TW वर्ग एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लेजर

TW वर्ग एटोसेकंड एक्स-रे पल्स लेजर
एटोसेकंड एक्स-रेपल्स लेजरउच्च शक्ति और छोटी पल्स अवधि के साथ अल्ट्राफास्ट नॉनलाइनियर स्पेक्ट्रोस्कोपी और एक्स-रे विवर्तन इमेजिंग प्राप्त करने की कुंजी है। संयुक्त राज्य अमेरिका में अनुसंधान दल ने दो-चरण के कैस्केड का उपयोग कियाएक्स-रे मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़रअसतत एटोसेकंड पल्स आउटपुट करने के लिए। मौजूदा रिपोर्टों की तुलना में, पल्स की औसत पीक पावर परिमाण के एक क्रम से बढ़ी है, अधिकतम पीक पावर 1.1 TW है, और औसत ऊर्जा 100 μJ से अधिक है। अध्ययन एक्स-रे क्षेत्र में सोलिटन-जैसे सुपररेडिएशन व्यवहार के लिए मजबूत सबूत भी प्रदान करता है।उच्च ऊर्जा लेज़रउच्च क्षेत्र भौतिकी, एटोसेकंड स्पेक्ट्रोस्कोपी और लेजर कण त्वरक सहित अनुसंधान के कई नए क्षेत्रों को आगे बढ़ाया है। सभी प्रकार के लेजर में से, एक्स-रे का व्यापक रूप से चिकित्सा निदान, औद्योगिक दोष का पता लगाने, सुरक्षा निरीक्षण और वैज्ञानिक अनुसंधान में उपयोग किया जाता है। एक्स-रे फ्री-इलेक्ट्रॉन लेजर (XFEL) अन्य एक्स-रे उत्पादन तकनीकों की तुलना में कई गुना अधिक परिमाण द्वारा पीक एक्स-रे शक्ति को बढ़ा सकता है, इस प्रकार गैर-रेखीय स्पेक्ट्रोस्कोपी और एकल-कण विवर्तन इमेजिंग के क्षेत्र में एक्स-रे के अनुप्रयोग का विस्तार करता है जहां उच्च शक्ति की आवश्यकता होती है। हाल ही में सफल एटोसेकंड XFEL एटोसेकंड विज्ञान और प्रौद्योगिकी में एक बड़ी उपलब्धि है, जो बेंचटॉप एक्स-रे स्रोतों की तुलना में उपलब्ध पीक पावर को छह गुना अधिक परिमाण तक बढ़ाता है।

मुक्त इलेक्ट्रॉन लेज़रसामूहिक अस्थिरता का उपयोग करके स्वतःस्फूर्त उत्सर्जन स्तर से कई गुना अधिक परिमाण की पल्स ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है, जो सापेक्ष इलेक्ट्रॉन बीम और चुंबकीय दोलक में विकिरण क्षेत्र की निरंतर परस्पर क्रिया के कारण होती है। हार्ड एक्स-रे रेंज (लगभग 0.01 एनएम से 0.1 एनएम तरंगदैर्घ्य) में, FEL को बंडल कम्प्रेशन और पोस्ट-सैचुरेशन कोनिंग तकनीकों द्वारा प्राप्त किया जाता है। सॉफ्ट एक्स-रे रेंज (लगभग 0.1 एनएम से 10 एनएम तरंगदैर्घ्य) में, FEL को कैस्केड फ्रेश-स्लाइस तकनीक द्वारा कार्यान्वित किया जाता है। हाल ही में, 100 गीगावॉट की पीक पावर वाले एटोसेकंड पल्स को एन्हांस्ड सेल्फ-एम्पलीफाइड स्पॉन्टेनियस एमिशन (ESASE) विधि का उपयोग करके उत्पन्न किए जाने की सूचना मिली है।

अनुसंधान दल ने लिनैक सुसंगत से सॉफ्ट एक्स-रे एटोसेकंड पल्स आउटपुट को बढ़ाने के लिए एक्सएफईएल पर आधारित दो-चरण प्रवर्धन प्रणाली का उपयोग कियाप्रकाश स्रोतTW स्तर तक, रिपोर्ट किए गए परिणामों की तुलना में सुधार का एक क्रम। प्रायोगिक सेटअप चित्र 1 में दिखाया गया है। ESASE विधि के आधार पर, फोटोकैथोड एमिटर को एक उच्च वर्तमान स्पाइक के साथ एक इलेक्ट्रॉन बीम प्राप्त करने के लिए मॉड्यूलेट किया जाता है, और इसका उपयोग एटोसेकंड एक्स-रे पल्स उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। प्रारंभिक पल्स इलेक्ट्रॉन बीम के स्पाइक के सामने के किनारे पर स्थित है, जैसा कि चित्र 1 के ऊपरी बाएं कोने में दिखाया गया है। जब XFEL संतृप्ति तक पहुँच जाता है, तो इलेक्ट्रॉन बीम को एक चुंबकीय कंप्रेसर द्वारा एक्स-रे के सापेक्ष विलंबित किया जाता है, और फिर पल्स इलेक्ट्रॉन बीम (ताज़ा स्लाइस) के साथ इंटरैक्ट करता है जिसे ESASE मॉड्यूलेशन या FEL लेजर द्वारा संशोधित नहीं किया जाता है। अंत में, एटोसेकंड पल्स की ताज़ा स्लाइस के साथ इंटरैक्ट के माध्यम से एक्स-रे को और अधिक बढ़ाने के लिए एक दूसरे चुंबकीय अंडुलेटर का उपयोग किया जाता है।

चित्र 1 प्रायोगिक उपकरण आरेख; चित्रण में अनुदैर्ध्य चरण स्थान (इलेक्ट्रॉन का समय-ऊर्जा आरेख, हरा), धारा प्रोफ़ाइल (नीला), तथा प्रथम-क्रम प्रवर्धन द्वारा उत्पादित विकिरण (बैंगनी) दिखाया गया है। XTCAV, X-बैंड अनुप्रस्थ गुहा; cVMI, समाक्षीय तीव्र मानचित्रण इमेजिंग प्रणाली; FZP, फ़्रेस्नेल बैंड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटर

सभी एटोसेकंड पल्स शोर से निर्मित होते हैं, इसलिए प्रत्येक पल्स में अलग-अलग वर्णक्रमीय और समय-डोमेन गुण होते हैं, जिन्हें शोधकर्ताओं ने अधिक विस्तार से खोजा। स्पेक्ट्रा के संदर्भ में, उन्होंने अलग-अलग समतुल्य अंडुलेटर लंबाई पर व्यक्तिगत पल्स के स्पेक्ट्रा को मापने के लिए एक फ़्रेस्नेल बैंड प्लेट स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया, और पाया कि इन स्पेक्ट्रा ने द्वितीयक प्रवर्धन के बाद भी चिकनी तरंगों को बनाए रखा, यह दर्शाता है कि पल्स एकतरफा बने रहे। समय डोमेन में, कोणीय फ्रिंज को मापा जाता है और पल्स के समय डोमेन तरंग को चिह्नित किया जाता है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, एक्स-रे पल्स को गोलाकार ध्रुवीकृत अवरक्त लेजर पल्स के साथ ओवरलैप किया जाता है। एक्स-रे पल्स द्वारा आयनित फोटोइलेक्ट्रॉन अवरक्त लेजर की वेक्टर क्षमता के विपरीत दिशा में धारियाँ उत्पन्न करेंगे। क्योंकि लेजर का विद्युत क्षेत्र समय के साथ घूमता है, फोटोइलेक्ट्रॉन का गति वितरण इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के समय से निर्धारित होता है, और उत्सर्जन समय के कोणीय मोड और फोटोइलेक्ट्रॉन के गति वितरण के बीच संबंध स्थापित होता है। फोटोइलेक्ट्रॉन गति का वितरण एक समाक्षीय फास्ट मैपिंग इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके मापा जाता है। वितरण और वर्णक्रमीय परिणामों के आधार पर, एटोसेकंड पल्स के समय-डोमेन तरंग को फिर से बनाया जा सकता है। चित्र 2 (ए) पल्स अवधि के वितरण को दर्शाता है, जिसमें 440 एएस का माध्य है। अंत में, पल्स ऊर्जा को मापने के लिए गैस मॉनिटरिंग डिटेक्टर का उपयोग किया गया था, और चित्र 2 (बी) में दिखाए गए अनुसार पीक पल्स पावर और पल्स अवधि के बीच स्कैटर प्लॉट की गणना की गई थी। तीन विन्यास अलग-अलग इलेक्ट्रॉन बीम फोकसिंग स्थितियों, वेवर कोनिंग स्थितियों और चुंबकीय कंप्रेसर विलंब स्थितियों के अनुरूप हैं। तीन विन्यासों ने क्रमशः 150, 200 और 260 µJ की औसत पल्स ऊर्जाएँ दीं, जिसमें अधिकतम पीक पावर 1.1 TW थी।

चित्र 2. (क) अर्ध-ऊंचाई पूर्ण चौड़ाई (एफडब्ल्यूएचएम) पल्स अवधि का वितरण हिस्टोग्राम; (ख) शिखर शक्ति और पल्स अवधि के अनुरूप स्कैटर प्लॉट

इसके अलावा, अध्ययन में पहली बार एक्स-रे बैंड में सोलिटन-जैसे सुपरएमिशन की घटना भी देखी गई, जो प्रवर्धन के दौरान निरंतर पल्स शॉर्टिंग के रूप में दिखाई देती है। यह इलेक्ट्रॉनों और विकिरण के बीच एक मजबूत बातचीत के कारण होता है, जिसमें ऊर्जा तेजी से इलेक्ट्रॉन से एक्स-रे पल्स के सिर तक और पल्स की पूंछ से इलेक्ट्रॉन में वापस स्थानांतरित होती है। इस घटना के गहन अध्ययन के माध्यम से, यह उम्मीद की जाती है कि सुपररेडिएशन प्रवर्धन प्रक्रिया का विस्तार करके और सोलिटन-जैसे मोड में पल्स शॉर्टिंग का लाभ उठाकर छोटी अवधि और उच्च शिखर शक्ति वाले एक्स-रे पल्स को और अधिक महसूस किया जा सकता है।