ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА

ВРЕМЕННÁЯ КОМПРЕССИЯ ИМПУЛЬСОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ЛАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ В УСЛОВИЯХ БРЭГГОВСКОЙ ДИФРАКЦИИ
Бушуев В. А.

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, http://www.phys.msu.ru
119991 Москва, Российская Федерация

Поступила в редакцию 01.12.2014

В последние годы ведется активная работа по созданию рентгеновских лазеров на свободных электронах с длиной волны излучения порядка 0.1 нм. Расчеты показывают, что в результате самоиндуцированного усиления спонтанного излучения на выходе из ондулятора формируются многопичковые импульсы с длительностью от долей до десятков фемтосекунд. Для управления характеристиками лазерного излучения можно использовать явление дифракции рентгеновских лучей на идеальных монокристаллах. Ранее автором была развита динамическая теория дифракции произвольных рентгеновских импульсов в геометриях Лауэ и Брэгга и показано, что импульсы с длительностью 0.1-1 фс сильно уширяются во времени и искажаются по форме. В настоящей работе исследуется возможность временнóй компрессии фемтосекундных импульсов (т.е. уменьшения их длительности) в результате брэгговского дифракционного отражения от совершенного кристалла. Показано, что при падении на кристалл чирпированного импульса, мгновенная частота излучения которого линейно зависит от времени, а фаза - квадратично, возможно практически десятикратное уменьшение длительности отраженного импульса по сравнению с падающим импульсом, имеющим длительность порядка 1-10 фс. Уменьшение длительности дифрагированного импульса вызвано тем, что частотный спектр падающего чирпированного волнового пакета уширяется и может сравниться со спектральной шириной плосковолновой кривой дифракционного отражения.

Ключевые слова: рентгеновский лазер на свободных электронах, фемтосекундные рентгеновские импульсы, чирпированные импульсы, динамическая дифракция, совершенные кристаллы, временнáя компрессия

УДК 548.732

Библиография – 37 ссылок

РЭНСИТ, 2014, 6(2):177-186 DOI: 10.17725/RENSITe.0006.201412c.0177

ЛИТЕРАТУРА

Elton RC. X-ray lasers. Academic Press, Inc. Harcourt Brace Jovanovich, Publishers, 1990, 285 p.
Saldin EL, Schneidmiller EA, Yurkov MV. The physics of free electron lasers. Berlin, Springer, 1999, 484 p.
Фетисов ГВ. Синхротронное излучение. Методы исследования структуры веществ. М., Физматлит, 2007, 672 с.
Altarelli M. (eds.), XFEL. Technical Design Report DESY 2006-097. Hamburg, Germany, http://xfel.desy.de/tdr/index_eng.html.
Arthur J. LCLS Conceptual Design Report. 2002, LCLS, USA, http://www-ssrl.slac.stanford.edu/lcls/cdr.
Tanaka T, Shintake T. SCSS X-FEL Conceptual Design Report, edited by Takashi Tanaka and Tsumoru Shintake. SCSS XFEL, R&D Group, RIKEN Harima Institute/SPring-8, Japan, 2005, http://www-xfel.spring8.or.jp/SCSSCDR.pdf.
Saldin EL, Scheidmiller EA, Yurkov MV. FAST: a three-dimensional time-dependent FEL simulation code. Nucl. Instr. Meth. A, 1999, 429(2):233-237.
Saldin EL, Schneidmiller EA, Yurkov MV. The potential for the development of the X-ray free-electron laser. Report TESLA-FEL 2004-02, DESY, Hamburg, Germany, 2004, 39
Saldin EL, Schneidmiller EA, Yurkov MV. Statistical and coherence properties of radiation from X-ray free-electron lasers. New J. Phys., 2010, 12:035010(15).
Geloni G, Saldin E, Samoylova L, Schneidmiller E, Sinn H, Tschentscher Th, Yurkov M. Coherence properties of the European XFEL. New J. Phys., 2010, 12:035021(15).
Chukhovskii FN, Forster E. Time-dependent X-ray Bragg diffraction. Acta Cryst. A, 1995, 51(5):668-672.
Shastri SD, Zambianchi P, Mills DM. Dynamical diffraction of ultrashort X-ray free-electron laser pulses. J. Synchrotron Radiat., 2001, 8(7):1131-1135.
Shastri SD, Zambianchi P, Mills DM. Femtosecond X-ray dynamical diffraction by perfect crystals. Proc. SPIE, 2001, 4143:69-77.
Graeff W. Tailoring the time response of a Bragg reflection to short X-ray pulses. J. Synchrotron Radiat., 2004, 11(3):261-265.
Graeff W. Short X-ray pulses in a Laue-case crystal. J. Synchrotron Radiat., 2002, 9(1):82-87.
Malgrange C, Graeff W. Diffraction of short X-ray pulses in the general asymmetric Laue case - an analytic treatment. J. Synchrotron Radiat., 2003, 10(3):248-254.
Бушуев ВА. Дифракционное отражение от кристалла фемтосекундных импульсов рентгеновского лазера на свободных электронах. Изв. РАН. Сер. физ., 2005, 69(12):1710-1715.
Bushuev VA. Diffraction of X-ray free-electron laser femtosecond pulses on single crystals in the Bragg and Laue geometry. J. Synchrotron Radiat., 2008, 15(5):495-505.
Vartanyants IA, Robinson IK. Origins of decoherence in coherent X-ray diffraction experiments. Optics Commun., 2003, 222(1-6):29-50.
Vartanyants IA, Robinson IK, McNulty I, David C, Wochner P, Tschentscher Th. Coherent X-ray scattering and lensless imaging at the European XFEL Facility. J. Synchrotron Radiat., 2007, 14(6):453-470.
Bushuev V, Samoylova L. Reflection and transmission of XFEL SASE pulses by periodic multilayer structures. Nucl. Instr. Meth. A, 2011, 635(4):S19-S23.
Бушуев ВА, Самойлова Л. Монохроматизация фемтосекундных импульсов рентгеновского лазера на свободных электронах с использованием квазизапрещенных брэгговских отражений от многослойных периодических структур. Изв. РАН. Сер. физ., 2012, 76(2):180-185.
Ахманов СА, Дьяков ЮЕ, Чиркин АС. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М., Наука, 1981, 640 с.
Бушуев ВА, Самойлова Л. Влияние дифракции в кристаллах на когерентные свойства импульсов рентгеновского лазера на свободных электронах. Кристаллография, 2011, 56(5):876-885.
Бушуев ВА. Изменение функции пространственной когерентности при брэгговском отражении рентгеновского пучка. Изв. РАН. Сер. физ., 2009, 73(1):56-60.
Бушуев ВА. Влияние пространственной когерентности рентгеновского излучения на зеркальное отражение от многослойных зеркал. Изв. РАН. Сер. физ., 2010, 74(1):47-52.
Saldin E, Schneidmiller E, Shvyd’ko Yu, Yurkov M. X-ray FEL with a meV bandwidth. Nucl. Instrum. Methods. A, 2001, 475(2):357-362.
Geloni G, Kocharyan V, Saldin E. A simple method for controlling the line width of SASE X-ray FELs. Report DESY 10-053, Hamburg, Germany, 2010, 053:1-28.
Geloni G, Kocharyan V, Saldin E. Extension of self-seeding to hard X-rays > 10 keV as a way to increase user access at the European XFEL. Report DESY 11-224, Hamburg, Germany, 2011, 224:1-13.
Tschentscher Th. Layout of the X-ray systems at the European XFEL. XFEL.EU TN-2011-001, 2011, 001:1-21.
Бушуев ВА. Влияние теплового нагрева кристалла на дифракцию импульсов рентгеновского лазера на свободных электронах. Изв. РАН. Сер. физ., 2013, 77(1):19-25.
Vartanyants IA, Singer A. Coherence properties of hard X-ray synchrotron sources and X-ray free-electron lasers. New J. Physics, 2010, 12:035004(23).
Cerbino R. Correlations of light in the deep Fresnel region: an extended Van Cittert and Zernike theorem. Phys. Rev. A, 2007, 75(5):053815(4).
Bushuev V, Samoylova L, Temporal and coherence properties of hard X-ray FEL radiation following Bragg diffraction by crystals. Proc. SPIE, 2011, 8141: 81410T(14); doi:10.1117/12.893054.
Bushuev VA. Effect of the temporal coherence of radiation fields of X-ray sources on the spatial coherence of beams and pulses. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys., 2014, 78(12):1382-1387.
Виноградова МВ, Руденко ОВ, Сухоруков АП. Теория волн. М., Наука, 1990, 432 с.
Пинскер ЗГ. Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в идеальных кристаллах. М., Наука, 1974, 368 с.

Полнотекстовая электронная версия статьи – на вебсайтах http://elibrary.ru и http://rensit.ru/vypuski/article/186/6(2)-177-186.pdf