Laser nadi sinar-X attosaat kelas TW

Laser nadi sinar-X attosaat kelas TW
X-ray attosecondlaser nadidengan kuasa tinggi dan tempoh nadi yang pendek adalah kunci untuk mencapai spektroskopi tak linear ultrafast dan pengimejan difraksi sinar-X. Pasukan penyelidik di Amerika Syarikat menggunakan lata dua peringkatLaser elektron bebas sinar-Xuntuk mengeluarkan denyut attosaat diskret. Berbanding dengan laporan sedia ada, kuasa puncak purata denyutan meningkat dengan susunan magnitud, kuasa puncak maksimum ialah 1.1 TW, dan tenaga median adalah lebih daripada 100 μJ. Kajian ini juga menyediakan bukti kukuh untuk tingkah laku superradiasi seperti soliton dalam medan sinar-X.Laser bertenaga tinggitelah memacu banyak bidang penyelidikan baharu, termasuk fizik medan tinggi, spektroskopi attosaat, dan pemecut zarah laser. Di antara semua jenis laser, sinar-X digunakan secara meluas dalam diagnosis perubatan, pengesanan kecacatan industri, pemeriksaan keselamatan dan penyelidikan saintifik. Laser elektron bebas sinar-X (XFEL) boleh meningkatkan kuasa sinar-X puncak dengan beberapa susunan magnitud berbanding teknologi penjanaan sinar-X lain, dengan itu memanjangkan aplikasi sinar-X ke bidang spektroskopi tak linear dan satu- pengimejan pembelauan zarah di mana kuasa tinggi diperlukan. XFEL attosecond yang berjaya baru-baru ini merupakan pencapaian utama dalam sains dan teknologi attosecond, meningkatkan kuasa puncak yang tersedia dengan lebih daripada enam urutan magnitud berbanding sumber sinar-X atas bangku.

Laser elektron percumaboleh memperoleh tenaga nadi banyak susunan magnitud lebih tinggi daripada tahap pelepasan spontan menggunakan ketidakstabilan kolektif, yang disebabkan oleh interaksi berterusan medan sinaran dalam pancaran elektron relativistik dan pengayun magnet. Dalam julat sinar-X keras (kira-kira 0.01 nm hingga 0.1 nm panjang gelombang), FEL dicapai dengan mampatan berkas dan teknik coning selepas tepu. Dalam julat sinar-X lembut (kira-kira 0.1 nm hingga 10 nm panjang gelombang), FEL dilaksanakan oleh teknologi hirisan segar lata. Baru-baru ini, denyutan attosaat dengan kuasa puncak 100 GW telah dilaporkan dijana menggunakan kaedah pelepasan spontan diperkuatkan sendiri (ESASE) yang dipertingkatkan.

Pasukan penyelidik menggunakan sistem penguatan dua peringkat berdasarkan XFEL untuk menguatkan output denyut attosaat sinar-X lembut daripada koheren linacsumber cahayake peringkat TW, susunan peningkatan magnitud berbanding keputusan yang dilaporkan. Persediaan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 1. Berdasarkan kaedah ESSE, pemancar fotokatod dimodulasi untuk mendapatkan rasuk elektron dengan pancang arus tinggi, dan digunakan untuk menjana denyutan sinar-X attosaat. Nadi awal terletak di pinggir hadapan pancang pancaran elektron, seperti yang ditunjukkan di sudut kiri atas Rajah 1. Apabila XFEL mencapai tepu, pancaran elektron ditangguhkan berbanding sinar-X oleh pemampat magnet, dan kemudian nadi berinteraksi dengan pancaran elektron (hirisan segar) yang tidak diubah suai oleh modulasi ESSE atau laser FEL. Akhir sekali, undulator magnet kedua digunakan untuk menguatkan lagi sinar-X melalui interaksi denyutan attosaat dengan kepingan segar.

GAMBAR. 1 Gambar rajah peranti eksperimen; Ilustrasi menunjukkan ruang fasa membujur (gambar rajah tenaga masa elektron, hijau), profil semasa (biru), dan sinaran yang dihasilkan oleh penguatan tertib pertama (ungu). XTCAV, rongga melintang jalur-X; cVMI, sistem pengimejan pemetaan pantas sepaksi; FZP, spektrometer plat jalur Fresnel

Semua denyutan attosaat dibina daripada hingar, jadi setiap nadi mempunyai sifat spektrum dan domain masa yang berbeza, yang diterokai oleh penyelidik dengan lebih terperinci. Dari segi spektrum, mereka menggunakan spektrometer plat jalur Fresnel untuk mengukur spektrum denyutan individu pada panjang undulator setara yang berbeza, dan mendapati bahawa spektrum ini mengekalkan bentuk gelombang yang licin walaupun selepas penguatan sekunder, menunjukkan bahawa denyutan kekal unimodal. Dalam domain masa, pinggir sudut diukur dan bentuk gelombang domain masa nadi dicirikan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, nadi sinar-X bertindih dengan nadi laser inframerah terpolarisasi bulat. Fotoelektron yang diionkan oleh nadi sinar-X akan menghasilkan coretan ke arah yang bertentangan dengan potensi vektor laser inframerah. Oleh kerana medan elektrik laser berputar dengan masa, taburan momentum fotoelektron ditentukan oleh masa pelepasan elektron, dan hubungan antara mod sudut masa pelepasan dan taburan momentum fotoelektron ditubuhkan. Taburan momentum fotoelektron diukur menggunakan spektrometer pengimejan pemetaan pantas sepaksi. Berdasarkan hasil taburan dan spektrum, bentuk gelombang domain masa bagi denyut attosaat boleh dibina semula. Rajah 2 (a) menunjukkan taburan tempoh nadi, dengan median 440 sebagai. Akhirnya, pengesan pemantauan gas digunakan untuk mengukur tenaga nadi, dan plot serakan antara kuasa nadi puncak dan tempoh nadi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b) telah dikira. Tiga konfigurasi sepadan dengan keadaan pemfokusan rasuk elektron yang berbeza, keadaan kon goyah dan keadaan kelewatan pemampat magnetik. Tiga konfigurasi menghasilkan tenaga nadi purata 150, 200, dan 260 µJ, masing-masing, dengan kuasa puncak maksimum 1.1 TW.

Rajah 2. (a) Histogram taburan separuh tinggi Lebar penuh (FWHM) tempoh nadi; (b) Plot serakan sepadan dengan kuasa puncak dan tempoh nadi

Di samping itu, kajian itu juga memerhatikan buat pertama kalinya fenomena superemisi seperti soliton dalam jalur sinar-X, yang muncul sebagai pemendekan nadi berterusan semasa amplifikasi. Ia disebabkan oleh interaksi yang kuat antara elektron dan sinaran, dengan tenaga cepat dipindahkan dari elektron ke kepala nadi sinar-X dan kembali ke elektron dari ekor nadi. Melalui kajian mendalam tentang fenomena ini, diharapkan denyutan sinar-X dengan tempoh yang lebih pendek dan kuasa puncak yang lebih tinggi dapat direalisasikan lagi dengan melanjutkan proses penguatan superradiasi dan memanfaatkan pemendekan nadi dalam mod seperti soliton.