Attosekunden-Röntgenpulslaser der TW-Klasse

Attosekunden-Röntgenpulslaser der TW-Klasse
Attosekunden-RöntgenstrahlungPulslaserHohe Leistung und kurze Pulsdauer sind der Schlüssel zu ultraschneller nichtlinearer Spektroskopie und Röntgenbeugungsbildgebung. Das Forschungsteam in den Vereinigten Staaten nutzte eine Kaskade zweistufigerRöntgen-Freie-Elektronen-Laserzur Erzeugung diskreter Attosekundenpulse. Im Vergleich zu bisherigen Berichten ist die mittlere Spitzenleistung der Pulse um eine Größenordnung höher, die maximale Spitzenleistung beträgt 1,1 TW und die mittlere Energie liegt bei über 100 μJ. Die Studie liefert zudem starke Hinweise auf solitonartiges Superstrahlungsverhalten im Röntgenbereich.HochenergielaserSie haben zahlreiche neue Forschungsgebiete erschlossen, darunter Hochfeldphysik, Attosekundenspektroskopie und Laser-Teilchenbeschleuniger. Unter den verschiedenen Laserarten finden Röntgenstrahlen breite Anwendung in der medizinischen Diagnostik, der industriellen Fehlererkennung, der Sicherheitsprüfung und der wissenschaftlichen Forschung. Der Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) kann die Spitzenleistung der Röntgenstrahlung im Vergleich zu anderen Röntgenerzeugungstechnologien um mehrere Größenordnungen steigern und so die Anwendung von Röntgenstrahlen auf die nichtlineare Spektroskopie und die Einzelpartikel-Diffraktionsbildgebung ausweiten, wo hohe Leistungen erforderlich sind. Der kürzlich erfolgreich entwickelte Attosekunden-XFEL stellt einen Meilenstein in der Attosekundenphysik dar und erhöht die verfügbare Spitzenleistung im Vergleich zu Tischröntgenquellen um mehr als sechs Größenordnungen.

Freie-Elektronen-LaserDurch die Nutzung kollektiver Instabilität, die durch die kontinuierliche Wechselwirkung des Strahlungsfeldes im relativistischen Elektronenstrahl mit dem magnetischen Oszillator entsteht, lassen sich Pulsenergien erzielen, die um viele Größenordnungen über dem Niveau der spontanen Emission liegen. Im harten Röntgenbereich (ca. 0,01 nm bis 0,1 nm Wellenlänge) wird die Freie-Elektronen-Emission (FEL) durch Bündelkompression und Nachsättigungskonus-Techniken realisiert. Im weichen Röntgenbereich (ca. 0,1 nm bis 10 nm Wellenlänge) wird die FEL mittels Kaskaden-Fresh-Slice-Technologie umgesetzt. Kürzlich wurde über die Erzeugung von Attosekundenpulsen mit einer Spitzenleistung von 100 GW mithilfe der Methode der verstärkten selbstverstärkten spontanen Emission (ESASE) berichtet.

Das Forschungsteam nutzte ein zweistufiges Verstärkungssystem auf XFEL-Basis, um den Attosekunden-Puls weicher Röntgenstrahlung aus dem kohärenten Linearbeschleuniger zu verstärken.LichtquelleDie Leistung wurde auf TW-Niveau gesteigert, was eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber den bisherigen Ergebnissen darstellt. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Basierend auf der ESASE-Methode wird der Photokathodenemitter moduliert, um einen Elektronenstrahl mit einem hohen Stromimpuls zu erzeugen, der zur Generierung von Attosekunden-Röntgenpulsen dient. Der erste Puls befindet sich an der Vorderkante des Stromimpulses des Elektronenstrahls (siehe Abbildung 1, obere linke Ecke). Sobald der FEL-Laser die Sättigung erreicht, wird der Elektronenstrahl mittels eines Magnetkompressors relativ zur Röntgenstrahlung verzögert. Anschließend interagiert der Puls mit dem Elektronenstrahl (unveränderte Schicht), der weder durch die ESASE-Modulation noch durch den FEL-Laser beeinflusst wurde. Abschließend verstärkt ein zweiter Magnetundulator die Röntgenstrahlung durch die Wechselwirkung von Attosekundenpulsen mit der unveränderten Schicht.

Abb. 1 Schema der Versuchsanordnung; die Abbildung zeigt den longitudinalen Phasenraum (Zeit-Energie-Diagramm des Elektrons, grün), das Stromprofil (blau) und die durch Verstärkung erster Ordnung erzeugte Strahlung (violett). XTCAV, X-Band-Transversalresonator; cVMI, koaxiales Schnellabbildungssystem; FZP, Fresnel-Bandplattenspektrometer

Alle Attosekundenpulse werden aus Rauschen erzeugt, daher weist jeder Puls unterschiedliche spektrale und zeitliche Eigenschaften auf, die die Forscher genauer untersuchten. Zur Spektrenmessung verwendeten sie ein Fresnel-Bandplatten-Spektrometer, um die Spektren einzelner Pulse bei verschiedenen äquivalenten Undulatorlängen zu messen. Dabei stellten sie fest, dass diese Spektren auch nach der Sekundärverstärkung glatte Wellenformen beibehielten, was darauf hindeutet, dass die Pulse unimodal blieben. Im Zeitbereich wurde die Winkelstreuung gemessen und die zeitliche Wellenform des Pulses charakterisiert. Wie in Abbildung 1 dargestellt, überlagert sich der Röntgenpuls mit dem zirkular polarisierten Infrarotlaserpuls. Die durch den Röntgenpuls ionisierten Photoelektronen erzeugen Streifen entgegengesetzt zum Vektorpotential des Infrarotlasers. Da sich das elektrische Feld des Lasers mit der Zeit dreht, wird die Impulsverteilung des Photoelektrons durch den Zeitpunkt der Elektronenemission bestimmt. So konnte der Zusammenhang zwischen der Winkelverteilung der Emissionszeit und der Impulsverteilung des Photoelektrons hergestellt werden. Die Impulsverteilung der Photoelektronen wurde mithilfe eines koaxialen, schnellen Bildgebungsspektrometers gemessen. Aus der Verteilung und den spektralen Ergebnissen konnte die Zeitbereichswellenform der Attosekundenpulse rekonstruiert werden. Abbildung 2 (a) zeigt die Verteilung der Pulsdauer mit einem Median von 440 as. Abschließend wurde die Pulsenergie mit einem Gasmonitoringdetektor gemessen und das Streudiagramm zwischen der maximalen Pulsleistung und der Pulsdauer berechnet (Abbildung 2 (b)). Die drei Konfigurationen entsprechen unterschiedlichen Bedingungen für die Fokussierung des Elektronenstrahls, die Wellenkonusformung und die Verzögerung des Magnetkompressors. Die drei Konfigurationen ergaben mittlere Pulsenergien von 150, 200 bzw. 260 µJ bei einer maximalen Spitzenleistung von 1,1 TW.

Abbildung 2. (a) Verteilungshistogramm der Halbwertsbreite (FWHM) der Impulsdauer; (b) Streudiagramm der Spitzenleistung und Impulsdauer

Darüber hinaus beobachtete die Studie erstmals das Phänomen der solitonartigen Superemission im Röntgenbereich, die sich als kontinuierliche Pulsverkürzung während der Verstärkung äußert. Sie wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Strahlung verursacht, wobei Energie rasch vom Elektron zum Pulskopf und vom Pulsende zurück zum Elektron übertragen wird. Durch die eingehende Untersuchung dieses Phänomens wird erwartet, dass sich Röntgenpulse mit kürzerer Dauer und höherer Spitzenleistung realisieren lassen, indem der Superstrahlungsverstärkungsprozess erweitert und die Pulsverkürzung im solitonartigen Modus genutzt wird.