Laser à impulsions à rayons X attoseconde de classe TW

Laser à impulsions à rayons X attoseconde de classe TW
Radiographie attosecondelaser à impulsionavec une puissance élevée et une durée d'impulsion courte sont la clé 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 mesures en deux étapesLasers à électrons libres à rayons Xpour produire des impulsions attosecondes discrètes. Par rapport aux rapports existants, la puissance maximale moyenne des impulsions est augmentée d'un ordre de grandeur, la puissance maximale est de 1,1 TW et l'énergie médiane est 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 donné naissance à de nombreux 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, l'inspection de sécurité et la recherche scientifique. Le laser à électrons libres à rayons X (XFEL) peut augmenter la puissance maximale 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 la spectroscopie unique. imagerie par diffraction de particules où une puissance élevée est requise. Le récent succès attoseconde XFEL constitue une réalisation majeure dans le domaine de la science et de la technologie 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 librespeut obtenir des énergies d'impulsion de plusieurs ordres de grandeur supérieures au niveau d'émission spontanée en utilisant l'instabilité collective, provoquée par l'interaction continue du champ de rayonnement dans le faisceau d'électrons relativiste et l'oscillateur magnétique. Dans la gamme des rayons X durs (longueur d'onde d'environ 0,01 nm à 0,1 nm), le FEL est obtenu par des techniques de compression de faisceaux et de cône post-saturation. Dans la gamme des rayons X mous (longueur d'onde d'environ 0,1 nm à 10 nm), le FEL est mis en œuvre par la technologie des tranches fraîches en cascade. Récemment, il a été signalé que des impulsions attosecondes d'une puissance maximale de 100 GW étaient générées à l'aide de 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, une amélioration d’un ordre de grandeur par rapport aux résultats rapportés. Le dispositif expérimental est illustré à la figure 1. Basé sur la méthode ESASE, l'émetteur de photocathode est modulé pour obtenir un faisceau d'électrons avec une pointe de courant élevée et est utilisé pour générer des impulsions de rayons X attosecondes. L'impulsion initiale est située sur le bord avant de la pointe du faisceau d'électrons, comme le montre 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 (tranche fraîche) qui n'est pas modifié par la modulation ESASE ou le laser FEL. Enfin, un deuxième onduleur magnétique est utilisé pour amplifier davantage les rayons X grâce à l’interaction d’impulsions attosecondes avec la nouvelle tranche.

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

Toutes les impulsions attosecondes sont construites à partir du bruit, de sorte que chaque impulsion possède des propriétés spectrales et temporelles différentes, que les chercheurs ont explorées plus en détail. En termes de spectres, ils ont utilisé un spectromètre à plaque à bande de Fresnel pour mesurer les spectres d'impulsions individuelles à différentes longueurs d'onduleur équivalentes et ont constaté que ces spectres maintenaient des formes d'onde lisses 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 à polarisation 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 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 photoélectronique est mesurée à l'aide d'un spectromètre d'imagerie à cartographie rapide coaxial. Sur la base de la distribution et des résultats spectraux, la forme d'onde dans le domaine temporel des impulsions attosecondes peut être reconstruite. La figure 2 (a) montre la distribution de la durée des impulsions, avec une médiane de 440 as. Enfin, le détecteur de surveillance des gaz a été utilisé pour mesurer l'énergie de l'impulsion et le diagramme de dispersion entre la puissance maximale de l'impulsion et la durée de l'impulsion, comme le montre la figure 2 (b), a été calculé. Les trois configurations correspondent à différentes conditions de focalisation du faisceau d'électrons, conditions de cône d'onde et conditions 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 demi-hauteur pleine largeur (FWHM); (b) Nuage de points correspondant à la puissance de crête et à la durée de l'impulsion

En outre, l’étude a également observé pour la première fois le phénomène de surémission de type soliton dans la bande des rayons X, qui apparaît comme un raccourcissement continu de l’impulsion pendant l’amplification. Elle est provoquée par 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 et de retour à l’électron à partir de 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 maximale plus élevée puissent être obtenues davantage en étendant le processus d'amplification du superradiation et en tirant parti du raccourcissement des impulsions en mode de type soliton.