Laser xung tia X atto giây lớp TW

Laser xung tia X atto giây lớp TW
X-quang Atto giâyxung laservới 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 hai giai đoạnLaser điện tử không có tia Xđể xuất ra các xung atto giây rời rạc. So với các báo cáo hiện có, công suất cực đại trung bình của các xung được tăng lên một bậc độ lớn, công suất cực đại cực đại là 1,1 TW và năng lượng trung bình là hơn 100 μJ. Nghiên cứu này cũng cung cấp bằng chứng thuyết phục về hành vi siêu bức xạ giống soliton trong trường tia X.Laser năng lượng caođã 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 tia laser, tia X được sử dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế, 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 tăng công suất tia X cực đại lên vài bậc độ lớn so với các công nghệ tạo tia X khác, do đó mở rộng ứng dụng tia X sang lĩnh vực quang phổ phi tuyến và quang phổ đơn hình ảnh nhiễu xạ hạt nơi cần năng lượng cao. XFEL atto giây thành công gần đây là một thành tựu lớn trong khoa học và công nghệ atto giây, tăng công suất cực đại sẵn có lên hơn sáu bậc độ lớn so với các nguồn tia X để bàn.

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

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống khuếch đại hai giai đoạn dựa trên XFEL để khuếch đại xung tia X mềm đầu ra atto giây từ mạch kết hợp linac.nguồn sánglên cấp độ TW, mức độ cải thiện đáng kể so với kết quả được báo cáo. Bố trí thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Dựa trên phương pháp ESASE, bộ phát cathode quang được điều chế để thu được chùm tia điện tử có cường độ dòng điện cao và được sử dụng để tạo ra các xung tia X atto giây. Xung ban đầu nằm ở cạnh trước của tia điện tử, như thể hiện ở góc trên bên trái của Hình 1. Khi XFEL đạt đến độ bão hòa, chùm điện tử bị trễ so với tia X bởi một máy nén từ tính, và sau đó xung tương tác với chùm tia điện tử (lát tươi) không bị biến đổi bởi điều chế ESASE hoặc laser FEL. Cuối cùng, một bộ chuyển động từ tính 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.

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

Tất cả các xung atto giây đều được tạo ra từ nhiễu, vì vậy mỗi xung có các đặc tính quang phổ và miền thời gian khác nhau mà các nhà nghiên cứu đã khám phá chi tiết hơn. Về mặt quang phổ, họ đã sử dụng máy quang phổ tấm dải Fresnel để đo quang phổ của từng xung ở các độ dài dao động tương đương khác nhau và nhận thấy rằng các quang phổ này duy trì dạng sóng mượt mà ngay cả sau khi khuếch đại thứ cấp, cho thấy các xung vẫn không đồng nhất. Trong miền thời gian, rìa góc được đo và đặc trưng dạng sóng miền thời gian của xung. Như được hiển thị trong Hình 1, xung tia X bị chồng lấp với xung laser hồng ngoại phân cực tròn. Các quang điện tử bị ion hóa bởi xung tia X sẽ tạo ra các vệt có hướng ngược với thế vectơ của tia hồng ngoại. Do điện trường của tia laser quay theo thời gian nên 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 phân bố động lượng của quang điện tử được thiết lập. Sự phân bố động lượng quang điện tử được đo bằng máy quang phổ hình ảnh ánh xạ nhanh đồng trục. Dựa trên kết quả phân bố và quang phổ, dạng sóng miền thời gian của các xung atto giây có thể được xây dựng lại. Hình 2 (a) cho thấy sự phân bố thời lượng xung, với giá trị trung bình là 440 as. 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 như trong Hình 2 (b) đã được tính toán. Ba cấu hình tương ứng với các điều kiện lấy nét chùm tia điện tử khác nhau, điều kiện hình nón dao động và điều kiện trễ của máy nén từ. Ba cấu hình mang lại năng lượng xung trung bình lần lượt là 150, 200 và 260 µJ, với công suất cực đại tối đa là 1,1 TW.

Hình 2. (a) Biểu đồ phân phối độ rộng xung nửa chiều cao (FWHM); (b) Biểu đồ phân tán tương ứng với công suất cực đại và độ rộng xung

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