Атасекундны рэнтгенаўскі імпульсны лазер класа TW

Атасекундны рэнтгенаўскі імпульсны лазер класа TW
Атасекундны рэнтгенімпульсны лазерз высокай магутнасцю і кароткай працягласцю імпульсу з'яўляюцца ключом да дасягнення звышхуткай нелінейнай спектраскапіі і рэнтгенаўскай дыфракцыі. Даследчая група ў ЗША выкарыстала двухступеністы каскадРэнтгенаўскія лазеры на свабодных электронахдля вываду дыскрэтных атасекундных імпульсаў. У параўнанні з існуючымі справаздачамі, сярэдняя пікавая магутнасць імпульсаў павялічана на парадак, максімальная пікавая магутнасць складае 1,1 ТВт, а сярэдняя энергія больш за 100 мкДж. Даследаванне таксама дае важкія доказы салітонападобных паводзін звышвыпраменьвання ў рэнтгенаўскім полі.Высокаэнергетычныя лазерыпрывялі да развіцця многіх новых абласцей даследаванняў, у тым ліку фізікі высокага поля, атасекунднай спектраскапіі і лазерных паскаральнікаў часціц. Сярод усіх відаў лазераў рэнтгенаўскія прамяні шырока выкарыстоўваюцца ў медыцынскай дыягностыцы, прамысловай дэфектаскапіі, праверцы бяспекі і навуковых даследаваннях. Рэнтгенаўскі лазер на свабодных электронах (XFEL) можа павялічыць пікавую магутнасць рэнтгенаўскага выпраменьвання на некалькі парадкаў у параўнанні з іншымі тэхналогіямі генерацыі рэнтгенаўскага выпраменьвання, пашыраючы прымяненне рэнтгенаўскага выпраменьвання ў галіне нелінейнай спектраскапіі і адзінкавай спектраскапіі. дыфракцыя часціц, дзе патрабуецца высокая магутнасць. Нядаўні паспяховы атасекундны XFEL з'яўляецца галоўным дасягненнем у атасекунднай навуцы і тэхніцы, павялічваючы даступную пікавую магутнасць больш чым на шэсць парадкаў у параўнанні са стацыянарнымі крыніцамі рэнтгенаўскага выпраменьвання.

Лазеры на свабодных электронахможа атрымаць энергію імпульсу на шмат парадкаў вышэй, чым узровень спантанага выпраменьвання, выкарыстоўваючы калектыўную нестабільнасць, якая выклікаецца бесперапынным узаемадзеяннем поля выпраменьвання ў рэлятывісцкім электронным пучку і магнітным асцылятары. У жорсткім рэнтгенаўскім дыяпазоне (прыкладна ад 0,01 нм да 0,1 нм даўжыня хвалі) FEL дасягаецца з дапамогай сціску пучка і метадаў канусавання пасля насычэння. У мяккім рэнтгенаўскім дыяпазоне (прыкладна ад 0,1 нм да 10 нм даўжыня хвалі) FEL рэалізуецца з дапамогай каскаднай тэхналогіі свежага зрэзу. Нядаўна паведамлялася, што аттасекундныя імпульсы з пікавай магутнасцю 100 ГВт генеруюцца з дапамогай метаду ўзмоцненага самаўзмацняльнага спантаннага выпраменьвання (ESASE).

Даследчая група выкарыстала двухступеньчатую сістэму ўзмацнення на аснове XFEL для ўзмацнення атасекунднага імпульсу мяккага рэнтгенаўскага выпраменьвання з кагерэнтнага лінаккрыніца святлада ўзроўню TW, парадак паляпшэння ў параўнанні з заяўленымі вынікамі. Эксперыментальная ўстаноўка паказана на малюнку 1. На аснове метаду ESASE выпраменьвальнік фотакатода мадулюецца для атрымання электроннага пучка з вялікім усплёскам току і выкарыстоўваецца для генерацыі атасекундных імпульсаў рэнтгенаўскага выпраменьвання. Пачатковы імпульс знаходзіцца на пярэднім краі піку электроннага пучка, як паказана ў левым верхнім куце малюнка 1. Калі XFEL дасягае насычэння, электронны пучок затрымліваецца адносна рэнтгенаўскага выпраменьвання магнітным кампрэсарам, а затым імпульс узаемадзейнічае з электронным пучком (свежы зрэз), які не зменены мадуляцыяй ESASE або лазерам FEL. Нарэшце, другі магнітны ондулятор выкарыстоўваецца для далейшага ўзмацнення рэнтгенаўскіх прамянёў праз узаемадзеянне атасекундных імпульсаў са свежым зрэзам.

ФІГ. 1 Схема эксперыментальнай прылады; Ілюстрацыя паказвае падоўжную фазавую прастору (дыяграма час-энергія электрона, зялёны), профіль току (сіні) і выпраменьванне, якое ствараецца ўзмацненнем першага парадку (фіялетавы). XTCAV, папярочная паражніна X-дыяпазону; cVMI, кааксіяльная сістэма хуткага адлюстравання; FZP, спектрометр з паласой Фрэнэля

Усе атасекундныя імпульсы пабудаваны з шуму, таму кожны імпульс мае розныя спектральныя ўласцівасці і ўласцівасці часавай вобласці, якія даследчыкі вывучылі больш падрабязна. Што тычыцца спектраў, яны выкарыстоўвалі пласцінічны спектрометр з паласой Фрэнэля для вымярэння спектраў асобных імпульсаў на розных эквівалентных даўжынях ондулятора і выявілі, што гэтыя спектры захоўваюць плыўныя формы нават пасля другаснага ўзмацнення, што паказвае на тое, што імпульсы застаюцца аднамадальнымі. У часовай вобласці вымяраецца вуглавая паласа і характарызуецца форма хвалі імпульсу ў часовай вобласці. Як паказана на малюнку 1, рэнтгенаўскі імпульс перакрываецца з цыркулярна палярызаваным інфрачырвоным лазерным імпульсам. Фотаэлектроны, іянізаваныя рэнтгенаўскім імпульсам, будуць ствараць паласы ў кірунку, процілеглым вектарнаму патэнцыялу інфрачырвонага лазера. Паколькі электрычнае поле лазера круціцца з часам, размеркаванне імпульсу фотаэлектрона вызначаецца часам выпраменьвання электрона, і ўсталёўваецца залежнасць паміж вуглавым рэжымам часу выпраменьвання і размеркаваннем імпульсу фотаэлектрона. Размеркаванне фотаэлектроннага імпульсу вымяраецца з дапамогай кааксіяльнага спектрометра хуткага адлюстравання. На падставе вынікаў размеркавання і спектру можна аднавіць форму хвалі атасекундных імпульсаў у часавай вобласці. На малюнку 2 (а) паказана размеркаванне працягласці імпульсу з медыянай 440 ас. Нарэшце, дэтэктар маніторынгу газу быў выкарыстаны для вымярэння энергіі імпульсу, і была разлічана дыяграма рассеяння паміж пікавай магутнасцю імпульсу і працягласцю імпульсу, як паказана на малюнку 2 (b). Тры канфігурацыі адпавядаюць розным умовам факусіроўкі электроннага пучка, умовам кануса хвалі і ўмовам затрымкі магнітнага кампрэсара. Тры канфігурацыі далі сярэднюю энергію імпульсу 150, 200 і 260 мкДж адпаведна з максімальнай пікавай магутнасцю 1,1 ТВт.

Малюнак 2. (а) Гістаграма размеркавання працягласці паўшырыні імпульсу на паўвышыні (FWHM); (Б) Дыяграма рассейвання, якая адпавядае пікавай магутнасці і працягласці імпульсу

Акрамя таго, у даследаванні таксама ўпершыню назіралася з'ява салітонападобнага супервыпраменьвання ў рэнтгенаўскім дыяпазоне, якое выяўляецца ў выглядзе бесперапыннага скарачэння імпульсу падчас узмацнення. Гэта выклікана моцным узаемадзеяннем паміж электронамі і выпраменьваннем, пры гэтым энергія хутка перадаецца ад электрона да галавы рэнтгенаўскага імпульсу і назад да электрона з хваста імпульсу. Дзякуючы паглыбленаму вывучэнню гэтай з'явы, чакаецца, што рэнтгенаўскія імпульсы з меншай працягласцю і большай пікавай магутнасцю могуць быць рэалізаваны шляхам пашырэння працэсу ўзмацнення звышвыпраменьвання і выкарыстання пераваг скарачэння імпульсаў у салітонападобным рэжыме.