TWクラスアト秒X線パルスレーザー

TWクラスアト秒X線パルスレーザー
アト秒X線パルスレーザー高出力と短いパルス持続時間は、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ための鍵となります。米国の研究チームは、2 段階のカスケードを使用しました。X線自由電子レーザー離散アト秒パルスを出力します。既存の報告と比較すると、パルスの平均ピーク電力は一桁増加し、最大ピーク電力は 1.1 TW、エネルギーの中央値は 100 μJ 以上です。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についての強力な証拠も提供します。高エネルギーレーザー高磁場物理学、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推進してきました。あらゆる種類のレーザーの中でも、X 線は医療診断、工業用探傷、安全検査、科学研究に広く使用されています。 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 線出力を数桁増加させることができるため、X 線の応用範囲を非線形分光法や単層電子分光の分野に拡張します。高出力が必要な粒子回折イメージング。最近成功したアト秒 XFEL は、ベンチトップ X 線源と比較して利用可能なピーク出力を 6 桁以上増加させ、アト秒科学技術における主要な成果です。

自由電子レーザー相対論的電子ビームと磁気発振器の放射場の連続的な相互作用によって引き起こされる集合的不安定性を利用して、自然放出レベルよりも何桁も高いパルスエネルギーを得ることができます。硬 X 線範囲 (波長約 0.01 nm ～ 0.1 nm) では、FEL はバンドル圧縮および飽和後のコーニング技術によって実現されます。軟X線領域（波長約0.1nm～10nm）では、カスケードフレッシュスライス技術によりFELが実現されます。最近、増強自己増幅自然放出（ESASE）法を用いて、ピーク出力100GWのアト秒パルスが生成されたことが報告されている。

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、リニアックコヒーレントから出力される軟X線アト秒パルスを増幅しました。光源TWレベルまで上昇し、報告された結果よりも桁違いに改善されました。実験装置を図 1 に示します。ESASE 法に基づいて、光電陰極エミッタを変調して高電流スパイクの電子ビームを生成し、アト秒 X 線パルスの生成に使用します。図 1 の左上隅に示すように、最初の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ます。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 (新鮮なスライス) 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、アト秒パルスと新鮮なスライスの相互作用を通じて X 線をさらに増幅します。

イチジク。 1 実験装置図。この図は、縦位相空間 (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線 (紫) を示しています。 XTCAV、Xバンド横空洞。 cVMI、同軸高速マッピング画像処理システム。 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築されているため、各パルスは異なるスペクトル特性と時間領域特性を持っており、研究者らはそれをより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使用して、異なる等価アンジュレーター長で個々のパルスのスペクトルを測定したところ、これらのスペクトルは二次増幅後も滑らかな波形を維持していることがわかり、パルスが単峰性のままであることがわかりました。時間領域では、角度縞が測定され、パルスの時間領域波形が特徴付けられます。図 1 に示すように、X 線パルスは円偏光赤外レーザー パルスと重畳されます。 X 線パルスによってイオン化された光電子は、赤外線レーザーのベクトル ポテンシャルと反対の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との関係が成立します。光電子の運動量の分布は、同軸高速マッピングイメージング分光計を使用して測定されます。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) はパルス持続時間の分布を示しており、中央値は 440 です。最後に、ガス監視検出器を使用してパルスエネルギーを測定し、図 2 (b) に示すピークパルスパワーとパルス持続時間の間の散布図を計算しました。 3 つの構成は、異なる電子ビームの集束条件、ウェーバーコーニング条件、および磁気圧縮機の遅延条件に対応します。 3 つの構成では、それぞれ 150、200、260 µJ の平均パルス エネルギーが得られ、最大ピーク パワーは 1.1 TW でした。

図 2. (a) 半値全幅 (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幅に対応する散布図

さらに、この研究では、増幅中に連続的なパルス短縮として現れる、X線帯域におけるソリトンのような超放出現象も初めて観察されました。これは、電子と放射線の間の強い相互作用によって引き起こされ、エネルギーは電子から X 線パルスの先頭に急速に伝達され、パルスの末尾から電子に戻ります。この現象の詳細な研究により、超放射線増幅プロセスを延長し、ソリトン様モードでのパルス短縮を利用することにより、より短い持続時間とより高いピークパワーを備えたX線パルスをさらに実現できることが期待されます。