Ny metode måler superhurtigt, frie elektronlaserimpulser

Ny forskning viser, hvordan man måler de superkorte udbrud af højfrekvent lys, der udsendes fra frie elektronlasere (FEL'er). Ved at bruge selve den lysinducerede ionisering til at skabe en femtosekund optisk lukker, teknikken koder det elektriske felt af FEL-impulsen i en synlig lysimpuls, så den kan måles med en standard, langsom, kamera med synligt lys.

"Dette arbejde har potentialet til at føre til en ny online diagnostik for FEL'er, hvor den nøjagtige pulsform af hver lysimpuls kan bestemmes. Den information kan hjælpe både slutbrugeren og acceleratorforskerne, " sagde Pamela Bowlan, Los Alamos National Laboratorys ledende forsker på projektet. Avisen udkom 12. april 2021 i Optica . "Dette arbejde baner også vejen for måling af røntgenimpulser eller femtosekund tidsopløste røntgenbilleder."

Gratis elektronlasere, som drives af kilometerlange lineære acceleratorer, udsender udbrud af kortbølget lys, der varer en kvadrilliontedel af et sekund. Som resultat, de kan fungere som stroboskoplys til at se de hurtigste begivenheder i naturen - atomare eller molekylære bevægelser - og lover derfor at revolutionere vores forståelse af næsten enhver form for stof.

At måle et så forsvindende hurtigt udbrud af ioniserende stråling har tidligere vist sig udfordrende. Men mens elektronikken er for langsom til at måle disse lysimpulser, optiske effekter kan i det væsentlige være øjeblikkelige. At presse al energien fra en kontinuerlig laser til korte impulser betyder, at femtosekund laserimpulser er ekstremt lyse og har evnen til at modificere et materiales absorption eller brydning, skaber effektivt øjeblikkelige "optiske skodder."

Denne idé er blevet brugt i vid udstrækning til måling af femtosekund laserimpulser med synligt lys. Men det højfrekvente ekstreme ultraviolette lys fra FEL'er interagerer anderledes med stof; dette lys er ioniserende, hvilket betyder, at det trækker elektroner ud af deres atomer. Forskerne viste, at ionisering i sig selv kan bruges som en "femtosekund optisk lukker" til måling af ekstreme ultraviolette laserimpulser ved 31 nanometer.

"Ionisering ændrer typisk de optiske egenskaber af et materiale i nanosekunder, hvilket er 10, 000 gange langsommere end FEL-pulsvarigheden, " sagde Bowlan. "Men varigheden af ​​den stigende kant af ionisering, bestemt af hvor lang tid det tager elektronen at forlade atomet, er væsentligt hurtigere. Denne resulterende ændring i de optiske egenskaber kan fungere som den hurtige lukker, der er nødvendig for at måle FEL-impulserne."