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 attosegundosláser 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 anteriores, 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 media 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 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 fallos 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, extendiendo así la aplicación de los rayos X al campo de la espectroscopia no lineal y la imagen de difracción de partículas individuales, donde se requiere alta potencia. El reciente éxito del XFEL de attosegundos representa un logro importante en la ciencia y la tecnología de attosegundos, al aumentar la potencia máxima 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 varios 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 relativistas y el oscilador magnético. En el rango de rayos X duros (aproximadamente de 0,01 nm a 0,1 nm de longitud de onda), el FEL se logra mediante técnicas de compresión de haces y cono de post-saturación. En el rango de rayos X blandos (aproximadamente de 0,1 nm a 10 nm de longitud de onda), el FEL se implementa mediante tecnología de cascada de corte fresco. 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 attosegundos de rayos X blandos del acelerador lineal coherente.fuente de luzal nivel de TW, una mejora de un orden de magnitud con respecto a 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 retrasa con respecto a los rayos X mediante un compresor magnético, y luego el pulso interactúa con el haz de electrones (corte fresco) que no ha sido modificado por la modulación ESASE o el láser FEL. Finalmente, se utiliza un segundo ondulador magnético para amplificar aún más los rayos X a través de 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 tiempo-energía del electrón, verde), el perfil de corriente (azul) y la radiación producida por la amplificación de primer orden (púrpura). 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 de ruido, por lo que cada pulso tiene propiedades espectrales y temporales diferentes, que los investigadores exploraron con mayor 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 encontraron que estos espectros mantenían formas de onda suaves incluso después de la amplificación secundaria, lo que indica que los pulsos permanecieron 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 láser infrarrojo polarizado circularmente. Los fotoelectrones ionizados por el pulso de rayos X producirán estrías en la dirección opuesta al potencial vectorial del láser infrarrojo. Debido a que el campo eléctrico del láser rota con el tiempo, la distribución de 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 de momento del fotoelectrón. La distribución del momento del fotoelectrón se mide utilizando un espectrómetro de imágenes de mapeo rápido coaxial. Basándonos 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 monitorización 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 cono de 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 máxima de pico de 1,1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribución de la duración del pulso a media altura y ancho completo (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 electrones y radiación, con una rápida transferencia de energía del electrón al inicio del pulso de rayos X y viceversa. Mediante un estudio exhaustivo de este fenómeno, se espera que se puedan obtener pulsos de rayos X de menor duración y mayor potencia pico, extendiendo el proceso de amplificación por superradiación y aprovechando el acortamiento del pulso en modo tipo solitón.