TW osztályú attoszekundumos röntgenimpulzus-lézer
Attoszekundumos röntgenimpulzuslézerA nagy teljesítményű és rövid impulzusidőtartamú eszközök kulcsfontosságúak az ultragyors nemlineáris spektroszkópia és a röntgendiffrakciós képalkotás eléréséhez. Az Egyesült Államokbeli kutatócsoport kétlépcsős kaszkádot használtRöntgen szabad elektronlézerekdiszkrét attoszekundumos impulzusok kiadására. A korábbi jelentésekhez képest az impulzusok átlagos csúcsteljesítménye nagyságrenddel nagyobb, a maximális csúcsteljesítmény 1,1 TW, az átlagos energia pedig meghaladja a 100 μJ-t. A tanulmány a röntgensugár-mezőben a szolitonszerű szupersugárzási viselkedésre is erős bizonyítékokat szolgáltat.Nagy energiájú lézerekszámos új kutatási területet indítottak el, beleértve a nagy térerősségű fizikát, az attoszekundumos spektroszkópiát és a lézeres részecskegyorsítókat. A lézerek minden fajtája közül a röntgensugarakat széles körben használják az orvosi diagnózisban, az ipari hibakeresésben, a biztonsági ellenőrzésben és a tudományos kutatásban. A röntgen szabadelektron-lézer (XFEL) több nagyságrenddel növelheti a röntgensugár csúcsteljesítményét más röntgensugár-generáló technológiákhoz képest, így kiterjesztve a röntgensugarak alkalmazását a nemlineáris spektroszkópia és az egyrészecske diffrakciós képalkotás területére, ahol nagy teljesítményre van szükség. A nemrégiben sikeres attoszekundumos XFEL jelentős eredmény az attoszekundumos tudományban és technológiában, mivel több mint hat nagyságrenddel növeli az elérhető csúcsteljesítményt az asztali röntgenforrásokhoz képest.
Szabad elektronlézerekA kollektív instabilitás felhasználásával a spontán emissziós szintnél nagyságrendekkel magasabb impulzusenergiákat lehet elérni. Ezt a szintet a relativisztikus elektronnyaláb és a mágneses oszcillátor sugárzási mezőjének folyamatos kölcsönhatása okozza. A kemény röntgentartományban (kb. 0,01 nm és 0,1 nm közötti hullámhossz) az FEL-t kötegkompressziós és utószaturációs kúpozási technikákkal érik el. A lágy röntgentartományban (kb. 0,1 nm és 10 nm közötti hullámhossz) az FEL-t kaszkád friss szelet technológiával valósítják meg. Nemrégiben beszámoltak arról, hogy 100 GW csúcsteljesítményű attoszekundumos impulzusokat generáltak a továbbfejlesztett önerősített spontán emissziós (ESASE) módszerrel.
A kutatócsoport egy XFEL-en alapuló kétlépcsős erősítési rendszert használt a lineáris koherens chipből kimenő lágy röntgen attoszekundumos impulzusok erősítésére.fényforrása TW szintre, ami nagyságrendi javulás a közölt eredményekhez képest. A kísérleti beállítás az 1. ábrán látható. Az ESASE módszer alapján a fotokatód emitterét modulálják, hogy nagy áramcsúccsal rendelkező elektronnyalábot kapjanak, és ezt használják attoszekundumos röntgenimpulzusok generálására. A kezdeti impulzus az elektronnyaláb tüskéjének elülső szélén található, ahogy az az 1. ábra bal felső sarkában látható. Amikor az XFEL eléri a telítettséget, az elektronnyalábot egy mágneses kompresszor késlelteti a röntgensugárhoz képest, majd az impulzus kölcsönhatásba lép az elektronnyalábbal (friss szelet), amelyet az ESASE moduláció vagy a FEL lézer nem módosított. Végül egy második mágneses undulátort használnak a röntgensugarak további erősítésére az attoszekundumos impulzusok és a friss szelet kölcsönhatása révén.
1. ÁBRA Kísérleti eszköz diagramja; Az ábra a longitudinális fázisteret (az elektron idő-energia diagramja, zöld), az áramprofilt (kék) és az elsőrendű erősítés által előállított sugárzást (lila) mutatja. XTCAV, X-sávú transzverzális üreg; cVMI, koaxiális gyors térképezésű képalkotó rendszer; FZP, Fresnel-sávú lemezes spektrométer
Minden attoszekundumos impulzus zajból épül fel, így minden impulzusnak eltérő spektrális és időtartománybeli tulajdonságai vannak, amelyeket a kutatók részletesebben is vizsgáltak. Spektrumok tekintetében Fresnel-sávos lemezes spektrométert használtak az egyes impulzusok spektrumának mérésére különböző ekvivalens undulátorhosszak mellett, és azt találták, hogy ezek a spektrumok a másodlagos erősítés után is sima hullámformákat tartottak fenn, ami azt jelzi, hogy az impulzusok unimodálisak maradtak. Az időtartományban megmérik a szögletes csíkot, és jellemzik az impulzus időtartománybeli hullámformáját. Amint az 1. ábrán látható, a röntgenimpulzus átfedésben van a cirkulárisan polarizált infravörös lézerimpulzussal. A röntgenimpulzus által ionizált fotoelektronok az infravörös lézer vektorpotenciáljával ellentétes irányú csíkokat hoznak létre. Mivel a lézer elektromos mezeje idővel forog, a fotoelektron impulzuseloszlását az elektronemisszió ideje határozza meg, és megállapítható az emissziós idő szögletes módusa és a fotoelektron impulzuseloszlása közötti kapcsolat. A fotoelektron impulzuseloszlását koaxiális gyors térképező képalkotó spektrométerrel mérik. Az eloszlás és a spektrális eredmények alapján rekonstruálható az attoszekundumos impulzusok időtartománybeli hullámformája. A 2. (a) ábra az impulzusidőtartam eloszlását mutatja, 440 as mediánnal. Végül gázfigyelő detektorral mérték az impulzusenergiát, és kiszámították a csúcsimpulzusteljesítmény és az impulzusidőtartam közötti szóródási diagramot, ahogy az a 2. (b) ábrán látható. A három konfiguráció különböző elektronnyaláb-fókuszálási feltételeknek, hullámkúpozási feltételeknek és mágneses kompresszor késleltetési feltételeknek felel meg. A három konfiguráció átlagos impulzusenergiái 150, 200 és 260 µJ voltak, a maximális csúcsteljesítmény pedig 1,1 TW.
2. ábra. (a) A félmagasságú/teljes szélességű (FWHM) impulzusidőtartam eloszlási hisztogramja; (b) A csúcsteljesítménynek és az impulzusidőtartamnak megfelelő szóródási diagram
Ezenkívül a tanulmány elsőként figyelte meg a szolitonszerű szuperemisszió jelenségét a röntgensávban, amely az erősítés során folyamatos impulzusrövidülésként jelenik meg. Ezt az elektronok és a sugárzás közötti erős kölcsönhatás okozza, ahol az energia gyorsan átkerül az elektronról a röntgenimpulzus fejére, majd az impulzus farkából vissza az elektronra. E jelenség alapos tanulmányozása révén várható, hogy rövidebb időtartamú és nagyobb csúcsteljesítményű röntgenimpulzusok érhetők el a szupersugárzásos erősítési folyamat kiterjesztésével és a szolitonszerű módban történő impulzusrövidülés kihasználásával.
Közzététel ideje: 2024. május 27.