Рентгенов импулсен лазер клас TW атосекунд
Атосекунден рентгенов лъчимпулсен лазерс висока мощност и кратка продължителност на импулса са ключът към постигане на ултрабърза нелинейна спектроскопия и рентгенова дифракционна диагностика. Изследователският екип в Съединените щати използва каскада от двустепенниРентгенови лазери със свободни електрониза генериране на дискретни атосекундни импулси. В сравнение със съществуващите доклади, средната пикова мощност на импулсите е увеличена с порядък, максималната пикова мощност е 1,1 TW, а средната енергия е повече от 100 μJ. Изследването също така предоставя убедителни доказателства за солитоноподобно свръхизлъчващо поведение в рентгеновото поле.Високоенергийни лазериса тласнали много нови области на изследвания, включително физика на високите полета, атосекундна спектроскопия и лазерни ускорители на частици. Сред всички видове лазери, рентгеновите лъчи се използват широко в медицинската диагностика, промишленото откриване на дефекти, инспекциите за безопасност и научните изследвания. Рентгеновият лазер на свободни електрони (XFEL) може да увеличи пиковата мощност на рентгеновите лъчи 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 дифракционното изобразяване на единични частици, където е необходима висока мощност. Неотдавнашният успешен атосекунден XFEL е голямо постижение в атосекундната наука и технологии, увеличавайки наличната пикова мощност с повече от шест порядъка в сравнение с настолните рентгенови източници.
Лазери със свободни електрониможе да получи енергии на импулсите с много порядъци по-високи от нивото на спонтанно 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 (дължина на вълната от около 0,01 nm до 0,1 nm), FEL се постига чрез техники за компресия на снопове и конусиране след насищане. В диапазона на меките рентгенови лъчи (дължина на вълната от около 0,1 nm до 10 nm), FEL се реализира чрез каскадна технология на свежи срезове. Наскоро бяха съобщени данни за генериране на атосекундни импулси с пикова мощност от 100 GW, използвайки метода на усилена самоусилваща се спонтанна емисия (ESASE).
Изследователският екип използва двустепенна система за усилване, базирана на XFEL, за да усили изхода на меки рентгенови атосекундни импулси от кохерентния линейни ускорител.източник на светлинадо ниво TW, което е подобрение с порядък спрямо докладваните резултати. Експерименталната установка е показана на Фигура 1. Базирайки се на метода ESASE, фотокатодният емитер се модулира, за да се получи електронен лъч с висок токов пик, и се използва за генериране на атосекундни рентгенови импулси. Първоначалният импулс е разположен на 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 рентгеновия лъч от магнитен компресор и след това импулсът взаимодейства с електронния лъч (свеж срез), който не е модифициран от ESASE модулацията или FEL лазера. Накрая, втори магнитен ондулатор се използва за допълнително усилване на рентгеновите лъчи чрез взаимодействието на атосекундни импулси със свежия срез.
ФИГ. 1 Диаграма на експерименталното устройство; Илюстрацията показва надлъжното фазово пространство (диаграма време-енергия на електрона, зелено), профила на тока (син) и радиацията, произведена от усилване от първи ред (лилаво). XTCAV, напречна кухина с X-лента; cVMI, коаксиална система за бързо картографиране; FZP, спектрометър с френелова лента
Всички атосекундни импулси са изградени от шум, така че всеки импулс има различни спектрални и времеви свойства, които изследователите са изследвали по-подробно. По отношение на спектрите, те са използвали спектрометър с френелова лента, за да измерят спектрите на отделните импулси при различни еквивалентни дължини на ондулатора и са установили, че тези спектри поддържат гладки форми на вълната дори след вторично усилване, което показва, че импулсите остават унимодални. Във времевата област се измерва ъгловата лента и се характеризира формата на вълната на импулса във времевата област. 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 електронното излъчване и се установява връзката между ъгловия режим на времето на излъчване и разпределението на импулса на фотоелектрона. Разпределението на импулса на фотоелектрона се измерва с помощта на коаксиален спектрометър за бързо картографиране. Въз основа на разпределението и спектралните резултати може да се реконструира формата на вълната във времевата област на атосекундните импулси. Фигура 2 (а) показва разпределението на продължителността на импулса, с медиана от 440 ас. Накрая, детекторът за наблюдение на газ беше използван за измерване на енергията на импулса и беше изчислена диаграмата на разсейване между пиковата мощност на импулса и продължителността на импулса, както е показано на Фигура 2 (б). Трите конфигурации съответстват на различни условия на фокусиране на електронния лъч, условия на конусовидна вълна и условия на закъснение на магнитния компресор. Трите конфигурации дадоха средни енергии на импулсите съответно от 150, 200 и 260 µJ, с максимална пикова мощност от 1,1 TW.
Фигура 2. (а) Хистограма на разпределение на продължителността на импулса с половин височина и пълна ширина (FWHM); (б) Диаграма на разсейване, съответстваща на пиковата мощност и продължителността на импулса
Освен това, изследването за първи път наблюдава феномена на солитоноподобна суперемисия в рентгеновия диапазон, който се проявява като непрекъснато скъсяване на импулса по време на усилване. Причинява се от силно взаимодействие между електрони и радиация, като енергията се прехвърля бързо от електрона към началото на рентгеновия импулс и обратно към електрона от опашката на импулса. Чрез задълбочено проучване на това явление се очаква, че рентгенови импулси с по-кратка продължителност и по-висока пикова мощност могат да бъдат реализирани допълнително чрез удължаване на процеса на усилване със суперрадиация и използване на скъсяването на импулса в солитоноподобен режим.
Време на публикуване: 27 май 2024 г.