Ir panākts progress pilnībā koherentu brīvo elektronu lāzeru izpētē.

Ķīnas Zinātņu akadēmijas Brīvo elektronu lāzeru komanda ir panākusi progresu pilnībā koherentu brīvo elektronu lāzeru izpētē. Balstoties uz Šanhajas mīksto rentgenstaru brīvo elektronu lāzeru iekārtu, ir veiksmīgi pārbaudīts Ķīnas ierosinātais jaunais atbalss harmoniskās kaskādes brīvo elektronu lāzera mehānisms, un ir iegūts mīksto rentgenstaru koherents starojums ar izcilu veiktspēju. Nesen rezultāti tika publicēti žurnālā Optica ar nosaukumu "Koherenti un īpaši īsi mīksto rentgenstaru impulsi no atbalss iespējotiem harmoniskajiem kaskādes brīvo elektronu lāzeriem".

Rentgenstaru brīvo elektronu lāzers ir viens no pasaulē vismodernākajiem gaismas avotiem. Pašlaik lielākā daļa starptautisko rentgenstaru brīvo elektronu lāzeru ir balstīti uz pašpastiprinošās spontānās emisijas mehānismu (SASE). SASE ir ļoti augsts maksimālais spilgtums un femto līmeņa īpaši īss impulsa platums un citas izcilas veiktspējas īpašības, taču SASE vibrācijas trokšņa dēļ, tā starojuma impulsa koherence un stabilitāte nav augsta, un tas nav rentgenstaru joslas "lāzers". Viens no svarīgākajiem attīstības virzieniem starptautisko brīvo elektronu lāzeru jomā ir pilnībā koherenta rentgenstarojuma ģenerēšana ar parastā lāzera kvalitāti, un svarīgs veids ir izmantot ārējo sēklas brīvo elektronu lāzera darbības mehānismu. Ārējā sēklas brīvo elektronu lāzera starojums pārmanto sēklas lāzera īpašības un tam ir izcilas īpašības, piemēram, pilnīga koherence, fāzes kontrole un precīza sinhronizācija ar ārējo sūkņa lāzeru. Tomēr sēklas lāzera viļņa garuma un impulsa platuma ierobežojumu dēļ ārējā sēklas brīvo elektronu lāzera īso viļņu garuma pārklājums un impulsa garuma regulēšanas diapazons ir ierobežots. Lai vēl vairāk paplašinātu ārējā sēklas brīvo elektronu lāzera īsviļņu pārklājumu, pēdējos gados pasaulē tiek intensīvi attīstīti jauni brīvo elektronu lāzera darbības režīmi, piemēram, atbalss harmonikas ģenerēšana.

Ārējais sēklas brīvo elektronu lāzers ir viens no galvenajiem tehniskajiem ceļiem, lai Ķīnā izstrādātu augstas pastiprinājuma brīvo elektronu lāzeru. Pašlaik visas četras augstas pastiprinājuma brīvo elektronu lāzeru ierīces Ķīnā ir pieņēmušas ārējā sēklas darbības režīmu. Balstoties uz Šanhajas dziļā ultravioletā brīvā elektronu lāzera iekārtu un Šanhajas mīkstā rentgenstaru brīvo elektronu lāzera iekārtu, zinātnieki ir secīgi sasnieguši pirmo starptautisko atbalss tipa brīvo elektronu lāzera gaismas pastiprināšanu un pirmo galējā ultravioletā atbalss tipa brīvo elektronu lāzera piesātinājuma pastiprināšanu. Lai vēl vairāk veicinātu ārējā sēklas brīvo elektronu lāzera izmantošanu īso viļņu garumā, pētnieku komanda neatkarīgi ierosināja jaunu pilnībā koherenta brīvo elektronu lāzera mehānismu ar atbalss harmonisko kaskādi, ko Šanhajas mīkstā rentgenstaru brīvo elektronu lāzera ierīce pieņēma kā pamata shēmu, un pabeidza visu procesu, sākot no principa pārbaudes līdz gaismas pastiprināšanai mīkstajā rentgenstaru joslā. Pētījuma rezultāti liecina, ka, salīdzinot ar tradicionālo ārējās sēklas tipa darbības mehānismu, šim mehānismam ir ļoti izcilas spektrālās īpašības, pateicoties pētnieku patstāvīgi izstrādātajai īpaši ātrai rentgenstaru impulsu diagnostikas tehnoloģijai (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). Šī jaunā mehānisma pārākā veiktspēja impulsa garuma kontrolē un īpaši ātrā impulsu ģenerēšanā ir vēl vairāk apstiprināta. Attiecīgie pētījumu rezultāti sniedz iespējamu tehnisku risinājumu pilnībā koherentu brīvo elektronu lāzeru ģenerēšanai subnanometru joslā un nodrošinās ideālu pētniecības instrumentu rentgenstaru nelineārās optikas un īpaši ātrās fizikālās ķīmijas jomā.

Ehoharmoniskā kaskādes brīvo elektronu lāzeram ir lieliska spektrālā veiktspēja: kreisais attēls ir parastais kaskādes režīms, bet labais attēls ir atbalsharmoniskā kaskādes režīms.

Rentgena impulsa garuma regulēšanu un īpaši ātru impulsa ģenerēšanu var realizēt ar atbalss harmonisko kaskādi