Laser de pulso de raios X de attosegundo classe TW

Laser de pulso de raios X de attosegundo classe TW
Raio X de attosegundolaser pulsadocom alta potência e curta duração de pulso são a chave para obter espectroscopia não linear ultrarrápida e imagens de difração de raios X. A equipe de pesquisa nos Estados Unidos usou uma cascata de dois estágiosLasers de elétrons livres de raios Xpara gerar pulsos discretos de attosegundos. Em comparação com os relatórios existentes, a potência média de pico dos pulsos é aumentada em uma ordem de grandeza, a potência máxima de pico é de 1,1 TW e a energia média é superior a 100 μJ. O estudo também fornece fortes evidências do comportamento da superradiação semelhante ao soliton no campo de raios-X.Lasers de alta energiaimpulsionaram muitas novas áreas de pesquisa, incluindo física de alto campo, espectroscopia de attossegundos e aceleradores de partículas a laser. Entre todos os tipos de lasers, os raios X são amplamente utilizados em diagnóstico médico, 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 dos raios X em várias ordens de grandeza em comparação com outras tecnologias de geração de raios X, estendendo assim a aplicação de raios X ao campo da espectroscopia não linear e single- imagens de difração de partículas onde alta potência é necessária. O recente sucesso do attosecond XFEL é uma grande conquista na ciência e tecnologia do attosecond, 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 livrespode obter energias de pulso muitas ordens de grandeza superiores ao nível de emissão espontânea usando instabilidade coletiva, que é causada pela interação contínua do campo de radiação no feixe de elétrons relativístico e no oscilador magnético. Na faixa de raios X duros (cerca de 0,01 nm a 0,1 nm de comprimento de onda), o FEL é obtido por compressão de feixe e técnicas de cone pós-saturação. Na faixa de raios X suaves (comprimento de onda de cerca de 0,1 nm a 10 nm), o FEL é implementado pela tecnologia de fatia fresca em cascata. Recentemente, foi relatado que pulsos de attossegundos com potência de pico de 100 GW são 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 attossegundos de raios X suaves do linac coerentefonte de luzpara o nível TW, uma melhoria de ordem de grandeza em relação aos resultados relatados. A configuração experimental é mostrada na Figura 1. Com base no método ESASE, o emissor fotocátodo é modulado para obter um feixe de elétrons com alto pico de corrente e é usado para gerar pulsos de raios X de attossegundos. 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 então o pulso interage com o feixe de elétrons (fatia fresca) que não é modificado pela modulação ESASE ou laser FEL. Finalmente, um segundo ondulador magnético é usado para amplificar ainda mais os raios X através da interação de pulsos de attossegundos com a fatia fresca.

FIGO. 1 Diagrama do dispositivo experimental; A ilustração mostra o espaço de fase longitudinal (diagrama tempo-energia do elétron, verde), o perfil da 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 attossegundos são construídos a partir de ruído, de modo que cada pulso tem diferentes propriedades espectrais e no domínio do tempo, que os pesquisadores exploraram com 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 de ondulador, e descobriram que esses espectros mantinham formas de onda suaves 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 pulso no domínio do tempo é caracterizada. Conforme 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 estrias 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 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 attossegundos pode ser reconstruída. A Figura 2 (a) mostra a distribuição da duração do pulso, com 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 de pico do pulso e a duração do pulso, conforme mostrado na Figura 2 (b), foi calculado. As três configurações correspondem a diferentes condições de foco do feixe de elétrons, condições de oscilação de cone e condições de atraso do compressor magnético. As três configurações produziram energias de pulso médias de 150, 200 e 260 µJ, respectivamente, com 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) Gráfico de dispersão correspondente à potência de pico e duração do pulso

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