通过新的应用与传统
激光器 市场的占有率对比,
光纤激光器的市场进一步提升是有可能的。研究人员也正在使超快光纤激光技术应用在多用户应用上,如斯坦福SLAC 国家加速器实验室(National Accelerator Laboratory in Stanford)和劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)(Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley),他们都在加利福尼亚州。同步加速器和自由电子激光器(FELs)的发展,给研究者提供了通往更亮、更短的X 射线源。多年来,斯坦福同步辐射
光源(SSRL)提供X 射线脉冲,研究
材料的分子和晶体结构。最近,一个“低-α 模式”的研发,X 射线脉冲可达到1 ps。
X[-xowE- gD-d29pQ 同时,在斯坦福直线加速器中心(SLAC)的直线加速器相干光源(LCLS)提供亚百飞秒脉冲,在
波长短至0.15nm 时大约1012 个X 射线光子。这些超快稳固的X 射线脉冲,同时具有高的空间和时间的连贯性,使新的科学领域的研究从3-D 成像和重要的生物分子动力学研究到表征物质的瞬时状态研究。
|IeTqEu9 \#2Z)Kz 在同步加速器和自由电子激光器(FELs)里,能量是通过电子束在一变化的磁场中传递得到的。电子行进路线受变换极性的磁体阵列影响,来回弯曲,导致以光的形式释放能量。就同步加速器而言,激光是空间不连续的,典型脉冲是100fs,但是自由电子激光器(FELs)发射出强烈的空间相干光光束,脉宽短至几十飞秒。为了工作在稳定的X 射线波长,电子束必须紧束,以便他们与释放出来的光相互相干(有效地实现受激辐射)。
m4[ ;(1 vONasD9At 因为自由电子激光器FEL 没有谐振腔并且是一个单通的设备,需要一束非常明亮的激光束来达到增益饱和状态。有时这是通过使用传统的超快激光源(如的Nd:YLF 或掺钛蓝宝石),激发在加速的射频区域中的光电阴极,充当电子注射器来实现的。通过超快激光锁定到主时钟得到同步信号。主时钟正在控制直线性加速器。
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$:jN\} %+aCJu[k(z I13y6= d 图1. 同步器原理图/结构简图
J|W<; 另外,世界各地的一些同步加速器,使用传统的超快光源,时间分辨束线(time-resolved beamlines)已经被开发,实现泵浦探测-研究。然而,对于这每一个结构,一个重大的缺陷是:传统的固态超快放大器通常消耗巨大的
光学平台,并需要日常维护保证它最佳的性能。
!j8FIY'[ @+&LYy72 斯坦福大学教授亚伦林登贝格(Aaron Lindenberg)在斯坦福同步辐射实验室使用Calmar公司Cazadero 系列的一键式超快光纤激光器克服了这个问题。设计应用在OEM 医疗和微电子加工,激光器结构紧凑,体积小,设置简单,方便安装,便于调整光束。此外,它的高脉冲能量(高达20uJ <500fs)和高重频发挥了斯坦福同步辐射实验室的优势。实现了一个良好的信噪比(time-resolved)的时间分辨的研究。
.Yamc#A- yJ[0WY8<kC A]_7}<<N 图2. 互相关cross-correlation 信号同步发生器脉冲宽度
a(m2n.0'> 在林登贝格的初步实验中,工作频率在1.28MHz 的超快光纤激光器,已经成功被锁相到同步加速器476MHz 射频信号上(如图1),定时抖动时间小于1ps,而且直接被用于测量X射线脉宽。图2 显示在脉冲X 射线模式下同步脉冲的直接测量结果。实验是由激光器锁相的1030nm 输出光通过自相关产生的500nm 可见光进入硼酸钡晶体,检测的混频信号在340nm。记录的最短的脉冲宽度~3ps。
b<tNk]7 N~nziY*C,* 光学的同步性和X 射线脉冲保证一项特殊的泵浦探测实验。光纤激光
系统输出的高能量脉冲泵浦或者激发,诱导出一种物理或光化学转化。这样的变化接着在原子量级被同步加速器的X 射线脉冲探测到。通过不同脉冲探测的到达时间,这个动态过程可以作为发生在原子量级结构变化X 射线影像。该方法正被用于对
纳米系统激发态动力学获得一个更好的理解中,也是从他们相应的散装结构中区分出来的方法。
NJ%P/\ C KaLzg5is 在最近的研究中,林登贝格研究小组使用这个激光光源于纳米晶体硒化银系统,成功通过X 射线捕获到发生在在超快时间内的结构变化。虽然这些初步的研究是非常令人鼓舞,为了进一步提高信噪比的水平,提高探测器和样品输送系统现在正在开发当中。未来的研究将有望深入到发展独特的催化剂和更高效的光伏材料。
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