光線也可以循環？利用循環的X射線，實現產生高質量的雷射脈衝

2020-07-02 博科園

自1960年西奧多·邁曼創造出世界上第一臺紅外雷射器以來，物理學家們一直夢想產生能夠探測超短和超快尺度微小原子和分子的X射線雷射脈衝。這一夢想終於在2009年實現，當時世界上第一臺硬X射線自由電子雷射器(XFEL)，在美國能源部SLAC國家加速器實驗室的直線加速器相干光源(LCLS)產生了第一束這樣的光，LCLS和其他XFEL在其正常工作模式下的一個限制。

光線也可以循環？利用循環的X射線，實現產生高質量的雷射脈衝

這是每個脈衝具有略微不同的波長分布，並且在脈衝長度和強度上可能存在可變性，有各種方法可以解決這一限制，包括在特定波長「播種」雷射器，但這些方法仍然達不到傳統雷射器的波長純度。現在，SLAC科學家正在開發一種微型設備，受光學雷射啟發的方法，在LCLS上產生更高質量的X射線脈衝。新儀器可以擴大X射線雷射的覆蓋範圍，在生物、化學、材料科學和物理等領域開闢新的實驗途徑。

光線也可以循環？利用循環的X射線，實現產生高質量的雷射脈衝

其研究的最新發現發表在《美國國家科學院院刊》上。加州大學洛杉磯分校(UCLA)著名的物理學名譽教授，研究的合著者克勞迪奧·佩萊格裡尼說：隨著X射線科學在未來幾十年繼續進步，我們需要開始思考更好的技術。其研究為LCLS的開發奠定了科學基礎，目前的X射線脈衝質量可能暫時有效，但為了繼續在該領域取得進展，必須不斷想像創造更好X射線脈衝的新的、更好的方法。

循環方法

幾乎每個光學雷射器的核心都有一個振蕩器，它引導光子通過圍繞著所謂增益介質的一系列鏡面反射，增益介質是一種用於放大光的材料，在每個環路產生越來越強的光束。最終，釋放出單色的全相干雷射束。本研究的目標是設計一種可以與X射線一起工作的雷射振蕩器，這是雷射領域的一個長期挑戰。在這個提議的裝置中，研究人員首先從LCLS沿著光束線向下發射一個初始X射線脈衝。

光線也可以循環？利用循環的X射線，實現產生高質量的雷射脈衝

這種脈衝通過液體射流，在那裡產生激發的原子，產生少量朝同一方向移動的不同顏色的輻射。該雷射脈衝通過環路排列的一系列反射鏡反射。完成循環後，該脈衝與來自LCLS的第二個X射線脈衝結合，產生更亮的雷射脈衝，然後進行相同的循環。這一過程重複了幾次，每一次循環，雷射脈衝都會增強，變得更加相干。在最後一個循環期間，快速切換其中一個反射鏡，允許該雷射脈衝退出。

雖小但強大

結果將是產生一個完全相干的X射線雷射脈衝，它比單獨使用XFEL產生的脈衝更亮更純。該項目獲得美國能源部資助為期三年研究的一部分，隨著團隊繼續開發該設備，他們將在即將到來的實驗運行中開始在LCLS測試它。該研究的合著者、SLAC的傑出員工科學家烏韋·伯格曼(Uwe Bergmann)說：我們的目標是在LCLS建造一臺微型儀器，提供最高質量的X射線雷射脈衝。

光線也可以循環？利用循環的X射線，實現產生高質量的雷射脈衝

並以前所未有的精度在原子和分子水平上探測物質，LCLS還有另外兩個正在進行的研究項目XFELO和Rafel，旨在提供帶有振蕩器的精確X射線雷射脈衝，同時正在與能源部阿貢國家實驗室和工業合作夥伴通過能源部資金合作開發的項目。這個微型型設備將補充這些更大的儀器及其性能，這項研究將在未來幾十年為LCLS提供令人興奮的研究機會。

光線也可以循環？利用循環的X射線，實現產生高質量的雷射脈衝

博科園｜研究/來自：SLAC國家加速器實驗室

參考期刊《美國國家科學院院刊》

DOI: 10.1073/pnas.2005360117

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