TW-klas attosekonde X-straalpulslaser

TW-klas attosekonde X-straalpulslaser
Attosekonde X-straalpulslasermet hoë krag en kort pulsduur is die sleutel om ultrasnelle nie-lineêre spektroskopie en X-straaldiffraksiebeelding te bereik. Die navorsingspan in die Verenigde State het 'n kaskade van tweestadium gebruikX-straal vryelektronlasersom diskrete attosekonde-pulse uit te voer. In vergelyking met bestaande verslae, word die gemiddelde piekvermoë van die pulse met 'n orde van grootte verhoog, die maksimum piekvermoë is 1.1 TW, en die mediaanenergie is meer as 100 μJ. Die studie lewer ook sterk bewyse vir solitonagtige superstralingsgedrag in die X-straalveld.Hoë-energie lasershet baie nuwe navorsingsgebiede gedryf, insluitend hoëveldfisika, attosekonde-spektroskopie en laserdeeltjieversnellers. Onder alle soorte lasers word X-strale wyd gebruik in mediese diagnose, industriële foutopsporing, veiligheidsinspeksie en wetenskaplike navorsing. Die X-straal-vrye-elektronlaser (XFEL) kan die piek-X-straalkrag met verskeie ordes van grootte verhoog in vergelyking met ander X-straalgenereringstegnologieë, en sodoende die toepassing van X-strale uitbrei na die veld van nie-lineêre spektroskopie en enkeldeeltjie-diffraksiebeelding waar hoë krag benodig word. Die onlangse suksesvolle attosekonde XFEL is 'n belangrike prestasie in attosekonde-wetenskap en -tegnologie, wat die beskikbare piekkrag met meer as ses ordes van grootte verhoog in vergelyking met tafelmodel-X-straalbronne.

Vrye elektronlaserskan pulsenergieë verkry wat baie ordes van grootte hoër is as die spontane emissievlak 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-straalreeks (ongeveer 0.01 nm tot 0.1 nm golflengte) word FEL bereik deur bundelkompressie en na-versadigingskeëltegnieke. In die sagte X-straalreeks (ongeveer 0.1 nm tot 10 nm golflengte) word FEL geïmplementeer deur kaskade-vars-skyftegnologie. Onlangs is berig dat attosekonde-pulse met 'n piekvermoë van 100 GW gegenereer word met behulp van die verbeterde selfversterkte spontane emissie (ESASE) metode.

Die navorsingspan het 'n tweestadium-versterkingsstelsel gebaseer op XFEL gebruik om die sagte X-straal-attosekonde-pulsuitset van die koherente linac te versterk.ligbrontot die TW-vlak, 'n ordegrootte verbetering teenoor gerapporteerde resultate. Die eksperimentele opstelling word in Figuur 1 getoon. Gebaseer op die ESASE-metode, word die fotokatode-emitter 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 voorrand van die piek van die elektronstraal, soos getoon in die linker boonste hoek van Figuur 1. Wanneer die XFEL versadiging bereik, word die elektronstraal vertraag relatief tot die X-straal deur 'n magnetiese kompressor, en dan tree 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 undulator gebruik om die X-strale verder te versterk deur die interaksie van attosekondepulse 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 geproduseer word (pers). XTCAV, X-band transversale holte; cVMI, koaksiale vinnige karteringbeeldstelsel; FZP, Fresnel-bandplaatspektrometer

Alle attosekonde-pulse word van geraas gebou, dus het elke puls 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 het selfs na sekondêre versterking, wat aandui dat die pulse unimodaal gebly het. In die tyddomein word die hoekfranje gemeet en die tyddomein-golfvorm van die puls word gekarakteriseer. Soos in Figuur 1 getoon, oorvleuel die X-straalpuls met die sirkelvormig gepolariseerde infrarooi laserpuls. Die foto-elektrone wat deur die X-straalpuls geïoniseer word, sal strepe in die teenoorgestelde rigting as die vektorpotensiaal van die infrarooi laser produseer. Omdat die elektriese veld van die laser met tyd roteer, word die momentumverspreiding van die foto-elektron bepaal deur die tyd van elektronemissie, en die verband tussen die hoekmodus van die emissietyd en die momentumverspreiding van die foto-elektron word vasgestel. Die verspreiding van foto-elektronmomentum word gemeet met behulp van 'n koaksiale vinnige karteringsbeeldspektrometer. Gebaseer op die verspreiding en spektrale resultate, kan die tyddomein-golfvorm van attosekonde-pulse gerekonstrueer word. Figuur 2 (a) toon die verspreiding van pulsduur, met 'n mediaan van 440 as. Laastens is die gasmoniteringsdetektor gebruik om die pulsenergie te meet, en die spreidingsgrafiek tussen die piekpulskrag en die pulsduur soos getoon in Figuur 2 (b) is bereken. Die drie konfigurasies stem ooreen met verskillende elektronstraalfokuskondisies, golfkeëlkondisies en magnetiese kompressorvertragingskondisies. 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) Verdelingshistogram van halfhoogte volle breedte (FWHM) pulsduur; (b) Spreidingsgrafiek wat ooreenstem met piekvermoë en pulsduur

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