Làser de pols de raigs X d'attosegons de classe TW

Làser de pols de raigs X d'attosegons de classe TW
Raigs X d'attosegonslàser de polsamb alta potència i curta durada del pols són la clau per aconseguir espectroscòpia no lineal ultraràpida i imatges de difracció de raigs X. L'equip de recerca dels Estats Units va utilitzar una cascada de dues etapesLàsers d'electrons lliures de raigs Xper generar polsos discrets d'attosegons. En comparació amb els informes existents, la potència màxima dels polsos augmenta en un ordre de magnitud, la potència màxima màxima és d'1,1 TW i l'energia mitjana és superior a 100 μJ. L'estudi també proporciona proves sòlides d'un comportament de superradiació similar al solitó en el camp de raigs X.Làsers d'alta energiahan impulsat moltes noves àrees de recerca, incloent-hi la física d'alt camp, l'espectroscòpia d'attosegons i els acceleradors de partícules làser. Entre tots els tipus de làsers, els raigs X s'utilitzen àmpliament en el diagnòstic mèdic, la detecció de defectes industrials, la inspecció de seguretat i la recerca científica. El làser d'electrons lliures de raigs X (XFEL) pot augmentar la potència màxima dels raigs X en diversos ordres de magnitud en comparació amb altres tecnologies de generació de raigs X, estenent així l'aplicació dels raigs X al camp de l'espectroscòpia no lineal i la imatge de difracció de partícules individuals on es requereix una alta potència. El recent i reeixit XFEL d'attosegons és un assoliment important en la ciència i la tecnologia d'attosegons, ja que augmenta la potència màxima disponible en més de sis ordres de magnitud en comparació amb les fonts de raigs X de laboratori.

Làsers d'electrons lliureses poden obtenir energies de pols molts ordres de magnitud superiors al nivell d'emissió espontània utilitzant la inestabilitat col·lectiva, que és causada per la interacció contínua del camp de radiació en el feix d'electrons relativistes i l'oscil·lador magnètic. En el rang de raigs X durs (aproximadament 0,01 nm a 0,1 nm de longitud d'ona), la FEL s'aconsegueix mitjançant tècniques de compressió de feix i conificació postsaturació. En el rang de raigs X tous (aproximadament 0,1 nm a 10 nm de longitud d'ona), la FEL s'implementa mitjançant la tecnologia de tall fresc en cascada. Recentment, s'ha informat que es generen polsos d'attosegons amb una potència màxima de 100 GW utilitzant el mètode d'emissió espontània autoamplificada millorada (ESASE).

L'equip de recerca va utilitzar un sistema d'amplificació de dues etapes basat en XFEL per amplificar la sortida de polsos d'attosegons de raigs X suaus del linac coherent.font de llumfins al nivell TW, una millora d'ordre de magnitud respecte als resultats reportats. La configuració experimental es mostra a la Figura 1. Basant-se en el mètode ESASE, l'emissor del fotocàtode es modula per obtenir un feix d'electrons amb un pic de corrent elevat i s'utilitza per generar polsos de raigs X d'attosegons. El pols inicial es troba a la vora frontal del pic del feix d'electrons, tal com es mostra a la cantonada superior esquerra de la Figura 1. Quan el XFEL arriba a la saturació, el feix d'electrons es retarda respecte als raigs X per un compressor magnètic i, a continuació, el pols interactua amb el feix d'electrons (porció fresca) que no es modifica per la modulació ESASE ni pel làser FEL. Finalment, s'utilitza un segon ondulador magnètic per amplificar encara més els raigs X mitjançant la interacció dels polsos d'attosegons amb la porció fresca.

FIG. 1 Diagrama del dispositiu experimental; La il·lustració mostra l'espai de fase longitudinal (diagrama de temps-energia de l'electró, verd), el perfil de corrent (blau) i la radiació produïda per l'amplificació de primer ordre (morat). XTCAV, cavitat transversal de banda X; cVMI, sistema d'imatges de mapatge ràpid coaxial; FZP, espectròmetre de placa de banda de Fresnel

Tots els polsos d'attosegons es construeixen a partir de soroll, de manera que cada pols té propietats espectrals i de domini temporal diferents, que els investigadors van explorar amb més detall. Pel que fa als espectres, van utilitzar un espectròmetre de placa de banda de Fresnel per mesurar els espectres de polsos individuals a diferents longituds d'ondulador equivalents, i van descobrir que aquests espectres mantenien formes d'ona suaus fins i tot després de l'amplificació secundària, cosa que indica que els polsos romanien unimodals. En el domini temporal, es mesura la franja angular i es caracteritza la forma d'ona del domini temporal del pols. Com es mostra a la Figura 1, el pols de raigs X se superposa amb el pols làser infraroig polaritzat circularment. Els fotoelectrons ionitzats pel pols de raigs X produiran ratlles en la direcció oposada al potencial vectorial del làser infraroig. Com que el camp elèctric del làser gira amb el temps, la distribució del moment del fotoelectró està determinada pel temps d'emissió d'electrons, i s'estableix la relació entre el mode angular del temps d'emissió i la distribució del moment del fotoelectró. La distribució del moment fotoelectrònic es mesura mitjançant un espectròmetre d'imatges de mapatge ràpid coaxial. A partir de la distribució i els resultats espectrals, es pot reconstruir la forma d'ona del domini temporal dels polsos d'attosegons. La figura 2 (a) mostra la distribució de la durada del pols, amb una mediana de 440 as. Finalment, es va utilitzar el detector de monitorització de gas per mesurar l'energia del pols i es va calcular el diagrama de dispersió entre la potència màxima del pols i la durada del pols, tal com es mostra a la figura 2 (b). Les tres configuracions corresponen a diferents condicions d'enfocament del feix d'electrons, condicions de conificació ondulatòria i condicions de retard del compressor magnètic. Les tres configuracions van produir energies mitjanes de pols de 150, 200 i 260 µJ, respectivament, amb una potència màxima màxima d'1,1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribució de la durada del pols de mitja alçada i amplada completa (FWHM); (b) Diagrama de dispersió corresponent a la potència màxima i la durada del pols

A més, l'estudi també va observar per primera vegada el fenomen de la superemissió similar al soliton a la banda de raigs X, que apareix com un escurçament continu del pols durant l'amplificació. Està causat per una forta interacció entre els electrons i la radiació, amb energia transferida ràpidament de l'electró al cap del pols de raigs X i de tornada a l'electró des de la cua del pols. Mitjançant un estudi en profunditat d'aquest fenomen, s'espera que es puguin aconseguir polsos de raigs X amb una durada més curta i una potència màxima més alta ampliant el procés d'amplificació de superradiació i aprofitant l'escurçament del pols en mode similar al soliton.