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自由电子激光器的最新技术技术成果

2009-02-10 10:52
PokerJoker
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    最近,德国电子同步加速器(DESY)研究中心的自由电子激光器装置(Free Electron Laser in Hamburg,FLASH)打破了其作为最短波长自由电子激光(FEL)脉冲源的记录,将其波长缩短到了6.5nm,该波长仅是此前波长的一半。

 

    FLASH装置以万亿电子伏能量超导线性加速器(TESLA)为基础,一直是超快FEL脉冲的首选光源。TESLA是由12个国家、55家研究机构于1991年开始的协作项目,其目的是开发基于超导腔技术的低成本加速器光源,而超导腔与过去昂贵的铜腔则完全不同。正负电子对撞机的成功,使TESLA试验设备很快被认为是一种可用的新光源。研究人员计划对加速器进行升级,并增加一些带有交互磁场的波荡腔来操控电子束的群速度,这样就形成了激光脉冲,进而一台紫外超快激光器就诞生了。该装置在2000年首次发射出波长为100nm的激光,并且研究人员将其重新命名为FLASH,之后FLASH装置便如规则脉冲一样不断创造出新的纪录。

 

    在过去的几个月里, FEL装置经历了一次升级,包括将线性加速器增长12m,并增加了第六个超导波荡器。2007年10月5日,研究人员测得该装置的最终设计波长仅为6.5nm。

 

    FEL研究中心

    伴随着新记录的不断产生,一个新的自由电子激光研究中心诞生了,这是一个包括汉堡大学、马克思普朗克学会、汉堡市和DESY的联盟。

 

    DESY

    中心研究主任Jochen Schneider已经列了一份很长的、需要用FLASH装置进行的科研实验清单。Schneider表示:“FLASH装置可以用来研究瞬态的单个原子、分子、病毒、团簇和一般纳米粒子,因为我们在10fs的瞬间内获得的光子数,与最好的同步辐射装置每秒辐射的光子数一样多。”FLASH装置开辟了很多新的研究领域,如原子与团簇的多光子过程研究、各种利用红外光和软x射线及其谐波的双色泵浦-探测实验、大量等离子体特性与消融过程的研究,以及时间分辨光电子光谱研究等等。

 

    FLASH装置发射的闪光得到的分辨率,高于同步加速器光源上更长时间的曝光得到的分辨率,只是FLASH装置的辐射损伤限制了其最终分辨率。2006年,美国劳伦斯利弗莫尔实验室的Henry Chapman演示了FLASH发射的单发脉冲,能在样品变成等离子体前的瞬间得到衍射图像,这对于自由电子激光器预言已久的分子尺度的飞秒闪光灯而言,是一个颇具潜力的结果。Chapman将继续在DESY领导一个实验小组。Chapman表示:“使发射波长达到6nm是工程和控制上的绝技,6.5nm并不是最终的结果,我们还可以利用脉冲的谐波。FLASH的6nm光的三次谐波是2nm,尽管三次谐波比基频的1%还少,但仍然是这个波长范围里最亮的光源,比其他光源高出多个数量级。”

 

    FLASH装置无疑会在未来一段时间内继续保持这些记录,与此同时其他的x射线FEL也正在世界范围内开始构建。日本正在构建硬x射线FEL的原型装置Spring-8,设计波长为49nm;斯坦福线性加速器中心的一项称为LCLS的工程,将产生0.15nm的x射线,预计该装置将于2009年中开始运行。还有更为重要的,即紧随FLASH之后的XFEL工程,这是一个长3.4km的FEL,将产生0.1nm的x射线。

 

    XFEL的欧洲小组领导Massimo Altarelli表示:“FLASH的成功对于发展XFEL的制造与探测技术是一个重要的里程碑。FLASH是一个巨大的原型装置,它验证了未来XFEL上所有的基本部件:发射枪、喷射器、加速模块等等。它也为将要在XFEL上进行的所有实验方案提供了一个极好的测试平台,并提供了一个学习操纵超高亮度亚皮秒x射线脉冲的机会。”

 

(编辑:曾聪)

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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