Laser denyut sinar-X attosaat kelas TW

Laser denyut sinar-X attosaat kelas TW
Sinar-X Attosaatlaser denyutdengan kuasa tinggi dan tempoh denyutan yang pendek adalah kunci untuk mencapai spektroskopi tak linear ultra pantas dan pengimejan pembelauan sinar-X. Pasukan penyelidikan di Amerika Syarikat menggunakan lata dua peringkatLaser elektron bebas sinar-Xuntuk mengeluarkan denyutan attosaat diskret. Berbanding dengan laporan sedia ada, kuasa puncak purata denyutan meningkat sebanyak satu peringkat magnitud, kuasa puncak maksimum ialah 1.1 TW, dan tenaga median adalah lebih daripada 100 μJ. Kajian ini juga memberikan 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. 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 sebanyak beberapa peringkat magnitud berbanding teknologi penjanaan sinar-X yang lain, sekali gus memperluaskan aplikasi sinar-X ke bidang spektroskopi tak linear dan pengimejan pembelauan zarah tunggal di mana kuasa tinggi diperlukan. XFEL attosaat yang berjaya baru-baru ini merupakan pencapaian utama dalam sains dan teknologi attosaat, meningkatkan kuasa puncak yang tersedia sebanyak lebih daripada enam peringkat magnitud berbanding sumber sinar-X atas meja.

Laser elektron bebasboleh memperoleh tenaga denyut berperingkat magnitud yang lebih tinggi daripada tahap pancaran 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 melalui teknik pemampatan berkas dan kon pasca-tepu. Dalam julat sinar-X lembut (kira-kira 0.1 nm hingga 10 nm panjang gelombang), FEL dilaksanakan melalui teknologi hirisan segar lata. Baru-baru ini, denyutan attosaat dengan kuasa puncak 100 GW telah dilaporkan dijana menggunakan kaedah pancaran spontan penguat kendiri yang dipertingkatkan (ESASE).

Pasukan penyelidikan menggunakan sistem amplifikasi dua peringkat berdasarkan XFEL untuk menguatkan output denyut attosecond sinar-X lembut daripada koheren linacsumber cahayake tahap TW, satu peningkatan tertib magnitud berbanding keputusan yang dilaporkan. Persediaan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah 1. Berdasarkan kaedah ESASE, pemancar fotokatod dimodulasi untuk mendapatkan pancaran elektron dengan lonjakan arus yang tinggi, dan digunakan untuk menghasilkan denyutan sinar-X attosecond. Nadi awal terletak di tepi hadapan lonjakan pancaran elektron, seperti yang ditunjukkan di sudut kiri atas Rajah 1. Apabila XFEL mencapai ketepuan, pancaran elektron ditangguhkan relatif kepada sinar-X oleh pemampat magnet, dan kemudian denyut berinteraksi dengan pancaran elektron (kepingan segar) yang tidak diubah suai oleh modulasi ESASE atau laser FEL. Akhir sekali, pengundur magnet kedua digunakan untuk menguatkan lagi sinar-X melalui interaksi denyutan attosecond dengan kepingan segar.

RAJAH 1 Gambarajah peranti eksperimen; Ilustrasi menunjukkan ruang fasa membujur (gambarajah masa-tenaga elektron, hijau), profil arus (biru), dan sinaran yang dihasilkan oleh amplifikasi tertib pertama (ungu). XTCAV, rongga melintang jalur-X; cVMI, sistem pengimejan pemetaan pantas sepaksi; FZP, Spektrometer plat jalur Fresnel

Semua denyutan atosaat dibina daripada hingar, jadi setiap denyutan 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 lancar walaupun selepas amplifikasi sekunder, menunjukkan bahawa denyutan kekal unimodal. Dalam domain masa, pinggir sudut diukur dan bentuk gelombang domain masa denyutan dicirikan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, denyutan sinar-X bertindih dengan denyutan laser inframerah terkutub bulat. Fotoelektron yang diionkan oleh denyutan sinar-X akan menghasilkan jalur dalam arah yang bertentangan dengan potensi vektor laser inframerah. Oleh kerana medan elektrik laser berputar mengikut masa, taburan momentum fotoelektron ditentukan oleh masa pancaran elektron, dan hubungan antara mod sudut masa pancaran dan taburan momentum fotoelektron diwujudkan. Taburan momentum fotoelektron diukur menggunakan spektrometer pengimejan pemetaan pantas sepaksi. Berdasarkan taburan dan keputusan spektrum, bentuk gelombang domain masa denyutan atosaat boleh dibina semula. Rajah 2 (a) menunjukkan taburan tempoh denyutan, dengan median 440 as. Akhir sekali, pengesan pemantauan gas digunakan untuk mengukur tenaga denyutan, dan plot serakan antara kuasa denyutan puncak dan tempoh denyutan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2 (b) telah dikira. Tiga konfigurasi tersebut sepadan dengan keadaan pemfokusan pancaran elektron yang berbeza, keadaan kon beralun dan keadaan kelewatan pemampat magnet. Tiga konfigurasi tersebut menghasilkan purata tenaga denyutan masing-masing sebanyak 150, 200, dan 260 µJ, dengan kuasa puncak maksimum 1.1 TW.

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

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