De Europese X-ray Free-Electron Laser (XFEL) faciliteit, in de buurt van Hamburg, Duitsland, werd gebouwd met één doel:lichtpulsen leveren die kort genoeg zijn, slim genoeg, en met een golflengte die klein genoeg is om processen waar te nemen die anders te snel en/of te zeldzaam zouden zijn om in realtime te meten.

Zonder zulke ultrakorte pulsen - en dit betekent miljoenste van miljardsten van een seconde (femtoseconden) - zijn metingen beperkt tot een voor-en-na-blik op moleculaire interacties. Zes verschillende eindstations zullen beschikbaar zijn voor wetenschappers van over de hele wereld om experimenten uit te voeren met de XFEL-straal zodra deze volledig functioneert in 2017.

Om deze metingen te kunnen doen, het onderzoeksteam ontwikkelde een krachtige, gepulseerd, optische laser die is gesynchroniseerd met de XFEL-pulsen en afstembaar is in zowel golflengte als pulsduur om tegemoet te komen aan de behoeften van elk van de zes verschillende experimenten die worden uitgevoerd. De kenmerken van dit veelzijdige optische lasersysteem zullen worden gepubliceerd in een paper in het tijdschrift Optica Express , van The Optical Society (OSA).

"Het echte unieke van onze laser ligt in het feit dat hij overeenkomt met het burst-emissiepatroon van de Europese XFEL, " zei Max J. Lederer, hoofdwetenschapper, XFEL. "Het maakt daarom experimenten mogelijk met de hoogst mogelijke pulsfrequentie van de XFEL met optische pulsparameters (energie, pulsduur) alleen verkrijgbaar bij lage herhalingsfrequenties van Ti:Sapphire-systemen."

Tegenwoordig, het vinden van een optische laser die ultrakorte pulsen kan produceren voor onderzoek, zoals een titanium-saffier (Ti:Sapph) laser, is niet moeilijk. Maar het is moeilijk om zo'n laser te vinden die overeenkomt met de vermogens- en timingspecificaties van de zes XFEL-experimenten. "Met andere woorden, het is de hoge herhalingssnelheid en het gemiddelde vermogen tijdens de bursts die het verschil maken, ' zei Lederer.

Maar waarom zou een faciliteit gebouwd om een ​​van de grootste en meest geavanceerde lasers te huisvesten, nog een laser nodig? In feite, dit extra lasersysteem is een integraal onderdeel van het uitvoeren van de geprojecteerde metingen op atomaire schaal. De optische laserpulsen dienen voor het voorbereiden van monsters, de interactie ermee gebruiken als de eerste stap, in zekere zin als een controle, alvorens de röntgenpuls te gebruiken om de onbekende dynamiek te onderzoeken en te onderzoeken. Het is voornamelijk het "pomp"-gedeelte van de pomp-sonde-experimenten waarvoor de laser is ontworpen.

"Het lasersysteem is [gebouwd] om te voldoen aan de behoefte aan een experimentele optische pomp-sondelaser, gesynchroniseerd en aangepast aan het emissiepatroon van de Europese XFEL. De laser activeert meestal monsters, gevolgd door sonderen met de röntgenpulsen, ' zei Lederer.

De behoefte aan afstembaarheid van de pomplaser komt van elk van de zes wetenschappelijke stations die verschillende experimenten huisvesten die verschillende soorten monsters en fasen van materie onderzoeken. De optische laser biedt deze configureerbaarheid via een aantal optische technieken die interacties tussen licht en materie benutten om te resulteren in de precieze energie en timing van de benodigde pulsen.

Een voorbeeld van een dergelijk proces wordt parametrische conversie genoemd, wat verwijst naar de omzetting van één lichtdeeltje in twee van de helft van de energie, of vice versa. "Voor verbeterde experimentele flexibiliteit, het spectrale bereik van UV tot THz zal beschikbaar worden gemaakt via parametrische conversie en THz-generatieschema's, ' zei Lederer.

De installatie van de eerste laser is al begonnen en Lederer en zijn team kijken vooruit naar de opwindende mogelijkheden van de faciliteit. Lederer zei, "We willen natuurlijk graag de deadline halen om samen met de XFEL het 'eerste foton' te leveren. Persoonlijk, Ik wil graag zien dat de laser in de toekomst voor zoveel mogelijk wetenschappelijke ontdekkingen wordt gebruikt."