TW-klass attosecond röntgenpulslaser
Attosecond röntgenpulslasermed hög effekt och kort pulslängd är nyckeln för att uppnå ultrasnabb olinjär spektroskopi och röntgendiffraktionsavbildning. Forskargruppen i USA använde en kaskad i två stegRöntgenfria elektronlasrarför att mata ut diskreta attosekundpulser. Jämfört med befintliga rapporter ökar den genomsnittliga toppeffekten för pulserna med en storleksordning, den maximala toppeffekten är 1,1 TW och medianenergin är mer än 100 μJ. Studien ger också starka bevis för solitonliknande överstrålningsbeteende 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, upptäckt av industriella fel, säkerhetsinspektion och vetenskaplig forskning. Röntgenfrielektronlasern (XFEL) kan öka röntgenstrålningens toppeffekt med flera storleksordningar jämfört med andra tekniker för röntgengenerering, och på så sätt utöka tillämpningen av röntgenstrålar till området ickelinjär spektroskopi och enkel- partikeldiffraktionsavbildning där hög effekt krävs. Den nyligen framgångsrika attosecond XFEL är en stor prestation inom attosecond vetenskap och teknik, och ökar den tillgängliga toppeffekten med mer än sex storleksordningar jämfört med bänkröntgenkällor.
Gratis elektronlasrarkan erhålla pulsenergier som är många storleksordningar högre än den spontana emissionsnivån med hjälp av kollektiv instabilitet, som 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 konningstekniker efter mättnad. I det mjuka röntgenområdet (cirka 0,1 nm till 10 nm våglängd) implementeras FEL av kaskad färsk-slice-teknologi. Nyligen har attosekundpulser med en toppeffekt på 100 GW rapporterats genereras med hjälp av den förbättrade självförstärkta spontana emissionsmetoden (ESASE).
Forskargruppen använde ett tvåstegs förstärkningssystem baserat på XFEL för att förstärka den mjuka röntgenattosekundens pulsutgång från linac coherentljuskällatill TW-nivån, en förbättring i storleksordning jämfört med rapporterade resultat. Den experimentella uppställningen visas i figur 1. Baserat på ESASE-metoden moduleras fotokatodsändaren för att erhålla en elektronstråle med en hög strömspets och används för att generera attosekundsröntgenpulser. Den initiala pulsen är placerad vid den främre kanten av spiken på elektronstrålen, som visas i det övre vänstra hörnet av figur 1. När XFEL når mättnad fördröjs elektronstrålen i förhållande till röntgenstrålningen av en magnetisk kompressor, och sedan interagerar pulsen med elektronstrålen (fresh skiva) som inte modifieras av ESASE-moduleringen eller FEL-lasern. Slutligen används en andra magnetisk undulator för att ytterligare förstärka röntgenstrålarna genom interaktionen av attosekundpulser med den färska skivan.
FIKON. 1 Experimentell enhetsdiagram; Illustrationen visar det longitudinella fasutrymmet (tid-energidiagram för elektronen, grön), strömprofilen (blå) och strålningen som produceras av första ordningens förstärkning (lila). XTCAV, X-band tvärgående kavitet; cVMI, koaxiellt system för snabb kartläggning; FZP, Fresnel bandplattspektrometer
Alla attosecond-pulser är byggda av brus, så varje puls har olika spektrala och tidsdomänegenskaper, vilket forskarna utforskade mer i detalj. När det gäller spektra använde de en Fresnel-bandplåtspektrometer 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 vinkelkanten och tidsdomänvågformen för pulsen karakteriseras. Såsom visas i figur 1 överlappas röntgenpulsen med den cirkulärt polariserade infraröda laserpulsen. Fotoelektronerna som joniseras av röntgenpulsen kommer att producera streck i motsatt riktning mot vektorpotentialen för den infraröda lasern. Eftersom laserns elektriska fält roterar med tiden bestäms fotoelektronens momentumfördelning av tiden för elektronemission, och förhållandet mellan emissionstidens vinkelläge och fotoelektronens momentumfördelning etableras. Fördelningen av fotoelektronmomentum mäts med hjälp av en koaxiell snabbavbildningsspektrometer. Baserat på fördelningen och spektralresultaten kan tidsdomänvågformen för attosekundpulser rekonstrueras. Figur 2 (a) visar fördelningen av pulslängd, 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, waverkonningsförhållanden och magnetiska kompressorfördröjningsförhållanden. De tre konfigurationerna gav medelpulsenergier på 150, 200 respektive 260 µJ, med en maximal toppeffekt på 1,1 TW.
Figur 2. (a) Distributionshistogram för halvhöjds pulslängd i full bredd (FWHM); (b) Spridningsdiagram som motsvarar toppeffekt och pulslängd
Dessutom observerade studien också för första gången fenomenet solitonliknande superemission i röntgenbandet, vilket uppträder som en kontinuerlig pulsförkortning under förstärkning. 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 djupgående studier av detta fenomen förväntas det att röntgenpulser med kortare varaktighet och högre toppeffekt kan realiseras ytterligare genom att förlänga superstrålningsförstärkningsprocessen och dra fördel av pulsförkortning i solitonliknande läge.
Posttid: 27 maj 2024