TW Class Attosecond X-Ray Pulse Laser

TW Class Attosecond X-Ray Pulse Laser
Attosecond X-Rayпульсавы лазерЗ высокай магутнасцю і кароткай працягласцю імпульсу з'яўляюцца ключом да дасягнення звышхуткай нелінейнай спектраскапіі і рэнтгенаўскай дыфракцыйнай тамаграфіі. Даследчая група ў ЗША выкарыстала каскад з двухступенчатайРэнтгенаўскія бясплатныя электронныя лазерывыводзіць дыскрэтныя імпульсы Attosecond. У параўнанні з існуючымі справаздачамі, сярэдняя пікавая магутнасць імпульсаў павялічваецца на парадак, максімальная пікавая магутнасць складае 1,1 TW, а сярэдняя энергія перавышае 100 мкДж. Даследаванне таксама дае важкія доказы паводзін суперрэдызацыі, падобнага на солітон у рэнтгенаўскім полі.Лазеры з высокай энергіяйпрывялі да шматлікіх новых абласцей даследаванняў, у тым ліку фізікі з высокім узроўнем, атасекунднай спектраскапіі і паскаральнікаў лазерных часціц. Сярод усіх відаў лазераў рэнтгенаўскія прамяні шырока выкарыстоўваюцца ў медыцынскай дыягностыцы, выяўленні недахопаў прамысловасці, інспекцыі бяспекі і навуковых даследаванняў. Рэнтгенаўскі лазер свабоднага электрона (XFEL) можа павялічыць пікавую магутнасць рэнтгенаўскага выпраменьвання на некалькі парадкаў у параўнанні з іншымі тэхналогіямі генерацыі рэнтгенаўскіх прамянёў, пашыраючы прымяненне рэнтгенаўскіх прамянёў у поле нелінейнай спектраскапіі і дыфракцыі аднапартыйнай дыфракцыі, дзе патрабуецца высокая магутнасць. Апошняя паспяховая Attosecond XFEL-галоўнае дасягненне ў галіне навукі і тэхналогій Attosecond, павялічваючы наяўную пікавую магутнасць больш чым на шэсць парадкаў у параўнанні з крыніцамі рэнтгенаўскага выпраменьвання.

Бясплатныя электронныя лазерыможа атрымаць імпульсныя энергіі на шмат парадкаў вышэй, чым узровень самаадвольнага выпраменьвання, выкарыстоўваючы калектыўную нестабільнасць, што выклікана бесперапынным узаемадзеяннем радыяцыйнага поля ў рэлятывісцкім электронным прамяні і магнітнага асцылятара. У цвёрдым рэнтгенаўскім дыяпазоне (прыблізна 0,01 нм да 0,1 нм даўжыні хвалі), FEL дасягаецца метадамі сціску і пасля насычэння. У мяккім дыяпазоне рэнтгенаўскіх прамянёў (даўжыня хвалі ад 0,1 нм да 10 нм) FEL рэалізуецца па тэхналогіі Cascade Fresh-Shifice. У апошні час, як паведамлялася, Attosecond імпульсы з пікавай магутнасцю 100 ГВт генеруюцца з выкарыстаннем узмоцненага метаду самаадвольнага самаадвольнага выпраменьвання (ESASE).

Даследчая група выкарыстала двухступенную сістэму ўзмацнення, заснаваную на XFELкрыніца святлаДа ўзроўню TW, парадак паляпшэння велічыні ў параўнанні з паведамленымі вынікамі. Эксперыментальная ўстаноўка паказана на малюнку 1. На падставе метаду ESASE, выпраменьвальнік фотакатода мадулюецца для атрымання электронавага прамяня з высокім токам шыпа і выкарыстоўваецца для стварэння імпульсаў рэнтгенаўскіх прамянёў Attosecond. Першапачатковы імпульс размешчаны на пярэднім краі шыпа электроннага прамяня, як паказана ў левым верхнім куце малюнка 1. Калі XFEL дасягае насычанасці, электронны прамень затрымліваецца адносна рэнтгенаўскага выпраменьвання магнітным кампрэсарам, а затым імпульс узаемадзейнічае з электронным прамянём (свежы зрэз), які не змяняецца мадуляцыяй ESASE або лазерам. Нарэшце, другое магнітнае падвулатар выкарыстоўваецца для далейшага ўзмацнення рэнтгенаўскіх прамянёў за кошт узаемадзеяння імпульсаў Attosecond са свежым зрэзам.

Мал. 1 Эксперыментальная схема прылад; На ілюстрацыі паказана падоўжная фазавая прастора (схема энергіі часу электрона, зялёны), бягучы профіль (сіні) і выпраменьванне, атрыманае пры ўзмацненні першага парадку (фіялетавага). XTCAV, X-дыяпазон папярочнай паражніны; CVMI, кааксіяльная сістэма хуткага адлюстравання візуалізацыі; FZP, спектраметр пласціннай паласы FRENNEL

Усе імпульсы Attosecond пабудаваны з шуму, таму кожны імпульс валодае рознымі спектральнымі і часовымі даменнымі ўласцівасцямі, якія даследчыкі вывучалі больш падрабязна. З пункту гледжання спектраў, яны выкарыстоўвалі спектраметр пласціннай паласы Fresnel для вымярэння спектраў асобных імпульсаў пры розных эквівалентных даўжынях хвалістага хваля, і выявілі, што гэтыя спектры падтрымліваюць гладкія формы хваляў нават пасля другаснага ўзмацнення, што сведчыць аб тым, што імпульсы застаюцца аднамодальнымі. У часовай вобласці вымяраецца вуглавая махраў і характарызуецца хвалепадобная форма часу імпульсу. Як паказана на малюнку 1, рэнтгенаўскі імпульс перакрыты кругавым палярызаваным інфрачырвоным лазерным імпульсам. Фотаэлектроны, іянізаваныя па рэнтгенаўскім імпульсе, будуць вырабляць паласы ў кірунку, супрацьлеглага вектарнага патэнцыялу інфрачырвонага лазера. Паколькі электрычнае поле лазера круціцца з цягам часу, размеркаванне імпульсу фотаэлектрона вызначаецца часам выкіду электронаў, а сувязь паміж вуглавым рэжымам часу выкіду і размеркаваннем імпульсу фотаэлектрона ўсталёўваецца. Размеркаванне імпульсу фотаэлектрона вымяраецца пры дапамозе кааксіяльнага хуткага адлюстравання спектраметра. Зыходзячы з размеркавання і спектральных вынікаў, можа быць рэканструявана хвалепадобная форма дамена. На малюнку 2 (а) паказана размеркаванне працягласці імпульсу, з сярэдняй 440, як. Нарэшце, дэтэктар маніторынгу газу быў выкарыстаны для вымярэння энергіі імпульсу, і быў разлічаны графік рассейвання паміж пікавай магутнасцю імпульсу і працягласцю імпульсу, як паказана на малюнку 2 (б). Тры канфігурацыі адпавядаюць розным умовам фокусу электроннага прамяня, умовам пераносу ваганняў і ўмоў затрымкі магнітнага кампрэсара. Тры канфігурацыі далі сярэднюю энергію імпульсу 150, 200 і 260 мкДж адпаведна з максімальнай пікавай магутнасцю 1,1 TW.

Малюнак 2. (А) распаўсюджванне гістаграмы імпульсу поўнай шырыні (FWHM); (б) рассейваць графік, які адпавядае пікавай магутнасці і працягласці імпульсу

Акрамя таго, даследаванне таксама ўпершыню назіраецца, з'ява салітонападобнай звышмейкі ў рэнтгенаўскай паласе, якая выглядае як бесперапыннае скарачэнне імпульсу падчас ампліфікацыі. Гэта выклікана моцным узаемадзеяннем паміж электронамі і выпраменьваннем, з энергіяй хутка пераносяцца з электрона ў галоўку рэнтгенаўскага імпульсу і назад да электрона з хваста пульса. Дзякуючы паглыбленаму вывучэнню гэтай з'явы, чакаецца, што рэнтгенаўскія імпульсы з меншай працягласцю і больш высокай пікавай магутнасцю могуць быць рэалізаваны, пашыраючы працэс узмацнення суперградызацыі і скарыстаючыся скарачэннем імпульсу ў рэжыме, падобным на солітон.