TW-klasse attosekund røntgenpulslaser

TW-klasse attosekund røntgenpulslaser
Attosekund røntgenstrålepulslasermed høy effekt og kort pulsvarighet er nøkkelen til å oppnå ultrahurtig ikke-lineær spektroskopi og røntgendiffraksjonsavbildning. Forskningsteamet i USA brukte en kaskade av to-trinnsRøntgenfrie elektronlasereå sende ut diskrete attosekundpulser. Sammenlignet med eksisterende rapporter økes den gjennomsnittlige toppeffekten til pulsene med en størrelsesorden, den maksimale toppeffekten er 1,1 TW, og medianenergien er mer enn 100 μJ. Studien gir også sterke bevis for solitonlignende superstrålingsatferd 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 topprøntgeneffekten med flere størrelsesordener sammenlignet med andre røntgengenereringsteknologier, og dermed utvide bruken av røntgenstråler til feltet ikke-lineær spektroskopi og diffraksjonsavbildning av enkeltpartikler der høy effekt er nødvendig. Den nylige vellykkede attosekund-XFEL er en stor prestasjon innen attosekundvitenskap og -teknologi, og øker den tilgjengelige toppeffekten med mer enn seks størrelsesordener sammenlignet med stasjonære røntgenkilder.

Frie elektronlaserekan oppnå pulsenergier mange størrelsesordener høyere enn det spontane emisjonsnivået ved å bruke kollektiv ustabilitet, som er forårsaket av den kontinuerlige interaksjonen mellom 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 hjelp av buntkompresjon og ettermetningskoningsteknikker. I det myke røntgenområdet (omtrent 0,1 nm til 10 nm bølgelengde) implementeres FEL ved hjelp av kaskade-fersk-skive-teknologi. Nylig har det blitt rapportert at attosekundpulser med en toppeffekt på 100 GW genereres ved hjelp av den forbedrede selvforsterkede spontane emisjonsmetoden (ESASE).

Forskningsteamet brukte et to-trinns forsterkningssystem basert på XFEL for å forsterke den myke røntgen-attosekundpulsutgangen fra den lineære ac-koherente transformatoren.lyskildetil TW-nivået, en forbedring av størrelsesordenen i forhold til rapporterte resultater. Det eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1. Basert på ESASE-metoden moduleres fotokatodeemitteren for å oppnå en elektronstråle med en høy strømspiss, og brukes til å generere attosekund-røntgenpulser. Den første pulsen er plassert i forkant av spissen på 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 deretter samhandler pulsen med elektronstrålen (fersk skive) som ikke er modifisert av ESASE-modulasjonen eller FEL-laseren. Til slutt brukes en andre magnetisk undulator til å forsterke røntgenstrålene ytterligere gjennom samspillet mellom attosekundpulser og den ferske skiven.

FIG. 1 Diagram over eksperimentell enhet; Illustrasjonen viser det longitudinelle faserommet (tid-energidiagram for elektronet, grønt), strømprofilen (blått) og strålingen produsert ved førsteordens forsterkning (lilla). XTCAV, X-bånds tverrgående hulrom; cVMI, koaksialt hurtigkartleggingssystem for avbildning; FZP, Fresnel-båndplatespektrometer

Alle attosekundpulser er bygget opp av støy, så hver puls har forskjellige spektrale 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 at disse spektrene opprettholdt jevne bølgeformer selv etter sekundær forsterkning, noe som indikerer at pulsene forble unimodale. I tidsdomenet måles vinkelfransen 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 motsatt retning av vektorpotensialet til den infrarøde laseren. Fordi laserens elektriske felt roterer med tiden, bestemmes fotoelektronets momentumfordeling av tiden for elektronutslipp, og forholdet mellom vinkelmodusen for utslippstiden og fotoelektronets momentumfordeling etableres. Fordelingen av fotoelektronmomentum måles ved hjelp av et koaksialt hurtigkartleggingsavbildningsspektrometer. Basert på fordelingen og de spektrale resultatene kan tidsdomenebølgeformen til attosekundpulser rekonstrueres. Figur 2 (a) viser fordelingen av pulsvarighet, med en median på 440 µJ. 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, waver-koningsforhold 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) Fordelingshistogram for pulsvarighet i halv høyde og full bredde (FWHM); (b) Spredningsplott som tilsvarer toppeffekt og pulsvarighet

I tillegg observerte studien for første gang fenomenet solitonlignende superemisjon i røntgenbåndet, som fremstår som en kontinuerlig pulsforkorting under forsterkning. Dette er forårsaket av en sterk interaksjon mellom elektroner og stråling, der energi raskt overføres fra elektronet til hodet på røntgenpulsen og tilbake til elektronet fra pulsens hale. Gjennom en grundig studie 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 solitonlignende modus.