TW-luokan attosekundinen röntgenpulssilaser
Attosekunnin röntgenpulssi laserSuuri teho ja lyhyt pulssin kesto ovat avainasemassa ultranopean epälineaarisen spektroskopian ja röntgendiffraktiokuvauksen saavuttamisessa. Yhdysvaltalainen tutkimusryhmä käytti kaksivaiheista kaskadiaRöntgenvapaat elektronilaserittuottamaan diskreettejä attosekunnin pulsseja. Verrattuna olemassa oleviin raportteihin pulssien keskimääräinen huipputeho on kasvanut suuruusluokkaa, suurin huipputeho on 1,1 TW ja mediaanienergia yli 100 μJ. Tutkimus tarjoaa myös vahvaa näyttöä solitonin kaltaisesta supersäteilykäyttäytymisestä röntgenkentässä.Korkean energian laseritovat ohjanneet monia uusia tutkimusalueita, mukaan lukien korkean kentän fysiikka, attosekundispektroskopia ja laserhiukkaskiihdyttimiä. Kaikenlaisten lasereiden joukossa röntgensäteitä käytetään laajalti lääketieteellisessä diagnoosissa, teollisten vikojen havaitsemisessa, turvallisuustarkastuksessa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Röntgenvapaaelektroninen laser (XFEL) voi lisätä huippuröntgentehoa useilla suuruusluokilla verrattuna muihin röntgensäteiden tuotantoteknologioihin, mikä laajentaa röntgensäteiden käyttöä epälineaarisen spektroskopian ja yksittäisen hiukkasdiffraktiokuvaus, jossa tarvitaan suurta tehoa. Äskettäin onnistunut attosekunti-XFEL on suuri saavutus attosekunnin tieteessä ja teknologiassa, mikä lisää käytettävissä olevaa huipputehoa yli kuudella suuruusluokalla verrattuna pöytäröntgenlähteisiin.
Ilmaiset elektronilaseritvoi saada pulssienergioita monta suuruusluokkaa suurempia kuin spontaanin emission taso käyttämällä kollektiivista epävakautta, joka johtuu relativistisen elektronisäteen ja magneettisen oskillaattorin jatkuvasta vuorovaikutuksesta. Kovan röntgensäteen alueella (noin 0,01 nm - 0,1 nm aallonpituus) FEL saavutetaan nippupuristus- ja post-saturation kartiotekniikoilla. Pehmeällä röntgensädealueella (noin 0,1 nm - 10 nm aallonpituus) FEL on toteutettu kaskadilla tuoreen viipaleen teknologialla. Äskettäin on raportoitu attosekuntipulsseja, joiden huipputeho on 100 GW, tuotetun käyttämällä tehostettua itsevahvistettua spontaaniemissiota (ESASE).
Tutkimusryhmä käytti kaksivaiheista XFEL:iin perustuvaa vahvistusjärjestelmää vahvistamaan pehmeän röntgensäteen attosekuntipulssin ulostuloa linac-koherentista.valonlähdeTW-tasolle, suuruusluokan parannus raportoituihin tuloksiin. Kokeellinen kokoonpano on esitetty kuvassa 1. ESASE-menetelmään perustuen fotokatodisäteilijä moduloidaan elektronisuihkun saamiseksi suurella virtapiikillä, ja sitä käytetään attosekunnin röntgenpulssien tuottamiseen. Alkupulssi sijaitsee elektronisäteen piikin etureunassa, kuten kuvan 1 vasemmassa yläkulmassa näkyy. Kun XFEL saavuttaa kyllästyksen, elektronisuihku viivästyy röntgensäteeseen nähden magneettikompressorin avulla, ja sitten pulssi on vuorovaikutuksessa elektronisäteen (tuore slice) kanssa, jota ei ole modifioitu ESASE-modulaatiolla tai FEL-laserilla. Lopuksi toista magneettista aaltolaitetta käytetään edelleen vahvistamaan röntgensäteitä attosekunnin pulssien vuorovaikutuksen avulla tuoreen viipaleen kanssa.
KUVA. 1 kokeellinen laitekaavio; Kuvassa näkyy pituussuuntainen vaiheavaruus (elektronin aika-energiakaavio, vihreä), virtaprofiili (sininen) ja ensimmäisen asteen vahvistuksen tuottama säteily (violetti). XTCAV, X-kaistainen poikittainen onkalo; cVMI, koaksiaalinen nopea kartoituskuvausjärjestelmä; FZP, Fresnel-nauhalevyspektrometri
Kaikki attosekuntipulssit on rakennettu kohinasta, joten jokaisella pulssilla on erilaiset spektri- ja aika-alueen ominaisuudet, joita tutkijat tutkivat tarkemmin. Spektrien suhteen he käyttivät Fresnel-kaistalevyspektrometriä yksittäisten pulssien spektrien mittaamiseen eri ekvivalenttisilla aaltoputkipituuksilla ja havaitsivat, että nämä spektrit säilyttivät tasaiset aaltomuodot jopa toissijaisen vahvistuksen jälkeen, mikä osoittaa, että pulssit pysyivät unimodaalisina. Aikatasossa mitataan kulman reuna ja karakterisoidaan pulssin aika-alueen aaltomuoto. Kuten kuvassa 1 näkyy, röntgenpulssi on limittäin ympyräpolarisoidun infrapunalaserpulssin kanssa. Röntgenpulssin ionisoimat fotoelektronit tuottavat juovia vastakkaiseen suuntaan kuin infrapunalaserin vektoripotentiaali. Koska laserin sähkökenttä pyörii ajan mukana, fotoelektronin liikemääräjakauma määräytyy elektronien emissioajan mukaan, ja emissioajan kulmamuodon ja fotoelektronin liikemääräjakauman välinen suhde saadaan selville. Fotoelektronien liikemäärän jakautuminen mitataan koaksiaalisen nopean kartoituskuvausspektrometrin avulla. Jakauman ja spektritulosten perusteella voidaan rekonstruoida attosekuntipulssien aika-alueen aaltomuoto. Kuva 2 (a) esittää pulssin keston jakauman mediaanin ollessa 440 as. Lopuksi kaasunvalvontadetektoria käytettiin mittaamaan pulssienergia ja laskettiin sirontakäyrä pulssin huipputehon ja pulssin keston välillä, kuten kuvassa 2 (b) esitetään. Nämä kolme konfiguraatiota vastaavat erilaisia elektronisäteen fokusointiolosuhteita, aaltoilukartio-olosuhteita ja magneettisen kompressorin viiveolosuhteita. Nämä kolme konfiguraatiota tuottivat keskimääräiset pulssienergiat 150, 200 ja 260 µJ, vastaavasti, maksimihuipputehon ollessa 1,1 TW.
Kuva 2. (a) Puolikorkean täysleveän (FWHM) pulssin keston jakautumishistogrammi; (b) Huipputehoa ja pulssin kestoa vastaava sirontakaavio
Lisäksi tutkimuksessa havaittiin ensimmäistä kertaa myös solitonin kaltainen superemission ilmiö röntgenkaistalla, joka ilmenee jatkuvana pulssin lyhentymisenä vahvistuksen aikana. Se johtuu elektronien ja säteilyn välisestä voimakkaasta vuorovaikutuksesta, jolloin energia siirtyy nopeasti elektronista röntgenpulssin päähän ja takaisin elektroniin pulssin pyrstöstä. Tämän ilmiön perusteellisen tutkimuksen avulla on odotettavissa, että lyhyemmän keston ja korkeamman huipputehon omaavia röntgenpulsseja voidaan edelleen toteuttaa pidentämällä supersäteilyn vahvistusprosessia ja hyödyntämällä pulssin lyhentymistä solitonin kaltaisessa tilassa.
Postitusaika: 27.5.2024