TW-luokan attosekunnin röntgenpulssilaser
Attosekunnin röntgenkuvauspulssilasersuuritehoiset ja lyhyen pulssin kestoiset laitteet ovat avainasemassa erittäin nopean epälineaarisen spektroskopian ja röntgendiffraktiokuvantamisen saavuttamisessa. Yhdysvaltalainen tutkimusryhmä käytti kaksivaiheista peräkkäisjärjestelmääRöntgenvapaat elektronilaserittuottaa diskreettejä attosekuntipulsseja. Verrattuna olemassa oleviin raportteihin, pulssien keskimääräinen huipputeho on suuruusluokkaa suurempi, suurin huipputeho on 1,1 TW ja mediaanienergia on yli 100 μJ. Tutkimus tarjoaa myös vahvaa näyttöä solitonimaisesta supersäteilykäyttäytymisestä röntgenkentässä.Korkean energian laseritovat vauhdittaneet monia uusia tutkimusalueita, mukaan lukien suurkenttäfysiikka, attosekuntispektroskopia ja laserhiukkaskiihdyttimiä. Kaikentyyppisistä lasereista röntgensäteitä käytetään laajalti lääketieteellisessä diagnostiikassa, teollisuuden virheiden havaitsemisessa, turvallisuustarkastuksissa ja tieteellisessä tutkimuksessa. Röntgenvapaaelektronilaser (XFEL) voi lisätä röntgensäteilyn huipputehoa useilla suuruusluokilla verrattuna muihin röntgensäteilyn generointitekniikoihin, mikä laajentaa röntgensäteilyn soveltamista epälineaarisen spektroskopian ja yksittäisten hiukkasten diffraktiokuvantamisen alalle, missä tarvitaan suurta tehoa. Äskettäin onnistunut attosekunti-XFEL on merkittävä saavutus attosekuntitieteessä ja -teknologiassa, sillä se lisää käytettävissä olevaa huipputehoa yli kuudella suuruusluokalla verrattuna pöytämallisiin röntgenlähteisiin.
Vapaat elektronilaseritvoi saada pulssienergioita, jotka ovat monta kertaluokkia suurempia kuin spontaani emissiotaso, käyttämällä kollektiivista epävakautta, joka johtuu relativistisen elektronisuihkun säteilykentän ja magneettioskillaattorin jatkuvasta vuorovaikutuksesta. Kovan röntgensäteilyn alueella (noin 0,01 nm - 0,1 nm aallonpituus) FEL saavutetaan nippukompressiolla ja jälkisaturaatiokartiotekniikoilla. Pehmeän röntgensäteilyn alueella (noin 0,1 nm - 10 nm aallonpituus) FEL toteutetaan kaskadiheysleiketekniikalla. Äskettäin on raportoitu attosekunnin pulsseja, joiden huipputeho on 100 GW, generoitavan käyttämällä parannettua itsevahvistettua spontaania emissiomenetelmää (ESASE).
Tutkimusryhmä käytti XFEL-pohjaista kaksivaiheista vahvistusjärjestelmää vahvistaakseen lineaarikiihdyttimen koherentista lähtevän pehmeän röntgensäteilyn attosekunnin pulssin.valonlähdeTW-tasolle, mikä on suuruusluokkaa parannus raportoituihin tuloksiin verrattuna. Kokeellinen järjestely on esitetty kuvassa 1. ESASE-menetelmän perusteella fotokatodiemitteri moduloidaan tuottamaan elektronisuihku, jolla on suuri virtapiikki, ja sitä käytetään attosekunnin röntgenpulssien generointiin. Alkuperäinen pulssi sijaitsee elektronisuihkun piikin etureunassa, kuten kuvan 1 vasemmassa yläkulmassa on esitetty. Kun XFEL saavuttaa kyllästyspisteen, elektronisuihkua viivästytetään röntgensäteeseen nähden magneettikompressorilla, ja sitten pulssi on vuorovaikutuksessa elektronisuihkun (uuden viipaleen) kanssa, jota ESASE-modulaatio tai FEL-laser ei ole modifioinut. Lopuksi käytetään toista magneettista aaltoilijaa röntgensäteiden vahvistamiseksi edelleen attosekunnin pulssien ja uuden viipaleen vuorovaikutuksen kautta.
KUVA 1 Kokeellisen laitteen kaavio; Kuvassa näkyy pitkittäinen faasiavaruus (elektronin aika-energiadiagrammi, vihreä), virtaprofiili (sininen) ja ensimmäisen kertaluvun vahvistuksen tuottama säteily (violetti). XTCAV, X-kaistan poikittainen ontelo; cVMI, koaksiaalinen nopea kartoituskuvantamisjärjestelmä; FZP, Fresnel-kaistan levyspektrometri
Kaikki attosekunnin pulssit koostuvat kohinasta, joten jokaisella pulssilla on erilaiset spektraaliset ja aikataso-ominaisuudet, joita tutkijat tutkivat tarkemmin. Spektrien osalta he käyttivät Fresnel-vyöhykelevyspektrometriä mittaamaan yksittäisten pulssien spektrit eri ekvivalenteilla undulaattoripituuksilla ja havaitsivat, että nämä spektrit säilyttivät tasaiset aaltomuodot myös toissijaisen vahvistuksen jälkeen, mikä osoittaa, että pulssit pysyivät unimodaalisina. Aikatasossa mitataan kulmajuova ja karakterisoidaan pulssin aikatasoaaltomuoto. Kuten kuvassa 1 on esitetty, röntgenpulssi on päällekkäin ympyräpolarisoidun infrapunalaserpulssin kanssa. Röntgenpulssin ionisoimat fotoelektronit tuottavat juovia infrapunalaserin vektoripotentiaaliin nähden vastakkaiseen suuntaan. Koska laserin sähkökenttä pyörii ajan myötä, fotoelektronin liikemääräjakauma määräytyy elektroniemission ajan perusteella, ja emissioajan kulmamoodin ja fotoelektronin liikemääräjakauman välinen suhde määritetään. Fotoelektronin liikemääräjakauma mitataan koaksiaalisella nopealla kartoituskuvantamisspektrometrillä. Jakauman ja spektritulosten perusteella attosekuntipulssien aikatasoaaltomuoto voidaan rekonstruoida. Kuva 2 (a) esittää pulssin keston jakauman, jonka mediaani on 440 as. Lopuksi kaasunvalvontadetektoria käytettiin pulssienergian mittaamiseen ja kuvassa 2 (b) esitetty pulssin huipputehon ja pulssin keston välinen sirontakaavio laskettiin. Kolme konfiguraatiota vastaavat erilaisia elektronisuihkun fokusointiolosuhteita, aaltokartio-olosuhteita ja magneettikompressorin viiveolosuhteita. Kolme konfiguraatiota tuottivat keskimääräiset pulssienergiat 150, 200 ja 260 µJ, ja maksimihuipputeho oli 1,1 TW.
Kuva 2. (a) Puolikorkean ja täysleveän (FWHM) pulssin keston jakaumahistogrammi; (b) Huipputehoa ja pulssin kestoa vastaava hajontakaavio
Lisäksi tutkimuksessa havaittiin ensimmäistä kertaa röntgenalueella solitonin kaltainen superemissio, joka ilmenee jatkuvana pulssin lyhenemisenä vahvistuksen aikana. Tämä johtuu elektronien ja säteilyn välisestä voimakkaasta vuorovaikutuksesta, jossa energia siirtyy nopeasti elektronista röntgenpulssin päähän ja takaisin elektroniin pulssin hännästä. Tämän ilmiön perusteellisen tutkimuksen avulla odotetaan, että lyhyemmän keston ja suuremman huipputehon omaavia röntgenpulsseja voidaan toteuttaa edelleen laajentamalla supersäteilyvahvistusprosessia ja hyödyntämällä pulssin lyhenemistä solitonin kaltaisessa tilassa.
Julkaisun aika: 27.5.2024