TW κλάση κλάσης Attosecond ακτίνων ακτίνων Χ λέιζερ

TW κλάση κλάσης Attosecond ακτίνων ακτίνων Χ λέιζερ
Ακτίνα Χ Attosecondπαλμός λέιζερΜε υψηλή ισχύ και σύντομη διάρκεια παλμού είναι το κλειδί για την επίτευξη εξαιρετικά γρήγορης μη γραμμικής φασματοσκοπίας και απεικόνισης περίθλασης ακτίνων Χ. Η ερευνητική ομάδα στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησε έναν καταρράκτη δύο σταδίωνΛέιζερ ηλεκτρονίων χωρίς ακτίνες ΧΓια να εξάγετε διακριτά παλμούς Attosecond. Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες αναφορές, η μέση μέγιστη ισχύς των παλμών αυξάνεται κατά μια τάξη μεγέθους, η μέγιστη μέγιστη ισχύς είναι 1,1 TW και η μέση ενέργεια είναι μεγαλύτερη από 100 μJ. Η μελέτη παρέχει επίσης ισχυρές ενδείξεις για τη συμπεριφορά υπεραξυτικοποίησης που μοιάζει με soliton στο πεδίο ακτίνων Χ.Λέιζερ υψηλής ενέργειαςέχουν οδηγήσει πολλούς νέους τομείς έρευνας, συμπεριλαμβανομένης της φυσικής υψηλού πεδίου, της φασματοσκοπίας Attosecond και των επιταχυντών σωματιδίων λέιζερ. Μεταξύ όλων των ειδών λέιζερ, οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική διάγνωση, την ανίχνευση βιομηχανικού ελάττωμα, την επιθεώρηση ασφαλείας και την επιστημονική έρευνα. Το λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρονίου ακτίνων Χ (XFEL) μπορεί να αυξήσει την ισχύς ακτίνων Χ με διάφορες τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες παραγωγής ακτίνων Χ, επεκτείνοντας έτσι την εφαρμογή των ακτίνων Χ στο πεδίο της μη γραμμικής φασματοσκοπίας και της απεικόνισης διάθλασης μονής σωματικής διάλυσης όπου απαιτείται υψηλή ισχύς. Το πρόσφατο επιτυχημένο Attosecond XFEL είναι ένα σημαντικό επίτευγμα στην επιστήμη και την τεχνολογία Attosecond, αυξάνοντας την διαθέσιμη μέγιστη ισχύ κατά περισσότερο από έξι τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με τις πηγές ακτίνων Χ του Benchtop.

Δωρεάν λέιζερ ηλεκτρονίωνΜπορεί να αποκτήσει παλμικές ενέργειες πολλές τάξεις μεγέθους υψηλότερες από το επίπεδο αυθόρμητης εκπομπής χρησιμοποιώντας συλλογική αστάθεια, η οποία προκαλείται από τη συνεχή αλληλεπίδραση του πεδίου ακτινοβολίας στην σχετικιστική δέσμη ηλεκτρονίων και τον μαγνητικό ταλαντωτή. Στο σκληρό εύρος ακτίνων Χ (περίπου 0,01 nm έως 0,1 nm μήκος κύματος), το FEL επιτυγχάνεται με συμπίεση δέσμης και τεχνικές μετα-κατάστασης. Στην μαλακή περιοχή ακτίνων Χ (περίπου 0,1 nm έως 10 nm μήκος κύματος), το FEL υλοποιείται από την τεχνολογία Cascade Fresh-Lice. Πρόσφατα, έχουν αναφερθεί παλμούς attosecond με μέγιστη ισχύ 100 GW χρησιμοποιώντας την ενισχυμένη μέθοδο αυτοπεποίθησης αυθόρμητης εκπομπής (ESASE).

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα ενίσχυσης δύο σταδίων με βάση το XFEL για να ενισχύσει την έξοδο παλμών ακτίνων Χ ακτίνων Χ από το Linac Coherentελαφριά πηγήΣτο επίπεδο TW, μια σειρά μεγέθους βελτίωσης σε σχέση με τα αναφερόμενα αποτελέσματα. Η πειραματική ρύθμιση παρουσιάζεται στο σχήμα 1. Με βάση τη μέθοδο esase, ο πομπός φωτοκαθώματος διαμορφώνεται για να αποκτήσει μια δέσμη ηλεκτρονίων με ακίδα υψηλού ρεύματος και χρησιμοποιείται για τη δημιουργία παλμών ακτίνων Χ Attosecond. Ο αρχικός παλμός βρίσκεται στο μπροστινό άκρο της ακίδας της δέσμης ηλεκτρονίων, όπως φαίνεται στην επάνω αριστερή γωνία του Σχήματος 1. Όταν το XFEL φτάνει στον κορεσμό, η δέσμη ηλεκτρονίων καθυστερεί σε σχέση με την ακτινογραφία με μαγνητικό συμπιεστή και στη συνέχεια η αλληλεπίδραση του παλμού με τη δέσμη ηλεκτρονίων (φρέσκια φέτος) που δεν τροποποιείται από τη διαμόρφωση ESase ή το Felts. Τέλος, χρησιμοποιείται ένας δεύτερος μαγνητικός κυματοδόχος για την περαιτέρω ενίσχυση των ακτίνων Χ μέσω της αλληλεπίδρασης των παλμών του attosecond με τη φρέσκια φέτα.

ΣΥΚΟ. 1 Διάγραμμα πειραματικής συσκευής. Η απεικόνιση δείχνει το διαμήκον χώρο φάσης (διάγραμμα χρονικής ενέργειας του ηλεκτρονίου, πράσινου), το τρέχον προφίλ (μπλε) και την ακτινοβολία που παράγεται με ενίσχυση πρώτης τάξης (μοβ). XTCAV, εγκάρσια κοιλότητα X-ζώνης. CVMI, σύστημα ομοαξονικής ταχείας χαρτογράφησης. FZP, φασματόμετρο πλάκας ζώνης Fresnel

Όλοι οι παλμοί Attosecond είναι κατασκευασμένα από θόρυβο, οπότε κάθε παλμός έχει διαφορετικές ιδιότητες φασματικής και χρονικής τομής, τις οποίες οι ερευνητές διερεύνησαν λεπτομερέστερα. Από την άποψη των φάσματος, χρησιμοποίησαν ένα φασματόμετρο πλάκας ζώνης Fresnel για να μετρήσουν τα φάσματα των μεμονωμένων παλμών σε διαφορετικά ισοδύναμα μήκη κώλου και διαπίστωσαν ότι αυτά τα φάσματα διατηρούσαν ομαλές κυματομορφές ακόμη και μετά από δευτερογενή ενίσχυση, υποδεικνύοντας ότι οι παλμοί παρέμειναν μονοδιάσματα. Στον τομέα του χρόνου, μετριέται το γωνιακό περιθώριο και χαρακτηρίζεται η κυματομορφή του χρόνου του παλμού. Όπως φαίνεται στο σχήμα 1, ο παλμός ακτίνων Χ αλληλεπικαλύπτεται με τον κυκλικά πολωμένο παλμό υπερύθρων λέιζερ. Τα φωτοηλεκτρονικά που ιονίζονται από τον παλμό ακτίνων Χ θα παράγουν ραβδώσεις προς την κατεύθυνση απέναντι από το δυναμικό φορέα του υπερύθρου λέιζερ. Επειδή το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ περιστρέφεται με το χρόνο, η κατανομή της ορμής του φωτοηλεκτρονίου καθορίζεται από την εποχή της εκπομπής ηλεκτρονίων και η σχέση μεταξύ του γωνιακού τρόπου του χρόνου εκπομπής και της κατανομής της ορμής του φωτοηλεκτρονίου δημιουργείται. Η κατανομή της ορμής φωτοηλεκτρονίου μετράται χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο απεικόνισης ομοαξονικής γρήγορης χαρτογράφησης. Με βάση τα αποτελέσματα διανομής και φασματικών, μπορεί να ανακατασκευαστεί η κυματομορφή του χρονικού πεδίου των παλμών attosecond. Το σχήμα 2 (α) δείχνει την κατανομή της διάρκειας παλμού, με διάμεση διάμεση 440 AS. Τέλος, ο ανιχνευτής παρακολούθησης αερίου χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της ενέργειας παλμού και η γραφική παράσταση διασκορπισμένη μεταξύ της ισχύος της αιχμής και της διάρκειας παλμού όπως φαίνεται στο σχήμα 2 (b) υπολογίστηκε. Οι τρεις διαμορφώσεις αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες εστίασης δέσμης ηλεκτρονίων, συνθήκες σύνδεσης WAVER και συνθήκες καθυστέρησης μαγνητικού συμπιεστή. Οι τρεις διαμορφώσεις απέδωσαν μέσες ενέργειες παλμών 150, 200 και 260 μJ, αντίστοιχα, με μέγιστη μέγιστη ισχύ 1,1 TW.

Εικόνα 2. (Α) ιστόγραμμα διανομής του μισού ύψους πλήρους πλάτους (FWHM) διάρκειας. (β) Σχέδιο διασποράς που αντιστοιχεί στη διάρκεια της μέγιστης ισχύος και του παλμού

Επιπλέον, η μελέτη παρατηρήθηκε επίσης για πρώτη φορά το φαινόμενο της σούπερζης τύπου soliton στη ζώνη ακτίνων Χ, η οποία εμφανίζεται ως συνεχής μείωση του παλμού κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης. Προκαλείται από μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και ακτινοβολίας, με ενέργεια να μεταφέρεται γρήγορα από το ηλεκτρόνιο στην κεφαλή του παλμού ακτίνων Χ και πίσω στο ηλεκτρόνιο από την ουρά του παλμού. Μέσω της σε βάθος μελέτη αυτού του φαινομένου, αναμένεται ότι οι παλμοί ακτίνων Χ με μικρότερη διάρκεια και υψηλότερη ισχύς αιχμής μπορούν να πραγματοποιηθούν περαιτέρω με την επέκταση της διαδικασίας ενίσχυσης υπερκατασκευής και την εκμετάλλευση της μείωσης των παλμών σε λειτουργία τύπου soliton.