TW Class AtToSecond X-Ray Pulse Láser

TW Class AtToSecond X-Ray Pulse Láser
Rayos Xláser de pulsoCon alta potencia y duración de pulso corto es la clave para lograr una espectroscopía no lineal ultrarrápida y imágenes de difracción de rayos X. El equipo de investigación en los Estados Unidos utilizó una cascada de dos etapasLáseres de electrones sin rayos Xpara emitir pulsos de atosegundos discretos. En comparación con los informes existentes, la potencia máxima promedio de los pulsos aumenta por un orden de magnitud, la potencia máxima máxima es 1.1 TW y la energía media es de más de 100 μJ. El estudio también proporciona una fuerte evidencia para el comportamiento de superradiación similar a Soliton en el campo de rayos X.Láseres de alta energíaHan conducido muchas áreas nuevas de investigación, incluida la física de campo alto, la espectroscopía de atosegundos y los aceleradores de partículas láser. Entre todos los tipos de láseres, las radiografías se usan ampliamente en diagnóstico médico, detección de defectos industriales, inspección de seguridad e investigación científica. El láser de electrones libres de rayos X (XFEL) puede aumentar la potencia de rayos X pico en varios órdenes de magnitud en comparación con otras tecnologías de generación de rayos X, extendiendo así la aplicación de rayos X al campo de espectroscopía no lineal y imágenes de difracción de una sola partícula donde se requiere alta potencia. El reciente exitoso AtSecond XFEL es un logro importante en la ciencia y la tecnología de los attosegundos, lo que aumenta la potencia máxima disponible en más de seis órdenes de magnitud en comparación con las fuentes de rayos X de benchtop.

Láseres de electrones gratispuede obtener energías de pulso Muchos órdenes de magnitud más altos que el nivel de emisión espontánea utilizando inestabilidad colectiva, que es causada por la interacción continua del campo de radiación en el haz de electrones relativistas y el oscilador magnético. En el rango duro de rayos X (aproximadamente 0.01 nm a 0.1 nm de longitud de onda), FEL se logra mediante técnicas de compresión de paquetes y post-saturación. En el rango de rayos X suave (aproximadamente 0.1 nm a 10 nm de longitud de onda), FEL es implementado por la tecnología Cascade Fresh-Slice. Recientemente, se ha informado que los pulsos de atosegundos con una potencia máxima de 100 GW se generan utilizando el método mejorado de emisión espontánea (ESASE) autoamplificada.

El equipo de investigación utilizó un sistema de amplificación de dos etapas basado en XFEL para amplificar la salida de pulso de rayos X suave del Linac Coherentefuente de luzAl nivel de TW, un orden de mejora de magnitud sobre los resultados informados. La configuración experimental se muestra en la Figura 1. Según el método ESASE, el emisor de fotocatodos se modula para obtener un haz de electrones con una pico de corriente alta, y se utiliza para generar pulsos de rayos X de atosegundos. El pulso inicial se encuentra en el borde frontal de la espiga 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 retrasa en relación con la radiografía por un compresor magnético, y luego el pulso interactúa con el haz (corte fresco) que no se modifica por el modulación de ESase o el láser fiel. Finalmente, se utiliza un segundo ondulador magnético para amplificar aún más las radiografías a través de la interacción de los pulsos de atosegundos con la porción fresca.

HIGO. 1 diagrama de dispositivos experimentales; La ilustración muestra el espacio de fase longitudinal (diagrama de energía de tiempo del electrón, verde), el perfil de corriente (azul) y la radiación producida por la amplificación de primer orden (Purple). 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 atosegundos se construyen a partir del 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 ondulador equivalentes, y descubrieron que estos espectros mantenían formas de onda lisas incluso después de la amplificación secundaria, lo que indica que los pulsos permanecían inimodales. En el dominio del tiempo, se mide la franja angular y se caracteriza la forma de onda del dominio del tiempo del pulso. 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 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 de impulso del fotoelectrón se determina en el momento de la emisión de electrones, y se establece la relación entre el modo angular del tiempo de emisión y la distribución de impulso del fotoelectrón. La distribución del impulso de fotoelectrones se mide utilizando un espectrómetro coaxial de mapeo rápido. Según la distribución y los resultados espectrales, se puede reconstruir la forma de onda del dominio del tiempo de los pulsos de atosegundos. La Figura 2 (a) muestra la distribución de la duración del pulso, con una mediana de 440 AS. Finalmente, se usó el detector de monitoreo de gas para medir la energía del pulso, y se calculó la gráfica 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 de haz de electrones, condiciones de enojo y condiciones de retraso del compresor magnético. Las tres configuraciones arrojaron energías de pulso promedio de 150, 200 y 260 µJ, respectivamente, con una potencia máxima máxima de 1.1 TW.

Figura 2. (A) Histolía de distribución de la duración del pulso de ancho completo de media altura (FWHM); (b) Gráfico 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 Soliton en la banda de rayos X, que aparece como un acortamiento continuo de pulso durante la amplificación. Es causada por una fuerte interacción entre los electrones y la radiación, con energía transferida rápidamente desde el electrón a la cabeza del pulso de rayos X y de regreso a la cola desde la cola del pulso. A través del estudio en profundidad de este fenómeno, se espera que los pulsos de rayos X con una mayor duración y una potencia máxima más alta puedan realizarse aún más extendiendo el proceso de amplificación de superradiación y aprovechando el acortamiento de pulso en el modo similar a solitones.