Аттосекундный рентгеновский импульсный лазер класса TW
Аттосекундный рентгенимпульсный лазерВысокая мощность и короткая длительность импульса являются ключом к достижению сверхбыстрой нелинейной спектроскопии и рентгеновской дифракции. Исследовательская группа в США использовала каскад двухступенчатыхРентгеновские 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 — более 100 мкДж. Исследование также предоставляет убедительные доказательства солитоноподобного поведения сверхизлучения в рентгеновском поле.Высокоэнергетические лазерыстимулировали множество новых областей исследований, включая физику сильных полей, аттосекундную спектроскопию и лазерные ускорители частиц. Среди всех видов лазеров рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике, промышленной дефектоскопии, проверке 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, расширяя тем самым применение рентгеновского излучения в области нелинейной спектроскопии и одно- визуализация дифракции частиц, где требуется высокая мощность. Недавний успешный аттосекундный XFEL является крупным достижением в аттосекундной науке и технологии, увеличивая доступную пиковую мощность более чем на шесть порядков по сравнению с настольными источниками рентгеновского излучения.
Лазеры на свободных электронахможно получить энергию импульса на много порядков выше уровня спонтанного излучения за счет коллективной неустойчивости, вызванной непрерывным взаимодействием поля излучения в релятивистском электронном пучке и магнитного генератора. В диапазоне жесткого рентгеновского излучения (длина волны примерно от 0,01 до 0,1 нм) ЛСЭ достигается за счет сжатия пучка и методов конуса после насыщения. В диапазоне мягкого рентгеновского излучения (длина волны от 0,1 до 10 нм) ЛСЭ реализуется с помощью каскадной технологии свежих срезов. Недавно сообщалось, что аттосекундные импульсы с пиковой мощностью 100 ГВт генерируются с использованием метода расширенного самоусиливающегося спонтанного излучения (ESASE).
Исследовательская группа использовала двухступенчатую систему усиления на основе XFEL для усиления аттосекундного импульса мягкого рентгеновского излучения, выходящего из когерентного линейного ускорителя.источник светадо уровня TW, что на порядок лучше заявленных результатов. Экспериментальная установка показана на рисунке 1. На основе метода ESASE фотокатодный эмиттер модулируется для получения электронного луча с сильным пиком тока и используется для генерации аттосекундных рентгеновских импульсов. Начальный импульс расположен на переднем крае пика электронного луча, как показано в верхнем левом углу рисунка 1. Когда XFEL достигает насыщения, электронный луч задерживается относительно рентгеновского с помощью магнитного компрессора, а затем импульс взаимодействует с электронным лучом (свежим срезом), который не модифицируется модуляцией ESASE или лазером FEL. Наконец, второй магнитный ондулятор используется для дальнейшего усиления рентгеновских лучей за счет взаимодействия аттосекундных импульсов со свежим срезом.
ИНЖИР. 1 Схема экспериментальной установки; На иллюстрации показано продольное фазовое пространство (энергетическая диаграмма электрона, зеленый цвет), профиль тока (синий) и излучение, создаваемое усилением первого порядка (фиолетовый). XTCAV, поперечная полость X-диапазона; cVMI, коаксиальная система быстрого картирования; FZP, пластинчатый спектрометр с полосой Френеля
Все аттосекундные импульсы состоят из шума, поэтому каждый импульс имеет разные спектральные и временные свойства, которые исследователи исследовали 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 сохраняют плавные формы сигналов даже после вторичного усиления, что указывает на то, что импульсы остаются унимодальными. Во временной области измеряется угловая полоса и описывается форма импульса во временной области. Как показано на рисунке 1, рентгеновский импульс перекрывается с инфракрасным лазерным импульсом с круговой поляризацией. Фотоэлектроны, ионизированные рентгеновским импульсом, будут создавать полосы в направлении, противоположном векторному потенциалу инфракрасного лазера. Поскольку электрическое поле лазера вращается во времени, импульсное распределение фотоэлектрона определяется временем эмиссии электрона, и устанавливается связь между угловой модой времени эмиссии и импульсным распределением фотоэлектрона. Распределение импульса фотоэлектронов измеряется с помощью коаксиального спектрометра быстрого картирования. На основании распределения и спектральных результатов можно восстановить форму сигнала аттосекундных импульсов во временной области. На рис. 2 (а) показано распределение длительности импульса со средней длительностью 440 ас. Наконец, детектор мониторинга газа использовался для измерения энергии импульса и была рассчитана диаграмма рассеяния между пиковой мощностью импульса и длительностью импульса, как показано на рисунке 2 (b). Эти три конфигурации соответствуют различным условиям фокусировки электронного луча, условиям конуса колебаний 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 половинной высоты и полной ширины (FWHM); (б) График рассеяния, соответствующий пиковой мощности и длительности импульса
Кроме того, в ходе исследования также впервые наблюдалось явление солитоноподобного суперизлучения в рентгеновском диапазоне, которое проявляется в виде непрерывного укорочения импульса при усилении. Это вызвано сильным взаимодействием между электронами и излучением, при котором энергия быстро передается от электрона к началу рентгеновского импульса и обратно к электрону из хвоста импульса. Ожидается, что благодаря углубленному изучению этого явления можно будет в дальнейшем реализовать рентгеновские импульсы с более короткой длительностью и более высокой пиковой мощностью за счет расширения процесса усиления сверхизлучения и использования преимуществ укорочения импульсов в солитонном режиме.
Время публикации: 27 мая 2024 г.