TW klasse attosecond røntgenpulslaser

TW klasse attosecond røntgenpulslaser
Attosecond røntgenpulslasermed høy effekt og kort pulsvarighet er nøkkelen for å oppnå ultrarask ikke-lineær spektroskopi og røntgendiffraksjonsavbildning. Forskerteamet i USA brukte en to-trinns kaskadeRøntgenfrie elektronlasereå sende ut diskrete attosekundpulser. Sammenlignet med eksisterende rapporter økes den gjennomsnittlige toppeffekten til pulsene med en størrelsesorden, maksimal toppeffekt er 1,1 TW, og medianenergien er mer enn 100 μJ. Studien gir også sterke bevis for soliton-lignende superstrålingsadferd i røntgenfeltet.Høyenergilaserehar drevet mange nye forskningsområder, inkludert høyfeltsfysikk, attosekundspektroskopi og laserpartikkelakseleratorer. Blant alle typer lasere er røntgenstråler mye brukt i medisinsk diagnose, industriell feildeteksjon, sikkerhetsinspeksjon og vitenskapelig forskning. Røntgenfrielektronlaseren (XFEL) kan øke den maksimale røntgeneffekten med flere størrelsesordener sammenlignet med andre røntgengenereringsteknologier, og dermed utvide bruken av røntgenstråler til feltet for ikke-lineær spektroskopi og enkelt- partikkeldiffraksjonsavbildning der det kreves høy effekt. Den nylige suksessrike attosecond XFEL er en stor prestasjon innen attosecond vitenskap og teknologi, og øker den tilgjengelige toppeffekten med mer enn seks størrelsesordener sammenlignet med benchtop røntgenkilder.

Gratis elektronlaserekan oppnå pulsenergier mange størrelsesordener høyere enn det spontane utslippsnivået ved bruk av kollektiv ustabilitet, som er forårsaket av den kontinuerlige interaksjonen av strålingsfeltet i den relativistiske elektronstrålen og den magnetiske oscillatoren. I det harde røntgenområdet (omtrent 0,01 nm til 0,1 nm bølgelengde) oppnås FEL ved buntkomprimering og kjegleteknikker etter metning. I det myke røntgenområdet (omtrent 0,1 nm til 10 nm bølgelengde), er FEL implementert av kaskade fersk-slice-teknologi. Nylig er det rapportert at attosekundpulser med en toppeffekt på 100 GW ble generert ved bruk av den forbedrede selvforsterkede spontane emisjonsmetoden (ESASE).

Forskerteamet brukte et to-trinns forsterkningssystem basert på XFEL for å forsterke den myke røntgen-attosekundpulsutgangen fra linac-koherentenlyskildetil TW-nivået, en forbedring i størrelsesorden i forhold til rapporterte resultater. Forsøksoppsettet er vist i figur 1. Basert på ESASE-metoden moduleres fotokatodeemitteren for å oppnå en elektronstråle med høy strømspyd, og brukes til å generere attosekunderrøntgenpulser. Den initiale pulsen er plassert ved forkanten av spissen til elektronstrålen, som vist i øvre venstre hjørne av figur 1. Når XFEL når metning, forsinkes elektronstrålen i forhold til røntgenstrålen av en magnetisk kompressor, og så samhandler pulsen med elektronstrålen (fersk skive) som ikke er modifisert av ESASE-modulasjonen eller FEL-laseren. Til slutt brukes en andre magnetisk undulator for å forsterke røntgenstrålene ytterligere gjennom interaksjonen av attosekundpulser med den ferske skiven.

FIG. 1 Eksperimentelt enhetsdiagram; Illustrasjonen viser det langsgående faserommet (tid-energidiagram av elektronet, grønt), strømprofilen (blå) og strålingen produsert ved førsteordens forsterkning (lilla). XTCAV, X-bånd tverrgående hulrom; cVMI, koaksialt hurtigkartleggingssystem; FZP, Fresnel-båndplatespektrometer

Alle attosekundpulser er bygget av støy, så hver puls har forskjellige spektral- og tidsdomeneegenskaper, som forskerne utforsket mer detaljert. Når det gjelder spektre, brukte de et Fresnel-båndplatespektrometer for å måle spektrene til individuelle pulser ved forskjellige ekvivalente undulatorlengder, og fant ut at disse spektrene opprettholdt jevne bølgeformer selv etter sekundær forsterkning, noe som indikerer at pulsene forble unimodale. I tidsdomenet måles vinkelkanten og tidsdomenebølgeformen til pulsen karakteriseres. Som vist i figur 1, overlappes røntgenpulsen med den sirkulært polariserte infrarøde laserpulsen. Fotoelektronene ionisert av røntgenpulsen vil produsere striper i retning motsatt av vektorpotensialet til den infrarøde laseren. Fordi laserens elektriske felt roterer med tiden, bestemmes momentumfordelingen til fotoelektronet av tidspunktet for elektronemisjon, og forholdet mellom vinkelmodusen til emisjonstiden og momentumfordelingen til fotoelektronet etableres. Fordelingen av fotoelektronmomentum måles ved hjelp av et koaksialt hurtigkartleggingsbildespektrometer. Basert på fordelingen og spektralresultatene kan tidsdomenebølgeformen til attosekundpulser rekonstrueres. Figur 2 (a) viser fordelingen av pulsvarighet, med en median på 440 as. Til slutt ble gassovervåkingsdetektoren brukt til å måle pulsenergien, og spredningsplottet mellom topppulseffekten og pulsvarigheten som vist i figur 2 (b) ble beregnet. De tre konfigurasjonene korresponderer med forskjellige elektronstrålefokuseringsforhold, bølgekoningsforhold og magnetiske kompressorforsinkelsesforhold. De tre konfigurasjonene ga gjennomsnittlige pulsenergier på henholdsvis 150, 200 og 260 µJ, med en maksimal toppeffekt på 1,1 TW.

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

I tillegg observerte studien også for første gang fenomenet soliton-lignende superemisjon i røntgenbåndet, som vises som en kontinuerlig pulsforkortelse under forsterkning. Det er forårsaket av en sterk interaksjon mellom elektroner og stråling, med energi som raskt overføres fra elektronet til hodet på røntgenpulsen og tilbake til elektronet fra halen av pulsen. Gjennom dybdestudier av dette fenomenet forventes det at røntgenpulser med kortere varighet og høyere toppeffekt kan realiseres ytterligere ved å utvide superstrålingsforsterkningsprosessen og dra nytte av pulsforkorting i soliton-lignende modus.