Láser de pulso de raios X de atosegundos de clase TW

Láser de pulso de raios X de atosegundos de clase TW
Raios X de atosegundosláser de pulsocon alta potencia e curta duración do pulso son a clave para lograr espectroscopia non lineal ultrarrápida e imaxes de difracción de raios X. O equipo de investigación dos Estados Unidos empregou unha cascada de dúas etapasLáseres de electróns libres de raios Xpara xerar pulsos discretos de atosegundos. En comparación cos informes existentes, a potencia máxima media dos pulsos aumenta nunha orde de magnitude, a potencia máxima máxima é de 1,1 TW e a enerxía mediana é superior a 100 μJ. O estudo tamén proporciona probas sólidas dun comportamento de superradiación similar ao solitón no campo de raios X.Láseres de alta enerxíaimpulsaron moitas novas áreas de investigación, incluíndo a física de alto campo, a espectroscopia de atosegundos e os aceleradores de partículas láser. Entre todos os tipos de láseres, os raios X úsanse amplamente no diagnóstico médico, a detección de defectos industriais, a inspección de seguridade e a investigación científica. O láser de electróns libres de raios X (XFEL) pode aumentar a potencia máxima dos raios X en varias ordes de magnitude en comparación con outras tecnoloxías de xeración de raios X, estendendo así a aplicación dos raios X ao campo da espectroscopia non lineal e a imaxe por difracción de partículas individuais onde se require unha alta potencia. O recente e exitoso XFEL de atosegundos é un logro importante na ciencia e a tecnoloxía de atosegundos, xa que aumenta a potencia máxima dispoñible en máis de seis ordes de magnitude en comparación coas fontes de raios X de mesa.

Láseres de electróns librespoden obter enerxías de pulso moitas ordes de magnitude superiores ao nivel de emisión espontánea empregando a inestabilidade colectiva, que é causada pola interacción continua do campo de radiación no feixe de electróns relativistas e o oscilador magnético. No rango de raios X duros (aproximadamente 0,01 nm a 0,1 nm de lonxitude de onda), a FEL conséguese mediante técnicas de compresión de feixe e conificación postsaturación. No rango de raios X brandos (aproximadamente 0,1 nm a 10 nm de lonxitude de onda), a FEL impleméntase mediante a tecnoloxía de corte fresco en cascada. Recentemente, informouse de que se xeraron pulsos de atosegundos cunha potencia máxima de 100 GW empregando o método de emisión espontánea autoamplificada mellorada (ESASE).

O equipo de investigación empregou un sistema de amplificación de dúas etapas baseado en XFEL para amplificar a saída de pulsos de atosegundos de raios X brandos do aceiro lineal coherentefonte de luzao nivel de TW, unha mellora da orde de magnitude sobre os resultados notificados. A configuración experimental móstrase na Figura 1. Baseado no método ESASE, o emisor do fotocátodo modulase para obter un feixe de electróns cun pico de corrente elevado e utilízase para xerar pulsos de raios X de atosegundos. O pulso inicial está situado no bordo frontal do pico do feixe de electróns, como se mostra na esquina superior esquerda da Figura 1. Cando o XFEL alcanza a saturación, o feixe de electróns atrasa en relación cos raios X por un compresor magnético e, a continuación, o pulso interactúa co feixe de electróns (corte fresco) que non se modifica pola modulación ESASE ou o láser FEL. Finalmente, utilízase un segundo ondulador magnético para amplificar aínda máis os raios X mediante a interacción dos pulsos de atosegundos co corte fresco.

FIG. 1 Diagrama do dispositivo experimental; A ilustración mostra o espazo de fase lonxitudinal (diagrama de tempo-enerxía do electrón, verde), o perfil de corrente (azul) e a radiación producida pola amplificación de primeira orde (violeta). XTCAV, cavidade transversal en banda X; cVMI, sistema de imaxe de mapeo rápido coaxial; FZP, espectrómetro de placa de banda de Fresnel

Todos os pulsos de atosegundos constrúense a partir de ruído, polo que cada pulso ten diferentes propiedades espectrais e de dominio temporal, que os investigadores exploraron con máis detalle. En termos de espectros, empregaron un espectrómetro de placa de banda de Fresnel para medir os espectros de pulsos individuais a diferentes lonxitudes de ondulador equivalentes e descubriron que estes espectros mantiñan formas de onda suaves mesmo despois da amplificación secundaria, o que indica que os pulsos permaneceron unimodais. No dominio temporal, mídese a franxa angular e caracterízase a forma de onda do dominio temporal do pulso. Como se mostra na Figura 1, o pulso de raios X está solapado co pulso láser infravermello polarizado circularmente. Os fotoelectróns ionizados polo pulso de raios X producirán raias na dirección oposta ao potencial vectorial do láser infravermello. Debido a que o campo eléctrico do láser xira co tempo, a distribución do momento do fotoelectrón está determinada polo tempo de emisión de electróns e establécese a relación entre o modo angular do tempo de emisión e a distribución do momento do fotoelectrón. A distribución do momento do fotoelectrón mídese usando un espectrómetro de imaxe de mapeo rápido coaxial. Baseándose na distribución e nos resultados espectrais, pódese reconstruír a forma de onda no dominio do tempo dos pulsos de atosegundos. A figura 2 (a) mostra a distribución da duración do pulso, cunha mediana de 440 as. Finalmente, utilizouse o detector de monitorización de gas para medir a enerxía do pulso e calculouse o diagrama de dispersión entre a potencia máxima do pulso e a duración do pulso, como se mostra na figura 2 (b). As tres configuracións corresponden a diferentes condicións de enfoque do feixe de electróns, condicións de conificación ondulatoria e condicións de retardo do compresor magnético. As tres configuracións produciron enerxías medias de pulso de 150, 200 e 260 µJ, respectivamente, cunha potencia máxima máxima de 1,1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribución da duración do pulso de media altura e ancho completo (FWHM); (b) Diagrama de dispersión correspondente á potencia máxima e á duración do pulso

Ademais, o estudo tamén observou por primeira vez o fenómeno da superemisión de tipo solitón na banda de raios X, que aparece como un acurtamento continuo do pulso durante a amplificación. Está causada por unha forte interacción entre os electróns e a radiación, coa enerxía transferida rapidamente do electrón á cabeza do pulso de raios X e de volta ao electrón desde a cola do pulso. Mediante un estudo en profundidade deste fenómeno, espérase que se poidan conseguir pulsos de raios X con duración máis curta e maior potencia máxima ampliando o proceso de amplificación por superradiación e aproveitando o acurtamento do pulso no modo de tipo solitón.