TW klasse attosecond X-ray puls laser

TW klasse attosecond X-ray puls laser
Attosecond X-raypuls lasermei hege krêft en koarte puls doer binne de kaai te berikken ultrasnelle net-lineêre spektroskopy en X-ray diffraksje imaging. It ûndersyksteam yn 'e Feriene Steaten brûkt in kaskade fan twa etappeX-ray frije elektron lasersom diskrete attosekonde-pulsen út te fieren. Yn ferliking mei besteande rapporten wurdt de gemiddelde pykkrêft fan 'e pulsen ferhege troch in folchoarder fan grutte, de maksimale pykkrêft is 1.1 TW, en de mediaanenerzjy is mear as 100 μJ. De stúdzje leveret ek sterk bewiis foar soliton-like superradiaasjegedrach yn it röntgenfjild.Lasers mei hege enerzjyhawwe in protte nije gebieten fan ûndersyk dreaun, ynklusyf heechfjildfysika, attosecond-spektroskopy, en laserpartikelversnellers. Under alle soarten lasers wurde röntgenstralen in protte brûkt yn medyske diagnoaze, deteksje fan yndustriële flaters, feiligensynspeksje en wittenskiplik ûndersyk. De X-ray free-electron laser (XFEL) kin de pyk fan 'e röntgenstraalkrêft ferheegje mei ferskate oarders fan grutte yn ferliking mei oare technologyen foar röntgengeneraasje, sadat de tapassing fan röntgenstralen útwreidet op it mêd fan net-lineêre spektroskopy en single- partikeldiffraksjeôfbylding wêr't hege krêft nedich is. De resinte suksesfolle attosecond XFEL is in grutte prestaasje yn attosecond wittenskip en technology, wêrtroch't de beskikbere pykkrêft fergruttet mei mear as seis oarders fan grutte fergelike mei benchtop röntgenboarnen.

Fergees elektroanenlaserskin krije puls enerzjy in protte oarders fan grutte heger as de spontane emisje nivo mei help fan kollektive instability, dat wurdt feroarsake troch de trochgeande ynteraksje fan it strieling fjild yn de relativistyske elektroanen beam en de magnetyske oscillator. Yn it hurde röntgenberik (sawat 0,01 nm oant 0,1 nm golflingte) wurdt FEL berikt troch bondelkompresje en post-saturation coning techniken. Yn it sêfte röntgenberik (sawat 0,1 nm oant 10 nm golflingte) wurdt FEL ymplementearre troch kaskade-ferske-slice-technology. Koartlyn binne attosekonde-pulsen mei in pykkrêft fan 100 GW rapportearre om te wurde generearre mei de ferbettere self-amplified spontaneous emission (ESASE) metoade.

It ûndersyksteam brûkte in twa-staps amplifikaasjesysteem basearre op XFEL om de sêfte röntgen-attosekonde-pulsútfier fan 'e linac-koherinte te fersterkjen.ljocht boarnenei it TW-nivo, in ferbettering fan folchoarder fan grutte oer rapportearre resultaten. De eksperimintele opset wurdt werjûn yn figuer 1. Op grûn fan de ESASE metoade, de photocathode emitter wurdt modulated te krijen in elektroanen beam mei in hege hjoeddeistige spike, en wurdt brûkt om te generearjen attosecond X-ray pulses. De earste puls leit oan 'e foarkant fan' e spike fan 'e elektroanenbeam, lykas werjûn yn' e boppeste lofterhoeke fan figuer 1. As de XFEL sêding berikt, wurdt de elektroanenstraal fertrage relatyf oan 'e X-ray troch in magnetyske compressor, en dan interacts de pols mei de elektroanen beam (frisse slice) dat wurdt net wizige troch de ESASE modulaasje of FEL laser. Uteinlik wurdt in twadde magnetyske undulator brûkt om de röntgenstralen fierder te fersterkjen troch de ynteraksje fan attosekonde-pulsen mei de frisse slice.

FIG. 1 Eksperiminteel apparaat diagram; De yllustraasje lit de longitudinale fazeromte sjen (tiid-enerzjydiagram fan it elektron, grien), it aktuele profyl (blau), en de strieling produsearre troch earste-order-amplifikaasje (poarper). XTCAV, X-band transverse holte; cVMI, coaxial rapid mapping imaging systeem; FZP, Fresnel band plaat spektrometer

Alle attosecond-pulsen binne boud fan lûd, sadat elke puls ferskate spektrale en tiiddomein-eigenskippen hat, dy't de ûndersikers yn mear detail ûndersochten. Yn termen fan spektra, se brûkten in Fresnel band plaat spektrometer te mjitten de spektra fan yndividuele pulsen op ferskillende lykweardich undulator lingtematen, en fûn dat dizze spektra ûnderhâlden glêde golffoarmen sels nei sekundêre amplification, wat oanjout dat de pulses bleau unimodal. Yn it tiiddomein wurdt de hoeke franje metten en wurdt de tiiddomeingolffoarm fan 'e puls karakterisearre. Lykas werjûn yn figuer 1, wurdt de röntgenpuls oerlape mei de sirkulêr polarisearre ynfraread laserpuls. De foto-elektroanen ionisearre troch de röntgenpuls sille strepen produsearje yn 'e rjochting tsjinoer it fektorpotinsjeel fan' e ynfrareadlaser. Om't it elektryske fjild fan 'e laser mei de tiid draait, wurdt de momentumferdieling fan it foto-elektroan bepaald troch de tiid fan elektroanemisje, en wurdt de relaasje tusken de hoekmodus fan' e emisjetiid en de momentumferdieling fan 'e foto-elektroan fêststeld. De ferdieling fan foto-elektroanenmomentum wurdt mjitten mei in koaksiale fast mapping imaging spektrometer. Op grûn fan de distribúsje en spektrale resultaten kin de tiiddomeingolffoarm fan attosekonde-pulsen rekonstruearre wurde. figuer 2 (a) toant de ferdieling fan pols doer, mei in mediaan fan 440 as. Uteinlik waard de gasmonitordetektor brûkt om de pulsenerzjy te mjitten, en it ferspriedingsplot tusken de pykpulskrêft en de pulsduur lykas werjûn yn figuer 2 (b) waard berekkene. De trije konfiguraasjes oerienkomme mei ferskillende elektroanen beam fokus betingsten, waver coning betingsten en magnetyske compressor fertraging betingsten. De trije konfiguraasjes joegen gemiddelde pulsenerzjyen op fan respektivelik 150, 200 en 260 µJ, mei in maksimale pykkrêft fan 1.1 TW.

figuer 2. (in) Ferdieling histogram fan heale hichte Folsleine breedte (FWHM) pols duor; (b) Scatter plot oerienkomt mei pyk macht en puls doer

Dêrnjonken observearre de stúdzje ek foar it earst it ferskynsel fan soliton-like superemisje yn 'e röntgenband, dy't ferskynt as in trochgeande pulsferkoarting by amplifikaasje. It wurdt feroarsake troch in sterke ynteraksje tusken elektroanen en strieling, mei enerzjy fluch oerbrocht fan it elektroan nei de kop fan 'e röntgenpuls en werom nei it elektroan fan' e sturt fan 'e pols. Troch yngeande stúdzje fan dit ferskynsel wurdt ferwachte dat röntgenpulsen mei koartere doer en hegere pykkrêft fierder realisearre wurde kinne troch it ferlingjen fan it superradiation-amplifikaasjeproses en it foardieljen fan pulsferkoarting yn soliton-like modus.