Làser de pols de raigs X attosegons classe TW

Làser de pols de raigs X attosegons classe TW
Radiografia d'atosegonslàser de polsamb una gran potència i una durada de pols curta són la clau per aconseguir una espectroscòpia no lineal ultra ràpida i imatges de difracció de raigs X. L'equip d'investigació dels Estats Units va utilitzar una cascada de dues etapesLàsers d'electrons lliures de raigs Xper emetre polsos discrets d'atosegons. En comparació amb els informes existents, la potència màxima mitjana dels polsos augmenta en un ordre de magnitud, la potència màxima màxima és d'1,1 TW i l'energia mitjana és de més de 100 μJ. L'estudi també proporciona una forta evidència del comportament de superradiació semblant al solitó en el camp de raigs X.Làsers d'alta energiahan impulsat moltes àrees noves d'investigació, com ara la física de camp alt, l'espectroscòpia d'atosegons i els acceleradors de partícules làser. Entre tot tipus de làsers, els raigs X s'utilitzen àmpliament en el diagnòstic mèdic, la detecció de defectes industrials, la inspecció de seguretat i la investigació científica. El làser d'electrons lliures de raigs X (XFEL) pot augmentar la potència màxima de raigs X en diversos ordres de magnitud en comparació amb altres tecnologies de generació de raigs X, ampliant així l'aplicació dels raigs X al camp de l'espectroscòpia no lineal i de l'espectroscòpia única. imatge per difracció de partícules on es requereix una gran potència. L'èxit recent attosegon XFEL és un assoliment important en la ciència i la tecnologia attosegons, augmentant la potència màxima disponible en més de sis ordres de magnitud en comparació amb les fonts de raigs X de sobretaula.

Làsers d'electrons lliurespot obtenir energies de pols molts ordres de magnitud superiors al nivell d'emissió espontània mitjançant la inestabilitat col·lectiva, que és causada per la interacció contínua del camp de radiació en el feix d'electrons relativista i l'oscil·lador magnètic. En el rang de raigs X durs (al voltant de 0,01 nm a 0,1 nm de longitud d'ona), el FEL s'aconsegueix mitjançant tècniques de compressió de paquets i post-saturació. En el rang de raigs X suaus (entre 0,1 nm i 10 nm de longitud d'ona), el FEL s'implementa mitjançant la tecnologia de llesca fresca en cascada. Recentment, s'ha informat que es generen polsos d'atosegons amb una potència màxima de 100 GW mitjançant el mètode d'emissió espontània autoamplificada millorada (ESAE).

L'equip d'investigació va utilitzar un sistema d'amplificació de dues etapes basat en XFEL per amplificar la sortida de pols d'atosegon de raigs X suau del coherent linac.font de llumal nivell TW, una millora d'ordre de magnitud respecte als resultats informats. La configuració experimental es mostra a la figura 1. Basat 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 attosegons. El pols inicial es troba a la vora frontal de la punta 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 en relació amb els raigs X per un compressor magnètic, i després el pols interacciona amb el feix d'electrons (talla fresca) que no es modifica per la modulació ESASE o el làser FEL. Finalment, s'utilitza un segon ondulador magnètic per amplificar encara més els raigs X mitjançant la interacció dels polsos d'atosegons amb la llesca fresca.

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

Tots els polsos d'atosegons es construeixen a partir de soroll, de manera que cada pols té diferents propietats espectrals i de domini temporal, 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'onduladors equivalents i van trobar que aquests espectres mantenien formes d'ona suaus fins i tot després de l'amplificació secundària, cosa que indica que els polsos es van mantenir unimodals. En el domini del temps, es mesura la franja angular i es caracteritza la forma d'ona del pols en el domini del temps. Com es mostra a la figura 1, el pols de raigs X es solapa 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 infrarojo. 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'imatge de mapatge ràpid coaxial. A partir de la distribució i dels resultats espectrals, es pot reconstruir la forma d'ona del domini temporal dels polsos d'atosegons. La figura 2 (a) mostra la distribució de la durada del pols, amb una mitjana de 440 as. Finalment, es va utilitzar el detector de control 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 conos ondulants i condicions de retard del compressor magnètic. Les tres configuracions van produir energies de pols mitjanes 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 d'amplada completa (FWHM) a mitja alçada; (b) Gràfic 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 superemissió similar al solitó a la banda de raigs X, que apareix com un escurçament continu del pols durant l'amplificació. És causada per una forta interacció entre electrons i radiació, amb energia transferida ràpidament des de l'electró al cap del pols de raigs X i de nou a l'electró des de la cua del pols. Mitjançant un estudi en profunditat d'aquest fenomen, s'espera que els polsos de raigs X amb una durada més curta i una potència màxima més alta es puguin realitzar encara més ampliant el procés d'amplificació de la superradiació i aprofitant l'escurçament dels polsos en mode soliton.