TW Class Attosecond X-Ray Pulse Laser

TW Class Attosecond X-Ray Pulse Laser
X-ray AttosecondLaser pulsaDengan daya tinggi dan durasi pulsa pendek adalah kunci untuk mencapai spektroskopi nonlinier ultrafast dan pencitraan difraksi sinar-X. Tim peneliti di Amerika Serikat menggunakan kaskade dua tahapLaser elektron gratis X-rayuntuk mengeluarkan pulsa attosecond diskrit. Dibandingkan dengan laporan yang ada, daya puncak rata -rata pulsa meningkat dengan urutan besarnya, daya puncak maksimum adalah 1,1 TW, dan energi median lebih dari 100 μJ. Studi ini juga memberikan bukti kuat untuk perilaku superradiasi seperti soliton di bidang sinar-X.Laser berenergi tinggitelah mendorong banyak bidang penelitian baru, termasuk fisika lapangan tinggi, spektroskopi attosecond, 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 x-ray (XFEL) dapat meningkatkan daya sinar-X puncak dengan beberapa pesanan besar dibandingkan dengan teknologi generasi sinar-X lainnya, sehingga memperluas penerapan sinar-X ke bidang spektroskopi nonlinier dan pencitraan difraksi partikel tunggal di mana daya tinggi diperlukan. Attosecond XFel yang berhasil baru-baru ini adalah pencapaian besar dalam sains dan teknologi attosecond, meningkatkan daya puncak yang tersedia dengan lebih dari enam pesanan besarnya dibandingkan dengan sumber-sumber rontgen benchtop.

Laser elektron gratisDapat memperoleh energi pulsa banyak urutan besarnya lebih tinggi dari tingkat emisi spontan menggunakan ketidakstabilan kolektif, yang disebabkan oleh interaksi kontinu dari medan radiasi dalam balok elektron relativistik dan osilator magnetik. Dalam kisaran x-ray yang keras (sekitar 0,01 nm hingga 0,1 nm panjang gelombang), FEL dicapai dengan kompresi bundel dan teknik coning pasca-saturasi. Dalam kisaran sinar-X yang lembut (sekitar 0,1 nm hingga 10 nm panjang gelombang), FEL diimplementasikan oleh teknologi cascade fresh-slice. Baru-baru ini, pulsa attosecond dengan daya puncak 100 GW telah dilaporkan dihasilkan menggunakan metode emisi spontan (ESASE) yang diamplifikasi sendiri.

Tim peneliti menggunakan sistem amplifikasi dua tahap berdasarkan XFEL untuk memperkuat output pulsa attosecond x-ray lunak dari linac koherensumber cahayaKe level TW, urutan peningkatan besarnya atas hasil yang dilaporkan. Pengaturan eksperimental ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan metode ESASE, emitor fotocathode dimodulasi untuk mendapatkan balok elektron dengan lonjakan arus tinggi, dan digunakan untuk menghasilkan pulsa sinar-X attosecond. Pulsa awal terletak di tepi depan lonjakan balok elektron, seperti yang ditunjukkan pada sudut kiri atas Gambar 1. Ketika XFEL mencapai saturasi, sinar elektron ditunda relatif terhadap sinar-X oleh kompresor magnetik, dan kemudian pulsa berinteraksi dengan las elektron (irisan segar) yang tidak dimodifikasi oleh modulasi atau fel fel. Akhirnya, undulator magnetik kedua digunakan untuk semakin memperkuat sinar-X melalui interaksi pulsa attosecond dengan irisan segar.

ARA. 1 Diagram Perangkat Eksperimental; Ilustrasi menunjukkan ruang fase longitudinal (diagram waktu-energi elektron, hijau), profil saat ini (biru), dan radiasi yang dihasilkan oleh amplifikasi orde pertama (ungu). Xtcav, rongga transversal X-band; CVMI, sistem pencitraan pemetaan cepat koaksial; FZP, spektrometer pelat pita fresnel

Semua pulsa attosecond dibangun dari noise, sehingga setiap denyut nadi memiliki sifat spektral dan domain waktu yang berbeda, yang dieksplorasi para peneliti secara lebih rinci. Dalam hal spektrum, mereka menggunakan spektrometer pelat pita fresnel untuk mengukur spektrum pulsa individu pada panjang undulator yang setara yang berbeda, dan menemukan bahwa spektrum ini mempertahankan bentuk gelombang halus bahkan setelah amplifikasi sekunder, menunjukkan bahwa pulsa tetap tidak adik. Dalam domain waktu, pinggiran sudut diukur dan bentuk gelombang domain waktu dari pulsa ditandai. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, pulsa sinar-X tumpang tindih dengan pulsa laser inframerah terpolarisasi secara melingkar. Fotoelektron yang terionisasi oleh pulsa sinar-X akan menghasilkan garis-garis ke arah yang berlawanan dengan potensi vektor laser inframerah. Karena medan listrik laser berputar seiring waktu, distribusi momentum fotoelektron ditentukan pada saat 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 attosecond dapat direkonstruksi. Gambar 2 (a) menunjukkan distribusi durasi pulsa, dengan median 440 AS. Akhirnya, detektor pemantauan gas digunakan untuk mengukur energi pulsa, dan plot sebar antara daya pulsa puncak dan durasi pulsa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b) dihitung. Tiga konfigurasi sesuai dengan kondisi pemfokusan balok elektron yang berbeda, kondisi coning goyah dan kondisi penundaan kompresor magnetik. Tiga konfigurasi 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 (FWHM); (B) Plot pencar yang sesuai dengan daya puncak dan durasi pulsa

Selain itu, penelitian ini juga mengamati untuk pertama kalinya fenomena superemisi seperti soliton dalam pita sinar-X, yang muncul sebagai pemendekan pulsa kontinu selama amplifikasi. Ini disebabkan oleh interaksi yang kuat antara elektron dan radiasi, dengan energi dengan cepat ditransfer dari elektron ke kepala pulsa sinar-X dan kembali ke elektron dari ekor pulsa. Melalui studi mendalam tentang fenomena ini, diharapkan pulsa sinar-X dengan durasi yang lebih pendek dan daya puncak yang lebih tinggi dapat direalisasikan lebih lanjut dengan memperluas proses amplifikasi superradiasi dan mengambil keuntungan dari pemendekan pulsa dalam mode seperti soliton.