TW klas attosekonde X-straal pols laser

TW klas attosekonde X-straal pols laser
Attosekonde X-straalpols lasermet hoë krag en kort pulsduur is die sleutel om ultravinnige nie-lineêre spektroskopie en X-straaldiffraksiebeelding te bereik. Die navorsingspan in die Verenigde State het 'n waterval van twee-fase gebruikX-straal vrye elektron lasersom diskrete attosekonde-pulse uit te voer. In vergelyking met bestaande verslae word die gemiddelde piekkrag van die pulse met 'n orde van grootte verhoog, die maksimum piekkrag is 1,1 TW, en die mediaan energie is meer as 100 μJ. Die studie verskaf ook sterk bewyse vir soliton-agtige superbestralingsgedrag in die X-straalveld.Hoë-energie lasershet baie nuwe gebiede van navorsing aangedryf, insluitend hoëveldfisika, attosekondespektroskopie en laserpartikelversnellers. Onder alle soorte lasers word X-strale wyd gebruik in mediese diagnose, opsporing van industriële foute, veiligheidsinspeksie en wetenskaplike navorsing. Die X-straal vry-elektron laser (XFEL) kan die piek X-straal krag met verskeie ordes van grootte verhoog in vergelyking met ander X-straal generasie tegnologieë, en sodoende die toepassing van X-strale uitbrei na die veld van nie-lineêre spektroskopie en enkel- deeltjie diffraksie beelding waar hoë drywing vereis word. Die onlangse suksesvolle attosekonde XFEL is 'n groot prestasie in attosekonde wetenskap en tegnologie, wat die beskikbare piekkrag met meer as ses ordes van grootte verhoog in vergelyking met benchtop X-straalbronne.

Gratis elektronlaserskan polsenergieë baie ordes van grootte hoër as die spontane emissievlak verkry deur gebruik te maak van kollektiewe onstabiliteit, wat veroorsaak word deur die voortdurende interaksie van die stralingsveld in die relativistiese elektronstraal en die magnetiese ossillator. In die harde X-straal-reeks (ongeveer 0,01 nm tot 0,1 nm golflengte), word FEL bereik deur bondel-kompressie en na-versadiging-kegeltegnieke. In die sagte X-straal-reeks (ongeveer 0,1 nm tot 10 nm golflengte), word FEL geïmplementeer deur kaskade vars-sny tegnologie. Onlangs is gerapporteer dat attosekonde-pulse met 'n piekkrag van 100 GW gegenereer word deur gebruik te maak van die verbeterde selfversterkte spontane emissie (ESASE) metode.

Die navorsingspan het 'n twee-stadium versterkingstelsel gebaseer op XFEL gebruik om die sagte X-straal-attosekonde-pulsuitset vanaf die linac-koherente te versterkligbrontot die TW-vlak, 'n orde van grootte verbetering bo gerapporteerde resultate. Die eksperimentele opstelling word in Figuur 1 getoon. Gebaseer op die ESASE-metode, word die fotokatode-emittor gemoduleer om 'n elektronstraal met 'n hoë stroompiek te verkry, en word gebruik om attosekonde X-straalpulse te genereer. Die aanvanklike puls is geleë aan die voorkant van die piek van die elektronstraal, soos getoon in die boonste linkerhoek van Figuur 1. Wanneer die XFEL versadiging bereik, word die elektronstraal vertraag relatief tot die X-straal deur 'n magnetiese kompressor, en dan is die puls in wisselwerking met die elektronstraal (vars sny) wat nie deur die ESASE-modulasie of FEL-laser gewysig word nie. Laastens word 'n tweede magnetiese golwender gebruik om die X-strale verder te versterk deur die interaksie van attosekonde-pulse met die vars sny.

FIG. 1 Eksperimentele toesteldiagram; Die illustrasie toon die longitudinale faseruimte (tyd-energiediagram van die elektron, groen), die stroomprofiel (blou) en die straling wat deur eerste-orde versterking (pers) geproduseer word. XTCAV, X-band dwarsholte; cVMI, koaksiale vinnige kartering beeldstelsel; FZP, Fresnel-bandplaatspektrometer

Alle attosekonde-pulse word uit geraas gebou, so elke puls het verskillende spektrale en tyddomein-eienskappe, wat die navorsers in meer besonderhede ondersoek het. Wat spektra betref, het hulle 'n Fresnel-bandplaatspektrometer gebruik om die spektra van individuele pulse by verskillende ekwivalente golwende lengtes te meet, en gevind dat hierdie spektra gladde golfvorms behou selfs na sekondêre versterking, wat aandui dat die pulse unimodale gebly het. In die tyddomein word die hoekrand gemeet en die tyddomeingolfvorm van die pols word gekenmerk. Soos getoon in Figuur 1, word die X-straalpuls oorvleuel met die sirkelvormige gepolariseerde infrarooi laserpuls. Die foto-elektrone wat deur die X-straalpuls geïoniseer word, sal strepe produseer in die rigting teenoor die vektorpotensiaal van die infrarooi laser. Omdat die elektriese veld van die laser met tyd roteer, word die momentumverspreiding van die foto-elektron bepaal deur die tyd van elektronemissie, en word die verband tussen die hoekmodus van die emissietyd en die momentumverspreiding van die foto-elektron vasgestel. Die verspreiding van foto-elektronmomentum word gemeet met behulp van 'n koaksiale vinnige kartering beeldbeeldspektrometer. Gebaseer op die verspreiding en spektrale resultate, kan die tyd-domein golfvorm van attosekonde pulse gerekonstrueer word. Figuur 2 (a) toon die verspreiding van polsduur, met 'n mediaan van 440 as. Laastens is die gasmoniteringsdetektor gebruik om die pulsenergie te meet, en die verstrooiingsdiagram tussen die piek pulskrag en die pulsduur soos in Figuur 2 (b) getoon, is bereken. Die drie konfigurasies stem ooreen met verskillende elektronstraalfokuseringstoestande, golwende keëltoestande en magnetiese kompressorvertragingstoestande. Die drie konfigurasies het gemiddelde pulsenergieë van onderskeidelik 150, 200 en 260 µJ opgelewer, met 'n maksimum piekkrag van 1.1 TW.

Figuur 2. (a) Verspreidingshistogram van halfhoogte Volwydte (FWHM) polsduur; (b) Strooidiagram wat ooreenstem met piekkrag en pulsduur

Daarbenewens het die studie ook vir die eerste keer die verskynsel van soliton-agtige superemissie in die X-straalband waargeneem, wat as 'n deurlopende polsverkorting tydens amplifikasie voorkom. Dit word veroorsaak deur 'n sterk interaksie tussen elektrone en bestraling, met energie wat vinnig van die elektron na die kop van die X-straalpuls en terug na die elektron vanaf die stert van die pols oorgedra word. Deur in-diepte studie van hierdie verskynsel word verwag dat X-straalpulse met korter duur en hoër piekkrag verder gerealiseer kan word deur die superbestralingsversterkingsproses uit te brei en voordeel te trek uit pulsverkorting in soliton-agtige modus.