Παλμικό λέιζερ ακτίνων Χ κατηγορίας TW attosecond

Παλμικό λέιζερ ακτίνων Χ κατηγορίας TW attosecond
Ακτινογραφία Attosecondπαλμικό λέιζερμε υψηλή ισχύ και μικρή διάρκεια παλμού είναι το κλειδί για την επίτευξη υπερταχείας μη γραμμικής φασματοσκοπίας και απεικόνισης περίθλασης ακτίνων Χ. Η ερευνητική ομάδα στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποίησε έναν καταρράκτη δύο σταδίωνΛέιζερ ηλεκτρονίων χωρίς ακτίνες Χγια την έξοδο διακριτών παλμών attosecond. Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες αναφορές, η μέση μέγιστη ισχύς των παλμών αυξάνεται κατά τάξη μεγέθους, η μέγιστη ισχύς κορυφής είναι 1,1 TW και η διάμεση ενέργεια είναι μεγαλύτερη από 100 μJ. Η μελέτη παρέχει επίσης ισχυρές ενδείξεις για συμπεριφορά υπερακτινοβολίας παρόμοια με το σολίτονα στο πεδίο των 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 βιομηχανικών ελαττωμάτων, την επιθεώρηση ασφαλείας και την επιστημονική έρευνα. Το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL) μπορεί να αυξήσει τη μέγιστη ισχύ των ακτίνων Χ κατά πολλές 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 απλής απεικόνιση περίθλασης σωματιδίων όπου απαιτείται υψηλή ισχύς. Το πρόσφατο επιτυχημένο attosecond XFEL είναι ένα σημαντικό επίτευγμα στην επιστήμη και την τεχνολογία του attosecond, αυξάνοντας τη διαθέσιμη μέγιστη ισχύ κατά περισσότερες από έξι τάξεις μεγέθους σε σύγκριση με τις πηγές ακτίνων Χ επιτραπέζιου επιπέδου.

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 στη σχετικιστική δέσμη ηλεκτρονίων και τον μαγνητικό ταλαντωτή. Στο εύρος σκληρών ακτίνων Χ (περίπου 0,01 nm έως 0,1 nm μήκος κύματος), το FEL επιτυγχάνεται με τεχνικές συμπίεσης δέσμης και μετακορεσμού κώνου. Στο εύρος των μαλακών ακτίνων Χ (περίπου 0,1 nm έως 10 nm μήκος κύματος), το FEL υλοποιείται με την τεχνολογία cascade fresh-slice. Πρόσφατα, έχουν αναφερθεί ότι παράγονται παλμοί attosecond με μέγιστη ισχύ 100 GW χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ενισχυμένης αυτοενισχυόμενης αυθόρμητης εκπομπής (ESASE).

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύστημα ενίσχυσης δύο σταδίων που βασίζεται στο XFEL για να ενισχύσει την έξοδο παλμού ακτίνων Χ μαλακού attosecond από το συνεκτικό linacπηγή φωτόςσε επίπεδο TW, μια τάξη μεγέθους βελτίωση σε σχέση με τα αναφερόμενα αποτελέσματα. Η πειραματική διάταξη φαίνεται στο Σχήμα 1. Με βάση τη μέθοδο ESASE, ο εκπομπός φωτοκαθόδου διαμορφώνεται για να ληφθεί μια δέσμη ηλεκτρονίων με υψηλή ακίδα 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 φτάσει σε κορεσμό, η δέσμη ηλεκτρονίων καθυστερεί σε σχέση με την ακτίνα Χ από έναν μαγνητικό συμπιεστή, και στη συνέχεια ο παλμός αλληλεπιδρά με τη δέσμη ηλεκτρονίων (φρέσκο ​​slice) που δεν τροποποιείται από τη διαμόρφωση ESASE ή το λέιζερ FEL. Τέλος, ένας δεύτερος μαγνητικός κυματιστής χρησιμοποιείται για την περαιτέρω ενίσχυση των ακτίνων Χ μέσω της αλληλεπίδρασης παλμών attosecond με την φρέσκια φέτα.

ΣΥΚΟ. 1 Διάγραμμα πειραματικής συσκευής. Η εικόνα δείχνει τον διαμήκη χώρο φάσης (διάγραμμα χρόνου-ενέργειας του ηλεκτρονίου, πράσινο), το προφίλ ρεύματος (μπλε) και την ακτινοβολία που παράγεται από ενίσχυση πρώτης τάξης (μωβ). XTCAV, εγκάρσια κοιλότητα ζώνης Χ. cVMI, ομοαξονικό σύστημα απεικόνισης ταχείας χαρτογράφησης. FZP, φασματόμετρο πλάκας ζώνης Fresnel

Όλοι οι παλμοί attosecond δημιουργούνται από θόρυβο, επομένως κάθε παλμός έχει διαφορετικές ιδιότητες φασματικής και χρονικής περιοχής, τις οποίες οι ερευνητές διερεύνησαν με περισσότερες λεπτομέρειες. Όσον αφορά τα φάσματα, χρησιμοποίησαν ένα φασματόμετρο πλάκας ζώνης Fresnel για να μετρήσουν τα φάσματα μεμονωμένων παλμών σε διαφορετικά ισοδύναμα μήκη κυματοειδούς και διαπίστωσαν ότι αυτά τα φάσματα διατηρούσαν ομαλές κυματομορφές ακόμη και μετά από δευτερεύουσα ενίσχυση, υποδεικνύοντας ότι οι παλμοί παρέμειναν μονοτροπικοί. Στο πεδίο χρόνου, μετράται η γωνιακή παρυφή και χαρακτηρίζεται η κυματομορφή του πεδίου χρόνου του παλμού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, ο παλμός ακτίνων Χ επικαλύπτεται με τον κυκλικά πολωμένο παλμό υπερύθρου λέιζερ. Τα φωτοηλεκτρόνια που ιονίζονται από τον παλμό ακτίνων Χ θα δημιουργήσουν λωρίδες προς την αντίθετη κατεύθυνση από το διανυσματικό δυναμικό του υπέρυθρου λέιζερ. Επειδή το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ περιστρέφεται με το χρόνο, η κατανομή της ορμής του φωτοηλεκτρονίου καθορίζεται από το χρόνο εκπομπής ηλεκτρονίων και καθορίζεται η σχέση μεταξύ του γωνιακού τρόπου του χρόνου εκπομπής και της κατανομής της ορμής του φωτοηλεκτρονίου. Η κατανομή της ορμής του φωτοηλεκτρονίου μετράται χρησιμοποιώντας ένα ομοαξονικό φασματόμετρο απεικόνισης γρήγορης χαρτογράφησης. Με βάση την κατανομή και τα φασματικά αποτελέσματα, η κυματομορφή πεδίου χρόνου των παλμών attosecond μπορεί να ανακατασκευαστεί. Το Σχήμα 2 (α) δείχνει την κατανομή της διάρκειας παλμού, με διάμεσο 440 ως. Τέλος, ο ανιχνευτής παρακολούθησης αερίου χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της ενέργειας του παλμού και υπολογίστηκε το διάγραμμα σκέδασης μεταξύ της μέγιστης ισχύος παλμού και της διάρκειας παλμού όπως φαίνεται στο Σχήμα 2 (β). Οι τρεις διαμορφώσεις αντιστοιχούν σε διαφορετικές συνθήκες εστίασης δέσμης ηλεκτρονίων, συνθήκες κώνου κύματος και συνθήκες καθυστέρησης μαγνητικού συμπιεστή. Οι τρεις διαμορφώσεις απέδωσαν μέσες ενέργειες παλμού 150, 200 και 260 µJ, αντίστοιχα, με μέγιστη ισχύ αιχμής 1,1 TW.

Εικόνα 2. (α) Ιστόγραμμα κατανομής διάρκειας παλμού πλήρους πλάτους (FWHM) μισού ύψους. (β) Διάγραμμα διασποράς που αντιστοιχεί στην ισχύ αιχμής και τη διάρκεια παλμού

Επιπλέον, η μελέτη παρατήρησε επίσης για πρώτη φορά το φαινόμενο της υπερεκπομπής σολιτονίου στη ζώνη ακτίνων Χ, το οποίο εμφανίζεται ως συνεχής βράχυνση παλμού κατά την ενίσχυση. Προκαλείται από μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και ακτινοβολίας, με την ενέργεια να μεταφέρεται γρήγορα από το ηλεκτρόνιο στην κεφαλή του παλμού ακτίνων Χ και πίσω στο ηλεκτρόνιο από την ουρά του παλμού. Μέσω της εις βάθος μελέτης αυτού του φαινομένου, αναμένεται ότι οι παλμοί ακτίνων Χ με μικρότερη διάρκεια και υψηλότερη ισχύ αιχμής μπορούν να πραγματοποιηθούν περαιτέρω επεκτείνοντας τη διαδικασία ενίσχυσης υπερακτινοβολίας και εκμεταλλευόμενοι τη βράχυνση παλμού σε λειτουργία τύπου σολιτονίου.