Атосекунден рентгенов импулсен лазер от клас TW

Атосекунден рентгенов импулсен лазер от клас TW
Атосекундна рентгенова снимкаимпулсен лазерс висока мощност и кратка продължителност на импулса са ключът към постигането на ултрабърза нелинейна спектроскопия и рентгеново дифракционно изображение. Изследователският екип в Съединените щати използва каскада от два етапаРентгенови лазери със свободни електрониза извеждане на дискретни атосекундни импулси. В сравнение със съществуващите доклади, средната пикова мощност на импулсите се увеличава с порядък, максималната пикова мощност е 1,1 TW, а средната енергия е повече от 100 μJ. Проучването също така предоставя убедителни доказателства за подобно на солитон свръхизлъчване в рентгеновото поле.Високоенергийни лазериса задвижили много нови области на изследване, включително физика на високо поле, атосекундна спектроскопия и лазерни ускорители на частици. Сред всички видове лазери рентгеновите лъчи се използват широко в медицинската диагностика, промишленото откриване на дефекти, проверката на безопасността и научните изследвания. Рентгеновият лазер със свободни електрони (XFEL) може да увеличи пиковата рентгенова мощност с няколко порядъка в сравнение с други технологии за генериране на рентгенови лъчи, като по този начин разширява приложението на рентгеновите лъчи в областта на нелинейната спектроскопия и единичната спектроскопия. дифракционно изображение на частици, където се изисква висока мощност. Скорошният успешен атосекунден XFEL е голямо постижение в атосекундната наука и технология, увеличавайки наличната пикова мощност с повече от шест порядъка в сравнение с настолните рентгенови източници.

Лазери със свободни електрониможе да получи импулсни енергии с много порядъци по-високи от нивото на спонтанното излъчване, използвайки колективна нестабилност, която се причинява от непрекъснатото взаимодействие на радиационното поле в релативистичния електронен лъч и магнитния осцилатор. В диапазона на твърдите рентгенови лъчи (около 0,01 nm до 0,1 nm дължина на вълната), FEL се постига чрез компресия на снопа и техники на конус след насищане. В обхвата на меките рентгенови лъчи (около 0,1 nm до 10 nm дължина на вълната), FEL се прилага чрез каскадна технология за пресен срез. Наскоро се съобщава, че атосекундни импулси с пикова мощност от 100 GW са генерирани с помощта на метода на подобреното самоусилващо се спонтанно излъчване (ESASE).

Изследователският екип използва двустепенна система за усилване, базирана на XFEL, за да усили мекия рентгенов атосекунден импулсен изход от линейния кохерентенизточник на светлинадо нивото на TW, подобрение с порядък на величината спрямо отчетените резултати. Експерименталната настройка е показана на Фигура 1. Въз основа на метода ESASE фотокатодният емитер е модулиран, за да получи електронен лъч с висок пик на тока и се използва за генериране на атосекундни рентгенови импулси. Първоначалният импулс е разположен в предния ръб на пика на електронния лъч, както е показано в горния ляв ъгъл на Фигура 1. Когато XFEL достигне насищане, електронният лъч се забавя спрямо рентгеновите лъчи от магнитен компресор, и след това импулсът взаимодейства с електронния лъч (пресен срез), който не е модифициран от ESASE модулацията или FEL лазера. Накрая се използва втори магнитен ондулатор за допълнително усилване на рентгеновите лъчи чрез взаимодействието на атосекундни импулси със свежия срез.

Фиг. 1 Схема на експериментално устройство; Илюстрацията показва надлъжното фазово пространство (диаграма време-енергия на електрона, зелено), текущия профил (синьо) и радиацията, произведена от усилване от първи ред (лилаво). XTCAV, X-лентова напречна кухина; cVMI, коаксиална система за бързо картографиране на изображения; FZP, спектрометър с лентови пластини на Fresnel

Всички атосекундни импулси са изградени от шум, така че всеки импулс има различни спектрални и времеви свойства, които изследователите изследват по-подробно. По отношение на спектрите, те използваха спектрометър с лентова пластина на Френел, за да измерват спектрите на отделните импулси при различни еквивалентни вълнови дължини и установиха, че тези спектри поддържат плавни вълнови форми дори след вторично усилване, което показва, че импулсите остават унимодални. Във времевата област се измерва ъгловата ивица и се характеризира вълновата форма на времевата област на импулса. Както е показано на фигура 1, рентгеновият импулс се припокрива с кръгово поляризирания инфрачервен лазерен импулс. Фотоелектроните, йонизирани от рентгеновия импулс, ще произведат ивици в посока, обратна на векторния потенциал на инфрачервения лазер. Тъй като електрическото поле на лазера се върти с времето, разпределението на импулса на фотоелектрона се определя от времето на емисия на електрона и се установява връзката между ъгловия режим на времето на емисия и разпределението на импулса на фотоелектрона. Разпределението на фотоелектронния импулс се измерва с помощта на коаксиален спектрометър за бързо картографиране. Въз основа на разпределението и спектралните резултати, формата на вълната във времевата област на атосекундните импулси може да бъде реконструирана. Фигура 2 (а) показва разпределението на продължителността на импулса с медиана от 440 as. Накрая, детекторът за мониторинг на газ беше използван за измерване на импулсната енергия и беше изчислена диаграмата на разсейване между пиковата импулсна мощност и продължителността на импулса, както е показано на Фигура 2 (b). Трите конфигурации съответстват на различни условия за фокусиране на електронен лъч, условия на вълнообразен конус и условия на забавяне на магнитния компресор. Трите конфигурации дават средни импулсни енергии от 150, 200 и 260 µJ, съответно, с максимална пикова мощност от 1,1 TW.

Фигура 2. (a) Хистограма на разпределението на продължителността на импулса на полувисочина с пълна ширина (FWHM); (b) Диаграма на разсейване, съответстваща на пикова мощност и продължителност на импулса

В допълнение, изследването също така наблюдава за първи път феномена на солитоноподобна суперемисия в рентгеновата лента, която се появява като непрекъснато скъсяване на импулса по време на усилване. Причинява се от силно взаимодействие между електрони и радиация, като енергията бързо се прехвърля от електрона към главата на рентгеновия импулс и обратно към електрона от опашката на импулса. Чрез задълбочено изследване на това явление се очаква, че рентгеновите импулси с по-кратка продължителност и по-висока пикова мощност могат да бъдат допълнително реализирани чрез разширяване на процеса на усилване на свръхизлъчването и възползване от скъсяването на импулса в солитоноподобен режим.