[论文解读] Attosecond betatron radiation pulse train

Vojtěch Horný, M. Krůs+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2020

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 60被引用 9

一句话总结

本文提出一种利用激光等离子体加速器调制相对论电子束，生成亚阿托秒X射线脉冲列的方法。通过共传播的激光脉冲对电子束进行调制，形成等距分布的电子亚脉冲群，这些亚脉冲群辐射出贝塔特罗尼辐射，从而产生重复周期可调的脉冲列，实现紧凑、桌面式装置中的阿托秒级时间分辨率。

ABSTRACT

High-intensity X-ray sources are essential diagnostic tools for science, technology and medicine. Such X-ray sources can be produced in laser-plasma accelerators, where electrons emit short-wavelength radiation due to their betatron oscillations in the plasma wake of a laser pulse. Contemporary available betatron radiation X-ray sources can deliver a collimated X-ray pulse of duration on the order of several femtoseconds from a source size of the order of several micrometres. In this paper we demonstrate, through particle-in-cell simulations, that the temporal resolution of such a source can be enhanced by an order of magnitude by a spatial modulation of the emitting relativistic electron bunch. The modulation is achieved by the interaction of the that electron bunch with a co-propagating laser beam which results in the generation of a train of equidistant sub-femtosecond X-ray pulses. The distance between the single pulses of a train is tuned by the wavelength of the modulation laser pulse. The modelled experimental setup is achievable with current technologies. Potential applications include stroboscopic sampling of ultrafast fundamental processes.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、桌面式的高亮度、亚飞秒X射线脉冲源，用于超快科学研究。
• 突破当前贝塔特罗尼源的时间分辨率限制，后者通常持续数个飞秒。
• 通过生成精确同步的X射线脉冲列，实现对物质中超快过程的闪光采样。
• 利用受控良好的激光驱动调制方案，实现可调脉冲间隔与增强的时间分辨率。
• 通过现有激光与等离子体技术验证其可行性，推动其在生物学、材料科学和化学中的实际应用。

提出的方法

• 使用中等强度、线性偏振的激光脉冲在欠密度等离子体中驱动激光等离子体尾场，形成类似气泡的结构。
• 将相对论电子束注入气泡后端，使其发生贝塔特罗尼振荡并辐射X射线。
• 将较弱、延迟的调制激光脉冲与电子束共传播，以在电子分布中引入周期性密度调制。
• 调制激光波长决定了电子亚脉冲群之间的间距，其间隔为调制波长的一半。
• 亚脉冲群辐射出短时、相干的贝塔特罗尼辐射，形成等距分布的X射线脉冲列。
• 使用粒子-网格（PIC）方法模拟整个过程，以建模电子动力学、辐射发射及脉冲列特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过外部激光调制实现电子束成簇，能否从贝塔特罗尼源产生亚飞秒X射线脉冲列？
• RQ2 该系统可实现的时间分辨率与脉冲间隔是多少？其如何由调制激光控制？
• RQ3 该方案能否在保持高光子通量与光源亮度的同时，实现对超快过程的闪光采样？
• RQ4 该方案是否可在现有激光与等离子体加速器技术条件下实现？
• RQ5 脉冲列结构如何影响材料中超快动力学的可探测性与时间分辨率？

主要发现

• 电子束通过与共传播激光脉冲的相互作用，成功被调制为等距分布的亚脉冲群，其间距由调制波长的一半决定。
• 由此产生的贝塔特罗尼辐射形成X射线脉冲列，重复周期等于调制激光周期，实现亚飞秒级时间分辨率。
• 通过调节调制激光波长，可实现脉冲列的可调谐性，从而精确控制X射线脉冲之间的时间延迟。
• 模拟结果证实，该光源保持了小源尺寸（约几微米）与高亮度，适用于高分辨率成像。
• 与传统贝塔特罗尼源相比，该方案在时间分辨率上实现了数量级的提升，后者通常受限于数个飞秒。
• 整个实验装置可基于现有激光系统与等离子体加速器实现，使其成为自由电子激光等大型设施的可行替代方案。