TW-klass attosekund röntgenpulslaser

TW-klass attosekund röntgenpulslaser
Attosekund röntgenpulslasermed hög effekt och kort pulslängd är nyckeln till att uppnå ultrasnabb ickelinjär spektroskopi och röntgendiffraktionsavbildning. Forskargruppen i USA använde en kaskad av tvåstegsRöntgenfria elektronlasrarför att mata ut diskreta attosekundpulser. Jämfört med befintliga rapporter ökar pulsernas genomsnittliga toppeffekt med en storleksordning, den maximala toppeffekten är 1,1 TW och medianenergin är mer än 100 μJ. Studien ger också starka bevis för solitonliknande superstrålningsbeteende i röntgenfältet.Högenergilasrarhar drivit många nya forskningsområden, inklusive högfältsfysik, attosekundspektroskopi och laserpartikelacceleratorer. Bland alla typer av lasrar används röntgenstrålar i stor utsträckning inom medicinsk diagnos, industriell feldetektering, säkerhetsinspektion och vetenskaplig forskning. Röntgenfrielektronlasern (XFEL) kan öka den maximala röntgeneffekten med flera storleksordningar jämfört med andra röntgengenereringstekniker, och därmed utvidga tillämpningen av röntgenstrålar till området ickelinjär spektroskopi och diffraktionsavbildning av enpartiklar där hög effekt krävs. Den nyligen framgångsrika attosekund-XFEL-tekniken är en stor prestation inom attosekundvetenskap och teknik, och ökar den tillgängliga toppeffekten med mer än sex storleksordningar jämfört med bänkmonterade röntgenkällor.

Fria elektronlasrarkan erhålla pulsenergier många storleksordningar högre än den spontana emissionsnivån med hjälp av kollektiv instabilitet, vilket orsakas av den kontinuerliga interaktionen mellan strålningsfältet i den relativistiska elektronstrålen och den magnetiska oscillatorn. I det hårda röntgenområdet (cirka 0,01 nm till 0,1 nm våglängd) uppnås FEL genom buntkompression och post-saturation-konningstekniker. I det mjuka röntgenområdet (cirka 0,1 nm till 10 nm våglängd) implementeras FEL med kaskad-fresh-slice-teknik. Nyligen har attosekundpulser med en toppeffekt på 100 GW rapporterats genereras med hjälp av den förbättrade självförstärkta spontana emissionsmetoden (ESASE).

Forskargruppen använde ett tvåstegsförstärkningssystem baserat på XFEL för att förstärka den mjuka röntgenattosekundpulsen från den linjära koherenta växeln.ljuskällatill TW-nivån, en storleksordningsförbättring jämfört med rapporterade resultat. Den experimentella uppställningen visas i figur 1. Baserat på ESASE-metoden moduleras fotokatodemittern för att erhålla en elektronstråle med en hög strömtopp, och används för att generera attosekundröntgenpulser. Den initiala pulsen är belägen vid den främre kanten av elektronstrålens spik, som visas i det övre vänstra hörnet av figur 1. När XFEL når mättnad fördröjs elektronstrålen i förhållande till röntgenstrålen av en magnetisk kompressor, och sedan interagerar pulsen med elektronstrålen (färsk skiva) som inte modifieras av ESASE-moduleringen eller FEL-lasern. Slutligen används en andra magnetisk undulator för att ytterligare förstärka röntgenstrålarna genom interaktionen mellan attosekundpulser och den färska skivan.

FIG. 1 Diagram över experimentell anordning; Illustrationen visar det longitudinella fasrummet (tid-energidiagram för elektronen, grönt), strömprofilen (blått) och strålningen som produceras av första ordningens förstärkning (lila). XTCAV, X-bands tvärgående kavitet; cVMI, koaxial snabbmappningsavbildningssystem; FZP, Fresnelbandsplattspektrometer

Alla attosekundpulser är uppbyggda av brus, så varje puls har olika spektrala och tidsdomänegenskaper, vilket forskarna undersökte mer i detalj. När det gäller spektra använde de en Fresnel-bandplattspektrometer för att mäta spektra för individuella pulser vid olika ekvivalenta undulatorlängder, och fann att dessa spektra bibehöll jämna vågformer även efter sekundär förstärkning, vilket indikerar att pulserna förblev unimodala. I tidsdomänen mäts vinkelfransen och pulsens tidsdomänvågform karakteriseras. Som visas i figur 1 överlappar röntgenpulsen den cirkulärt polariserade infraröda laserpulsen. Fotoelektronerna som joniseras av röntgenpulsen kommer att producera strimmor i motsatt riktning mot den infraröda laserns vektorpotential. Eftersom laserns elektriska fält roterar med tiden bestäms fotoelektronens momentumfördelning av tiden för elektronemission, och förhållandet mellan vinkelläget för emissionstiden och fotoelektronens momentumfördelning fastställs. Fördelningen av fotoelektronmoment mäts med hjälp av en koaxial snabbmappningsavbildningsspektrometer. Baserat på fördelnings- och spektralresultaten kan tidsdomänvågformen för attosekundpulser rekonstrueras. Figur 2 (a) visar fördelningen av pulslängden, med en median på 440 as. Slutligen användes gasövervakningsdetektorn för att mäta pulsenergin, och spridningsdiagrammet mellan topppulseffekten och pulslängden som visas i figur 2 (b) beräknades. De tre konfigurationerna motsvarar olika elektronstrålefokuseringsförhållanden, waverkoniska förhållanden och magnetiska kompressorfördröjningsförhållanden. De tre konfigurationerna gav genomsnittliga pulsenergier på 150, 200 respektive 260 µJ, med en maximal toppeffekt på 1,1 TW.

Figur 2. (a) Fördelningshistogram för pulslängd med halv höjd och full bredd (FWHM); (b) Spridningsdiagram motsvarande toppeffekt och pulslängd

Dessutom observerade studien för första gången fenomenet solitonliknande superemission i röntgenbandet, vilket uppträder som en kontinuerlig pulsförkortning under förstärkning. Det orsakas av en stark växelverkan mellan elektroner och strålning, där energi snabbt överförs från elektronen till röntgenpulsens huvud och tillbaka till elektronen från pulsens svans. Genom en djupgående studie av detta fenomen förväntas det att röntgenpulser med kortare varaktighet och högre toppeffekt kan realiseras ytterligare genom att förlänga superstrålningsförstärkningsprocessen och dra nytta av pulsförkortning i solitonliknande läge.