TW-Klass Attosekonnen-Röntgenpulslaser

TW-Klass Attosekonnen-Röntgenpulslaser
Attosekonden-RöntgenstrahlPulslasermat héijer Leeschtung a kuerzer Pulsdauer sinn de Schlëssel fir ultraschnell netlinear Spektroskopie an Röntgendiffraktiounsbildgebung z'erreechen. D'Fuerschungsteam an den USA huet eng Kaskade vun zweestufege ... benotztRöntgenfräielektronenlaserfir diskret Attosekondenimpulser auszeginn. Am Verglach mat existente Berichter ass déi duerchschnëttlech Spëtzeleeschtung vun den Impulser ëm eng Gréisstenuerdnung erhéicht, déi maximal Spëtzeleeschtung ass 1,1 TW, an d'Medianenergie ass méi wéi 100 μJ. D'Studie liwwert och staark Beweiser fir e solitonähnlecht Superstrahlungsverhalen am Röntgenfeld.Héichenergielaserhunn vill nei Fuerschungsgebidder ugedriwwen, dorënner Héichfeldphysik, Attosekondenspektroskopie a Laserpartikelbeschleuniger. Ënnert all Zorte vu Laser gi Röntgenstrahlen wäit verbreet an der medizinescher Diagnos, der industrieller Feelerdetektioun, der Sécherheetsinspektioun an der wëssenschaftlecher Fuerschung agesat. De Röntgenfräielektronelaser (XFEL) kann d'Peak-Röntgenleistung ëm verschidde Gréisstenuerdnungen am Verglach mat aneren Technologien zur Röntgengeneratioun erhéijen, wouduerch d'Uwendung vun Röntgenstrahlen op d'Gebitt vun der netlinearer Spektroskopie an der Eenzelpartikeldiffraktiounsbildgebung erweidert gëtt, wou eng héich Leeschtung erfuerderlech ass. Den rezenten erfollegräichen Attosekonden-XFEL ass eng grouss Leeschtung an der Attosekondenwëssenschaft an -technologie, andeems en déi verfügbar Peak-Leistung ëm méi wéi sechs Gréisstenuerdnungen am Verglach mat Benchtop-Röntgenquellen erhéicht.

Fräielektronenlaserkënnen Pulsenergien kréien, déi vill Gréisstenuerdnungen iwwer dem spontanen Emissiounsniveau leien, andeems kollektiv Instabilitéit benotzt gëtt, déi duerch déi kontinuéierlech Interaktioun vum Stralungsfeld am relativisteschen Elektronestrahl an dem magnéiteschen Oszillator verursaacht gëtt. Am haarde Röntgenberäich (ongeféier 0,01 nm bis 0,1 nm Wellelängt) gëtt FEL duerch Bündelkompressioun an Post-Sättigungs-Kegeltechniken erreecht. Am mëllen Röntgenberäich (ongeféier 0,1 nm bis 10 nm Wellelängt) gëtt FEL duerch Kaskade-Fresh-Slice-Technologie implementéiert. Viru kuerzem gouf bericht, datt Attosekondenimpulser mat enger Spëtzeleeschtung vun 100 GW mat der enhanced self-amplified spontaneous emission (ESASE) Method generéiert ginn.

D'Fuerschungsteam huet en zweestufegt Verstärkungssystem baséiert op XFEL benotzt fir den Attosekonden-Impuls vun der mëller Röntgenstralung vum kohärenten Linearschalter ze verstärken.Liichtquellop den TW-Niveau, eng Gréisstenuerdnung vun der Verbesserung am Verglach mat de publizéierte Resultater. Den experimentellen Opbau gëtt an der Figur 1 gewisen. Baséierend op der ESASE-Method gëtt de Photokathode-Emitter moduléiert fir en Elektronestrahl mat engem héije Stroumspëtz ze kréien, a gëtt benotzt fir Attosekonden-Röntgenimpulser ze generéieren. Den initialen Impuls ass um viischten Rand vum Spëtz vum Elektronestrahl lokaliséiert, wéi an der ieweschter lénkser Ecke vun der Figur 1 gewisen. Wann den XFEL d'Sättigung erreecht, gëtt den Elektronestrahl relativ zu der Röntgenstrahl duerch e Magnéitkompressor verzögert, an dann interagéiert de Impuls mam Elektronestrahl (frësch Scheif), déi net vun der ESASE-Moduléierung oder dem FEL-Laser modifizéiert gëtt. Schlussendlech gëtt en zweete Magnéitundulator benotzt fir d'Röntgenstrahlen weider ze verstäerken duerch d'Interaktioun vun Attosekondenimpulser mat der frëscher Scheif.

FIG. 1 Diagramm vun engem experimentellen Apparat; D'Illustratioun weist de Längsphasenraum (Zäit-Energie-Diagramm vum Elektron, gréng), de Stroumprofil (blo) an d'Stralung, déi duerch d'Verstäerkung vun der éischter Uerdnung produzéiert gëtt (violett). XTCAV, X-Band-Transversalhöhl; cVMI, koaxialt Rapid Mapping-Bildgebungssystem; FZP, Fresnel-Band-Plattespektrometer

All Attosekondenimpulse gi vu Rauschen opgebaut, sou datt all Impuls ënnerschiddlech spektral an Zäitdomäneigenschaften huet, déi d'Fuerscher méi detailléiert ënnersicht hunn. Wat d'Spektre ugeet, hunn si e Fresnel-Bandplackespektrometer benotzt fir d'Spektre vun eenzelnen Impulse bei verschiddenen equivalenten Undulatorlängten ze moossen, a festgestallt, datt dës Spektre och no der sekundärer Verstärkung glat Welleforme behalen hunn, wat drop hiweist, datt d'Impulse unimodal bliwwe sinn. Am Zäitdomän gëtt de Wénkelrand gemooss an d'Zäitdomänwelleform vum Impuls gëtt charakteriséiert. Wéi an der Figur 1 gewisen, iwwerlappt sech den Röntgenimpuls mam zirkulär polariséierten Infraroutlaserimpuls. D'Photoelektrone, déi vum Röntgenimpuls ioniséiert ginn, produzéieren Sträifen an der entgéintgesater Richtung zum Vektorpotential vum Infraroutlaser. Well dat elektrescht Feld vum Laser mat der Zäit rotéiert, gëtt d'Impulsverdeelung vum Photoelektron duerch d'Zäit vun der Elektronenemissioun bestëmmt, an d'Bezéiung tëscht dem Wénkelmodus vun der Emissiounszäit an der Impulsverdeelung vum Photoelektron gëtt festgeluecht. D'Verdeelung vum Photoelektronimpuls gëtt mat engem koaxialen Fast Mapping Imaging Spektrometer gemooss. Baséierend op der Verdeelung an de spektrale Resultater kann d'Zäitdomän-Wellenform vun Attosekondenimpulser rekonstruéiert ginn. Figur 2 (a) weist d'Verdeelung vun der Pulsdauer, mat engem Median vu 440 as. Schlussendlech gouf den Gas-Iwwerwaachungsdetektor benotzt fir d'Pulsenergie ze moossen, an de Streudiagramm tëscht der Peak-Pulsleistung an der Pulsdauer, wéi an der Figur 2 (b) gewisen, gouf berechent. Déi dräi Konfiguratiounen entspriechen ënnerschiddlechen Elektronestrahl-Fokussierungsbedingungen, Waver-Kegelkonungen a Magnéitkompressor-Verzögerungsbedingungen. Déi dräi Konfiguratiounen hunn duerchschnëttlech Pulsenergien vun 150, 200 respektiv 260 µJ erginn, mat enger maximaler Peak-Leistung vun 1,1 TW.

Figur 2. (a) Verdeelungshistogramm vun der Halbhéicht-Full-Width (FWHM) Pulsdauer; (b) Streudiagramm, deen der Spëtzeleistung an der Pulsdauer entsprécht

Zousätzlech huet d'Studie fir d'éischt Kéier och de Phänomen vun der solitonähnlecher Superemissioun am Röntgenband observéiert, déi sech als eng kontinuéierlech Pulsverkierzung während der Verstärkung optrieden. Si gëtt duerch eng staark Interaktioun tëscht Elektronen a Stralung verursaacht, woubei d'Energie séier vum Elektron op de Kapp vum Röntgenpuls an zréck op den Elektron vum Schwanz vum Puls transferéiert gëtt. Duerch eng detailléiert Studie vun dësem Phänomen gëtt erwaart, datt Röntgenpulse mat méi kuerzer Dauer a méi héijer Spëtzeleeschtung weider realiséiert kënne ginn, andeems de Superstrahlungsverstärkungsprozess verlängert gëtt an d'Pulsverkierzung am solitonähnleche Modus ausgenotzt gëtt.