Laser a impulsi a raggi X attosecondi di classe TW
Raggi X ad attosecondilaser a impulsiL'elevata potenza e la breve durata dell'impulso sono la chiave per ottenere spettroscopia non lineare ultraveloce e imaging a diffrazione di raggi X. Il team di ricerca negli Stati Uniti ha utilizzato una cascata diLaser a elettroni liberi a raggi Xper generare impulsi discreti ad attosecondi. Rispetto ai dati esistenti, la potenza di picco media degli impulsi è aumentata di un ordine di grandezza, la potenza di picco massima è di 1,1 TW e l'energia mediana è superiore a 100 μJ. Lo studio fornisce inoltre solide prove di un comportamento di superradiazione simile a quello dei solitoni nel campo dei raggi X.Laser ad alta energiahanno guidato molte nuove aree di ricerca, tra cui la fisica ad alto campo, la spettroscopia ad attosecondi e gli acceleratori laser di particelle. Tra tutti i tipi di laser, i raggi X sono ampiamente utilizzati nella diagnosi medica, nel rilevamento di difetti industriali, nelle ispezioni di sicurezza e nella ricerca scientifica. Il laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) può aumentare la potenza di picco dei raggi X di diversi ordini di grandezza rispetto ad altre tecnologie di generazione di raggi X, estendendo così l'applicazione dei raggi X al campo della spettroscopia non lineare e dell'imaging a diffrazione di singole particelle, dove è richiesta un'elevata potenza. Il recente successo dell'XFEL ad attosecondi rappresenta un importante traguardo nella scienza e nella tecnologia degli attosecondi, aumentando la potenza di picco disponibile di oltre sei ordini di grandezza rispetto alle sorgenti di raggi X da banco.
Laser a elettroni liberiÈ possibile ottenere energie di impulso di molti ordini di grandezza superiori al livello di emissione spontanea utilizzando l'instabilità collettiva, causata dalla continua interazione del campo di radiazione nel fascio di elettroni relativistici e nell'oscillatore magnetico. Nell'intervallo dei raggi X duri (da circa 0,01 nm a 0,1 nm di lunghezza d'onda), la FEL viene ottenuta mediante tecniche di compressione del fascio e cono di post-saturazione. Nell'intervallo dei raggi X molli (da circa 0,1 nm a 10 nm di lunghezza d'onda), la FEL viene implementata mediante la tecnologia a strati freschi a cascata. Recentemente, è stato riportato che impulsi ad attosecondi con una potenza di picco di 100 GW sono stati generati utilizzando il metodo di emissione spontanea autoamplificata migliorata (ESASE).
Il team di ricerca ha utilizzato un sistema di amplificazione a due stadi basato su XFEL per amplificare l'uscita dell'impulso di attosecondi a raggi X molli dal linac coerentefonte di luceal livello TW, un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto ai risultati riportati. L'impostazione sperimentale è mostrata in Figura 1. Basato sul metodo ESASE, l'emettitore del fotocatodo viene modulato per ottenere un fascio di elettroni con un picco di corrente elevato e viene utilizzato per generare impulsi di raggi X ad attosecondi. L'impulso iniziale si trova sul bordo anteriore del picco del fascio di elettroni, come mostrato nell'angolo in alto a sinistra della Figura 1. Quando l'XFEL raggiunge la saturazione, il fascio di elettroni viene ritardato rispetto ai raggi X da un compressore magnetico, quindi l'impulso interagisce con il fascio di elettroni (fetta fresca) che non viene modificato dalla modulazione ESASE o dal laser FEL. Infine, un secondo ondulatore magnetico viene utilizzato per amplificare ulteriormente i raggi X attraverso l'interazione degli impulsi ad attosecondi con la fetta fresca.
FIG. 1 Diagramma del dispositivo sperimentale; l'illustrazione mostra lo spazio delle fasi longitudinale (diagramma tempo-energia dell'elettrone, verde), il profilo di corrente (blu) e la radiazione prodotta dall'amplificazione del primo ordine (viola). XTCAV, cavità trasversale in banda X; cVMI, sistema di imaging a mappatura rapida coassiale; FZP, spettrometro a piastra a banda di Fresnel
Tutti gli impulsi ad attosecondi sono generati dal rumore, quindi ogni impulso presenta diverse proprietà spettrali e nel dominio del tempo, che i ricercatori hanno esplorato più in dettaglio. In termini di spettri, hanno utilizzato uno spettrometro a piastra a bande di Fresnel per misurare gli spettri dei singoli impulsi a diverse lunghezze di ondulatore equivalenti, e hanno scoperto che questi spettri mantenevano forme d'onda uniformi anche dopo l'amplificazione secondaria, indicando che gli impulsi rimanevano unimodali. Nel dominio del tempo, viene misurata la frangia angolare e viene caratterizzata la forma d'onda nel dominio del tempo dell'impulso. Come mostrato in Figura 1, l'impulso a raggi X è sovrapposto all'impulso laser infrarosso polarizzato circolarmente. I fotoelettroni ionizzati dall'impulso a raggi X produrranno striature nella direzione opposta al potenziale vettore del laser infrarosso. Poiché il campo elettrico del laser ruota nel tempo, la distribuzione dell'impulso del fotoelettrone è determinata dal tempo di emissione dell'elettrone e viene stabilita la relazione tra la modalità angolare del tempo di emissione e la distribuzione dell'impulso del fotoelettrone. La distribuzione del momento fotoelettronico viene misurata utilizzando uno spettrometro a immagini a mappatura rapida coassiale. Sulla base della distribuzione e dei risultati spettrali, è possibile ricostruire la forma d'onda nel dominio del tempo degli impulsi ad attosecondi. La Figura 2 (a) mostra la distribuzione della durata dell'impulso, con una mediana di 440 μs. Infine, è stato utilizzato il rivelatore di monitoraggio del gas per misurare l'energia dell'impulso ed è stato calcolato il diagramma di dispersione tra la potenza di picco dell'impulso e la durata dell'impulso, come mostrato in Figura 2 (b). Le tre configurazioni corrispondono a diverse condizioni di focalizzazione del fascio di elettroni, condizioni di cono di waver e condizioni di ritardo del compressore magnetico. Le tre configurazioni hanno prodotto energie medie dell'impulso rispettivamente di 150, 200 e 260 μJ, con una potenza di picco massima di 1,1 TW.
Figura 2. (a) Istogramma di distribuzione della durata dell'impulso a mezza altezza e larghezza intera (FWHM); (b) Diagramma di dispersione corrispondente alla potenza di picco e alla durata dell'impulso
Inoltre, lo studio ha anche osservato per la prima volta il fenomeno della superemissione di tipo solitonico nella banda dei raggi X, che si manifesta come un continuo accorciamento dell'impulso durante l'amplificazione. È causato da una forte interazione tra elettroni e radiazione, con energia trasferita rapidamente dall'elettrone alla testa dell'impulso a raggi X e di nuovo all'elettrone dalla coda dell'impulso. Attraverso uno studio approfondito di questo fenomeno, si prevede che impulsi a raggi X con durata inferiore e potenza di picco maggiore possano essere ulteriormente realizzati estendendo il processo di amplificazione della superradiazione e sfruttando l'accorciamento dell'impulso in modalità di tipo solitonico.
Data di pubblicazione: 27 maggio 2024