రెండు క్లాస్ అటోసెకండ్ ఎక్స్-రే పల్స్ లేజర్

రెండు క్లాస్ అటోసెకండ్ ఎక్స్-రే పల్స్ లేజర్
అటోసెకండ్ ఎక్స్-రేపల్స్ లేజర్అధిక శక్తి మరియు చిన్న పల్స్ వ్యవధితో అల్ట్రాఫాస్ట్ నాన్ లీనియర్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ మరియు ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ ఇమేజింగ్ సాధించడానికి కీలకం. యునైటెడ్ స్టేట్స్లో పరిశోధనా బృందం రెండు-దశల క్యాస్కేడ్ను ఉపయోగించిందిఎక్స్-రే ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ లేజర్‌లువివిక్త అటోసెకండ్ పప్పులను అవుట్పుట్ చేయడానికి. ఇప్పటికే ఉన్న నివేదికలతో పోలిస్తే, పప్పుల యొక్క సగటు గరిష్ట శక్తి పరిమాణం యొక్క క్రమం ద్వారా పెరుగుతుంది, గరిష్ట గరిష్ట శక్తి 1.1 TW, మరియు మధ్యస్థ శక్తి 100 μJ కంటే ఎక్కువ. ఎక్స్-రే ఫీల్డ్‌లో సోలిటన్ లాంటి సూపర్ రాడియేషన్ ప్రవర్తనకు ఈ అధ్యయనం బలమైన ఆధారాలను అందిస్తుంది.అధిక-శక్తి లేజర్‌లుహై-ఫీల్డ్ ఫిజిక్స్, అటోసెకండ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ మరియు లేజర్ పార్టికల్ యాక్సిలరేటర్లతో సహా అనేక కొత్త పరిశోధన రంగాలను నడిపించారు. అన్ని రకాల లేజర్‌లలో, ఎక్స్-కిరణాలు వైద్య నిర్ధారణ, పారిశ్రామిక లోపం గుర్తించడం, భద్రతా తనిఖీ మరియు శాస్త్రీయ పరిశోధనలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి. ఎక్స్-రే ఫ్రీ-ఎలక్ట్రాన్ లేజర్ (XFEL) ఇతర ఎక్స్-రే జనరేషన్ టెక్నాలజీలతో పోలిస్తే గరిష్ట ఎక్స్-రే శక్తిని అనేక ఆర్డర్‌ల ద్వారా పెంచుతుంది, తద్వారా ఎక్స్-కిరణాల అనువర్తనాన్ని నాన్‌లీనియర్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ మరియు సింగిల్-పార్టికల్ డిఫ్రాక్షన్ ఇమేజింగ్ రంగానికి విస్తరిస్తుంది, ఇక్కడ అధిక శక్తి అవసరం. ఇటీవలి విజయవంతమైన అటోసెకండ్ ఎక్స్‌ఫెల్ అటోసెకండ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీలో ప్రధాన సాధన, బెంచ్‌టాప్ ఎక్స్-రే మూలాలతో పోలిస్తే అందుబాటులో ఉన్న గరిష్ట శక్తిని ఆరు కంటే ఎక్కువ ఆర్డర్‌ల కంటే ఎక్కువ ఆర్డర్‌ల ద్వారా పెంచుతుంది.

ఉచిత ఎలక్ట్రాన్ లేజర్స్సామూహిక అస్థిరతను ఉపయోగించి ఆకస్మిక ఉద్గార స్థాయి కంటే ఎక్కువ ఆర్డర్‌లను పల్స్ ఎనర్జీలను పొందవచ్చు, ఇది సాపేక్ష ఎలక్ట్రాన్ పుంజం మరియు మాగ్నెటిక్ ఓసిలేటర్‌లో రేడియేషన్ క్షేత్రం యొక్క నిరంతర పరస్పర చర్య వల్ల వస్తుంది. హార్డ్ ఎక్స్-రే పరిధిలో (సుమారు 0.01 ఎన్ఎమ్ నుండి 0.1 ఎన్ఎమ్ తరంగదైర్ఘ్యం), బండిల్ కుదింపు మరియు పోస్ట్-సంతృప్త కాన్సింగ్ పద్ధతుల ద్వారా FEL సాధించబడుతుంది. మృదువైన ఎక్స్-రే పరిధిలో (సుమారు 0.1 ఎన్ఎమ్ నుండి 10 ఎన్ఎమ్ తరంగదైర్ఘ్యం), కాస్కేడ్ ఫ్రెష్-స్లైస్ టెక్నాలజీ ద్వారా FEL ను అమలు చేస్తుంది. ఇటీవల, 100 GW యొక్క గరిష్ట శక్తితో అటోసెకండ్ పప్పులు మెరుగైన స్వీయ-యాంప్లిఫైడ్ ఆకస్మిక ఉద్గార (ESASE) పద్ధతిని ఉపయోగించి ఉత్పత్తి చేయబడుతున్నట్లు నివేదించబడింది.

లినాక్ కోహెరెంట్ నుండి మృదువైన ఎక్స్-రే అటోసెకండ్ పల్స్ అవుట్పుట్ను విస్తరించడానికి పరిశోధనా బృందం XFEL ఆధారంగా రెండు-దశల యాంప్లిఫికేషన్ వ్యవస్థను ఉపయోగించిందికాంతి మూలంTW స్థాయికి, నివేదించిన ఫలితాలపై పరిమాణం మెరుగుదల యొక్క క్రమం. ప్రయోగాత్మక సెటప్ మూర్తి 1 లో చూపబడింది. ESASE పద్ధతి ఆధారంగా, ఫోటోకాథోడ్ ఉద్గారిణి అధిక ప్రస్తుత స్పైక్‌తో ఎలక్ట్రాన్ పుంజం పొందటానికి మాడ్యులేట్ చేయబడుతుంది మరియు అటోసెకండ్ ఎక్స్-రే పప్పులను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగిస్తారు. ప్రారంభ పల్స్ ఎలక్ట్రాన్ పుంజం యొక్క స్పైక్ యొక్క ముందు అంచు వద్ద ఉంది, మూర్తి 1 యొక్క ఎగువ ఎడమ మూలలో చూపిన విధంగా. XFEL సంతృప్తతకు చేరుకున్నప్పుడు, ఎలక్ట్రాన్ పుంజం ఎక్స్-రేకు సంబంధించి అయస్కాంత కంప్రెసర్ ద్వారా ఎక్స్-రేకు సంబంధించి ఆలస్యం అవుతుంది, ఆపై పల్స్ ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ (తాజా ముక్కలు) తో సంకర్షణ చెందుతుంది, ఇది ఎస్సేస్ మాడ్ లాస్టర్ ద్వారా సవరించబడదు. చివరగా, తాజా స్లైస్‌తో అటోసెకండ్ పప్పుల పరస్పర చర్య ద్వారా ఎక్స్-కిరణాలను మరింతగా విస్తరించడానికి రెండవ అయస్కాంత అన్‌డ్యులేటర్ ఉపయోగించబడుతుంది.

Fig. 1 ప్రయోగాత్మక పరికర రేఖాచిత్రం; ఈ దృష్టాంతంలో రేఖాంశ దశ స్థలం (ఎలక్ట్రాన్ యొక్క సమయ-శక్తి రేఖాచిత్రం, ఆకుపచ్చ), ప్రస్తుత ప్రొఫైల్ (నీలం) మరియు ఫస్ట్-ఆర్డర్ యాంప్లిఫికేషన్ (పర్పుల్) ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన రేడియేషన్ చూపిస్తుంది. XTCAV, X- బ్యాండ్ విలోమ కుహరం; CVMI, ఏకాక్షక రాపిడ్ మ్యాపింగ్ ఇమేజింగ్ సిస్టమ్; FZP, ఫ్రెస్నెల్ బ్యాండ్ ప్లేట్ స్పెక్ట్రోమీటర్

అన్ని అటోసెకండ్ పప్పులు శబ్దం నుండి నిర్మించబడ్డాయి, కాబట్టి ప్రతి పల్స్ వేర్వేరు స్పెక్ట్రల్ మరియు టైమ్-డొమైన్ లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది, ఇది పరిశోధకులు మరింత వివరంగా అన్వేషించారు. స్పెక్ట్రా పరంగా, వారు వ్యక్తిగత పప్పుల యొక్క స్పెక్ట్రాను వేర్వేరు సమానమైన అన్‌డ్యులేటర్ పొడవు వద్ద కొలవడానికి ఫ్రెస్నెల్ బ్యాండ్ ప్లేట్ స్పెక్ట్రోమీటర్‌ను ఉపయోగించారు, మరియు ఈ స్పెక్ట్రా ద్వితీయ విస్తరణ తర్వాత కూడా మృదువైన తరంగ రూపాలను నిర్వహించిందని కనుగొన్నారు, పప్పుధాన్యాలు ఏకీకృతమై ఉన్నాయని సూచిస్తుంది. టైమ్ డొమైన్‌లో, కోణీయ అంచు కొలుస్తారు మరియు పల్స్ యొక్క టైమ్ డొమైన్ తరంగ రూపాన్ని వర్గీకరించారు. మూర్తి 1 లో చూపినట్లుగా, ఎక్స్-రే పల్స్ వృత్తాకార ధ్రువణ పరారుణ లేజర్ పల్స్‌తో అతివ్యాప్తి చెందుతుంది. ఎక్స్-రే పల్స్ చేత అయోనైజ్ చేయబడిన ఫోటోఎలెక్ట్రాన్లు పరారుణ లేజర్ యొక్క వెక్టర్ సంభావ్యతకు ఎదురుగా దిశలో గీతలు ఉత్పత్తి చేస్తాయి. లేజర్ యొక్క విద్యుత్ క్షేత్రం సమయంతో తిరుగుతుంది కాబట్టి, ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ యొక్క మొమెంటం పంపిణీ ఎలక్ట్రాన్ ఉద్గార సమయానికి నిర్ణయించబడుతుంది మరియు ఉద్గార సమయం యొక్క కోణీయ మోడ్ మరియు ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ యొక్క మొమెంటం పంపిణీ మధ్య సంబంధం స్థాపించబడింది. ఫోటోఎలెక్ట్రాన్ మొమెంటం యొక్క పంపిణీని ఏకాక్షక ఫాస్ట్ మ్యాపింగ్ ఇమేజింగ్ స్పెక్ట్రోమీటర్ ఉపయోగించి కొలుస్తారు. పంపిణీ మరియు వర్ణపట ఫలితాల ఆధారంగా, అటోసెకండ్ పప్పుల యొక్క సమయ-డొమైన్ తరంగ రూపాన్ని పునర్నిర్మించవచ్చు. మూర్తి 2 (ఎ) పల్స్ వ్యవధి యొక్క పంపిణీని చూపిస్తుంది, మధ్యస్థం 440 గా ఉంటుంది. చివరగా, పల్స్ శక్తిని కొలవడానికి గ్యాస్ మానిటరింగ్ డిటెక్టర్ ఉపయోగించబడింది, మరియు మూర్తి 2 (బి) లో చూపిన విధంగా పీక్ పల్స్ శక్తి మరియు పల్స్ వ్యవధి మధ్య స్కాటర్ ప్లాట్లు లెక్కించబడ్డాయి. మూడు కాన్ఫిగరేషన్‌లు వేర్వేరు ఎలక్ట్రాన్ బీమ్ ఫోకసింగ్ పరిస్థితులు, వేవర్ కాన్సింగ్ పరిస్థితులు మరియు మాగ్నెటిక్ కంప్రెసర్ ఆలస్యం పరిస్థితులకు అనుగుణంగా ఉంటాయి. మూడు కాన్ఫిగరేషన్‌లు వరుసగా 150, 200 మరియు 260 µJ యొక్క సగటు పల్స్ శక్తులను అందించాయి, గరిష్ట గరిష్ట శక్తితో 1.1 TW.

మూర్తి 2. (ఎ) సగం-ఎత్తు పూర్తి వెడల్పు (FWHM) పల్స్ వ్యవధి యొక్క పంపిణీ హిస్టోగ్రాం; (బి) గరిష్ట శక్తి మరియు పల్స్ వ్యవధికి అనుగుణమైన స్కాటర్ ప్లాట్

అదనంగా, ఈ అధ్యయనం మొదటిసారి ఎక్స్-రే బ్యాండ్‌లో సోలిటన్ లాంటి అతిశయోక్తి యొక్క దృగ్విషయాన్ని గమనించింది, ఇది యాంప్లిఫికేషన్ సమయంలో నిరంతర పల్స్ సంక్షిప్తీకరణగా కనిపిస్తుంది. ఇది ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రేడియేషన్ మధ్య బలమైన పరస్పర చర్య వల్ల సంభవిస్తుంది, శక్తి వేగంగా ఎలక్ట్రాన్ నుండి ఎక్స్-రే పల్స్ యొక్క తలకి మరియు పల్స్ తోక నుండి ఎలక్ట్రాన్‌కు తిరిగి బదిలీ చేయబడుతుంది. ఈ దృగ్విషయం యొక్క లోతైన అధ్యయనం ద్వారా, సూపర్ రాడియేషన్ యాంప్లిఫికేషన్ ప్రక్రియను విస్తరించడం ద్వారా మరియు సోలిటన్ లాంటి మోడ్‌లో పల్స్ సంక్షిప్తీకరణ ప్రయోజనాన్ని పొందడం ద్వారా తక్కువ వ్యవధి మరియు అధిక పీక్ శక్తితో ఎక్స్-రే పప్పులను మరింత గ్రహించవచ్చని భావిస్తున్నారు.