Láser de pulso de rayos X de attosegundos clase TW

Láser de pulso de rayos X de attosegundos clase TW
Radiografía de attosegundoláser de pulsocon alta potencia y duración de pulso corta son la clave para lograr espectroscopia no lineal ultrarrápida y imágenes de difracción de rayos X. El equipo de investigación de los Estados Unidos utilizó una cascada de dos etapas.Láseres de electrones libres de rayos Xpara generar pulsos discretos de attosegundos. En comparación con los informes existentes, la potencia máxima promedio de los pulsos aumenta en un orden de magnitud, la potencia máxima máxima es de 1,1 TW y la energía media es de más de 100 μJ. El estudio también proporciona pruebas sólidas del comportamiento de la superradiación similar a un solitón en el campo de rayos X.Láseres de alta energíahan impulsado muchas áreas nuevas de investigación, incluida la física de alto campo, la espectroscopia de attosegundos y los aceleradores de partículas láser. Entre todos los tipos de láseres, los rayos X se utilizan ampliamente en el diagnóstico médico, la detección de fallas industriales, la inspección de seguridad y la investigación científica. El láser de electrones libres de rayos X (XFEL) puede aumentar la potencia máxima de rayos X en varios órdenes de magnitud en comparación con otras tecnologías de generación de rayos X, extendiendo así la aplicación de los rayos X al campo de la espectroscopia no lineal y la espectroscopia simple. Imágenes de difracción de partículas donde se requiere alta potencia. El reciente y exitoso XFEL de attosegundos es un logro importante en la ciencia y la tecnología de attosegundos, ya que aumenta la potencia máxima disponible en más de seis órdenes de magnitud en comparación con las fuentes de rayos X de mesa.

Láseres de electrones libresSe pueden obtener energías de pulso de muchos órdenes de magnitud superiores al nivel de emisión espontánea utilizando la inestabilidad colectiva, que es causada por la interacción continua del campo de radiación en el haz de electrones relativista y el oscilador magnético. En el rango de rayos X duros (aproximadamente 0,01 nm a 0,1 nm de longitud de onda), FEL se logra mediante técnicas de compresión de haz y conos de post-saturación. En el rango de rayos X suaves (aproximadamente 0,1 nm a 10 nm de longitud de onda), FEL se implementa mediante tecnología de corte fresco en cascada. Recientemente, se ha informado que se generan pulsos de attosegundos con una potencia máxima de 100 GW utilizando el método de emisión espontánea autoamplificada mejorada (ESASE).

El equipo de investigación utilizó un sistema de amplificación de dos etapas basado en XFEL para amplificar la salida de pulso de attosegundos de rayos X suaves del linac coherente.fuente de luzal nivel TW, una mejora de orden de magnitud con respecto a los resultados informados. La configuración experimental se muestra en la Figura 1. Basado en el método ESASE, el emisor del fotocátodo se modula para obtener un haz de electrones con un pico de corriente alto y se utiliza para generar pulsos de rayos X de attosegundos. El pulso inicial se encuentra en el borde frontal del pico del haz de electrones, como se muestra en la esquina superior izquierda de la Figura 1. Cuando el XFEL alcanza la saturación, un compresor magnético retrasa el haz de electrones con respecto a los rayos X. y luego el pulso interactúa con el haz de electrones (corte nuevo) que no es modificado por la modulación ESASE o el láser FEL. Finalmente, se utiliza un segundo ondulador magnético para amplificar aún más los rayos X mediante la interacción de pulsos de attosegundos con el corte nuevo.

HIGO. 1 diagrama del dispositivo experimental; La ilustración muestra el espacio de fase longitudinal (diagrama tiempo-energía del electrón, verde), el perfil de corriente (azul) y la radiación producida por la amplificación de primer orden (púrpura). XTCAV, cavidad transversal en banda X; cVMI, sistema de imágenes de mapeo rápido coaxial; FZP, espectrómetro de placas de banda de Fresnel

Todos los pulsos de attosegundos se construyen a partir de ruido, por lo que cada pulso tiene diferentes propiedades espectrales y de dominio del tiempo, que los investigadores exploraron con más detalle. En términos de espectros, utilizaron un espectrómetro de placa de banda de Fresnel para medir los espectros de pulsos individuales en diferentes longitudes equivalentes de ondulador, y descubrieron que estos espectros mantenían formas de onda suaves incluso después de la amplificación secundaria, lo que indica que los pulsos permanecían unimodales. En el dominio del tiempo, se mide la franja angular y se caracteriza la forma de onda del pulso en el dominio del tiempo. Como se muestra en la Figura 1, el pulso de rayos X se superpone con el pulso del láser infrarrojo polarizado circularmente. Los fotoelectrones ionizados por el pulso de rayos X producirán rayas en la dirección opuesta al potencial vectorial del láser infrarrojo. Debido a que el campo eléctrico del láser gira con el tiempo, la distribución del momento del fotoelectrón está determinada por el tiempo de emisión del electrón y se establece la relación entre el modo angular del tiempo de emisión y la distribución del momento del fotoelectrón. La distribución del momento del fotoelectrón se mide utilizando un espectrómetro de imágenes de mapeo rápido coaxial. Con base en la distribución y los resultados espectrales, se puede reconstruir la forma de onda en el dominio del tiempo de los pulsos de attosegundos. La Figura 2 (a) muestra la distribución de la duración del pulso, con una mediana de 440 as. Finalmente, se utilizó el detector de monitoreo de gas para medir la energía del pulso y se calculó el diagrama de dispersión entre la potencia máxima del pulso y la duración del pulso, como se muestra en la Figura 2 (b). Las tres configuraciones corresponden a diferentes condiciones de enfoque del haz de electrones, condiciones de conificación de ondas y condiciones de retardo del compresor magnético. Las tres configuraciones produjeron energías de pulso promedio de 150, 200 y 260 µJ, respectivamente, con una potencia máxima máxima de 1,1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribución de la duración del pulso de ancho completo (FWHM) de media altura; (b) Diagrama de dispersión correspondiente a la potencia máxima y la duración del pulso

Además, el estudio también observó por primera vez el fenómeno de la superemisión similar a un solitón en la banda de rayos X, que se manifiesta como un acortamiento continuo del pulso durante la amplificación. Es causada por una fuerte interacción entre los electrones y la radiación, con energía transferida rápidamente del electrón a la cabeza del pulso de rayos X y de regreso al electrón desde la cola del pulso. A través de un estudio en profundidad de este fenómeno, se espera que se puedan obtener pulsos de rayos X con una duración más corta y una potencia máxima más alta extendiendo el proceso de amplificación de la superradiación y aprovechando el acortamiento del pulso en modo similar a un solitón.