TW級アト秒X線パルスレーザー

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パルス幅のレーザーが、超高速非線形分光法および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段階のカスケードレーザーを使用した。X線自由電子レーザー離散的なアト秒パルスを出力する。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以上である。この研究はまた、X線場におけるソリトン様超放射挙動の強力な証拠を提供する。高エネルギーレーザー高場物理学、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。あらゆる種類のレーザーの中でも、X線は医療診断、工業欠陥検出、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、高出力が必要とされる非線形分光法や単粒子回折イメージングの分野に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、アト秒科学技術における大きな成果であり、卓上X線源と比較して利用可能なピーク出力を6桁以上増加させています。

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発振器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線領域（波長約0.01 nm～0.1 nm）では、バンドル圧縮とポスト飽和コーン技術によって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FELが実現されます。最近では、強化自己増幅自然放出（ESASE）法を用いて、ピークパワー100 GWのアト秒パルスが生成されたと報告されています。

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、報告されている結果よりも桁違いに改善されています。実験装置を図1に示します。ESASE法に基づき、光電陰極エミッタを変調して高電流スパイクを持つ電子ビームを得て、アト秒X線パルスを生成するために使用します。最初のパルスは、図1の左上隅に示すように、電子ビームのスパイクの先端に位置しています。XFELが飽和に達すると、電子ビームは磁気圧縮器によってX線に対して遅延され、その後、パルスはESASE変調または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を使用して、アト秒パルスと新鮮な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 実験装置の概略図。図は、縦方向位相空間（電子の時間エネルギー図、緑色）、電流プロファイル（青色）、および一次増幅によって生成される放射（紫色）を示している。XTCAV：Xバンド横方向共振器、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器

すべてのアト秒パルスはノイズから生成されるため、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、研究者らはそれをより詳細に調査した。スペクトルに関しては、フレネルバンドプレート分光器を使用して、異なる等価アンジュレータ長での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おり、パルスが単峰性であることを示していることがわかった。時間領域では、角度フリンジが測定され、パルスの時間領域波形が特徴付けられる。図1に示すように、X線パルスは円偏光赤外線レーザーパルスと重なる。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は逆方向にストリークを生成する。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定され、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る。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 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、異なる電子ビーム集束条件、ウェーバーコーン条件、および磁気圧縮機遅延条件に対応しています。3 つの構成は、それぞれ平均パルスエネルギーが 150、200、および 260 µJ で、最大ピークパワーが 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) ピークパワー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線帯域におけるソリトン様超放射現象を初めて観測した。これは、増幅中に連続的にパルス幅が短縮する現象である。この現象は、電子と放射線と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、そしてパルスの末端から電子へと急速に伝達される。この現象を詳細に研究することで、超放射増幅プロセスを拡張し、ソリトン様モードにおけるパルス幅短縮を利用することにより、より短いパルス幅でより高いピークパワーを持つX線パルスを実現できると期待される。