Laser X-Ray TW-Ray Laser

Laser X-Ray TW-Ray Laser
X-quang AttosecondLaser xungVới công suất cao và thời gian xung ngắn là chìa khóa để đạt được quang phổ phi tuyến cực nhanh và hình ảnh nhiễu xạ tia X. Nhóm nghiên cứu ở Hoa Kỳ đã sử dụng một loạt các tầng hai giai đoạnTia laser điện tử miễn phí tia XĐể xuất các xung attosecond rời rạc. So với các báo cáo hiện tại, công suất cực đại trung bình của các xung được tăng lên theo thứ tự cường độ, công suất cực đại tối đa là 1,1 TW và năng lượng trung bình là hơn 100 μj. Nghiên cứu cũng cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho hành vi siêu tốc giống Soliton trong trường X-quang.Laser năng lượng caođã thúc đẩy nhiều lĩnh vực nghiên cứu mới, bao gồm vật lý trường cao, quang phổ Attosecond và máy gia tốc hạt laser. Trong số tất cả các loại tia laser, tia X được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y khoa, phát hiện lỗ hổng công nghiệp, kiểm tra an toàn và nghiên cứu khoa học. Laser điện tử tự do tia X (XFEL) có thể làm tăng công suất tia X cực đại theo một số bậc độ lớn so với các công nghệ tạo tia X khác, do đó mở rộng ứng dụng tia X vào trường quang phổ phi tuyến và hình ảnh nhiễu xạ hạt đơn khi cần công suất cao. Attosecond XFEL thành công gần đây là một thành tựu lớn trong khoa học và công nghệ Attosecond, làm tăng sức mạnh cao nhất có sẵn lên hơn sáu bậc so với các nguồn tia X bàn.

Laser điện tử miễn phíCó thể thu được năng lượng xung nhiều bậc cao hơn mức phát xạ tự phát bằng cách sử dụng sự mất ổn định tập thể, điều này là do sự tương tác liên tục của trường bức xạ trong chùm electron tương đối tính và bộ tạo dao động từ tính. Trong phạm vi tia X cứng (khoảng 0,01nm đến 0,1nm bước sóng), FEL đạt được bằng cách nén bó và kỹ thuật kết nối sau bão hòa. Trong phạm vi tia X mềm (bước sóng khoảng 0,1nm đến 10nm), FEL được thực hiện bởi công nghệ lát lát Cascade Fresh. Gần đây, các xung attosecond với công suất cực đại 100 GW đã được báo cáo là được tạo ra bằng phương pháp phát xạ tự phát (ESase) tăng cường.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống khuếch đại hai giai đoạn dựa trên XFEL để khuếch đại đầu ra xung attosecond tia X từ lớp linac kết hợpNguồn sángĐến cấp độ TW, một thứ tự cải thiện cường độ so với kết quả được báo cáo. Thiết lập thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Dựa trên phương pháp ESase, bộ phát quang hóa được điều chỉnh để thu được chùm electron có dòng điện cao và được sử dụng để tạo xung tia X Attosecond. Xung ban đầu được đặt ở mép trước của Spike của chùm electron, như thể hiện ở góc trên bên trái của Hình 1. Khi XFEL đạt đến độ bão hòa, chùm electron bị trì hoãn so với tia X bằng máy nén từ tính, và sau đó xung tương tác với chùm tia điện tử. Cuối cùng, một bộ khử từ thứ hai được sử dụng để khuếch đại thêm các tia X thông qua sự tương tác của các xung attosecond với lát tươi.

QUẢ SUNG. 1 Sơ đồ thiết bị thử nghiệm; Hình minh họa cho thấy không gian pha dọc (sơ đồ năng lượng thời gian của electron, màu xanh lá cây), cấu hình hiện tại (màu xanh) và bức xạ được tạo ra bởi khuếch đại bậc nhất (tím). XTCAV, khoang ngang X-dải; CVMI, hệ thống hình ảnh ánh xạ nhanh đồng trục; FZP, Máy quang phổ tấm băng tần FZP

Tất cả các xung attosecond được xây dựng từ nhiễu, vì vậy mỗi xung có các thuộc tính phổ và miền thời gian khác nhau, mà các nhà nghiên cứu khám phá chi tiết hơn. Về mặt quang phổ, họ đã sử dụng máy quang phổ tấm băng tần Fresnel để đo phổ của các xung riêng lẻ ở các độ dài chưa tương đương khác nhau và thấy rằng các phổ này duy trì các dạng sóng trơn tru ngay cả sau khi khuếch đại thứ cấp, cho thấy các xung vẫn không chính xác. Trong miền thời gian, rìa góc được đo và dạng sóng miền thời gian của xung được đặc trưng. Như được hiển thị trong Hình 1, xung tia X được chồng lên với xung laser hồng ngoại phân cực tròn. Các quang điện tử được ion hóa bởi xung tia X sẽ tạo ra các vệt theo hướng ngược lại với tiềm năng vectơ của laser hồng ngoại. Do điện trường của laser quay theo thời gian, sự phân bố động lượng của quang điện tử được xác định theo thời gian phát xạ electron và mối quan hệ giữa chế độ góc của thời gian phát xạ và phân bố động lượng của quang điện tử được thiết lập. Sự phân bố của động lượng quang điện tử được đo bằng máy quang phổ hình ảnh ánh xạ nhanh đồng trục. Dựa trên kết quả phân phối và quang phổ, dạng sóng miền thời gian của các xung attosecond có thể được xây dựng lại. Hình 2 (a) cho thấy sự phân bố thời lượng xung, với trung bình là 440 AS. Cuối cùng, máy dò giám sát khí đã được sử dụng để đo năng lượng xung và biểu đồ phân tán giữa công suất xung cực đại và thời lượng xung như trong Hình 2 (b) đã được tính toán. Ba cấu hình tương ứng với các điều kiện lấy nét chùm electron khác nhau, điều kiện kết nối dao động và điều kiện độ trễ máy nén từ. Ba cấu hình mang lại năng lượng xung trung bình lần lượt là 150, 200 và 260, với công suất cực đại tối đa là 1,1 TW.

Hình 2. (A) Biểu đồ phân phối có thời lượng xung toàn chiều rộng nửa chiều dài (FWHM); (b) Biểu đồ phân tán tương ứng với công suất cực đại và thời lượng xung

Ngoài ra, nghiên cứu cũng quan sát thấy lần đầu tiên hiện tượng chồng chất giống như soliton trong dải tia X, xuất hiện dưới dạng rút ngắn xung liên tục trong quá trình khuếch đại. Nó được gây ra bởi sự tương tác mạnh mẽ giữa các electron và bức xạ, với năng lượng nhanh được chuyển từ electron sang đầu xung tia X và quay trở lại electron từ đuôi của xung. Thông qua nghiên cứu chuyên sâu về hiện tượng này, dự kiến ​​các xung tia X có thời gian ngắn hơn và công suất cực đại cao hơn có thể được thực hiện thêm bằng cách mở rộng quá trình khuếch đại siêu tốc độ và tận dụng việc rút ngắn xung trong chế độ giống như Soliton.