Attosekunden-Röntgenpulslaser der TW-Klasse

Attosekunden-Röntgenpulslaser der TW-Klasse
Attosekunden-RöntgenPulslasermit hoher Leistung und kurzer Pulsdauer sind der Schlüssel zur ultraschnellen nichtlinearen Spektroskopie und Röntgenbeugungsbildgebung. Das US-amerikanische Forschungsteam verwendete eine Kaskade aus zweistufigenRöntgen-Freie-Elektronen-Laserzur Ausgabe diskreter Attosekundenpulse. Im Vergleich zu bisherigen Berichten ist die durchschnittliche Spitzenleistung der Pulse um eine Größenordnung erhöht; die maximale Spitzenleistung beträgt 1,1 TW, und die mittlere Energie liegt bei über 100 μJ. Die Studie liefert zudem starke Hinweise auf ein solitonenähnliches Superstrahlungsverhalten im Röntgenbereich.Hochenergielaserhaben viele neue Forschungsgebiete vorangetrieben, darunter Hochfeldphysik, Attosekundenspektroskopie und Laser-Teilchenbeschleuniger. Unter allen Laserarten finden Röntgenstrahlen breite Anwendung in der medizinischen Diagnostik, der industriellen Fehlererkennung, Sicherheitsinspektionen und der wissenschaftlichen Forschung. Der Röntgen-Freie-Elektronen-Laser (XFEL) kann die Spitzenleistung von Röntgenstrahlen im Vergleich zu anderen Röntgentechnologien um mehrere Größenordnungen steigern und erweitert so die Anwendung von Röntgenstrahlen auf die Bereiche der nichtlinearen Spektroskopie und der Einzelpartikel-Beugungsbildgebung, wo hohe Leistungen benötigt werden. Der kürzlich erfolgreich abgeschlossene Attosekunden-XFEL stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Attosekundenwissenschaft und -technologie dar und erhöht die verfügbare Spitzenleistung im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenquellen um mehr als sechs Größenordnungen.

Freie-Elektronen-LaserDurch kollektive Instabilität, die durch die kontinuierliche Wechselwirkung des Strahlungsfelds im relativistischen Elektronenstrahl und dem magnetischen Oszillator entsteht, lassen sich Pulsenergien erreichen, die um viele Größenordnungen höher sind als das Niveau spontaner Emission. Im harten Röntgenbereich (etwa 0,01 nm bis 0,1 nm Wellenlänge) wird FEL durch Bündelkompression und Post-Saturation-Coning-Techniken erreicht. Im weichen Röntgenbereich (etwa 0,1 nm bis 10 nm Wellenlänge) wird FEL durch Kaskaden-Fresh-Slice-Technologie realisiert. Kürzlich wurde über Attosekundenpulse mit einer Spitzenleistung von 100 GW berichtet, die mithilfe der Methode der verstärkten selbstverstärkenden spontanen Emission (ESASE) erzeugt wurden.

Das Forschungsteam verwendete ein zweistufiges Verstärkungssystem auf Basis von XFEL, um die weiche Röntgen-Attosekunden-Impulsausgabe des Linac-Kohärenten zu verstärken.Lichtquelleauf das TW-Niveau, eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber den veröffentlichten Ergebnissen. Der experimentelle Aufbau 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 verwendet, um Attosekunden-Röntgenpulse zu erzeugen. Der erste Puls befindet sich an der Vorderkante der Spitze des Elektronenstrahls, wie in der oberen linken Ecke von Abbildung 1 gezeigt. Wenn der XFEL die Sättigung erreicht, wird der Elektronenstrahl relativ zum Röntgenstrahl durch einen magnetischen Kompressor verzögert, und dann interagiert der Puls mit dem Elektronenstrahl (neue Schicht), der nicht durch die ESASE-Modulation oder den FEL-Laser verändert wurde. Schließlich wird ein zweiter magnetischer Undulator verwendet, um die Röntgenstrahlen durch die Wechselwirkung der Attosekundenpulse mit der neuen Schicht weiter zu verstärken.

Abb. 1 Diagramm des experimentellen Geräts; 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 Rapid Mapping-Bildgebungssystem; FZP, Fresnel-Band-Plattenspektrometer

Alle Attosekundenpulse bestehen aus Rauschen, daher besitzt jeder Puls unterschiedliche spektrale und zeitliche Eigenschaften, die die Forscher genauer untersuchten. Zur Ermittlung der Spektren verwendeten sie ein Fresnel-Bandplattenspektrometer, um die Spektren einzelner Pulse bei unterschiedlichen äquivalenten Undulatorlängen zu messen. Sie stellten fest, dass diese Spektren selbst nach sekundärer Verstärkung glatte Wellenformen beibehielten, was darauf hindeutet, dass die Pulse unimodal blieben. Im Zeitbereich wird der Winkelstreifen 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 in der dem Vektorpotential des Infrarotlasers entgegengesetzten Richtung. 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 des Emissionszeitpunkts und der Impulsverteilung des Photoelektrons wird hergestellt. Die Verteilung des Photoelektronenimpulses wurde mit einem koaxialen Fast Mapping Imaging Spectrometer gemessen. Anhand der Verteilungs- und Spektralergebnisse lässt sich die Zeitbereichswellenform von Attosekundenpulsen rekonstruieren. Abbildung 2 (a) zeigt die Verteilung der Pulsdauer mit einem Medianwert von 440 as. Abschließend wurde die Pulsenergie mit dem Gasmonitoring-Detektor gemessen und das Streudiagramm zwischen der Spitzenpulsleistung und der Pulsdauer (Abbildung 2 (b)) berechnet. Die drei Konfigurationen entsprechen unterschiedlichen Bedingungen für die Elektronenstrahlfokussierung, die Waver-Coning-Bedingungen und die Verzögerung des magnetischen Kompressors. Die drei Konfigurationen ergaben durchschnittliche Pulsenergien von 150, 200 bzw. 260 µJ bei einer maximalen Spitzenleistung von 1,1 TW.

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

Darüber hinaus wurde in der Studie erstmals das Phänomen der solitonenartigen Superemission im Röntgenbereich beobachtet, das sich als kontinuierliche Pulsverkürzung während der Verstärkung äußert. Ursache ist eine starke Wechselwirkung zwischen Elektronen und Strahlung, bei der Energie schnell vom Elektron zum Anfang des Röntgenpulses und vom Ende des Pulses zurück zum Elektron übertragen wird. Durch eingehende Untersuchung dieses Phänomens ist zu erwarten, dass Röntgenpulse mit kürzerer Dauer und höherer Spitzenleistung durch die Ausweitung des Superstrahlungsverstärkungsprozesses und die Ausnutzung der Pulsverkürzung im solitonenartigen Modus weiter realisiert werden können.