Láser de pulso de raios X de clase X de clase TW

Láser de pulso de raios X de clase X de clase TW
Radio X de AttosegundoLáser de pulsoA alta potencia e a duración do pulso curto son a clave para conseguir espectroscopia non lineal ultra-lineal e imaxes de difracción de raios X. O equipo de investigación dos Estados Unidos usou unha cascada de dúas etapasLáseres de electróns sen raios Xpara producir pulsos discretos de atosecondes. En comparación cos informes existentes, a potencia máxima media dos pulsos aumenta por unha 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 fortes evidencias para o comportamento de superradiación similar ao solitón no campo de raios X.Láseres de alta enerxíaimpulsaron moitas novas áreas de investigación, incluíndo física de alto campo, espectroscopia de atosecond e aceleradores de partículas láser. Entre todo tipo de láseres, os raios X son amplamente empregados no diagnóstico médico, detección de defectos industriais, inspección de seguridade e investigación científica. O láser de electróns libres de raios X (XFEL) pode aumentar a potencia de raios X de pico por varias ordes de magnitude en comparación con outras tecnoloxías de xeración de raios X, estendendo así a aplicación de raios X ao campo de espectroscopia non lineal e imaxes de difracción de partículas dunha soa partícula onde se necesita a alta potencia. O recente exitoso Attosegundo XFEL é un logro importante na ciencia e tecnoloxía atosecond, aumentando a potencia máxima dispoñible en máis de seis pedidos de magnitude en comparación coas fontes de raios X de Benchtop.

Láseres de electróns gratuítospode obter enerxías de pulso moitas ordes de magnitude superiores ao nivel de emisión espontánea mediante a inestabilidade colectiva, o que é causado pola interacción continua do campo de radiación no feixe de electróns relativista e o oscilador magnético. No rango de raios X duro (aproximadamente 0,01 nm a 0,1 nm de lonxitude de onda), o FEL conséguese mediante técnicas de compresión de paquetes e post-saturación. No rango de raios X suave (aproximadamente 0,1 nm a 10 nm de lonxitude de onda), FEL está implementado por tecnoloxía de portas frescas en cascada. Recentemente, informouse que os pulsos de Attosegundo cun poder máximo de 100 GW foron xerados mediante o método de emisión espontánea (ESASE) auto-amplificado.

O equipo de investigación usou un sistema de amplificación de dúas etapas baseado en XFEL para amplificar a saída de pulso de raios X suave do Linac Coherentfonte de luzAo nivel TW, unha orde de mellora da magnitude sobre os resultados reportados. A configuración experimental móstrase na figura 1. Con base no método ESASE, o emisor de fotocatode está modulado para obter un feixe de electróns cunha espiga de alta corrente e úsase para xerar pulsos de raios X de Attosegundo. O pulso inicial está situado no bordo dianteiro da espiga 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 á radiografía por un compresor magnético e, a continuación Finalmente, úsase un segundo ondulador magnético para amplificar aínda máis os raios X mediante a interacción de pulsos de atosecond coa porción fresca.

Fig. 1 diagrama de dispositivos experimentais; A ilustración mostra o espazo de fase lonxitudinal (diagrama de enerxía do tempo do electrón, verde), o perfil actual (azul) e a radiación producida pola amplificación de primeira orde (púrpura). XTCAV, cavidade transversal de banda X; CVMI, sistema de imaxe de mapeo rápido coaxial; FZP, espectrómetro de placa de banda de Fresnel

Todos os pulsos de atosecondes están construídos a partir de ruído, polo que cada pulso ten diferentes propiedades espectrais e de dominio de tempo, 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 mantiveron formas de onda lisas incluso despois da amplificación secundaria, o que indica que os pulsos permanecían pouco imodais. No dominio temporal, mídese a franxa angular e caracterízase a forma de onda de dominio do tempo 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 de impulso 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 de impulso do fotoelectrón. A distribución do impulso de fotoelectróns mídese mediante un espectrómetro de imaxe de mapeo rápido coaxial. Con base na distribución e resultados espectrais, pódese reconstruír a forma de onda do dominio do tempo dos pulsos de atosecond. A figura 2 (a) mostra a distribución da duración do pulso, cunha mediana de 440 AS. Finalmente, o detector de monitorización de gas utilizouse para medir a enerxía do pulso e calculouse a trama de dispersión entre a potencia do pulso pico e a duración do pulso como se mostra na figura 2 (b). As tres configuracións corresponden a diferentes condicións de enfoque de feixe de electróns, condicións de conexión de caza e condicións de retraso do compresor magnético. As tres configuracións produciron enerxías medias de pulso de 150, 200 e 260 µJ, respectivamente, cunha potencia máxima de 1,1 TW.

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

Ademais, o estudo tamén observou por primeira vez o fenómeno da superemisión similar ao solitón na banda de raios X, que aparece como un acurtamento de pulso continuo durante a amplificación. É causado por unha forte interacción entre electróns e radiación, coa enerxía transferida rapidamente do 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 duración máis curta e maior potencia máxima poidan realizarse aínda máis ampliando o proceso de amplificación da superradiación e aproveitando o acurtamento de pulso en modo similar ao solitón.