В течение двух десятилетий исследователи стремятся сделать лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) более дешёвыми и компактными, заменяя традиционные радиочастотные ускорители более эффективными и компактными лазерно-плазменными ускорителями (ЛПУ). Сэм Барбер из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL) в Калифорнии и его коллеги добились прогресса в этом направлении, продемонстрировав ЛСЭ, работающий на ЛПУ, с рекордными показателями производительности и надёжности [¹]. Это достижение может помочь сделать ЛСЭ, которые являются бесценными инструментами для исследований материалов, более доступными.
Как работает лазер на свободных электронах
Активная среда в ЛСЭ — это пучок релятивистских электронов, который проходит через последовательность статических магнитных полей в серии «ондуляторов». В идеале возникающие колебания запускают взаимодействие между электронами и излучением, которое усиливается само по себе, создавая характерное для лазера когерентное, самоусиливающееся излучение.
Длина линии ондуляторов в ЛСЭ может достигать 100 метров, в то время как радиочастотные ускорители, используемые для разгона электронов до необходимых энергий, могут иметь длину более километра. ЛПУ могут разгонять электроны до тех же энергий на длине в несколько сантиметров. Однако пучки электронов, генерируемые ЛПУ, обычно менее стабильны от порции к порции и имеют более широкий разброс энергий, что ухудшает их способность к самоусилению.
Достижения исследователей
Барбер и его коллеги годами улучшали характеристики ЛСЭ, работающих на ЛПУ. В своём последнем эксперименте они внедрили несколько систем активной обратной связи для стабилизации внутреннего лазера ЛПУ. В результате они достигли состояния самоусиления в 90% случаев, запуская своё устройство один раз в секунду в течение часа. Они также достигли коэффициента усиления в 1000, который представляет собой отношение энергии когерентного выходного излучения к начальной энергии синхротронного излучения.
Другие группы ранее получали значения успешности в 10% и коэффициента усиления в 50. Барбер отмечает, что тестовый эксперимент LBNL проводился на длине волны около 420 нм. Небольшие усовершенствования позволят уменьшить длину волны до менее чем 100 нм, что сделает научные приложения более интересными.
Маррик Стивенс
Маррик Стивенс — ответственный редактор журнала Physics Magazine, базируется в Бристоле, Великобритания.
[¹ — ссылка на источник]