TW-klasse attoseconde röntgenpulslaser

TW-klasse attoseconde röntgenpulslaser
Attoseconde röntgenstralingpulslaserEen hoog vermogen en een korte pulsduur zijn essentieel voor het bereiken van ultrasnelle niet-lineaire spectroscopie en röntgendiffractiebeeldvorming. Het onderzoeksteam in de Verenigde Staten gebruikte een cascade van twee trappen.Röntgenvrije elektronenlasersom discrete attoseconde pulsen uit te zenden. In vergelijking met bestaande rapporten is het gemiddelde piekvermogen van de pulsen met een factor tien toegenomen, het maximale piekvermogen bedraagt ​​1,1 TW en de mediane energie is meer dan 100 μJ. De studie levert ook sterk bewijs voor solitonachtig superstralingsgedrag in het röntgenveld.Hoogenergetische lasersRöntgenstraling heeft geleid tot veel nieuwe onderzoeksgebieden, waaronder hogeveldfysica, attosecondespectroscopie en laserdeeltjesversnellers. Van alle soorten lasers worden röntgenstralen veelvuldig gebruikt in medische diagnostiek, industriële foutdetectie, veiligheidsinspectie en wetenschappelijk onderzoek. De röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL) kan het piekvermogen van röntgenstralen met meerdere ordes van grootte verhogen in vergelijking met andere röntgengeneratietechnologieën, waardoor de toepassing van röntgenstralen wordt uitgebreid naar het gebied van niet-lineaire spectroscopie en beeldvorming van individuele deeltjesdiffractie, waar een hoog vermogen vereist is. De recent succesvolle attoseconde-XFEL is een belangrijke prestatie in de attosecondewetenschap en -technologie, waarbij het beschikbare piekvermogen met meer dan zes ordes van grootte is verhoogd ten opzichte van conventionele röntgenbronnen.

Vrije-elektronenlasersMet behulp van collectieve instabiliteit, veroorzaakt door de continue interactie van het stralingsveld in de relativistische elektronenbundel en de magnetische oscillator, kunnen pulsenergieën worden verkregen die vele ordes van grootte hoger liggen dan het niveau van spontane emissie. In het harde röntgengebied (ongeveer 0,01 nm tot 0,1 nm golflengte) wordt FEL bereikt door middel van bundelcompressie en post-saturatie coning-technieken. In het zachte röntgengebied (ongeveer 0,1 nm tot 10 nm golflengte) wordt FEL geïmplementeerd met behulp van cascade fresh-slice-technologie. Recentelijk is gerapporteerd dat attoseconde pulsen met een piekvermogen van 100 GW kunnen worden gegenereerd met behulp van de enhanced self-amplified spontaneous emission (ESASE)-methode.

Het onderzoeksteam gebruikte een tweetrapsversterkingssysteem gebaseerd op XFEL om de attoseconde-pulsen van de zachte röntgenstraling van de coherente lineaire versneller te versterken.lichtbrontot het TW-niveau, een verbetering van een orde van grootte ten opzichte van de gerapporteerde resultaten. De experimentele opstelling is weergegeven in Figuur 1. Gebaseerd op de ESASE-methode wordt de fotokathode-emitter gemoduleerd om een ​​elektronenbundel met een hoge stroompiek te verkrijgen, die wordt gebruikt om attoseconde röntgenpulsen te genereren. De eerste puls bevindt zich aan de voorrand van de piek van de elektronenbundel, zoals weergegeven in de linkerbovenhoek van Figuur 1. Wanneer de XFEL verzadiging bereikt, wordt de elektronenbundel vertraagd ten opzichte van de röntgenstraling door een magnetische compressor, waarna de puls interageert met de elektronenbundel (verse plak) die niet is gemodificeerd door de ESASE-modulatie of de FEL-laser. Ten slotte wordt een tweede magnetische undulator gebruikt om de röntgenstraling verder te versterken door de interactie van attoseconde pulsen met de verse plak.

FIG. 1 Schematische weergave van de experimentele opstelling; De afbeelding toont de longitudinale faseruimte (tijd-energiediagram van het elektron, groen), het stroomprofiel (blauw) en de straling geproduceerd door eerste-orde versterking (paars). XTCAV, X-band transversale holte; cVMI, coaxiaal snelmapping beeldvormingssysteem; FZP, Fresnel bandplaatspectrometer

Alle attoseconde pulsen zijn opgebouwd uit ruis, waardoor elke puls verschillende spectrale en tijdsdomeineigenschappen heeft. De onderzoekers hebben deze eigenschappen nader onderzocht. Wat betreft de spectra gebruikten ze een Fresnel-bandplaatspectrometer om de spectra van individuele pulsen te meten bij verschillende equivalente undulatorlengtes. Ze ontdekten dat deze spectra zelfs na secundaire versterking vloeiende golfvormen behielden, wat erop wijst dat de pulsen unimodaal bleven. In het tijdsdomein werd de hoekfranje gemeten en de tijdsdomeingolfvorm van de puls gekarakteriseerd. Zoals weergegeven in Figuur 1, overlapt de röntgenpuls met de circulair gepolariseerde infraroodlaserpuls. De door de röntgenpuls geïoniseerde foto-elektronen produceren strepen in de richting tegengesteld aan de vectorpotentiaal van de infraroodlaser. Omdat het elektrische veld van de laser in de tijd roteert, wordt de impulsverdeling van het foto-elektron bepaald door het tijdstip van elektronenemissie. Hierdoor wordt de relatie tussen de hoekmodus van de emissietijd en de impulsverdeling van het foto-elektron vastgesteld. De verdeling van het momentum van foto-elektronen wordt gemeten met behulp van een coaxiale snelle mapping-beeldvormingsspectrometer. Op basis van de verdeling en de spectrale resultaten kan de tijdsdomein-golfvorm van attoseconde-pulsen worden gereconstrueerd. Figuur 2 (a) toont de verdeling van de pulsduur, met een mediaan van 440 as. Ten slotte werd de pulsenergie gemeten met behulp van een gasmonitoringsdetector, en werd de spreidingsgrafiek tussen het piekvermogen en de pulsduur berekend, zoals weergegeven in figuur 2 (b). De drie configuraties corresponderen met verschillende focusseeromstandigheden van de elektronenbundel, golfconingomstandigheden en vertragingsomstandigheden van de magnetische compressor. De drie configuraties leverden gemiddelde pulsenergieën op van respectievelijk 150, 200 en 260 µJ, met een maximaal piekvermogen van 1,1 TW.

Figuur 2. (a) Distributiehistogram van de halfhoogte/volledige breedte (FWHM) van de pulsduur; (b) Spreidingsdiagram corresponderend met piekvermogen en pulsduur

Daarnaast werd in het onderzoek voor het eerst het fenomeen van solitonachtige superemissie in het röntgengebied waargenomen, dat zich manifesteert als een continue verkorting van de puls tijdens de versterking. Dit wordt veroorzaakt door een sterke interactie tussen elektronen en straling, waarbij energie snel wordt overgedragen van het elektron naar de kop van de röntgenpuls en vervolgens weer terug naar het elektron vanuit de staart van de puls. Door dit fenomeen diepgaand te bestuderen, wordt verwacht dat röntgenpulsen met een kortere duur en een hoger piekvermogen verder kunnen worden gerealiseerd door het superstralingsversterkingsproces uit te breiden en gebruik te maken van de pulsverkorting in de solitonachtige modus.