لیزر پالسی پرتو ایکس آتوثانیه کلاس TW
اشعه ایکس اتوثانیهلیزر پالسیبا توان بالا و مدت زمان پالس کوتاه، کلید دستیابی به طیف‌سنجی غیرخطی فوق سریع و تصویربرداری پراش اشعه ایکس هستند. تیم تحقیقاتی در ایالات متحده از یک آبشار دو مرحله‌ای استفاده کرد.لیزرهای الکترون آزاد پرتو ایکسبرای خروجی پالس‌های گسسته آتوثانیه. در مقایسه با گزارش‌های موجود، میانگین توان پیک پالس‌ها به میزان یک مرتبه افزایش یافته است، حداکثر توان پیک ۱.۱ تراوات و انرژی میانه بیش از ۱۰۰ میکروژول است. این مطالعه همچنین شواهد محکمی برای رفتار ابرتابشی شبه‌سولیتونی در میدان پرتو ایکس ارائه می‌دهد.لیزرهای پرانرژیبسیاری از حوزه‌های تحقیقاتی جدید، از جمله فیزیک میدان بالا، طیف‌سنجی آتوثانیه و شتاب‌دهنده‌های ذرات لیزری را به خود جلب کرده‌اند. در میان انواع لیزرها، پرتوهای ایکس به طور گسترده در تشخیص پزشکی، تشخیص نقص صنعتی، بازرسی ایمنی و تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. لیزر الکترون آزاد پرتو ایکس (XFEL) می‌تواند توان اوج پرتو ایکس را در مقایسه با سایر فناوری‌های تولید پرتو ایکس، چندین برابر افزایش دهد و بنابراین کاربرد پرتوهای ایکس را به حوزه طیف‌سنجی غیرخطی و تصویربرداری پراش تک ذره که در آن به توان بالا نیاز است، گسترش می‌دهد. آتوثانیه XFEL که اخیراً موفقیت‌آمیز بوده، دستاورد بزرگی در علم و فناوری آتوثانیه است که توان اوج موجود را در مقایسه با منابع پرتو ایکس رومیزی بیش از شش برابر افزایش می‌دهد.
لیزرهای الکترون آزادمی‌تواند با استفاده از ناپایداری جمعی، که ناشی از برهمکنش پیوسته میدان تابش در پرتو الکترونی نسبیتی و نوسانگر مغناطیسی است، انرژی‌های پالسی چندین مرتبه بزرگتر از سطح گسیل خودبه‌خودی به دست آورد. در محدوده پرتو ایکس سخت (طول موج حدود 0.01 نانومتر تا 0.1 نانومتر)، FEL با فشرده‌سازی دسته‌ای و تکنیک‌های مخروطی شدن پس از اشباع به دست می‌آید. در محدوده پرتو ایکس نرم (طول موج حدود 0.1 نانومتر تا 10 نانومتر)، FEL با فناوری برش تازه آبشاری پیاده‌سازی می‌شود. اخیراً گزارش شده است که پالس‌های آتوثانیه با توان اوج 100 گیگاوات با استفاده از روش گسیل خودبه‌خودی تقویت‌شده بهبود یافته (ESASE) تولید می‌شوند.
تیم تحقیقاتی از یک سیستم تقویت دو مرحله‌ای مبتنی بر XFEL برای تقویت خروجی پالس آتوثانیه پرتو ایکس نرم از شتاب‌دهنده خطی همدوس استفاده کرد.منبع نوربه سطح TW، بهبودی چند برابری نسبت به نتایج گزارش‌شده. چیدمان آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. بر اساس روش ESASE، ساطع‌کننده فوتوکاتد برای به دست آوردن یک پرتو الکترونی با یک پیک جریان بالا مدوله می‌شود و برای تولید پالس‌های پرتو ایکس آتوثانیه استفاده می‌شود. پالس اولیه در لبه جلویی پیک پرتو الکترونی قرار دارد، همانطور که در گوشه سمت چپ بالای شکل 1 نشان داده شده است. هنگامی که XFEL به اشباع می‌رسد، پرتو الکترونی توسط یک کمپرسور مغناطیسی نسبت به پرتو ایکس به تأخیر می‌افتد و سپس پالس با پرتو الکترونی (برش تازه) که توسط مدولاسیون ESASE یا لیزر FEL اصلاح نشده است، تعامل می‌کند. در نهایت، از یک نوسانگر مغناطیسی دوم برای تقویت بیشتر پرتوهای ایکس از طریق تعامل پالس‌های آتوثانیه با برش تازه استفاده می‌شود.
شکل 1 نمودار دستگاه آزمایشی؛ این تصویر فضای فاز طولی (نمودار زمان-انرژی الکترون، سبز)، نمودار جریان (آبی) و تابش تولید شده توسط تقویت مرتبه اول (بنفش) را نشان می‌دهد. XTCAV، کاواک عرضی باند X؛ cVMI، سیستم تصویربرداری نقشه‌برداری سریع هم محور؛ FZP، طیف‌سنج صفحه باند فرنل
تمام پالس‌های آتوثانیه از نویز ساخته می‌شوند، بنابراین هر پالس دارای خواص طیفی و حوزه زمانی متفاوتی است که محققان با جزئیات بیشتری آن را بررسی کردند. از نظر طیف، آنها از یک طیف‌سنج صفحه باند فرنل برای اندازه‌گیری طیف پالس‌های منفرد در طول‌های مختلف موج‌ساز معادل استفاده کردند و دریافتند که این طیف‌ها حتی پس از تقویت ثانویه، شکل موج‌های صاف را حفظ می‌کنند، که نشان می‌دهد پالس‌ها تک مدی باقی مانده‌اند. در حوزه زمان، حاشیه زاویه‌ای اندازه‌گیری می‌شود و شکل موج حوزه زمان پالس مشخص می‌شود. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، پالس اشعه ایکس با پالس لیزر مادون قرمز با قطبش دایره‌ای همپوشانی دارد. فوتوالکترون‌های یونیزه شده توسط پالس اشعه ایکس، رگه‌هایی در جهت مخالف پتانسیل برداری لیزر مادون قرمز ایجاد می‌کنند. از آنجا که میدان الکتریکی لیزر با زمان می‌چرخد، توزیع تکانه فوتوالکترون توسط زمان انتشار الکترون تعیین می‌شود و رابطه بین حالت زاویه‌ای زمان انتشار و توزیع تکانه فوتوالکترون برقرار می‌شود. توزیع تکانه فوتوالکترون با استفاده از یک طیف‌سنج تصویربرداری نقشه‌برداری سریع هم محور اندازه‌گیری می‌شود. بر اساس توزیع و نتایج طیفی، شکل موج حوزه زمان پالس‌های آتوثانیه را می‌توان بازسازی کرد. شکل 2 (الف) توزیع مدت زمان پالس را با میانه 440 ثانیه نشان می‌دهد. در نهایت، از آشکارساز پایش گاز برای اندازه‌گیری انرژی پالس استفاده شد و نمودار پراکندگی بین توان پیک پالس و مدت زمان پالس همانطور که در شکل 2 (ب) نشان داده شده است، محاسبه شد. سه پیکربندی مربوط به شرایط مختلف تمرکز پرتو الکترونی، شرایط مخروطی شدن موج و شرایط تأخیر کمپرسور مغناطیسی است. این سه پیکربندی به ترتیب میانگین انرژی پالس 150، 200 و 260 میکروژول با حداکثر توان پیک 1.1 تراوات را به دست دادند.
شکل ۲. (الف) هیستوگرام توزیع مدت زمان پالس نیم‌ارتفاع با عرض کامل (FWHM)؛ (ب) نمودار پراکندگی مربوط به توان اوج و مدت زمان پالس
علاوه بر این، این مطالعه برای اولین بار پدیده ابرگسیل شبه‌سولیتونی را در باند پرتو ایکس مشاهده کرد که به صورت کوتاه شدن مداوم پالس در طول تقویت ظاهر می‌شود. این پدیده ناشی از برهمکنش قوی بین الکترون‌ها و تابش است که در آن انرژی به سرعت از الکترون به سر پالس پرتو ایکس منتقل شده و از دم پالس به الکترون بازمی‌گردد. با مطالعه عمیق این پدیده، انتظار می‌رود که با گسترش فرآیند تقویت ابرگسیل و بهره‌گیری از کوتاه شدن پالس در حالت شبه‌سولیتونی، پالس‌های پرتو ایکس با مدت زمان کوتاه‌تر و توان اوج بالاتر بیشتر محقق شوند.
زمان ارسال: ۲۷ مه ۲۰۲۴