Laser pulsa sinar-X attosecond kelas TW

Laser pulsa sinar-X attosecond kelas TW
Sinar-X Attodetiklaser pulsaDengan daya tinggi dan durasi pulsa pendek, kunci untuk mencapai spektroskopi nonlinier ultra cepat dan pencitraan difraksi sinar-X adalah dengan menggunakan rangkaian dua tahap.Laser elektron bebas sinar-Xuntuk menghasilkan pulsa attosecond diskrit. Dibandingkan dengan laporan yang ada, daya puncak rata-rata pulsa meningkat satu orde besarnya, daya puncak maksimum adalah 1,1 TW, dan energi median lebih dari 100 μJ. Studi ini juga memberikan bukti kuat untuk perilaku superradiasi mirip soliton di medan sinar-X.Laser berenergi tinggiTelah mendorong banyak bidang penelitian baru, termasuk fisika medan 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 sinar-X (XFEL) dapat meningkatkan daya puncak sinar-X beberapa orde besarnya dibandingkan dengan teknologi pembangkit sinar-X lainnya, sehingga memperluas aplikasi sinar-X ke bidang spektroskopi nonlinier dan pencitraan difraksi partikel tunggal di mana daya tinggi diperlukan. Keberhasilan XFEL attosecond baru-baru ini merupakan pencapaian besar dalam ilmu dan teknologi attosecond, meningkatkan daya puncak yang tersedia lebih dari enam orde besarnya dibandingkan dengan sumber sinar-X benchtop.

Laser elektron bebasEnergi pulsa yang diperoleh dapat berkali-kali lipat lebih tinggi daripada tingkat emisi spontan dengan menggunakan instabilitas kolektif, yang disebabkan oleh interaksi kontinu 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 teknik kompresi bundel dan kerucut pasca-saturasi. Dalam rentang sinar-X lunak (panjang gelombang sekitar 0,1 nm hingga 10 nm), FEL diimplementasikan dengan teknologi irisan segar kaskade. Baru-baru ini, pulsa attosecond dengan daya puncak 100 GW telah dilaporkan dihasilkan menggunakan metode emisi spontan yang diperkuat sendiri (ESASE).

Tim peneliti menggunakan sistem amplifikasi dua tahap berbasis XFEL untuk memperkuat keluaran pulsa attosecond sinar-X lunak dari linac koheren.sumber cahayahingga tingkat TW, peningkatan satu orde besaran dibandingkan hasil yang dilaporkan. Susunan eksperimental ditunjukkan pada Gambar 1. Berdasarkan metode ESASE, emitor fotokatoda dimodulasi untuk mendapatkan berkas elektron dengan lonjakan arus tinggi, dan digunakan untuk menghasilkan pulsa sinar-X attosecond. 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 attosecond dengan irisan segar.

GAMBAR 1 Diagram perangkat eksperimental; 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 attosecond dibangun dari noise, 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, 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 diionisasi oleh pulsa sinar-X akan menghasilkan garis-garis dalam arah yang berlawanan dengan potensial 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 pulsa attodetik dapat direkonstruksi. Gambar 2 (a) menunjukkan distribusi durasi pulsa, dengan median 440 as. Terakhir, detektor pemantauan gas digunakan untuk mengukur energi pulsa, dan plot sebaran antara daya puncak pulsa dan durasi pulsa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (b) dihitung. Ketiga konfigurasi tersebut sesuai dengan kondisi pemfokusan berkas elektron, kondisi kerucut gelombang, dan kondisi penundaan kompresor magnetik yang berbeda. 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 sebaran 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 kuat antara elektron dan radiasi, dengan energi yang ditransfer dengan cepat dari elektron ke bagian depan pulsa sinar-X dan kembali ke elektron dari bagian belakang pulsa. Melalui studi mendalam tentang fenomena ini, diharapkan pulsa sinar-X dengan durasi lebih pendek dan daya puncak lebih tinggi dapat lebih lanjut diwujudkan dengan memperpanjang proses amplifikasi superradiasi dan memanfaatkan pemendekan pulsa dalam mode mirip soliton.