Импульсный аттосекундный рентгеновский лазер класса ТВт
Аттосекундное рентгеновское излучениеимпульсный лазерВысокая мощность и короткая длительность импульса являются ключом к достижению сверхбыстрой нелинейной спектроскопии и рентгеновской дифракционной визуализации. Исследовательская группа в Соединенных Штатах использовала каскад из двух ступеней.Рентгеновские 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 превышает 100 мкДж. Исследование также предоставляет убедительные доказательства солитоноподобного поведения сверхизлучения в рентгеновском поле.Высокоэнергетические лазерыРентгеновские лучи стимулировали развитие многих новых областей исследований, включая физику высоких полей, аттосекундную спектроскопию и лазерные ускорители частиц. Среди всех типов лазеров рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике, промышленном 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 область применения рентгеновских лучей до 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 электронахС помощью коллективной неустойчивости, вызванной непрерывным взаимодействием поля излучения в релятивистском электронном пучке и магнитного осциллятора, можно получить импульсные энергии на много порядков выше уровня спонтанного излучения. В диапазоне жесткого рентгеновского излучения (примерно от 0,01 нм до 0,1 нм длины волны) лазер на свободных электронах (FEL) достигается с помощью методов сжатия пучка и постнасыщенного конусообразования. В диапазоне мягкого рентгеновского излучения (примерно от 0,1 нм до 10 нм длины волны) FEL реализуется с помощью каскадной технологии получения свежих срезов. Недавно сообщалось о генерации аттосекундных импульсов с пиковой мощностью 100 ГВт с использованием метода усиленного самоусиливающегося спонтанного излучения (ESASE).
Исследовательская группа использовала двухступенчатую систему усиления на основе рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) для усиления аттосекундного импульса мягкого рентгеновского излучения, выходящего из линейного ускорителя.источник светадо уровня ТВт, что на порядок превосходит ранее полученные результаты. Экспериментальная установка показана на рисунке 1. На основе метода ESASE фотокатодный эмиттер модулируется для получения электронного пучка с высоким пиком тока, который используется для генерации аттосекундных рентгеновских импульсов. Начальный импульс расположен на переднем крае пика электронного пучка, как показано в верхнем левом углу рисунка 1. Когда рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) достигает насыщения, электронный пучок задерживается относительно рентгеновского излучения магнитным компрессором, а затем импульс взаимодействует с электронным пучком (свежим срезом), не модифицированным модуляцией ESASE или лазером FEL. Наконец, второй магнитный ондулятор используется для дальнейшего усиления рентгеновского излучения за счет взаимодействия аттосекундных импульсов со свежим срезом.
РИС. 1. Схема экспериментального устройства; на иллюстрации показано продольное фазовое пространство (диаграмма время-энергия электрона, зеленый 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 пластинчатой структурой Френеля.
Все аттосекундные импульсы формируются из шума, поэтому каждый импульс имеет различные спектральные и временные свойства, которые исследователи изучили более подробно. Что касается спектров, они использовали спектрометр с пластинчатой полосой Френеля для измерения спектров отдельных импульсов при различных эквивалентных длинах ондулятора и обнаружили, что эти спектры сохраняют плавную форму волны даже после вторичного усиления, что указывает на унимодальный характер импульсов. Во временной области измеряется угловая полоса и характеризуется временная форма волны импульса. Как показано на рисунке 1, рентгеновский импульс накладывается на импульс инфракрасного лазера с круговой поляризацией. 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 эмиссии электрона, и устанавливается связь между угловой модой времени эмиссии и распределением импульса фотоэлектрона. Распределение импульса фотоэлектронов измеряется с помощью коаксиального спектрометра быстрого картирования изображений. На основе распределения и спектральных результатов можно восстановить временную форму аттосекундных импульсов. На рисунке 2 (а) показано распределение длительности импульса со средним значением 440 ас. Наконец, для измерения энергии импульса использовался детектор газового мониторинга, и был рассчитан график рассеяния между пиковой мощностью импульса и его длительностью, как показано на рисунке 2 (б). Три конфигурации соответствуют различным условиям фокусировки электронного пучка, условиям конусообразного расширения 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 на половине высоты (FWHM); (б) Диаграмма рассеяния, соответствующая пиковой мощности и длительности импульса.
Кроме того, в ходе исследования впервые было обнаружено явление солитоноподобного суперизлучения в рентгеновском диапазоне, которое проявляется в виде непрерывного укорочения импульса во время усиления. Это вызвано сильным взаимодействием электронов и излучения, при котором энергия быстро передается от электрона к началу рентгеновского импульса и обратно к электрону от хвоста импульса. Предполагается, что углубленное изучение этого явления позволит в дальнейшем получить рентгеновские импульсы меньшей длительности и большей пиковой мощности за счет расширения процесса суперизлучения и использования преимущества укорочения импульса в солитоноподобном режиме.
Дата публикации: 27 мая 2024 г.