Рентгеновские лазеры на свободных электронах являются одними из самых мощных и в то же время самых сложных исследовательских установок в мире. Принцип: с помощью сильных радиочастотных волн ускоритель приближает электроны к скорости света. Затем частицы, собранные в пучки, пролетают через "ондулятор" – магнитное устройство с периодически чередующимися полями, которое выталкивает электронные сгустки на траектории слалома. Это приводит к тому, что сгустки реорганизуются во множество более мелких групп электронов – микрогруппы, которые вместе излучают чрезвычайно мощные, похожие на лазер световые импульсы. Затем они могут быть использованы для расшифровки ранее неизвестных свойств материалов или для отслеживания чрезвычайно быстрых процессов, таких как химические реакции, которые происходят за квадриллионные доли секунды.

Однако европейская XFEL стоимостью в миллиард долларов и другие подобные инфраструктуры имеют недостаток: "Их длина составляет несколько сотен метров или даже несколько километров", - сказал профессор. Ульрих Шрамм, директор Института радиационной физики HZDR. "Вот почему мы работаем над альтернативной технологией, чтобы сделать такие объекты меньше и экономичнее, и тогда они могли бы быть ближе к пользователям в университетах и промышленности в будущем". В основе лежит новая ускорительная технология, которая все еще находится в стадии разработки – лазерно-плазменное ускорение.

"Используя мощный лазер, мы запускаем короткие, сверхсильные вспышки света в плазму, которая представляет собой ионизированный газ из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов", - объяснил физик HZDR доктор Ари Ирман. "В плазме световой импульс затем генерирует сильную волну переменных электрических полей, похожую на кильватерный след корабля". Эта волна может быстро разгонять электроны до более высокой скорости на очень коротком расстоянии. В принципе, это могло бы уменьшить ускоритель, длина которого сейчас составляет сто метров, до длины гораздо меньше одного метра.

Успешная командная работа

В принципе, электроны уже давно ускоряются с помощью этой техники. Но только недавно, хотя и все еще на ранней стадии, стало возможным посылать такие быстрые пучки частиц из плазменного ускорителя через ондулятор, а затем преобразовывать их во вспышки лазерного излучения. Чтобы впервые генерировать хорошо управляемый лазерный луч FEL, приводимый в действие ускорением плазмы, HZDR объединился с экспертами из французского синхротронного СОЛЕЙ.

"Установленный в Дрездене плазменный ускоритель, приводимый в действие мощным лазером DRACO, доставлял быстрые пучки электронов с высоким качеством пучка", - описала физик SOLEIL доктор Мари-Эммануэль Купри. "За этим мы затем построили ондулятор вместе с соответствующей линией луча ускорителя, которая ранее была оптимизирована для методов переноса электронного пучка, генерации излучения ондулятора, генерации затравки и формирования, включая проблему перекрытия и методологии, в течение нескольких лет во французской лаборатории ускорителей плазмы Laboratoire d'Optique Appliquée в Палезо совместно с PhLAM в Лилле."

Чтобы генерировать лазерные вспышки FEL в ультрафиолетовом режиме (UV), исследователям пришлось решить несколько существенных проблем. "Нам пришлось создавать сгустки частиц, содержащие большое количество электронов", - объяснил Ирман. "В то же время было важно, чтобы эти электроны обладали как можно более равными энергиями".

Чтобы предотвратить слишком быстрое расхождение электронных сгустков, был использован изощренный трюк: так называемая плазменная линза. Кроме того, команда применила метод, называемый "посевом": синхронно с электронными пучками они посылали импульсы внешнего лазерного излучения в ондулятор, что имеет решающее значение для ускорения процесса FEL и позволило улучшить качество луча лазерных вспышек FEL.

Прорыв в области лазерных технологий

С помощью этой установки команда, наконец, смогла достичь своей цели: как и надеялась, демонстрация управляемого плазмой FEL, генерирующего ультракороткие вспышки УФ-лазера. "В течение 15 лет люди из сообщества продвинутых физиков-ускорителей мечтали о создании лазера на свободных электронах, подобного этому", - с энтузиазмом говорит Ульрих Шрамм. "Вы можете себе представить, как мы счастливы, что теперь добились этого в Дрездене". Для Ари Ирмана тоже сбылась мечта: "Плазменный лазер на свободных электронах всегда считался одной из самых важных вех в нашей области. Благодаря нашему эксперименту мы сейчас достигли огромного прогресса".

Прежде чем FEL на основе плазмы может быть применен на практике, все еще предстоит преодолеть различные проблемы. Например, в то время как установка в Дрездене была способна генерировать ультрафиолетовые импульсы, исследования требуют высокоинтенсивных рентгеновских вспышек, для которых электроны должны были бы ускоряться до гораздо более высоких энергий.

"Это уже продемонстрировано в принципе с ускорением плазмы, но пока качество электронных сгустков все еще слишком низкое и слишком нестабильное для рентгеновского FEL", - сказал Шрамм. "Но с помощью нового поколения мощных лазеров мы надеемся решить эту проблему". Если эта попытка увенчается успехом, лазеры на свободных электронах в будущем могут разместиться в подвале института - и, таким образом, могут быть доступны значительно большему числу исследовательских групп, чем сегодня.