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无激光的自由电子激光器的悖论

2021-07-17 21:10          自由电子激光器 X射线
斯特拉斯克莱德大学领导的研究已经产生了一种在紫外光谱区域产生相干光的新方法,该方法为开发明亮的桌面型 X 射线源指明了方向。


科学家们已经开发出一种类型的超短波长的相干光,其不需要源激光器动作,以产生相干。常见的基于电子束的光源,称为第四代光源,基于自由电子激光器 (FEL),它使用波荡器将电子束能量转换为 X 射线。

相干光源是强大的工具,可以在医学、生物学、材料科学、化学和物理学的许多领域进行研究。

这种产生相干辐射的新方法可以彻底改变光源,因为它将使它们高度紧凑,基本上是桌面大小,并且能够产生超短持续时间的光脉冲,比任何其他方式可以轻松产生的时间短得多。

更广泛地使用紫外线和 X 射线相干光源将改变开展科学工作的方式;一所大学可以以合理的价格在一个房间的桌面上安装其中一个设备。

该小组现在正计划在紫外光谱范围内进行原理验证实验,以展示这种产生相干光的新方法。如果成功,它应该会显着加速基于相同原理的更短波长相干光源的开发。Strathclyde 小组已经建立了一个设施来调查这些类型的源:苏格兰等离子体加速器应用中心 (SCAPA),该中心拥有英国最高功率的激光器之一。

这项新研究已发表在《自然》系列期刊之一的《科学报告》上。

斯特拉斯克莱德物理系的 Dino Jaroszynski 教授领导了这项研究。他说:“这项工作通过提出一种使用短波荡器和阿秒持续时间电子束产生短波长相干辐射的新方法,显着提高了同步加速器源的最新技术水平。”

“这比自由电子激光器更紧凑,对电子束质量的要求更低,并且可以提供光源的范式转变,这将激发新的研究方向。它建议使用束压缩——如啁啾脉冲放大激光器——在波动器内显着提高辐射亮度。”

“提出的新方法将引起开发和使用光源的多元化社区的广泛兴趣。”

在 FEL 中,就像在所有激光器中一样,光的强度被反馈机制放大,该机制锁定单个辐射器的相位,在这种情况下,这些辐射器是“自由”电子。在 FEL 中,这是通过使高能电子束通过波荡器来实现的,波荡器是一组交替极性的磁铁。

当电子通过波荡器摆动时,电子发出的光会产生一种称为有质动力的力,该力将电子聚集在一起——有些会减慢速度,有些会加速,这会导致聚集,类似于高速公路上的交通会周期性地减速和加速。

如果电子均匀分布,则穿过波荡器的电子会辐射出非相干光——对于每个发光的电子,都有另一个电子会部分抵消光,因为它们的辐射异相。这种部分抵消的一个类比是海上的降雨:它产生许多小涟漪,这些涟漪部分相互抵消,有效地平息了波浪——降低了它们的振幅。相比之下,稳定或脉动的风将通过风与海的相互作用使波浪放大。

在 FEL 中,电子聚束会导致光的放大和相干性的增加,这通常需要很长时间——因此需要很长的波荡器。在 X 射线 FEL 中,波荡器的长度可以超过一百米。驱动这些 X 射线 FEL 的加速器长达数公里,这使得这些设备非常昂贵,并且成为世界上一些最大的仪器。

然而,使用自由电子激光器产生相干辐射并不是唯一的方法。“预聚束”束或超短电子束也可用于在长度不到一米的非常短的波荡器中实现完全相同的相干性。只要电子束比波荡器产生的光的波长短,它就会自动产生相干光——所有的光波都会相加或相长干涉,从而产生具有完全相同光特性的非常明亮的光从激光。

研究人员已经从理论上证明,这可以使用激光等离子体尾流场加速器来实现,该加速器产生的电子束的长度可以达到几十纳米。他们表明,如果这些超短的高能电子束通过一个短波荡器,它们可以产生与非常昂贵的 FEL 所能产生的光子一样多的光子。此外,他们还表明,通过产生具有能量“啁啾”的电子束,他们可以在波荡器内将电子束弹道压缩到非常短的持续时间,这提供了一种独特的方式来获得更短的电子束,从而产生甚至更短波长的光。

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