Когерентность излучения XFEL

Когерентность является одной из ключевых характеристик излучения лазеров на свободных электронах (XFEL — X-ray Free Electron Laser). В отличие от обычного синхротронного излучения, излучение XFEL может достигать почти полной пространственной и временной когерентности, что обеспечивает возможность проведения высокоточных экспериментов в физике конденсированного состояния, биологии и химии.

Когерентность характеризуется двумя основными параметрами:

1. Пространственная когерентность — степень одинаковости фазового фронта излучения по поперечному сечению пучка.
2. Временная когерентность — степень постоянства фазы излучения во времени, связанная с шириной спектра.

Для XFEL оба этих параметра достигают значений, близких к идеальным: почти полная продольная когерентность обеспечивается благодаря процессу самоусиленного спонтанного излучения (SASE) или альтернативным схемам генерации когерентного излучения, таким как seeding-технологии.

Механизм формирования когерентного излучения

Процесс образования когерентного рентгеновского пучка в XFEL основан на взаимодействии высокоэнергетических электронных пучков с магнитной структурой — андулатором. Ключевые этапы:

1. Введение в андулатор Электронный пучок с энергией в диапазоне нескольких ГэВ проходит через чередующиеся магниты андулатора, создающие периодическое магнитное поле.

2. Индуцированное излучение и микробархирование Поскольку электроны ускоряются поперечно, они испускают синхротронное излучение. Малые начальные флуктуации интенсивности излучения вызывают микробархирование пучка — образование плотностных модуляций на длине волны излучения.

3. Самоусиление спонтанного излучения (SASE) В процессе SASE микробархированный пучок взаимодействует со своим излучением, что приводит к экспоненциальному росту амплитуды электромагнитной волны. В результате формируется интенсивное когерентное излучение.

4. Выходной пучок На выходе андулатора получается пучок рентгеновских фотонов с высокой яркостью, малым расходимым углом и высокой пространственной и частичной временной когерентностью. Полная продольная когерентность достигается при применении seeding-схем, когда фазовая структура заранее задаётся внешним источником.

Пространственная когерентность XFEL

Пространственная когерентность определяется однородностью фазового фронта пучка. В XFEL она достигается за счёт следующих факторов:

• Узкого поперечного размера электронного пучка (несколько микрометров).
• Длинного андулатора, обеспечивающего многократное взаимодействие электронов и излучения.
• Минимизации разброса углов электронов, что снижает дифракционное рассеяние.

Результатом является почти идеальный темный режим излучения, в котором можно формировать интерференционные картины с высокой разрешающей способностью.

Временная когерентность XFEL

Временная когерентность связана с длиной когерентной волны ℓ_c и определяется спектральной шириной излучения Δω:

$$ \ell_c = \frac{2\pi c}{\Delta \omega}. $$

Для SASE-пучков временная когерентность ограничена случайными фазовыми флуктуациями, что приводит к шумоподобной структуре временного профиля. Использование схем self-seeding позволяет значительно сократить спектральную ширину и увеличить продольную когерентность до значений, сопоставимых с лазерами видимого диапазона.

Методы улучшения когерентности

1. Seeding-технологии

   • External seeding — введение внешнего когерентного сигнала для синхронизации фаз.
   • Self-seeding — выделение узкой полосы спектра из SASE-пучка и последующее усиление.

2. Стабилизация пучка

   • Контроль энергии и углового разброса электронов.
   • Минимизация влияния лазерных и магнитных шумов.

3. Оптические манипуляции

   • Использование кристаллов и фазовых масок для формирования плоского фазового фронта.

Эти методы позволяют достичь почти полной продольной и поперечной когерентности, что открывает новые возможности для рентгеновской интерференционной микроскопии, когерентной дифракционной томографии и исследования динамических процессов с фемтосекундной разрешающей способностью.

Ключевые параметры когерентности

Высокая когерентность делает XFEL уникальным инструментом для экспериментов с рентгеновской дифракцией и интерферометрией, позволяя изучать структуры на атомном и молекулярном уровнях.