Tw klassi attosekund röntgenikiirguse impulsslaser

Tw klassi attosekund röntgenikiirguse impulsslaser
Attosekund röntgenikiirguspulsslaserSuure võimsusega ja lühikese impulsi kestusega on võti ultrafastide mittelineaarse spektroskoopia ja röntgendifraktsiooni kujutise saavutamiseks. Ameerika Ühendriikide uurimisrühm kasutas kaheastmelise kaskaadiRöntgenikiirguse elektronlaseridVälja tuua diskreetsed attosekundid impulsid. Võrreldes olemasolevate aruannetega suureneb impulsside keskmine tippvõimsus suurusjärgu võrra, maksimaalne tippvõimsus on 1,1 TW ja keskmine energia on üle 100 μJ. Uuring sisaldab ka kindlaid tõendeid üksindataolise superradiatsioonikäitumise kohta röntgenikiirgus.Kõrge energiaga laseridon juhtinud paljusid uusi uurimisvaldkondi, sealhulgas kõrgvälja füüsika, attosekundi spektroskoopia ja laserosakeste kiirendid. Igasuguste laserite hulgas kasutatakse röntgenikiirgust laialdaselt meditsiinilise diagnoosimise, tööstusliku vea tuvastamise, ohutuskontrolli ja teadusuuringute korral. Röntgenikiirguse vabaelektronlaser (XFEL) võib suurendada tipptasemel röntgenikiirguse võimsust võrreldes teiste röntgenikiirguse genereerimistehnoloogiatega, laiendades sellega röntgenikiirguse rakendamist mittelineaarse spektroskoopia väljale ja üheosalise difraktsiooni pildile, kus on vaja suurt võimsust. Hiljutine edukas AttoseCond XFEL on attosekundi teaduse ja tehnoloogia peamine saavutus, suurendades saadaolevat tippvõimsust enam kui kuue suurusjärgu võrra võrreldes võrreldes Benchtop-röntgenikiirguse allikatega.

Tasuta elektronlaridVõib saada impulssienergiaid palju suurusjärgus, mis on kõrgemad kui spontaanne emissiooni tase, kasutades kollektiivset ebastabiilsust, mille põhjuseks on kiirgusvälja pidev interaktsioon relativistlikus elektronkiimis ja magnet ostsillaatoris. Kõvas röntgenikiirgus (umbes 0,01 nm kuni 0,1 nm lainepikkust) saavutatakse Fel kimbu kokkusurumise ja poosajärgse koostamise tehnikate abil. Pehme röntgenikiirguse vahemikus (umbes 0,1 nm kuni 10 nm lainepikkus) rakendab Fel Cascade Fresh Slice'i tehnoloogia. Hiljuti on teatatud, et attosekundilised impulsid, mille maksimaalne võimsus on 100 GW, genereeritakse täiustatud iseenda võimendatud spontaanse emissiooni (ESASa) meetodi abil.

Uurimisrühm kasutas XFEL-il põhinevat kaheastmelist amplifikatsioonisüsteemi, et võimendada pehmet röntgenikiirguse antsekundi impulsi väljundit Linaci koherentseltvalgusallikasTW -tasemel on teatatud tulemuste suurusjärku paranemine. Eksperimentaalne seadistus on näidatud joonisel 1. ESASase meetodi põhjal moduleeritakse fotokatoodi emitter, et saada suure voolukesega elektronkiire ja seda kasutatakse attosekundi röntgenikiirguse impulsside genereerimiseks. Esialgne impulss asub elektronkiire teraviku esiservas, nagu on näidatud joonise 1 vasakus ülanurgas. Kui XFEL jõuab küllastumiseni, lükatakse elektronkiire röntgenikiirguse võrreldes magnetilise kompressori abil ja seejärel interakteerub impulss elektronkiirega (värsket slice), mida ei modifitseerita esaasmoodul või lese. Lõpuks kasutatakse röntgenikiirte edasiseks amplifitseerimiseks teist magnetilist uiskaatorit attosekundiliste impulsside interaktsiooni kaudu värske viiluga.

Joonis fig. 1 eksperimentaalne seadme diagramm; Illustratsioon näitab pikisuunalist faasiruumi (elektroni aja-, roheline), praegune profiil (sinine) ja esimese astme amplifikatsiooni (lilla) tekitatud kiirgus. XTCAV, X-riba põiki õõnsus; CVMI, koaksiaalne kiire kaardistamise süsteem; FZP, Fresneli riba plaadi spektromeeter

Kõik attosekundid impulsid on üles ehitatud mürast, nii et igal pulsil on erinevad spektri- ja aja domeeni omadused, mida teadlased üksikasjalikumalt uurisid. Spektrite osas kasutasid nad üksikute impulsside spektrite mõõtmiseks erineva ekvivalendi pikkusega Fresneli ribaplaadi spektromeetrit ja leidsid, et need spektrid säilitasid siledad lainekujud isegi pärast sekundaarset amplifikatsiooni, mis näitab, et impulsid jäid ühemodaalseks. Ajakohas mõõdetakse nurga erisoodustust ja iseloomustatakse impulsi ajadomeeni lainekuju. Nagu on näidatud joonisel 1, kattub röntgenikiirguse impulss ümmarguse polariseeritud infrapunalise laserimpulsiga. Röntgeniimpulsiga ioniseeritud fotoelektronid tekitavad triipe infrapunalaseri vektoripotentsiaali vastas suunas. Kuna laseri elektriväli pöörleb ajaga, määratakse fotoelektroni impulsijaotus elektronide emissiooni aja järgi ning luuakse emissiooni aja nurgarežiimi ja fotoelektroni impulsijaotuse vaheline seos. Fotoelektroni impulsi jaotust mõõdetakse koaksiaalse kiire kaardistamise spektromeetri abil. Jaotustulemuste ja spektri tulemuste põhjal saab rekonstrueerida attosekundide impulsside ajadomeeni lainekuju. Joonis 2 (a) näitab impulsi kestuse jaotust, mediaan 440 As. Lõpuks kasutati impulsi energia mõõtmiseks gaasiseiretektorit ja arvutati hajumise graafik maksimaalse impulsi võimsuse ja impulsi kestuse vahel, nagu on näidatud joonisel 2 (b). Kolm konfiguratsiooni vastavad erinevatele elektronkiire keskendumistingimustele, lainete kondiitingimustele ja magnetilise kompressori viivituse tingimustele. Kolm konfiguratsiooni andsid keskmise impulssienergia vastavalt 150, 200 ja 260 µJ, maksimaalse tippvõimsusega 1,1 TW.

Joonis 2. (A) poolkõrguse täislaiuse (FWHM) impulsi kestuse jaotuse histogramm; b) hajumise graafik, mis vastab tippvõimsusele ja impulsi kestusele

Lisaks täheldati uuringus esimest korda röntgenikiirguse riba üksikliiliku superemissioni nähtust, mis näib amplifikatsiooni ajal pideva impulsi lühenemisena. Selle põhjuseks on tugev interaktsioon elektronide ja kiirguse vahel, kuna energia kantakse elektronist kiiresti röntgenikiirguse impulsipeale ja tagasi elektronile impulsi sabast. Selle nähtuse põhjaliku uurimise kaudu on eeldatav, et lühema kestusega ja suurema tippvõimsusega röntgenikiirguse impulsid saab täiendavalt realiseerida, laiendades superradiatsiooni amplifikatsiooniprotsessi ja kasutades ära pulsi lühenemist Soliton-laadses režiimis.