Een nieuwe manier om coherent licht te produceren in het ultraviolette spectrale gebied, die de weg wijst naar de ontwikkeling van briljante röntgenbronnen voor op tafels, is geproduceerd in onderzoek geleid aan de Universiteit van Strathclyde.

De wetenschappers hebben een type coherente lichtbron met ultrakorte golflengte ontwikkeld die geen laseractie nodig heeft om coherentie te produceren. Gemeenschappelijke lichtbronnen op basis van elektronenstralen, bekend als lichtbronnen van de vierde generatie, zijn gebaseerd op de vrije-elektronenlaser (FEL), die een undulator gebruikt om elektronenstraalenergie om te zetten in röntgenstralen.

Coherente lichtbronnen zijn krachtige hulpmiddelen die onderzoek op vele gebieden van de geneeskunde mogelijk maken, biologie, materiaal wetenschappen, scheikunde en natuurkunde.

Deze nieuwe manier om coherente straling te produceren, kan een revolutie teweegbrengen in lichtbronnen, omdat het hen zeer compact zou maken, in wezen tafelformaat, en in staat om ultrakorte lichtpulsen te produceren, veel korter dan op een andere manier gemakkelijk kan worden geproduceerd.

Door ultraviolette en röntgencoherente lichtbronnen op grotere schaal beschikbaar te maken, zou de manier waarop wetenschap wordt bedreven veranderen; een universiteit zou een van de apparaten in een enkele kamer kunnen hebben, op een tafelblad, voor een redelijke prijs.

De groep plant nu een proof-of-principle-experiment in het ultraviolette spectrale bereik om deze nieuwe manier om coherent licht te produceren te demonstreren. Indien succesvol, het zou de ontwikkeling van coherente bronnen met een nog kortere golflengte op basis van hetzelfde principe drastisch moeten versnellen. De Strathclyde-groep heeft een faciliteit opgezet om dit soort bronnen te onderzoeken:het Scottish Centre for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA), die een van de krachtigste lasers in het VK herbergt.

Het nieuwe onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , een van de Natuur familie van tijdschriften.

Professor Dino Jaroszynski, van Strathclyde's Department of Physics, leidde het onderzoek. Hij zegt dat "dit werk de state-of-the-art van synchrotronbronnen aanzienlijk bevordert door een nieuwe methode voor te stellen voor het produceren van coherente straling met korte golflengte, met behulp van een korte undulator en attoseconde duur elektronenbundels."

"Dit is compacter en minder veeleisend voor de kwaliteit van de elektronenstraal dan vrije-elektronenlasers en zou een paradigmaverschuiving in lichtbronnen kunnen opleveren, die een nieuwe onderzoeksrichting zou stimuleren. Het stelt voor om bundelcompressie te gebruiken - zoals in chirped-pulsversterkingslasers - in de undulator om de stralingshelderheid aanzienlijk te verbeteren."

"De gepresenteerde nieuwe methode zou van groot belang zijn voor een diverse gemeenschap die lichtbronnen ontwikkelt en gebruikt."

In FEL's, zoals bij alle lasers, de intensiteit van het licht wordt versterkt door een feedbackmechanisme dat de fasen van individuele stralers vergrendelt, die in dit geval 'vrije' elektronen zijn. In de FEL, dit wordt bereikt door een hoogenergetische elektronenstraal door de undulator te laten gaan, dat is een reeks magneten met wisselende polariteit.

Licht dat door de elektronen wordt uitgezonden terwijl ze door de undulator bewegen, creëert een kracht die de ponderomotorische kracht wordt genoemd en die de elektronen bundelt - sommige worden vertraagd, sommige zijn versneld, wat zorgt voor ophoping, vergelijkbaar met verkeer op een snelweg die periodiek vertraagt ​​en versnelt.

Elektronen die door de undulator gaan, stralen onsamenhangend licht uit als ze gelijkmatig verdeeld zijn - voor elk elektron dat licht uitzendt, er is nog een elektron dat het licht gedeeltelijk opheft omdat ze uit fase stralen. Een analogie van dit gedeeltelijk opheffen is regen op de zee:het produceert veel kleine rimpelingen die elkaar gedeeltelijk opheffen, het effectief onderdrukken van de golven - het verminderen van hun amplitude. In tegenstelling tot, constante of pulserende wind zal de golven versterken door de wederzijdse interactie van de wind met de zee.

In de FEL, elektronenbundeling veroorzaakt versterking van het licht en de toename van de coherentie, dat duurt meestal lang, dus er zijn erg lange golvingen nodig. In een röntgenfoto FEL, de golvingen kunnen meer dan honderd meter lang zijn. De versnellers die deze X-ray FEL's aandrijven, zijn kilometers lang, wat deze apparaten erg duur maakt en enkele van de grootste instrumenten ter wereld.

Echter, het gebruik van een vrije-elektronenlaser om coherente straling te produceren is niet de enige manier; een "voorgebundelde" bundel of ultrakorte elektronenbundel kan ook worden gebruikt om precies dezelfde coherentie te bereiken in een zeer korte undulator die minder dan een meter lang is. Zolang de elektronenbundel korter is dan de golflengte van het door de undulator geproduceerde licht, het zal automatisch coherent licht produceren - alle lichtgolven zullen optellen of constructief interfereren, wat leidt tot zeer helder licht met precies dezelfde eigenschappen als licht van een laser.

De onderzoekers hebben theoretisch aangetoond dat dit kan worden bereikt met behulp van een laser-plasma wakefield-versneller, die elektronenbundels produceert die een lengte van enkele tientallen nanometers kunnen hebben. Ze laten zien dat als deze ultrakorte bundels hoge energie-elektronen door een korte golvinger gaan, ze kunnen evenveel fotonen produceren als een zeer dure FEL kan produceren. Bovendien, ze hebben ook aangetoond dat door het produceren van een elektronenbundel met een energie "chirp", ze kunnen de bos ballistisch samendrukken tot een zeer korte duur in de undulator, wat een unieke manier biedt om naar nog kortere elektronenbundels te gaan en daardoor licht met een nog kortere golflengte te produceren.