TW klasse attosecond X-ray puls laser

TW klasse attosecond X-ray puls laser
Attosecond røntgenpuls lasermed høj effekt og kort pulsvarighed er nøglen til at opnå ultrahurtig ikke-lineær spektroskopi og røntgendiffraktionsbilleddannelse. Forskerholdet i USA brugte en kaskade i to trinRøntgenfri elektronlasereat udsende diskrete attosekundpulser. Sammenlignet med eksisterende rapporter øges den gennemsnitlige spidseffekt af pulserne med en størrelsesorden, den maksimale spidseffekt er 1,1 TW, og medianenergien er mere end 100 μJ. Undersøgelsen giver også stærke beviser for soliton-lignende superstrålingsadfærd i røntgenfeltet.Højenergilaserehar drevet mange nye forskningsområder, herunder højfeltsfysik, attosekundspektroskopi og laserpartikelacceleratorer. Blandt alle slags lasere er røntgenstråler meget udbredt i medicinsk diagnose, industriel fejldetektion, sikkerhedsinspektion og videnskabelig forskning. X-ray free-electron laser (XFEL) kan øge den maksimale røntgeneffekt med flere størrelsesordener sammenlignet med andre røntgengenereringsteknologier, og dermed udvide anvendelsen af ​​røntgenstråler til området for ikke-lineær spektroskopi og enkelt- partikeldiffraktionsbilleddannelse, hvor der kræves høj effekt. Den nylige succesrige attosecond XFEL er en stor bedrift inden for attosecond videnskab og teknologi, der øger den tilgængelige spidseffekt med mere end seks størrelsesordener sammenlignet med benchtop røntgenkilder.

Gratis elektronlaserekan opnå pulsenergier mange størrelsesordener højere end det spontane emissionsniveau ved hjælp af kollektiv ustabilitet, som er forårsaget af den kontinuerlige interaktion af strålingsfeltet i den relativistiske elektronstråle og den magnetiske oscillator. I det hårde røntgenområde (ca. 0,01 nm til 0,1 nm bølgelængde) opnås FEL ved bundtkompression og post-saturation coning-teknikker. I det bløde røntgenområde (ca. 0,1 nm til 10 nm bølgelængde) implementeres FEL ved hjælp af cascade fresh-slice-teknologi. For nylig er det rapporteret, at attosecond-impulser med en spidseffekt på 100 GW er genereret ved hjælp af den forbedrede selvforstærkede spontane emissionsmetode (ESASE).

Forskerholdet brugte et to-trins forstærkningssystem baseret på XFEL til at forstærke den bløde røntgen-attosecond-pulsudgang fra linac-kohærentenlyskildetil TW-niveauet, en forbedring af en størrelsesorden i forhold til rapporterede resultater. Den eksperimentelle opsætning er vist i figur 1. Baseret på ESASE-metoden moduleres fotokatodeemitteren for at opnå en elektronstråle med en høj strømspids, og den bruges til at generere attosekunder røntgenimpulser. Den indledende puls er placeret ved forkanten af ​​spidsen af ​​elektronstrålen, som vist i øverste venstre hjørne af figur 1. Når XFEL når mætning, forsinkes elektronstrålen i forhold til røntgenstrålen af ​​en magnetisk kompressor, og derefter interagerer pulsen med elektronstrålen (frisk skive), der ikke er modificeret af ESASE-modulationen eller FEL-laseren. Endelig bruges en anden magnetisk undulator til yderligere at forstærke røntgenstrålerne gennem interaktionen af ​​attosekundpulser med den friske skive.

FIG. 1 Eksperimentelt enhedsdiagram; Illustrationen viser det langsgående faserum (elektronens tids-energidiagram, grøn), strømprofilen (blå) og strålingen produceret ved førsteordens forstærkning (lilla). XTCAV, X-bånds tværgående hulrum; cVMI, koaksialt hurtigt kortlægningssystem; FZP, Fresnel båndpladespektrometer

Alle attosecond-impulser er bygget af støj, så hver impuls har forskellige spektrale og tidsdomæneegenskaber, som forskerne udforskede mere detaljeret. Med hensyn til spektre brugte de et Fresnel-båndpladespektrometer til at måle spektrene af individuelle pulser ved forskellige ækvivalente undulatorlængder og fandt ud af, at disse spektre opretholdt glatte bølgeformer selv efter sekundær forstærkning, hvilket indikerer, at pulserne forblev unimodale. I tidsdomænet måles vinkelkanten, og pulsens tidsdomænebølgeform karakteriseres. Som vist i figur 1 overlappes røntgenimpulsen med den cirkulært polariserede infrarøde laserimpuls. Fotoelektronerne ioniseret af røntgenimpulsen vil producere striber i retning modsat den infrarøde lasers vektorpotentiale. Fordi laserens elektriske felt roterer med tiden, bestemmes fotoelektronens momentumfordeling af tidspunktet for elektronemission, og forholdet mellem emissionstidens vinkeltilstand og fotoelektronens momentumfordeling etableres. Fordelingen af ​​fotoelektronmomentum måles ved hjælp af et koaksialt hurtig kortlægningsbilledspektrometer. Baseret på fordelingen og spektrale resultater kan tidsdomænebølgeformen af ​​attosekundpulser rekonstrueres. Figur 2 (a) viser fordelingen af ​​pulsvarighed, med en median på 440 as. Til sidst blev gasovervågningsdetektoren brugt til at måle pulsenergien, og spredningsplottet mellem spidspulseffekten og pulsvarigheden som vist i figur 2(b) blev beregnet. De tre konfigurationer svarer til forskellige elektronstrålefokuseringsbetingelser, waver-keglebetingelser og magnetiske kompressorforsinkelsesbetingelser. De tre konfigurationer gav gennemsnitlige pulsenergier på henholdsvis 150, 200 og 260 µJ med en maksimal spidseffekt på 1,1 TW.

Figur 2. (a) Fordelingshistogram af halvhøjde fuld bredde (FWHM) pulsvarighed; (b) Spredningsplot svarende til spidseffekt og pulsvarighed

Derudover observerede undersøgelsen også for første gang fænomenet soliton-lignende superemission i røntgenbåndet, som fremstår som en kontinuerlig pulsforkortelse under amplifikation. Det er forårsaget af en stærk interaktion mellem elektroner og stråling, hvor energi hurtigt overføres fra elektronen til hovedet af røntgenimpulsen og tilbage til elektronen fra pulsens hale. Gennem en dybdegående undersøgelse af dette fænomen forventes det, at røntgenimpulser med kortere varighed og højere spidseffekt kan realiseres yderligere ved at udvide superstrålingsforstærkningsprocessen og drage fordel af pulsforkortelse i soliton-lignende tilstand.