TW ангиллын аттосекунд рентген импульсийн лазер

TW ангиллын аттосекунд рентген импульсийн лазер
Аттосекундын рентген зурагимпульсийн лазерӨндөр хүчин чадалтай, богино импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь хэт хурдан шугаман бус спектроскопи болон рентген туяаны дифракцийн дүрслэлд хүрэх түлхүүр юм. АНУ-ын судалгааны баг хоёр үе шаттай каскадыг ашигласанРентген туяагүй электрон лазерсалангид аттосекундын импульс гаргах. Одоо байгаа тайлантай харьцуулахад импульсийн дундаж оргил хүчийг дарааллаар нь нэмэгдүүлж, хамгийн их оргил хүч нь 1.1 TW, дундаж энерги нь 100 мкЖ-ээс их байна. Энэхүү судалгаа нь рентген туяаны талбарт солитонтой төстэй хэт цацрагийн үйл ажиллагааны хүчтэй нотолгоо юм.Өндөр энергитэй лазеруудӨндөр талбайн физик, аттосекундын спектроскопи, лазерын бөөмсийн хурдасгуур зэрэг судалгааны олон шинэ чиглэлийг бий болгосон. Бүх төрлийн лазеруудын дотроос рентген туяа нь эмнэлгийн оношлогоо, үйлдвэрлэлийн согог илрүүлэх, аюулгүй байдлын хяналт, шинжлэх ухааны судалгаанд өргөн хэрэглэгддэг. Рентген туяаны чөлөөт электрон лазер (XFEL) нь рентген туяа үүсгэх бусад технологитой харьцуулахад рентген туяаны хүчийг хэд хэдэн дарааллаар нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд ингэснээр шугаман бус спектроскопийн салбарт рентген туяаны хэрэглээг өргөжүүлнэ. өндөр хүч шаардлагатай үед бөөмийн дифракцийн дүрслэл. Саяхан амжилттай болсон аттосекундын XFEL нь аттосекундын шинжлэх ухаан, технологийн томоохон ололт бөгөөд вандан сандал дээрх рентген туяаны эх үүсвэртэй харьцуулахад боломжит оргил хүчийг зургаагаас дээш баллын дарааллаар нэмэгдүүлсэн юм.

Чөлөөт электрон лазеруудХарьцангуй электрон цацраг болон соронзон осциллятор дахь цацрагийн талбайн тасралтгүй харилцан үйлчлэлийн үр дүнд үүсдэг хамтын тогтворгүй байдлыг ашиглан аяндаа ялгарах хэмжээнээс хэд дахин өндөр импульсийн энергийг олж авах боломжтой. Хатуу рентген туяаны мужид (ойролцоогоор 0.01 нм-ээс 0.1 нм долгионы урт) FEL-ийг багц шахалт болон ханалтын дараах конусын техникээр олж авдаг. Зөөлөн рентген туяаны мужид (ойролцоогоор 0.1 нм-ээс 10 нм долгионы урттай) FEL нь каскадын шинэ зүсмэл технологиор хэрэгждэг. Сүүлийн үед 100 ГВт-ын оргил хүчин чадалтай аттосекундын импульсийг сайжруулсан өөрөө өсгөсөн аяндаа ялгарах (ESASE) аргыг ашиглан үүсгэсэн гэж мэдээлсэн.

Судалгааны баг XFEL дээр суурилсан хоёр үе шаттай өсгөлтийн системийг ашиглан линак когерентаас зөөлөн рентген аттосекундын импульсийн гаралтыг олшруулсан.гэрлийн эх үүсвэрTW түвшинд, мэдээлсэн үр дүнгээс дээшилсэн дараалал. Туршилтын тохиргоог Зураг 1-д үзүүлэв. ESASE арга дээр үндэслэн фотокатод ялгаруулагчийг модуляцлах замаар өндөр гүйдлийн огцом өсөлттэй электрон цацрагийг гаргаж авах ба аттосекундын рентген импульс үүсгэхэд ашигладаг. Эхний импульс нь 1-р зурагны зүүн дээд буланд үзүүлсэн шиг электрон цацрагийн өргөлтийн урд ирмэг дээр байрладаг. XFEL нь ханалтанд хүрэх үед электрон цацраг нь соронзон компрессороор рентген туяатай харьцуулахад хойшлогддог. дараа нь импульс нь ESASE модуляц эсвэл FEL лазераар өөрчлөгдөөгүй электрон цацраг (шинэ зүсмэл) -тэй харилцан үйлчилдэг. Эцэст нь аттосекундын импульсийн харилцан үйлчлэлээр дамжуулан рентген туяаг нэмэгдүүлэхийн тулд хоёр дахь соронзон долгионыг ашигладаг.

ЗУРАГ. 1 Туршилтын төхөөрөмжийн диаграмм; Зурагт уртааш фазын орон зай (электронын цаг хугацааны энергийн диаграмм, ногоон), гүйдлийн профиль (цэнхэр), нэгдүгээр зэрэглэлийн олшруулалтаас үүссэн цацраг (ягаан) зэргийг харуулав. XTCAV, X зурвасын хөндлөн хөндий; cVMI, коаксиаль хурдан зураглалын дүрслэлийн систем; FZP, Fresnel туузан хавтангийн спектрометр

Бүх аттосекундын импульс нь чимээ шуугианаас бүрддэг тул импульс бүр өөр өөр спектрийн болон цаг хугацааны шинж чанартай байдаг бөгөөд үүнийг судлаачид илүү нарийвчлан судалжээ. Спектрийн хувьд тэд өөр өөр эквивалент долгионы урттай бие даасан импульсийн спектрийг хэмжихийн тулд Fresnel хамтлагийн хавтангийн спектрометрийг ашигласан бөгөөд эдгээр спектрүүд хоёрдогч олшруулсны дараа ч жигд долгионы хэлбэрийг хадгалж байгааг олж мэдсэн нь импульс нь нэг модуль хэвээр байгааг харуулж байна. Цагийн мужид өнцгийн хүрээг хэмжиж, импульсийн цаг хугацааны долгионы хэлбэрийг тодорхойлно. Зураг 1-д үзүүлснээр рентген туяа нь дугуй туйлширсан хэт улаан туяаны лазер импульстэй давхцаж байна. Рентген туяаны импульсээр ионжуулсан фотоэлектронууд нь хэт улаан туяаны лазерын вектор потенциалын эсрэг чиглэлд зураас үүсгэдэг. Лазерын цахилгаан орон цаг хугацааны явцад эргэлддэг тул фотоэлектроны импульсийн тархалтыг электрон ялгарах хугацаанд тодорхойлж, цацрагийн цаг хугацааны өнцгийн горим ба фотоэлектроны импульсийн тархалтын хоорондын хамаарлыг тогтооно. Фотоэлектроны импульсийн тархалтыг коаксиаль хурдан зураглалын дүрслэлийн спектрометр ашиглан хэмждэг. Тархалт ба спектрийн үр дүнд үндэслэн аттосекундын импульсийн цаг хугацааны долгионы хэлбэрийг сэргээж болно. Зураг 2 (а) нь импульсийн үргэлжлэх хугацааны тархалтыг харуулсан бөгөөд медиан нь 440 байна. Эцэст нь хийн хяналтын детекторыг импульсийн энергийг хэмжихэд ашигласан бөгөөд Зураг 2 (b)-д үзүүлсэн шиг импульсийн оргил хүч ба импульсийн үргэлжлэх хугацааны хоорондох тархалтын графикийг тооцоолсон. Гурван тохиргоо нь өөр өөр электрон цацрагийн фокусын нөхцөл, долгионы конусан нөхцөл, соронзон компрессорын саатлын нөхцөлтэй тохирч байна. Гурван тохиргоо нь 150, 200, 260 мкЖ-ийн дундаж импульсийн энергийг гаргаж, хамгийн дээд оргил хүчин чадал нь 1.1 TW байв.

Зураг 2. (a) Хагас өндрийн тархалтын гистограм Бүтэн өргөн (FWHM) импульсийн үргэлжлэх хугацаа; (б) Оргил хүч ба импульсийн үргэлжлэх хугацаатай харгалзах тархалтын график

Нэмж дурдахад судалгаагаар олшрох үед импульсийн тасралтгүй богиноссон шинж тэмдэг илэрдэг рентген туяаны зурваст солитон шиг супер ялгаралтын үзэгдлийг анх удаа ажиглав. Энэ нь электрон ба цацрагийн хүчтэй харилцан үйлчлэлийн үр дүнд үүсдэг бөгөөд энерги нь электроноос рентген импульсийн толгой руу хурдан шилжиж, импульсийн сүүл хэсгээс электрон руу буцаж ирдэг. Энэхүү үзэгдлийг гүнзгийрүүлэн судалснаар хэт цацрагийн өсгөлтийн процессыг өргөтгөж, солитон шиг горимд импульс богиносгох давуу талыг ашиглан илүү богино хугацаатай, өндөр оргил хүчин чадалтай рентген импульсийг цаашид хэрэгжүүлэх боломжтой гэж үзэж байна.