Attosekunden-Röntgenpulslaser der TW-Klasse

Attosekunden-Röntgenpulslaser der TW-Klasse
Attosekunden-RöntgenPulslasermit hoher Leistung und kurzer Pulsdauer sind der Schlüssel zur Erzielung ultraschneller nichtlinearer Spektroskopie und Röntgenbeugungsbildgebung. Das Forschungsteam in den USA nutzte eine zweistufige KaskadeRöntgenfreie Elektronenlaserum diskrete Attosekundenimpulse auszugeben. Im Vergleich zu bestehenden Berichten ist die durchschnittliche Spitzenleistung der Pulse um eine Größenordnung erhöht, die maximale Spitzenleistung beträgt 1,1 TW und die mittlere Energie beträgt mehr als 100 μJ. Die Studie liefert auch starke Hinweise auf ein Solitonen-ähnliches Superstrahlungsverhalten im Röntgenfeld.Hochenergetische Laserhaben viele neue Forschungsbereiche vorangetrieben, darunter Hochfeldphysik, Attosekundenspektroskopie und Laserteilchenbeschleuniger. Neben allen Arten von Lasern werden Röntgenstrahlen häufig in der medizinischen Diagnose, der Fehlererkennung in der Industrie, bei Sicherheitsinspektionen und in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Der Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) kann die maximale Röntgenleistung im Vergleich zu anderen Röntgenerzeugungstechnologien um mehrere Größenordnungen steigern und erweitert so die Anwendung von Röntgenstrahlen auf den Bereich der nichtlinearen Spektroskopie und der Einzelstrahlung. Partikelbeugungsbildgebung, bei der hohe Leistung erforderlich ist. Der kürzlich erfolgreiche Attosekunden-XFEL ist eine große Errungenschaft in der Attosekunden-Wissenschaft und -Technologie und steigert die verfügbare Spitzenleistung im Vergleich zu Tisch-Röntgenquellen um mehr als sechs Größenordnungen.

Freie-Elektronen-Laserkann durch kollektive Instabilität, die durch die kontinuierliche Wechselwirkung des Strahlungsfeldes im relativistischen Elektronenstrahl und des magnetischen Oszillators verursacht wird, Impulsenergien erreichen, die um viele Größenordnungen über dem Niveau der spontanen Emission liegen. Im harten Röntgenbereich (ca. 0,01 nm bis 0,1 nm Wellenlänge) wird FEL durch Bündelkompression und Post-Saturation-Coning-Techniken erreicht. Im weichen Röntgenbereich (ca. 0,1 nm bis 10 nm Wellenlänge) wird FEL durch die Kaskaden-Fresh-Slice-Technologie implementiert. Kürzlich wurde berichtet, dass Attosekundenpulse mit einer Spitzenleistung von 100 GW mit der ESASE-Methode (Enhanced Self-Amplified Spontane Emission) erzeugt werden.

Das Forschungsteam nutzte ein zweistufiges Verstärkungssystem auf Basis von XFEL, um den weichen Röntgen-Attosekundenpuls zu verstärken, der vom Linac-Kohärenten ausgegeben wirdLichtquelleauf das TW-Niveau, eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber den gemeldeten Ergebnissen. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 1 dargestellt. Basierend auf der ESASE-Methode wird der Photokathodenemitter moduliert, um einen Elektronenstrahl mit einer hohen Stromspitze zu erhalten, und wird zur Erzeugung von Attosekunden-Röntgenimpulsen verwendet. Der anfängliche Impuls befindet sich an der Vorderkante der Spitze des Elektronenstrahls, wie in der oberen linken Ecke von Abbildung 1 dargestellt. Wenn der XFEL die Sättigung erreicht, wird der Elektronenstrahl durch einen magnetischen Kompressor relativ zum Röntgenstrahl verzögert. und dann interagiert der Impuls mit dem Elektronenstrahl (frischer Schnitt), der nicht durch die ESASE-Modulation oder den FEL-Laser verändert wird. Schließlich wird ein zweiter magnetischer Undulator verwendet, um die Röntgenstrahlen durch die Wechselwirkung von Attosekundenpulsen mit der frischen Schicht weiter zu verstärken.

FEIGE. 1 Experimentelles Gerätediagramm; Die Abbildung zeigt den longitudinalen Phasenraum (Zeit-Energie-Diagramm des Elektrons, grün), den Stromverlauf (blau) und die durch Verstärkung erster Ordnung erzeugte Strahlung (lila). XTCAV, X-Band-Querkavität; cVMI, koaxiales Rapid-Mapping-Bildgebungssystem; FZP, Fresnel-Bandplattenspektrometer

Alle Attosekundenpulse bestehen aus Rauschen, sodass jeder Puls unterschiedliche Spektral- und Zeitbereichseigenschaften aufweist, die die Forscher genauer untersuchten. Was die Spektren betrifft, verwendeten sie ein Fresnel-Bandplattenspektrometer, um die Spektren einzelner Impulse bei unterschiedlichen äquivalenten Undulatorlängen zu messen, und stellten fest, dass diese Spektren auch nach der sekundären Verstärkung glatte Wellenformen beibehielten, was darauf hindeutet, dass die Impulse unimodal blieben. Im Zeitbereich wird der Winkelstreifen gemessen und die Zeitbereichswellenform des Impulses charakterisiert. Wie in Abbildung 1 dargestellt, überlagert sich der Röntgenimpuls mit dem zirkular polarisierten Infrarot-Laserimpuls. Die durch den Röntgenpuls ionisierten Photoelektronen erzeugen Streifen in entgegengesetzter Richtung 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 und die Beziehung zwischen dem Winkelmodus der Emissionszeit und der Impulsverteilung des Photoelektrons hergestellt. Die Verteilung des Photoelektronenimpulses wird mit einem koaxialen, schnell abbildenden Spektrometer gemessen. Basierend auf der Verteilung und den spektralen Ergebnissen kann die Zeitbereichswellenform von Attosekundenpulsen rekonstruiert werden. Abbildung 2 (a) zeigt die Verteilung der Pulsdauer mit einem Median von 440 as. Schließlich wurde der Gasüberwachungsdetektor zur Messung der Pulsenergie verwendet und das Streudiagramm zwischen der Spitzenpulsleistung und der Pulsdauer, wie in Abbildung 2 (b) dargestellt, berechnet. Die drei Konfigurationen entsprechen unterschiedlichen Elektronenstrahl-Fokussierungsbedingungen, Waver-Coning-Bedingungen und magnetischen Kompressorverzögerungsbedingungen. Die drei Konfigurationen ergaben durchschnittliche Pulsenergien von 150, 200 bzw. 260 µJ mit einer maximalen Spitzenleistung von 1,1 TW.

Abbildung 2. (a) Verteilungshistogramm der Pulsdauer halber Höhe und voller Breite (FWHM); (b) Streudiagramm entsprechend Spitzenleistung und Impulsdauer

Darüber hinaus beobachtete die Studie erstmals das Phänomen der solitonenartigen Superemission im Röntgenband, das sich als kontinuierliche Pulsverkürzung während der Verstärkung zeigt. Sie wird durch eine starke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Strahlung verursacht, wobei Energie schnell vom Elektron zum Kopf des Röntgenpulses und vom Schwanz des Pulses zurück zum Elektron übertragen wird. Durch eine eingehende Untersuchung dieses Phänomens wird erwartet, dass Röntgenimpulse mit kürzerer Dauer und höherer Spitzenleistung weiter realisiert werden können, indem der Superstrahlungsverstärkungsprozess erweitert und die Impulsverkürzung im solitonenähnlichen Modus genutzt wird.