Laser pwls pelydr-X attosecond dosbarth TW

Laser pwls pelydr-X attosecond dosbarth TW
Pelydr-X attosecondlaser pwlsgyda phŵer uchel a hyd pwls byr yw'r allwedd i gyflawni sbectrosgopeg anlinellol cyflym iawn a delweddu diffractiad pelydr-X. Defnyddiodd y tîm ymchwil yn yr Unol Daleithiau gasgliad o ddau gamLaserau electron rhydd pelydr-Xi allbynnu pylsau attosecond arwahanol. O'i gymharu ag adroddiadau presennol, mae pŵer brig cyfartalog y pylsau wedi cynyddu o orchymyn maint, y pŵer brig uchaf yw 1.1 TW, ac mae'r ynni canolrifol yn fwy na 100 μJ. Mae'r astudiaeth hefyd yn darparu tystiolaeth gref o ymddygiad uwchbelydru tebyg i soliton yn y maes pelydr-X.Laserau ynni uchelwedi sbarduno llawer o feysydd ymchwil newydd, gan gynnwys ffiseg maes uchel, sbectrosgopeg attosecond, a chyflymyddion gronynnau laser. Ymhlith pob math o laserau, defnyddir pelydrau-X yn helaeth mewn diagnosis meddygol, canfod diffygion diwydiannol, arolygu diogelwch ac ymchwil wyddonol. Gall y laser electron rhydd pelydr-X (XFEL) gynyddu pŵer brig pelydr-X sawl trefn maint o'i gymharu â thechnolegau cynhyrchu pelydr-X eraill, a thrwy hynny ymestyn cymhwysiad pelydrau-X i faes sbectrosgopeg anlinellol a delweddu diffractiad gronynnau sengl lle mae angen pŵer uchel. Mae'r XFEL attosecond llwyddiannus diweddar yn gamp fawr mewn gwyddoniaeth a thechnoleg attosecond, gan gynyddu'r pŵer brig sydd ar gael mwy na chwe threfn maint o'i gymharu â ffynonellau pelydr-X benchtop.

Laserau electron rhyddyn gallu cael egni pwls sydd lawer o urddau maint yn uwch na'r lefel allyriadau digymell gan ddefnyddio ansefydlogrwydd torfol, a achosir gan ryngweithio parhaus y maes ymbelydredd yn y trawst electron cymharol a'r osgiliadur magnetig. Yn yr ystod pelydr-X caled (tua tonfedd 0.01 nm i 0.1 nm), cyflawnir FEL trwy dechnegau cywasgu bwndel a choning ôl-dirlawnder. Yn yr ystod pelydr-X meddal (tua tonfedd 0.1 nm i 10 nm), gweithredir FEL trwy dechnoleg sleisen ffres rhaeadru. Yn ddiweddar, adroddwyd bod pylsau attoseicond â phŵer brig o 100 GW yn cael eu cynhyrchu gan ddefnyddio'r dull allyriadau digymell hunan-ymhelaethedig gwell (ESASE).

Defnyddiodd y tîm ymchwil system fwyhau dau gam yn seiliedig ar XFEL i fwyhau allbwn pwls attosecond pelydr-X meddal o'r llinell gydlynol.ffynhonnell golaui lefel TW, gwelliant maint trefn dros y canlyniadau a adroddwyd. Dangosir y gosodiad arbrofol yn Ffigur 1. Yn seiliedig ar y dull ESASE, mae'r allyrrydd ffotocatod yn cael ei fodiwleiddio i gael trawst electron gyda phig cerrynt uchel, ac fe'i defnyddir i gynhyrchu pylsau pelydr-X attosecond. Mae'r pwls cychwynnol wedi'i leoli ar ymyl blaen pigyn y trawst electron, fel y dangosir yng nghornel chwith uchaf Ffigur 1. Pan fydd yr XFEL yn cyrraedd dirlawnder, mae'r trawst electron yn cael ei ohirio o'i gymharu â'r pelydr-X gan gywasgydd magnetig, ac yna mae'r pwls yn rhyngweithio â'r trawst electron (sleisen ffres) nad yw wedi'i addasu gan y modiwleiddio ESASE na'r laser FEL. Yn olaf, defnyddir ail dondwlydd magnetig i ymhelaethu ar y pelydrau-X ymhellach trwy ryngweithio pylsau attosecond â'r sleisen ffres.

FFIG. 1 Diagram dyfais arbrofol; Mae'r darlun yn dangos y gofod cyfnod hydredol (diagram amser-ynni'r electron, gwyrdd), y proffil cerrynt (glas), a'r ymbelydredd a gynhyrchir gan ymhelaethiad trefn gyntaf (porffor). XTCAV, ceudod traws band-X; cVMI, system delweddu mapio cyflym cydechelog; FZP, sbectromedr plât band Fresnel

Mae pob curiad attosecond wedi'i adeiladu o sŵn, felly mae gan bob curiad briodweddau sbectrol a pharth amser gwahanol, a archwiliodd yr ymchwilwyr yn fanylach. O ran sbectrwm, fe wnaethant ddefnyddio sbectromedr plât band Fresnel i fesur sbectrwm curiadau unigol ar wahanol hydau tondwlydd cyfatebol, a chanfod bod y sbectrwm hyn yn cynnal tonffurfiau llyfn hyd yn oed ar ôl ymhelaethu eilaidd, sy'n dangos bod y curiadau'n parhau i fod yn unimodal. Yn y parth amser, mesurir y ffrinj onglog a nodweddir tonffurf parth amser y curiad. Fel y dangosir yn Ffigur 1, mae'r curiad pelydr-X yn gorgyffwrdd â'r curiad laser is-goch wedi'i bolareiddio'n gylchol. Bydd y ffotoelectronau sy'n cael eu hïoneiddio gan y curiad pelydr-X yn cynhyrchu streipiau i'r cyfeiriad gyferbyn â photensial fector y laser is-goch. Gan fod maes trydanol y laser yn cylchdroi gydag amser, mae dosbarthiad momentwm y ffotoelectron yn cael ei bennu gan amser allyriadau electronau, a sefydlir y berthynas rhwng modd onglog yr amser allyriadau a dosbarthiad momentwm y ffotoelectron. Mesurir dosbarthiad momentwm ffotoelectron gan ddefnyddio sbectromedr delweddu mapio cyflym cyd-echelinol. Yn seiliedig ar y dosbarthiad a'r canlyniadau sbectrol, gellir ail-greu tonffurf parth amser curiadau attoseicond. Mae Ffigur 2 (a) yn dangos dosbarthiad hyd y curiad, gyda chanolrif o 440 as. Yn olaf, defnyddiwyd y synhwyrydd monitro nwy i fesur egni'r curiad, a chyfrifwyd y plot gwasgariad rhwng pŵer y curiad brig a hyd y curiad fel y dangosir yn Ffigur 2 (b). Mae'r tri chyfluniad yn cyfateb i wahanol amodau ffocysu trawst electron, amodau conio tonnau ac amodau oedi cywasgydd magnetig. Cynhyrchodd y tri chyfluniad egni curiad cyfartalog o 150, 200, a 260 µJ, yn y drefn honno, gyda phŵer brig uchaf o 1.1 TW.

Ffigur 2. (a) Histogram dosraniad hyd pwls hanner uchder Lled Llawn (FWHM); (b) Plot gwasgariad sy'n cyfateb i bŵer brig a hyd pwls

Yn ogystal, am y tro cyntaf, arsylwodd yr astudiaeth hefyd ffenomenon gor-allyriad tebyg i soliton yn y band pelydr-X, sy'n ymddangos fel byrhau pwls parhaus yn ystod ymhelaethiad. Fe'i hachosir gan ryngweithio cryf rhwng electronau ac ymbelydredd, gydag egni'n cael ei drosglwyddo'n gyflym o'r electron i ben y pwls pelydr-X ac yn ôl i'r electron o gynffon y pwls. Trwy astudiaeth fanwl o'r ffenomen hon, disgwylir y gellir gwireddu pylsau pelydr-X gyda hyd byrrach a phŵer brig uwch ymhellach trwy ymestyn y broses ymhelaethu gor-ymbelydredd a manteisio ar fyrhau pwls yn y modd tebyg i soliton.