TW級アト秒X線パルスレーザー
アト秒X線パルスレーザー高出力かつ短いパルス幅を持つ光子は、超高速非線形分光法とX線回折イメージングを実現する鍵となる。米国の研究チームは、2段カスケード型X線自由電子レーザー離散アト秒パルスを出力します。既存の報告と比較して、パルスの平均ピークパワーは1桁増加し、最大ピークパワーは1.1 TW、中央値エネルギーは100 μJを超えます。また、この研究は、X線場におけるソリトンのような超放射挙動の強力な証拠も示しています。高エネルギーレーザーレーザーは、高場物理学、アト秒分光法、レーザー粒子加速器など、多くの新しい研究分野を牽引してきました。各種レーザーの中でも、X線は医療診断、産業用欠陥検出、安全検査、科学研究など、幅広く利用されています。X線自由電子レーザー（XFEL）は、他のX線発生技術と比較してピークX線出力を数桁向上させることができるため、高出力が求められる非線形分光法や単粒子回折イメージングの分野にもX線の応用範囲を広げています。最近成功したアト秒XFELは、ベンチトップ型X線源と比較して利用可能なピーク出力を6桁以上向上させ、アト秒科学技術における大きな成果です。
自由電子レーザー相対論的電子ビーム内の放射場と磁気振動子との連続的な相互作用によって引き起こされる集団不安定性を利用することで、自然放出レベルよりも桁違いに高いパルスエネルギーを得ることができます。硬X線領域（波長約0.01 nm～0.1 nm）では、バンドル圧縮と飽和後コーニング技術によって自由電子レーザー（FEL）が実現されます。軟X線領域（波長約0.1 nm～10 nm）では、カスケードフレッシュスライス技術によって自由電子レーザー（FEL）が実現されます。最近では、増強自己増幅自然放出（ESASE）法を用いて、ピーク出力100 GWのアト秒パルスが生成されたことが報告されています。
研究チームは、XFELに基づく2段階増幅システムを使用して、線形加速器コヒーレントからの軟X線アト秒パルス出力を増幅した。光源TWレベルまで、報告された結果より一桁の改善が見られました。実験セットアップを図1に示します。ESASE法に基づき、光電陰極エミッターを変調して高電流スパイクの電子ビームを得、これを使用してアト秒X線パルスを生成します。図1の左上隅に示すように、初期パルスは電子ビームのスパイクの前端に位置します。XFELが飽和に達すると、電子ビームは磁気コンプレッサーによってX線に対して遅延され、その後、パルスはESASE変調やFELレーザーによって変更されていない電子ビーム（フレッシュスライス）と相互作用します。最後に、2番目の磁気アンジュレーターを使用して、アト秒パルスとフレッシュスライスとの相互作用によりX線をさらに増幅します。
図1 実験装置図。図は縦方向位相空間（電子の時間エネルギー図、緑）、電流プロファイル（青）、および一次増幅によって生成される放射（紫）を示している。XTCAV、Xバンド横空洞、cVMI、同軸高速マッピングイメージングシステム、FZP、フレネルバンドプレート分光計
すべてのアト秒パルスはノイズから構成されるため、各パルスは異なるスペクトル特性と時間領域特性を持ち、研究者らはこれらを詳細に調査しました。スペクトルに関しては、フレネルバンドプレート分光計を用いて、異なる等価アンジュレータ長における個々のパルスのスペクトルを測定した結果、二次増幅後もこれらのスペクトルは滑らかな波形を維持し、パルスが単峰性を維持していることが分かりました。時間領域では、角度縞を測定し、パルスの時間領域波形を特性評価しました。図1に示すように、X線パルスは円偏光赤外レーザーパルスと重ね合わされています。X線パルスによって電離された光電子は、赤外レーザーのベクトルポテンシャルと反対方向に縞を生成します。レーザーの電場は時間とともに回転するため、光電子の運動量分布は電子放出時間によって決まり、放出時間の角度モードと光電子の運動量分布の関係が確立されます。光電子運動量の分布は、同軸高速マッピングイメージング分光計を用いて測定されます。分布とスペクトル結果に基づいて、アト秒パルスの時間領域波形を再構成できます。図2(a)はパルス幅の分布を示しており、中央値は440 asです。最後に、ガスモニタリング検出器を使用してパルスエネルギーを測定し、図2(b)に示すように、ピークパルス電力とパルス幅の散布図を計算しました。3つの構成は、異なる電子ビーム集束条件、ウェーバーコーニング条件、および磁気コンプレッサ遅延条件に対応しています。3つの構成では、平均パルスエネルギーはそれぞれ150、200、260 µJで、最大ピーク電力は1.1 TWでした。
図2. (a) 半高全幅（FWHM）パルス持続時間の分布ヒストグラム。(b) ピーク電力とパルス持続時間に対応する散布図
さらに、本研究では、X線帯域においてソリトン型超放出現象を初めて観測しました。これは、増幅中に連続的なパルス短縮として現れる現象です。これは電子と放射線の強い相互作用によって引き起こされ、エネルギーが電子からX線パルスの先端へ、そしてパルスの尾部から電子へと急速に伝達されます。この現象の詳細な研究を通じて、超放出増幅過程を拡張し、ソリトン型モードにおけるパルス短縮を利用することで、より短い持続時間とより高いピークパワーを持つX線パルスを実現できることが期待されます。
投稿日時: 2024年5月27日