TW klass attosekund röntgenpulslaser

TW klass attosekund röntgenpulslaser
Attosekund röntgenpulslaserMed hög effekt och kort pulsvaraktighet är nyckeln till att uppnå ultrasnabb olinjär spektroskopi och röntgendiffraktionsavbildning. Forskningsteamet i USA använde en kaskad av tvåstegsRöntgenfria elektronlasrarFör att mata ut diskreta attosekundpulser. Jämfört med befintliga rapporter ökas pulsens 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 superradieringsbeteende i röntgenfältet.Lasrar med hög energihar drivit många nya forskningsområden, inklusive högfältfysik, attosekundspektroskopi och laserpartikelacceleratorer. Bland alla typer av lasrar används röntgenstrålar i stor utsträckning vid medicinsk diagnos, industriell bristdetektering, säkerhetsinspektion och vetenskaplig forskning. Röntgenfritt elektronlaser (XFEL) kan öka den högsta röntgenkraften med flera storleksordningar jämfört med andra röntgenproduktionsteknologier, vilket utvidgar tillämpningen av röntgenstrålar på fältet av olinjär spektroskopi och enpartikeldiffraktionsavbildning där hög effekt krävs. Den senaste framgångsrika attosekund XFEL är en stor prestation inom attosekundvetenskap och teknik, vilket ökar den tillgängliga toppeffekten med mer än sex storleksordningar jämfört med röntgenkällor i bänkskivor.

Gratis elektronlasrarkan erhålla pulsenergier Många storleksordningar högre än den spontana emissionnivån med hjälp av kollektiv instabilitet, vilket orsakas av kontinuerlig interaktion mellan strålningsfältet i den relativistiska elektronstrålen och magnetoscillatorn. I det hårda röntgenområdet (cirka 0,01 nm till 0,1 nm våglängd) uppnås FEL genom buntkomprimering och konungstekniker efter mättnad. I det mjuka röntgenområdet (cirka 0,1 nm till 10 nm våglängd) implementeras FEL av Cascade Fresh-skivteknik. Nyligen har ATTOSEKOND-pulser med en toppeffekt på 100 GW rapporterats genereras med användning av den förbättrade självamplifierade spontana emission (ESASE) -metoden.

Forskningsteamet använde ett tvåstegs amplifieringssystem baserat på XFEL för att förstärka den mjuka röntgen attosekund pulsutgången från LINAC-sammanhängandeljuskällatill TW -nivån rapporterade en förbättring av storleksordningen jämfört med resultat. Den experimentella installationen visas i figur 1. Baserat på ESASE-metoden moduleras fotokatodemitteret för att erhålla en elektronstråle med en hög ström spik och används för att generera attosekund röntgenpulser. Den initiala pulsen är belägen i framkanten av spik i elektronstrålen, såsom visas i det övre vänstra hörnet i figur 1. När XFEL når mättnad, försenas elektronstrålen relativt röntgen med en magnetisk kompressor, och sedan interagerar pulsen med elektronstrålen (färsk skiva) som inte modifieras av Esase-modulationen. Slutligen används en andra magnetisk undulator för att ytterligare förstärka röntgenstrålarna genom interaktion mellan attosekundpulser med den färska skivan.

FIKON. 1 experimentell enhetsdiagram; Illustrationen visar det longitudinella fasutrymmet (tids-energidiagram för elektron, grön), den aktuella profilen (blå) och strålningen som produceras genom förstordnad amplifiering (lila). XTCAV, X-band tvärgående kavitet; CVMI, koaxiellt snabbkartläggningssystem; FZP, Fresnel Band Plate Spectrometer

Alla attosekundpulser är byggda av brus, så varje puls har olika spektrala och tidsdomänegenskaper, som forskarna undersökte mer detaljerat. När det gäller spektra använde de en Fresnel -bandplattaspektrometer för att mäta spektra för enskilda pulser i olika ekvivalenta undulatorlängder och fann att dessa spektra upprätthöll släta vågformer även efter sekundär amplifiering, vilket indikerar att pulserna förblev oimodala. I tidsdomänen mäts vinkelfransen och pulsens tidsdomänvågform kännetecknas. Såsom visas i figur 1 överlappas röntgenpulsen med den cirkulära polariserade infraröda laserpulsen. Fotoelektronerna som är joniserade av röntgenpulsen kommer att producera streck i den motsatta riktningen till vektorpotentialen för den infraröda lasern. Eftersom det elektriska fältet för lasern roterar med tiden, bestäms momentumfördelningen av fotoelektronen av tidpunkten för elektronemission, och förhållandet mellan vinkelläget för utsläppstiden och momentumfördelningen av fotoelektronen är etablerad. Distributionen av fotoelektronmoment mäts med hjälp av en koaxial snabbkartläggning avbildningsspektrometer. Baserat på distributions- och spektrala resultat kan tidsdomänvågformen för attosekundpulser rekonstrueras. Figur 2 (a) visar fördelningen av pulsvaraktighet, med en median på 440 AS. Slutligen användes gasövervakningsdetektorn för att mäta pulsenergin, och spridningsplottet mellan topppulseffekten och pulsvaraktigheten såsom visas i figur 2 (b) beräknades. De tre konfigurationerna motsvarar olika elektronstrålfokuseringsförhållanden, vaktkonteringsförhållanden 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) Distributionshistogram för pulsvaraktighet för halvhöjd (FWHM); (b) Spridningsplott motsvarande toppeffekt och pulsvaraktighet

Dessutom observerades studien för första gången fenomenet med solitonliknande superemission i röntgenbandet, som framträder som en kontinuerlig pulsförkortning under amplifiering. Det orsakas av en stark interaktion mellan elektroner och strålning, med energi som 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 utvidga superradieringsförstärkningsprocessen och dra fördel av pulsförkortning i solitonliknande läge.