חלה התקדמות במחקר לייזר אלקטרונים חופשיים קוהרנטי לחלוטין

צוות לייזר האלקטרונים החופשיים של האקדמיה הסינית למדעים עשה התקדמות במחקר של לייזרי אלקטרונים חופשיים קוהרנטיים לחלוטין. בהתבסס על מתקן לייזר אלקטרונים חופשיים רכים של קרני רנטגן בשנגחאי, אומת בהצלחה המנגנון החדש של לייזר אלקטרונים חופשיים מדורג הרמוני, שהוצע על ידי סין, והושגה קרינה קוהרנטית של קרני רנטגן רכה בעלת ביצועים מצוינים. לאחרונה, התוצאות פורסמו ב-Optica תחת הכותרת "פולסי רנטגן רכים קוהרנטיים ואולטרה-קצרים מלייזרי אלקטרונים חופשיים מדורג הרמוני עם echo-enabled cascade".

לייזר אלקטרונים חופשיים של קרני רנטגן הוא אחד ממקורות האור המתקדמים ביותר בעולם. כיום, רוב לייזרים בינלאומיים של אלקטרונים חופשיים של קרני רנטגן מבוססים על מנגנון פליטה ספונטנית בעל הגברה עצמית (SASE). ל-SASE בהירות שיא גבוהה מאוד ורוחב פולס קצר במיוחד ברמת פמטו, וביצועים מצוינים נוספים. אך עקב רעידות SASE עקב רעש, הקוהרנטיות והיציבות של פולס הקרינה שלו אינן גבוהות, והוא אינו "לייזר" של פס קרני רנטגן. אחד מכיווני הפיתוח החשובים ביותר בתחום לייזר האלקטרונים החופשיים הבינלאומי הוא יצירת קרינת רנטגן קוהרנטית לחלוטין באיכות לייזר קונבנציונלית. הדרך החשובה ביותר היא להשתמש במנגנון הפעלה של לייזר אלקטרונים חופשיים חיצוני מסוג זרעים. הקרינה של לייזר אלקטרונים חופשיים חיצוני מסוג זרעים יורשת את מאפייני לייזר הזרעים, ויש לה מאפיינים מצוינים כמו קוהרנטיות מלאה, בקרת פאזה וסנכרון מדויק עם לייזר המשאבה החיצוני. עם זאת, עקב מגבלות אורך הגל ורוחב הפולס של לייזר הזרעים, כיסוי אורך הגל הקצר וטווח כוונון אורך הפולס של לייזר אלקטרונים חופשיים חיצוני מסוג זרעים מוגבלים. על מנת להרחיב עוד יותר את כיסוי אורכי הגל הקצרים של לייזר אלקטרונים חופשיים חיצוני של זרעים, מפותחים במרץ בעולם בשנים האחרונות מצבי פעולה חדשים של לייזר אלקטרונים חופשיים, כגון יצירת הרמוניות הד.

לייזר אלקטרונים חופשיים חיצוני מסוג זרעים הוא אחד המסלולים הטכניים העיקריים לפיתוח לייזר אלקטרונים חופשיים בעל הגבר גבוה בסין. נכון לעכשיו, כל ארבעת מכשירי לייזר האלקטרונים החופשיים בעל ההגבר הגבוה בסין אימצו מצב פעולה חיצוני מסוג זרעים. בהתבסס על מתקן לייזר האלקטרונים החופשיים האולטרה-סגול העמוק של שנגחאי ומתקן לייזר האלקטרונים החופשיים של קרני רנטגן רכה של שנגחאי, מדענים השיגו ברציפות את הגברת אור לייזר האלקטרונים החופשיים מסוג הד הבינלאומי הראשון ואת הגברת הרוויה הראשונה מסוג הד אולטרה-סגול קיצוני של לייזר אלקטרונים חופשיים. על מנת לקדם עוד יותר את לייזר האלקטרונים החופשיים החיצוני מסוג זרעים לאורכי גל קצרים, צוות המחקר הציע באופן עצמאי מנגנון חדש של לייזר אלקטרונים חופשיים קוהרנטי לחלוטין עם מפל הרמוני של הד, שאומץ על ידי מכשיר לייזר האלקטרונים החופשיים של קרני רנטגן רכה של שנגחאי כתכנית הבסיסית, והשלים את כל התהליך מאימות העקרון ועד הגברת האור בפס קרני רנטגן רכות. תוצאות המחקר מראות כי בהשוואה למנגנון הריצה המסורתי מסוג זרע חיצוני, למנגנון זה מאפיינים ספקטרליים מצוינים מאוד. הודות לאימוץ חוקרים של פיתוח עצמאי של טכנולוגיית אבחון פולסים אולטרה-מהירה בקרני רנטגן (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027), הביצועים המעולים של מנגנון חדש זה בבקרת אורך פולס ויצירת פולסים אולטרה-מהירים מאומתים עוד יותר. תוצאות המחקר הרלוונטיות מספקות נתיב טכני בר ביצוע לייצור לייזרי אלקטרונים חופשיים קוהרנטיים לחלוטין בתחום התת-ננומטרי, ויספקו כלי מחקר אידיאלי לתחומי האופטיקה הלא לינארית בקרני רנטגן וכימיה פיזיקלית אולטרה-מהירה.

לייזר אלקטרונים חופשיים של מפל הרמוני הד בעל ביצועים ספקטרליים מצוינים: התמונה השמאלית היא מצב מפל קונבנציונלי, והתמונה הימנית היא מצב מפל הרמוני הד

ניתן לממש כוונון אורך פולס רנטגן ויצירת פולס אולטרה-מהירה באמצעות מפל הרמוני של הד