Zespół zajmujący się laserami na swobodnych elektronach Chińskiej Akademii Nauk poczynił postępy w badaniach nad w pełni spójnymi laserami na swobodnych elektronach. W oparciu o Szanghajski Ośrodek Laserów na Swobodnych Elektronach Miękkiego Promieniowania X (Soft X-ray Free Electron Laser Facility), nowy mechanizm lasera na swobodnych elektronach z kaskadą harmoniczną echa, zaproponowany przez Chiny, został pomyślnie zweryfikowany, a miękkie promieniowanie rentgenowskie o doskonałej wydajności stało się spójne. Wyniki opublikowano niedawno w czasopiśmie Optica pod tytułem „Coherent and ultra-short soft X-ray pulses from echo-enabled harmonic cascade free electron lasers”.
Laser rentgenowski na swobodnych elektronach jest jednym z najnowocześniejszych źródeł światła na świecie. Obecnie większość międzynarodowych laserów rentgenowskich na swobodnych elektronach opiera się na mechanizmie samowzmacniającej emisji spontanicznej (SASE). SASE charakteryzuje się bardzo wysoką jasnością szczytową, ultrakrótką szerokością impulsu na poziomie femto i innymi doskonałymi parametrami. Jednak drgania SASE spowodowane szumem, koherencja i stabilność impulsu promieniowania nie są wysokie, co czyni go „laserem” w paśmie rentgenowskim. Jednym z najważniejszych kierunków rozwoju w dziedzinie międzynarodowych laserów na swobodnych elektronach jest generowanie w pełni spójnego promieniowania rentgenowskiego o konwencjonalnej jakości lasera, a istotnym sposobem jest wykorzystanie mechanizmu działania zewnętrznego lasera na swobodnych elektronach z zarodkiem. Promieniowanie zewnętrznego lasera na swobodnych elektronach z zarodkiem dziedziczy charakterystykę lasera z zarodkiem i charakteryzuje się doskonałymi parametrami, takimi jak pełna koherencja, kontrola fazy i precyzyjna synchronizacja z zewnętrznym laserem pompującym. Jednak ze względu na ograniczenia długości fali i szerokości impulsu lasera z zarodkiem, zakres krótkiej długości fali i regulacji długości impulsu zewnętrznego lasera na swobodnych elektronach z zarodkiem są ograniczone. Aby jeszcze bardziej rozszerzyć zakres krótkiej długości fali zewnętrznego lasera na swobodnych elektronach, w ostatnich latach na świecie intensywnie rozwijane są nowe tryby pracy lasera na swobodnych elektronach, takie jak generacja echa harmonicznego.
Zewnętrzny laser na swobodnych elektronach jest jedną z głównych metod rozwoju laserów na swobodnych elektronach o wysokim wzmocnieniu w Chinach. Obecnie wszystkie cztery chińskie lasery na swobodnych elektronach o wysokim wzmocnieniu wykorzystują tryb pracy z zewnętrznym źródłem. Bazując na Szanghajskim Laboratorium Laserów na Swobodnych Elektronach Głębokiego Ultrafioletu i Szanghajskim Laboratorium Laserów na Swobodnych Elektronach Miękkiego Ultrafioletu, naukowcy osiągnęli sukcesywnie pierwsze międzynarodowe wzmocnienie światła lasera na swobodnych elektronach typu echa oraz pierwsze wzmocnienie nasycenia lasera na swobodnych elektronach typu echa w ekstremalnym ultrafiolecie. Aby dalej promować zewnętrzny laser na swobodnych elektronach do krótkich fal, zespół badawczy niezależnie zaproponował nowy mechanizm w pełni koherentnego lasera na swobodnych elektronach z kaskadą harmoniczną echa, który został przyjęty przez Szanghajski Laboratorium Laserów na Swobodnych Elektronach Miękkiego Ultrafioletu jako podstawowy schemat i zakończył cały proces od weryfikacji zasady do wzmocnienia światła w paśmie miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Wyniki badań pokazują, że w porównaniu z tradycyjnym mechanizmem z zewnętrznym źródłem impulsu, mechanizm ten charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami widmowymi, dzięki zastosowaniu przez naukowców niezależnej technologii diagnostyki ultraszybkich impulsów rentgenowskich (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Wyższa wydajność tego nowego mechanizmu w zakresie kontroli długości impulsu i jego ultraszybkiego generowania została dodatkowo potwierdzona. Odpowiednie wyniki badań wskazują na wykonalną techniczną drogę do generowania w pełni spójnych laserów na swobodnych elektronach w paśmie subnanometrowym i będą stanowić idealne narzędzie badawcze w dziedzinie nieliniowej optyki rentgenowskiej i ultraszybkiej chemii fizycznej.
Laser elektronowy z kaskadą harmoniczną echa charakteryzuje się doskonałą wydajnością widmową: obraz po lewej stronie przedstawia konwencjonalny tryb kaskadowy, a obraz po prawej stronie tryb kaskadowy echa harmonicznego
Regulacja długości impulsu rentgenowskiego i generowanie ultraszybkich impulsów może być realizowane za pomocą kaskady echa harmonicznego
Czas publikacji: 08-10-2023