Laser xung tia X atto giây loại TW

Laser xung tia X atto giây loại TW
Tia X atto giâylaser xungvới công suất cao và thời gian xung ngắn là chìa khóa để đạt được quang phổ phi tuyến tính siêu nhanh và hình ảnh nhiễu xạ tia X. Nhóm nghiên cứu tại Hoa Kỳ đã sử dụng một chuỗi hai giai đoạnTia 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 độ lớn, công suất đỉnh cực đại là 1,1 TW và năng lượng trung bình lớn hơn 100 μJ. Nghiên cứu này cũng cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về hành vi siêu bức xạ giống soliton trong trường tia X.Tia 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 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 electron tự do tia X (XFEL) có thể tăng công suất tia X cực đại lên nhiều cấp độ so với các công nghệ tạo tia X khác, do đó mở rộng ứng dụng của tia X vào lĩnh vực quang phổ phi tuyến tính và hình ảnh nhiễu xạ hạt đơn, nơi cần công suất cao. Thành công gần đây của XFEL atto giây là một thành tựu lớn trong khoa học và công nghệ atto giây, tăng công suất cực đại khả dụng lên hơn sáu cấp độ so với các nguồn tia X để bàn.

Laser electron tự docó thể thu được năng lượng xung cao hơn nhiều bậc độ lớn so với mức phát xạ tự phát bằng cách sử dụng 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), hiệu ứng FEL đạt được bằng kỹ thuật nén bó và nón sau bão hòa. Trong dải tia X mềm (bước sóng khoảng 0,1 nm đến 10 nm), hiệu ứng FEL được thực hiện bằng công nghệ lát cắt tươi theo tầng. Gần đây, các xung atto giây với công suất cực đại 100 GW đã được báo cáo là 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 atto giây tia X mềm đầu ra từ máy gia tốc tuyến tính mạch lạcnguồn sángđến mức TW, cải thiện theo cấp độ so với kết quả đã báo cáo. Thiết lập thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Dựa trên phương pháp ESASE, bộ phát quang catốt được điều chế để thu được chùm tia điện tử có xung dòng điện cao và được sử dụng để tạo ra các xung tia X atto giây. Xung ban đầu nằm ở cạnh trước của xung của chùm tia điện tử, như thể hiện ở góc trên bên trái của Hình 1. Khi XFEL đạt đến trạng thái bão hòa, chùm tia điện tử bị trễ so với tia X bởi bộ nén từ tính, sau đó xung tương tác với chùm tia điện tử (lát cắt mới) không bị điều chỉnh bởi điều chế ESASE hoặc laser FEL. Cuối cùng, một bộ tạo sóng 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.

HÌNH 1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm; Hình minh họa cho thấy không gian pha dọc (biểu 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, buồng ngang băng tần X; cVMI, hệ thống tạo ảnh lập bản đồ nhanh đồng trục; FZP, máy quang phổ tấm băng Fresnel

Tất cả các xung atto giây đều được tạo ra từ nhiễu, do đó mỗi xung có các đặc tính phổ và miền thời gian khác nhau, mà các nhà nghiên cứu đã khám phá chi tiết hơn. Về mặt phổ, họ đã sử dụng máy quang phổ tấm dải Fresnel để đo phổ của các xung riêng lẻ ở các độ dài sóng tương đương khác nhau và phát hiện ra rằng các phổ này vẫn duy trì dạng sóng mượt mà ngay cả sau khi khuếch đại thứ cấp, cho thấy các xung vẫn đơn điệu. Trong miền thời gian, vân góc được đo và dạng sóng miền thời gian của xung được mô tả. Như thể hiện trong Hình 1, xung tia X 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 với thế vectơ của laser hồng ngoại. Do điện trường của laser quay theo thời gian, nên phân bố động lượng của quang điện tử được xác định bởi 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. 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 phổ, dạng sóng miền thời gian của các xung atto giây có thể được tái tạo. Hình 2 (a) cho thấy phân bố thời gian xung, với trung vị là 440 μs. 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 gian xung như thể hiện trong Hình 2 (b) đã được tính toán. Ba cấu hình tương ứng với các điều kiện hội tụ chùm tia điện tử, điều kiện hình nón sóng và điều kiện trễ máy nén từ khác nhau. Ba cấu hình tạo ra năng lượng xung trung bình lần lượt là 150, 200 và 260 µJ, với công suất cực đại là 1,1 TW.

Hình 2. (a) Biểu đồ phân bố của thời lượng xung toàn chiều cao một nửa (FWHM); (b) Biểu đồ phân tán tương ứng với công suất cực đại và thời lượng xung

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