Laser pulsa sinar-X attodetik kelas TW

Laser pulsa sinar-X attodetik kelas TW
Sinar-X attosecondlaser pulsadengan daya tinggi dan durasi pulsa pendek adalah kunci untuk mencapai spektroskopi nonlinier ultra cepat dan pencitraan difraksi sinar-X. Tim peneliti di Amerika Serikat menggunakan kaskade dua tahapLaser elektron bebas sinar-Xuntuk menghasilkan pulsa attodetik diskrit. Dibandingkan dengan laporan yang ada, daya puncak rata-rata pulsa meningkat satu orde besaran, daya puncak maksimumnya adalah 1,1 TW, dan energi mediannya lebih dari 100 μJ. Studi ini juga memberikan bukti kuat untuk perilaku superradiasi mirip soliton dalam medan 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 pencitraan difraksi partikel tunggal yang membutuhkan daya tinggi. Keberhasilan XFEL attodetik baru-baru ini merupakan pencapaian besar dalam sains dan teknologi attodetik, meningkatkan daya puncak yang tersedia lebih dari enam kali lipat dibandingkan dengan sumber sinar-X benchtop.

Laser elektron bebasdapat memperoleh energi pulsa berkali-kali lipat lebih tinggi daripada tingkat emisi spontan menggunakan ketidakstabilan kolektif, yang disebabkan oleh interaksi berkelanjutan medan radiasi dalam berkas elektron relativistik dan osilator magnetik. Pada rentang sinar-X keras (panjang gelombang sekitar 0,01 nm hingga 0,1 nm), FEL dicapai dengan teknik kompresi berkas dan pengerukan pasca-saturasi. Pada rentang sinar-X lunak (panjang gelombang sekitar 0,1 nm hingga 10 nm), FEL diimplementasikan dengan teknologi irisan segar bertingkat. Baru-baru ini, pulsa attodetik dengan daya puncak 100 GW telah dilaporkan dihasilkan menggunakan metode emisi spontan yang diperkuat sendiri (ESASE).

Tim peneliti menggunakan sistem amplifikasi dua tahap berdasarkan XFEL untuk memperkuat keluaran pulsa attodetik sinar-X lunak dari koheren linacsumber cahayake tingkat TW, suatu peningkatan orde magnitudo dibandingkan hasil yang dilaporkan. Susunan percobaan ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan metode ESASE, pemancar fotokatode dimodulasi untuk memperoleh berkas elektron dengan lonjakan arus tinggi, dan digunakan untuk menghasilkan pulsa sinar-X attodetik. Pulsa awal terletak di tepi depan lonjakan berkas elektron, seperti ditunjukkan di sudut kiri atas Gambar 1. Ketika XFEL mencapai saturasi, berkas elektron ditunda relatif terhadap sinar-X oleh kompresor magnetik, dan kemudian pulsa berinteraksi dengan berkas elektron (irisan segar) yang tidak dimodifikasi oleh modulasi ESASE atau laser FEL. Akhirnya, undulator magnetik kedua digunakan untuk lebih memperkuat sinar-X melalui interaksi pulsa attodetik dengan irisan segar.

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

Semua pulsa attodetik dibangun dari derau, sehingga setiap pulsa memiliki sifat spektral dan domain waktu yang berbeda, yang dieksplorasi lebih detail oleh para peneliti. Dalam hal spektrum, mereka menggunakan spektrometer pelat pita Fresnel untuk mengukur spektrum pulsa individual pada panjang undulator ekuivalen yang berbeda, dan menemukan bahwa spektrum ini mempertahankan bentuk gelombang yang halus bahkan setelah amplifikasi sekunder, yang menunjukkan bahwa pulsa tetap unimodal. Dalam domain waktu, pinggiran sudut diukur dan bentuk gelombang domain waktu pulsa dikarakterisasi. Seperti ditunjukkan pada Gambar 1, pulsa sinar-X tumpang tindih dengan pulsa laser inframerah terpolarisasi melingkar. Fotoelektron yang terionisasi oleh pulsa sinar-X akan menghasilkan goresan dalam arah yang 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 terbentuk. Distribusi momentum fotoelektron diukur menggunakan spektrometer pencitraan pemetaan cepat koaksial. Berdasarkan distribusi dan hasil spektral, bentuk gelombang domain waktu pulsa attodetik dapat direkonstruksi. Gambar 2 (a) menunjukkan distribusi durasi pulsa, dengan median 440 μJ. Terakhir, 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, kondisi pengerukan waver, dan kondisi penundaan kompresor magnetik yang berbeda. Ketiga konfigurasi tersebut menghasilkan energi pulsa rata-rata masing-masing sebesar 150, 200, dan 260 µJ, dengan daya puncak maksimum sebesar 1,1 TW.

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

Selain itu, penelitian ini juga mengamati untuk pertama kalinya fenomena superemisi mirip soliton pada pita sinar-X, yang muncul sebagai pemendekan pulsa kontinu selama amplifikasi. Hal ini disebabkan oleh interaksi yang kuat antara elektron dan radiasi, dengan energi yang ditransfer secara cepat 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 memanfaatkan pemendekan pulsa dalam mode mirip soliton.