Атосекундни импулсни ласер X-зрака класе TW

Атосекундни импулсни ласер X-зрака класе TW
Атосекундни рендгенски снимакпулсни ласерса великом снагом и кратким трајањем импулса су кључ за постизање ултрабрзе нелинеарне спектроскопије и рендгенске дифракције. Истраживачки тим у Сједињеним Државама користио је каскаду двостепенихРендгенски ласери са слободним електронимада емитује дискретне атосекундне импулсе. У поређењу са постојећим извештајима, просечна вршна снага импулса је повећана за ред величине, максимална вршна снага је 1,1 TW, а средња енергија је већа од 100 μJ. Студија такође пружа јаке доказе за понашање суперзрачења слично солитонима у рендгенском пољу.Високоенергетски ласерипокренули су многа нова подручја истраживања, укључујући физику високог поља, атосекундну спектроскопију и ласерске акцелераторе честица. Међу свим врстама ласера, X-зраци се широко користе у медицинској дијагностици, индустријској детекцији дефеката, безбедносној инспекцији и научним истраживањима. X-зраци ласер са слободним електронима (XFEL) могу повећати вршну снагу X-зрака за неколико редова величине у поређењу са другим технологијама генерисања X-зрака, чиме се проширује примена X-зрака на област нелинеарне спектроскопије и дифракцијског снимања појединачних честица где је потребна велика снага. Недавно успешан атосекундни XFEL је велико достигнуће у атосекундној науци и технологији, повећавајући расположиву вршну снагу за више од шест редова величине у поређењу са стоним X-зрацима.

Ласери са слободним електронимаможе добити енергије импулса много редова величине веће од нивоа спонтане емисије користећи колективну нестабилност, која је узрокована континуираном интеракцијом поља зрачења у релативистичком електронском снопу и магнетном осцилатору. У опсегу тврдих рендгенских зрака (таласна дужина од око 0,01 nm до 0,1 nm), FEL се постиже техникама компресије снопа и пост-засићеног конуса. У опсегу меких рендгенских зрака (таласна дужина од око 0,1 nm до 10 nm), FEL се имплементира технологијом каскадног свежег пресека. Недавно је објављено да су атосекундни импулси са вршном снагом од 100 GW генерисани коришћењем методе побољшане самопојачане спонтане емисије (ESASE).

Истраживачки тим је користио двостепени систем појачавања заснован на XFEL-у како би појачао излаз меког X-зрачења атосекундног импулса из кохерентног линијског усмеравача.извор светлостидо TW нивоа, што је ред величине побољшања у односу на објављене резултате. Експериментална поставка је приказана на слици 1. На основу ESASE методе, фотокатодни емитер је модулисан да би се добио електронски сноп са високим струјним шиљком и користи се за генерисање атосекундних импулса X-зрака. Почетни импулс се налази на предњој ивици шиљка електронског снопа, као што је приказано у горњем левом углу слике 1. Када XFEL достигне засићење, електронски сноп се одлаже у односу на X-зрак помоћу магнетног компресора, а затим импулс интерагује са електронским снопом (свежи слој) који није модификован ESASE модулацијом или FEL ласером. Коначно, други магнетни ондулатор се користи за даље појачавање X-зрака кроз интеракцију атосекундних импулса са свежим слојем.

СЛ. 1 Дијаграм експерименталног уређаја; Илустрација приказује уздужни фазни простор (временско-енергетски дијаграм електрона, зелено), профил струје (плаво) и зрачење произведено појачавањем првог реда (љубичасто). XTCAV, попречна шупљина X-појаса; cVMI, коаксијални систем за брзо мапирање снимања; FZP, спектрометар са Френеловим тракастим плочама

Сви атосекундни импулси су изграђени од шума, тако да сваки импулс има различита спектрална и временска својства, која су истраживачи детаљније истражили. Што се тиче спектара, користили су Френелов спектрометар са тракама за мерење спектара појединачних импулса на различитим еквивалентним дужинама ондулатора и открили да ови спектри одржавају глатке таласне облике чак и након секундарног појачања, што указује да су импулси остали унимодални. У временском домену, мери се угаона пруга и карактерише се таласни облик временског домена импулса. Као што је приказано на слици 1, импулс X-зрака се преклапа са циркуларно поларизованим инфрацрвеним ласерским импулсом. Фотоелектрони јонизовани импулсом X-зрака произвешће пруге у смеру супротном од векторског потенцијала инфрацрвеног ласера. Пошто се електрично поље ласера ​​ротира са временом, расподела импулса фотоелектрона је одређена временом емисије електрона, а успоставља се однос између угаоног мода времена емисије и расподеле импулса фотоелектрона. Расподела импулса фотоелектрона се мери помоћу коаксијалног спектрометра за брзо мапирање слика. На основу расподеле и спектралних резултата, може се реконструисати таласни облик атосекундних импулса у временском домену. Слика 2 (а) приказује расподелу трајања импулса, са медијаном од 440 ас. Коначно, детектор за праћење гаса је коришћен за мерење енергије импулса, а израчунат је дијаграм расејања између вршне снаге импулса и трајања импулса као што је приказано на слици 2 (б). Три конфигурације одговарају различитим условима фокусирања електронског снопа, условима таласног конуса и условима кашњења магнетног компресора. Три конфигурације су дале просечне енергије импулса од 150, 200 и 260 µJ, респективно, са максималном вршном снагом од 1,1 TW.

Слика 2. (а) Хистограм расподеле трајања импулса половине висине пуне ширине (FWHM); (б) Диаграм расејања који одговара вршној снази и трајању импулса

Поред тога, студија је такође први пут приметила феномен суперемисије сличне солитонима у рендгенском опсегу, који се појављује као континуирано скраћивање импулса током појачавања. Узрокован је јаком интеракцијом између електрона и зрачења, при чему се енергија брзо преноси са електрона на главу рендгенског импулса и назад на електрон са репа импулса. Кроз детаљно проучавање овог феномена, очекује се да се рендгенски импулси са краћим трајањем и већом вршном снагом могу даље реализовати продужавањем процеса појачавања суперзрачењем и искоришћавањем скраћивања импулса у солитонском режиму.