Fichas
2.4 XR-Quellen: Kohärente Röntgenstrahlung
Fichas del conjunto (23)
- 1Kohärente RöntgenstrahlungKohärenz
Konversion von Laserlicht
Röntgenlaser
freie Elektronenlaser - 2Photonen und Kohärenz- Photon: großer 3D Wellenzug
- spontane Emission:
o Entstehung an Punkt
o Segment einer Kugelwelle
o Formveränderung durch optische Elemente
- quantenmechanisches Objekt:
o Energie nur komplett und auf einmal abgeben
o mehrere Wege (alle gleichzeitig)
Interferenz: - 3Interferenz- Lichtwege treffen sich wieder
- Überlappbereich konstruktive Interferenz
- Selbst-Interferenz
- Kohärenz: viele Photonen interferieren gleich - 4Kohärenzgrad (normiert):Wie gut ist Korrelation innerhalb eines Lichtfelds? (zeitliche Kopplung)
- 5Kontrast:V=〖I_max-I〗_min/(I_max+I_min )=γ_12 (τ) (2√(I_1 I_2 ))/(I_1+I_2 )
- 6Zeitliche Kohärenz:zeitliche Verzögerung zweier Teilstrahlen , bei gleicher Intensität V=50 % → Kohärenzlänge, Kohärenzzeit τc=lc/c
enge Verknüpfung mit spektraler Bandbreite (z.B. Gauß) - 7gepulste Strahlung- τc ≤τ, „=“ für perfekt kohärentes Licht
- 8räumliche Kohärenz- Wie weit entfernt dürfen zwei Teilstrahlen sein, damit sie immernoch interferieren, wenn man sie ohne zeitliche Verzögerung zusammenführt (transversale Kohärenzlänge)?
- 9Van-Cittert-Zernicke-Theoreminkohärente Quelle mit Gauß’scher Helligkeitsverteilung:
γ_12 (0)=exp(-2 D^2/(δx_c )^2 ) mit 〖δx〗_c=λL/(πδ_s )=(hc/π L)/(Eδ_s )
Δx_c≤Δd bei Röntgenquellen sehr klein
größer für:
kleinere Quellgröße Δs und/oder größerer Abstand L
kohärente Quellen, gesamtes vorhandenes Licht innerhalb der räumlichen Kohärenzlänge abgestrahlt, bei anderen in viel weiterem Bereich - 10Konversion von Laserlicht- Laserlicht durch nichtlineare Prozesse in härtere Strahlung verwandeln (ebenfalls kohärent)
- Umwandlungsprozess kohärent - 11Nichtlineare Streuprozesse- bei Wechselwirkung einzelner geladener Teilchen
- Oszillation freier geladener Teilchen mit dem Lichtfeld (Hertzscher Dipol)
- Photonabsorption, Teilchenoszillation, Abstrahlung neues Photon gleicher Frequenz
- Thomson-Streuung
1. Relativistische Thomson-Streuung:
- Streuprozess in mitbewegtem System
- Faktor ν² energetischer
- Umwandlung sichtbares Licht in harte UV/XR- Strahlung
2. Nichtlineare Thomson-Streuung:
- sehr starkes Licht
- relativistische Oszillation freier Elektronen
- neben Grundwelle auch Oberwellen mit n-facher Frequenz abgestrahlt - 12Gas-Harmonische:- starker Lichtstrahl auf Gasförmiges Medium (Ionisation Atome/Moleküle)
- frei gesetzte Elektronen von oszillierendem Lichtfeld beschleunigt
- später hohe Wahrscheinlichkeit für Rückbeschleunigung zum Ion - 13Rekombination:mit hoher kinetischer Energie
überschüssige Ekin und freiwerdene Bindungsenergie werden in Form eines einzigen Photons abgestrahlt
ungradzahlige Vielfache der Photonenenergie des Lasers ω_XUV=(2n+1) ω_L
Hohe Harmonische (obere Schwelle) hν_max≈E_ion+3.17 E_pm
Epm ponderomotives Potential: mittlere Oszillationsenergie von Elektronen im Lichtfeld
Intensität nicht zu hoch → alle Atome ionisiert vor Lasermedium - 14XUV-Abstrahlung- Laserzyklus zu zwei kurzen Zeitpunkten → Prozess mit Feldverlauf getaktet 50-800 as
- 15Oberflächen-Harmonische- starker Laserpuls → dünne Plasmaschicht, Großteil des nachfolgenden Laserpulses reflektiert
- einlaufende Welle bringt freie Elektronen zum schwingen
- Abstrahlung elektromagnetischer Wellen gleicher Frequenz, nur in Reflexionsrichtung kohärente Verstärkung
- relativistische, anharmonische Schwingung (auch höhere Harmonische)
- keine obere Schwelle für Intensität, erzeugte Strahlung um viele Größenordnungen intensiver ( noch qualitative Laserpulse) - 16Röntgenlaser Besetzungsinversion in Ionen- statistisch gewichtete Besetzung oberer Zustand größer als unterer
- höhere Wahrscheinlichkeit für stimulierte Emission als für Absorption
- Problem: spontane Emission (Verhältnis zu stimulierter Emission skaliert ungünstig im Harten)
- Laseraktion nur bei schneller Durchführung
- Neon-/Nickelartige Ionen - 17Röntgenlaser Besetzungsinversion in Ionen Ablauf- 1.Laserpuls: Erzeugung längliches Plasma, Einstellung T für dominierenden Ionisationszustand
- 2.Laserpuls: Aufheizung freier Elektronen → Stoßanregung Inversionszustand
- ASE-Laser: spontan em. Photon läuft zufällig in richtige Richtung und wird in Plasma durch stimulierte Emission verstärkt
- kein Laserresonator , da keine passende Spiegel - 18Röntgenlaser Eigenschaften- bei hervorragender Strahlqualität Pulsenergien ca. mJ
- schlechte Wiederholrate, feste Wellenlänge, Anordnung kompliziert und teuer
- Kapillarentladung als Verstärkermedium (Laserlinien weicher als 40 nm) - 19Prinzip FEL- Undulator über sehr lange Wegstrecken mit sehr starkem Licht
- Rückkopplung Licht mit dem Elektronenstrahl
- Kurvenbahn:
o manche Elektronen in jeder Kurve transversale Beschleunigung
o andere Elektronen immer gegen das Lichtfeld - 20microbunchingkleine Teilpulse, Periode von genau einer Wellenlänge des erzeugten Lichts
laufende Erzeugung von Licht (plötzliche phasenrichtig)
Lichtquellen im räumlichen Abstand einer Wellenlänge, jedes Elektron mit selber Phase
Rückwirkung Lichtfeld auf Elektronen (Lorentz-Kraftgleichung):
(dp ⃗)/dt=-e(E ⃗_L+∇×B ⃗) - 21FEL-Gleichung- Energietransfer von Elektron auf Lichtwelle
- 22Undulatorbedigung:λ_L=λ_n/(2γ^2 ) (1+k^2/2)
Verstärkung Laserstrahl mit ursprünglicher Leistung P0: P(z)=P_0/9 exp(Z/L_ρ ) - 23Eigenschaften von FELs:- Extrem hohe Lichtintensität
- Pulsenergie (einige 100 μJ bis einige μJ)/100 Photonen/s
- Pulsdauer 2-100 fs
- Verstimmbarkeit Faktor 10
- spektrale Breite:
o SASE: Δλ≈10-3 λ
o self-seeding: Δλ≈10-4 λ → Ausschneiden schmaler Anteil Spektrum aus erstem Undulator (aktives Microbunching)
- Kohärenz:
o SASE: Teilkohärenz
o self-seeding: Vollkohärenz
- Wiederholrate: ≈100 Hz (European XFEL 27kHz wegen Supraleitung)
Información
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- El usuario ha eliminado su información de asignaturas Fichas sobre 2.4 XR-Quellen: Kohärente Röntgenstrahlung, creado por Usuario eliminado el 26/09/2017.
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- Usuario eliminado · sep 2017
- Actualizado
- 26 sep 2017
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- Creado por Tom Schobert · 21 sep 2017
- Copiado por Tom Schobert · 26 sep 2017
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