Ny forskning visar hur man mäter de superkorta skurarna av högfrekvent ljus som emitteras från fria elektronlasrar (FEL). Genom att använda den ljusinducerade joniseringen i sig för att skapa en femtosekund optisk slutare, tekniken kodar FEL-pulsens elektriska fält i en synlig ljuspuls så att den kan mätas med en standard, långsam, kamera med synligt ljus.

"Detta arbete har potential att leda till en ny onlinediagnostik för FELs, där den exakta pulsformen för varje ljuspuls kan bestämmas. Den informationen kan hjälpa både slutanvändaren och acceleratorforskarna, sa Pamela Bowlan, Los Alamos National Laboratorys ledande forskare i projektet. Tidningen publicerades den 12 april, 2021 in Optica . "Detta arbete banar också väg för att mäta röntgenpulser eller femtosekunds tidsupplösta röntgenbilder."

Gratis elektronlasrar, som drivs av kilometerlånga linjäracceleratorer, sänder ut skurar av kortvågigt ljus som varar en kvadrilliondels sekund. Som ett resultat, de kan fungera som blixtljus för att se de snabbaste händelserna i naturen – atomära eller molekylära rörelser – och lovar därför att revolutionera vår förståelse av nästan vilken typ av materia som helst.

Att mäta en så försvinnande snabb skur av joniserande strålning har tidigare visat sig vara utmanande. Men medan elektroniken är för långsam för att mäta dessa ljuspulser, optiska effekter kan vara i huvudsak ögonblickliga. Att pressa all energi från en kontinuerlig laser till korta pulser innebär att femtosekundlaserpulser är extremt ljusa och har förmågan att modifiera ett materials absorption eller brytning, skapar effektivt omedelbara "optiska slutare".

Denna idé har använts i stor utsträckning för att mäta femtosekundlaserpulser med synligt ljus. Men det högrefrekventa extrema ultravioletta ljuset från FELs interagerar med materia på olika sätt; detta ljus joniserar, vilket betyder att det drar ut elektroner ur deras atomer. Forskarna visade att jonisering i sig kan användas som en "femtosekund optisk slutare" för att mäta extrema ultravioletta laserpulser vid 31 nanometer.

"Jonisering förändrar vanligtvis de optiska egenskaperna hos ett material i nanosekunder, vilket är 10, 000 gånger långsammare än FEL-pulslängden, " sa Bowlan. "Men varaktigheten av den stigande kanten av jonisering, bestäms av hur lång tid det tar för elektronen att lämna atomen, är betydligt snabbare. Denna resulterande förändring i de optiska egenskaperna kan fungera som den snabba slutaren som behövs för att mäta FEL-pulserna."