TW klasės atosekundinis rentgeno impulsinis lazeris

TW klasės atosekundinis rentgeno impulsinis lazeris
Attosekundinė rentgeno nuotraukaimpulsinis lazerissu didele galia ir trumpa impulsų trukme yra raktas į itin greitą netiesinę spektroskopiją ir rentgeno spindulių difrakcinį vaizdą. JAV tyrimų grupė naudojo dviejų pakopų kaskadąRentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeriaiišvesti atskirus atosekundės impulsus. Palyginti su esamomis ataskaitomis, vidutinė didžiausia impulsų galia padidėja eilės tvarka, didžiausia didžiausia galia yra 1, 1 TW, o vidutinė energija yra didesnė nei 100 μJ. Tyrimas taip pat pateikia tvirtų įrodymų apie į solitoną panašią superradiaciją rentgeno lauke.Didelės energijos lazeriaipaskatino daug naujų tyrimų sričių, įskaitant didelio lauko fiziką, atosekundinę spektroskopiją ir lazerinius dalelių greitintuvus. Tarp visų lazerių rūšių rentgeno spinduliai yra plačiai naudojami atliekant medicininę diagnostiką, pramoninių trūkumų aptikimą, saugos patikrinimą ir mokslinius tyrimus. Rentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeris (XFEL) gali padidinti didžiausią rentgeno galią keliais dydžiais, palyginti su kitomis rentgeno spindulių generavimo technologijomis, taip išplečiant rentgeno spindulių taikymą netiesinės spektroskopijos ir vienkartinės spektroskopijos srityje. dalelių difrakcinis vaizdas, kai reikalinga didelė galia. Neseniai sėkmingai sukurtas attosekundinis XFEL yra didelis laimėjimas attosekundžių mokslo ir technologijų srityje, padidinantis turimą didžiausią galią daugiau nei šešiomis dydžiu, palyginti su staliniais rentgeno šaltiniais.

Nemokami elektroniniai lazeriaigali gauti impulsų energiją, daug dydžių didesnę nei spontaniškos emisijos lygis, naudojant kolektyvinį nestabilumą, kurį sukelia nuolatinė spinduliuotės lauko sąveika reliatyvistiniame elektronų pluošte ir magnetiniame osciliatoriuje. Kietųjų rentgeno spindulių diapazone (maždaug nuo 0,01 nm iki 0,1 nm bangos ilgio) FEL pasiekiamas pluošto suspaudimo ir posotinimo kūgio metodais. Minkštųjų rentgeno spindulių diapazone (apie 0,1 nm iki 10 nm bangos ilgio) FEL įgyvendinama naudojant kaskadinę šviežių pjūvių technologiją. Neseniai buvo pranešta, kad attosekundiniai impulsai, kurių didžiausia galia yra 100 GW, buvo generuojami naudojant patobulintą savaiminio sustiprinimo spontaninės emisijos (ESASE) metodą.

Tyrimo grupė naudojo dviejų pakopų stiprinimo sistemą, pagrįstą XFEL, kad sustiprintų minkštą rentgeno atosekundinį impulsą iš linac koherento.šviesos šaltinisiki TW lygio, pagerėjimas, palyginti su praneštais rezultatais. Eksperimentinė sąranka parodyta 1 paveiksle. Remiantis ESASE metodu, fotokatodinis spinduolis moduliuojamas, kad būtų gautas elektronų pluoštas su dideliu srovės smaigaliu, ir naudojamas atosekundiniams rentgeno impulsams generuoti. Pradinis impulsas yra priekiniame elektronų pluošto smaigalio krašte, kaip parodyta 1 paveikslo viršutiniame kairiajame kampe. Kai XFEL pasiekia prisotinimą, magnetinis kompresorius atitolina elektronų pluoštą rentgeno spindulių atžvilgiu. ir tada impulsas sąveikauja su elektronų pluoštu (šviežiu pjūviu), kuris nėra modifikuotas ESASE moduliacijos ar FEL lazerio. Galiausiai, antrasis magnetinis bangavimas naudojamas dar labiau sustiprinti rentgeno spindulius, sąveikaujant atosekundiniams impulsams su šviežia pjūviu.

Fig. 1 Eksperimento įrenginio schema; Iliustracijoje pavaizduota išilginė fazinė erdvė (elektrono laiko-energijos diagrama, žalia), srovės profilis (mėlyna) ir spinduliuotė, kurią sukelia pirmos eilės stiprinimas (violetinė). XTCAV, X juostos skersinė ertmė; cVMI, koaksialinė greitojo kartografavimo vaizdo sistema; FZP, Frenelio juostos plokštelės spektrometras

Visi atosekundiniai impulsai yra sukurti iš triukšmo, todėl kiekvienas impulsas turi skirtingas spektrines ir laiko srities savybes, kurias mokslininkai ištyrė išsamiau. Kalbant apie spektrus, jie naudojo Frenelio juostos plokštelės spektrometrą, kad išmatuotų atskirų impulsų spektrus esant skirtingiems lygiaverčių bangų ilgiams, ir nustatė, kad šie spektrai išlaikė lygias bangų formas net ir po antrinio stiprinimo, o tai rodo, kad impulsai išliko vienarūšiai. Laiko srityje matuojamas kampinis pakraštys ir apibūdinama impulso laiko srities bangos forma. Kaip parodyta 1 paveiksle, rentgeno spindulių impulsas sutampa su apskrito poliarizuoto infraraudonųjų spindulių lazerio impulsu. Rentgeno spindulių impulsu jonizuoti fotoelektronai sukurs juosteles priešinga kryptimi nei infraraudonųjų spindulių lazerio vektorinis potencialas. Kadangi lazerio elektrinis laukas sukasi laikui bėgant, fotoelektrono impulsų pasiskirstymas nustatomas pagal elektronų emisijos laiką ir nustatomas ryšys tarp spinduliuotės laiko kampinio režimo ir fotoelektrono impulsų pasiskirstymo. Fotoelektronų impulso pasiskirstymas matuojamas naudojant koaksialinį greitojo kartografavimo vaizdo spektrometrą. Remiantis pasiskirstymu ir spektriniais rezultatais, galima atkurti atosekundinių impulsų laiko srities bangos formą. 2 paveiksle (a) parodytas impulso trukmės pasiskirstymas, kurio mediana yra 440 as. Galiausiai, dujų stebėjimo detektorius buvo naudojamas impulso energijai matuoti ir buvo apskaičiuotas sklaidos grafikas tarp didžiausios impulso galios ir impulso trukmės, kaip parodyta 2 paveiksle (b). Trys konfigūracijos atitinka skirtingas elektronų pluošto fokusavimo sąlygas, bangavimo kūgio sąlygas ir magnetinio kompresoriaus vėlavimo sąlygas. Trijų konfigūracijų vidutinė impulsų energija buvo atitinkamai 150, 200 ir 260 µJ, o didžiausia didžiausia galia buvo 1, 1 TW.

2 pav. a) Pusės aukščio viso pločio (FWHM) impulso trukmės pasiskirstymo histograma; b ) sklaidos diagrama, atitinkanti didžiausią galią ir impulso trukmę

Be to, tyrime taip pat pirmą kartą buvo pastebėtas į solitoną panašus superemisijos reiškinys rentgeno juostoje, kuris pasireiškia kaip nuolatinis impulso trumpėjimas stiprinimo metu. Jį sukelia stipri elektronų ir spinduliuotės sąveika, kai energija iš elektrono greitai perduodama į rentgeno impulso galvutę ir atgal į elektroną iš impulso uodegos. Išsamiai ištyrus šį reiškinį, tikimasi, kad trumpesnės trukmės ir didesnės didžiausios galios rentgeno impulsai gali būti toliau realizuojami išplečiant superspinduliavimo stiprinimo procesą ir pasinaudojant impulsų sutrumpėjimu į solitoną panašiu režimu.