Láser de pulso de raios X de atosegundo clase TW

Láser de pulso de raios X de atosegundo clase TW
Radiografía de atosegundosláser de pulsocon alta potencia e curta duración do pulso son a clave para conseguir unha espectroscopia non lineal ultrarrápida e imaxes de difracción de raios X. O equipo de investigación dos Estados Unidos utilizou unha fervenza de dúas etapasLáseres de electróns libres de raios Xpara emitir pulsos de atosegundo discretos. 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 media é superior a 100 μJ. O estudo tamén proporciona unha forte evidencia do comportamento de superradiación tipo solitón no campo de raios X.Láseres de alta enerxíaimpulsaron moitas áreas novas de investigación, incluíndo a física de campos altos, a espectroscopia de atosegundos e os aceleradores de partículas láser. Entre todos os tipos de láseres, os raios X son amplamente utilizados no diagnóstico médico, detección de fallos industriais, inspección de seguridade e investigación científica. O láser de electróns libres de raios X (XFEL) pode aumentar a potencia máxima de 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 da espectroscopia única. imaxes de difracción de partículas onde se require alta potencia. O recente éxito XFEL de attosegundos é un gran logro na ciencia e tecnoloxía dos atosegundos, aumentando a potencia máxima dispoñible en máis de seis ordes de magnitude en comparación coas fontes de raios X de sobremesa.

Láseres de electróns librespode obter enerxías de pulso moitas ordes de magnitude superiores ao nivel de emisión espontánea mediante a inestabilidade colectiva, que é causada pola interacción continua do campo de radiación no feixe de electróns relativista e o oscilador magnético. No intervalo de raios X duros (uns 0,01 nm a 0,1 nm de lonxitude de onda), a FEL conséguese mediante técnicas de compresión de paquetes e possaturación. No intervalo de raios X suaves (uns 0,1 nm a 10 nm de lonxitude de onda), FEL implícase mediante a tecnoloxía de corte fresco en cascada. Recentemente, informouse de que se xeraron pulsos de attosegundos cunha potencia máxima de 100 GW mediante o método de emisión espontánea autoamplificada (ESASE).

O equipo de investigación utilizou un sistema de amplificación de dúas etapas baseado en XFEL para amplificar a saída de pulso de atosegundos de raios X suaves do linac coherente.fonte de luzao nivel TW, unha mellora de orde de magnitude con respecto aos resultados informados. A configuración experimental móstrase na Figura 1. Baseándose no método ESASE, o emisor do fotocátodo modúlase para obter un feixe de electróns cun alto pico de corrente, e úsase para xerar pulsos de raios X de atosegundo. O pulso inicial sitúase 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 é atrasado en relación aos raios X por un compresor magnético, e entón o pulso interactúa co feixe de electróns (fresca fresca) que non é modificado pola modulación ESASE ou o láser FEL. Finalmente, utilízase un segundo ondulador magnético para amplificar aínda máis os raios X a través da interacción de pulsos de atosegundo coa rebanada fresca.

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

Todos os pulsos de atosegundo están construídos a partir de ruído, polo que cada pulso ten propiedades espectrais e de dominio do tempo diferentes, que os investigadores exploraron con máis detalle. En canto aos espectros, utilizaron un espectrómetro de placa de banda de Fresnel para medir os espectros de pulsos individuais a diferentes lonxitudes de ondulación equivalentes, e descubriron que estes espectros mantiñan formas de onda suaves mesmo despois da amplificación secundaria, o que indica que os pulsos seguían sendo unimodais. No dominio do tempo, mide a franxa angular e caracterízase a forma de onda do pulso no dominio do tempo. Como se mostra na Figura 1, o pulso de raios X está superposto co pulso de láser infravermello polarizado circularmente. Os fotoelectróns ionizados polo pulso de raios X producirán raias na dirección oposta ao potencial vectorial do láser infravermello. Como 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 fotoelectrónico mídese mediante un espectrómetro coaxial de imaxe de mapeo rápido. En función da distribución e dos resultados espectrais, pódese reconstruír a forma de onda no dominio do tempo dos pulsos de atosegundo. 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 gráfico 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 cono ondulatorio e condicións de retardo do compresor magnético. As tres configuracións produciron enerxías de pulso medias 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 ancho completo (FWHM) a media altura; (b) Gráfico de dispersión correspondente á potencia máxima e á duración do pulso

Ademais, o estudo tamén observou por primeira vez o fenómeno da superemisión tipo solitón na banda de raios X, que aparece como un acurtamento continuo do pulso durante a amplificación. É causada por unha forte interacción entre os electróns e a radiación, coa enerxía transferida rapidamente desde o electrón á cabeza do pulso de raios X e de volta ao electrón desde a cola do pulso. A través dun estudo en profundidade deste fenómeno, espérase que os pulsos de raios X con menor duración e maior potencia de pico se poidan realizar aínda máis ampliando o proceso de amplificación de superradiación e aproveitando o acurtamento do pulso en modo solitón.