsa laika domēna viļņa forma. Kā parādīts 1. attēlā, rentgenstaru impulss pārklājas ar cirkulāri polarizēto infrasarkanā lāzera impulsu. Ar rentgena impulsu jonizētie fotoelektroni radīs svītras virzienā, kas ir pretējs infrasarkanā lāzera vektora potenciālam. Tā kā lāzera elektriskais lauks griežas ar laiku, fotoelektrona impulsa sadalījumu nosaka elektronu emisijas laiks, un tiek noteikta saistība starp emisijas laika leņķisko režīmu un fotoelektrona impulsa sadalījumu. Fotoelektronu impulsa sadalījumu mēra, izmantojot koaksiālo ātrās kartēšanas attēlveidošanas spektrometru. Pamatojoties uz sadalījumu un spektrālajiem rezultātiem, var rekonstruēt attosekundes impulsu laika domēna viļņu formu. 2. attēlā (a) parādīts impulsa ilguma sadalījums ar vidējo vērtību 440 as. Visbeidzot, gāzes monitoringa detektors tika izmantots, lai izmērītu impulsa enerģiju, un tika aprēķināts izkliedes diagramma starp maksimālo impulsa jaudu un impulsa ilgumu, kā parādīts 2. (b) attēlā. Trīs konfigurācijas atbilst dažādiem elektronu staru fokusēšanas apstākļiem, svārstību konusa apstākļiem un magnētiskā kompresora aiztures apstākļiem. Trīs konfigurācijas radīja vidējo impulsu 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 novērots arī solitonam līdzīgais superemisijas fenomens rentgena joslā, kas parādās kā nepārtraukts impulsa saīsinājums pastiprināšanas laikā. To izraisa spēcīga elektronu un starojuma mijiedarbība, enerģijai strauji pārejot no elektrona uz rentgenstaru impulsa galvu un atpakaļ uz elektronu no impulsa astes. Padziļināti izpētot šo fenomenu, sagaidāms, ka rentgenstaru impulsus ar īsāku ilgumu un lielāku maksimālo jaudu var tālāk realizēt, paplašinot superstarojuma pastiprināšanas procesu un izmantojot impulsu saīsināšanas priekšrocības solitonam līdzīgā režīmā.