laser a impulsi di raggi X ad attosecondi di classe TW
raggi X all'attosecondolaser a impulsicon elevata potenza e breve durata dell'impulso sono la chiave per ottenere spettroscopia non lineare ultraveloce e imaging di diffrazione a raggi X. Il team di ricerca negli Stati Uniti ha utilizzato una cascata di due stadilaser a elettroni liberi a raggi Xper generare impulsi discreti di 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 una solida prova del comportamento di superradiazione di tipo solitone nel campo dei raggi X.Laser ad alta energiahanno stimolato numerose nuove aree di ricerca, tra cui la fisica dei campi intensi, la spettroscopia ad attosecondi e gli acceleratori di particelle laser. Tra tutti i tipi di laser, i raggi X sono ampiamente utilizzati nella diagnostica medica, nel rilevamento di difetti industriali, nei controlli 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 di 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 dall'interazione continua del campo di radiazione nel fascio di elettroni relativistici e nell'oscillatore magnetico. Nella gamma dei raggi X duri (lunghezza d'onda da circa 0,01 nm a 0,1 nm), il FEL viene realizzato mediante compressione del fascio e tecniche di coning post-saturazione. Nella gamma dei raggi X molli (lunghezza d'onda da circa 0,1 nm a 10 nm), il FEL viene implementato mediante la tecnologia a cascata di fette fresche. Recentemente, è stata riportata la generazione di impulsi di attosecondi con una potenza di picco di 100 GW utilizzando il metodo di emissione spontanea autoamplificata potenziata (ESASE).
Il team di ricerca ha utilizzato un sistema di amplificazione a due stadi basato su XFEL per amplificare l'uscita di impulsi di attosecondi di raggi X molli dal linac coerentefonte luminosaal livello TW, un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto ai risultati riportati. La configurazione sperimentale è mostrata in Figura 1. Basandosi 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 di attosecondi. L'impulso iniziale si trova sul fronte 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, e quindi l'impulso interagisce con il fascio di elettroni (fetta fresca) che non è stato 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 di attosecondi con la fetta fresca.
FIG. 1 Schema 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 di Fresnel.
Tutti gli impulsi di attosecondi sono costituiti da rumore, quindi ogni impulso ha proprietà spettrali e nel dominio del tempo diverse, che i ricercatori hanno esplorato più in dettaglio. In termini di spettri, hanno utilizzato uno spettrometro a piastra di Fresnel per misurare gli spettri dei singoli impulsi a diverse lunghezze equivalenti dell'ondulatore 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 di raggi X è sovrapposto all'impulso laser infrarosso a polarizzazione circolare. I fotoelettroni ionizzati dall'impulso di raggi X produrranno striature nella direzione opposta al potenziale vettore del laser infrarosso. Poiché il campo elettrico del laser ruota nel tempo, la distribuzione della quantità di moto 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 della quantità di moto del fotoelettrone. La distribuzione della quantità di moto dei fotoelettroni viene misurata utilizzando uno spettrometro di imaging 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 di attosecondi. La Figura 2 (a) mostra la distribuzione della durata dell'impulso, con una mediana di 440 as. Infine, il rivelatore di monitoraggio del gas è stato utilizzato per misurare l'energia dell'impulso ed è stato calcolato il grafico a dispersione tra la potenza di picco dell'impulso e la durata dell'impulso, come mostrato nella Figura 2 (b). Le tre configurazioni corrispondono a diverse condizioni di focalizzazione del fascio di elettroni, condizioni di cono del waver e condizioni di ritardo del compressore magnetico. Le tre configurazioni hanno prodotto energie medie dell'impulso di 150, 200 e 260 µJ, rispettivamente, con una potenza di picco massima di 1,1 TW.
Figura 2. (a) Istogramma di distribuzione della durata dell'impulso a metà altezza (FWHM); (b) Grafico a dispersione corrispondente alla potenza di picco e alla durata dell'impulso.
Inoltre, lo studio ha osservato per la prima volta il fenomeno della superemissione di tipo solitone nella banda dei raggi X, che si manifesta come un continuo accorciamento dell'impulso durante l'amplificazione. Questo fenomeno è causato da una forte interazione tra elettroni e radiazione, con un rapido trasferimento di energia dall'elettrone alla testa dell'impulso di raggi X e viceversa dalla coda dell'impulso. Attraverso uno studio approfondito di questo fenomeno, si prevede che, estendendo il processo di amplificazione per superradiazione e sfruttando l'accorciamento dell'impulso in modalità solitone, si possano ottenere impulsi di raggi X di durata inferiore e potenza di picco maggiore.
Data di pubblicazione: 27 maggio 2024