Laser pulsa sinar-X attodetik kelas TW

Laser pulsa sinar-X attodetik kelas TW
Rontgen Attodetiklaser pulsadengan daya tinggi dan durasi pulsa pendek adalah kunci untuk mencapai spektroskopi nonlinier ultracepat dan pencitraan difraksi sinar-X. Tim peneliti di Amerika menggunakan kaskade dua tahapLaser elektron bebas sinar-Xuntuk mengeluarkan pulsa attodetik diskrit. Dibandingkan dengan laporan yang ada, daya puncak rata-rata pulsa meningkat satu urutan besarnya, daya puncak maksimum adalah 1,1 TW, dan energi median lebih dari 100 μJ. Studi ini juga memberikan bukti kuat mengenai perilaku superradiasi mirip soliton di bidang sinar-X.Laser berenergi tinggitelah mendorong banyak bidang penelitian baru, termasuk fisika medan tinggi, spektroskopi attodetik, dan akselerator partikel laser. Di antara semua jenis laser, sinar-X banyak digunakan dalam diagnosis medis, deteksi cacat industri, inspeksi keselamatan, dan penelitian ilmiah. Laser elektron bebas sinar-X (XFEL) dapat meningkatkan daya puncak sinar-X beberapa kali lipat dibandingkan dengan teknologi pembangkitan sinar-X lainnya, sehingga memperluas penerapan sinar-X ke bidang spektroskopi nonlinier dan spektroskopi tunggal. pencitraan difraksi partikel yang membutuhkan daya tinggi. XFEL attosecond yang sukses baru-baru ini merupakan pencapaian besar dalam ilmu pengetahuan dan teknologi attosecond, meningkatkan daya puncak yang tersedia lebih dari enam kali lipat dibandingkan dengan sumber sinar-X benchtop.

Laser elektron bebasdapat memperoleh energi pulsa yang berkali-kali lipat lebih tinggi daripada tingkat emisi spontan menggunakan ketidakstabilan kolektif, yang disebabkan oleh interaksi terus-menerus medan radiasi dalam berkas elektron relativistik dan osilator magnetik. Dalam rentang sinar-X keras (panjang gelombang sekitar 0,01 nm hingga 0,1 nm), FEL dicapai dengan kompresi bundel dan teknik kerucut pasca-saturasi. Dalam rentang sinar-X lembut (panjang gelombang sekitar 0,1 nm hingga 10 nm), FEL diterapkan dengan teknologi cascade fresh-slice. Baru-baru ini, pulsa attodetik dengan daya puncak 100 GW telah dilaporkan dihasilkan menggunakan metode peningkatan emisi spontan yang diperkuat sendiri (ESASE).

Tim peneliti menggunakan sistem amplifikasi dua tahap berdasarkan XFEL untuk memperkuat keluaran pulsa attodetik sinar-X lembut dari koheren linac.sumber cahayake tingkat TW, suatu urutan peningkatan besaran atas hasil yang dilaporkan. Pengaturan eksperimental ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan metode ESASE, pemancar fotokatoda dimodulasi untuk mendapatkan berkas elektron dengan lonjakan arus tinggi, dan digunakan untuk menghasilkan pulsa sinar-X attodetik. Pulsa awal terletak di tepi depan lonjakan berkas elektron, seperti yang ditunjukkan pada sudut kiri atas Gambar 1. Ketika XFEL mencapai saturasi, berkas elektron tertunda relatif terhadap sinar-X oleh kompresor magnetik, dan kemudian pulsa berinteraksi dengan berkas elektron (potongan segar) yang tidak dimodifikasi oleh modulasi ESASE atau laser FEL. Terakhir, undulator magnet kedua digunakan untuk memperkuat sinar-X lebih lanjut melalui interaksi pulsa attodetik dengan irisan baru.

ARA. 1 Diagram perangkat percobaan; Ilustrasi menunjukkan ruang fase longitudinal (diagram energi-waktu elektron, hijau), profil arus (biru), dan radiasi yang dihasilkan oleh amplifikasi orde pertama (ungu). XTCAV, rongga melintang X-band; cVMI, sistem pencitraan pemetaan cepat koaksial; FZP, spektrometer pelat pita Fresnel

Semua pulsa attosecond dibangun dari noise, sehingga setiap pulsa memiliki sifat spektral dan domain waktu yang berbeda, yang kemudian dieksplorasi lebih lanjut oleh para peneliti. Dalam hal spektrum, mereka menggunakan spektrometer pelat pita Fresnel untuk mengukur spektrum pulsa individu pada panjang undulator setara yang berbeda, dan menemukan bahwa spektrum ini mempertahankan bentuk gelombang halus bahkan setelah amplifikasi sekunder, yang menunjukkan bahwa pulsa tetap unimodal. Dalam domain waktu, pinggiran sudut diukur dan bentuk gelombang domain waktu dari pulsa dikarakterisasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, pulsa sinar-X tumpang tindih dengan pulsa laser inframerah terpolarisasi sirkular. Fotoelektron yang terionisasi oleh pulsa sinar-X akan menghasilkan garis-garis yang arahnya berlawanan dengan potensial vektor laser inframerah. Karena medan listrik laser berputar terhadap waktu, distribusi momentum fotoelektron ditentukan oleh waktu emisi elektron, dan hubungan antara mode sudut waktu emisi dan distribusi momentum fotoelektron ditetapkan. Distribusi momentum fotoelektron diukur menggunakan spektrometer pencitraan pemetaan cepat koaksial. Berdasarkan hasil distribusi dan spektral, bentuk gelombang domain waktu dari pulsa attodetik dapat direkonstruksi. Gambar 2 (a) menunjukkan distribusi durasi pulsa, dengan median 440 as. Akhirnya, detektor pemantauan gas digunakan untuk mengukur energi pulsa, dan plot sebaran antara daya pulsa puncak dan durasi pulsa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b) dihitung. Ketiga konfigurasi tersebut sesuai dengan kondisi pemfokusan berkas elektron yang berbeda, kondisi waver coning, dan kondisi penundaan kompresor magnetik. Ketiga konfigurasi tersebut menghasilkan energi pulsa rata-rata masing-masing 150, 200, dan 260 µJ, dengan daya puncak maksimum 1,1 TW.

Gambar 2. (a) Histogram distribusi durasi pulsa setengah tinggi lebar penuh (FWHM); (b) Plot sebar sesuai dengan daya puncak dan durasi pulsa

Selain itu, penelitian ini juga untuk pertama kalinya mengamati fenomena superemisi mirip soliton pada pita sinar-X, yang muncul sebagai pemendekan pulsa terus menerus selama amplifikasi. Hal ini disebabkan oleh interaksi yang kuat antara elektron dan radiasi, dengan energi yang ditransfer dengan cepat dari elektron ke bagian atas pulsa sinar-X dan kembali ke elektron dari bagian belakang pulsa. Melalui kajian mendalam terhadap fenomena ini, diharapkan pulsa sinar-X dengan durasi lebih pendek dan daya puncak lebih tinggi dapat diwujudkan lebih lanjut dengan memperluas proses amplifikasi superradiasi dan memanfaatkan pemendekan pulsa dalam mode mirip soliton.