Alsidig optisk laser vil muliggøre innovative eksperimenter på atomare skala målinger

Den europæiske X-ray Free-Electron Laser (XFEL) facilitet, nær Hamborg, Tyskland, blev bygget med ét formål - at give lysimpulser korte nok, lys nok, og af lille nok bølgelængde til at observere processer, der ellers ville være for hurtige og/eller for sjældne til at måle i realtid.

Uden sådanne ultrakorte impulser - og det betyder milliontedele af milliardtedele af en sekund lang (femtosekunder) - er målingerne begrænset til et før-og-efter-blik på molekylære interaktioner. Seks forskellige slutstationer vil være tilgængelige for forskere fra hele kloden til at udføre eksperimenter med XFEL-strålen, når den er fuldt funktionsdygtig i 2017.

For at foretage disse målinger, forskerholdet udviklede en højeffekt, pulserende, optisk laser, der er synkroniseret med XFEL-pulserne og kan indstilles i både bølgelængde og pulsvarighed for at imødekomme behovene for hver af de seks forskellige eksperimenter, der udføres. Funktionerne ved dette alsidige optiske lasersystem vil blive offentliggjort i et papir i tidsskriftet Optik Express , fra The Optical Society (OSA).

"Det virkelige unikke ved vores laser ligger i det faktum, at den matcher burst-emissionsmønsteret i den europæiske XFEL, " sagde Max J. Lederer, ledende videnskabsmand, XFEL. "Den muliggør derfor eksperimenter med den højest mulige pulshastighed af XFEL med optiske pulsparametre (energi, pulsvarighed) kan kun opnås ved lave gentagelseshastigheder fra Ti:Sapphire-systemer."

Disse dage, finde en optisk laser, der er i stand til at producere ultrakorte impulser til forskning, såsom en titanium-safir (Ti:Sapph) laser, er ikke svært. Men at finde sådan en laser, der kan matche effekt- og timingspecifikationerne i de seks XFEL-eksperimenter, er svært. "Med andre ord, det er den høje gentagelseshastighed og den gennemsnitlige kraft under udbruddene, der gør forskellen, " sagde Lederer.

Men hvorfor skulle et anlæg bygget til at huse en af ​​de største og mest avancerede lasere, brug for en anden laser? Faktisk, dette ekstra lasersystem er en integreret del af udførelsen af ​​de projekterede målinger på atomare skala. De optiske laserimpulser tjener til at forberede prøver, bruge interaktionen med det som det første skridt, i en vis forstand som en kontrol, før du bruger røntgenpulsen til at sondere og undersøge den ukendte dynamik. Det er hovedsageligt "pumpe"-delen af ​​pumpe-probe-eksperimenterne, laseren er designet til at udføre.

"Lasersystemet er [bygget] til at tilfredsstille behovet for en eksperimentel optisk pumpesondelaser, synkroniseret og tilpasset emissionsmønsteret i den europæiske XFEL. Laseren vil typisk aktivere prøver, efterfulgt af sondering med røntgenimpulserne, " sagde Lederer.

Behovet for justering af pumpelaseren kommer fra hver af de seks videnskabelige stationer, der huser forskellige eksperimenter, der undersøger forskellige prøvetyper og faser af stof. Den optiske laser giver denne konfigurerbarhed via en række optiske teknikker, der udnytter lys-stof-interaktioner for at resultere i den præcise energi og timing af de nødvendige impulser.

Et eksempel på en sådan proces kaldes parametrisk konvertering, som refererer til omdannelsen af ​​en lyspartikel til to af halvdelen af ​​energien, eller omvendt. "For øget eksperimentel fleksibilitet, spektralområdet fra UV til THz vil blive gjort tilgængeligt gennem parametrisk konvertering og THz-genereringsskemaer, " sagde Lederer.

Installationen af ​​den første laser er allerede begyndt, og Lederer og hans team ser frem til anlæggets spændende muligheder. Lederer sagde, "Vi er selvfølgelig ivrige efter at overholde deadline for at levere den 'første foton' sammen med XFEL. Personligt, Jeg er opsat på at se laseren blive brugt i så mange videnskabelige opdagelser som muligt i fremtiden."