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基于X射线自由电子激光的吉瓦级峰值功率分立阿秒X射线脉冲

发布时间: 2020-04-20 11:02:55   作者:本站编辑   来源: Nature Photonics   浏览次数:

  

分子系统中电子运动的时间尺度由束缚能所决定,一般在8-12eV之间。电子运动的时间尺度约在百阿秒量级。达到该极端时间尺度的分立光脉冲在2001年第一次实现。这些早期研究采用一个物理过程,称为高次谐波产生,该过程中强红外光场相干驱动原子或分子系统中的电子,产生驱动光场的频率上转换。时间分辨谱拓展到阿秒时间尺度将极大地推进我们对原子、分子、或凝聚态系统的研究。阿秒级分辨率光源此前均为高次谐波机制产生,近期已经获得了软X射线波长(约280eV)并产生了最短的脉冲。将阿秒脉冲拓展至X射线波段极为重要,因为软X射线可获取核心电子信息,这些电子的吸收谱特征是瞬态电子结构的敏感探针。尽管在软X射线取得了进展,但根据高次谐波的定标律,随着X射线光子能量的增加,转换率急剧下降。这对阿秒科学是个挑战。例如,当前基于长波长高能激光的工作限制了探索复杂体系的相干动力学现象,因为强场相互作用非微扰特征。而采用软X射线阿秒泵浦探测可实现。

1 实验示意图

与高次谐波同时发展的技术还有近二十年来发展起来的X射线自由电子激光,如线性加速器相干光源,是目前亮度最高的光源。X射线自由电子激光的工作原理是基于相对论电子束与X射线电场相互作用,过程发生在长的周期型磁铁结构中,称为波荡器。辐射与自由电子作用导致电子束自组织产生一系列微束团,其长度小于辐射波长,这将产生相干辐射,并且其幅值比自发辐射高几个量级。与激光高次谐波X射线源相比,X射线自由电子激光具有更高的效率,约为0.1%。一般电子的峰值功率为数十太瓦,产生的X射线为数十吉瓦峰值功率,比台式化X射线源高了几个量级。此外X射线自由电子激光的光子能量可通过加速器或波荡器的改变来调节。X射线自由电子激光获得的最短脉冲受限于放大的带宽,与提取效率同一量级,即0.1%。例如,直线加速相干光源的带宽所支持的最短脉宽约小于1fs。然而,当光子能量低于1keV时,最短的脉宽将增加至12fs,基于此波段相关轻元素的吸收边被发现,如碳是280eV,氮是410eV,氧是540eV

如图所示为X射线激光增强阿秒脉冲源,电子的能量分布由高能激光与电子在长周期的波荡器中共振相互作用过程所调制,该调制经弯转磁铁转化为1个和数个强流峰。这些强流峰此后在波荡器中产生短X射线脉冲,该方法可称为增强自放大自辐射,该脉冲压缩方法有效地展宽了X射线自由电子激光的脉宽,可在软X射线波段产生亚飞秒脉冲。在本实验中,并未采用Zholents提出的外部注入红外激光,研究人员采用了电子束尾部所辐射出的相干红外光源来调制电子束中间段。该方案结合高强度,高光子能量和短脉冲持续时间对电子的非线性动力学研究有重要价值,也开启了阿秒科学的新途径。

摘译自:Joseph Duris et al. Tunable isolated attosecond X-ray pulses with gigawatt peak power from a free-electron laser. Nature Photonics, VOL 14 30, January 2020

 

 

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