TW klasės attosekundės rentgeno impulsų lazeris

TW klasės attosekundės rentgeno impulsų lazeris
„Attoscond“ rentgeno spindulysPulso lazerisEsant didelei galiai ir trumpa impulsų trukmė, yra raktas, norint pasiekti ultra netiesinę spektroskopiją ir rentgeno spindulių difrakcijos vaizdą. Tyrimų komanda JAV panaudojo dviejų pakopų kaskadąRentgeno spindulių nemokami elektronų lazeriaiNorėdami išvesti diskretinius attosekundės impulsus. Palyginti su esamomis ataskaitas, vidutinė impulsų didžiausia galia padidėja pagal dydį, didžiausia didžiausia galia yra 1,1 TW, o vidurinė energija yra didesnė nei 100 μJ. Tyrime taip pat pateikiami tvirti įrodymai, kad rentgeno spindulių srityje panašus į Solitonui panašų superradiacijos elgseną.Didelės energijos lazeriaipaskatino daugybę naujų tyrimų sričių, įskaitant aukšto lauko fiziką, attosekundės spektroskopiją ir lazerinių dalelių greitintuvus. Tarp visų rūšių lazerių rentgeno spinduliai yra plačiai naudojami medicininės diagnozės, pramonės trūkumų aptikimo, saugos patikrinimo ir mokslinių tyrimų metu. Rentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeris (XFEL) gali padidinti didžiausią rentgeno spindulių galią keliais laipsniais, palyginti su kitomis rentgeno spindulių generavimo technologijomis, taip išplečiant rentgeno spindulių taikymą netiesinės spektroskopijos lauke ir vienkartinei Dalelių difrakcijos vaizdavimas ten, kur reikalinga didelė galia. Pastaruoju metu sėkmingas „Attoscond XFEL“ yra didelis pasiekimas atosekundės moksle ir technologijose, padidindamas turimą didžiausią galią daugiau nei šešiomis dydžiais, palyginti su rentgeno spindulių šaltiniais.

Nemokami elektronų lazeriaigali gauti impulsų energiją, daug didesnės nei spontaniškos emisijos lygio, naudojant kolektyvinį nestabilumą, kurį sukelia nuolatinė radiacijos lauko sąveika reliatyvistiniame elektronų pluošte ir magnetiniame generatoriuje. Kietos rentgeno spindulių diapazone (maždaug nuo 0,01 nm iki 0,1 nm bangos ilgio) FEL pasiekiamas pluošto suspaudimo ir pobūdžio kūrimo būdais. Minkštame rentgeno spindulių diapazone (apie 0,1 nm iki 10 nm bangos ilgio) FEL įgyvendinamas „Cascade Fresh-SLICE“ technologija. Neseniai buvo pranešta, kad atosekundės impulsai, kurių didžiausia galia yra 100 GW, buvo generuojami naudojant patobulintą savaime amplifikuotą spontaniškos emisijos (ESASE) metodą.

Tyrimo komanda panaudojo dviejų pakopų amplifikacijos sistemą, pagrįstą XFEL, kad padidintų minkšto rentgeno attosekundės impulsą iš „Linac“ koherentinioŠviesos šaltinisIki TW lygio pagerėjo laipsnis, palyginti su praneštais rezultatais. Eksperimentinė sąranka parodyta 1 paveiksle. Remiantis ESASE metodu, fotokatodo emiteris moduliuojamas taip, kad gautų elektronų pluoštą su dideliu srovės smaigaliu, ir yra naudojamas generuoti attosekundės rentgeno spindulių impulsus. Pradinis impulsas yra priekiniame elektrono pluošto smaigalio krašte, kaip parodyta 1 paveikslo viršutiniame kairiajame kairiajame kampe. Kai XFEL pasiekia prisotinimą, elektronų pluoštas vėluoja, palyginti su rentgeno spinduliu, magnetinio kompresoriaus, palyginti su rentgeno. Ir tada impulsas sąveikauja su elektronų pluoštu (šviežiu skiltele), kurios nepakeis Esazės moduliacija ar FEL lazeris. Galiausiai, kad būtų galima dar labiau sustiprinti rentgeno spindulius, naudojant attosekundės impulsus su šviežiu skiltele, naudojamas antrasis magnetinis unduliatorius.

Fig. 1 eksperimentinio įrenginio diagrama; Iliustracijoje parodyta išilginė fazės erdvė (elektronų, žaliųjų), dabartinio profilio (mėlynos) ir radiacijos, kurią sukuria pirmosios eilės amplifikacija (purpurinė), dabartinis profilis (mėlyna). XTCAV, X juostos skersinė ertmė; CVMI, koaksialinė greito žemėlapių vaizdavimo sistema; FZP, „Fresnel“ juostos plokštės spektrometras

Visi attosekundės impulsai yra sukurti iš triukšmo, todėl kiekvienas impulsas pasižymi skirtingomis spektrinėmis ir laiko srities savybėmis, kurias tyrėjai išsamiau tyrinėjo. Kalbant apie spektrus, jie naudojo „Fresnel“ juostos plokštelės spektrometrą, norėdami išmatuoti atskirų impulsų spektrus esant skirtingam ekvivalentiniam Unduliatoriaus ilgiui, ir nustatė, kad šie spektrai palaikė sklandžias bangos formas net po antrinės amplifikacijos, tai rodo, kad impulsai išliko vienmarūs. Laiko srityje matuojamas kampinis pakraštis ir apibūdinama impulsų laiko bangos forma. Kaip parodyta 1 paveiksle, rentgeno impulsas yra sutaptas su apskritimo poliarizuotu infraraudonųjų lazerio impulsais. Fotoelektronai, jonizuoti rentgeno pulse, sukels dryželius priešais infraraudonųjų lazerio vektorių potencialą. Kadangi elektrinis lazerio laukas sukasi laikui bėgant, fotoelektrono impulsų pasiskirstymas nustatomas pagal elektronų emisijos laiką ir nustatomas ryšys tarp emisijos laiko kampinio režimo ir fotoelektrono pasiskirstymo impulsų pasiskirstymo. Fotoelektrono impulsų pasiskirstymas matuojamas naudojant koaksialinį greito žemėlapio vaizdavimo spektrometrą. Remiantis pasiskirstymo ir spektriniais rezultatais, galima rekonstruoti attosekundės impulsų laiko domeno bangos formą. 2 pav. (A) parodytas impulsų trukmės pasiskirstymas, kai mediana buvo 440 AS. Galiausiai impulsų energijai matuoti buvo naudojamas dujų stebėjimo detektorius, o išsklaidymo diagrama tarp didžiausios impulsų galios ir impulsų trukmės, kaip parodyta 2 paveiksle (b). Trys konfigūracijos atitinka skirtingas elektronų pluošto fokusavimo sąlygas, bangų kūgio sąlygas ir magnetinio kompresoriaus uždelsimo sąlygas. Trys konfigūracijos davė vidutinę impulsų energiją atitinkamai 150, 200 ir 260 µJ, o didžiausia didžiausia galia buvo 1,1 TW.

2 paveikslas. A) Pusiau aukščio viso pločio (FWHM) impulsų paskirstymo histograma; b) Išsklaidymo grafikas, atitinkantis smailės galią ir impulsų trukmę

Be to, tyrimas taip pat pirmą kartą pastebėjo „Soliton“ tipo superemisijos fenomeną rentgeno juostoje, kuri amplifikacijos metu atrodo kaip nuolatinis impulsų sutrumpėjimas. Tai sukelia stipri elektronų ir spinduliuotės sąveika, kai energija greitai perkelta iš elektrono į rentgeno impulsą ir atgal į elektroną iš impulsų uodegos. Tikimasi, kad atliekant išsamų šio reiškinio tyrimą, tikimasi, kad rentgeno impulsai, kurių trukmė yra trumpesnė, ir didesnę smailės galią, gali būti dar labiau realizuojami išplečiant superradiacijos amplifikacijos procesą ir pasinaudojant impulsų sutrumpėjimu, panašiu į „Soliton“ režimą.