Атасекундны імпульсны рэнтгенаўскі лазер класа TW

Атасекундны імпульсны рэнтгенаўскі лазер класа TW
Атасекундны рэнтгенімпульсны лазерз высокай магутнасцю і кароткай працягласцю імпульсу з'яўляюцца ключом да дасягнення звышхуткай нелінейнай спектраскапіі і рэнтгенаўскай дыфракцыйнай візуалізацыі. Даследчая група ў Злучаных Штатах выкарыстала каскад двухступеньчатыхРэнтгенаўскія лазеры на свабодных электронахдля вываду дыскрэтных атасекундных імпульсаў. У параўнанні з існуючымі даследаваннямі, сярэдняя пікавая магутнасць імпульсаў павялічана на парадак, максімальная пікавая магутнасць складае 1,1 ТВт, а сярэдняя энергія перавышае 100 мкДж. Даследаванне таксама дае пераканаўчыя доказы паводзін звышвыпраменьвання, падобных на салітоны, у рэнтгенаўскім полі.Высокаэнергетычныя лазерыстымулявалі развіццё многіх новых абласцей даследаванняў, у тым ліку фізікі высокіх палёў, 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, тым самым пашыраючы прымяненне рэнтгенаўскага выпраменьвання на вобласць нелінейнай спектраскапіі і дыфракцыйнай візуалізацыі адначасціц, дзе патрабуецца высокая магутнасць. Нядаўні паспяховы атасекундны XFEL з'яўляецца буйным дасягненнем у атасекунднай навуцы і тэхніцы, якое павялічвае даступную пікавую магутнасць больш чым на шэсць парадкаў у параўнанні з настольнымі рэнтгенаўскімі крыніцамі.

Лазеры на свабодных электронахможна атрымаць энергіі імпульсаў на шмат парадкаў вышэй за ўзровень спантаннага выпраменьвання, выкарыстоўваючы калектыўную нестабільнасць, якая выклікана бесперапынным узаемадзеяннем поля выпраменьвання ў рэлятывісцкім электронным пучку і магнітным асцылятарам. У дыяпазоне цвёрдага рэнтгенаўскага выпраменьвання (даўжыня хвалі каля 0,01 нм - 0,1 нм) ЛСЭ дасягаецца метадамі сціскання пучкоў і пост-насычанага конусавання. У дыяпазоне мяккага рэнтгенаўскага выпраменьвання (даўжыня хвалі каля 0,1 нм - 10 нм) ЛСЭ рэалізуецца з дапамогай тэхналогіі каскаднага свежага зрэзу. Нядаўна паведамлялася, што атасекундныя імпульсы з пікавай магутнасцю 100 ГВт генеруюцца з выкарыстаннем метаду ўзмоцненага самаўзмацняльнага спантаннага выпраменьвання (ESASE).

Даследчая група выкарыстала двухступеньчатую сістэму ўзмацнення на аснове XFEL для ўзмацнення мяккага рэнтгенаўскага атасекунднага імпульсу, які выходзіць з кагерэнтнага лінейнага пераўтваральніка.крыніца святлада ўзроўню TW, што на парадак велічыні паляпшэнне ў параўнанні з апублікаванымі вынікамі. Эксперыментальная ўстаноўка паказана на малюнку 1. Зыходзячы з метаду ESASE, фотакатодны эмітар мадулюецца для атрымання электроннага пучка з высокім пікам току і выкарыстоўваецца для генерацыі атасекундных рэнтгенаўскіх імпульсаў. Пачатковы імпульс размешчаны на пярэднім краі піка 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 змяняецца мадуляцыяй ESASE або FEL-лазерам. Нарэшце, другі магнітны ондулятар выкарыстоўваецца для далейшага ўзмацнення рэнтгенаўскіх прамянёў шляхам узаемадзеяння атасекундных імпульсаў са свежым зрэзам.

МАЛ. 1. Схема эксперыментальнай прылады; На ілюстрацыі паказана падоўжная фазавая прастора (дыяграма часу-энергіі электрона, зялёны колер), профіль току (сіні) і выпраменьванне, якое ўтвараецца пры ўзмацненні першага парадку (фіялетавы). XTCAV, папярочны рэзанатар Х-дыяпазону; cVMI, кааксіяльная сістэма хуткага картаграфавання; FZP, спектрометр з пласцінкамі Фрэнеля.

Усе атасекундныя імпульсы пабудаваны з шуму, таму кожны імпульс мае розныя спектральныя і часовыя ўласцівасці, якія даследчыкі вывучылі больш падрабязна. Што тычыцца спектраў, яны выкарысталі спектрометр з палоснай пласцінкай Фрэнеля для вымярэння спектраў асобных імпульсаў пры розных эквівалентных даўжынях ондулятора і выявілі, што гэтыя спектры захоўвалі гладкія формы хвалі нават пасля другаснага ўзмацнення, што сведчыць аб тым, што імпульсы заставаліся ўнімадальнымі. У часавой вобласці вымяраецца вуглавая смуга і характарызуецца форма хвалі імпульсу ў часавой вобласці. Як паказана на малюнку 1, рэнтгенаўскі імпульс перакрываецца з цыркулярна палярызаваным інфрачырвоным лазерным імпульсам. Фотаэлектроны, іанізаваныя рэнтгенаўскім імпульсам, будуць ствараць палосы ў кірунку, процілеглым вектарнаму патэнцыялу інфрачырвонага лазера. Паколькі электрычнае поле лазера круціцца з часам, размеркаванне імпульсу фотаэлектрона вызначаецца часам выпраменьвання электрона, і ўстанаўліваецца сувязь паміж вуглавой модай часу выпраменьвання і размеркаваннем імпульсу фотаэлектрона. Размеркаванне імпульсу фотаэлектрона вымяраецца з дапамогай кааксіяльнага хуткага картаграфічнага візуалізацыйнага спектрометра. На падставе размеркавання і спектральных вынікаў можна рэканструяваць форму хвалі атасекундных імпульсаў у часовай вобласці. На малюнку 2 (а) паказана размеркаванне працягласці імпульсу з медыянай 440 мкДж. Нарэшце, для вымярэння энергіі імпульсу выкарыстоўваўся газавы дэтэктар, і была разлічана дыяграма рассейвання паміж пікавай магутнасцю імпульсу і працягласцю імпульсу, як паказана на малюнку 2 (б). Тры канфігурацыі адпавядаюць розным умовам факусоўкі электроннага пучка, умовам фарміравання хвалевага конуса 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 імпульсу паловай вышыні поўнай шырыні (FWHM); (б) Дыяграма рассейвання, якая адпавядае пікавай магутнасці і працягласці імпульсу

Акрамя таго, у даследаванні ўпершыню назіралася з'ява салітонападобнай суперэмісіі ў рэнтгенаўскім дыяпазоне, якая праяўляецца як бесперапыннае скарачэнне імпульсу падчас узмацнення. Гэта выклікана моцным узаемадзеяннем паміж электронамі і выпраменьваннем, прычым энергія хутка перадаецца ад электрона да галоўкі 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 далей рэалізаваны шляхам пашырэння працэсу ўзмацнення звышвыпраменьвання і выкарыстання скарачэння імпульсу ў салітонападобным рэжыме.