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光线也可以循环?利用循环的X射线,实现产生高质量的激光脉冲!

2020-07-02

自1960年西奥多·迈曼创造出世界上第一台红外激光器以来,物理学家们一直梦想产生能够探测超短和超快尺度微小原子和分子的X射线激光脉冲。这一梦想终于在2009年实现,当时世界上第一台硬X射线自由电子激光器(XFEL),在美国能源部SLAC国家加速器实验室的直线加速器相干光源(LCLS)产生了第一束这样的光,LCLS和其他XFEL在其正常工作模式下的一个限制。

这是每个脉冲具有略微不同的波长分布,并且在脉冲长度和强度上可能存在可变性,有各种方法可以解决这一限制,包括在特定波长“播种”激光器,但这些方法仍然达不到传统激光器的波长纯度。现在,SLAC科学家正在开发一种微型设备,受光学激光启发的方法,在LCLS上产生更高质量的X射线脉冲。新仪器可以扩大X射线激光的覆盖范围,在生物、化学、材料科学和物理等领域开辟新的实验途径。

其研究的最新发现发表在《美国国家科学院院刊》上。加州大学洛杉矶分校(UCLA)著名的物理学名誉教授,研究的合著者克劳迪奥·佩莱格里尼说:随着X射线科学在未来几十年继续进步,我们需要开始思考更好的技术。其研究为LCLS的开发奠定了科学基础,目前的X射线脉冲质量可能暂时有效,但为了继续在该领域取得进展,必须不断想象创造更好X射线脉冲的新的、更好的方法。


循环方法


几乎每个光学激光器的核心都有一个振荡器,它引导光子通过围绕着所谓增益介质的一系列镜面反射,增益介质是一种用于放大光的材料,在每个环路产生越来越强的光束。最终,释放出单色的全相干激光束。本研究的目标是设计一种可以与X射线一起工作的激光振荡器,这是激光领域的一个长期挑战。在这个提议的装置中,研究人员首先从LCLS沿着光束线向下发射一个初始X射线脉冲。

这种脉冲通过液体射流,在那里产生激发的原子,产生少量朝同一方向移动的不同颜色的辐射。该激光脉冲通过环路排列的一系列反射镜反射。完成循环后,该脉冲与来自LCLS的第二个X射线脉冲结合,产生更亮的激光脉冲,然后进行相同的循环。这一过程重复了几次,每一次循环,激光脉冲都会增强,变得更加相干。在最后一个循环期间,快速切换其中一个反射镜,允许该激光脉冲退出。


虽小但强大


结果将是产生一个完全相干的X射线激光脉冲,它比单独使用XFEL产生的脉冲更亮更纯。该项目获得美国能源部资助为期三年研究的一部分,随着团队继续开发该设备,他们将在即将到来的实验运行中开始在LCLS测试它。该研究的合著者、SLAC的杰出员工科学家乌韦·伯格曼(Uwe Bergmann)说:我们的目标是在LCLS建造一台微型仪器,提供最高质量的X射线激光脉冲。

并以前所未有的精度在原子和分子水平上探测物质,LCLS还有另外两个正在进行的研究项目XFELO和Rafel,旨在提供带有振荡器的精确X射线激光脉冲,同时正在与能源部阿贡国家实验室和工业合作伙伴通过能源部资金合作开发的项目。这个微型型设备将补充这些更大的仪器及其性能,这项研究将在未来几十年为LCLS提供令人兴奋的研究机会。

博科园|研究/来自:SLAC国家加速器实验室

参考期刊《美国国家科学院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.2005360117

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