Laser à impulsi di raggi X attosecondi di classe TW

Laser à impulsi di raggi X attosecondi di classe TW
Raggi X di attosecondilaser à impulsicù alta putenza è corta durata di l'impulsu sò a chjave per ottene spettroscopia non lineare ultraveloce è imaging di diffrazione di raggi X. A squadra di ricerca in i Stati Uniti hà utilizatu una cascata di dui stadiLaser à elettroni liberi à raggi Xper pruduce impulsi discreti di attosecondi. In paragone cù i rapporti esistenti, a putenza di piccu media di l'impulsi hè aumentata di un ordine di grandezza, a putenza di piccu massima hè 1,1 TW, è l'energia mediana hè più di 100 μJ. U studiu furnisce ancu una forte evidenza di un cumpurtamentu di superradiazione simile à u solitone in u campu di raggi X.Laser à alta energiaanu purtatu à parechje nuove aree di ricerca, cumprese a fisica di campu altu, a spettroscopia di attosecondi è l'acceleratori di particelle laser. Frà tutti i tipi di laser, i raggi X sò largamente usati in a diagnosi medica, a rilevazione di difetti industriali, l'ispezione di sicurezza è a ricerca scientifica. U laser à elettroni liberi à raggi X (XFEL) pò aumentà a putenza di piccu di i raggi X di parechji ordini di grandezza paragunatu à altre tecnulugie di generazione di raggi X, estendendu cusì l'applicazione di i raggi X à u campu di a spettroscopia non lineare è di l'imaghjini di diffrazione di particella unica induve hè necessaria una putenza elevata. U recente XFEL di attosecondi riesciutu hè una realizazione maiò in a scienza è a tecnulugia di l'attosecondi, aumentendu a putenza di piccu dispunibule di più di sei ordini di grandezza paragunatu à e fonti di raggi X di banco.

Laser à elettroni liberipò ottene energie d'impulsi parechji ordini di grandezza più alte di u livellu d'emissione spontanea aduprendu l'instabilità cullettiva, chì hè causata da l'interazione cuntinua di u campu di radiazione in u fasciu d'elettroni relativisticu è l'oscillatore magneticu. In a gamma di raggi X duri (circa 0,01 nm à 0,1 nm di lunghezza d'onda), FEL hè ottenutu da tecniche di compressione di fasciu è di conificazione post-saturazione. In a gamma di raggi X morbidi (circa 0,1 nm à 10 nm di lunghezza d'onda), FEL hè implementatu da a tecnulugia di cascata fresh-slice. Recentemente, hè statu signalatu chì impulsi di attosecondi cù una putenza di piccu di 100 GW sò stati generati aduprendu u metudu di emissione spontanea autoamplificata migliorata (ESASE).

A squadra di ricerca hà utilizatu un sistema di amplificazione à dui stadii basatu annantu à XFEL per amplificà l'impulsu di attosecondi di raggi X morbidi in uscita da u linac coerente.fonte di luceà u livellu TW, un miglioramentu di ordine di grandezza rispetto à i risultati riportati. A cunfigurazione sperimentale hè mostrata in a Figura 1. Basatu annantu à u metudu ESASE, l'emettitore di fotocatodu hè modulatu per ottene un fasciu di elettroni cù un piccu di corrente elevata, è hè adupratu per generà impulsi di raggi X di attosecondi. L'impulsu iniziale hè situatu à u bordu frontale di u piccu di u fasciu di elettroni, cum'è mostratu in l'angulu superiore sinistro di a Figura 1. Quandu l'XFEL ghjunghje à a saturazione, u fasciu di elettroni hè ritardatu in relazione à i raggi X da un compressore magneticu, è dopu l'impulsu interagisce cù u fasciu di elettroni (fetta fresca) chì ùn hè micca mudificatu da a modulazione ESASE o da u laser FEL. Infine, un secondu ondulatore magneticu hè adupratu per amplificà ulteriormente i raggi X attraversu l'interazione di impulsi di attosecondi cù a fetta fresca.

FIG. 1 Diagramma di u dispusitivu sperimentale; L'illustrazione mostra u spaziu di fase longitudinale (diagramma di tempu-energia di l'elettrone, verde), u prufilu di corrente (blu) è a radiazione prodotta da l'amplificazione di primu ordine (viola). XTCAV, cavità trasversale in banda X; cVMI, sistema di imaging di mappatura rapida coassiale; FZP, spettrometru à piastra di banda di Fresnel

Tutti l'impulsi di attosecondi sò custruiti da u rumore, dunque ogni impulsu hà diverse proprietà spettrali è di duminiu temporale, chì i circadori anu esploratu in più dettagliu. In termini di spettri, anu utilizatu un spettrometru à piastra di banda di Fresnel per misurà i spettri di impulsi individuali à diverse lunghezze di ondulatore equivalenti, è anu trovu chì questi spettri anu mantinutu forme d'onda lisce ancu dopu l'amplificazione secundaria, indicendu chì l'impulsi sò rimasti unimodali. In u duminiu temporale, a frangia angulare hè misurata è a forma d'onda di u duminiu temporale di l'impulsu hè carattarizata. Cum'è mostratu in a Figura 1, l'impulsu di raggi X hè sovrappostu à l'impulsu laser infrarossu polarizatu circularmente. I fotoelettroni ionizzati da l'impulsu di raggi X produrranu strisce in a direzione opposta à u putenziale vettoriale di u laser infrarossu. Siccomu u campu elettricu di u laser gira cù u tempu, a distribuzione di u momentum di u fotoelettrone hè determinata da u tempu di emissione di l'elettrone, è a relazione trà u modu angulare di u tempu di emissione è a distribuzione di u momentum di u fotoelettrone hè stabilita. A distribuzione di u momentum fotoelettrone hè misurata utilizendu un spettrometru di imaging à mappatura rapida coassiale. Basatu annantu à a distribuzione è i risultati spettrali, a forma d'onda di u duminiu di u tempu di l'impulsi di attosecondi pò esse ricustruita. A Figura 2 (a) mostra a distribuzione di a durata di l'impulsu, cù una mediana di 440 as. Infine, u rilevatore di monitoraghju di gas hè statu utilizatu per misurà l'energia di l'impulsu, è hè statu calculatu u graficu di dispersione trà a putenza di piccu di l'impulsu è a durata di l'impulsu cum'è mostratu in a Figura 2 (b). E trè cunfigurazioni currispondenu à diverse cundizioni di focalizazione di u fasciu di elettroni, cundizioni di conificazione di l'onda è cundizioni di ritardu di u compressore magneticu. E trè cunfigurazioni anu pruduttu energie medie di l'impulsu di 150, 200 è 260 µJ, rispettivamente, cù una putenza di piccu massima di 1,1 TW.

Figura 2. (a) Istogramma di distribuzione di a durata di l'impulsu à mezza altezza è larghezza piena (FWHM); (b) Diagramma di dispersione currispondente à a putenza di piccu è à a durata di l'impulsu

Inoltre, u studiu hà ancu osservatu per a prima volta u fenomenu di a superemissione simile à u solitone in a banda di raggi X, chì appare cum'è un accorciamentu continuu di l'impulsu durante l'amplificazione. Hè causatu da una forte interazione trà l'elettroni è a radiazione, cù l'energia trasferita rapidamente da l'elettrone à a testa di l'impulsu di raggi X è torna à l'elettrone da a coda di l'impulsu. Attraversu un studiu approfonditu di stu fenomenu, si prevede chì l'impulsi di raggi X cù una durata più corta è una putenza di piccu più alta possinu esse ulteriormente realizati estendendu u prucessu di amplificazione di a superradiazione è prufittendu di l'accorciamentu di l'impulsu in modu simile à u solitone.