TW-klasse attoseconde röntgenpulslaser

TW-klasse attoseconde röntgenpulslaser
Attoseconde röntgenfotopuls lasermet een hoog vermogen en een korte pulsduur zijn de sleutel tot ultrasnelle niet-lineaire spectroscopie en röntgendiffractiebeeldvorming. Het onderzoeksteam in de Verenigde Staten gebruikte een cascade van twee fasenRöntgenvrije elektronenlasersom discrete attosecondepulsen uit te voeren. Vergeleken met bestaande rapporten is het gemiddelde piekvermogen van de pulsen met een orde van grootte verhoogd, 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.Lasers met hoge energiehebben geleid tot veel nieuwe onderzoeksgebieden, waaronder hoogveldfysica, attosecondespectroscopie en laserdeeltjesversnellers. Van alle soorten lasers worden röntgenstralen veel gebruikt bij medische diagnoses, industriële foutdetectie, veiligheidsinspectie en wetenschappelijk onderzoek. De röntgenvrije-elektronenlaser (XFEL) kan het piekvermogen van de röntgenstraling met verschillende ordes van grootte verhogen in vergelijking met andere technologieën voor het genereren van röntgenstraling, waardoor de toepassing van röntgenstraling wordt uitgebreid naar het gebied van niet-lineaire spectroscopie en single-ray-spectroscopie. deeltjesdiffractiebeeldvorming waarbij een hoog vermogen vereist is. De recente succesvolle attoseconde XFEL is een belangrijke prestatie op het gebied van attosecondewetenschap en -technologie, waarbij het beschikbare piekvermogen met meer dan zes ordes van grootte wordt verhoogd in vergelijking met röntgenbronnen op tafel.

Gratis elektronenlaserskan pulsenergieën verkrijgen die vele ordes van grootte hoger zijn dan het spontane emissieniveau door gebruik te maken van collectieve instabiliteit, die wordt veroorzaakt door de continue interactie van het stralingsveld in de relativistische elektronenbundel en de magnetische oscillator. In het harde röntgenbereik (golflengte ongeveer 0,01 nm tot 0,1 nm) wordt FEL bereikt door bundelcompressie en post-verzadiging-coningtechnieken. In het zachte röntgenbereik (ongeveer 0,1 nm tot 10 nm golflengte) wordt FEL geïmplementeerd door middel van cascade-fres-slice-technologie. Onlangs is gemeld dat attosecondepulsen met een piekvermogen van 100 GW worden gegenereerd met behulp van de verbeterde zelfversterkte spontane emissie (ESASE) -methode.

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

AFB. 1 Experimenteel apparaatdiagram; 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 dwarsholte; cVMI, coaxiaal beeldvormingssysteem voor snelle mapping; FZP, Fresnel-bandplaatspectrometer

Alle attosecondepulsen zijn opgebouwd uit ruis, dus elke puls heeft verschillende spectrale en tijddomeineigenschappen, die de onderzoekers in meer detail hebben onderzocht. In termen van spectra gebruikten ze een Fresnel-bandplaatspectrometer om de spectra van individuele pulsen bij verschillende equivalente undulatorlengtes te meten, en ontdekten dat deze spectra zelfs na secundaire versterking vloeiende golfvormen behielden, wat aangeeft dat de pulsen unimodaal bleven. In het tijdsdomein wordt de hoekrand 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 door de röntgenpuls geïoniseerde foto-elektronen zullen strepen produceren in de richting tegengesteld aan de vectorpotentiaal van de infraroodlaser. Omdat het elektrische veld van de laser in de loop van de tijd roteert, wordt de momentumverdeling van het foto-elektron bepaald door het tijdstip van elektronenemissie, en wordt de relatie tussen de hoekmodus van de emissietijd en de momentumverdeling van het foto-elektron vastgesteld. De verdeling van het foto-elektronenmomentum wordt gemeten met behulp van een coaxiale fast mapping-beeldvormingsspectrometer. Op basis van de distributie- en spectrale resultaten kan de tijddomeingolfvorm van attosecondepulsen worden gereconstrueerd. Figuur 2 (a) toont de verdeling van de pulsduur, met een mediaan van 440 as. Ten slotte werd de gasbewakingsdetector gebruikt om de pulsenergie te meten, en werd het spreidingsdiagram tussen het piekpulsvermogen en de pulsduur berekend, zoals weergegeven in figuur 2 (b). De drie configuraties komen overeen met verschillende omstandigheden voor het focusseren van elektronenbundels, golfkegelomstandigheden en vertragingsomstandigheden voor magnetische compressoren. 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 pulsduur op halve hoogte over de volledige breedte (FWHM); (b) Verspreidingsdiagram dat overeenkomt met piekvermogen en pulsduur

Bovendien observeerde de studie voor het eerst ook het fenomeen van soliton-achtige superemissie in de röntgenband, die verschijnt als een continue verkorting van de puls tijdens versterking. Het 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 vanaf de staart van de puls. Door een diepgaande studie van dit fenomeen wordt verwacht dat röntgenpulsen met een kortere duur en een hoger piekvermogen verder kunnen worden gerealiseerd door het superstralingsversterkingsproces uit te breiden en te profiteren van pulsverkorting in soliton-achtige modus.


Posttijd: 27 mei 2024