Учёные впервые стабилизировали компактный лазер на свободных электронах

Свободноэлектронные лазеры (FEL) генерируют короткие и мощные вспышки света, необходимые для исследований в физике и материаловедении. Однако сейчас такие установки — редкие и дорогие объекты, расположенные в крупных научных центрах. Очередь на их использование может быть очень длинной, что ограничивает возможности учёных проводить эксперименты.

Прорыв в стабильности

Команда под руководством доктора Ари Ирмана из Института радиационной физики HZDR впервые добилась стабильной и воспроизводимой работы лазера-плазмы FEL в режиме высокого усиления. Это состояние характеризуется особенно высоким усилением генерируемого излучения. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

«Стабильность — то есть световые вспышки, которые последовательно сохраняют высокое качество в течение часов или даже дней — чрезвычайно важна для всех экспериментов с FEL», — поясняет Ирман. Крупные научные центры давно достигли такой стабильности, но лазеры-плазмы этого не демонстрировали. Теперь, после многих лет исследований, команде удалось решить эту проблему.

Технические характеристики

Исследователи генерировали ультрафиолетовые световые вспышки с длиной волны 272 нанометра с высокой энергией импульса. Мощность FEL показала экспоненциальный рост, характерный для режима высокого усиления. Это значительный прогресс по сравнению с результатами, опубликованными командой в 2023 году.

Как это работает

Лазер-плазма FEL функционирует по принципу обычного свободноэлектронного лазера. Исследователи используют высокоэнергетические электроны, движущиеся почти со скоростью света. Они проходят через массив магнитов, называемый ондулятором, который заставляет электроны двигаться по волнообразной траектории. Это вынуждает электроны образовывать крошечные пакеты, испускающие интенсивные когерентные световые вспышки.

Ключевое отличие: в традиционных установках для разгона электронов до необходимой энергии требуются ускорители длиной до 2 километров. В лазере-плазме FEL эта дистанция может быть сокращена примерно в тысячу раз. «Электроны фактически скользят по волне плазмы, — объясняет доктор Мари Лабат из синхротрона SOLEIL. — После всего нескольких миллиметров они достигают энергий, для которых обычному ускорителю нужны многие метры».

Ключ к успеху

Успех основан на точном контроле взаимодействия между лазером и плазмой. Команда использовала высокопроизводительный лазер DRACO центра HZDR. Его инфракрасные импульсы генерировали требуемую плазму в миллиметровом луче газа. «Нам удалось точно настроить лазер в соответствии с плазмой», — говорит физик HZDR доктор Сюзанна Шёбель. Это было сложно, поскольку взаимодействие лазера и плазмы определяется нелинейными процессами, которые трудно контролировать.

Следующие шаги

Исследователи планируют дальнейшую оптимизацию взаимодействия между лазером и плазмой, а также пути через ондулятор для повышения качества световых вспышек. Их следующая цель — экстремальный ультрафиолет (EUV). Такое излучение можно использовать для более эффективного контроля качества наноструктурированных компьютерных чипов.

Хотя пройдёт ещё несколько лет, прежде чем компактные лазеры-плазмы FEL начнут дополнять крупные научные центры, интерес к разработке уже значительный.