Lasertrick producerer terahertz-pulser med høj energi

Et team af forskere fra DESY og University of Hamburg har opnået en vigtig milepæl i jagten på en ny type kompakt partikelaccelerator. Ved hjælp af ultrakraftige pulser af laserlys, de var i stand til at producere særligt højenergi-strålingsglimt i terahertz-området med en skarpt defineret bølgelængde (farve). Terahertz -stråling skal åbne vejen for en ny generation af kompakte partikelacceleratorer, der får plads på en laboratoriebænk. Teamet under ledelse af Andreas Maier og Franz Kärtner fra Hamburg Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) præsenterer sine resultater i tidsskriftet Naturkommunikation . CFEL drives i fællesskab af DESY, universitetet i Hamburg og Max Planck Society.

Terahertz -området for elektromagnetisk stråling ligger mellem de infrarøde og mikrobølgefrekvenser. Flyrejsende er muligvis bekendt med terahertz-stråling fra helkropsscannere, der bruges af lufthavnssikkerhed til at søge efter genstande gemt under en persons beklædningsgenstande. Imidlertid, stråling i dette frekvensområde kan også bruges til at bygge kompakte partikelacceleratorer. "Terahertz -strålingens bølgelængde er omkring tusind gange kortere end de radiobølger, der i øjeblikket bruges til at accelerere partikler, "siger Kärtner, der er hovedforsker ved DESY. "Det betyder, at acceleratorens komponenter også kan bygges til at være omkring tusind gange mindre." Generering af terahertz-pulser med høj energi er derfor også et vigtigt skridt for AXSIS (grænser i Attosecond X-ray Science:Imaging and Spectroscopy) -projektet på CFEL, finansieret af Det Europæiske Forskningsråd (ERC), som har til formål at åbne op for helt nye applikationer med kompakte terahertz -partikelacceleratorer.

Imidlertid, chivvying langs et betydeligt antal partikler kræver kraftige pulser af terahertz -stråling med en skarpt defineret bølgelængde. Det er netop det, teamet nu har formået at skabe. "For at generere terahertz -pulser, vi affyrer to kraftige pulser af laserlys til en såkaldt ikke-lineær krystal, med en minimal tidsforsinkelse mellem de to, "forklarer Maier fra University of Hamburg. De to laserpulser har en slags farvegradient, hvilket betyder, at farven foran på pulsen er forskellig fra den på bagsiden. Det lille tidsforskydning mellem de to pulser fører derfor til en lille forskel i farve. "Denne forskel ligger præcist i terahertz -området, "siger Maier." Krystallen konverterer farveforskellen til en terahertz -puls. "

Metoden kræver, at de to laserpulser synkroniseres præcist. Forskerne opnår dette ved at opdele en enkelt puls i to dele og sende en af ​​dem på en kort omvej, så den er lidt forsinket, før de to pulser i sidste ende overlejres igen. Imidlertid, farvegradienten langs impulserne er ikke konstant, med andre ord skifter farven ikke ensartet langs pulsen. I stedet, farven ændrer sig langsomt i starten, og derefter hurtigere og hurtigere, producerer en buet kontur. Som resultat, farveforskellen mellem de to forskudte impulser er ikke konstant. Forskellen er kun passende til at producere terahertz -stråling over en smal strækning af pulsen.

"Det var en stor forhindring mod at skabe terahertz-pulser med høj energi, "som Maier rapporterer." Fordi at rette puljernes farvegradient, hvilket ville have været den oplagte løsning, er ikke let at gøre i praksis. "Det var medforfatter Nicholas Matlis, der kom med den afgørende idé:han foreslog, at farveprofilen på bare en af ​​de to delpulser skulle strækkes lidt langs tidsaksen. Mens denne stadig ændrer ikke den grad, hvormed farven ændres langs pulsen, farveforskellen med hensyn til den anden delpuls forbliver nu konstant på alle tidspunkter. "De ændringer, der skal foretages i en af ​​impulserne, er minimale og overraskende lette at opnå:alt hvad der var nødvendigt var at indsætte en kort længde af et specielt glas i bjælken, "rapporterer Maier." Pludselig, terahertz -signalet blev stærkere med en faktor 13. "Derudover er forskerne brugte en særlig stor ikke-lineær krystal til at producere terahertz-strålingen, specielt fremstillet til dem af det japanske institut for molekylær videnskab i Okazaki.

"Ved at kombinere disse to foranstaltninger, vi var i stand til at producere terahertz -pulser med en energi på 0,6 millijoule, som er en rekord for denne teknik og mere end ti gange højere end enhver terahertz -puls med skarpt defineret bølgelængde, der tidligere er blevet genereret ved optiske midler, "siger Kärtner." Vores arbejde demonstrerer, at det er muligt at producere tilstrækkeligt kraftige terahertz -pulser med skarpt definerede bølgelængder for at betjene kompakte partikelacceleratorer. "