TW klasės atosekundinis rentgeno spindulių impulsinis lazeris

TW klasės atosekundinis rentgeno spindulių impulsinis lazeris
Attosekundinis rentgeno spindulysimpulsinis lazerisDidelės galios ir trumpos impulso trukmės yra raktas į itin greitą netiesinę spektroskopiją ir rentgeno spindulių difrakcijos vaizdavimą. Jungtinių Valstijų tyrimų komanda naudojo dviejų pakopų kaskadąRentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeriaiišvesti diskrečius atosekundinius impulsus. Palyginti su esamomis ataskaitomis, vidutinė impulsų didžiausia galia yra didesnė vienu dydžio eilės skaičiumi, maksimali didžiausia galia yra 1,1 TW, o vidutinė energija yra daugiau nei 100 μJ. Tyrimas taip pat pateikia tvirtų įrodymų apie solitonams būdingą superspinduliuotės elgesį rentgeno spindulių lauke.Didelės energijos lazeriaipaskatino daugelį naujų tyrimų sričių, įskaitant didelės spartos fiziką, attosekundinę spektroskopiją ir lazerinius dalelių greitintuvus. Iš visų lazerių rūšių rentgeno spinduliai plačiai naudojami medicininėje diagnostikoje, pramoninių defektų aptikime, saugos patikroje ir moksliniuose tyrimuose. Rentgeno spindulių laisvųjų elektronų lazeris (XFEL) gali padidinti maksimalią rentgeno spindulių galią keliais dydžio eilėmis, palyginti su kitomis rentgeno spindulių generavimo technologijomis, taip išplėsdamas rentgeno spindulių taikymą netiesinės spektroskopijos ir vienos dalelės difrakcijos vaizdavimo srityje, kur reikalinga didelė galia. Neseniai sėkmingai sukurtas attosekundinis XFEL yra didelis pasiekimas attosekundiniame moksle ir technologijose, padidinęs maksimalią galią daugiau nei šešiais dydžio eilėmis, palyginti su stacionariais rentgeno spindulių šaltiniais.

Laisvųjų elektronų lazeriaigali gauti daug eilėmis didesnes impulsų energijas nei savaiminės emisijos lygis, naudojant kolektyvinį nestabilumą, kurį sukelia nuolatinė spinduliuotės lauko sąveika reliatyvistiniame elektronų pluošte ir magnetiniame osciliatoriuje. Kietųjų rentgeno spindulių diapazone (apie 0,01 nm iki 0,1 nm bangos ilgio) FEL pasiekiamas naudojant pluošto suspaudimo ir po įsotinimo kūgio sudarymo metodus. Minkštųjų rentgeno spindulių diapazone (apie 0,1 nm iki 10 nm bangos ilgio) FEL įgyvendinamas naudojant kaskadinę šviežio pjūvio technologiją. Neseniai pranešta, kad naudojant patobulintą savarankiškai sustiprintą savaiminės emisijos (ESASE) metodą generuojami atosekundiniai impulsai, kurių maksimali galia yra 100 GW.

Mokslininkų komanda naudojo dviejų pakopų stiprinimo sistemą, pagrįstą XFEL, kad sustiprintų minkštųjų rentgeno spindulių atosekundinius impulsus, skleidžiamus iš linijinio koherentinio matuoklio.šviesos šaltinisiki TW lygio, o tai yra eilės pagerėjimas, palyginti su pateiktais rezultatais. Eksperimentinė įranga parodyta 1 paveiksle. Remiantis ESASE metodu, fotokatodo spinduolis moduliuojamas taip, kad būtų gautas elektronų pluoštas su didele srovės smaigaliu, ir naudojamas attosekundiniams rentgeno spindulių impulsams generuoti. Pradinis impulsas yra elektronų pluošto smaigalio priekiniame krašte, kaip parodyta viršutiniame kairiajame 1 paveikslo kampe. Kai XFEL pasiekia prisotinimą, elektronų pluoštas yra uždelstas rentgeno spindulių atžvilgiu magnetiniu kompresoriumi, o tada impulsas sąveikauja su elektronų pluoštu (šviežiu pjūviu), kurio nemodifikuoja ESASE moduliacija ar FEL lazeris. Galiausiai, antrasis magnetinis undulatorius naudojamas rentgeno spinduliams dar labiau sustiprinti per attosekundinių impulsų sąveiką su šviežiu pjūviu.

1 PAV. Eksperimentinio įrenginio schema; Iliustracijoje parodyta išilginė fazinė erdvė (elektrono laiko ir energijos diagrama, žalia), srovės profilis (mėlyna) ir pirmos eilės stiprinimo sukurta spinduliuotė (violetinė). XTCAV, X juostos skersinė ertmė; cVMI, koaksialinė greitojo kartografavimo vaizdavimo sistema; FZP, Frenelio juostos plokštelinis spektrometras

Visi atosekundiniai impulsai yra sudaromi iš triukšmo, todėl kiekvienas impulsas turi skirtingas spektrines ir laiko srities savybes, kurias tyrėjai ištyrė išsamiau. Kalbant apie spektrus, jie naudojo Frenelio juostų plokštelės spektrometrą, kad išmatuotų atskirų impulsų spektrus esant skirtingiems ekvivalentiniams undulatoriaus ilgiams, ir nustatė, kad šie spektrai išlaikė lygias bangos formas net ir po antrinio stiprinimo, o tai rodo, kad impulsai išliko unimodaliniai. Laiko srityje matuojamas kampinis kraštas ir apibūdinama impulso laiko srities bangos forma. Kaip parodyta 1 paveiksle, rentgeno spindulių impulsas persidengia su apskrito poliarizacijos infraraudonųjų spindulių lazerio impulsu. Rentgeno spindulių impulso jonizuoti fotoelektronai sukurs juostas priešinga kryptimi infraraudonųjų spindulių lazerio vektoriaus potencialui. Kadangi lazerio elektrinis laukas sukasi laikui bėgant, fotoelektrono momento pasiskirstymą lemia elektronų emisijos laikas, ir nustatomas ryšys tarp emisijos laiko kampinio režimo ir fotoelektrono momento pasiskirstymo. Fotoelektrono momento pasiskirstymas matuojamas naudojant koaksialinį greitojo kartografavimo vaizdavimo spektrometrą. Remiantis pasiskirstymo ir spektriniais rezultatais, galima rekonstruoti attosekundinių impulsų laiko srities bangos formą. 2(a) paveiksle parodytas impulso trukmės pasiskirstymas, kurio mediana yra 440 as. Galiausiai, dujų stebėjimo detektorius buvo naudojamas impulso energijai matuoti ir apskaičiuota sklaidos diagrama tarp didžiausios impulso galios ir impulso trukmės, kaip parodyta 2(b) paveiksle. Trys konfigūracijos atitinka skirtingas elektronų pluošto fokusavimo sąlygas, bangų kūgio sąlygas ir magnetinio kompresoriaus uždelsimo sąlygas. Trys konfigūracijos davė atitinkamai 150, 200 ir 260 µJ vidutines impulso energijas, o maksimali didžiausia galia – 1,1 TW.

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

Be to, tyrime pirmą kartą pastebėtas solitono tipo superemisijos rentgeno spindulių juostoje reiškinys, kuris stiprinimo metu pasireiškia kaip nuolatinis impulso trumpėjimas. Jį sukelia stipri elektronų ir spinduliuotės sąveika, kai energija greitai perduodama iš elektrono į rentgeno spindulių impulso galvą ir atgal į elektroną iš impulso uodegos. Išsamiai ištyrus šį reiškinį, tikimasi, kad trumpesnės trukmės ir didesnės maksimalios galios rentgeno spindulių impulsus galima toliau realizuoti prailginant superspinduliavimo stiprinimo procesą ir pasinaudojant impulso trumpėjimu solitono tipo režimu.