利用循环X射线产生高质量的激光脉冲

研究人员利用直线加速器相干光源发出一个X射线脉冲，并通过一个液体射流，在液体射流中产生激发的原子，以一种不同的颜色向同一方向发射辐射脉冲。这个脉冲通过一系列交叉环排列的反射镜反射。这个回路的大小是经过精心设置的，这样脉冲与直线加速器相干光源发出的第二个X射线脉冲同时到达液体射流。这会产生一个更亮的激光脉冲，然后形成相同的循环。这个过程重复了好几次，每一圈激光脉冲都会增强，变得更加相干。在最后一个循环中，其中一个反射镜被快速切换，允许激光脉冲的发射。

图片来源：斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室。

自从1960年西奥多·梅（Theodore Maiman）曼制造出世界上第一台红外激光器以来，物理学家们就梦想着制造出能够探测超短和超快尺度的原子和分子的X射线激光脉冲。

这一梦想最终在2009年实现，当时世界上第一台硬X射线自由电子激光器（XFEL），即美国能源部——斯坦福直线加速器中心国家加速器实验室的直线加速器相干光源产生了第一束光。直线加速器相干光源和其他硬X射线自由电子激光装置在其正常工作模式下的一个限制使每个脉冲的波长分布略有不同，并且脉冲长度和强度可能存在变化。有各种方法来解决这一局限性，包括在特定波长上“产生”激光，但这些方法仍然达不到常规激光器的波长纯度。

现在，斯坦福直线加速器中心的研究人员正在开发一种紧凑的设备，它可以利用光学激光器的灵感，在直线加速器相干光源上产生更高质量的X射线脉冲。新仪器可以扩大X射线激光的应用范围，在生物、化学、材料科学和物理等领域开辟了新的实验途径。他们最近的发现发表在上周的《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。

“随着未来几十年X射线科学的不断进步，我们需要开始考虑更好的技术，”合作者Claudio Pellegrin说，他是加州大学洛杉矶分校杰出的物理学荣誉退休教授和斯坦福直线加速器中心的兼职教授，他的工作为直线加速器相干光源（LCLs）的发展奠定了科学基础。“目前我们的X射线脉冲质量可能暂时还可以，但为了在这一领域继续向前发展，我们必须不断设想新的更好的方法来创造更好的X射线脉冲。”

循环结构

几乎每一个光学激光器的核心都有一个振荡器，它将光子通过一系列围绕着增益介质的反射镜反射，增益介质是一种用来放大光的材料，在每个环路上产生越来越强的光束。最终，单色或单色全相干激光束被释放出来。我们的目标是设计一个能与X射线工作的激光振荡器，这是激光领域的一个长期挑战。

在这个被提议的装置中，研究人员首先从直线加速器相干光源向光束线发送一个初始的X射线脉冲。这个脉冲通过一个液体射流，在那里它产生了激发的原子，这些原子以一种不同的颜色向同一方向运动，产生少量的辐射。这种激光脉冲通过环形排列的一系列反射镜反射。完成环路后，脉冲与来自直线加速器相干光源的第二个X射线脉冲会合，产生一个更亮的激光脉冲，然后采用相同的环路。这个过程重复了好几次，每一圈激光脉冲都会增强，变得更加相干。在最后一个循环中，其中一个反射镜被快速切换，允许激光脉冲发射出去。

“其结果将是一个完全相干的X射线激光脉冲，它比单用XFEL产生的脉冲更亮更干净，”主要作者、斯坦福直线加速器中心研究助理 Alex Halavanau.说。

小型化、有强度

该项目是最近获得美国能源部资助的三年项目的一部分。随着该团队继续开发该设备，他们将在即将到来的实验运行中开始在直线加速器相干光源上测试它。

“我们的目标是在直线加速器相干光源上建立一个紧凑的仪器，提供最高质量的X射线激光脉冲，以前所未有的精度探测原子和分子水平上的物质，”斯坦福直线加速器中心的杰出科学家 Uwe Bergmann说。

“直线加速器相干光源还有另外两个正在进行的项目，XFELO和RAFEL，目的是通过振荡器提供精确的X射线激光脉冲，”Pellegrini补充道，指的是通过美国能源部资助与美国能源部的阿贡国家实验室和工业合作伙伴合作开发的项目，“我们的小型设备将补充这些大得多的仪器及其性能。这项研究将为直线加速器相干光源在未来几十年提供令人兴奋的可能。”

原文来源：https://phys.org/news/2020-07-looping-x-rays-higher-quality-laser.html