TW ангиллын аттосекундын рентген импульсийн лазер

TW ангиллын аттосекундын рентген импульсийн лазер
Аттосекундын рентген зурагимпульсийн лазерөндөр хүчин чадал болон богино импульсийн үргэлжлэх хугацаа нь хэт хурдан шугаман бус спектроскопи болон рентген дифракцийн дүрслэлийг бий болгох түлхүүр юм. АНУ-ын судалгааны баг хоёр үе шаттай каскад ашигласанРентген туяаны чөлөөт электрон лазерууддискрет аттосекундын импульс гаргах. Одоо байгаа тайлангуудтай харьцуулахад импульсийн дундаж оргил хүч нь хэд дахин нэмэгдэж, хамгийн их оргил хүч нь 1.1 ТВт, медиан энерги нь 100 μЖ-ээс их байна. Судалгаагаар мөн рентген туяаны талбарт солитон төст супер цацрагийн зан үйлийн талаар хүчтэй нотолгоо өгч байна.Өндөр энергийн лазеруудөндөр талбайн физик, аттосекундын спектроскопи, лазерын бөөмийн хурдасгуур зэрэг олон шинэ судалгааны чиглэлийг бий болгосон. Бүх төрлийн лазеруудын дунд рентген туяаг анагаах ухааны оношлогоо, үйлдвэрлэлийн согогийг илрүүлэх, аюулгүй байдлын хяналт шалгалт, шинжлэх ухааны судалгаанд өргөн ашигладаг. Рентген туяаны чөлөөт электрон лазер (XFEL) нь бусад рентген туяа үүсгэх технологиудтай харьцуулахад рентген туяаны оргил хүчийг хэд хэдэн дарааллаар нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд ингэснээр рентген туяаг өндөр хүч шаардлагатай шугаман бус спектроскопи болон нэг бөөмийн дифракцийн дүрслэлийн салбарт хэрэглэх боломжийг өргөжүүлдэг. Саяхны амжилттай аттосекундын XFEL нь аттосекундын шинжлэх ухаан, технологийн томоохон ололт амжилт бөгөөд ширээний рентген туяаны эх үүсвэртэй харьцуулахад боломжтой оргил хүчийг зургаагаас дээш дарааллаар нэмэгдүүлсэн.

Чөлөөт электрон лазеруудрелятивист электрон цацраг болон соронзон осциллятор дахь цацрагийн талбайн тасралтгүй харилцан үйлчлэлээс үүдэлтэй хамтын тогтворгүй байдлыг ашиглан аяндаа ялгаралтын түвшингээс олон дахин өндөр импульсийн энергийг олж авах боломжтой. Хатуу рентген туяаны хүрээнд (ойролцоогоор 0.01 нм-ээс 0.1 нм долгионы урт) FEL-ийг багц шахалт болон ханасаны дараах конусжуулалтын техникээр гүйцэтгэдэг. Зөөлөн рентген туяаны хүрээнд (ойролцоогоор 0.1 нм-ээс 10 нм долгионы урт) FEL-ийг каскадын шинэ зүсмэл технологиор хэрэгжүүлдэг. Саяхан 100 ГВт оргил чадалтай аттосекундын импульсийг сайжруулсан өөрөө олшруулсан аяндаа ялгаралт (ESASE) аргыг ашиглан үүсгэдэг гэж мэдээлсэн.

Судалгааны баг нь линак когерентээс зөөлөн рентген туяаны аттосекундын импульсийн гаралтыг өсгөхийн тулд XFEL дээр суурилсан хоёр үе шаттай олшруулалтын системийг ашигласан.гэрлийн эх үүсвэрTW түвшинд, мэдээлэгдсэн үр дүнгээс хэд дахин сайжирсан. Туршилтын тохиргоог Зураг 1-д үзүүлэв. ESASE аргад үндэслэн фотокатодын эмиттерийг өндөр гүйдлийн оргилтой электрон цацрагийг олж авахын тулд модуляцлаж, аттосекундын рентген импульс үүсгэхэд ашигладаг. Эхний импульс нь Зураг 1-ийн зүүн дээд буланд үзүүлсэн шиг электрон цацрагийн оргилын урд ирмэг дээр байрладаг. XFEL нь ханасан түвшинд хүрэхэд электрон цацраг нь соронзон компрессороор рентген туяатай харьцуулахад хойшлогдож, дараа нь импульс нь ESASE модуляци эсвэл FEL лазераар өөрчлөгдөөгүй электрон цацраг (шинэ зүсмэл)-тэй харилцан үйлчилдэг. Эцэст нь, аттосекундын импульс нь шинэ зүсмэлтэй харилцан үйлчлэлцэх замаар рентген туяаг цаашид олшруулахын тулд хоёр дахь соронзон долгион үүсгэгчийг ашигладаг.

ЗУРАГ. 1 Туршилтын төхөөрөмжийн диаграмм; Зурагт уртааш фазын орон зай (электроны цаг хугацаа-энергийн диаграмм, ногоон), гүйдлийн профайл (цэнхэр), мөн нэгдүгээр эрэмбийн олшруулалтаар үүссэн цацраг (нил ягаан)-г харуулав. XTCAV, X зурвасын хөндлөн хөндий; cVMI, коаксиаль хурдан зураглалын дүрслэлийн систем; FZP, Фреснелийн зурвасын хавтангийн спектрометр

Бүх аттосекундын импульс нь шуугианаас бүрддэг тул импульс бүр өөр өөр спектр болон цагийн домэйны шинж чанартай байдаг бөгөөд судлаачид үүнийг илүү нарийвчлан судалсан. Спектрийн хувьд тэд Фреснелийн зурвасын хавтангийн спектрометрийг ашиглан өөр өөр эквивалент долгиондуулагч урттай бие даасан импульсийн спектрийг хэмжиж, эдгээр спектрүүд нь хоёрдогч олшруулалтын дараа ч жигд долгионы хэлбэрийг хадгалж байгааг тогтоосон бөгөөд энэ нь импульс нь нэг горимтой хэвээр байгааг харуулж байна. Цаг хугацааны домэйнд өнцгийн хүрээг хэмжиж, импульсийн цагийн домэйны долгионы хэлбэрийг тодорхойлно. Зураг 1-т үзүүлсэнчлэн рентген импульс нь дугуй туйлширсан хэт улаан туяаны лазер импульстэй давхцдаг. Рентген импульсээр ионжуулсан фотоэлектронууд нь хэт улаан туяаны лазерын вектор потенциалын эсрэг чиглэлд судал үүсгэдэг. Лазерын цахилгаан орон цаг хугацаатай эргэлддэг тул фотоэлектроны импульсийн тархалтыг электрон ялгаралтын хугацаагаар тодорхойлдог бөгөөд ялгаралтын хугацааны өнцгийн горим ба фотоэлектроны импульсийн тархалтын хоорондын хамаарлыг тогтоодог. Фотоэлектроны импульсийн тархалтыг коаксиаль хурдан зураглалын дүрслэлийн спектрометр ашиглан хэмждэг. Тархалт болон спектрийн үр дүнд үндэслэн аттосекундын импульсийн цагийн домэйны долгионы хэлбэрийг сэргээн босгож болно. Зураг 2 (a)-д импульсийн үргэлжлэх хугацааны тархалтыг харуулсан бөгөөд медиан нь 440 а байна. Эцэст нь хийн хяналтын детекторыг импульсийн энергийг хэмжихэд ашигласан бөгөөд Зураг 2 (b)-д үзүүлсэн шиг оргил импульсийн чадал ба импульсийн үргэлжлэх хугацааны хоорондох тархалтын графикийг тооцоолсон. Гурван тохиргоо нь электрон цацрагийн фокусын өөр өөр нөхцөл, долгионы конусжилтын нөхцөл болон соронзон компрессорын саатлын нөхцөлтэй тохирч байна. Гурван тохиргоо нь тус тус 150, 200, 260 µJ дундаж импульсийн энергийг гаргаж авсан бөгөөд хамгийн их оргил чадал нь 1.1 ТВт байв.

Зураг 2. (a) Хагас өндрийн бүтэн өргөн (FWHM) импульсийн үргэлжлэх хугацааны тархалтын гистограмм; (b) Оргил чадал болон импульсийн үргэлжлэх хугацаатай харгалзах тархалтын график

Үүнээс гадна, судалгаагаар рентген зурвас дахь солитон төст супер ялгаралтын үзэгдлийг анх удаа ажигласан бөгөөд энэ нь олшруулалтын үед тасралтгүй импульсийн богиносолт хэлбэрээр илэрдэг. Энэ нь электрон ба цацрагийн хоорондох хүчтэй харилцан үйлчлэлээс үүдэлтэй бөгөөд энерги нь электроноос рентген импульсийн толгой руу, импульсийн сүүлээс электрон руу хурдан шилждэг. Энэхүү үзэгдлийг гүнзгийрүүлэн судалснаар супер цацрагийн олшруулалтын процессыг өргөтгөж, солитон төст горимд импульсийн богиносолтыг ашиглах замаар богино хугацаатай, өндөр оргил чадалтай рентген импульсийг цаашид хэрэгжүүлэх боломжтой гэж үзэж байна.