Laser de pulso de raios X de attosegundo classe TW

Laser de pulso de raios X de attosegundo classe TW
Raio X de attosegundolaser de pulsocom alta potência e curta duração de pulso são a chave para alcançar espectroscopia não linear ultrarrápida e imagens de difração de raios X. A equipe de pesquisa nos Estados Unidos utilizou uma cascata de dois estágiosLasers de elétrons livres de raios Xpara emitir pulsos discretos de attossegundos. Em comparação com relatórios existentes, a potência de pico média dos pulsos é aumentada em uma ordem de magnitude, a potência de pico máxima é de 1,1 TW e a energia mediana é superior a 100 μJ. O estudo também fornece fortes evidências de comportamento de superradiação semelhante ao de um sóliton no campo de raios X.Lasers de alta energiaimpulsionaram muitas novas áreas de pesquisa, incluindo física de alto campo, espectroscopia de attosegundo e aceleradores de partículas a laser. Entre todos os tipos de lasers, os raios X são amplamente utilizados em diagnósticos médicos, detecção de falhas industriais, inspeção de segurança e pesquisa científica. O laser de elétrons livres de raios X (XFEL) pode aumentar a potência de pico de raios X em várias ordens de magnitude em comparação com outras tecnologias de geração de raios X, estendendo assim a aplicação de raios X ao campo da espectroscopia não linear e imagens de difração de partículas individuais, onde alta potência é necessária. O recente e bem-sucedido XFEL de attosegundo é uma grande conquista na ciência e tecnologia de attosegundos, aumentando a potência de pico disponível em mais de seis ordens de magnitude em comparação com fontes de raios X de bancada.

Lasers de elétrons livresÉ possível obter energias de pulso muitas ordens de magnitude superiores ao nível de emissão espontânea usando instabilidade coletiva, causada pela interação contínua do campo de radiação no feixe de elétrons relativístico e no oscilador magnético. Na faixa de raios X duros (comprimento de onda de cerca de 0,01 nm a 0,1 nm), a FEL é obtida por compressão de feixes e técnicas de cone pós-saturação. Na faixa de raios X moles (comprimento de onda de cerca de 0,1 nm a 10 nm), a FEL é implementada pela tecnologia de corte fresco em cascata. Recentemente, pulsos de attosegundo com potência de pico de 100 GW foram gerados usando o método de emissão espontânea autoamplificada aprimorada (ESASE).

A equipe de pesquisa usou um sistema de amplificação de dois estágios baseado em XFEL para amplificar a saída de pulso de attosegundo de raios X suaves do linac coerentefonte de luzpara o nível TW, uma melhoria de ordem de magnitude em relação aos resultados relatados. A configuração experimental é mostrada na Figura 1. Com base no método ESASE, o emissor do fotocátodo é modulado para obter um feixe de elétrons com um pico de alta corrente e é usado para gerar pulsos de raios X de attosegundo. O pulso inicial está localizado na borda frontal do pico do feixe de elétrons, conforme mostrado no canto superior esquerdo da Figura 1. Quando o XFEL atinge a saturação, o feixe de elétrons é atrasado em relação ao raio X por um compressor magnético e, em seguida, o pulso interage com o feixe de elétrons (fatia nova) que não é modificado pela modulação ESASE ou laser FEL. Finalmente, um segundo ondulador magnético é usado para amplificar ainda mais os raios X por meio da interação de pulsos de attosegundo com a fatia nova.

FIG. 1 Diagrama do dispositivo experimental; a ilustração mostra o espaço de fase longitudinal (diagrama tempo-energia do elétron, verde), o perfil de corrente (azul) e a radiação produzida pela amplificação de primeira ordem (roxo). XTCAV, cavidade transversal de banda X; cVMI, sistema de mapeamento rápido de imagem coaxial; FZP, espectrômetro de placa de banda Fresnel.

Todos os pulsos de attossegundo são construídos a partir de ruído, portanto, cada pulso possui diferentes propriedades espectrais e de domínio de tempo, que os pesquisadores exploraram em mais detalhes. Em termos de espectros, eles usaram um espectrômetro de placa de banda de Fresnel para medir os espectros de pulsos individuais em diferentes comprimentos de ondulador equivalentes e descobriram que esses espectros mantiveram formas de onda suaves mesmo após a amplificação secundária, indicando que os pulsos permaneceram unimodais. No domínio do tempo, a franja angular é medida e a forma de onda do pulso no domínio do tempo é caracterizada. Como mostrado na Figura 1, o pulso de raios X é sobreposto ao pulso de laser infravermelho polarizado circularmente. Os fotoelétrons ionizados pelo pulso de raios X produzirão listras na direção oposta ao potencial vetorial do laser infravermelho. Como o campo elétrico do laser gira com o tempo, a distribuição de momento do fotoelétron é determinada pelo tempo de emissão do elétron, e a relação entre o modo angular do tempo de emissão e a distribuição de momento do fotoelétron é estabelecida. A distribuição do momento do fotoelétron é medida usando um espectrômetro de imagem de mapeamento rápido coaxial. Com base na distribuição e nos resultados espectrais, a forma de onda no domínio do tempo dos pulsos de attosegundos pode ser reconstruída. A Figura 2 (a) mostra a distribuição da duração do pulso, com uma mediana de 440 as. Finalmente, o detector de monitoramento de gás foi usado para medir a energia do pulso, e o diagrama de dispersão entre a potência de pico do pulso e a duração do pulso, como mostrado na Figura 2 (b), foi calculado. As três configurações correspondem a diferentes condições de focalização do feixe de elétrons, condições de cone de onda e condições de atraso do compressor magnético. As três configurações produziram energias médias de pulso de 150, 200 e 260 µJ, respectivamente, com uma potência de pico máxima de 1,1 TW.

Figura 2. (a) Histograma de distribuição da duração do pulso de meia altura e largura total (FWHM); (b) Diagrama de dispersão correspondente à potência de pico e à duração do pulso

Além disso, o estudo também observou pela primeira vez o fenômeno da superemissão tipo sóliton na faixa de raios X, que se manifesta como um encurtamento contínuo do pulso durante a amplificação. É causado por uma forte interação entre elétrons e radiação, com a energia sendo rapidamente transferida do elétron para a ponta do pulso de raios X e de volta para o elétron a partir da cauda do pulso. Através de um estudo aprofundado desse fenômeno, espera-se que pulsos de raios X com duração mais curta e maior potência de pico possam ser obtidos posteriormente, estendendo o processo de amplificação por superradiação e aproveitando o encurtamento do pulso no modo tipo sóliton.