TW класындағы аттосекундтық рентгендік импульстік лазер

TW класындағы аттосекундтық рентгендік импульстік лазер
Аттосекундтық рентгенимпульстік лазержоғары қуатты және қысқа импульс ұзақтығы өте жылдам сызықты емес спектроскопия мен рентгендік дифракциялық бейнелеуге қол жеткізудің кілті болып табылады. Америка Құрама Штаттарындағы зерттеу тобы екі сатылы каскадты пайдаландыРентгенсіз электронды лазерлердискретті аттосекундтық импульстарды шығару үшін. Қолданыстағы есептермен салыстырғанда импульстердің орташа шыңдық қуаты магнитудасы ретімен ұлғайған, максималды шыңдық қуат 1,1 ТВт, ал медианалық энергия 100 мкДж-ден астам. Зерттеу сонымен қатар рентгендік өрістегі солитон тәрізді суперрадиацияның әрекетіне күшті дәлелдер береді.Жоғары энергиялы лазерлержоғары өріс физикасын, аттосекундтық спектроскопияны және лазерлік бөлшектердің үдеткіштерін қоса алғанда, көптеген жаңа зерттеулер бағыттарын қозғады. Лазерлердің барлық түрлерінің ішінде рентген сәулелері медициналық диагностикада, өндірістік ақауларды анықтауда, қауіпсіздікті тексеруде және ғылыми зерттеулерде кеңінен қолданылады. Рентген сәулелерінің бос электронды лазері (XFEL) рентген сәулелерінің ең жоғары қуатын басқа рентгендік генерациялау технологияларымен салыстырғанда бірнеше ретке ұлғайта алады, осылайша рентген сәулелерін сызықтық емес спектроскопия және бір-ақ сәулелену өрісіне қолдануды кеңейтеді. жоғары қуат қажет болатын бөлшектердің дифракциясын бейнелеу. Жақында сәтті аттосекундтық XFEL - бұл аттосекундтық ғылым мен технологияның үлкен жетістігі, стендтік рентгендік көздермен салыстырғанда қол жетімді ең жоғары қуатты алты баллдан астамға арттырады.

Еркін электронды лазерлеррелятивистік электрондар сәулесіндегі және магниттік осциллятордағы сәулелену өрісінің үздіксіз әрекеттесуінен туындайтын ұжымдық тұрақсыздықты пайдалана отырып, өздігінен эмиссия деңгейінен көп реттік жоғары импульстік энергияларды ала алады. Қатты рентген диапазонында (шамамен 0,01 нм-ден 0,1 нм толқын ұзындығына дейін) FEL байламды қысу және қанығудан кейінгі конустық әдістер арқылы қол жеткізіледі. Жұмсақ рентген диапазонында (шамамен 0,1 нм-ден 10 нм толқын ұзындығына дейін) FEL каскадты жаңа кесінді технологиясы арқылы жүзеге асырылады. Жақында 100 ГВт ең жоғары қуаты бар аттосекундтық импульстар күшейтілген өзін-өзі күшейтетін өздігінен шығарындылар (ESASE) әдісін қолдану арқылы жасалғаны туралы хабарланды.

Зерттеу тобы линак когерентінен жұмсақ рентгендік аттосекундтық импульс шығысын күшейту үшін XFEL негізіндегі екі сатылы күшейту жүйесін пайдаланды.жарық көзіTW деңгейіне, хабарланған нәтижелерге қарағанда шамасының жақсару реті. Тәжірибелік қондырғы 1-суретте көрсетілген. ESASE әдісі негізінде фотокатодты эмитент жоғары ток секірісі бар электронды сәулені алу үшін модуляцияланады және аттосекундтық рентгендік импульстарды генерациялау үшін қолданылады. Бастапқы импульс 1-суреттің жоғарғы сол жақ бұрышында көрсетілгендей, электронды сәуленің ұшының алдыңғы жиегінде орналасқан. XFEL қанығуға жеткенде, магниттік компрессор арқылы электронды сәуле рентгенге қатысты кешіктіріледі, содан кейін импульс ESASE модуляциясымен немесе FEL лазерімен өзгертілмеген электронды сәулемен (жаңа кесінді) әрекеттеседі. Соңында, аттосекундтық импульстердің жаңа кесіндімен өзара әрекеттесуі арқылы рентген сәулелерін одан әрі күшейту үшін екінші магниттік толқынды құрылғы қолданылады.

ІНЖІР. 1 Эксперименттік құрылғы схемасы; Суретте бойлық фазалық кеңістік (электронның уақыт-энергетикалық диаграммасы, жасыл), ток профилі (көк) және бірінші ретті күшейту (күлгін) арқылы алынған сәулелену көрсетілген. XTCAV, X диапазонындағы көлденең қуыс; cVMI, коаксиалды жылдам картаны бейнелеу жүйесі; FZP, Френель диапазонды пластиналы спектрометр

Барлық аттосекундтық импульстар шуылдан құрылған, сондықтан әрбір импульс әртүрлі спектрлік және уақыттық домендік қасиеттерге ие, оларды зерттеушілер толығырақ зерттеді. Спектрлер тұрғысынан олар әртүрлі эквивалентті толқынды толқындардың ұзындықтарындағы жеке импульстардың спектрлерін өлшеу үшін Френель диапазонының пластиналық спектрометрін қолданды және бұл спектрлер қайталама күшейтілгеннен кейін де тегіс толқын пішіндерін сақтайтынын анықтады, бұл импульстердің бірмодальды күйінде қалғанын көрсетеді. Уақыт доменінде бұрыштық жиек өлшенеді және импульстің уақыттық доменінің толқын пішіні сипатталады. 1-суретте көрсетілгендей, рентгендік импульс айналмалы поляризацияланған инфрақызыл лазерлік импульспен қабаттасады. Рентгендік импульспен иондалған фотоэлектрондар инфрақызыл лазердің векторлық потенциалына қарама-қарсы бағытта жолақтар жасайды. Лазердің электр өрісі уақыт бойынша айналатындықтан, фотоэлектронның импульсінің таралуы электронның эмиссия уақытымен анықталады және сәуле шығару уақытының бұрыштық режимі мен фотоэлектронның импульсінің таралуы арасындағы байланыс орнатылады. Фотоэлектрондық импульстің таралуы коаксиалды жылдам бейнелеу спектрометрінің көмегімен өлшенеді. Бөлу және спектрлік нәтижелерге сүйене отырып, аттосекундтық импульстердің уақыттық домендік толқын пішінін қайта құруға болады. 2 (а) суретте импульс ұзақтығының таралуы көрсетілген, медианасы 440 тең. Соңында, импульстік энергияны өлшеу үшін газды бақылау детекторы қолданылды және 2 (b) суретте көрсетілгендей импульстің ең жоғары қуаты мен импульс ұзақтығы арасындағы шашырау графигі есептелді. Үш конфигурация әртүрлі электронды сәуленің фокустау жағдайларына, толқынды конустық жағдайларға және магниттік компрессордың кешігу жағдайларына сәйкес келеді. Үш конфигурация сәйкесінше 150, 200 және 260 мкДж орташа импульстік энергияны берді, ең жоғары шыңы 1,1 ТВт.

2-сурет. (a) Жартылай биіктіктің таралу гистограммасы Толық ен (FWHM) импульс ұзақтығы; (b) Ең жоғары қуат пен импульс ұзақтығына сәйкес келетін шашырау сызбасы

Сонымен қатар, зерттеуде бірінші рет рентгендік диапазондағы солитон тәрізді суперэмиссия құбылысы байқалды, ол күшейту кезінде импульстің үздіксіз қысқаруы ретінде пайда болады. Ол электрондар мен сәулеленудің күшті әсерлесуінен туындайды, энергия электроннан рентгендік импульстің басына және импульстің құйрығынан электронға кері ауысады. Бұл құбылысты терең зерттеу арқылы ұзағырақ және жоғары шыңдық қуаты бар рентгендік импульстарды суперрадиацияны күшейту процесін ұзарту және солитон тәрізді режимде импульсті қысқарту мүмкіндігін пайдалану арқылы одан әрі жүзеге асыруға болады деп күтілуде.