TW-klasse attosekonde röntgenpulslaser

TW-klasse attosekonde röntgenpulslaser
Attosekonde röntgenstraalpulslasermei hege krêft en koarte pulsduer binne de kaai om ultrasnelle net-lineare spektroskopie en röntgendiffraksjeôfbylding te berikken. It ûndersyksteam yn 'e Feriene Steaten brûkte in kaskade fan twa-stapsRöntgenfrije elektronlasersom diskrete attosekonde-pulsen út te fieren. Yn ferliking mei besteande rapporten is it gemiddelde pykfermogen fan 'e pulsen mei in oarder fan grutte ferhege, it maksimale pykfermogen is 1,1 TW, en de mediane enerzjy is mear as 100 μJ. De stúdzje leveret ek sterk bewiis foar soliton-eftich superstrielingsgedrach yn it röntgenfjild.Heech-enerzjy lasershawwe in protte nije ûndersyksgebieten oandreaun, ynklusyf hege-fjildfysika, attosekondespektroskopie en laserdieltsjesfersnellers. Under alle soarten lasers wurde röntgenstrielen in soad brûkt yn medyske diagnoaze, yndustriële gebrekdeteksje, feiligensynspeksje en wittenskiplik ûndersyk. De röntgenfrije-elektronenlaser (XFEL) kin it pykfermogen fan röntgenstrielen mei ferskate oarders fan grutte ferheegje yn ferliking mei oare röntgengeneraasjetechnologyen, wêrtroch't de tapassing fan röntgenstrielen útwreide wurdt nei it fjild fan net-lineaire spektroskopie en ien-dieltsjesdiffraksjeôfbylding wêr't hege krêft fereaske is. De resinte suksesfolle attosekonde XFEL is in wichtige prestaasje yn attosekondewittenskip en technology, en fergruttet it beskikbere pykfermogen mei mear as seis oarders fan grutte yn ferliking mei benchtop röntgenboarnen.

Frije elektronenlaserskinne pulsenerzjy's krije dy't in protte oarders fan grutte heger binne as it spontane emisjenivo mei help fan kollektive ynstabiliteit, dy't feroarsake wurdt troch de trochgeande ynteraksje fan it strielingsfjild yn 'e relativistyske elektronenstriel en de magnetyske oscillator. Yn it hurde röntgenberik (sawat 0,01 nm oant 0,1 nm golflingte) wurdt FEL berikt troch bondelkompresje en post-saturaasje-kegeltechniken. Yn it sêfte röntgenberik (sawat 0,1 nm oant 10 nm golflingte) wurdt FEL ymplementearre troch cascade fresh-slice-technology. Koartlyn binne attosekonde-pulsen mei in pykfermogen fan 100 GW rapportearre dy't generearre wurde mei help fan 'e ferbettere selsfersterke spontane emisje (ESASE) metoade.

It ûndersyksteam brûkte in twa-staps fersterkingssysteem basearre op XFEL om de sêfte röntgen-attosekonde pulsútfier fan 'e koherinte lineêre accelerator te fersterkjen.ljochtboarnenei it TW-nivo, in ferbettering fan in grutte oarder oer de rapportearre resultaten. De eksperimintele opset wurdt werjûn yn figuer 1. Op basis fan 'e ESASE-metoade wurdt de fotokatode-emitter modulearre om in elektronenstriel mei in hege stroompyk te krijen, en wurdt brûkt om attosekonde röntgenpulsen te generearjen. De earste puls leit oan 'e foarkant fan' e pyk fan 'e elektronenstriel, lykas werjûn yn' e linker boppeste hoeke fan figuer 1. As de XFEL sêding berikt, wurdt de elektronenstriel fertrage relatyf oan 'e röntgenstriel troch in magnetyske kompressor, en dan ynteraksjeart de puls mei de elektronenstriel (farske plak) dy't net oanpast wurdt troch de ESASE-modulaasje of FEL-laser. Uteinlik wurdt in twadde magnetyske undulator brûkt om de röntgenstrielen fierder te fersterkjen troch de ynteraksje fan attosekondepulsen mei de farske plak.

FIG. 1 Diagram fan in eksperiminteel apparaat; De yllustraasje lit de longitudinale fazeromte sjen (tiid-enerzjydiagram fan it elektron, grien), it stroomprofyl (blau), en de strieling produsearre troch earste-oarder fersterking (pears). XTCAV, X-band transversale holte; cVMI, koaksiaal rapid mapping-ôfbyldingssysteem; FZP, Fresnel-bandplaatspektrometer

Alle attosekondepulsen binne boud út rûs, sadat elke puls ferskillende spektrale en tiiddomeineigenskippen hat, dy't de ûndersikers yn mear detail ûndersocht hawwe. Wat spektra oanbelanget, brûkten se in Fresnel-bandplaatspektrometer om de spektra fan yndividuele pulsen te mjitten by ferskillende lykweardige undulatorlengten, en fûnen dat dizze spektra glêde golffoarmen behâlden, sels nei sekundêre fersterking, wat oanjout dat de pulsen unimodaal bleaunen. Yn it tiiddomein wurdt de hoekige franje metten en wurdt de tiiddomeinigolffoarm fan 'e puls karakterisearre. Lykas te sjen is yn figuer 1, wurdt de röntgenpuls oerlaapt mei de sirkulêr polarisearre ynfraread laserpuls. De fotoelektronen dy't ionisearre binne troch de röntgenpuls sille strepen produsearje yn 'e rjochting tsjinoersteld oan it fektorpotinsjaal fan 'e ynfraread laser. Omdat it elektryske fjild fan 'e laser mei de tiid rotearret, wurdt de momentumferdieling fan it fotoelektron bepaald troch de tiid fan elektronemisje, en wurdt de relaasje tusken de hoekmodus fan 'e emisjetiid en de momentumferdieling fan it fotoelektron fêststeld. De ferdieling fan fotoelektronmomentum wurdt metten mei in koaksiale snelle mappingôfbyldingsspektrometer. Op basis fan 'e ferdieling en spektrale resultaten kin de tiiddomeingolffoarm fan attosekondepulsen rekonstruearre wurde. Figuer 2 (a) lit de ferdieling fan pulsduer sjen, mei in mediaan fan 440 as. Uteinlik waard de gasmonitoringdetektor brûkt om de pulsenerzjy te mjitten, en de ferspriedingsplot tusken it pykpulsfermogen en de pulsduer lykas werjûn yn figuer 2 (b) waard berekkene. De trije konfiguraasjes komme oerien mei ferskillende fokussearringsomstannichheden fan 'e elektronenstriel, waverkegelomstannichheden en fertragingsomstannichheden fan 'e magnetyske kompressor. De trije konfiguraasjes joegen gemiddelde pulsenerzjy's fan respektivelik 150, 200 en 260 µJ, mei in maksimum pykfermogen fan 1.1 TW.

Figuer 2. (a) Ferdielingshistogram fan healhichte Folsleine breedte (FWHM) pulsduer; (b) Spreidingsdiagram oerienkommende mei pykfermogen en pulsduer

Derneist waarnommen yn 'e stúdzje foar it earst it ferskynsel fan soliton-like superemisje yn 'e röntgenband, dy't ferskynt as in trochgeande pulsferkoarting tidens fersterking. It wurdt feroarsake troch in sterke ynteraksje tusken elektroanen en strieling, wêrby't enerzjy rap oerdroegen wurdt fan it elektron nei de kop fan 'e röntgenpuls en werom nei it elektron fan 'e sturt fan 'e puls. Troch yngeande stúdzje fan dit ferskynsel wurdt ferwachte dat röntgenpulsen mei koartere doer en heger pykfermogen fierder realisearre wurde kinne troch it superstralingsfersterkingsproses út te wreidzjen en gebrûk te meitsjen fan pulsferkoarting yn soliton-like modus.