Лазерный мир

Учёные, исследующие атомы, молекулы и новые материалы, применяют свет наподобие вспышки фотокамеры, освещая объекты предельно короткими и мощными импульсами. Такие вспышки формируются установками под названием лазеры на свободных электронах (FEL), и спрос на эксперименты в крупных центрах, где они размещены, часто приводит к длительному ожиданию для исследователей.

Специалисты из немецкого центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) и французского источника синхротронного излучения SOLEIL под Парижем смогли устранить проблему надёжности в компактной конструкции, которая в перспективе поможет удовлетворить этот спрос. Как сообщается в журнале Physical Review Letters, команда впервые добилась стабильной и воспроизводимой работы лазерно-плазменного FEL в режиме сильного усиления, при котором генерируемый свет значительно усиливается.

Традиционные FEL разгоняют электроны почти до скорости света с помощью оборудования протяжённостью до двух километров. В лазерно-плазменном варианте энергию электронам сообщает плазма — газ, в котором электроны отделены от атомов. «В лазерно-плазменном FEL это расстояние можно сократить примерно в тысячу раз, — поясняет доктор Мари Лаба из Synchrotron SOLEIL. — Электроны фактически скользят по волне плазмы». Всего за несколько миллиметров электроны набирают энергию, для которой в обычной установке потребовались бы многие метры ускорения.

Для создания плазмы команда использовала инфракрасные импульсы мощного лазера DRACO центра HZDR, воздействуя на миллиметровую струю газа. «Нам удалось точно настроить лазер в соответствии с плазмой», — говорит физик HZDR доктор Сюзанна Шёбель. После ускорения электроны попадают в ондулятор — набор магнитов, заставляющий их двигаться по извилистой траектории. Испуская свет и взаимодействуя с ним, электроны собираются в компактные сгустки, создающие мощные когерентные вспышки с синхронными световыми волнами.

По словам Шёбель, благодаря хорошо контролируемому электронному пучку удалось стабильно и воспроизводимо генерировать интенсивные ультрафиолетовые вспышки с помощью ондулятора. Система выдавала ультрафиолетовые импульсы с высокой энергией на длине волны 272 нанометра, а измерения показали экспоненциальный рост мощности излучения — характерный признак режима сильного усиления. «Это значительный прогресс по сравнению с результатами, опубликованными нами в 2023 году», — отмечает доктор Ари Ирман из Института физики излучения HZDR.

Ирман подчёркивает, что стабильность, то есть вспышки света, постоянно сохраняющие высокое качество в течение часов или даже дней, крайне важна для всех экспериментов с FEL. Крупные установки давно достигли такой стабильности, тогда как на отладку лазерно-плазменного подхода у команды ушли годы исследований. В планах — улучшить импульсы за счёт оптимизации взаимодействия лазера с плазмой и траектории электронов в ондуляторе. Компактные лазерно-плазменные FEL смогут дополнить крупные научные центры лишь через несколько лет, и команда также работает над получением света с более короткой длиной волны. «Вспышки на этой ультрафиолетовой длине волны — только начало», — говорит Ирман. Следующая цель — экстремальный ультрафиолет (EUV), который может обеспечить более эффективный контроль качества компьютерных чипов с наноразмерными структурами.

Источник: https://dzen.ru/a/asWIOa5MNHd0ND0B