TW osztályú attoszekundumos röntgen impulzuslézer
Attoszekundumos röntgenimpulzuslézerA nagy teljesítmény és a rövid impulzusidő kulcsa az ultragyors nemlineáris spektroszkópia és röntgendiffrakciós képalkotás megvalósításának. Az egyesült államokbeli kutatócsoport kétlépcsős kaszkádot használtRöntgen-szabad elektron lézerekdiszkrét attoszekundumos impulzusok kiadására. A meglévő jelentésekhez képest az impulzusok átlagos csúcsteljesítménye egy nagyságrenddel nő, a maximális csúcsteljesítmény 1,1 TW, a medián energia pedig több, mint 100 μJ. A tanulmány erős bizonyítékot szolgáltat a szolitonszerű szupersugárzási viselkedésre is a röntgenmezőben.Nagy energiájú lézerekszámos új kutatási területet vezéreltek, beleértve a nagymezős fizikát, az attoszekundumos spektroszkópiát és a lézeres részecskegyorsítókat. A lézerek minden fajtája közül a röntgensugarakat széles körben használják az orvosi diagnosztikában, az ipari hibák felderítésében, a biztonsági ellenőrzésekben és a tudományos kutatásban. A röntgen-szabadelektron-lézer (XFEL) több nagyságrenddel növelheti a csúcsröntgenteljesítményt a többi röntgensugárzás-generáló technológiához képest, így kiterjesztve a röntgensugarak alkalmazását a nemlineáris spektroszkópia és az egyszeres spektroszkópia területére. részecskediffrakciós képalkotás, ahol nagy teljesítményre van szükség. A közelmúltban sikeres attoszekundumos XFEL az attoszekundumos tudomány és technológia jelentős vívmánya, amely több mint hat nagyságrenddel növeli a rendelkezésre álló csúcsteljesítményt az asztali röntgenforrásokhoz képest.
Szabad elektronlézerekA spontán emissziós szintnél sok nagyságrenddel nagyobb impulzusenergiákat tud elérni kollektív instabilitás felhasználásával, amelyet a relativisztikus elektronnyalábban lévő sugárzási mező és a mágneses oszcillátor folyamatos kölcsönhatása okoz. A kemény röntgen tartományban (körülbelül 0,01-0,1 nm hullámhossz) a FEL-t kötegkompressziós és telítés utáni kúpos technikákkal érik el. A lágy röntgensugár tartományban (körülbelül 0,1-10 nm hullámhossz) a FEL-t kaszkádos friss szelet technológiával valósítják meg. A közelmúltban arról számoltak be, hogy 100 GW csúcsteljesítményű attoszekundumos impulzusokat generáltak a fokozott önerősített spontán emisszió (ESASE) módszerrel.
A kutatócsoport egy XFEL-en alapuló kétlépcsős erősítő rendszert használt a linac koherens lágy röntgen attoszekundumos impulzus kimenetének felerősítésére.fényforrása TW szintre, ami nagyságrendi javulás a jelentett eredményekhez képest. A kísérleti elrendezés az 1. ábrán látható. Az ESASE módszer alapján a fotokatód emittert úgy modulálják, hogy nagy áramcsúcsos elektronnyalábot kapjanak, és attoszekundumos röntgenimpulzusok generálására használják. A kezdeti impulzus az elektronsugár tüskéjének elülső szélén található, amint az az 1. ábra bal felső sarkában látható. Amikor az XFEL eléri a telítést, az elektronsugarat a röntgensugárhoz képest egy mágneses kompresszor késlelteti, majd az impulzus kölcsönhatásba lép az ESASE moduláció vagy FEL lézer által nem módosított elektronsugárral (friss szelet). Végül egy második mágneses hullámzót használnak a röntgensugárzás további erősítésére az attoszekundumos impulzusok és a friss szelet kölcsönhatása révén.
FÜGE. 1 Kísérleti készülék diagram; Az ábrán látható a longitudinális fázistér (az elektron idő-energia diagramja, zöld), az áramprofil (kék), valamint az elsőrendű erősítéssel előállított sugárzás (lila). XTCAV, X-sáv keresztirányú üreg; cVMI, koaxiális gyorstérképező képalkotó rendszer; FZP, Fresnel sávos lemez spektrométer
Minden attoszekundumos impulzus zajból épül fel, így minden impulzus eltérő spektrális és időtartományi tulajdonságokkal rendelkezik, amelyeket a kutatók részletesebben is feltártak. Ami a spektrumot illeti, Fresnel sávlemezes spektrométerrel mérték meg az egyes impulzusok spektrumát különböző egyenértékű hullámhosszúságon, és azt találták, hogy ezek a spektrumok a másodlagos erősítés után is sima hullámformákat tartanak fenn, ami azt jelzi, hogy az impulzusok unimodálisak maradtak. Az időtartományban megmérjük a szögperemet, és jellemezzük az impulzus időtartományának hullámformáját. Amint az 1. ábrán látható, a röntgenimpulzus átfedésben van a körkörösen polarizált infravörös lézerimpulzussal. A röntgenimpulzus által ionizált fotoelektronok az infravörös lézer vektorpotenciáljával ellentétes irányú csíkokat hoznak létre. Mivel a lézer elektromos tere az idővel forog, a fotoelektron impulzus-eloszlását az elektronemisszió ideje határozza meg, és létrejön a kapcsolat az emissziós idő szögmódusa és a fotoelektron impulzus-eloszlása között. A fotoelektron impulzus eloszlását koaxiális gyorsleképező képalkotó spektrométerrel mérjük. Az eloszlás és a spektrális eredmények alapján rekonstruálható az attoszekundumos impulzusok időtartományos hullámalakja. A 2(a) ábra az impulzus időtartamának eloszlását mutatja, 440 as mediánnal. Végül a gázfigyelő detektort használtuk az impulzusenergia mérésére, és kiszámítottuk az impulzus csúcsteljesítménye és az impulzus időtartama közötti szórásdiagramot, a 2. (b) ábrán látható módon. A három konfiguráció megfelel a különböző elektronsugár-fókuszálási feltételeknek, hullámzási feltételeknek és a mágneses kompresszor késleltetési feltételeinek. A három konfiguráció 150, 200 és 260 µJ átlagos impulzusenergiát eredményezett, a maximális csúcsteljesítmény pedig 1,1 TW.
2. ábra (a) Félmagasságú, teljes szélességű (FWHM) impulzusidőtartam eloszlási hisztogramja; (b) A csúcsteljesítménynek és az impulzus időtartamának megfelelő szórásdiagram
Emellett a tanulmány először figyelte meg a szolitonszerű szuperemisszió jelenségét is a röntgensávban, amely folyamatos impulzusrövidülésként jelenik meg az erősítés során. Ezt az elektronok és a sugárzás közötti erős kölcsönhatás okozza, az energia gyorsan átkerül az elektronból a röntgenimpulzus fejébe, majd az impulzus farkából vissza az elektronba. Ennek a jelenségnek a mélyreható tanulmányozása révén várható, hogy a rövidebb időtartamú és nagyobb csúcsteljesítményű röntgenimpulzusok tovább valósíthatók a szupersugárzás-erősítési folyamat kiterjesztésével és az impulzusrövidítés előnyeinek kihasználásával szoliton-szerű módban.
Feladás időpontja: 2024. május 27