Аттосекундный рентгеновский импульсный лазер класса TW

Аттосекундный рентгеновский импульсный лазер класса TW
Аттосекундный рентгеновский снимокимпульсный лазерс высокой мощностью и короткой длительностью импульса являются ключом к достижению сверхбыстрой нелинейной спектроскопии и рентгеновской дифракционной визуализации. Исследовательская группа в Соединенных Штатах использовала каскад из двух ступенейРентгеновские лазеры на свободных электронахдля вывода дискретных аттосекундных импульсов. По сравнению с существующими отчетами средняя пиковая мощность импульсов увеличена на порядок, максимальная пиковая мощность составляет 1,1 ТВт, а медианная энергия составляет более 100 мкДж. Исследование также дает убедительные доказательства солитоноподобного поведения сверхизлучения в рентгеновском поле.Высокоэнергетические лазерыстимулировали развитие многих новых областей исследований, включая физику высоких полей, аттосекундную спектроскопию и лазерные ускорители частиц. Среди всех видов лазеров рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике, промышленной дефектоскопии, инспекции безопасности и научных исследованиях. Рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) может увеличить пиковую мощность рентгеновского излучения на несколько порядков по сравнению с другими технологиями генерации рентгеновского излучения, тем самым расширяя применение рентгеновских лучей в области нелинейной спектроскопии и одночастичной дифракционной визуализации, где требуется высокая мощность. Недавний успешный аттосекундный XFEL является крупным достижением в аттосекундной науке и технике, увеличив доступную пиковую мощность более чем на шесть порядков по сравнению с настольными источниками рентгеновского излучения.

Лазеры на свободных электронахможно получить энергии импульсов на много порядков выше уровня спонтанного излучения, используя коллективную неустойчивость, которая вызвана непрерывным взаимодействием поля излучения в релятивистском электронном пучке и магнитного осциллятора. В диапазоне жесткого рентгеновского излучения (длина волны около 0,01 нм - 0,1 нм) ЛСЭ достигается с помощью методов сжатия пучка и конизации после насыщения. В диапазоне мягкого рентгеновского излучения (длина волны около 0,1 нм - 10 нм) ЛСЭ реализуется с помощью каскадной технологии свежих срезов. Недавно сообщалось о генерации аттосекундных импульсов с пиковой мощностью 100 ГВт с использованием метода улучшенного самоусиливающегося спонтанного излучения (ESASE).

Исследовательская группа использовала двухступенчатую систему усиления на основе XFEL для усиления мягкого рентгеновского аттосекундного импульса, выходящего из когерентного линейного ускорителя.источник светадо уровня ТВт, что на порядок превышает сообщенные результаты. Экспериментальная установка показана на рисунке 1. На основе метода ESASE фотокатодный излучатель модулируется для получения электронного пучка с высоким пиком тока и используется для генерации аттосекундных рентгеновских импульсов. Начальный импульс расположен на переднем крае пика электронного пучка, как показано в верхнем левом углу рисунка 1. Когда XFEL достигает насыщения, электронный пучок задерживается относительно рентгеновского излучения магнитным компрессором, а затем импульс взаимодействует с электронным пучком (свежий срез), который не изменен модуляцией ESASE или лазером FEL. Наконец, второй магнитный ондулятор используется для дальнейшего усиления рентгеновских лучей посредством взаимодействия аттосекундных импульсов со свежим срезом.

РИС. 1 Схема экспериментального устройства; На рисунке показано продольное фазовое пространство (диаграмма времени-энергии электрона, зеленая), профиль тока (синяя) и излучение, создаваемое усилением первого порядка (фиолетовая). XTCAV, поперечный резонатор X-диапазона; cVMI, коаксиальная система визуализации быстрого картирования; FZP, спектрометр с пластиной Френеля

Все аттосекундные импульсы построены из шума, поэтому каждый импульс имеет различные спектральные и временные свойства, которые исследователи изучили более подробно. Что касается спектров, они использовали спектрометр с полосой Френеля для измерения спектров отдельных импульсов при различных эквивалентных длинах ондулятора и обнаружили, что эти спектры сохраняли гладкие формы волн даже после вторичного усиления, что указывает на то, что импульсы оставались унимодальными. Во временной области измеряется угловая полоса и характеризуется временная форма волны импульса. Как показано на рисунке 1, рентгеновский импульс перекрывается с циркулярно поляризованным инфракрасным лазерным импульсом. Фотоэлектроны, ионизированные рентгеновским импульсом, будут создавать полосы в направлении, противоположном векторному потенциалу инфракрасного лазера. Поскольку электрическое поле лазера вращается со временем, распределение импульса фотоэлектрона определяется временем испускания электрона, и устанавливается связь между угловой модой времени испускания и распределением импульса фотоэлектрона. Распределение импульса фотоэлектрона измеряется с помощью коаксиального быстрого картографического визуализирующего спектрометра. На основе результатов распределения и спектральных данных можно восстановить временную форму волны аттосекундных импульсов. На рисунке 2 (а) показано распределение длительности импульса с медианой 440 ас. Наконец, для измерения энергии импульса использовался детектор газового мониторинга, и была рассчитана диаграмма рассеяния между пиковой мощностью импульса и длительностью импульса, как показано на рисунке 2 (б). Три конфигурации соответствуют различным условиям фокусировки электронного пучка, условиям конусообразования волн и условиям задержки магнитного компрессора. Три конфигурации дали средние энергии импульса 150, 200 и 260 мкДж соответственно с максимальной пиковой мощностью 1,1 ТВт.

Рисунок 2. (a) Гистограмма распределения длительности импульса по полувысоте и полной ширине (FWHM); (b) Диаграмма рассеяния, соответствующая пиковой мощности и длительности импульса.

Кроме того, исследование также впервые обнаружило явление солитоноподобной суперэмиссии в рентгеновском диапазоне, которая проявляется как непрерывное укорочение импульса во время усиления. Оно вызвано сильным взаимодействием между электронами и излучением, при этом энергия быстро передается от электрона к головке рентгеновского импульса и обратно к электрону от хвоста импульса. Благодаря глубокому изучению этого явления ожидается, что рентгеновские импульсы с меньшей длительностью и большей пиковой мощностью могут быть дополнительно реализованы путем расширения процесса усиления сверхизлучения и использования преимущества укорочения импульса в солитоноподобном режиме.