TW-klasse Attosekund røntgenpulslaser

TW-klasse Attosekund røntgenpulslaser
Attosekund røntgenPulslaserMed høy kraft og kort pulsvarighet er nøkkelen til å oppnå ultrahast ikke-lineær spektroskopi og røntgenstrålediffraksjonsavbildning. Forskerteamet i USA brukte en kaskade av to-trinnsRøntgenfrie elektronlasereå sende ut diskrete attosekundpulser. Sammenlignet med eksisterende rapporter økes den gjennomsnittlige toppkraften til pulsen med en størrelsesorden, den maksimale toppkraften er 1,1 TW, og medianenergien er mer enn 100 μJ. Studien gir også sterke bevis for solitonlignende superradiasjonsatferd i røntgenfeltet.Lasere med høy energihar drevet mange nye forskningsområder, inkludert fysikk med høy felt, attosekundspektroskopi og laserpartikkelakseleratorer. Blant alle slags lasere er røntgenbilder mye brukt i medisinsk diagnose, industriell feildeteksjon, sikkerhetsinspeksjon og vitenskapelig forskning. Røntgenfrie elektronlaser (XFEL) kan øke den topp røntgenkraften med flere størrelsesordener sammenlignet med andre røntgenproduksjonsteknologier, og dermed utvide anvendelsen av røntgenbilder til feltet ikke-lineær spektroskopi og en-partikkel diffraksjonsbilde der det kreves høy effekt. Den nylige vellykkede Attosecond XFEL er en viktig prestasjon innen Attosecond Science and Technology, noe som øker den tilgjengelige toppkraften med mer enn seks størrelsesordener sammenlignet med røntgenkilder med benchtop.

Gratis elektronlaserekan oppnå pulsenergier Mange størrelsesordener høyere enn det spontane utslippsnivået ved bruk av kollektiv ustabilitet, som er forårsaket av den kontinuerlige interaksjonen mellom strålingsfeltet i den relativistiske elektronstrålen og den magnetiske oscillatoren. I det harde røntgenområdet (ca. 0,01 nm til 0,1 nm bølgelengde) oppnås FEL ved buntkomprimering og ettermatningskonjeteknikker. I det myke røntgenområdet (ca. 0,1 nm til 10 nm bølgelengde) implementeres FEL av Cascade Fresh-Slice Technology. Nylig er det rapportert at ATTOSECOND-pulser med en toppkraft på 100 GW ble generert ved bruk av den forbedrede selvforsterkede spontan emisjonsmetoden (ESASE).

Forskerteamet brukte et to-trinns amplifiseringssystem basert på XFEL for å forsterke den myke røntgen-attosekund-pulsutgangen fra LINAC CoherentlyskildeTil TW -nivå rapporterte en rekkefølge av størrelsesforbedring over resultatene. Det eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1. Basert på ESASE-metoden er fotokathode-emitteren modulert for å oppnå en elektronstråle med en høy strømpigge, og brukes til å generere attosekund røntgenpulser. Den innledende pulsen er plassert i forkanten av piggen til elektronstrålen, som vist i øvre venstre hjørne av figur 1. Når XFEL når metning, blir elektronstrålen forsinket i forhold til røntgenstråten med en magnetisk kompressor, og deretter samhandler pulsen med elektronstrålen (frisk skive) som ikke er modifisert av esase-modulasjonen eller fel-lasen. Til slutt brukes en andre magnetisk undulator for å forsterke røntgenstrålene ytterligere gjennom samspillet mellom attosekundpulser med den friske skiven.

Fig. 1 eksperimentelt enhetsdiagram; Illustrasjonen viser det langsgående faseområdet (tidsenergi-diagram over elektronet, grønt), den nåværende profilen (blå) og strålingen produsert ved førsteordens amplifisering (lilla). XTCAV, X-bånd tverrgående hulrom; CVMI, koaksial hurtig kartleggingssystem; FZP, Fresnel Band Plate Spectrometer

Alle attosekundpulser er bygget av støy, så hver puls har forskjellige spektrale og tidsdomeneegenskaper, som forskerne utforsket nærmere. Når det gjelder spektre, brukte de et Fresnel -båndplatespektrometer for å måle spektra for individuelle pulser i forskjellige ekvivalente undulatorlengder, og fant at disse spektrene opprettholdt glatte bølgeformer selv etter sekundær amplifisering, noe som indikerte at pulsen forble unimodale. I tidsdomenet måles vinkelkanten og tidsdomenbølgeformen til pulsen er karakterisert. Som vist i figur 1 er røntgenpulsen overlappet med den sirkulært polariserte infrarøde laserpulsen. Fotoelektronene som er ionisert av røntgenpulsen vil produsere streker i retningen motsatt av vektorpotensialet til den infrarøde laseren. Fordi det elektriske feltet til laseren roterer med tiden, bestemmes momentumfordelingen av fotoelektronet på tidspunktet for elektronutslipp, og forholdet mellom utslippstiden for vinkelmodus og momentumfordelingen av fotoelektronet er etablert. Distribusjonen av fotoelektronmomentet måles ved bruk av et koaksialt hurtig kartleggingsspektrometer. Basert på distribusjons- og spektrale resultater, kan bølgeformen for attosekundpulser rekonstrueres. Figur 2 (a) viser fordelingen av pulsvarighet, med en median på 440 AS. Til slutt ble gassovervåkningsdetektoren brukt til å måle pulsenergien, og spredningsplottet mellom topppulsekraften og pulsvarigheten som vist i figur 2 (b) ble beregnet. De tre konfigurasjonene tilsvarer forskjellige forhold til elektronstråle, vaklende kongingsforhold og magnetisk kompressorforsinkelsesbetingelser. De tre konfigurasjonene ga gjennomsnittlig pulsenergier på henholdsvis 150, 200 og 260 uj, med en maksimal topp effekt på 1,1 TW.

Figur 2. (a) Distribusjonshistogram med halvhøyde full bredde (FWHM) pulsvarighet; (b) Spredningsplott som tilsvarer toppkraft og pulsvarighet

I tillegg observerte studien også for første gang fenomenet Soliton-lignende superemisjon i røntgenbåndet, som fremstår som en kontinuerlig pulsforkortelse under amplifisering. Det er forårsaket av en sterk interaksjon mellom elektroner og stråling, med energi raskt overført fra elektronet til hodet på røntgenpulsen og tilbake til elektronet fra halen til pulsen. Gjennom en grundig studie av dette fenomenet, forventes det at røntgenpulser med kortere varighet og høyere toppkraft kan realiseres ytterligere ved å utvide superradiasjons amplifiseringsprosessen og dra nytte av pulsforkortelse i Soliton-lignende modus.