TW-klasse attosekund røntgenpulslaser
Attosekund røntgenstrålepulslasermed høj effekt og kort pulsvarighed er nøglen til at opnå ultrahurtig ikke-lineær spektroskopi og røntgendiffraktionsbilleddannelse. Forskerholdet i USA brugte en kaskade af to-trinsRøntgenfri elektronlasereat udsende diskrete attosekundpulser. Sammenlignet med eksisterende rapporter er den gennemsnitlige spidseffekt af pulserne øget med en størrelsesorden, den maksimale spidseffekt er 1,1 TW, og medianenergien er mere end 100 μJ. Undersøgelsen giver også stærke beviser for solitonlignende superstrålingsadfærd i røntgenfeltet.Højenergilaserehar drevet mange nye forskningsområder, herunder højfeltsfysik, attosekundspektroskopi og laserpartikelacceleratorer. Blandt alle typer lasere er røntgenstråler i vid udstrækning anvendt i medicinsk diagnose, industriel fejldetektion, sikkerhedsinspektion og videnskabelig forskning. Røntgenfrielektronlaseren (XFEL) kan øge den maksimale røntgeneffekt med flere størrelsesordener sammenlignet med andre røntgengenereringsteknologier og dermed udvide anvendelsen af røntgenstråler til ikke-lineær spektroskopi og enkeltpartikeldiffraktion, hvor høj effekt er påkrævet. Den nylige succesfulde attosekund XFEL er en stor præstation inden for attosekundvidenskab og -teknologi, der øger den tilgængelige peakeffekt med mere end seks størrelsesordener sammenlignet med røntgenkilder til stationære røntgenbilleder.
Frie elektronlaserekan opnå pulsenergier, der er 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 hjælp af bundtkompression og post-saturation-kegleteknikker. I det bløde røntgenområde (ca. 0,1 nm til 10 nm bølgelængde) implementeres FEL ved hjælp af kaskade-fresh-slice-teknologi. For nylig er det blevet rapporteret, at attosekundpulser med en peak-effekt på 100 GW genereres ved hjælp af den forbedrede selvforstærkede spontane emissionsmetode (ESASE).
Forskerholdet brugte et to-trins forstærkningssystem baseret på XFEL til at forstærke den bløde røntgen-attosekundpuls, der blev outputtet fra den lineære accelerators koherente kredsløb.lyskildetil TW-niveauet, en forbedring af en størrelsesorden i forhold til de 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 bruges til at generere attosekund-røntgenpulser. Den indledende puls er placeret ved forkanten af elektronstrålens spids, 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), som 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 Diagram over eksperimentel enhed; Illustrationen viser det longitudinelle faserum (tid-energidiagram for elektronen, grøn), strømprofilen (blå) og den stråling, der produceres ved førsteordensforstærkning (lilla). XTCAV, X-bånds tværgående kavitet; cVMI, koaksialt hurtigkortlægningssystem; FZP, Fresnel-båndpladespektrometer
Alle attosekundpulser er bygget op af støj, så hver puls 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, at disse spektre opretholdt glatte bølgeformer selv efter sekundær forstærkning, hvilket indikerer, at pulserne forblev unimodale. I tidsdomænet måles den vinkelformede frynse, og pulsens tidsdomænebølgeform karakteriseres. Som vist i figur 1 overlapper røntgenpulsen den cirkulært polariserede infrarøde laserpuls. Fotoelektronerne ioniseret af røntgenpulsen vil producere striber i den modsatte retning af den infrarøde lasers vektorpotentiale. Fordi laserens elektriske felt roterer med tiden, bestemmes fotoelektronens momentumfordeling af tiden for elektronemission, og forholdet mellem vinkeltilstanden for emissionstiden og fotoelektronens momentumfordeling etableres. Fordelingen af fotoelektronens momentum måles ved hjælp af et koaksialt hurtigkortlægningsbilleddannelsesspektrometer. Baseret på fordelings- og spektralresultaterne kan tidsdomænebølgeformen for attosekundpulser rekonstrueres. Figur 2 (a) viser fordelingen af pulsvarigheden med en median på 440 as. Endelig blev gasovervågningsdetektoren brugt til at måle pulsenergien, og spredningsplottet mellem peakpulseffekten og pulsvarigheden, som vist i figur 2 (b), blev beregnet. De tre konfigurationer svarer til forskellige elektronstrålefokuseringsforhold, waver-kegleforhold og magnetiske kompressorforsinkelsesforhold. De tre konfigurationer gav gennemsnitlige pulsenergier på henholdsvis 150, 200 og 260 µJ med en maksimal peakeffekt på 1,1 TW.
Figur 2. (a) Fordelingshistogram for halvhøjde og fuld bredde (FWHM) pulsvarighed; (b) Punktdiagram svarende til peakeffekt og pulsvarighed
Derudover observerede undersøgelsen for første gang fænomenet soliton-lignende superemission i røntgenbåndet, hvilket fremstår som en kontinuerlig pulsforkortning under amplifikation. Det er forårsaget af en stærk interaktion mellem elektroner og stråling, hvor energi hurtigt overføres fra elektronen til røntgenpulsens hoved og tilbage til elektronen fra pulsens hale. Gennem en dybdegående undersøgelse af dette fænomen forventes det, at røntgenpulser med kortere varighed og højere peakeffekt yderligere kan realiseres ved at udvide superstrålingsforstærkningsprocessen og udnytte pulsforkortning i soliton-lignende tilstand.
Opslagstidspunkt: 27. maj 2024