Аннотация:
Исследовательские группы Центра Гельмгольца в Розендорфе (HZDR) в Дрездене, Германия, и Центра синхротронного излучения SOLEIL недалеко от Парижа, Франция, недавно объявили, что они совершили важный прорыв в разработке нового поколения компактных лазеров на свободных электронах. Впервые исследователи добились стабильной и воспроизводимой работы лазерного плазменного лазера на свободных электронах в рабочем состоянии с высоким коэффициентом усиления, открыв путь для создания в будущем меньших по размеру и более дешевых лазерных устройств на свободных электронах.
Лазеры на свободных электронах — важный инструмент современных научных исследований. Они могут генерировать чрезвычайно короткие и интенсивные световые импульсы и широко используются для изучения атомов, молекул и новых материалов. Однако большинство современных лазерных установок на свободных электронах во всем мире являются большими и дорогими, что оставляет исследователям очень ограниченное время для экспериментов, поэтому исследователи уже давно надеются разработать более компактные и экономичные альтернативы.
Традиционные лазеры на свободных электронах требуют использования больших ускорителей длиной до двух километров для ускорения электронов до скорости, близкой к скорости света. Затем электронный луч попадает в ондулятор, состоящий из магнитов, который при непрерывных колебаниях испускает высококогерентные импульсы интенсивного света.
Новые лазерные плазменные лазеры на свободных электронах используют совершенно другой подход. Исследователи используют лазеры для генерации особых волн в плазме, позволяя электронам быстро «скользить» по плазменным волнам, как при серфинге. Благодаря этому механизму уровень энергии, который первоначально требовал сотен или даже тысяч метров расстояния ускорения, теперь может быть достигнут всего за несколько миллиметров, а общее расстояние ускорения сокращается примерно в тысячу раз.
Несмотря на свои существенные преимущества, эта технология уже давно страдает недостаточной стабильностью. Для научных экспериментов лазерная продукция должна иметь стабильное качество в течение нескольких часов или даже дней — стандарт, которому в прошлом изо всех сил пытались соответствовать лазерные плазменные лазеры на свободных электронах.
Ключом к этому прорыву является то, что исследовательская группа успешно добилась точного контроля над процессом взаимодействия лазера и плазмы. Ученые используют высокопроизводительную лазерную систему DRACO от HZDR для излучения инфракрасных лазерных импульсов в поток газа толщиной всего несколько миллиметров, создания стабильной плазменной среды и точной настройки параметров лазера для оптимального соответствия условиям плазмы.
После завершения ускорения электронный луч направляется в ондуляторную систему. Исследователи также представили механизм взаимодействия между лазерными импульсами и электронными лучами для повышения интенсивности лазерного излучения на свободных электронах и получения более высокой выходной энергии.
Результаты эксперимента показали, что команда успешно генерировала высокоэнергетические импульсы ультрафиолетового света с длиной волны 272 нанометра. Что еще более важно, мощность лазера впервые продемонстрировала уникальные характеристики экспоненциального роста в состоянии с высоким коэффициентом усиления, доказывая, что система перешла в режим работы с сильным усилением. Это состояние рассматривается как важный признак высокопроизводительной работы лазеров на свободных электронах.
Исследователи заявили, что по сравнению с результатами, опубликованными командой в 2023 году, этот эксперимент позволил добиться значительных улучшений. Лазерно-плазменные лазеры на свободных электронах, стабильность и повторяемость работы которых в прошлом было сложно обеспечить, теперь способны непрерывно и стабильно производить излучение высокого качества, создавая возможности для практических научных исследований.
Научное сообщество в целом считает, что это достижение будет способствовать миниатюризации и популяризации лазерной технологии на свободных электронах. В будущем соответствующее оборудование больше не нужно будет создавать в крупных национальных лабораториях, но у него появится возможность сократить объемы до масштабов, которые могут себе позволить университеты или средние исследовательские учреждения, тем самым предоставив передовые источники света большему количеству научно-исследовательских групп.
Исследователи отметили, что нынешняя система по-прежнему производит источники света ультрафиолетового диапазона, но за счет дальнейших обновлений и оптимизации в будущем ожидается сокращение длины волны до менее 100 нанометров. К тому времени этот тип компактного лазера на свободных электронах покажет большую ценность применения в таких областях, как материаловедение, наблюдение за химическими реакциями, биомедицинские исследования и нанотехнологии.
Этот результат был опубликован в журнале «Physical Review Letters» и рассматривается как важная веха в развитии миниатюризации лазеров на свободных электронах. Это также обеспечивает реалистичную основу для будущего строительства более экономичных и простых в развертывании современных источников света.
Комментарии