TW-klassi attosekundiline röntgenimpulsslaser

TW-klassi attosekundiline röntgenimpulsslaser
Attosekundiline röntgenikiirgusimpulsslaserSuure võimsuse ja lühikese impulsi kestusega on ülikiire mittelineaarse spektroskoopia ja röntgendifraktsiooni pildistamise võtmeks. Ameerika Ühendriikide uurimisrühm kasutas kaheastmelist kaskaadiRöntgenivabad elektronlaseriddiskreetsete attosekundiliste impulsside väljastamiseks. Võrreldes olemasolevate aruannetega on impulsside keskmine tippvõimsus suurusjärgu võrra suurem, maksimaalne tippvõimsus on 1,1 TW ja mediaanenergia on üle 100 μJ. Uuring annab ka tugevaid tõendeid solitonilaadse superkiirguse käitumise kohta röntgenikiirguse väljas.Suure energiaga laseridon edendanud paljusid uusi uurimisvaldkondi, sealhulgas kõrgväljafüüsikat, attosekundilist spektroskoopiat ja laserosakeste kiirendeid. Kõigist laseritüüpidest kasutatakse röntgenikiirgust laialdaselt meditsiinilises diagnostikas, tööstusvigade tuvastamisel, ohutuskontrollis ja teadusuuringutes. Röntgenvabade elektronide laser (XFEL) suudab suurendada röntgenikiirguse tippvõimsust mitme suurusjärgu võrra võrreldes teiste röntgenikiirguse genereerimise tehnoloogiatega, laiendades seeläbi röntgenikiirguse rakendust mittelineaarse spektroskoopia ja üksikosakeste difraktsiooni pildistamise valdkonda, kus on vaja suurt võimsust. Hiljutine edukas attosekundiline XFEL on suur saavutus attosekundilises teaduses ja tehnoloogias, suurendades saadaolevat tippvõimsust enam kui kuue suurusjärgu võrra võrreldes lauaarvutite röntgenikiirgusallikatega.

Vabade elektronide laseridKollektiivse ebastabiilsuse abil, mis on tingitud relativistliku elektronkiire ja magnetostsillaatori kiirgusvälja pidevast vastastikmõjust, on võimalik saada impulsienergiaid, mis on mitu suurusjärku kõrgemad spontaanse emissiooni tasemest. See tase on tingitud relativistliku elektronkiire ja magnetostsillaatori kiirgusvälja pidevast vastastikmõjust. Kõva röntgenkiirguse vahemikus (lainepikkus umbes 0,01 nm kuni 0,1 nm) saavutatakse FEL kimpude kokkusurumise ja küllastusjärgse koonustamise tehnikate abil. Pehme röntgenkiirguse vahemikus (lainepikkus umbes 0,1 nm kuni 10 nm) rakendatakse FEL-i kaskaadse värske viilu tehnoloogia abil. Hiljuti on teatatud attosekundiliste impulsside genereerimisest tippvõimsusega 100 GW, kasutades täiustatud isevõimendatud spontaanse emissiooni (ESASE) meetodit.

Uurimisrühm kasutas lineaarkiirendajast tuleva pehme röntgenkiirguse attosekundilise impulsi väljundi võimendamiseks XFEL-il põhinevat kaheastmelist võimendussüsteemi.valgusallikasTW tasemele, mis on suurusjärgu võrra parem kui avaldatud tulemused. Eksperimentaalne ülesehitus on näidatud joonisel 1. ESASE meetodil moduleeritakse fotokatoodi emitterit, et saada suure vooluimpulsiga elektronkiir, ja seda kasutatakse attosekundiliste röntgenikiirguse impulsside genereerimiseks. Esialgne impulss asub elektronkiire impulsi esiservas, nagu on näidatud joonise 1 vasakus ülanurgas. Kui XFEL saavutab küllastuse, viivitatakse elektronkiirt röntgenikiirguse suhtes magnetilise kompressori abil ja seejärel interakteerub impulss elektronkiirega (värske viiluga), mida ESASE modulatsioon või FEL laser ei modifitseeri. Lõpuks kasutatakse teist magnetilist undulaatorit röntgenikiirte edasiseks võimendamiseks attosekundiliste impulsside ja värske viilu interaktsiooni kaudu.

JOONIS 1. Eksperimentaalse seadme diagramm; Illustratsioon näitab pikisuunalist faasiruumi (elektroni aja-energia diagramm, roheline), vooluprofiili (sinine) ja esimese järgu võimenduse tekitatud kiirgust (lilla). XTCAV, X-riba põikõõnsus; cVMI, koaksiaalne kiire kaardistamise pildistamissüsteem; FZP, Fresneli riba plaadispektromeeter

Kõik attosekundilised impulsid koosnevad mürast, seega on igal impulsil erinevad spektraalsed ja ajadomeeni omadused, mida teadlased uurisid üksikasjalikumalt. Spektrite osas kasutasid nad Fresneli riba plaadispektromeetrit, et mõõta üksikute impulsside spektreid erinevatel ekvivalentsetel undulaatori pikkustel, ja leidsid, et need spektrid säilitasid sujuvad lainekujud ka pärast sekundaarset võimendamist, mis näitab, et impulsid jäid unimodaalseks. Ajadomeenis mõõdetakse nurkriba ja iseloomustatakse impulsi ajadomeeni lainekuju. Nagu joonisel 1 näidatud, kattub röntgenikiirguse impulss ringpolariseeritud infrapunalaserimpulsiga. Röntgenikiirguse impulsi poolt ioniseeritud fotoelektronid tekitavad triipe infrapunalaseri vektorpotentsiaalile vastupidises suunas. Kuna laseri elektriväli pöörleb ajaga, määrab fotoelektroni impulsijaotuse elektronide emissiooni aeg ning määratakse seos emissiooniaja nurkmoodi ja fotoelektroni impulsijaotuse vahel. Fotoelektroni impulsijaotust mõõdetakse koaksiaalse kiire kaardistamise pildistamisspektromeetri abil. Jaotuse ja spektraaltulemuste põhjal saab rekonstrueerida attosekundiliste impulsside ajadomeeni lainekuju. Joonis 2 (a) näitab impulsi kestuse jaotust, mille mediaan on 440 as. Lõpuks kasutati impulsi energia mõõtmiseks gaasimonitooringu detektorit ja arvutati hajuvusdiagramm impulsi tippvõimsuse ja impulsi kestuse vahel, nagu on näidatud joonisel 2 (b). Kolm konfiguratsiooni vastavad erinevatele elektronkiire fokuseerimistingimustele, lainekoonuse tingimustele ja magnetilise kompressori viivitustingimustele. Kolm konfiguratsiooni andsid keskmised impulsi energiad vastavalt 150, 200 ja 260 µJ, maksimaalse tippvõimsusega 1,1 TW.

Joonis 2. (a) Poolkõrguse ja täislaiuse (FWHM) impulsi kestuse jaotuse histogramm; (b) Tippvõimsusele ja impulsi kestusele vastav hajuvusdiagramm

Lisaks täheldati uuringus esmakordselt röntgenikiirguse ribas solitonilaadse superemissiooni nähtust, mis avaldub pideva impulsi lühenemisena amplifikatsiooni ajal. Selle põhjustab elektronide ja kiirguse tugev vastastikmõju, kus energia kandub kiiresti elektronist röntgenikiirguse impulsi pähe ja tagasi elektronile impulsi sabast. Selle nähtuse põhjaliku uurimise abil eeldatakse, et lühema kestusega ja suurema tippvõimsusega röntgenikiirguse impulsse saab veelgi realiseerida, pikendades superkiirguse võimendamise protsessi ja kasutades ära impulsi lühenemist solitonilaadses režiimis.