Laser xung tia X atto giây loại TW

Laser xung tia X atto giây loại TW
Tia X atto giâylaser xungCông suất cao và thời lượng xung ngắn là chìa khóa để đạt được quang phổ phi tuyến siêu nhanh và hình ảnh nhiễu xạ tia X. Nhóm nghiên cứu tại Hoa Kỳ đã sử dụng một chuỗi hai giai đoạn.Laser electron tự do tia Xđể tạo ra các xung atto giây rời rạc. So với các báo cáo hiện có, công suất đỉnh trung bình của các xung tăng lên một bậc, công suất đỉnh tối đa là 1,1 TW và năng lượng trung bình hơn 100 μJ. Nghiên cứu này cũng cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về hành vi siêu bức xạ giống soliton trong lĩnh vực tia X.Laser năng lượng caoChúng đã thúc đẩy nhiều lĩnh vực nghiên cứu mới, bao gồm vật lý trường cao, quang phổ atto giây và máy gia tốc hạt laser. Trong số tất cả các loại laser, tia X được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế, phát hiện khuyết tật công nghiệp, kiểm tra an toàn và nghiên cứu khoa học. Laser điện tử tự do tia X (XFEL) có thể tăng công suất đỉnh của tia X lên nhiều bậc so với các công nghệ tạo tia X khác, do đó mở rộng ứng dụng của tia X sang lĩnh vực quang phổ phi tuyến và hình ảnh nhiễu xạ hạt đơn, nơi yêu cầu công suất cao. Sự thành công gần đây của XFEL atto giây là một thành tựu lớn trong khoa học và công nghệ atto giây, làm tăng công suất đỉnh khả dụng lên hơn sáu bậc so với các nguồn tia X để bàn.

Laser electron tự doCó thể thu được năng lượng xung cao hơn nhiều bậc so với mức phát xạ tự phát bằng cách sử dụng sự bất ổn định tập thể, gây ra bởi sự tương tác liên tục của trường bức xạ trong chùm electron tương đối tính và bộ dao động từ. Trong dải tia X cứng (bước sóng khoảng 0,01 nm đến 0,1 nm), FEL được tạo ra bằng kỹ thuật nén bó và tạo hình nón sau bão hòa. Trong dải tia X mềm (bước sóng khoảng 0,1 nm đến 10 nm), FEL được thực hiện bằng công nghệ lát cắt mới xếp tầng. Gần đây, người ta đã báo cáo rằng các xung atto giây với công suất đỉnh 100 GW có thể được tạo ra bằng phương pháp phát xạ tự phát tự khuếch đại tăng cường (ESASE).

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống khuếch đại hai giai đoạn dựa trên XFEL để khuếch đại xung tia X mềm atto giây phát ra từ máy gia tốc tuyến tính đồng bộ.nguồn sángĐạt mức TW, cải thiện đáng kể so với các kết quả đã báo cáo. Sơ đồ thiết lập thí nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Dựa trên phương pháp ESASE, bộ phát quang catốt được điều chỉnh để thu được chùm electron có đỉnh dòng điện cao, và được sử dụng để tạo ra các xung tia X atto giây. Xung ban đầu nằm ở rìa phía trước của đỉnh chùm electron, như thể hiện ở góc trên bên trái của Hình 1. Khi XFEL đạt đến trạng thái bão hòa, chùm electron bị làm chậm so với tia X bằng bộ nén từ trường, và sau đó xung tương tác với chùm electron (lát cắt mới) không bị biến đổi bởi sự điều chỉnh ESASE hoặc laser FEL. Cuối cùng, một bộ tạo sóng từ thứ hai được sử dụng để khuếch đại thêm tia X thông qua sự tương tác của các xung atto giây với lát cắt mới.

Hình 1. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm; Hình minh họa cho thấy không gian pha dọc (sơ đồ thời gian-năng lượng của electron, màu xanh lá cây), cấu hình dòng điện (màu xanh lam) và bức xạ được tạo ra bởi khuếch đại bậc nhất (màu tím). XTCAV, khoang ngang băng tần X; cVMI, hệ thống tạo ảnh lập bản đồ nhanh đồng trục; FZP, máy quang phổ tấm băng tần Fresnel.

Tất cả các xung atto giây đều được tạo thành từ nhiễu, do đó mỗi xung có các đặc tính khác nhau về phổ và miền thời gian, điều mà các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu chi tiết hơn. Về phổ, họ đã sử dụng máy quang phổ tấm dải Fresnel để đo phổ của từng xung riêng lẻ ở các độ dài bộ tạo sóng tương đương khác nhau, và nhận thấy rằng các phổ này duy trì dạng sóng mượt mà ngay cả sau khi khuếch đại thứ cấp, cho thấy các xung vẫn giữ nguyên dạng đơn mode. Trong miền thời gian, vân giao thoa góc được đo và dạng sóng miền thời gian của xung được đặc trưng. Như thể hiện trong Hình 1, xung tia X được chồng lên xung laser hồng ngoại phân cực tròn. Các quang điện tử bị ion hóa bởi xung tia X sẽ tạo ra các vệt theo hướng ngược lại với vectơ thế năng của laser hồng ngoại. Bởi vì điện trường của laser quay theo thời gian, sự phân bố động lượng của quang điện tử được xác định bởi thời gian phát xạ điện tử, và mối quan hệ giữa chế độ góc của thời gian phát xạ và sự phân bố động lượng của quang điện tử được thiết lập. Sự phân bố động lượng của quang điện tử được đo bằng máy quang phổ hình ảnh lập bản đồ nhanh đồng trục. Dựa trên kết quả phân bố và phổ, dạng sóng miền thời gian của các xung atto giây có thể được tái tạo. Hình 2 (a) cho thấy sự phân bố thời lượng xung, với giá trị trung vị là 440 atto giây. Cuối cùng, máy dò giám sát khí được sử dụng để đo năng lượng xung, và biểu đồ phân tán giữa công suất xung cực đại và thời lượng xung được tính toán như trong Hình 2 (b). Ba cấu hình tương ứng với các điều kiện hội tụ chùm electron khác nhau, điều kiện tạo hình nón sóng và điều kiện trễ của máy nén từ. Ba cấu hình này tạo ra năng lượng xung trung bình lần lượt là 150, 200 và 260 µJ, với công suất đỉnh tối đa là 1,1 TW.

Hình 2. (a) Biểu đồ phân bố tần suất độ rộng xung ở nửa chiều cao (FWHM); (b) Biểu đồ phân tán tương ứng với công suất đỉnh và thời lượng xung.

Ngoài ra, nghiên cứu này cũng lần đầu tiên quan sát được hiện tượng siêu phát xạ kiểu soliton trong dải tia X, xuất hiện dưới dạng sự rút ngắn xung liên tục trong quá trình khuếch đại. Hiện tượng này do sự tương tác mạnh giữa các electron và bức xạ gây ra, với năng lượng được truyền nhanh chóng từ electron đến đầu xung tia X và trở lại electron từ đuôi xung. Thông qua nghiên cứu sâu về hiện tượng này, người ta kỳ vọng rằng có thể tạo ra các xung tia X có thời lượng ngắn hơn và công suất đỉnh cao hơn bằng cách mở rộng quá trình khuếch đại siêu bức xạ và tận dụng sự rút ngắn xung ở chế độ kiểu soliton.