Paradokset ved en frielektronlaser uden laseren

En ny måde at producere sammenhængende lys i det ultraviolette spektralområde, som viser vejen til udvikling af strålende røntgenkilder til bordplader, er blevet produceret i forskning ledet ved University of Strathclyde.

Forskerne har udviklet en type kohærent lyskilde med ultrakort bølgelængde, som ikke kræver laserhandling for at skabe sammenhæng. Almindelige elektronstrålebaserede lyskilder, kendt som fjerde generations lyskilder, er baseret på fri-elektron laser (FEL), som bruger en undulator til at omdanne elektronstråleenergi til røntgenstråler.

Kohærente lyskilder er kraftfulde værktøjer, der muliggør forskning inden for mange områder af medicin, biologi, materialevidenskab, kemi og fysik.

Denne nye måde at producere kohærent stråling på kunne revolutionere lyskilder, da det ville gøre dem meget kompakte, hovedsagelig bordpladestørrelse, og i stand til at producere ultrakortvarige lysimpulser, meget kortere, end det let kan fremstilles på anden måde.

At gøre ultraviolette lyskilder og røntgen-kohærente lyskilder mere tilgængelige ville transformere den måde, videnskaben udføres på; et universitet kunne have en af ​​enhederne i et enkelt rum, på en bordplade, til en rimelig pris.

Gruppen planlægger nu et proof-of-principle-eksperiment i det ultraviolette spektralområde for at demonstrere denne nye måde at producere sammenhængende lys på. Hvis det lykkes, det skulle dramatisk accelerere udviklingen af ​​endnu kortere bølgelængde kohærente kilder baseret på samme princip. Strathclyde-gruppen har oprettet en facilitet til at undersøge disse typer kilder:Scottish Center for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA), som er vært for en af ​​de højeste effektlasere i Storbritannien.

Den nye forskning er blevet offentliggjort i Videnskabelige rapporter , en af ​​de Natur familie af journaler.

Professor Dino Jaroszynski, fra Strathclydes Institut for Fysik, ledet forskningen. Han siger, at "dette arbejde markant fremmer den avancerede synkrotronkilde ved at foreslå en ny metode til at producere kortbølgelængde kohærent stråling, ved at bruge en kort undulator og elektronbundter med attosekundvarighed."

"Dette er mere kompakt og mindre krævende for elektronstrålekvaliteten end frielektronlasere og kunne give et paradigmeskifte i lyskilder, hvilket ville stimulere en ny forskningsretning. Den foreslår at bruge bundtkomprimering - som i chirped pulsforstærkningslasere - i undulatoren for at forbedre strålingens lysstyrke markant."

"Den nye metode, der præsenteres, vil være af bred interesse for et mangfoldigt samfund, der udvikler og bruger lyskilder."

I FEL'er, som i alle lasere, lysintensiteten forstærkes af en feedbackmekanisme, der låser faserne af individuelle radiatorer, som i dette tilfælde er 'frie' elektroner. I FEL, dette opnås ved at sende en højenergielektronstråle gennem undulatoren, som er en række magneter med vekslende polaritet.

Lys, der udsendes fra elektronerne, når de vrikker gennem undulatoren, skaber en kraft kaldet den ponderomotive kraft, der samler elektronerne - nogle bremses ned, nogle er fremskyndet, som forårsager sammenklumpning, svarende til trafik på en motorvej, der periodisk bremser og accelererer.

Elektroner, der passerer gennem undulatoren, udsender usammenhængende lys, hvis de er ensartet fordelt - for hver elektron, der udsender lys, der er en anden elektron, der delvist udelukker lyset, fordi de udstråler ude af fase. En analogi til denne delvise udligning er regn på havet:det producerer mange små krusninger, der delvist udligner hinanden, dæmper effektivt bølgerne - reducerer deres amplitude. I modsætning, stabil eller pulserende vind vil få bølgerne til at forstærkes gennem vindens gensidige interaktion med havet.

I FEL, elektronbundning forårsager forstærkning af lyset og forøgelse af dets sammenhæng, hvilket normalt tager lang tid - derfor kræves der meget lange undulatorer. I en røntgen-FEL, undulatorerne kan blive mere end hundrede meter lange. Acceleratorerne, der driver disse røntgen-FEL'er, er kilometer lange, hvilket gør disse enheder meget dyre og nogle af de største instrumenter i verden.

Imidlertid, at bruge en fri-elektronlaser til at producere kohærent stråling er ikke den eneste måde; en "forbundet" stråle eller ultrakort elektronbundt kan også bruges til at opnå nøjagtig den samme sammenhæng i en meget kort undulator, der er mindre end en meter lang. Så længe elektronbunken er kortere end bølgelængden af ​​det lys, der produceres af undulatoren, det vil automatisk producere sammenhængende lys - alle lysbølgerne vil lægge sig sammen eller forstyrre konstruktivt, hvilket fører til meget strålende lys med nøjagtig de samme egenskaber som lys fra en laser.

Forskerne har teoretisk demonstreret, at dette kan opnås ved hjælp af en laser-plasma wakefield accelerator, som producerer elektronbundter, der kan have en længde på et par tiere nanometer. De viser, at hvis disse ultrakorte bundter af højenergielektroner passerer gennem en kort undulator, de kan producere lige så meget fotoner som en meget dyr FEL kan producere. I øvrigt, de har også vist, at ved at producere et elektronbundt, der har en energi-"kvidren", de kan ballistisk komprimere bundtet til en meget kort varighed inde i undulatoren, som giver en unik måde at gå til endnu kortere elektronbundter og derfor producere endnu kortere bølgelængdelys.