Laser pulsa sinar-X attodetik kelas TW

Laser pulsa sinar-X attodetik kelas TW
Sinar-X Attodetiklaser pulsadengan daya tinggi dan durasi pulsa pendek adalah kunci untuk mencapai spektroskopi nonlinier ultracepat dan pencitraan difraksi sinar-X. Tim peneliti di Amerika Serikat menggunakan kaskade dua tahapLaser elektron bebas sinar-Xuntuk menghasilkan pulsa attodetik yang terpisah. Dibandingkan dengan laporan yang ada, daya puncak rata-rata pulsa meningkat sebesar satu orde besaran, 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 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 memerlukan daya tinggi. XFEL attodetik yang berhasil baru-baru ini merupakan pencapaian besar dalam sains dan teknologi attodetik, yang meningkatkan daya puncak yang tersedia lebih dari enam kali lipat dibandingkan dengan sumber sinar-X benchtop.

Laser elektron bebasdapat memperoleh energi pulsa beberapa orde besaran lebih tinggi daripada tingkat emisi spontan menggunakan ketidakstabilan kolektif, yang disebabkan oleh interaksi berkelanjutan medan radiasi dalam berkas elektron relativistik dan osilator magnetik. Dalam rentang sinar-X keras (sekitar panjang gelombang 0,01 nm hingga 0,1 nm), FEL dicapai dengan teknik kompresi bundel dan pengerukan pasca-saturasi. Dalam rentang sinar-X lunak (sekitar panjang gelombang 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 linac.sumber cahayake level TW, suatu peningkatan orde besaran atas hasil yang dilaporkan. Pengaturan eksperimen 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 yang 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 melintang 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 rinci 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 yang 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 ke arah yang berlawanan dengan potensi vektor laser inframerah. Karena medan listrik laser berputar seiring 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 distribusi dan hasil 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, 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 pencar yang sesuai dengan daya puncak dan durasi pulsa

Selain itu, penelitian ini juga mengamati untuk pertama kalinya fenomena superemisi mirip soliton dalam pita sinar-X, yang muncul sebagai pemendekan pulsa berkelanjutan selama amplifikasi. Hal ini disebabkan oleh interaksi yang kuat antara elektron dan radiasi, dengan energi yang ditransfer dengan 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 diwujudkan lebih lanjut dengan memperluas proses amplifikasi superradiasi dan memanfaatkan pemendekan pulsa dalam mode mirip soliton.