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X射线自由电子激光器里没激光?

2021-08-11 14:15     来源:江苏激光产业产业创新联盟     X射线
我国精湛的食品制造技艺创造出了许多让人捧腹的俗语,比如鱼香肉丝里没有鱼,菠萝包里没菠萝,蟹棒里面没螃蟹等。你知道增材制造领域,也存在这样“名不副实”的事物么?今天我们一起来看看没有激光的自由电子激光器!

在英国思克莱德大学(University of Strathclyde)领导的一项研究中,研发出了一种在紫外光谱区产生相干光的新方法,为开发明亮的台式X射线源指明了方向。这项新研究已经发表在《Nature》期刊的子系列《Scientific Reports》上。


▲思克莱德大学(University of Strathclyde)物理系宣传图

科学家们开发出了一种不需要激光作用来产生相干性的超短波相干光源。常见的基于电子束的光源,被称为第四代光源,是在自由电子激光器( free-electron laser-FEL)的基础上形成的。FEL通过使用波荡器将电子束能量转换成x射线。

相干光源功能强大,能够在医学、生物学、材料科学、化学和物理学等许多领域进行研究和应用。这种产生相干辐射的新方法可能会给光源带来革命性的变化,因为它将使光源高度紧凑,形成桌面大小,产生比其他任何方法产生的光脉冲都要短得多的超短持续时间光脉冲。

紫外光和x射线相干光源若更广泛地被应用,则会对科学发展方式带来颠覆性变化。未来一所大学可以在房间的桌面上,以合理的价格安装一个这样的设备。该小组现在正计划在紫外光谱范围内进行一项原理验证实验,来展示这种产生相干光的新方法。一旦成功,将大大加速基于同样原理的更短波长相干光源的发展。他们已经建立了苏格兰等离子加速器应用中心(Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators-SCAPA)来深入研究各种光源,该中心拥有英国最高功率的激光器之一。

思克莱德大学物理系的Dino Jaroszynski教授领导了这项研究。他说:“通过提出一种利用短波荡器和阿秒持续时间的电子束产生短波相干辐射的新方法,此研究极大地推进了同步辐射源的发展水平。这种激光器比自由电子激光器更紧凑,对电子束质量的要求更低,可以提供光源的范式转变(Paradigm Shift,指在科学范畴里,一种在基本理论上从根本假设的改变),这将激发新的研究。它提出了一种新方法,即在波荡器中使用束压缩来显著增强辐射亮度,比如利用啁啾脉冲放大激光器(chirped pulse amplification lasers——CPA激光)。”

和所有激光器一样,在自由电子激光器中光的强度被一种反馈机制放大,这种机制锁定了单个辐射器的相位,使其成为“自由”电子。在自由电子激光器中,这是通过让高能电子束通过交替排列的磁铁阵列——波荡器来实现的。电子在波动器中摆动时发出的光产生了一种叫做“有质动力”(Ponderomotive Force)的力。可以想象成高速公路上的交通不停地减速和加速,这种力使电子聚在一起——有些减速、有些加速,然后形成了聚束。

穿过波荡器的电子如果均匀分布,就会辐射出非相干光——对于每一个发光的电子,都有另一个电子部分抵消了光,因为它们辐射的相位不同。不妨把此类比成海上的雨——雨在海面上产生许多小涟漪,这些涟漪部分相互抵消,降低其振幅,从而有效地抑制了波浪。相比之下,平均风或脉动风会通过风与海的相互作用使波浪变大、变剧烈。

在自由电子激光器中,电子聚束导致光的放大和相干性的增加,这通常需要很长时间,因此需要非常长的波荡器。在x射线自由电子激光器中,波动器可以有一百多米长,驱动这些X射线自由电子激光器的加速器长达数公里,这使得这些设备非常庞大且价格昂贵。然而,使用自由电子激光产生相干辐射并不是唯一的方法。“预聚束”(pre-bunched beam)或超短电子束也可用于在长度小于一米的极短波动器中实现完全相同的相干性。只要电子束比波动器产生的光波长短,它就会自动产生相干光。所有的光波会相加或相长干涉,从而产生非常明亮的光,其性质与激光完全相同。研究人员从理论上证明,这可以通过使用激光等离子体尾波场加速器来实现,该加速器产生的电子束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,它们可以与那些昂贵的自由电子激光器一样,产生众多光子。此外,他们还表明,通过产生能量啁啾电子束,他们可以在波荡器内将电子束压缩到非常短的持续时间,这提供了一种使电子束更短、产生更短波长光的独特方式。

来源:Enrico Brunetti et al, Vacuum ultraviolet coherent undulator radiation from attosecond electron bunches, Scientific Reports (2021). DOI: 10.1038/s41598-021-93640-8


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