Láser de pulsos de rayos X de attosegundos de clase TW

Láser de pulsos de rayos X de attosegundos de clase TW
Rayos X de attosegundoláser pulsadoLa alta potencia y la corta duración del pulso son clave para lograr espectroscopia no lineal ultrarrápida e imágenes de 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 previos, 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 tipo solitón en el campo de rayos X.Láseres de alta energíaHan impulsado numerosas áreas nuevas de investigación, como la física de campos intensos, 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 defectos industriales, la inspección de seguridad y la investigación científica. El láser de electrones libres de rayos X (XFEL) puede aumentar la potencia máxima de los rayos X en varios órdenes de magnitud en comparación con otras tecnologías de generación de rayos X, lo que amplía su aplicación 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 representa un hito importante en la ciencia y la tecnología de los attosegundos, al aumentar la potencia máxima disponible en más de seis órdenes de magnitud en comparación con las fuentes de rayos X de laboratorio.

Láseres de electrones libresMediante la inestabilidad colectiva, causada por la interacción continua del campo de radiación en el haz de electrones relativistas y el oscilador magnético, se pueden obtener energías de pulso varios órdenes de magnitud superiores al nivel de emisión espontánea. En el rango de rayos X duros (longitudes de onda de aproximadamente 0,01 nm a 0,1 nm), la emisión de electrones libres (FEL) se logra mediante técnicas de compresión de haces y conificación post-saturación. En el rango de rayos X blandos (longitudes de onda de aproximadamente 0,1 nm a 10 nm), la FEL se implementa mediante la tecnología de recubrimiento en cascada. Recientemente, se ha informado de la generación de pulsos de attosegundos con una potencia pico 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 pulsos de rayos X blandos de attosegundos del acelerador lineal coherente.fuente de luzSe alcanza el nivel de TW, lo que supone una mejora de un orden de magnitud con respecto a los resultados publicados. El montaje 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 elevado, que se utiliza para generar pulsos de rayos X de attosegundos. El pulso inicial se sitúa en el borde frontal del pico del haz de electrones, como se muestra en la esquina superior izquierda de la Figura 1. Cuando el láser de electrones libres de rayos X (XFEL) alcanza la saturación, el haz de electrones se retrasa con respecto a los rayos X mediante un compresor magnético, y entonces el pulso interactúa con el haz de electrones (corte fresco) que no ha sido modificado por la modulación ESASE ni por el láser FEL. Finalmente, se utiliza un segundo ondulador magnético para amplificar aún más los rayos X mediante la interacción de los pulsos de attosegundos con el corte fresco.

FIG. 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 amplificación de primer orden (morado). XTCAV, cavidad transversal de banda X; cVMI, sistema de imagen de mapeo rápido coaxial; FZP, espectrómetro de placa de banda de Fresnel.

Todos los pulsos de attosegundos se componen de ruido, por lo que cada pulso presenta propiedades espectrales y temporales distintas, las cuales los investigadores exploraron con mayor detalle. En cuanto a los espectros, utilizaron un espectrómetro de placa de Fresnel para medir los espectros de pulsos individuales a diferentes longitudes equivalentes del ondulador, y observaron 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 temporal, se midió la franja angular y se caracterizó la forma de onda 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 producen líneas en la dirección opuesta al potencial vectorial del láser infrarrojo. Debido a que el campo eléctrico del láser rota con el tiempo, la distribución del momento del fotoelectrón está determinada por el instante de emisión del electrón, y se establece la relación entre el modo angular del instante de emisión y la distribución del momento del fotoelectrón. La distribución del momento del fotoelectrón se mide mediante un espectrómetro de imagen coaxial de mapeo rápido. A partir de 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 un detector de monitorización de gas para medir la energía del pulso y se calculó el diagrama de dispersión entre la potencia máxima del pulso y su duración, como se muestra en la figura 2(b). Las tres configuraciones corresponden a diferentes condiciones de enfoque del haz de electrones, de conificación de ondas y de retardo del compresor magnético. Las tres configuraciones produjeron energías de pulso promedio de 150, 200 y 260 µJ, respectivamente, con una potencia máxima de 1,1 TW.

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

Además, el estudio observó por primera vez el fenómeno de superemisión 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 desde el electrón hacia el extremo del pulso de rayos X y de regreso al electrón desde el extremo posterior. Mediante un estudio exhaustivo de este fenómeno, se espera que, al extender el proceso de amplificación por superradiación y aprovechar el acortamiento del pulso en modo solitón, se puedan obtener pulsos de rayos X de menor duración y mayor potencia pico.