Láser de pulso de rayos X de attosegundos de clase TW

Láser de pulso de rayos X de attosegundos de clase TW
Rayos X de attosegundosláser de pulsoCon alta potencia y corta duración de pulso son la clave para lograr espectroscopía no lineal ultrarrápida e imágenes por difracción de rayos X. El equipo de investigación en Estados Unidos utilizó una cascada de dos etapas.Láseres de electrones libres de rayos XPara generar pulsos discretos de attosegundos. En comparación con informes existentes, la potencia pico promedio de los pulsos aumenta en un orden de magnitud: la potencia pico máxima es de 1,1 TW y la energía mediana supera los 100 μJ. El estudio también proporciona evidencia sólida de un comportamiento de superradiación similar al de los solitones en el campo de rayos X.láseres de alta energíaHan impulsado muchas nuevas áreas de investigación, incluyendo 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 pico 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 imagen por difracción de partículas individuales donde se requiere alta potencia. El reciente y exitoso XFEL de attosegundos es un logro importante en la ciencia y tecnología de attosegundos, aumentando la potencia pico disponible en más de seis órdenes de magnitud en comparación con las fuentes de rayos X de sobremesa.

Láseres de electrones libresSe pueden obtener energías de pulso muchos órdenes de magnitud superiores al nivel de emisión espontánea mediante inestabilidad colectiva, 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 (longitud de onda de aproximadamente 0,01 nm a 0,1 nm), la FEL se logra mediante técnicas de compresión de haces y conificación posterior a la saturación. En el rango de rayos X blandos (longitud de onda de aproximadamente 0,1 nm a 10 nm), la FEL se implementa mediante la tecnología de corte fresco en cascada. Recientemente, se ha informado de la generación de pulsos de attosegundos con una potencia pico de 100 GW mediante 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 del pulso de attosegundos de rayos X suaves del acelerador lineal coherente.fuente de luzAl nivel de TW, una mejora de un orden de magnitud sobre los resultados reportados. 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 ubica 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, el haz de electrones se retarda con respecto a los rayos X mediante un compresor magnético, y luego el pulso interactúa con el haz de electrones (corte fresco) 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 fresco.

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

Todos los pulsos de attosegundos se construyen a partir del ruido, por lo que cada pulso presenta diferentes propiedades espectrales y en el dominio temporal, que los investigadores exploraron con más detalle. En cuanto a los espectros, utilizaron un espectrómetro de placa de banda de Fresnel para medir los espectros de pulsos individuales a diferentes longitudes de ondulador equivalentes y observaron que estos espectros mantenían formas de onda uniformes incluso después de la amplificación secundaria, lo que indica que los pulsos permanecían unimodales. En el dominio temporal, se mide la franja angular y se caracteriza la forma de onda del pulso en el dominio temporal. Como se muestra en la Figura 1, el pulso de rayos X se superpone con el pulso láser infrarrojo polarizado circularmente. Los fotoelectrones ionizados por el pulso de rayos X producirán vetas en dirección opuesta al potencial vectorial del láser infrarrojo. Dado que el campo eléctrico del láser rota 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 fotoelectrónico se mide utilizando un espectrómetro coaxial de imágenes de mapeo rápido. Con base en la distribución y los resultados espectrales, se puede reconstruir la forma de onda en el dominio temporal 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 pico 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 la onda 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 pico máxima de 1.1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribución de la duración del pulso de media altura y ancho completo (FWHM); (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 superemisión de tipo solitón en la banda de rayos X, que se manifiesta como un acortamiento continuo del pulso durante la amplificación. Este fenómeno se debe a una fuerte interacción entre los electrones y la radiación, con una rápida transferencia de energía del electrón a la cabeza del pulso de rayos X y de vuelta al electrón desde la cola. Mediante un estudio exhaustivo de este fenómeno, se espera que se puedan obtener pulsos de rayos X de menor duración y mayor potencia de pico, ampliando el proceso de amplificación de superradiación y aprovechando el acortamiento del pulso en modo de tipo solitón.