Detailní charakterizace svazků rentgenových laserů pro účely interakčních experimentů

Ohromný pokrok na poli rentgenových laserů v uplynulých letech umožnil celou řadu aplikací, jež zásadně posunuly hranice našich vědomostí v různých přírodovědných a technických oborech. Uplatnění těchto zdrojů se ovšem neobejde bez vývoje speciálních metod, kterými lze stanovit výstupní parametry těchto unikátních zdrojů záření. Kupříkladu přesné a spolehlivé měření příčného a podélného profilu fokusovaných rentgenových svazků představuje výzvu pro mnoho vědeckých skupin. Za pomoci přesné optiky je totiž možné soustředit svazky rentgenových laserů na velmi malé (mikronové, a dokonce i sub-mikronové) plošky. Intenzity v ohniscích tak mohou snadno překročit práh poškození jakéhokoli známého materiálu, a proto lze většinu dosavadních metod měření profilů svazků použít takřka výhradně mimo fokus, kde jsou intenzity nižší. Je třeba také zmínit, že příčný i podélný profil intenzity, fáze či komplexního stupně koherence rentgenového svazku může být velice složitou a těžko predikovatelnou funkcí prostorové souřadnice. V takovém případě mluvíme o tzv. negaussovských (obecných) svazcích, které jsou naneštěstí pro většinu rentgenových laserů typické v důsledku exotického charakteru laserové akce. Negaussovská podstata laserových svazků zásadně komplikuje nejen snahy o jejich charakterizaci, ale i aplikace v interakčních experimentech tyto svazky využívající. Naše dosavadní práce byla zaměřena na vývoj ablačních metod charakterizace fokusovaného svazku, které poškození materiálu využívají, a proto jsou pro studium ohniska vhodné. Vyvinuli jsme metodu rekonstrukce příčného profilu EUV svazku z tvaru ablačního otisku v poly(methyl methakrylátu) [J. Chalupský a kol., Opt. Express 15, 6036 (2007).], metodu fluenčního skenu [J. Chalupský a kol., Opt. Express 18, 27836 (2010).] pro příčnou charakterizaci a metodu z-skenu [J. Chalupsky a kol., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 631, 130 (2011).] pro základní podélnou charakterizaci rentgenových svazků. Tyto postupy jsme použili např. na zařízeních LCLS (Linac Coherent Light Source) v Kalifornii (USA) a SACLA (SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser) v Japonsku. Přestože metody ablačních potažmo desorpčních otisků již prokázaly svoji opodstatněnost a aplikační potenciál, stále nejde o plnohodnotné postupy při charakterizaci laserových svazků, jelikož poskytují informaci pouze o rozložení intenzity v prostoru. Abychom byli schopni úplně popsat šířící se elektrické pole, potřebujeme také informaci o tvaru vlnoplochy a koherenci svazku. K tomuto účelu je potřeba vyvinout postupy, které umožní informaci o fázi a koherenci získat. Přímé měření tvaru vlnoplochy umožňuje např. Hartmannův senzor. Ten již byl testován v sub-kevové oblasti, avšak na vývoji jeho rentgenové obdoby se teprve začíná pracovat. Další možností je rekonstruovat tvar vlnoplochy z měření příčných intenzitních profilů v několika bodech podél optické osy svazku, která lze provést pomocí metody ablačních popř. desorpčních otisků. Detailní znalost prostorových vlastností svazků je důležitá nejen na poli výzkumu interakce laserového záření s hmotou, ale i pro koherentní difraktivní zobrazování, rentgenovou mikroskopii, krystalografii, ?pump-and-probe? experimenty (čerpání a sondování), interferometrické experimenty, atd. Zde je právě znalost vlnoplochy a koherence velkým přínosem. Metody ablačních (popř. desorpčních) otisků jsou založeny na interakci intenzivního krátkovlnného záření s hmotou, a proto je studium této interakce nutnou podmínkou pro vlastní měření svazků. Ukazuje se, že s pokrokem na poli rentgenového laserování (rostoucí energie fotonů i energie impulsů, zmenšující se ohnisko) je potřeba neustále přicházet s novými materiály vhodnými pro danou situaci. Pakliže pro měkkou rentgenovou oblast pod uhlíkovou K-hranou dobře funguje PMMA, v sub-kevové až kevové oblasti už je potřeba použít např. PbWO4 - wolframan olovnatý (silně absorbující materiál s vysokým průměrným Z). V oblasti jednotek až desítek keV se ukazuje jako perspektivní využít tenké vrstvy materiálů s vysokým Z na substrátech s nízkým Z. Nové materiály, jejich odezva a dynamický rozsah při použití pro charakterizaci svazků budou předmětem intenzivního zkoumání převážně na zařízení LCLS. K tomuto účelu je ovšem potřeba mít povědomí o tvaru dopadajícího svazku, jelikož půjde o vůbec první testování nových terčů. Zde je zapotřebí mít k dispozici numerické modely schopné simulovat šíření svazku od zdroje (undulátoru) až po ohnisko v interakční komoře. Dále lze provést srovnávací experimenty za použití již ověřených terčů popř. rentgenového Hartmannova senzoru, který je ovšem na zařízení LCLS taktéž ve stadiu vývoje. Zde se nachází jádro budoucí spolupráce s kolegy z LCLS, kteří se numerickými simulacemi a Hartmanovým senzorem v současnosti zabývají a jeho testování bude nezbytnou podmínkou pro uvedení do provozu.