TW klasse attoseconde röntgenpulslaser
Attoseconde röntgenfotopulslaserMet hoog vermogen en korte pulsduur zijn de sleutel om ultrasnelle niet-lineaire spectroscopie en röntgendiffractiebeeldvorming te bereiken. Het onderzoeksteam in de Verenigde Staten gebruikte een cascade van tweetrapRöntgenfoto gratis elektronenlasersom discrete attoseconde pulsen uit te voeren. In vergelijking met bestaande rapporten wordt het gemiddelde piekvermogen van de pulsen verhoogd met een orde van grootte, het maximale piekvermogen is 1,1 TW en de mediane energie is meer dan 100 μJ. De studie biedt ook sterk bewijs voor soliton-achtig superradiatiegedrag in het röntgenveld.Energierijke lasershebben veel nieuwe onderzoeksgebieden aangedreven, waaronder hoog-veld fysica, attoseconde spectroscopie en laserdeeltjesversnellers. Onder alle soorten lasers worden röntgenfoto's veel gebruikt bij medische diagnose, industriële foutdetectie, veiligheidsinspectie en wetenschappelijk onderzoek. De röntgenfree-elektronenlaser (XFEL) kan het piek röntgenvermogen met verschillende orden van grootte vergroten in vergelijking met andere röntgengeneratietechnologieën, waardoor de toepassing van röntgenstralen op het veld van niet-lineaire spectroscopie en diffractie-beeldvorming met één deeltjes wordt uitgebreid waar hoog vermogen nodig is. De recente succesvolle Attosecond XFEL is een belangrijke prestatie in attoseconde wetenschap en technologie, waardoor het beschikbare piekvermogen met meer dan zes orden van grootte wordt vergroot in vergelijking met röntgenbronnen van Benchop.
Gratis elektronenlaserskunnen pulsenergieën verkrijgen Vele orden van grootte hoger dan het spontane emissieniveau met behulp van collectieve instabiliteit, die wordt veroorzaakt door de continue interactie van het stralingsveld in de relativistische elektronenstraal en de magnetische oscillator. In het harde röntgenbereik (ongeveer 0,01 nm tot 0,1 nm golflengte), wordt FEL bereikt door bundelcompressie en technieken na de verzadiging. In het zachte röntgenbereik (ongeveer 0,1 nm tot 10 nm golflengte) wordt FEL geïmplementeerd door Cascade Fresh-Slice-technologie. Onlangs is gerapporteerd attoseconde pulsen met een piekvermogen van 100 GW gegenereerd met behulp van de verbeterde zelf-versterkte spontane emissie (ESASE) -methode.
Het onderzoeksteam gebruikte een tweetraps versterkingssysteem op basis van XFEL om de zachte röntgen-attoseconde-pulsuitgang van de LINAC-coherent te versterkenlichtbrontot het TW -niveau, een orde van grootte -verbetering ten opzichte van gerapporteerde resultaten. De experimentele opstelling wordt getoond in figuur 1. Op basis van de eSase-methode wordt de fotokathode-emitter gemoduleerd om een elektronenstraal 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 elektronenstraal, zoals weergegeven in de linkerbovenhoek van figuur 1. Wanneer de Xfel verzadiging bereikt, wordt de elektronenstraal vertraagd ten opzichte van de röntgenfoto door een magnetische compressor en vervolgens de puls interageert met de elektronenstraal (verse plak) die niet wordt gemodificeerd door de esasemodulatie of fellaser. Ten slotte wordt een tweede magnetische undulator gebruikt om de röntgenfoto's verder te versterken door de interactie van attoseconde pulsen met het verse plak.
Fig. 1 experimenteel apparaatdiagram; De illustratie toont de longitudinale faseruimte (tijd-energiediagram van het elektron, groen), het huidige profiel (blauw) en de straling geproduceerd door eerste-orde amplificatie (paars). Xtcav, x-band transversale holte; CVMI, coaxiaal rapid mapping imaging -systeem; FZP, Fresnel Band -plaatspectrometer
Alle attoseconde pulsen zijn gebouwd uit ruis, dus elke puls heeft verschillende spectrale en tijddomein-eigenschappen, die de onderzoekers in meer detail hebben onderzocht. In termen van spectra gebruikten ze een Fresnel -bandplaatspectrometer om de spectra van individuele pulsen te meten bij verschillende equivalente undulatielenlengtes, en ontdekten dat deze spectra gladde golfvormen handhaafden, zelfs na secundaire amplificatie, wat aangeeft dat de pulsen unimodaal bleven. In het tijdsdomein wordt de hoekrand gemeten en wordt de tijddomeingolfvorm van de puls gekenmerkt. Zoals getoond in figuur 1, wordt de röntgenpuls overlapt met de cirkelvormig gepolariseerde infraroodlaserspuls. De foto-elektronen geïoniseerd door de röntgenpuls zullen strepen produceren in de richting tegenover het vectorpotentiaal van de infraroodlaser. Omdat het elektrische veld van de laser met de tijd roteert, wordt de momentumverdeling van het foto -elektron bepaald door de tijd van elektronenemissie en de relatie tussen de hoekmodus van de emissietijd en de momentumverdeling van het foto -elektron is vastgesteld. De verdeling van foto -elektronenmomentum wordt gemeten met behulp van een coaxiale Fast Mapping Imaging -spectrometer. Op basis van de verdeling en spectrale resultaten kan de tijddomeingolfvorm van attoseconde pulsen 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 de spreidingsdiagram tussen het piekpulsvermogen en de pulsduur zoals getoond in figuur 2 (b) werd berekend. De drie configuraties komen overeen met verschillende elektronenstraalfocusomstandigheden, waver coning -omstandigheden en magnetische compressor vertragingsomstandigheden. 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) verdelingshistogram van de helft van de helft volledige breedte (FWHM) pulsduur; (b) Verstrooiingsplot die overeenkomt met piekvermogen en pulsduur
Bovendien heeft de studie ook voor het eerst het fenomeen van soliton-achtige superemissie in de röntgenband waargenomen, die verschijnt als een continue pulsverkorting tijdens amplificatie. Het wordt veroorzaakt door een sterke interactie tussen elektronen en straling, waarbij energie snel wordt overgebracht van het elektron naar de kop van de röntgenpuls en terug naar het elektron van 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 superradiatie-versterkingsproces te verlengen en gebruik te maken van pulsverpliking in de solitonachtige modus.
Posttijd: 27-2024 mei