Ända sedan 1960, när Theodore Maiman byggde världens första infraröda laser, fysiker drömde om att producera röntgenlaserpulser som kan undersöka ultrakort och ultrasnabba skalor av atomer och molekyler.

Denna dröm förverkligades äntligen 2009, när världens första hårda röntgenfri-elektronlaser (XFEL), Linac Coherent Light Source (LCLS) vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory, producerade sitt första ljus. En begränsning av LCLS och andra XFEL i deras normala driftsätt är att varje puls har en något annan våglängdsfördelning, och det kan finnas variation i pulslängd och intensitet. Det finns olika metoder för att hantera denna begränsning, inklusive 'sådd' av lasern vid en viss våglängd, men dessa saknar fortfarande våglängdsrenhet hos konventionella lasrar.

Nu, SLAC-forskare utvecklar en kompakt enhet som kan skapa röntgenpulser av högre kvalitet vid LCLS med ett tillvägagångssätt inspirerat av optiska lasrar. Det nya instrumentet kan utöka räckvidden för röntgenlasrar, öppna nya experimentella vägar inom områden som biologi, kemi, materialvetenskap och fysik. Deras senaste fynd publicerades förra veckan i Förfaranden från National Academy of Sciences .

"När röntgenvetenskapen fortsätter att utvecklas under de kommande decennierna, vi måste börja tänka på bättre teknik, "säger medförfattaren Claudio Pellegrini, en framstående professor emeritus i fysik vid UCLA och adjungerad professor vid SLAC vars arbete lade den vetenskapliga grunden för utvecklingen av LCLS. "Den nuvarande kvaliteten på våra röntgenpulser kan fungera för närvarande, men för att fortsätta framåt i fältet måste vi ständigt föreställa oss nya och bättre sätt att skapa bättre röntgenpulser. "

I slingan

I hjärtat av nästan varje optisk laser ligger en oscillator, som använder fotoner genom en serie spegelreflektioner som omger det som kallas förstärkningsmediet, ett material som används för att förstärka ljuset, producerar en allt mer intensiv stråle vid varje slinga. Så småningom, en monokromatisk, eller enfärgad, helt koherent laserstråle frigörs. Målet är att designa en laseroscillator som fungerar med röntgenstrålar, en mångårig utmaning inom laserområdet.

I denna föreslagna enhet, forskarna börjar med att skicka en första röntgenpuls från LCLS ner i strålen. Denna puls passerar genom en vätskestråle, där den skapar upphetsade atomer som producerar en liten mängd utsänd strålning i en distinkt färg som rör sig i samma riktning. Denna laserpuls reflekteras genom en serie speglar arrangerade i en slinga. Efter att ha slutfört slingan, pulsen går ihop med en andra röntgenpuls från LCLS som ger en ännu ljusare laserpuls, som sedan tar samma slinga. Processen upprepas flera gånger, och med varje slinga intensifieras laserpulsen och blir mer sammanhängande. Under den sista slingan, en av speglarna växlas snabbt så att denna laserpuls går ut.

"Resultatet blir en helt sammanhängande röntgenlaserpuls som är ljusare och renare än den som skapats med enbart XFEL, "säger huvudförfattare och SLAC -forskningsassistent Alex Halavanau.

Liten men mäktig

Projektet är en del av en treårig insats som nyligen fick DOE-finansiering. När teamet fortsätter att utveckla enheten, de kommer att börja testa det på LCLS i den kommande experimentkörningen.

"Målet är att bygga ett kompakt instrument vid LCLS som ger röntgenlaserpulser av högsta kvalitet för sondering av materia på atomer och molekyler med oöverträffad precision, "säger medförfattaren Uwe Bergmann, en framstående personalvetare vid SLAC.

"Det finns två andra pågående projekt på LCLS, XFELO och RAFEL, som syftar till att ge precisionsröntgenlaserpulser med en oscillator, "Pellegrini tillägger, avser projekt som är under utveckling i samarbete med DOE:s Argonne National Laboratory och industriella partners genom DOE -finansiering. "Vår kompakta enhet kommer att komplettera dessa mycket större instrument och deras egenskaper. Denna forskning kommer att ge spännande möjligheter på LCLS under de kommande decennierna."