Bij het Fritz Haber Instituut (FHI) van de Max Planck Society in Berlijn is een technologische mijlpaal bereikt. Voor het eerst is een infrarood vrije-elektronenlaser (FEL) in tweekleurenmodus gebruikt. Deze wereldwijd unieke technologie maakt experimenten met gesynchroniseerde tweekleurenlaserpulsen mogelijk, waardoor nieuwe mogelijkheden voor onderzoek worden geopend.

Vrije-elektronenlasers, waarvan er wereldwijd meer dan een dozijn zijn, variëren aanzienlijk in grootte (van een paar meter tot enkele kilometers), golflengtebereik (van microgolven tot harde röntgenstralen) en kosten (van miljoenen tot meer dan een miljoen). miljard). Ze produceren echter allemaal intense, korte stralingspulsen. Vrije-elektronenlasers zijn de afgelopen decennia belangrijke stralingsbronnen geworden en hebben brede toepassingen gevonden in fundamenteel onderzoek en toegepaste wetenschappen.

Onderzoekers van het FHI hebben nu in samenwerking met Amerikaanse partners een methode ontwikkeld die het mogelijk maakt om gelijktijdig infraroodpulsen in twee verschillende kleuren te genereren. Deze innovatie is vooral belangrijk voor de studie van temporele processen in vaste stoffen en moleculen.

In een FEL worden elektronenbundels eerst versneld tot zeer hoge kinetische energieën door een elektronenversneller, die bijna de snelheid van het licht bereikt. Vervolgens passeren de snelle elektronen een undulator, waar ze door sterke magnetische velden met periodiek variërende polariteit op een slalomachtig pad worden gedwongen.

De oscillaties van de elektronen leiden tot de emissie van elektromagnetische straling, waarvan de golflengte kan worden gevarieerd door aanpassing van de elektronenenergie en/of de magnetische veldsterkte. Om deze reden kunnen FEL's worden gebruikt om laserachtige straling te genereren in bijna alle delen van het elektromagnetische spectrum, van lange terahertz tot korte röntgengolflengten.

Sinds 2012 is er bij de FHI een FEL in gebruik, die intense, gepulseerde straling produceert in het midden-infrarood (MIR) bereik, continu instelbaar van 2,8 tot 50 micrometer in golflengte. De afgelopen jaren hebben wetenschappers en ingenieurs van de FHI gewerkt aan een tweekleurenuitbreiding waarbij een tweede FEL-tak is geïnstalleerd om straling in het verre infrarood (FIR) te genereren bij golflengten tussen 5 en 170 micrometer.

De FIR-FEL-tak omvat een nieuwe hybride magneetundulator, die speciaal bij de FHI is gebouwd. Verder werd achter de elektronen lineaire versneller (LINAC) een kickerholte van 500 MHz geïnstalleerd voor de dwarse afbuiging van de elektronen. De kickerholte kan de richting van de hoogenergetische elektronenbundels met een snelheid van 1 miljard keer per seconde veranderen.

In juni 2023 demonstreerde het FHI-team de eerste "lasing" van de nieuwe FIR-FEL, waarbij alle elektronenbundels die van de LINAC komen naar de FIR-FEL worden geleid. In december 2023 konden ze voor het eerst de tweekleurenoperatie demonstreren. In deze modus buigt het sterke oscillerende elektrische veld dat in de kickerholte wordt gevormd elke tweede elektronenbundel naar links en elke tweede bundel naar rechts af.

Op deze manier wordt de elektronenbundeltrein met hoge herhalingssnelheid (1 GHz; 1 bos per ns) die van de LINAC komt, gesplitst in twee bundeltreinen met elk de helft van de herhalingssnelheid; de ene wordt naar de oude MIR-FEL gestuurd en de andere naar de nieuwe FIR-FEL. In elke FEL maakt het variëren van de magnetische veldsterkte van de undulator een continue afstemming van de golflengte tot een factor vier mogelijk.

Ongeveer tien jaar lang heeft de FHI-FEL onderzoeksgroepen bij de FHI in staat gesteld experimenten uit te voeren, variërend van spectroscopie van clusters, nanodeeltjes en biomoleculen in de gasfase tot niet-lineaire vastestofspectroscopie en oppervlaktewetenschap, resulterend in ongeveer 100 peer-reviewed onderzoeken. publicaties tot nu toe.

De nieuwe tweekleurenmodus, die bij geen enkele andere IR FEL-faciliteit ter wereld beschikbaar is, zal nieuwe experimenten mogelijk maken, zoals MIR/MIR- en MIR/FIR-pompsonde-experimenten. Verwacht wordt dat dit nieuwe mogelijkheden zal openen voor experimentele studies op diverse gebieden, variërend van fysische chemie, materiaalkunde, katalyseonderzoek tot biomoleculaire studies, en daarmee zal bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe materialen en medicijnen.

Aangeboden door Max Planck Society