Looping røntgenstråler for at producere laserimpulser af højere kvalitet

Lige siden 1960, da Theodore Maiman byggede verdens første infrarøde laser, fysikere drømte om at producere røntgenlaserimpulser, der er i stand til at sondere de ultrakorte og ultrahurtige skalaer af atomer og molekyler.

Denne drøm blev endelig realiseret i 2009, når verdens første hårde røntgenfri-elektronlaser (XFEL), Linac Coherent Light Source (LCLS) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, frembragte sit første lys. En begrænsning ved LCLS og andre XFEL'er i deres normale driftstilstand er, at hver puls har en lidt forskellig bølgelængdefordeling, og der kan være variation i pulslængden og intensiteten. Der findes forskellige metoder til at løse denne begrænsning, herunder "såning" af laseren ved en bestemt bølgelængde, men disse mangler stadig bølgelængderenheden af ​​konventionelle lasere.

Nu, SLAC-forskere er ved at udvikle en kompakt enhed, der kunne skabe røntgenimpulser af højere kvalitet på LCLS med en tilgang inspireret af optiske lasere. Det nye instrument kan udvide rækkevidden af ​​røntgenlasere, åbning af nye eksperimentelle veje inden for områder som biologi, kemi, materialevidenskab og fysik. Deres seneste resultater blev offentliggjort i sidste uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"I takt med at røntgenvidenskaben fortsætter med at udvikle sig i løbet af de næste årtier, vi skal begynde at tænke på bedre teknologier, " siger medforfatter Claudio Pellegrini, en fremtrædende professor emeritus i fysik ved UCLA og adjungeret professor ved SLAC, hvis arbejde lagde det videnskabelige grundlag for udviklingen af ​​LCLS. "Den nuværende kvalitet af vores røntgenimpulser fungerer muligvis indtil videre, men for at blive ved med at bevæge os fremad i marken er vi nødt til hele tiden at forestille os nye og bedre måder at skabe bedre røntgenimpulser på."

I løkken

I hjertet af næsten enhver optisk laser ligger en oscillator, som fører fotoner gennem en række spejlrefleksioner omkring det, der er kendt som forstærkningsmediet, et materiale, der bruges til at forstærke lyset, producerer en stadig mere intens stråle ved hver sløjfe. Til sidst, en monokromatisk, eller enkelt farve, fuldstændig sammenhængende laserstråle frigives. Målet er at designe en laseroscillator, der kan arbejde med røntgenstråler, en langvarig udfordring på laserområdet.

I denne foreslåede enhed, begynder forskerne med at sende en indledende røntgenimpuls fra LCLS ned langs strålelinjen. Denne puls passerer gennem en væskestråle, hvor det skaber exciterede atomer, der producerer en lille mængde udsendt stråling i en bestemt farve, der bevæger sig i samme retning. Denne laserimpuls reflekteres gennem en række spejle arrangeret i en sløjfe. Efter at have gennemført løkken, pulsen forenes med en anden røntgenpuls fra LCLS, der producerer en endnu lysere laserpuls, som så tager den samme løkke. Processen gentages flere gange, og med hver sløjfe intensiveres laserpulsen og bliver mere sammenhængende. Under den sidste sløjfe, et af spejlene skiftes hurtigt, så denne laserimpuls kan forlades.

"Resultatet vil være en fuldt sammenhængende røntgenlaserpuls, der er lysere og renere end den, der skabes med en XFEL alene, " siger hovedforfatter og SLAC-forskningsassocieret Alex Halavanau.

Lille men mægtig

Projektet er en del af en treårig indsats, der for nylig modtog DOE-støtte. Mens teamet fortsætter med at udvikle enheden, de vil begynde at teste det på LCLS i den kommende eksperimentelle kørsel.

"Målet er at bygge et kompakt instrument ved LCLS, der giver røntgenlaserimpulser af højeste kvalitet til at sondere stof på niveau med atomer og molekyler med hidtil uset præcision, siger medforfatter Uwe Bergmann, en fremtrædende stabsforsker ved SLAC.

"Der er to andre igangværende projekter på LCLS, XFELO og RAFEL, der sigter mod at give præcisionsrøntgen-laserimpulser med en oscillator, " tilføjer Pellegrini, refererer til projekter, der er under udvikling i samarbejde med DOE's Argonne National Laboratory og industrielle partnere gennem DOE-finansiering. "Vores kompakte enhed vil komplementere disse meget større instrumenter og deres egenskaber. Denne forskning vil give spændende muligheder på LCLS i de kommende årtier."