Laser ad impulsi a raggi X ad attosecondi di classe TW

Laser ad impulsi a 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 la spettroscopia non lineare ultraveloce e l'imaging con diffrazione di raggi X. Il gruppo di ricerca negli Stati Uniti ha utilizzato una cascata a due stadiLaser a elettroni liberi a raggi Xper emettere impulsi ad attosecondi discreti. Rispetto ai rapporti 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 anche prove evidenti del comportamento della superradiazione simile ai solitoni nel campo dei raggi X.Laser ad alta energiahanno dato impulso a molte nuove aree di ricerca, tra cui la fisica ad alto campo, la spettroscopia ad attosecondi e gli acceleratori di particelle laser. 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 della spettroscopia a elettroni singoli. imaging di diffrazione di particelle dove è richiesta una potenza elevata. Il recente successo XFEL ad attosecondi rappresenta un risultato importante nella scienza e nella tecnologia degli attosecondi, poiché aumenta la potenza di picco disponibile di oltre sei ordini di grandezza rispetto alle sorgenti di raggi X da banco.

Laser a elettroni liberipuò ottenere energie di impulso molti ordini di grandezza superiori al livello di emissione spontanea utilizzando l'instabilità collettiva, che è causata dalla continua interazione 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 si ottiene mediante tecniche di compressione del fascio e conificazione post-saturazione. Nella gamma dei raggi X molli (lunghezza d'onda da circa 0,1 nm a 10 nm), il FEL è implementato mediante la tecnologia a cascata di fette fresche. Recentemente, è stato segnalato che impulsi ad attosecondi con una potenza di picco di 100 GW vengono generati utilizzando il metodo dell'emissione spontanea autoamplificata potenziata (ESASE).

Il gruppo di ricerca ha utilizzato un sistema di amplificazione a due stadi basato su XFEL per amplificare l'impulso ad attosecondi dei raggi X molli emesso dal linac coerentefonte di luceal livello TW, un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto ai risultati riportati. L'apparato sperimentale è mostrato nella 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 è situato sul bordo anteriore del picco del fascio di elettroni, come mostrato nell'angolo in alto a sinistra della Figura 1. Quando XFEL raggiunge la saturazione, il fascio di elettroni viene ritardato rispetto ai raggi X da un compressore magnetico, e poi 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 di impulsi ad attosecondi con la fetta fresca.

FICO. 1 Schema del dispositivo sperimentale; L'illustrazione mostra lo spazio delle fasi longitudinali (diagramma tempo-energia dell'elettrone, verde), il profilo 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 costruiti a partire dal rumore, quindi ogni impulso ha proprietà spettrali e nel dominio del tempo diverse, che i ricercatori hanno esplorato in modo più dettagliato. In termini di spettri, hanno utilizzato uno spettrometro con piastra a banda di Fresnel per misurare gli spettri di 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 dell'impulso nel dominio del tempo. Come mostrato nella Figura 1, l'impulso dei raggi X è sovrapposto all'impulso laser a infrarossi polarizzato circolarmente. I fotoelettroni ionizzati dall'impulso di raggi X produrranno strisce 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 del fotoelettrone viene misurata utilizzando uno spettrometro per immagini a mappatura veloce 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 media di 440 as. Infine, il rilevatore di monitoraggio del gas è stato utilizzato 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 nella Figura 2 (b). Le tre configurazioni corrispondono a diverse condizioni di focalizzazione del fascio di elettroni, condizioni di cono d'onda e condizioni di ritardo del compressore magnetico. Le tre configurazioni hanno prodotto energie medie di 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) 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 tipo solitone nella banda dei raggi X, che appare come un accorciamento continuo dell’impulso durante l’amplificazione. È causato da una forte interazione tra elettroni e radiazione, con l'energia trasferita rapidamente dall'elettrone alla testa dell'impulso di raggi X e di nuovo all'elettrone dalla coda dell'impulso. Attraverso uno studio approfondito di questo fenomeno, si prevede che gli impulsi di raggi X con durata più breve e potenza di picco più elevata possano essere ulteriormente realizzati estendendo il processo di amplificazione della superradiazione e sfruttando l'accorciamento degli impulsi in modalità solitonica.