TW класты аттосекундтық рентгендік импульсті лазер

TW класты аттосекундтық рентгендік импульсті лазер
Аттосекундтық рентгенимпульстік лазержоғары қуатты және қысқа импульс ұзақтығы аса жылдам сызықты емес спектроскопия мен рентгендік дифракциялық бейнелеуге қол жеткізудің кілті болып табылады. Америка Құрама Штаттарындағы зерттеу тобы екі сатылы каскадты қолдандыРентгендік емес электронды лазерлердискретті аттосекундтық импульстарды шығару үшін. Қолданыстағы есептермен салыстырғанда, импульстардың орташа шың қуаты бірнеше есеге артады, максималды шың қуаты 1,1 ТВт, ал медиана энергиясы 100 мкДж-ден асады. Зерттеу сонымен қатар рентген өрісіндегі солитон тәрізді суперсәулеленудің мінез-құлқына сенімді дәлелдер келтіреді.Жоғары энергиялы лазерлержоғары өрісті физика, аттосекундтық спектроскопия және лазерлік бөлшектер үдеткіштері сияқты көптеген жаңа зерттеу салаларын дамытты. Лазерлердің барлық түрлерінің ішінде рентген сәулелері медициналық диагностикада, өнеркәсіптік ақауларды анықтауда, қауіпсіздікті тексеруде және ғылыми зерттеулерде кеңінен қолданылады. Рентгендік еркін электронды лазер (XFEL) басқа рентгендік генерациялау технологияларымен салыстырғанда шыңның рентгендік қуатын бірнеше есеге арттыра алады, осылайша рентген сәулелерін жоғары қуат қажет болатын сызықтық емес спектроскопия және бір бөлшекті дифракциялық бейнелеу саласына қолдануды кеңейтеді. Жақында сәтті болған аттосекундтық XFEL аттосекундтық ғылым мен техникадағы үлкен жетістік болып табылады, ол үстелдік рентген көздерімен салыстырғанда қолжетімді шыңның қуатын алты еседен астамға арттырады.

Еркін электронды лазерлеррелятивистік электронды сәуле мен магниттік осциллятордағы сәулелену өрісінің үздіксіз өзара әрекеттесуінен туындайтын ұжымдық тұрақсыздықты пайдаланып, өздігінен сәулелену деңгейінен бірнеше есе жоғары импульстік энергияларды ала алады. Қатты рентгендік диапазонда (шамамен 0,01 нм-ден 0,1 нм-ге дейінгі толқын ұзындығы) FEL байламды қысу және қаныққаннан кейінгі конус әдістері арқылы қол жеткізіледі. Жұмсақ рентгендік диапазонда (шамамен 0,1 нм-ден 10 нм-ге дейінгі толқын ұзындығы) FEL каскадты жаңа кесінді технологиясы арқылы жүзеге асырылады. Жақында күшейтілген өздігінен күшейтілген өздігінен сәулелену (ESASE) әдісін қолдану арқылы 100 ГВт шың қуаты бар аттосекундтық импульстардың пайда болғаны туралы хабарланды.

Зерттеу тобы линак когерентінен жұмсақ рентгендік аттосекундтық импульс шығысын күшейту үшін XFEL негізіндегі екі сатылы күшейту жүйесін пайдаланды.жарық көзіTW деңгейіне дейін, хабарланған нәтижелермен салыстырғанда шамасы бойынша жақсару тәртібі. Тәжірибелік орнату 1-суретте көрсетілген. ESASE әдісіне негізделген фотокатод эмиттері жоғары ток шыңы бар электронды сәуле алу үшін модуляцияланады және аттосекундтық рентген импульстарын генерациялау үшін қолданылады. Бастапқы импульс 1-суреттің жоғарғы сол жақ бұрышында көрсетілгендей, электронды сәуле шыңының алдыңғы шетінде орналасқан. XFEL қанығу деңгейіне жеткенде, электронды сәуле магниттік компрессор арқылы рентгенге қатысты кешіктіріледі, содан кейін импульс ESASE модуляциясы немесе FEL лазерімен өзгертілмеген электронды сәулемен (жаңа кесінді) әрекеттеседі. Соңында, аттосекундтық импульстардың жаңа кесіндімен әрекеттесуі арқылы рентген сәулелерін одан әрі күшейту үшін екінші магниттік толқындық түзеткіш қолданылады.

1-СУРЕТ. Тәжірибелік құрылғының диаграммасы; Суретте бойлық фазалық кеңістік (электронның уақыт-энергия диаграммасы, жасыл), ток профилі (көк) және бірінші ретті күшейту арқылы пайда болған сәулелену (күлгін) көрсетілген. XTCAV, X-диапазонды көлденең қуыс; cVMI, коаксиалды жылдам картаға түсіру бейнелеу жүйесі; FZP, Френель диапазонды пластина спектрометрі

Барлық аттосекундтық импульстар шуылдан жасалған, сондықтан әрбір импульстің әртүрлі спектрлік және уақыттық домендік қасиеттері бар, оларды зерттеушілер толығырақ зерттеді. Спектрлер тұрғысынан олар әртүрлі эквивалентті толқынды ұзындықтардағы жеке импульстардың спектрлерін өлшеу үшін Френель жолақты пластиналы спектрометрді пайдаланды және бұл спектрлер екінші реттік күшейтуден кейін де тегіс толқын формаларын сақтап қалғанын анықтады, бұл импульстардың бірмодальды болып қалатынын көрсетеді. Уақыттық доменде бұрыштық жиек өлшенеді және импульстің уақыттық домендік толқын формасы сипатталады. 1-суретте көрсетілгендей, рентгендік импульс дөңгелек поляризацияланған инфрақызыл лазерлік импульспен қабаттасады. Рентгендік импульспен иондалған фотоэлектрондар инфрақызыл лазердің векторлық потенциалына қарама-қарсы бағытта жолақтар тудырады. Лазердің электр өрісі уақытпен айналатындықтан, фотоэлектронның импульстік таралуы электрондардың сәулелену уақытымен анықталады және сәулелену уақытының бұрыштық режимі мен фотоэлектронның импульстік таралуы арасындағы байланыс орнатылады. Фотоэлектрон импульсінің таралуы коаксиалды жылдам картаға түсіру бейнелеу спектрометрін қолдану арқылы өлшенеді. Таралу және спектрлік нәтижелерге сүйене отырып, аттосекундтық импульстардың уақыттық домендік толқын формасын қалпына келтіруге болады. 2-суретте (а) медианасы 440 ат болатын импульс ұзақтығының таралуы көрсетілген. Соңында, импульс энергиясын өлшеу үшін газды бақылау детекторы пайдаланылды және 2-суретте (b) көрсетілгендей, шың импульс қуаты мен импульс ұзақтығы арасындағы шашыраңқылық графигі есептелді. Үш конфигурация электронды сәуленің фокустау шарттарына, толқындық конус жағдайларына және магниттік компрессордың кідіріс жағдайларына сәйкес келеді. Үш конфигурация сәйкесінше 150, 200 және 260 мкДж орташа импульс энергияларын берді, максималды шың қуаты 1,1 ТВт болды.

2-сурет. (a) Жартылай биіктіктегі толық ендік (FWHM) импульс ұзақтығының таралу гистограммасы; (b) Шың қуаты мен импульс ұзақтығына сәйкес келетін шашыраңқылық графигі

Сонымен қатар, зерттеу барысында алғаш рет рентгендік диапазондағы солитон тәрізді суперэмиссия құбылысы байқалды, ол күшейту кезінде импульстің үздіксіз қысқаруы ретінде көрінеді. Бұл электрондар мен сәулелену арасындағы күшті өзара әрекеттесуден туындайды, энергия электроннан рентгендік импульстің басына және импульстің құйрығынан электронға тез ауысады. Бұл құбылысты терең зерттеу арқылы суперсәулеленудің күшейту процесін кеңейту және солитон тәрізді режимде импульстің қысқаруын пайдалану арқылы қысқа мерзімді және жоғары шың қуатты рентгендік импульстарды одан әрі жүзеге асыруға болады деп күтілуде.