TW-klasse attosekund røntgenpulslaser

TW-klasse attosekund røntgenpulslaser
Attosecond røntgenbilledePulslaserMed høj effekt og kort pulsvarighed er nøglen til opnåelse af ultrahurtig ikke-lineær spektroskopi og røntgenstrålediffraktionsafbildning. Forskerteamet i USA brugte en kaskade af to-trinsRøntgenfrie elektronlasereAt udsende diskrete attosekundimpulser. Sammenlignet med eksisterende rapporter øges den gennemsnitlige spidsstyrke i pulserne med en størrelsesorden, den maksimale spidsstyrke er 1,1 TW, og medianenergien er mere end 100 μJ. Undersøgelsen giver også stærke bevis for soliton-lignende superradieringsadfærd i røntgenfeltet.Lasere med høj energihar drevet mange nye forskningsområder, herunder fysik med højt felt, attosekundspektroskopi og laserpartikelacceleratorer. Blandt alle former for lasere er røntgenstråler vidt brugt til medicinsk diagnose, industriel fejldetektion, sikkerhedsinspektion og videnskabelig forskning. Røntgenstrålefritelektronlaser (XFEL) kan øge den maksimale røntgenstråle med flere størrelsesordener sammenlignet med andre røntgengenereringsteknologier, hvilket udvider anvendelsen af ​​røntgenstråler til området for ikke-lineær spektroskopi og enkelt-partikel-diffraktionsafbildning, hvor høj effekt er påkrævet. Den nylige succesrige Attosecond XFEL er en vigtig præstation inden for attosekundvidenskab og teknologi, hvilket øger den tilgængelige spidsstyrke 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 mellem 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 bundtkomprimering og coning-teknikker efter mætning. I det bløde røntgenområde (ca. 0,1 nm til 10 nm bølgelængde) implementeres FEL af Cascade Fresh-Skive Technology. For nylig er det rapporteret, at attosekund-pulser med en spidsstyrke på 100 GW er genereret ved hjælp af den forbedrede selvforstærkede spontane emissionsmetode (ESASE).

Forskningsteamet brugte et to-trins amplifikationssystem baseret på XFEL til at forstærke den bløde røntgen-attosecond-pulsudgang fra Linac-sammenhængendelyskildeTil TW -niveau forbedrede en størrelsesorden forbedring i forhold til resultater. Den eksperimentelle opsætning er vist i figur 1. Baseret på ESASE-metoden moduleres fotokathode-emitteren for at opnå en elektronstråle med en høj strømspids og bruges til at generere attosekund røntgenpulser. Den indledende puls er placeret i forkanten af ​​spidsen af ​​elektronstrålen, som vist i øverste venstre hjørne af figur 1. Når XFEL når mætning, er elektronstrålen forsinket i forhold til røntgenstråle af en magnetisk kompressor, og derefter interagerer pulsen med elektronbjælken (frisk skive), der ikke modificeres af Esase-moduleringen eller Fel Laser. Endelig bruges en anden magnetisk undulator til yderligere at forstærke røntgenstrålerne gennem interaktionen af ​​attosekundimpulser med den friske skive.

Fig. 1 eksperimentelt enhedsdiagram; Illustrationen viser det langsgående fase-rum (tidsenergidiagram over elektronet, grønt), den aktuelle profil (blå) og strålingen produceret ved første ordens amplifikation (lilla). XTCAV, X-bånd tværgående hulrum; CVMI, Coaxial Rapid Mapping Imaging System; FZP, Fresnel Band Plate Spectrometer

Alle attosekundimpulser er bygget af støj, så hver puls har forskellige spektrale og tidsdomæneegenskaber, som forskerne udforskede mere detaljeret. Med hensyn til spektre anvendte de et Fresnel -båndpladespektrometer til at måle spektrene af individuelle pulser ved forskellige ækvivalente undulatorlængder og fandt, at disse spektre opretholdt glatte bølgeformer, selv efter sekundær amplifikation, hvilket indikerer, at pulserne forblev uimodale. I tidsdomænet måles vinkelfronten, og det tidsdomæne -bølgeform af pulsen er karakteriseret. Som vist i figur 1 overlappes røntgenpulsen med den cirkulært polariserede infrarøde laserpuls. Fotoelektronerne, der er ioniseret af røntgenpulsen, vil producere striber i den modsatte retning af vektorpotentialet for den infrarøde laser. Da laserens elektriske felt roterer med tiden, bestemmes momentumfordelingen af ​​fotoelektronen ved elektronemissionstidspunktet, og forholdet mellem vinkeltilstanden for emissionstiden og momentumfordelingen af ​​fotoelektronen er etableret. Fordelingen af ​​fotoelektronmomentum måles ved anvendelse af et koaksial hurtigt kortlægningsafbildningsspektrometer. Baseret på fordelings- og spektrale resultater kan den tidsdomæne-bølgeform af attosekundimpulser rekonstrueres. Figur 2 (a) viser fordelingen af ​​pulsvarigheden med en median på 440 AS. Endelig blev gasovervågningsdetektoren anvendt til at måle pulsenergien, og spredningsdiagrammet mellem spids pulseffekt og pulsvarigheden som vist i figur 2 (b) blev beregnet. De tre konfigurationer svarer til forskellige elektronstrålefokuseringsbetingelser, vakningsforhold og magnetiske kompressorforsinkelsesbetingelser. De tre konfigurationer gav gennemsnitlige pulsenergier på henholdsvis 150, 200 og 260 µJ med en maksimal spidsstyrke på 1,1 TW.

Figur 2. (a) Distributionshistogram af halvhøjde fuld bredde (FWHM) pulsvarighed; (b) Spredningsdiagram svarende til maksimal effekt og pulsvarighed

Derudover observerede undersøgelsen også for første gang fænomenet solitonlignende superemission i røntgenbåndet, der fremstår som en kontinuerlig pulsforkortelse under amplifikation. Det er forårsaget af en stærk interaktion mellem elektroner og stråling, med energi, der hurtigt overføres fra elektronet til hovedet af røntgenpulsen og tilbage til elektronet fra pulsen. Gennem en dybdegående undersøgelse af dette fænomen forventes det, at røntgenstrålerimpulser med kortere varighed og højere spidsstyrke kan realiseres yderligere ved at udvide superradieringsforstærkningsprocessen og drage fordel af pulsforkortelse i solitonlignende tilstand.