TW класа атосекунден рендгенски пулсен ласер

TW класа атосекунден рендгенски пулсен ласер
Атосекундна рендгенска снимкапулсен ласерсо голема моќност и кратко траење на импулсот се клучни за постигнување на ултрабрза нелинеарна спектроскопија и рендгенско дифракционо снимање. Истражувачкиот тим во Соединетите Американски Држави користел каскада од двостепениРентгенски ласери без електронски зрациза да се добијат дискретни атосекундни импулси. Во споредба со постојните извештаи, просечната врвна моќност на импулсите е зголемена за ред на големина, максималната врвна моќност е 1,1 TW, а средната енергија е повеќе од 100 μJ. Студијата, исто така, дава силни докази за солитонско-слично суперзрачење во рендгенското поле.Ласери со висока енергијапоттикнаа многу нови области на истражување, вклучувајќи физика на високо поле, атосекундна спектроскопија и ласерски забрзувачи на честички. Меѓу сите видови ласери, рендгенските зраци се широко користени во медицинската дијагностика, откривањето индустриски недостатоци, безбедносната инспекција и научните истражувања. Рендгенскиот ласер со слободни електрони (XFEL) може да ја зголеми врвната моќност на рендгенските зраци за неколку реда на големина во споредба со другите технологии за генерирање рендгенски зраци, со што се проширува примената на рендгенските зраци во полето на нелинеарна спектроскопија и дифракционо снимање со единечни честички каде што е потребна голема моќност. Неодамнешниот успешен атосекунден XFEL е големо достигнување во атосекундната наука и технологија, зголемувајќи ја достапната врвна моќност за повеќе од шест реда на големина во споредба со рендгенските извори на работна маса.

Ласери со слободни електронски елементиможе да се добијат енергии на импулси многу редови на големина повисоки од нивото на спонтана емисија користејќи колективна нестабилност, која е предизвикана од континуираната интеракција на полето на зрачење во релативистичкиот електронски зрак и магнетниот осцилатор. Во тврдиот опсег на Х-зраци (околу 0,01 nm до 0,1 nm бранова должина), FEL се постигнува со техники на компресија на сноп и техники на конусирање по заситување. Во мекиот опсег на Х-зраци (околу 0,1 nm до 10 nm бранова должина), FEL се имплементира со технологија на каскадно свежо сечење. Неодамна, објавено е дека атосекундни импулси со врвна моќност од 100 GW се генерираат со користење на методот на подобрена самозасилена спонтана емисија (ESASE).

Истражувачкиот тим користел двостепен систем за засилување базиран на XFEL за да го засили излезниот атосекунден пулс на мекиот Х-зрак од линеарната кохерентнаизвор на светлинадо нивото TW, подобрување од ред на големина во однос на пријавените резултати. Експерименталната поставеност е прикажана на Слика 1. Врз основа на методот ESASE, фотокатодниот емитер е модулиран за да се добие електронски зрак со висок струен скок и се користи за генерирање на атосекундни рендгенски импулси. Почетниот импулс се наоѓа на предниот раб на шилецот на електронскиот зрак, како што е прикажано во горниот лев агол на Слика 1. Кога XFEL ќе достигне сатурација, електронскиот зрак е одложен во однос на рендгенскиот зрак од магнетен компресор, а потоа импулсот комуницира со електронскиот зрак (свежо парче) што не е модифициран од ESASE модулацијата или FEL ласерот. Конечно, втор магнетен ундулатор се користи за понатамошно засилување на рендгенските зраци преку интеракција на атосекундните импулси со свежото парче.

СЛ. 1 Дијаграм на експериментален уред; Илустрацијата го прикажува лонгитудиналниот фазен простор (дијаграм на временска енергија на електронот, зелена), профилот на струја (сина) и зрачењето произведено со амплификација од прв ред (виолетова). XTCAV, попречна празнина во X-опсегот; cVMI, коаксијален систем за брзо мапирање на слики; FZP, спектрометар на плочи со Френелова лента

Сите атосекундни импулси се изградени од шум, така што секој импулс има различни спектрални и временски доменски својства, кои истражувачите ги истражија подетално. Во однос на спектрите, тие користеа Френелов лентен спектрометар за мерење на спектрите на поединечните импулси на различни еквивалентни должини на ундулатор и открија дека овие спектри одржуваат мазни бранови форми дури и по секундарното засилување, што укажува дека импулсите остануваат унимодални. Во временскиот домен, се мери аголниот раб и се карактеризира брановата форма на импулсот во временскиот домен. Како што е прикажано на Слика 1, рендгенскиот импулс се преклопува со кружно поларизираниот инфрацрвен ласерски импулс. Фотоелектроните јонизирани од рендгенскиот импулс ќе произведат ленти во насока спротивна на векторскиот потенцијал на инфрацрвениот ласер. Бидејќи електричното поле на ласерот ротира со текот на времето, распределбата на импулсот на фотоелектронот се одредува според времето на емисија на електрони, а се воспоставува врската помеѓу аголниот мод на времето на емисија и распределбата на импулсот на фотоелектронот. Распределбата на импулсот на фотоелектронот се мери со помош на коаксијален спектрометар за брзо мапирање на слики. Врз основа на распределбата и спектралните резултати, може да се реконструира брановата форма во временскиот домен на атосекундните импулси. Слика 2 (а) ја покажува распределбата на времетраењето на импулсот, со медијана од 440 ас. Конечно, детекторот за следење на гас беше користен за мерење на енергијата на импулсот, а беше пресметан и дијаграмот на расејување помеѓу максималната моќност на импулсот и времетраењето на импулсот, како што е прикажано на Слика 2 (б). Трите конфигурации одговараат на различни услови на фокусирање на електронски сноп, услови на брановидно конусирање и услови на доцнење на магнетниот компресор. Трите конфигурации дадоа просечни енергии на импулсите од 150, 200 и 260 µJ, соодветно, со максимална максимална моќност од 1,1 TW.

Слика 2. (а) Хистограм на дистрибуција на времетраењето на импулсот со половина висина и полна ширина (FWHM); (б) Графикон на расејување што одговара на врвната моќност и времетраењето на импулсот

Покрај тоа, студијата за прв пат го забележа феноменот на солитонска суперемисија во рендгенскиот опсег, кој се појавува како континуирано скратување на пулсот за време на засилувањето. Тој е предизвикан од силна интеракција помеѓу електроните и зрачењето, при што енергијата брзо се пренесува од електронот до главата на рендгенскиот пулс и назад до електронот од опашката на пулсот. Преку длабинско проучување на овој феномен, се очекува дека рендгенските пулси со пократко траење и поголема врвна моќност можат понатаму да се реализираат со проширување на процесот на суперзрачење и искористување на скратувањето на пулсот во солитонски режим.