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A rayons X impulsions laser

A rayons X impulsions laser

«Ce ne fut pas une tâche facile», dit Murnane. "Contrairement à un laser - qui devient plus intense que plus d'énergie est pompée dans le système - en HHG, si le laser frappe les atomes trop dur, trop grand nombre d'électrons sont libérés des atomes de gaz, et ces électrons provoquent la lumière laser 10000mw achataccélérer. Si la vitesse du laser et les rayons X ne correspondent pas, il n'y a aucun moyen de combiner les nombreuses vagues de rayons X pour créer un faisceau de sortie lumineuse, puisque les ondes de rayons X provenant de différents atomes de gaz interfèrent de manière destructive ».

Popmintchev et JILA étudiant diplômé Ming-Chang Chen a travaillé sur des conditions qui permettent aux ondes de rayons X à partir d'atomes dans le gaz d'interférer de manière constructive. La clé est d'utiliser une assez grande longueur d'onde, le laser infrarouge moyen et une cellule à gaz à haute pression qui guide également la lumière laser. Les faisceaux lumineux, de rayons X résultant de maintenir les qualités cohérentes, dirigées faisceau du laser qui pilote le processus.

laser astronomie

Le processus HHG est effective que lorsque les atomes sont touchés "dur et rapide" par les impulsions laser, avec des durées presque 10-14seconds - une limite fondamentale représentant seulement quelques oscillations des champs électromagnétiques. Murnane et Kapteyn pionnier de la technologie pour générer de telles impulsions lumineuses dans les années 1990, et ont utilisé ces lasers pour développer et utiliser des sources de lumière à base de HHG dans la région extrême ultraviolet (EUV) du spectre dans les années 2000. Cependant, alors que les chercheurs utilisaient ces lasers et la technique HHG pour mesurer toujours plus courts impulsions lumineuses de durée, ils ont été contrecarrés dans la façon de faire la lumière cohérente à des longueurs d'onde plus courtes dans la région plus pénétrante des rayons X du spectre.

Illustration du dispositif expérimental utilisé pour créer une version cohérente du tube Roentgen dans la région des rayons X mous du spectre. Quand un laser femtoseconde grande longueur d'onde est centrée dans un guide d'ondes creux rempli d'hélium gazeux à haute pression, une partie du laser est convertie en un laser analogue, un faisceau de rayons X ultra-rapide. La non linéaire interaction laser-matière extrême génère une large gamme de longueurs d'onde de lumière, couvrant le spectre électromagnétique de l'ultraviolet (UV) à la région X-ray. La lumière générée UV à rayons X est "amplifié" comme il se propage à travers le moyen de gaz puisque tous les champs électromagnétiques ajoutent de manière constructive.

Le nouveau document en sciences, sous auteur principal et associé de recherche principal Popmintchev, démontre que percée, montrant que la compréhension du processus HHG les chercheurs ont développé est largement valide.

«Nous aurions jamais trouvé cela si nous avions pas assis et pensé à ce qui se passe au cours de l'ensemble HHG, quand nous changeons la longueur d'onde du pointeur laser vert  3000mw d'entraînement, quels paramètres doivent être modifiés pour le faire fonctionner", a ajouté Kapteyn. "La chose étonnante est que la physique semblent être panoramique sur même sur une très large gamme de paramètres. Habituellement, dans la science à trouver une règle de mise à l'échelle qui vous empêche de faire un bond spectaculaire, mais dans ce cas, nous avons été en mesure de générer 1,6 keV - chaque photon de rayons X a été générée à partir de plus de 5000 photons infrarouges ».

Lorsque les chercheurs ont d'abord commencé à travailler avec ultrarapides, des lasers infrarouge moyen, il y a quelques années, ils ont effectivement fait un pas en arrière et généré lumineux lumière extrême ultraviolet de longueurs d'onde plus longues qu'auparavant pour atteindre dans le laboratoire.

"Cependant, nous avons découvert un nouveau régime qui nous a aidé à réaliser, seulement sur le papier, que nous pourrions faire de ce pas de géant vers des longueurs d'onde électromagnétiques beaucoup plus courtes et de générer lumineux, laser-like, les rayons X mous et durs», ajoute Popmintchev. "Ce que les expériences ont laissé entendre à l'époque semblaient trop beau pour être vrai! Il semble que Mère Nature a combiné ensemble, de la manière la plus simple et belle, toute la physique microscopique et macroscopique. Maintenant, nous sommes déjà à des longueurs d'onde de rayons X court comme environ 7,7 angströms, et nous ne savons pas la limite. "

Pour contrôler véritablement le faisceau de photons, les chercheurs ont besoin de comprendre le processus HHG à l'échelle atomique et comment les rayons X émis par les atomes individuels se combinent pour former un faisceau de lumière cohérente.

laser de classe 4

Lorsque vous double fente de Young est éclairé par un ensemble cohérent, laser-like, faisceau, lumière de chaque fente peut interférer et former un motif de diffraction, en raison d'interférences constructives et destructives entre la lumière transmise à travers chaque fente. Ces interférences (ou diffraction) modèles montrent que la kiloélectron volts (keV) faisceaux haute-harmoniques sont laser-like.

Cette compréhension combine des modèles microscopiques et macroscopiques du processus HHG avec le fait que ces interactions se produisent à très haute intensité dans un milieu changeant dynamiquement. Le développement d'une telle compréhension conceptuelle a pris la dernière décennie à se développer.

Le résultat a été la réalisation qu'il n'y a pas de limite fondamentale à l'énergie des photons qui peuvent être générés en utilisant le procédé HHG. Pour obtenir des photons de haute énergie, le système commence paradoxalement avec une lumière laser en utilisant des photons inférieurs d'énergie - en particulier, les lasers infrarouge moyen.

Les chercheurs ont démontré JILA la validité de ce principe dans leurs laboratoires dans le Colorado, mais pour atteindre leur percée, les chercheurs se sont rendus à Vienne avec leur configuration de faisceau de génération. Là, ils ont utilisé un laser 500mw développé par le co-auteur Andrius Baltuška et ses collègues de l'Université de Technologie de Vienne - la plus intense laser ultracourtes pouls du monde entier, dans le milieu de l'infrarouge, avec une longueur d'onde de quatre microns.

"Il y a trente ans, les gens disaient que nous pourrions faire une source de rayons X cohérent, mais il faudrait être un laser à rayons X, et que nous avions besoin d'une bombe atomique comme source d'énergie pour la pomper", a déclaré Deborah Jackson , l'agent de programme qui supervise la subvention du CER. "Maintenant, nous avons ces gars qui comprennent les bases assez bien pour introduire de nouvelles astuces pour extraire efficacement les photons énergétiques, en les arrachant aux longueurs d'onde des rayons X la science ... et tout cela se fait sur une table-top!"

En plus de la réalisation de la haute énergie, le plus large spectre ouvre une gamme de nouvelles applications.

"Dans une expérience utilisant une telle source, une région d'énergie du faisceau correspondra à un élément, un autre avec un autre élément, et ainsi de suite pour regarder simultanément des atomes à travers des molécules entières, et cela va nous permettre de voir comment frais se déplace d'un partie d'une molécule à l'autre comme une réaction chimique se produit », ajoute Kapteyn. "Il va nous prendre un certain temps pour apprendre à utiliser, mais il est très excitant."