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 (ЛНБЛ) в Калифорнии и его коллеги добились прогресса в этом направлении, продемонстрировав ЛСЭ, управляемый 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 ЛСЭ
Активной средой в ЛСЭ является 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 когерентное, самоусиливающееся излучение лазера.
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 энергетический разброс, что ухудшает их способность к самоусилению.
Достижения исследователей
Барбер и его коллеги годами улучшали характеристики ЛСЭ, управляемых 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 коэффициента успешности в 10% и коэффициента усиления в 50. Барбер отмечает, что тестовый образец ЛНБЛ работал на длине волны около 420 нм. Незначительные усовершенствования позволят уменьшить длину волны до менее чем 100 нм. «Именно здесь научные приложения становятся интересными», — говорит он.
[1] — ссылка на источник.
Маррик Стефенс — ответственный редактор журнала Physics Magazine из Бристоля, Великобритания.