Лазерный мир

Сверхкороткие интенсивные световые импульсы незаменимы в современной науке: они позволяют исследовать атомы, молекулы и новые материалы с беспрецедентной точностью. Главный инструмент для их получения — лазер на свободных электронах (ЛСЭ). Проблема в том, что такие установки занимают километры и стоят миллиарды. Теперь у них может появиться компактная и доступная альтернатива.

Исследователи из Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и Synchrotron SOLEIL близ Парижа впервые добились стабильной и воспроизводимой работы лазерно-плазменного ЛСЭ в так называемом режиме высокого усиления. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Чем плазменный ускоритель лучше обычного

Традиционный лазер на свободных электронах работает следующим образом: электроны разгоняются до скоростей, близких к световой, а затем проходят через систему магнитов — ондулятор — где вынуждены двигаться по зигзагообразной траектории. Это заставляет их излучать интенсивный когерентный свет.

Для достижения нужных энергий электронов обычно требуются ускорители длиной до двух километров. В плазменном варианте этот путь сокращается примерно в тысячу раз. Электроны буквально «скользят на волне плазмы»: лазерный импульс создаёт плазму в тонком газовом пучке, а электроны набирают необходимую энергию уже через несколько миллиметров.

Принципиальный результат новой работы — в ондуляторе луч из плазменного ускорителя взаимодействует с лазерным импульсом, и это взаимодействие усиливает генерируемое излучение ЛСЭ. Физики впервые наблюдали характерный для режима высокого усиления экспоненциальный рост мощности — это главный признак того, что система работает так, как должна.

Почему стабильность так важна

Главной проблемой лазерно-плазменных ЛСЭ до сих пор была нестабильность: качество световых импульсов менялось от выстрела к выстрелу, что делало установку непригодной для большинства экспериментов.

Ключ к решению — точный контроль взаимодействия лазера с плазмой. Команда использовала высокопроизводительный лазер DRACO, инфракрасные импульсы которого создают плазму в миллиметровом газовом пучке. Тщательная настройка параметров позволила генерировать ультрафиолетовые импульсы на длине волны 272 нанометра стабильно и воспроизводимо.

Следующий этап — коротковолновый ультрафиолет (EUV), который уже открывает конкретные технологические применения:

• контроль качества наноструктуры компьютерных чипов;
• исследование сверхбыстрых процессов в молекулах и материалах;
• изучение биологических структур на атомном уровне.

Доступ к мощной физике без многолетних очередей

Крупные установки — такие как European XFEL в Гамбурге или LCLS в США — предоставляют исследователям исключительно мощные световые пучки, но время на них распределяется через конкурс заявок, а ожидание может растянуться на годы. Новый подход способен изменить эту ситуацию: компактные лазерно-плазменные ЛСЭ могут стать университетскими или промышленными установками, доступными без многолетних очередей.

До этого ещё несколько лет работы — команда планирует дальнейшую оптимизацию ондулятора и плазменного взаимодействия. Но первый барьер пройден: стабильность и высокое усиление достигнуты одновременно, что открывает реальный путь к компактным и недорогим ЛСЭ нового поколения.

Андрей Котов 

Источник: https://pronedra.ru/compact-inexpensive-free-electron-laser-832019.html