Den europeiska X-ray Free-Electron Laser (XFEL) anläggningen, nära Hamburg, Tyskland, byggdes med ett mål – att ge tillräckligt korta ljuspulser, tillräckligt ljus, och med tillräckligt liten våglängd för att observera processer som annars skulle vara för snabba och/eller för sällsynta att mäta i realtid.
Utan sådana ultrakorta pulser – och det betyder miljondelar av miljarddelar av en sekund lång (femtosekunder) – är mätningar begränsade till en före-och-efter-blick på molekylära interaktioner. Sex olika slutstationer kommer att finnas tillgängliga för forskare från hela världen att utföra experiment med XFEL-strålen när den är fullt fungerande 2017.
För att göra dessa mätningar, forskargruppen utvecklade en hög effekt, pulsad, optisk laser som är synkroniserad med XFEL-pulserna och avstämbar i både våglängd och pulslängd för att tillgodose behoven för vart och ett av de sex olika experiment som utförs. Funktionerna hos detta mångsidiga optiska lasersystem kommer att publiceras i en artikel i tidskriften Optik Express , från The Optical Society (OSA).
"Den verkliga unikheten med vår laser ligger i det faktum att den matchar explosionsmönstret för den europeiska XFEL, sade Max J. Lederer, ledande vetenskapsman, XFEL. "Det möjliggör därför experiment med högsta möjliga pulsfrekvens för XFEL med optiska pulsparametrar (energi, pulslängd) som endast kan erhållas vid låga repetitionsfrekvenser från Ti:Sapphire-system."
Dessa dagar, hitta en optisk laser som kan producera ultrakorta pulser för forskning, såsom en titan-safir (Ti:Sapph) laser, är inte svårt. Men att hitta en sådan laser som kan matcha kraft- och tidsspecifikationerna för de sex XFEL-experimenten är svårt. "Med andra ord, det är den höga repetitionsfrekvensen och den genomsnittliga kraften under skurarna som gör skillnaden, sa Lederer.
Men varför skulle en anläggning byggd för att hysa en av de största och mest avancerade lasrarna, behöver du en annan laser? Faktiskt, detta extra lasersystem är en integrerad del av att utföra de projicerade mätningarna i atomskala. De optiska laserpulserna tjänar till att förbereda prover, använda interaktionen med det som första steg, i någon mening som en kontroll, innan du använder röntgenpulsen för att sondera och undersöka den okända dynamiken. Det är främst "pump"-delen av pump-prob-experimenten som lasern är designad för att utföra.
"Lasersystemet är [byggt] för att tillfredsställa behovet av en experimentell optisk pumpsondlaser, synkroniserad och anpassad till emissionsmönstret för den europeiska XFEL. Lasern aktiverar vanligtvis prover, följt av sondering med röntgenpulserna, sa Lederer.
Behovet av inställning av pumplasern kommer från var och en av de sex vetenskapliga stationerna som innehåller olika experiment som undersöker olika provtyper och faser av materia. Den optiska lasern ger denna konfigurerbarhet via ett antal optiska tekniker som utnyttjar ljus-materia-interaktioner för att resultera i den exakta energin och timingen av de pulser som behövs.
Ett exempel på en sådan process kallas parametrisk omvandling som hänvisar till omvandlingen av en ljuspartikel till två av halva energin, eller tvärtom. "För ökad experimentell flexibilitet, spektralområdet från UV till THz kommer att göras tillgängligt genom parametrisk omvandling och THz-genereringsscheman, sa Lederer.
Installationen av den första lasern har redan börjat och Lederer och hans team ser framåt mot anläggningens spännande kapacitet. Lederer sa, "Vi är naturligtvis angelägna om att hålla tidsfristen för att leverera den "första fotonen" tillsammans med XFEL. Personligen, Jag är angelägen om att se lasern användas i så många vetenskapliga upptäckter som möjligt i framtiden."
