Laser à impulsions de rayons X attosecondes de classe TW

Laser à impulsions de rayons X attosecondes de classe TW
Rayons X attosecondeslaser à impulsionsDes impulsions de forte puissance et de courte durée sont essentielles pour obtenir une spectroscopie non linéaire ultrarapide et une imagerie par diffraction des rayons X. L'équipe de recherche américaine a utilisé une cascade de deux étages.Lasers à électrons libres à rayons Xpour produire des impulsions attosecondes discrètes. Comparée aux rapports existants, la puissance de crête moyenne des impulsions est augmentée d'un ordre de grandeur, la puissance de crête maximale étant de 1,1 TW et l'énergie médiane supérieure à 100 μJ. L'étude fournit également des preuves solides d'un comportement de superradiation de type soliton dans le domaine des rayons X.Lasers à haute énergieont ouvert de nouveaux domaines de recherche, notamment la physique des champs élevés, la spectroscopie attoseconde et les accélérateurs de particules laser. Parmi tous les types de lasers, les rayons X sont largement utilisés dans le diagnostic médical, la détection de défauts industriels, les inspections de sécurité et la recherche scientifique. Le laser à électrons libres à rayons X (XFEL) peut augmenter la puissance de crête des rayons X de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux autres technologies de génération de rayons X, étendant ainsi l'application des rayons X au domaine de la spectroscopie non linéaire et de l'imagerie par diffraction de particules uniques, où une puissance élevée est requise. Le récent succès du XFEL attoseconde constitue une avancée majeure dans la science et la technologie de l'attoseconde, augmentant la puissance de crête disponible de plus de six ordres de grandeur par rapport aux sources de rayons X de paillasse.

Lasers à électrons libresL'instabilité collective, causée par l'interaction continue du champ de rayonnement dans le faisceau d'électrons relativistes et l'oscillateur magnétique, permet d'obtenir des énergies d'impulsion bien supérieures à celles de l'émission spontanée. Dans la gamme des rayons X durs (longueur d'onde d'environ 0,01 nm à 0,1 nm), la LEL est obtenue par compression de faisceaux et techniques de cône post-saturation. Dans la gamme des rayons X mous (longueur d'onde d'environ 0,1 nm à 10 nm), la LEL est mise en œuvre par la technologie des coupes fraîches en cascade. Récemment, des impulsions attosecondes d'une puissance crête de 100 GW ont été générées grâce à la méthode d'émission spontanée auto-amplifiée améliorée (ESASE).

L'équipe de recherche a utilisé un système d'amplification à deux étages basé sur XFEL pour amplifier l'impulsion attoseconde de rayons X mous émise par le linac cohérent.source de lumièreau niveau TW, soit une amélioration considérable par rapport aux résultats rapportés. Le dispositif expérimental est illustré à la figure 1. Basé sur la méthode ESASE, l'émetteur de la photocathode est modulé pour obtenir un faisceau d'électrons avec un pic de courant élevé, et est utilisé pour générer des impulsions de rayons X attosecondes. L'impulsion initiale est située au bord avant du pic du faisceau d'électrons, comme indiqué dans le coin supérieur gauche de la figure 1. Lorsque le XFEL atteint la saturation, le faisceau d'électrons est retardé par rapport aux rayons X par un compresseur magnétique, puis l'impulsion interagit avec le faisceau d'électrons (coupe fraîche) qui n'est pas modifié par la modulation ESASE ou le laser FEL. Enfin, un second onduleur magnétique est utilisé pour amplifier davantage les rayons X par l'interaction des impulsions attosecondes avec la coupe fraîche.

FIG. 1 Schéma du dispositif expérimental ; l'illustration montre l'espace de phase longitudinal (diagramme temps-énergie de l'électron, en vert), le profil de courant (en bleu) et le rayonnement produit par amplification du premier ordre (en violet). XTCAV : cavité transversale en bande X ; cVMI : système d'imagerie coaxiale à cartographie rapide ; FZP : spectromètre à bande de Fresnel.

Toutes les impulsions attosecondes sont construites à partir de bruit ; chaque impulsion possède donc des propriétés spectrales et temporelles différentes, que les chercheurs ont explorées plus en détail. Concernant les spectres, ils ont utilisé un spectromètre à bande de Fresnel pour mesurer les spectres d'impulsions individuelles à différentes longueurs d'onduleur équivalentes. Ils ont constaté que ces spectres conservaient des formes d'onde régulières même après amplification secondaire, indiquant que les impulsions restaient unimodales. Dans le domaine temporel, la frange angulaire est mesurée et la forme d'onde temporelle de l'impulsion est caractérisée. Comme le montre la figure 1, l'impulsion de rayons X est superposée à l'impulsion laser infrarouge polarisée circulairement. Les photoélectrons ionisés par l'impulsion de rayons X produisent des stries dans la direction opposée au potentiel vectoriel du laser infrarouge. Comme le champ électrique du laser tourne avec le temps, la distribution de l'impulsion du photoélectron est déterminée par le temps d'émission de l'électron, et la relation entre le mode angulaire du temps d'émission et la distribution de l'impulsion du photoélectron est établie. La distribution de l'impulsion des photoélectrons est mesurée à l'aide d'un spectromètre imageur coaxial à cartographie rapide. La distribution et les résultats spectraux permettent de reconstruire la forme d'onde temporelle des impulsions attosecondes. La figure 2 (a) illustre la distribution de la durée d'impulsion, avec une médiane de 440 μs. Enfin, le détecteur de surveillance de gaz a été utilisé pour mesurer l'énergie de l'impulsion, et le nuage de points entre la puissance de crête et la durée de l'impulsion, comme illustré à la figure 2 (b), a été calculé. Les trois configurations correspondent à différentes conditions de focalisation du faisceau d'électrons, de cône d'onde et de retard du compresseur magnétique. Les trois configurations ont produit des énergies d'impulsion moyennes de 150, 200 et 260 μJ, respectivement, avec une puissance de crête maximale de 1,1 TW.

Figure 2. (a) Histogramme de distribution de la durée d'impulsion à mi-hauteur et pleine largeur (FWHM) ; (b) Nuage de points correspondant à la puissance de crête et à la durée d'impulsion

De plus, l'étude a également observé pour la première fois le phénomène de superémission de type soliton dans la bande des rayons X, qui se manifeste par un raccourcissement continu de l'impulsion lors de l'amplification. Ce phénomène est dû à une forte interaction entre les électrons et le rayonnement, l'énergie étant rapidement transférée de l'électron à la tête de l'impulsion de rayons X, puis de nouveau à l'électron depuis la queue de l'impulsion. Grâce à une étude approfondie de ce phénomène, on s'attend à ce que des impulsions de rayons X de durée plus courte et de puissance crête plus élevée puissent être obtenues en étendant le processus d'amplification par superémission et en tirant parti du raccourcissement de l'impulsion en mode soliton.