TW da classe Attossegundo Laser de pulso de raios-X

TW da classe Attossegundo Laser de pulso de raios-X
Attossegundo-raio-xlaser de pulsoCom alta potência e duração de pulso curto, são a chave para obter espectroscopia não linear ultra-rápida e imagem de difração de raios-X. A equipe de pesquisa nos Estados Unidos usou uma cascata de dois estágiosLasers de elétrons livres de raios-XPara produzir pulsos de atrossegundos discretos. Comparado aos relatórios existentes, o pico de potência média dos pulsos é aumentado por uma ordem de magnitude, a potência máxima de pico é de 1,1 TW e a energia mediana é superior a 100 μJ. O estudo também fornece fortes evidências de comportamento de superradiação do tipo soliton no campo de raios-X.Lasers de alta energiaConduziram muitas novas áreas de pesquisa, incluindo física de alto campo, espectroscopia de adtosegundos e aceleradores de partículas a laser. Entre todos os tipos de lasers, os raios X são amplamente utilizados no diagnóstico médico, detecção de falhas industriais, inspeção de segurança e pesquisa científica. O laser de elétrons livres de raios-X (XFEL) pode aumentar o pico de potência 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 de espectroscopia não linear e imagens de difração de partículas únicas, onde é necessária alta potência. O recente atOSgund Xfel recente é uma grande conquista na ciência e tecnologia da Attossegundos, aumentando o pico de potência disponível em mais de seis ordens de magnitude em comparação com as fontes de raios-X de bancada.

Lasers de elétrons livrespode obter energias de pulso muitas ordens de magnitude maiores que o 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 rígida de raios-X (cerca de 0,01 nm a 0,1 nm de comprimento de onda), FEL é alcançado pela compactação de pacote e técnicas de conexão pós-saturação. Na faixa de raios-X suave (cerca de 0,1 nm a 10 nm de comprimento de onda), o FEL é implementado pela tecnologia Cascade Fresh-Slice. Recentemente, foram relatados pulsos de altos segundos com um pico de potência de 100 GW como gerado usando o método aprimorado de emissão espontânea auto-amplificada (ESase).

A equipe de pesquisa usou um sistema de amplificação de dois estágios baseado no XFEL para amplificar a saída de pulso de tom de raio-x suave do Linac Coerentfonte de luzPara o nível TW, uma ordem de melhoria de magnitude em relação aos resultados relatados. A configuração experimental é mostrada na Figura 1. Com base no método ESASE, o emissor do fotocatode é modulado para obter um feixe de elétrons com um pico de alta corrente e é usado para gerar pulsos de raios-X da Attossegundos. O pulso inicial está localizado na borda frontal do pico do feixe de elétrons, como mostrado no canto superior esquerdo da Figura 1. Quando o Xfel atinge a saturação, o feixe de elétrons é retardado em relação à raios-X por um compressor magnético e, em seguida, o pulso interage com a feixe de elétrons (fatia fresca) que não é modificada pelo modulação da ESASase ou Fels. Finalmente, um segundo ondulador magnético é usado para amplificar ainda mais os raios-X através da interação de pulsos de altos segundos com a fatia fresca.

FIGO. 1 Diagrama de dispositivos experimentais; A ilustração mostra o espaço de fase longitudinal (diagrama de energia do tempo do elétron, verde), o perfil de corrente (azul) e a radiação produzida pela amplificação de primeira ordem (roxo). Xtcav, cavidade transversal da banda X; CVMI, sistema de imagem de mapeamento rápido coaxial; FZP, espectrômetro de placa de banda Fresnel

Todos os pulsos de altos segundos são construídos a partir de ruído; portanto, cada pulso possui diferentes propriedades espectrais e no domínio do tempo, que os pesquisadores exploraram em mais detalhes. Em termos de espectros, eles usaram um espectrômetro de placa de banda Fresnel para medir os espectros de pulsos individuais em diferentes comprimentos equivalentes ondulados e descobriram que esses espectros mantinham formas de onda lisas mesmo após a amplificação secundária, indicando que os pulsos permaneciam unimodais. No domínio do tempo, a franja angular é medida e a forma de onda do domínio do tempo do pulso 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 faixas na direção oposta ao potencial vetorial do laser infravermelho. Como o campo elétrico do laser gira com o tempo, a distribuição do momento do fotoelétron é determinada pelo tempo da emissão de elétrons e a relação entre o modo angular do tempo de emissão e a distribuição do momento do fotoelétron é estabelecida. A distribuição do momento do fotoelétron é medida usando um espectrômetro de imagem de mapeamento rápido coaxial. Com base nos resultados de distribuição e espectral, a forma de onda no domínio do tempo dos pulsos de altossegundos 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 gráfico de dispersão entre a potência do pulso de pico e a duração do pulso, como mostrado na Figura 2 (b), foi calculado. As três configurações correspondem a diferentes condições de foco do feixe de elétrons, condições de conexão com vacilar 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 máxima de pico de 1,1 TW.

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

Além disso, o estudo também observou pela primeira vez o fenômeno da superemissão semelhante a um soliton na banda de raios-X, que aparece como um encurtamento contínuo de pulso durante a amplificação. É causado por uma forte interação entre elétrons e radiação, com a energia transferida rapidamente do elétron para a cabeça do pulso de raios-X e de volta ao elétron da cauda do pulso. Através do estudo aprofundado desse fenômeno, espera-se que pulsos de raios-X com duração mais curta e maior potência de pico possam ser realizados ainda mais, estendendo o processo de amplificação da superradiação e aproveitando o encurtamento do pulso no modo de soliton.