เลเซอร์ X-ray Pulse Attosecond

เลเซอร์ X-ray Pulse Attosecond
Attosecond X-rayเลเซอร์ชีพจรด้วยระยะเวลาการเต้นของชีพจรที่มีกำลังสูงและสั้นเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นและการถ่ายภาพการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทีมวิจัยในสหรัฐอเมริกาใช้น้ำตกสองขั้นตอนเลเซอร์อิเล็กตรอนฟรีเอ็กซ์เรย์เพื่อส่งออกพัลส์ attosecond แบบไม่ต่อเนื่อง เมื่อเทียบกับรายงานที่มีอยู่พลังงานสูงสุดเฉลี่ยของพัลส์จะเพิ่มขึ้นตามลำดับความสำคัญพลังงานสูงสุดสูงสุดคือ 1.1 TW และพลังงานเฉลี่ยมากกว่า 100 μJ การศึกษายังให้หลักฐานที่ชัดเจนสำหรับพฤติกรรมการแสดงผลที่คล้ายกับโซลิตันในสนามเอ็กซเรย์เลเซอร์พลังงานสูงได้ขับเคลื่อนการวิจัยใหม่ ๆ มากมายรวมถึงฟิสิกส์ระดับสูง, Attosecond spectroscopy และตัวเร่งอนุภาคเลเซอร์ ในบรรดาเลเซอร์ทุกชนิดรังสีเอกซ์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยทางการแพทย์การตรวจหาข้อบกพร่องทางอุตสาหกรรมการตรวจสอบความปลอดภัยและการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เลเซอร์เอ็กซ์เรย์ฟรีอิเล็กตรอน (XFEL) สามารถเพิ่มกำลังเอ็กซ์เรย์สูงสุดได้หลายคำสั่งขนาดเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการสร้างรังสีเอกซ์อื่น ๆ ดังนั้นจึงขยายการประยุกต์ใช้ X-rays ไปยังสนามของสเปกโทรสโกปีไม่เชิงเส้นและการถ่ายภาพการกระจายของอนุภาคเดี่ยว Attosecond XFEL ที่ประสบความสำเร็จเมื่อเร็ว ๆ นี้เป็นความสำเร็จที่สำคัญในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Attosecond เพิ่มพลังสูงสุดที่มีอยู่มากกว่าหกคำสั่งของขนาดเมื่อเทียบกับแหล่งเอ็กซเรย์ Benchtop

เลเซอร์อิเล็กตรอนฟรีสามารถรับพลังงานพัลส์จำนวนมากคำสั่งของขนาดที่สูงกว่าระดับการปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองโดยใช้ความไม่แน่นอนโดยรวมซึ่งเกิดจากการทำงานร่วมกันอย่างต่อเนื่องของสนามรังสีในลำแสงอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพและออสซิลเลเตอร์แม่เหล็ก ในช่วง X-ray ที่แข็ง (ประมาณ 0.01 nm ถึง 0.1 nm ความยาวคลื่น), FEL ทำได้โดยการบีบอัดแบบมัดและเทคนิคการเชื่อมต่อหลังการติดตั้ง ในช่วง X-ray ที่อ่อนนุ่ม (ประมาณ 0.1 nm ถึง 10 nm Wavelength) FEL ถูกนำมาใช้โดยเทคโนโลยี Fresh-Slice Cascade เมื่อเร็ว ๆ นี้พัลส์ Attosecond ที่มีกำลังสูงสุด 100 GW ได้รับการรายงานว่าจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการที่เพิ่มขึ้นเอง (ESASE) การขยายตัวเอง (ESASE)

ทีมวิจัยใช้ระบบการขยายแบบสองขั้นตอนที่ใช้ XFEL เพื่อขยายเอาต์พุตพัลส์เอ็กซ์เรย์เอ็กซ์เคลแหล่งกำเนิดแสงถึงระดับ TW ลำดับการปรับปรุงขนาดมากกว่าผลลัพธ์ที่รายงาน การตั้งค่าการทดลองแสดงในรูปที่ 1 โดยใช้วิธีการ ESASE ตัวส่งโฟโตแคโทดจะถูกปรับเพื่อให้ได้ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีสไปค์กระแสสูงและใช้เพื่อสร้างพัลส์เอ็กซ์เรย์ Attosecond พัลส์เริ่มต้นตั้งอยู่ที่ขอบด้านหน้าของสไปค์ของลำแสงอิเล็กตรอนดังแสดงในมุมซ้ายบนของรูปที่ 1 เมื่อ XFEL มาถึงความอิ่มตัวลำแสงอิเล็กตรอนล่าช้าเมื่อเทียบกับรังสีเอกซ์ ในที่สุดแม่เหล็กตัวที่สองจะใช้เพื่อขยายรังสีเอกซ์ต่อไปผ่านการทำงานร่วมกันของพัลส์ attosecond กับชิ้นสด

มะเดื่อ. 1 ไดอะแกรมอุปกรณ์ทดลอง; ภาพประกอบแสดงพื้นที่เฟสตามยาว (แผนภาพพลังงานพลังงานของอิเล็กตรอนสีเขียว) โปรไฟล์ปัจจุบัน (สีน้ำเงิน) และการแผ่รังสีที่เกิดจากการขยายลำดับแรก (สีม่วง) xtcav, X-band transverse cavity; CVMI, ระบบการถ่ายภาพการทำแผนที่อย่างรวดเร็วโคแอกเซียล; FZP, สเปกโตรมิเตอร์แผ่นแบนด์เฟรสเนล

พัลส์ attosecond ทั้งหมดสร้างขึ้นจากเสียงรบกวนดังนั้นพัลส์แต่ละตัวมีคุณสมบัติสเปกตรัมและโดเมนเวลาที่แตกต่างกันซึ่งนักวิจัยสำรวจในรายละเอียดเพิ่มเติม ในแง่ของสเปกตรัมพวกเขาใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์แผ่นเฟรสเนลล์เพื่อวัดสเปกตรัมของพัลส์แต่ละตัวที่ความยาวที่ไม่เหมือนกันที่แตกต่างกันและพบว่าสเปกตรัมเหล่านี้ยังคงรูปคลื่นที่ราบรื่นแม้หลังจากการขยายรองแสดงให้เห็นว่าพัลส์ยังคงอยู่ ในโดเมนเวลานั้นมีการวัดขอบเชิงมุมและรูปคลื่นของโดเมนเวลาของพัลส์มีลักษณะ ดังที่แสดงในรูปที่ 1 พัลส์เอ็กซ์เรย์จะทับซ้อนกับพัลส์เลเซอร์อินฟราเรดโพลาไรซ์แบบวงกลม โฟโตอิเล็กตรอนที่แตกตัวเป็นไอออนด้วยรังสีเอกซ์จะสร้างริ้วในทิศทางตรงข้ามกับศักยภาพเวกเตอร์ของเลเซอร์อินฟราเรด เนื่องจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์หมุนตามเวลาการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนจึงถูกกำหนดโดยเวลาของการปล่อยอิเล็กตรอนและความสัมพันธ์ระหว่างโหมดเชิงมุมของเวลาการปล่อยและการกระจายโมเมนตัมของโฟโตอิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้น การกระจายของโมเมนตัมโฟโตอิเล็กตรอนถูกวัดโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์การถ่ายภาพการทำแผนที่อย่างรวดเร็วโคแอกเซียล ขึ้นอยู่กับผลลัพธ์การกระจายและสเปกตรัมรูปแบบคลื่นเวลาโดเมนของพัลส์ attosecond สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ รูปที่ 2 (a) แสดงการกระจายของระยะเวลาพัลส์โดยมีค่ามัธยฐาน 440 เป็น ในที่สุดเครื่องตรวจจับการตรวจสอบก๊าซถูกใช้เพื่อวัดพลังงานพัลส์และพล็อตการกระจายระหว่างพลังงานชีพจรสูงสุดและระยะเวลาพัลส์ดังแสดงในรูปที่ 2 (b) ถูกคำนวณ การกำหนดค่าทั้งสามนั้นสอดคล้องกับเงื่อนไขการโฟกัสลำแสงอิเล็กตรอนที่แตกต่างกันเงื่อนไข coning waver และเงื่อนไขการหน่วงเวลาของคอมเพรสเซอร์แม่เหล็ก การกำหนดค่าทั้งสามให้พลังงานพัลส์เฉลี่ย 150, 200 และ 260 µJ ตามลำดับโดยมีกำลังสูงสุดสูงสุด 1.1 TW

รูปที่ 2. (a) ฮิสโตแกรมการกระจายของระยะเวลาพัลส์เต็มความสูงครึ่งความสูง (FWHM) (b) พล็อตกระจายที่สอดคล้องกับพลังงานสูงสุดและระยะเวลาชีพจร

นอกจากนี้การศึกษายังพบว่าเป็นครั้งแรกที่ปรากฏการณ์ของ superemission เหมือนโซลิตันในแถบเอ็กซ์เรย์ซึ่งปรากฏเป็นชีพจรที่สั้นลงอย่างต่อเนื่องในระหว่างการขยาย มันเกิดจากการมีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างอิเล็กตรอนและการแผ่รังสีด้วยพลังงานที่ถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจากอิเล็กตรอนไปยังหัวของชีพจร X-ray และกลับไปที่อิเล็กตรอนจากหางของชีพจร จากการศึกษาเชิงลึกของปรากฏการณ์นี้คาดว่าจะมีการใช้ X-ray pulses ที่มีระยะเวลาสั้นลงและพลังสูงสุดที่สูงขึ้นสามารถรับรู้ได้อีกโดยการขยายกระบวนการขยายการขยายตัวของ superradiation และการใช้ประโยชน์จากการลดการเต้นของชีพจรในโหมดโซลิตัน