TW клас Attosecond рентгенов пулсов лазер

TW клас Attosecond рентгенов пулсов лазер
Атосекунда рентгенова снимкаПулсов лазерС висока мощност и къса продължителност на импулса са ключът за постигане на ултрабърза нелинейна спектроскопия и рентгенова дифракционна изображения. Изследователският екип в Съединените щати използва каскада от двуетапниРентгенови безпрепятствени електронни лазериза извеждане на дискретни атосекундни импулси. В сравнение със съществуващите отчети, 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 сериозни доказателства за поведението на суперразоване на солитон в рентгеновото поле.Високоенергийни лазериса задвижвали много нови области на изследване, включително физика на високо поле, атосекунда спектроскопия и ускорители на лазерни частици. Сред всички видове лазери рентгеновите лъчи се използват широко при медицинска диагноза, откриване на индустриални недостатъци, проверка на безопасността и научни изследвания. Рентгеновият свободно-електронни лазер (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 прилагането на рентгенови лъчи към полето на нелинейна спектроскопия и едночастична дифракционна изображения, където се изисква висока мощност. Неотдавнашният успешен AttoSecond XFEL е основно постижение в науката и технологиите на Attosecond, увеличавайки наличната пикова мощност с повече от шест порядъка в сравнение с рентгеновите източници на Benchtop.

Безплатни електронни лазериможе да получи импулсни енергии с много порядъци по -високи от нивото на спонтанно емисии, използвайки колективна нестабилност, което се причинява от непрекъснатото взаимодействие на радиационното поле в релативистичния електронен лъч и магнитния осцилатор. В твърдия рентгенов диапазон (около 0,01 nm до 0,1 nm дължина на вълната), FEL се постига чрез компресиране на пакета и техники за контингция след наситеност. В мекия диапазон на рентгенови лъчи (около 0,1 nm до 10 nm дължина на вълната), FEL се реализира чрез каскадна технология за прясно наклоняване. Наскоро се съобщава, че атосекундните импулси с пикова мощност от 100 GW се генерират, използвайки метода за подобрено самоамплифицирано спонтанно емисии (ESASE).

Изследователският екип използва двуетапна система за усилване, базирана на XFEL, за да усили меката рентгенова атосекунда импулсен изход от кохерентния линакИзточник на светлинадо нивото на TW, порядъчен ред за подобряване на величината спрямо отчетените резултати. Експерименталната настройка е показана на фигура 1. Въз основа на метода на ESASE, емитер на фотокатода се модулира за получаване на електронен лъч с висок ток шип и се използва за генериране на рентгенови импулси на атосекунда. Първоначалният импулс е разположен в предния ръб на скока на електронния лъч, както е показано в горния ляв ъгъл на фигура 1. Когато XFEL достигне насищане, електронният лъч се забавя спрямо рентгеновия лъч (свеж резен), който не е модифициран от модулацията на ESASE или FEL LASER. Накрая, втори магнитен индулатор се използва за по-нататъшно усилване на рентгеновите лъчи чрез взаимодействието на атосекундните импулси със свежата част.

Фиг. 1 Диаграма на експерименталното устройство; Илюстрацията показва надлъжното фазово пространство (диаграма на времевата енергия на електрон, зелено), текущия профил (син) и радиацията, произведена чрез усилване от първи ред (лилаво). Xtcav, X-лентова напречна кухина; CVMI, Коаксиална система за изобразяване на бързо картографиране; FZP, спектрометър на плочата на Fresnel Band

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 са използвали спектрометър на плочата на Фремел, за да измерват спектрите на отделните импулси при различни еквивалентни дължини на Undulator и установяват, че тези спектри поддържат гладки форми на вълната дори след вторично усилване, което показва, че импулсите остават немодални. Във времевата област се измерва ъгловата ресни и се характеризира формата на вълната във времевата област на импулса. Както е показано на фигура 1, рентгеновият импулс се припокрива с кръговия поляризиран инфрачервен лазерен импулс. Фотоелектроните, йонизирани от рентгеновия импулс, ще произвеждат ивици в посоката, противоположна на векторния потенциал на инфрачервения лазер. Тъй като електрическото поле на лазера се върти с времето, разпределението на инерцията на фотоелектрон се определя от времето на излъчване на електрон и се установява връзката между ъгловия режим на времето на излъчване и разпределението на инерцията на фотоелектрон. Разпределението на фотоелектронния импулс 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 времето на атосекундните импулси. Фигура 2 (а) показва разпределението на продължителността на импулса с медиана 440 като. Накрая, детекторът за наблюдение на газа се използва за измерване на енергията на импулса и се изчислява графиката на разсейване между пиковата импулсна мощност и продължителността на импулса, както е показано на фигура 2 (б). Трите конфигурации съответстват на различни условия за фокусиране на електронния лъч, условия на конфигуриране на Waver и условия на забавяне на магнитния компресор. Трите конфигурации дават средни импулсни енергии съответно 150, 200 и 260 µJ, с максимална пикова мощност 1,1 TW.

Фигура 2. (A) Хистограма на разпределение на продължителността на импулса с пълна ширина на половин височина (FWHM); (б) График на разсейване, съответстващ на пиковата мощност и продължителността на импулса

В допълнение, проучването също се наблюдава за първи път явлението на суперимисия, подобна на солитон в рентгеновата лента, която се появява като непрекъснато скъсяване на импулса по време на амплификация. Тя се причинява от силно взаимодействие между електрони и радиация, като енергията бързо се прехвърля от електрона в главата на рентгеновия импулс и обратно към електрона от опашката на импулса. Чрез задълбочено проучване на това явление се очаква рентгеновите импулси с по-къса продължителност и по-висока пикова мощност да бъдат допълнително реализирани чрез разширяване на процеса на усилване на суперразодането и възползване от съкращаването на импулса в режим на солитон.