Laser de pulso de raios X de attossegundos da classe TW
Raios X de attossegundolaser pulsadoA alta potência e a curta duração do pulso são essenciais 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 estágios.lasers de elétrons livres de raios Xpara gerar pulsos discretos de attossegundos. Comparado com relatos existentes, a potência de pico média dos pulsos aumenta 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 a sólitons no campo de raios X.lasers de alta energiatêm impulsionado muitas novas áreas de pesquisa, incluindo física de campos intensos, espectroscopia de attossegundos e aceleradores de partículas a laser. Dentre todos os tipos de lasers, os raios X são amplamente utilizados em diagnósticos médicos, detecção de falhas industriais, inspeções de segurança e pesquisas científicas. O laser de elétrons livres de raios X (XFEL) pode aumentar a potência de pico dos raios X em várias ordens de magnitude em comparação com outras tecnologias de geração de raios X, ampliando assim a aplicação dos raios X para o campo da espectroscopia não linear e da imagem por difração de partículas individuais, onde alta potência é necessária. O recente sucesso do XFEL de attossegundos representa uma grande conquista na ciência e tecnologia de attossegundos, aumentando a potência de pico disponível em mais de seis ordens de magnitude em comparação com as 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 utilizando instabilidade coletiva, causada pela interação contínua do campo de radiação no feixe de elétrons relativísticos e o oscilador magnético. Na faixa de raios X duros (comprimento de onda de aproximadamente 0,01 nm a 0,1 nm), a emissão de elétrons livres (FEL) é alcançada por meio de técnicas de compressão de feixe e coneamento pós-saturação. Na faixa de raios X moles (comprimento de onda de aproximadamente 0,1 nm a 10 nm), a FEL é implementada pela tecnologia de fatiamento fresco em cascata. Recentemente, pulsos de attossegundos com potência de pico de 100 GW foram gerados utilizando o método de emissão espontânea autoamplificada aprimorada (ESASE).
A equipe de pesquisa utilizou um sistema de amplificação de dois estágios baseado em XFEL para amplificar o pulso de raios X moles de attossegundos emitido pelo acelerador linear coerente.fonte de luzaté o nível de TW, uma melhoria de uma 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 corrente elevado, 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, como mostrado no canto superior esquerdo da Figura 1. Quando o XFEL atinge a saturação, o feixe de elétrons é atrasado em relação aos raios X por um compressor magnético e, em seguida, o pulso interage com o feixe de elétrons (fatia fresca) que não foi modificado pela modulação ESASE ou pelo laser FEL. Finalmente, um segundo ondulador magnético é usado para amplificar ainda mais os raios X por meio da interação de pulsos de attossegundos com a fatia fresca.
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 imagem de mapeamento rápido coaxial; FZP, espectrômetro de placa de banda de Fresnel.
Todos os pulsos de attossegundos são construídos a partir de ruído, portanto, cada pulso possui propriedades espectrais e temporais diferentes, as quais os pesquisadores exploraram em detalhes. Em termos de espectros, eles utilizaram um espectrômetro de placa de banda de 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 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 com polarização circular. Os fotoelétrons ionizados pelo pulso de raios X produzem 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 dos fotoelétrons foi medida utilizando 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 pôde 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 utilizado para medir a energia do pulso, e o gráfico 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 em largura total à meia altura (FWHM); (b) Gráfico de dispersão correspondente à potência de pico e à duração do pulso.
Além disso, o estudo também observou, pela primeira vez, o fenômeno de superemissão tipo sóliton na banda de raios X, que se manifesta como um encurtamento contínuo do pulso durante a amplificação. Isso é causado por uma forte interação entre elétrons e radiação, com a energia sendo transferida rapidamente 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 desse fenômeno, espera-se que pulsos de raios X com duração mais curta e maior potência de pico possam ser obtidos, estendendo-se o processo de amplificação por superradiação e aproveitando-se o encurtamento do pulso no modo tipo sóliton.
Data da publicação: 27 de maio de 2024