TW Class Attosecond X-ray Pulse Laser

TW Class Attosecond X-ray Pulse Laser
Attosecond X-rayPulse laserna may mataas na lakas at maikling tagal ng pulso ay ang susi upang makamit ang ultrafast nonlinear spectroscopy at X-ray diffraction imaging. Ang pangkat ng pananaliksik sa Estados Unidos ay gumagamit ng isang kaskad ng dalawang yugtoX-ray libreng electron laserUpang output discrete attosecond pulses. Kung ikukumpara sa umiiral na mga ulat, ang average na lakas ng rurok ng mga pulses ay nadagdagan ng isang order ng magnitude, ang maximum na lakas ng rurok ay 1.1 TW, at ang median na enerhiya ay higit sa 100 μJ. Nagbibigay din ang pag-aaral ng malakas na katibayan para sa pag-uugali ng superradiation na tulad ng Soliton sa larangan ng X-ray.Mga laser na may mataas na enerhiyaay nagtulak ng maraming mga bagong lugar ng pananaliksik, kabilang ang pisika ng high-field, attosecond spectroscopy, at mga accelerator ng butil ng laser. Kabilang sa lahat ng mga uri ng laser, ang X-ray ay malawakang ginagamit sa diagnosis ng medikal, pang-industriya na pagtuklas ng kapintasan, inspeksyon sa kaligtasan at pananaliksik sa agham. Ang X-ray free-electron laser (XFEL) ay maaaring dagdagan ang rurok na x-ray na kapangyarihan sa pamamagitan ng maraming mga order ng magnitude kumpara sa iba pang mga teknolohiyang henerasyon ng X-ray, sa gayon pinalawak ang aplikasyon ng X-ray sa larangan ng nonlinear spectroscopy at single-particle diffraction imaging kung saan kinakailangan ang mataas na kapangyarihan. Ang kamakailang matagumpay na Attosecond XFEL ay isang pangunahing tagumpay sa science at teknolohiya ng attosecond, na pinatataas ang magagamit na kapangyarihan ng rurok ng higit sa anim na mga order ng magnitude kumpara sa mga mapagkukunan ng benchtop x-ray.

Libreng mga laser ng elektronMaaaring makakuha ng mga lakas ng pulso ng maraming mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa kusang antas ng paglabas gamit ang kolektibong kawalang -tatag, na sanhi ng patuloy na pakikipag -ugnay ng patlang ng radiation sa relativistic electron beam at ang magnetic oscillator. Sa hard x-ray range (tungkol sa 0.01 nm hanggang 0.1 nm na haba ng haba), ang FEL ay nakamit sa pamamagitan ng bundle compression at post-saturation coning technique. Sa malambot na saklaw ng x-ray (tungkol sa 0.1 nm hanggang 10 nm haba ng haba), ang FEL ay ipinatupad ng teknolohiyang sariwang-slice na teknolohiya. Kamakailan lamang, ang mga pulses ng Attosecond na may isang rurok na kapangyarihan ng 100 GW ay naiulat na nabuo gamit ang pinahusay na pamamaraan na pinalakas ng spontaneous emission (ESASE).

Ang koponan ng pananaliksik ay gumamit ng isang dalawang yugto ng sistema ng pagpapalakas batay sa XFEL upang palakasin ang malambot na X-ray attosecond pulse output mula sa Coherent ng Linacilaw na mapagkukunanSa antas ng TW, isang order ng pagpapabuti ng magnitude sa mga naiulat na mga resulta. Ang pang-eksperimentong pag-setup ay ipinapakita sa Figure 1. Batay sa pamamaraan ng ESASE, ang photocathode emitter ay na-modulate upang makakuha ng isang beam ng elektron na may mataas na kasalukuyang spike, at ginagamit upang makabuo ng mga attosecond X-ray pulses. Ang paunang pulso ay matatagpuan sa harap na gilid ng spike ng electron beam, tulad ng ipinapakita sa itaas na kaliwang sulok ng Figure 1. Kapag naabot ng xfel ang saturation, ang electron beam ay naantala na may kaugnayan sa X-ray ng isang magnetic compressor, at pagkatapos ay ang pulso ay nakikipag-ugnay sa electron beam (sariwang hiwa) na hindi binago ng modulation ng esase o fel laser. Sa wakas, ang isang pangalawang magnetic undulator ay ginagamit upang higit pang palakihin ang X-ray sa pamamagitan ng pakikipag-ugnay ng mga pulso ng attosecond na may sariwang hiwa.

Fig. 1 diagram ng pang -eksperimentong aparato; Ang ilustrasyon ay nagpapakita ng paayon na puwang ng phase (diagram ng enerhiya ng oras ng elektron, berde), ang kasalukuyang 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

Ang lahat ng mga pulses ng attosecond ay itinayo mula sa ingay, kaya ang bawat pulso ay may iba't ibang mga katangian ng spectral at time-domain, na mas detalyado ang mga mananaliksik. Sa mga tuntunin ng spectra, ginamit nila ang isang Fresnel band plate spectrometer upang masukat ang spectra ng mga indibidwal na pulso sa iba't ibang katumbas na haba ng undulator, at natagpuan na ang mga spectra na ito ay pinananatili ang mga makinis na alon kahit na pagkatapos ng pangalawang pagpapalakas, na nagpapahiwatig na ang mga pulses ay nanatiling hindi nag -iingat. Sa domain ng oras, ang angular fringe ay sinusukat at ang oras ng alon ng domain ng pulso ay nailalarawan. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1, ang X-ray pulse ay na-overlay sa pabilog na polarized infrared laser pulse. Ang mga photoelectrons na na-ionize ng X-ray pulse ay gagawa ng mga guhitan sa direksyon na kabaligtaran sa potensyal ng vector ng infrared laser. Dahil ang electric field ng laser ay umiikot sa oras, ang pamamahagi ng momentum ng photoelectron ay tinutukoy ng oras ng paglabas ng elektron, at ang relasyon sa pagitan ng angular mode ng oras ng paglabas at ang pamamahagi ng momentum ng photoelectron ay itinatag. Ang pamamahagi ng momentum ng photoelectron ay sinusukat gamit ang isang coaxial mabilis na pagmamapa ng imaging spectrometer. Batay sa mga resulta ng pamamahagi at parang multo, ang oras-domain na alon ng attosecond pulses ay maaaring maitayo muli. Ang Figure 2 (a) ay nagpapakita ng pamamahagi ng tagal ng pulso, na may isang panggitna na 440 bilang. Sa wakas, ang detektor ng pagsubaybay sa gas ay ginamit upang masukat ang enerhiya ng pulso, at ang plot ng pagkakalat sa pagitan ng lakas ng pulso ng rurok at tagal ng pulso tulad ng ipinapakita sa Larawan 2 (b) ay kinakalkula. Ang tatlong mga pagsasaayos ay tumutugma sa iba't ibang mga kondisyon na nakatuon sa electron beam, mga kondisyon ng waver coning at magnetic compressor pagkaantala ng mga kondisyon. Ang tatlong mga pagsasaayos ay nagbunga ng average na lakas ng pulso ng 150, 200, at 260 µJ, ayon sa pagkakabanggit, na may isang maximum na lakas ng rurok na 1.1 TW.

Larawan 2. (A) Pamamahagi ng histogram ng kalahating taas na buong lapad (FWHM) tagal ng pulso; (b) Scatter plot na naaayon sa rurok ng lakas at tagal ng tibok

Bilang karagdagan, ang pag-aaral ay naobserbahan din sa kauna-unahang pagkakataon ang kababalaghan ng Soliton-tulad ng superemission sa X-ray band, na lumilitaw bilang isang tuluy-tuloy na pag-urong ng pulso sa panahon ng pagpapalakas. Ito ay sanhi ng isang malakas na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga electron at radiation, na may enerhiya na mabilis na inilipat mula sa elektron hanggang sa ulo ng X-ray pulse at bumalik sa elektron mula sa buntot ng pulso. Sa pamamagitan ng malalim na pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, inaasahan na ang X-ray pulses na may mas maikling tagal at mas mataas na lakas ng rurok ay maaaring maisakatuparan sa pamamagitan ng pagpapalawak ng proseso ng pagpapalakas ng superradiation at sinasamantala ang pag-ikli ng pulso sa mode na tulad ng soliton.