TW class attosecond X-ray pulse laser

TW class attosecond X-ray pulse laser
Attosecond X-raylaser ng pulsona may mataas na kapangyarihan 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 gumamit ng isang kaskad ng dalawang yugtoX-ray free electron laserssa output discrete attosecond pulses. Kung ikukumpara sa mga umiiral na ulat, ang average na peak power ng mga pulso ay nadagdagan ng isang order ng magnitude, ang maximum na peak power ay 1.1 TW, at ang median na enerhiya ay higit sa 100 μJ. Nagbibigay din ang pag-aaral ng matibay na ebidensya para sa pag-uugali ng superradiation na parang soliton sa larangan ng X-ray.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 X-ray ay malawakang ginagamit sa pagsusuring medikal, pagtuklas ng kapintasan sa industriya, inspeksyon sa kaligtasan at siyentipikong pananaliksik. Ang X-ray free-electron laser (XFEL) ay maaaring tumaas ang peak X-ray power sa pamamagitan ng ilang mga order ng magnitude kumpara sa iba pang mga X-ray generation na teknolohiya, kaya pinapalawak 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 malaking tagumpay sa attosecond na agham at teknolohiya, na nagpapataas ng available na peak power ng higit sa anim na order ng magnitude kumpara sa benchtop na X-ray sources.

Libreng electron lasersmaaaring makakuha ng pulse energies maraming mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa spontaneous emission level gamit ang collective instability, na sanhi ng patuloy na pakikipag-ugnayan ng radiation field sa relativistic electron beam at ang 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 malambot na hanay ng X-ray (mga 0.1 nm hanggang 10 nm na wavelength), ipinapatupad ang FEL sa pamamagitan ng cascade fresh-slice na teknolohiya. Kamakailan, ang mga attosecond pulse na may peak power na 100 GW ay naiulat na nabuo gamit ang pinahusay na self-amplified spontaneous emission (ESASE) na pamamaraan.

Gumamit ang research team ng two-stage amplification system batay sa XFEL para palakasin ang soft X-ray attosecond pulse output mula sa linac coherentpinagmumulan ng liwanagsa antas ng TW, isang pagkakasunud-sunod ng magnitude na pagpapabuti sa mga naiulat na resulta. Ang pang-eksperimentong setup ay ipinapakita sa Figure 1. Batay sa paraan ng ESSE, ang photocathode emitter ay modulated upang makakuha ng isang electron beam na may mataas na kasalukuyang spike, at ginagamit upang makabuo ng 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 ang XFEL ay umabot sa saturation, ang electron beam ay naantala kaugnay sa X-ray ng isang magnetic compressor, at pagkatapos ay nakikipag-ugnayan ang pulso sa electron beam (fresh slice) na hindi binago ng ESSE modulation o FEL laser. Sa wakas, ang pangalawang magnetic undulator ay ginagamit upang higit na palakasin ang X-ray sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng attosecond pulses sa sariwang slice.

FIG. 1 Eksperimental na diagram ng aparato; Ipinapakita ng ilustrasyon ang longitudinal phase space (time-energy diagram ng electron, berde), ang kasalukuyang profile (asul), at ang radiation na ginawa ng first-order amplification (purple). XTCAV, X-band transverse cavity; cVMI, coaxial rapid mapping imaging system; FZP, Fresnel band plate spectrometer

Ang lahat ng attosecond pulse ay binuo mula sa ingay, kaya ang bawat pulso ay may iba't ibang spectral at time-domain na mga katangian, na ginalugad ng mga mananaliksik nang mas detalyado. Sa mga tuntunin ng spectra, gumamit sila ng Fresnel band plate spectrometer upang sukatin ang spectra ng mga indibidwal na pulso sa iba't ibang katumbas na haba ng undulator, at nalaman na ang spectra na ito ay nagpapanatili ng makinis na mga waveform kahit na pagkatapos ng pangalawang amplification, na nagpapahiwatig na ang mga pulso ay nanatiling unimodal. Sa domain ng oras, ang angular fringe ay sinusukat at ang time domain waveform ng pulso ay nailalarawan. Gaya ng ipinapakita sa Figure 1, ang X-ray pulse ay na-overlap 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 sa vector potential ng infrared laser. Dahil ang electric field ng laser ay umiikot sa oras, ang momentum distribution ng photoelectron ay tinutukoy ng oras ng electron emission, at ang relasyon sa pagitan ng angular mode ng emission time at ang momentum distribution ng photoelectron ay itinatag. Ang distribusyon ng photoelectron momentum ay sinusukat gamit ang isang coaxial fast mapping imaging spectrometer. Batay sa pamamahagi at parang multo na mga resulta, ang time-domain waveform ng attosecond pulses ay maaaring mabuo muli. Ipinapakita ng Figure 2 (a) ang distribusyon ng tagal ng pulso, na may median na 440 bilang. Sa wakas, ginamit ang gas monitoring detector upang sukatin ang enerhiya ng pulso, at ang scatter plot sa pagitan ng peak pulse power at ang tagal ng pulso tulad ng ipinapakita sa Figure 2 (b) ay kinakalkula. Ang tatlong mga pagsasaayos ay tumutugma sa iba't ibang mga kondisyon ng pagtutok ng electron beam, mga kondisyon ng pag-aalinlangan ng coning at mga kondisyon ng pagkaantala ng magnetic compressor. Ang tatlong configuration ay nagbunga ng average na pulse energies na 150, 200, at 260 µJ, ayon sa pagkakabanggit, na may pinakamataas na peak power na 1.1 TW.

Figure 2. (a) Distribution histogram ng half-height Full width (FWHM) pulse duration; (b) Scatter plot na tumutugma sa peak power at tagal ng pulso

Bilang karagdagan, ang pag-aaral ay naobserbahan din sa unang pagkakataon ang phenomenon ng soliton-like superemission sa X-ray band, na lumilitaw bilang tuluy-tuloy na pag-ikli ng pulso sa panahon ng amplification. 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 electron sa ulo ng X-ray pulse at pabalik sa electron mula sa buntot ng pulso. Sa pamamagitan ng malalim na pag-aaral ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, inaasahan na ang mga X-ray pulse na may mas maiikling tagal at mas mataas na peak power ay higit na maisasakatuparan sa pamamagitan ng pagpapahaba ng proseso ng superradiation amplification at pagsasamantala ng pulse shortening sa soliton-like mode.