光は循環できますか？ 循環X線を使用して高品質のレーザーパルス生成を実現

セオドア・メイマンが1960年に世界初の赤外線レーザーを作成して以来、物理学者は常に、超短および超高速スケールで小さな原子や分子を検出できるX線レーザーパルスを生成することを夢見てきました。 この夢は、世界初の硬X線自由電子レーザー（XFEL）が米国エネルギー省のSLAC国立加速器研究所の線形加速器コヒーレント光源（LCLS）で最初のそのような光を生成した2009年にようやく実現しました。およびその他のXFELには、通常の動作モードに制限があります。

これは、各パルスの波長分布がわずかに異なり、パルスの長さと強度にばらつきがある可能性があるためです。特定の波長でレーザーを「シード」するなど、この制限を解決するさまざまな方法がありますが、これらの方法はまだ有効ではありません。従来のレーザーの波長純度。現在、SLACの科学者たちは、LCLSでより高品質のX線パルスを生成するために、光学レーザーに触発された方法である小さなデバイスを開発しています。新しい機器は、X線レーザーの適用範囲を拡大し、生物学、化学、材料科学、および物理学の分野で新しい実験的アプローチを開くことができます。


彼の研究の最新の調査結果は、全米科学アカデミーの議事録に掲載されています。カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の有名な物理学名誉教授であり、この研究の共著者であるクラウディオ・ペレグリーニは、次のように述べています。より良い技術。その研究はLCLSの開発のための科学的基礎を築きました。X線パルスの現在の品質は一時的に効果的かもしれませんが、この分野で進歩を続けるためには、より良いX線パルスを作成するための新しくより良い方法が必要です。常に想像されます。

ループ方式

ほとんどすべての光レーザーのコアには、いわゆるゲイン媒体を取り巻く一連の鏡面反射を通して光子を導く発振器があります。ゲイン媒体は、光を増幅するために使用される材料であり、各ループでますます強い光を生成します。ビーム。最後に、単色の完全にコヒーレントなレーザービームが放出されます。この研究の目標は、X線で動作できるレーザー発振器を設計することです。これは、レーザー分野での長期的な課題です。この提案された装置では、研究者は最初にLCLSからビームラインに沿って最初のX線パルスを放出します。


このパルスは、励起された原子が生成される液体ジェットを通過し、同じ方向に移動するさまざまな色の少量の放射線を生成します。レーザーパルスは、ループ状に配置された一連のミラーによって反射されます。サイクルが完了した後、パルスはLCLSからの2番目のX線パルスと組み合わされて、より明るいレーザーパルスを生成し、同じサイクルが実行されます。このプロセスは数回繰り返され、各サイクルでレーザーパルスが増加し、よりコヒーレントになります。最後のサイクルで、ミラーの1つをすばやく切り替えて、レーザーパルスを終了させます。

小さいけれどパワフル

その結果、完全にコヒーレントなX線レーザーパルスが得られます。これは、XFELのみで生成されるパルスよりも明るく純粋です。このプロジェクトは、米国エネルギー省が資金提供した3年間の研究の一部でした。チームはデバイスの開発を続けているため、次の実験でLCLSでテストを開始します。この研究の共著者でSLACの著名な従業員科学者であるUweBergmannは、次のように述べています。私たちの目標は、最高品質のX線レーザーパルスを提供する小型機器をLCLSで構築することです。


また、LCLSには、原子および分子レベルで前例のない精度で物質を検出するために、XFELOとRafelという2つの進行中の研究プロジェクトがあります。これらのプロジェクトは、発振器を備えた正確なX線レーザーパルスを提供することを目的としています。エネルギー省からの資金提供。このミニチュアデバイスは、これらのより大きな機器とその性能を補完し、この研究は、今後数十年でLCLSに刺激的な研究の機会を提供します。