Laser à impulsion à rayons X attoseconde de TW

Laser à impulsion à rayons X attoseconde de TW
Rayons X attosecondlaser à poulsAvec une puissance élevée et une durée d'impulsion courte sont la clé pour atteindre une spectroscopie non linéaire ultra-détruite et une imagerie de diffraction des rayons X. L'équipe de recherche aux États-Unis a utilisé une cascade de deux étapesLasers électron gratuits aux rayons Xpour produire des impulsions attosecondes discrètes. Par rapport aux rapports existants, la puissance de crête moyenne des impulsions est augmentée d'un ordre de grandeur, la puissance de crête maximale est de 1,1 TW et l'énergie médiane est supérieure à 100 μJ. L'étude fournit également des preuves solides du comportement de superradiation de type soliton dans le champ des rayons X.Lasers à haute énergieont conduit de nombreux nouveaux domaines de recherche, notamment la physique à haut champ, la spectroscopie attoseconde et les accélérateurs de particules laser. Parmi toutes sortes de lasers, les rayons X sont largement utilisés dans le diagnostic médical, la détection des défauts industriels, l'inspection de la sécurité et la recherche scientifique. Le laser d'électron libre à rayons X (XFEL) peut augmenter la puissance de radiographie pics de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux autres technologies de génération de rayons X, étendant ainsi l'application de rayons X au champ de spectroscopie non linéaire et d'imagerie de diffraction à une seule particules où une puissance élevée est nécessaire. Le récent Attoseconde Xfel réussi est une réalisation majeure dans la science et la technologie attosecondes, augmentant la puissance de pointe disponible de plus de six ordres de grandeur par rapport aux sources de rayons X de benchtop.

Lasers d'électrons gratuitspeut obtenir des énergies d'impulsion de nombreux ordres de grandeur supérieurs au niveau d'émission spontané en utilisant l'instabilité collective, qui est causée par l'interaction continue du champ de rayonnement dans le faisceau d'électrons relativistes et l'oscillateur magnétique. Dans la plage de rayons X dure (environ 0,01 nm à 0,1 nm de longueur d'onde), FEL est obtenu par des techniques de compression du faisceau et de conning post-saturation. Dans la gamme de rayons X doux (environ 0,1 nm à 10 nm de longueur d'onde), FEL est implémenté par la technologie Cascade Fresh-Slice. Récemment, des impulsions attosecondes avec une puissance de pointe de 100 GW auraient été générées en utilisant la méthode améliorée des émissions spontanées (ESASE) améliorées.

L'équipe de recherche a utilisé un système d'amplification en deux étapes basé sur XFEL pour amplifier la sortie d'impulsion Attoseconde à rayons X douce du linac cohérentsource légèreAu niveau TW, une amélioration de l'ordre d'ampleur par rapport aux résultats rapportés. La configuration expérimentale est illustrée à la figure 1. Sur la base de la méthode ESASE, l'émetteur de photocathode est modulé pour obtenir un faisceau d'électrons avec un pic de courant élevé et est utilisé pour générer des impulsions à rayons X attosecondes. L'impulsion initiale est située au bord avant de la pointe 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 à la radiographie par un compresseur magnétique, puis la pouls interagit avec le faisceau d'électrons (tranche fraîche) qui n'est pas modifiée par la modulation ou le laser fel. Enfin, une deuxième ondulation magnétique est utilisée pour amplifier davantage les rayons X par l'interaction des impulsions attosecondes avec la tranche fraîche.

FIGUE. 1 diagramme de dispositif expérimental; L'illustration montre l'espace de phase longitudinale (diagramme d'énergie temporelle de l'électron, vert), le profil actuel (bleu) et le rayonnement produit par amplification de premier ordre (violet). XTCAV, cavité transversale en bande X; CVMI, système d'imagerie de cartographie rapide coaxial; Spectromètre FZP, Fresnel Band Plate

Toutes les impulsions attosecondes sont construites à partir de bruit, donc chaque impulsion a différentes propriétés spectrales et dans le domaine du temps, que les chercheurs ont exploré plus en détail. En termes de spectres, ils ont utilisé un spectromètre de plaque de bande Fresnel pour mesurer les spectres des impulsions individuelles à différentes longueurs d'ondulateur équivalentes, et ont constaté que ces spectres maintenaient des formes d'onde lisse même après une amplification secondaire, indiquant que les impulsions restaient unimodales. Dans le domaine temporel, la frange angulaire est mesurée et la forme d'onde du domaine temporel de l'impulsion est caractérisée. Comme le montre la figure 1, l'impulsion de rayons X se chevauche avec l'impulsion laser infrarouge polarisée circulaire. Les photoélectrons ionisés par l'impulsion de rayons X produiront des stries dans la direction opposée au potentiel vectoriel du laser infrarouge. Étant donné que le champ électrique du laser tourne avec le temps, la distribution de momentum du photoélectron est déterminée par le moment de l'émission d'électrons, et la relation entre le mode angulaire du temps d'émission et la distribution de momentum du photoélectron est établie. La distribution de l'élan photoélectronique est mesurée à l'aide d'un spectromètre d'imagerie de mappage rapide coaxial. Sur la base de la distribution et des résultats spectraux, la forme d'onde du domaine temporel des impulsions attosecondes peut être reconstruite. La figure 2 (a) montre la distribution de la durée d'impulsion, avec une médiane de 440 AS. Enfin, le détecteur de surveillance du gaz a été utilisé pour mesurer l'énergie d'impulsion, et le tracé de diffusion entre la puissance d'impulsion de pic et la durée d'impulsion comme le montre la figure 2 (b) a été calculé. Les trois configurations correspondent à différentes conditions de focalisation du faisceau d'électrons, à des conditions de congé sur la vague et à des conditions de retard de compresseur magnétique. Les trois configurations ont donné 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 pleine largeur pleine largeur (FWHM); (b) le tracé de dispersion correspondant à la puissance de pointe et à la durée d'impulsion

De plus, l'étude a également observé pour la première fois le phénomène de superimission de type soliton dans la bande de rayons X, qui apparaît comme un raccourcissement d'impulsions continu pendant l'amplification. Il est causé par une forte interaction entre les électrons et le rayonnement, avec l'énergie transférée rapidement de l'électron à la tête de l'impulsion de rayons X et vers le retour à l'électron de la queue de l'impulsion. Grâce à une étude approfondie de ce phénomène, il est prévu que des impulsions de rayons X avec une durée plus courte et une puissance de pic plus élevée puissent être réalisées en étendant le processus d'amplification de superradiation et en tirant parti du raccourcissement des impulsions en mode de type soliton.