Laser na pulso ng X-ray na klase ng attosecond na TW

Laser na pulso ng X-ray na klase ng attosecond na TW
X-ray ng Attosecondlaser ng pulsona may mataas na lakas at maikling tagal ng pulso ang susi upang makamit ang ultrafast nonlinear spectroscopy at X-ray diffraction imaging. Ang pangkat ng pananaliksik sa Estados Unidos ay gumamit ng isang kaskad ng dalawang-yugtongMga laser na walang elektron na X-rayupang maglabas ng mga hiwalay na attosecond pulse. Kung ikukumpara sa mga umiiral na ulat, ang average na peak power ng mga pulse ay tumataas nang isang order ng magnitude, ang maximum na peak power ay 1.1 TW, at ang median energy ay higit sa 100 μJ. Nagbibigay din ang pag-aaral ng matibay na ebidensya para sa soliton-like superradiation behavior sa X-ray field.Mga laser na may mataas na enerhiyaay nagtulak ng maraming bagong larangan ng pananaliksik, kabilang ang high-field physics, attosecond spectroscopy, at laser particle accelerators. Sa lahat ng uri ng laser, ang mga X-ray ay malawakang ginagamit sa medikal na diagnosis, pagtuklas ng mga depekto sa industriya, inspeksyon sa kaligtasan at siyentipikong pananaliksik. Ang X-ray free-electron laser (XFEL) ay maaaring magpataas ng peak X-ray power nang ilang order ng magnitude kumpara sa iba pang mga teknolohiya sa pagbuo ng X-ray, kaya pinapalawak ang aplikasyon ng X-ray sa larangan ng nonlinear spectroscopy at single-particle diffraction imaging kung saan kinakailangan ang mataas na power. Ang kamakailang matagumpay na attosecond XFEL ay isang pangunahing tagumpay sa agham at teknolohiya ng attosecond, na nagpapataas ng magagamit na peak power nang higit sa anim na order ng magnitude kumpara sa mga benchtop X-ray source.

Mga libreng laser ng elektronmaaaring makakuha ng mga pulse energies na maraming order ng magnitude na mas mataas kaysa sa kusang antas ng emisyon gamit ang collective instability, na sanhi ng patuloy na interaksyon ng radiation field sa relativistic electron beam at magnetic oscillator. Sa hard X-ray range (mga 0.01 nm hanggang 0.1 nm wavelength), ang FEL ay nakakamit sa pamamagitan ng bundle compression at post-saturation coning techniques. Sa soft X-ray range (mga 0.1 nm hanggang 10 nm wavelength), ang FEL ay ipinapatupad sa pamamagitan ng cascade fresh-slice technology. Kamakailan lamang, ang mga attosecond pulse na may peak power na 100 GW ay naiulat na nabubuo gamit ang enhanced self-amplified spontaneous emission (ESASE) method.

Gumamit ang pangkat ng pananaliksik ng isang two-stage amplification system batay sa XFEL upang palakasin ang malambot na X-ray attosecond pulse output mula sa linac coherent.pinagmumulan ng liwanagsa antas ng TW, isang order of magnitude na pagpapabuti kumpara sa mga naiulat na resulta. Ang eksperimental na setup ay ipinapakita sa Figure 1. Batay sa pamamaraan ng ESASE, ang photocathode emitter ay modulated upang makakuha ng electron beam na may mataas na current spike, at ginagamit upang makabuo ng attosecond X-ray pulses. Ang unang pulse ay matatagpuan sa harap na gilid ng spike ng electron beam, tulad ng ipinapakita sa kaliwang sulok sa itaas ng Figure 1. Kapag ang XFEL ay umabot sa saturation, ang electron beam ay naantala kaugnay ng X-ray ng isang magnetic compressor, at pagkatapos ang pulse ay nakikipag-ugnayan sa electron beam (fresh slice) na hindi binago ng ESASE modulation o FEL laser. Panghuli, isang pangalawang magnetic undulator ang ginagamit upang higit pang palakasin ang mga X-ray sa pamamagitan ng interaksyon ng mga attosecond pulse sa fresh slice.

FIG. 1 Diagram ng aparatong pang-eksperimento; Ipinapakita ng ilustrasyon ang longitudinal phase space (time-energy diagram ng elektron, berde), ang current profile (asul), at ang radiation na ginawa ng first-order amplification (lila). XTCAV, X-band transverse cavity; cVMI, coaxial rapid mapping imaging system; FZP, Fresnel band plate spectrometer

Lahat ng attosecond pulse ay binuo mula sa ingay, kaya ang bawat pulse ay may iba't ibang spectral at time-domain properties, na mas detalyado pang sinuri ng mga mananaliksik. Tungkol sa spectra, gumamit sila ng Fresnel band plate spectrometer upang sukatin ang spectra ng mga indibidwal na pulse sa iba't ibang katumbas na haba ng undulator, at natuklasan na ang mga spectra na ito ay nagpapanatili ng maayos na mga waveform kahit na pagkatapos ng secondary amplification, na nagpapahiwatig na ang mga pulse ay nanatiling unimodal. Sa time domain, sinusukat ang angular fringe at kinikilala ang time domain waveform ng pulse. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1, ang X-ray pulse ay nakapatong sa circularly polarized infrared laser pulse. Ang mga photoelectron na na-ionize ng X-ray pulse ay gagawa ng mga streak sa direksyon na kabaligtaran ng vector potential ng infrared laser. Dahil ang electric field ng laser ay umiikot kasabay ng oras, ang momentum distribution ng photoelectron ay natutukoy ng oras ng electron emission, at ang relasyon sa pagitan ng angular mode ng emission time at ng momentum distribution ng photoelectron ay naitatag. Ang distribution ng photoelectron momentum ay sinusukat gamit ang coaxial fast mapping imaging spectrometer. Batay sa distribusyon at mga resulta ng spectral, maaaring muling buuin ang time-domain waveform ng mga attosecond pulse. Ipinapakita ng Figure 2 (a) ang distribusyon ng pulse duration, na may median na 440 as. Panghuli, ginamit ang gas monitoring detector upang sukatin ang pulse energy, at kinalkula ang scatter plot sa pagitan ng peak pulse power at pulse duration gaya ng ipinapakita sa Figure 2 (b). Ang tatlong configuration ay tumutugma sa iba't ibang electron beam focusing conditions, waver coning conditions at magnetic compressor delay conditions. Ang tatlong configuration ay nagbunga ng average pulse energies na 150, 200, at 260 µJ, ayon sa pagkakabanggit, na may maximum peak power na 1.1 TW.

Pigura 2. (a) Histogram ng distribusyon ng tagal ng pulso na may kalahating taas na Buong lapad (FWHM); (b) Scatter plot na naaayon sa peak power at tagal ng pulso

Bukod pa rito, naobserbahan din sa unang pagkakataon ng pag-aaral ang penomeno ng soliton-like superemission sa X-ray band, na lumilitaw bilang isang patuloy na pag-ikli ng pulso habang isinasagawa ang amplification. Ito ay sanhi ng isang malakas na interaksyon sa pagitan ng mga electron at radiation, kung saan ang enerhiya ay mabilis na inililipat mula sa electron patungo sa ulo ng X-ray pulse at pabalik sa electron mula sa buntot ng pulso. Sa pamamagitan ng malalim na pag-aaral ng penomenong ito, inaasahan na ang mga X-ray pulse na may mas maikling tagal at mas mataas na peak power ay maaaring higit pang maisakatuparan sa pamamagitan ng pagpapalawak ng proseso ng superradiation amplification at pagsasamantala sa pulse shortening sa soliton-like mode.