TW klassi attosekundiline röntgenimpulsslaser

TW klassi attosekundiline röntgenimpulsslaser
Attosekundiline röntgenimpulss lasersuure võimsusega ja lühikese impulsi kestusega on ülikiire mittelineaarse spektroskoopia ja röntgendifraktsioonipildi saavutamise võti. Ameerika Ühendriikide uurimisrühm kasutas kaheastmelist kaskaadiRöntgenivaba elektronlaseriddiskreetsete attosekundiliste impulsside väljastamiseks. Võrreldes olemasolevate aruannetega suurendatakse impulsside keskmist tippvõimsust suurusjärgu võrra, maksimaalne tippvõimsus on 1, 1 TW ja mediaanenergia on üle 100 μJ. Uuring pakub ka tugevaid tõendeid solitonilaadse superkiirguse käitumise kohta röntgeniväljas.Suure energiatarbega laseridon ajendanud paljusid uusi uurimisvaldkondi, sealhulgas kõrgvälja füüsika, attosekundi spektroskoopia ja laserosakeste kiirendid. Igasuguste laserite hulgas kasutatakse röntgenikiirgust laialdaselt meditsiinilises diagnostikas, tööstuslike vigade tuvastamises, ohutuskontrollis ja teadusuuringutes. Röntgenivaba elektronlaser (XFEL) võib suurendada röntgenikiirguse tippvõimsust mitme suurusjärgu võrra võrreldes teiste röntgenikiirguse genereerimise tehnoloogiatega, laiendades seega röntgenikiirguse rakendamist mittelineaarse spektroskoopia ja ühekordse spektroskoopia valdkonnas. osakeste difraktsioonpildistamine, kus on vaja suurt võimsust. Hiljutine edukas attosekundiline XFEL on suur saavutus attosekundiliste teaduse ja tehnoloogia vallas, suurendades saadaolevat tippvõimsust enam kui kuue suurusjärgu võrra võrreldes lauaröntgenikiirguse allikatega.

Vaba elektronlaseridsuudab saada spontaansest emissioonitasemest mitu suurusjärku suuremat impulsienergiat, kasutades kollektiivset ebastabiilsust, mis on põhjustatud relativistlikus elektronkiire ja magnetostsillaatori kiirgusvälja pidevast vastasmõjust. Kõva röntgenkiirguse vahemikus (lainepikkusega umbes 0,01 nm kuni 0,1 nm) saavutatakse FEL kimbu kokkusurumise ja küllastusjärgse koonuse tehnikaga. Pehme röntgenkiirguse vahemikus (lainepikkusega umbes 0,1 nm kuni 10 nm) rakendatakse FEL-i värske viilu tehnoloogia kaskaadtehnoloogia abil. Hiljuti on teatatud, et täiustatud isevõimendatud spontaanse emissiooni (ESASE) meetodil on genereeritud attosekundilised impulsid tippvõimsusega 100 GW.

Uurimisrühm kasutas kaheastmelist XFEL-il põhinevat võimendussüsteemi, et võimendada pehme röntgenkiirguse attosekundilist impulsi linaki koherentselt.valgusallikasTW tasemele, mis on teatatud tulemustega võrreldes suurusjärgus paranemine. Eksperimentaalne seadistus on näidatud joonisel 1. ESASE meetodi alusel moduleeritakse fotokatoodi emitterit, et saada suure vooluhulgaga elektronkiir, ja seda kasutatakse attosekundiliste röntgenimpulsside genereerimiseks. Algimpulss asub elektronkiire teraviku esiservas, nagu on näidatud joonise 1 vasakpoolses ülanurgas. Kui XFEL jõuab küllastumiseni, viivitatakse elektronkiir röntgenikiirguse suhtes magnetkompressori abil. ja seejärel interakteerub impulss elektronkiirega (värske viil), mida ESASE modulatsioon ega FEL-laser ei modifitseeri. Lõpuks kasutatakse röntgenkiirte edasiseks võimendamiseks teist magnetilist undulaatorit attosekundiliste impulsside ja värske lõigu koostoime kaudu.

joonisel fig. 1 katseseadme diagramm; Joonisel on kujutatud pikisuunaline faasiruum (elektroni aja-energia diagramm, roheline), vooluprofiil (sinine) ja esimest järku võimendusega tekitatud kiirgus (lilla). XTCAV, X-riba põikõõnsus; cVMI, koaksiaalne kiirkaardistamise pildisüsteem; FZP, Fresneli riba plaadi spektromeeter

Kõik attosekundilised impulsid on üles ehitatud mürast, seega on igal impulssil erinevad spektri- ja ajadomeeni omadused, mida teadlased uurisid üksikasjalikumalt. Spektrite osas kasutasid nad Fresneli riba plaatspektromeetrit, et mõõta üksikute impulsside spektreid erinevatel ekvivalentsetel lainetajate pikkustel, ja avastasid, et need spektrid säilitasid sujuvad lainekujud ka pärast sekundaarset võimendust, mis näitab, et impulsid jäid unimodaalseks. Ajapiirkonnas mõõdetakse nurkääri ja iseloomustatakse impulsi ajapiirkonna lainekuju. Nagu on näidatud joonisel 1, kattub röntgenikiirguse impulss ringpolariseeritud infrapuna laserimpulsiga. Röntgenimpulssiga ioniseeritud fotoelektronid tekitavad infrapunalaseri vektoripotentsiaalile vastupidises suunas triipe. Kuna laseri elektriväli ajas pöörleb, määrab fotoelektroni impulsi jaotuse elektronide emissiooni aeg ning emissiooniaja nurkrežiimi ja fotoelektroni impulssjaotuse vaheline seos. Fotoelektronide impulsi jaotust mõõdetakse koaksiaalse kiire kaardistamise pildispektromeetri abil. Jaotuse ja spektritulemuste põhjal saab rekonstrueerida attosekundiliste impulsside aja-domeeni lainekuju. Joonisel 2 (a) on näidatud impulsi kestuse jaotus, mille mediaan on 440 as. Lõpuks kasutati impulsi energia mõõtmiseks gaasi jälgimise detektorit ja arvutati impulsi tippvõimsuse ja impulsi kestuse vaheline hajuvusgraafik, nagu on näidatud joonisel 2 (b). Kolm konfiguratsiooni vastavad erinevatele elektronkiire teravustamise tingimustele, lainetuse koonuse tingimustele ja magnetkompressori viivitustingimustele. Kolm konfiguratsiooni andsid impulsi keskmiseks energiaks vastavalt 150, 200 ja 260 µJ maksimaalse tippvõimsusega 1,1 TW.

Joonis 2. a) Poolkõrguse täislaiuse (FWHM) impulsi kestuse jaotushistogramm; b ) tippvõimsusele ja impulsi kestusele vastav hajuvusdiagramm

Lisaks täheldati uuringus esmakordselt ka solitonilaadse superemissiooni nähtust röntgeniribas, mis ilmneb pideva impulsi lühenemisena võimendamise ajal. See on põhjustatud tugevast elektronide ja kiirguse vastasmõjust, kusjuures energia kandub kiiresti elektronilt röntgenimpulsi pähe ja impulsi sabast tagasi elektroni. Selle nähtuse põhjaliku uurimise kaudu eeldatakse, et lühema kestusega ja suurema tippvõimsusega röntgenimpulsse saab veelgi realiseerida, pikendades superkiirguse võimendusprotsessi ja kasutades ära impulsi lühendamist solitonilaadses režiimis.