Физики из Германии и Франции добились стабильной работы компактного лазерно-плазменного лазера на свободных электронах в режиме высокого усиления. Такой результат может приблизить создание более небольших и доступных установок для исследований атомов, молекул и новых материалов. Сейчас эксперименты на крупных лазерах на свободных электронах часто требуют длительного ожидания из-за высокой загрузки таких комплексов.
Команда Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и синхротрона SOLEIL, расположенного рядом с Парижем, устранила проблему надёжности компактной схемы. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Учёные впервые продемонстрировали устойчивую и воспроизводимую работу лазерно-плазменного источника в режиме, где мощность света растёт экспоненциально благодаря сильному усилению.
В обычных лазерах на свободных электронах электроны разгоняют почти до скорости света с помощью оборудования длиной примерно до двух километров. В новой установке для ускорения используется плазма — газ, из атомов которого удалены электроны. «В лазерно-плазменном лазере на свободных электронах это расстояние можно сократить примерно в тысячу раз, — сказала доктор Мари Лаба из SOLEIL. — Электроны фактически скользят по плазменной волне».
Необходимую энергию частицы получают всего за несколько миллиметров, тогда как традиционному ускорителю для этого потребовались бы многие метры. Однако стабильность процесса зависит от точного управления нелинейным взаимодействием лазерного импульса с плазмой. Для формирования плазмы исследователи использовали инфракрасные импульсы мощного лазера DRACO, принадлежащего HZDR, и смогли согласовать параметры лазера с характеристиками плазмы.
После разгона электроны направляются в ондулятор — систему магнитов, заставляющую пучок двигаться по волнообразной траектории. Испуская свет и взаимодействуя с ним, электроны объединяются в компактные сгустки, которые формируют интенсивные когерентные импульсы. «Благодаря хорошо управляемому электронному пучку мы смогли стабильно и воспроизводимо получать с помощью нашего ондулятора интенсивные вспышки ультрафиолетового света», — отметила физик HZDR Сюзанна Шёбель.
Установка создала ультрафиолетовые импульсы с высокой энергией и длиной волны 272 нанометра. По данным измерений, мощность излучения росла экспоненциально, что характерно для режима высокого усиления. «Это значительный прогресс по сравнению с результатами, которые мы опубликовали в 2023 году», — сказал доктор Арие Ирман из Института радиационной физики HZDR. По информации SciTechDaily, стабильность импульсов, сохраняющих высокое качество на протяжении часов и даже дней, необходима для экспериментов с такими установками.
Учёные намерены улучшить характеристики источника, оптимизируя взаимодействие лазера с плазмой и движение электронов в ондуляторе. До использования в качестве дополнения к крупным исследовательским комплексам компактным лазерно-плазменным лазерам на свободных электронах потребуется ещё несколько лет. Следующей целью команды стало получение экстремального ультрафиолетового излучения, которое может повысить эффективность контроля компьютерных чипов с нанометровыми структурами.