Аттосекундный рентгеновский импульсный лазер класса TW
Аттосекундный рентгеновский снимокимпульсный лазерВысокая мощность и короткая длительность импульса являются ключом к достижению сверхбыстрой нелинейной спектроскопии и рентгеновской дифракционной визуализации. Исследовательская группа из США использовала каскад из двух ступенейРентгеновские лазеры на свободных электронахдля генерации дискретных аттосекундных импульсов. По сравнению с существующими данными, средняя пиковая мощность импульсов увеличена на порядок: максимальная пиковая мощность составляет 1,1 ТВт, а медианная энергия — более 100 мкДж. Исследование также предоставляет убедительные доказательства солитоноподобного поведения сверхизлучения в рентгеновском поле.Высокоэнергетические лазерыстимулировали развитие многих новых направлений исследований, включая физику сильных полей, аттосекундную спектроскопию и лазерные ускорители частиц. Среди всех видов лазеров рентгеновское излучение широко используется в медицинской диагностике, промышленной дефектоскопии, контроле 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 рентгеновского излучения до области нелинейной спектроскопии и дифракционной визуализации отдельных частиц, где требуется высокая мощность. Недавний успешный аттосекундный XFEL является крупным достижением в аттосекундной науке и технике, увеличивая доступную пиковую мощность более чем на шесть порядков по сравнению с настольными источниками рентгеновского излучения.
Лазеры на свободных электронахМожно получать энергии импульсов на много порядков выше уровня спонтанного излучения, используя коллективную неустойчивость, вызванную непрерывным взаимодействием поля излучения в релятивистском электронном пучке и магнитного осциллятора. В диапазоне жёсткого рентгеновского излучения (длина волны около 0,01–0,1 нм) ЛСЭ достигается методами сжатия пучка и конусообразования после насыщения. В диапазоне мягкого рентгеновского излучения (длина волны около 0,1–10 нм) ЛСЭ реализуется с помощью каскадной технологии свежих срезов. Недавно сообщалось о получении аттосекундных импульсов с пиковой мощностью 100 ГВт с помощью метода усиленного 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 опубликованные результаты. Экспериментальная установка показана на рисунке 1. В соответствии с методом ESASE, фотокатодный эмиттер модулируется для получения электронного пучка с высоким пиком тока и используется для генерации аттосекундных рентгеновских импульсов. Начальный импульс расположен на переднем фронте 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 (свежим срезом), который не модифицирован 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 экспериментальной установки. На иллюстрации показано продольное фазовое пространство (диаграмма зависимости энергии электрона от времени, зелёный цвет), профиль тока (синий цвет) и излучение, создаваемое усилением первого порядка (фиолетовый цвет). XTCAV — поперечный резонатор X-диапазона; cVMI — коаксиальная система быстрого картирования изображений; 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 гладкую форму волн даже после вторичного усиления, что указывает на то, что импульсы оставались унимодальными. Во временной области измеряется угловая полоса и описывается 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 фотоэлектронов измеряется с помощью коаксиального быстродействующего картографического спектрометра. На основе результатов распределения и спектрального анализа можно восстановить форму сигнала аттосекундных импульсов во временной области. На рисунке 2 (а) показано распределение длительности импульса с медианой 440 ас. Наконец, для измерения энергии импульса использовался детектор контроля газа, и был рассчитан график рассеяния между пиковой мощностью импульса и длительностью импульса, показанный на рисунке 2 (б). Три конфигурации соответствуют различным условиям фокусировки электронного пучка, условиям конусообразования и условиям задержки магнитного компрессора. Три конфигурации дали среднюю энергию импульса 150, 200 и 260 мкДж соответственно с максимальной пиковой мощностью 1,1 ТВт.
Рисунок 2. (а) Гистограмма распределения длительности импульса по полувысоте и полной ширине (FWHM); (б) Диаграмма рассеяния, соответствующая пиковой мощности и длительности импульса
Кроме того, в исследовании впервые наблюдалось явление солитоноподобной сверхэмиссии в рентгеновском диапазоне, проявляющееся в виде непрерывного укорочения импульса во время усиления. Это обусловлено сильным взаимодействием электронов с излучением, при котором энергия быстро передается от электрона к головной части рентгеновского импульса и обратно к электрону из хвостовой части импульса. Благодаря глубокому изучению этого явления ожидается, что рентгеновские импульсы с меньшей длительностью и большей пиковой мощностью могут быть получены в дальнейшем путем расширения процесса усиления сверхизлучения и использования укорочения импульса в солитоноподобном режиме.
Время публикации: 27 мая 2024 г.