TW-klasse attoseconde röntgenpulslaser
Attoseconde röntgenfotopulslaserMet een hoog vermogen en een korte pulsduur zijn de sleutels tot ultrasnelle niet-lineaire spectroscopie en röntgendiffractiebeeldvorming. Het onderzoeksteam in de Verenigde Staten gebruikte een cascade van tweetrapsRöntgenvrije elektronenlasersom discrete attosecondepulsen uit te voeren. Vergeleken met bestaande rapporten is het gemiddelde piekvermogen van de pulsen met een orde van grootte toegenomen, het maximale piekvermogen is 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 lasershebben geleid tot vele nieuwe onderzoeksgebieden, waaronder hoogveldfysica, attosecondespectroscopie en laserdeeltjesversnellers. Van alle soorten lasers worden röntgenstralen veel gebruikt voor medische diagnose, industriële foutdetectie, veiligheidsinspecties en wetenschappelijk onderzoek. De röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL) kan het piekvermogen van röntgenstralen met meerdere ordes van grootte verhogen ten opzichte van andere röntgentechnologieën, waardoor de toepassing van röntgenstralen wordt uitgebreid naar niet-lineaire spectroscopie en diffractiebeeldvorming van individuele deeltjes, waar een hoog vermogen vereist is. De recente succesvolle attoseconde XFEL is een belangrijke prestatie in de attosecondewetenschap en -technologie, die het beschikbare piekvermogen met meer dan zes ordes van grootte verhoogt ten opzichte van laboratoriumröntgenbronnen.
Vrije elektronenlasersKan pulsenergieën verkrijgen die vele ordes van grootte hoger liggen dan het spontane emissieniveau door gebruik te maken van collectieve instabiliteit, die wordt veroorzaakt door de continue interactie tussen het stralingsveld in de relativistische elektronenbundel en de magnetische oscillator. In het harde röntgenbereik (golflengte van ongeveer 0,01 nm tot 0,1 nm) wordt FEL bereikt door bundelcompressie en post-saturatie coning-technieken. In het zachte röntgenbereik (golflengte van ongeveer 0,1 nm tot 10 nm) wordt FEL geïmplementeerd door cascade fresh-slice-technologie. Recentelijk is gerapporteerd dat attosecondepulsen met een piekvermogen van 100 GW worden gegenereerd met behulp van de Enhanced Self-Amplified Spontane Emission (ESASE)-methode.
Het onderzoeksteam gebruikte een twee-traps versterkingssysteem gebaseerd op XFEL om de zachte röntgen-attoseconde pulsuitvoer van de coherente lineaire versneller te versterkenlichtbronnaar 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 en wordt gebruikt om attoseconde röntgenpulsen te genereren. De initiële puls bevindt zich aan de voorrand van de piek van de elektronenbundel, zoals weergegeven in de linkerbovenhoek van Figuur 1. Wanneer de XFEL verzadigd raakt, wordt de elektronenbundel vertraagd ten opzichte van de röntgenstraling door een magnetische compressor, waarna de puls interageert met de elektronenbundel (verse plak) die niet wordt gemodificeerd door de ESASE-modulatie of FEL-laser. Ten slotte wordt een tweede magnetische undulator gebruikt om de röntgenstraling verder te versterken door de interactie van attosecondepulsen met de verse plak.
FIG. 1 Experimenteel apparaatdiagram; de illustratie 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 snel mapping-beeldvormingssysteem; FZP, Fresnel bandplaatspectrometer.
Alle attosecondepulsen zijn opgebouwd uit ruis, waardoor elke puls verschillende spectrale en tijdsdomeineigenschappen heeft, die de onderzoekers nader hebben onderzocht. Wat betreft spectra gebruikten ze een Fresnel bandplaatspectrometer om de spectra van individuele pulsen bij verschillende equivalente undulatorlengtes te meten. Ze ontdekten dat deze spectra zelfs na secundaire versterking vloeiende golfvormen behielden, wat aangeeft dat de pulsen unimodaal bleven. In het tijdsdomein wordt de hoekige zoom gemeten en wordt de golfvorm van de puls in het tijdsdomein gekarakteriseerd. Zoals weergegeven in Figuur 1 overlapt de röntgenpuls de circulair gepolariseerde infraroodlaserpuls. De foto-elektronen die door de röntgenpuls worden geïoniseerd, zullen strepen produceren in de richting tegengesteld aan de vectorpotentiaal van de infraroodlaser. Omdat het elektrische veld van de laser met de tijd roteert, wordt de impulsverdeling van het foto-elektron bepaald door de tijd van de elektronenemissie, en wordt de relatie tussen de hoekmodus van de emissietijd en de impulsverdeling van het foto-elektron vastgesteld. De verdeling van het foto-elektronenimpulsmomentum wordt gemeten met een coaxiale, snel mapping-beeldspectrometer. Op basis van de verdelings- en spectrale resultaten kan de tijdsdomeingolfvorm van attosecondepulsen worden gereconstrueerd. Figuur 2 (a) toont de verdeling van de pulsduur, met een mediaan van 440 μs. Ten slotte werd de gasmonitoringsdetector gebruikt om de pulsenergie te meten en werd de spreidingsgrafiek tussen het piekpulsvermogen en de pulsduur, zoals weergegeven in Figuur 2 (b), berekend. De drie configuraties corresponderen met verschillende focusseringscondities voor de elektronenbundel, waverconingcondities en magnetische compressorvertragingscondities. 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 pulsduur met halve hoogte en volledige breedte (FWHM); (b) Spreidingsdiagram dat overeenkomt met piekvermogen en pulsduur
Bovendien observeerde de studie voor het eerst het fenomeen van solitonachtige superemissie in de röntgenband, dat zich manifesteert als een continue pulsverkorting 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 terug naar het elektron vanuit de staart van de puls. Door diepgaand onderzoek naar dit fenomeen wordt verwacht dat röntgenpulsen met een kortere duur en een hoger piekvermogen verder kunnen worden gerealiseerd door het superstralingversterkingsproces uit te breiden en gebruik te maken van pulsverkorting in de solitonachtige modus.
Geplaatst op: 27 mei 2024