Ett nytt sätt att producera sammanhängande ljus i det ultravioletta spektralområdet, som pekar vägen för att utveckla lysande röntgenkällor från bordsskivan, har producerats inom forskning som leds vid University of Strathclyde.

Forskarna har utvecklat en typ av koherent ljuskälla med ultrakort våglängd som inte kräver laserverkan för att producera koherens. Vanliga elektronstrålebaserade ljuskällor, känd som fjärde generationens ljuskällor, är baserade på frielektronlasern (FEL), som använder en böljare för att omvandla elektronstrålenergi till röntgenstrålar.

Sammanhängande ljuskällor är kraftfulla verktyg som möjliggör forskning inom många områden inom medicin, biologi, materialvetenskap, kemi och fysik.

Detta nya sätt att producera koherent strålning kan revolutionera ljuskällor, eftersom det skulle göra dem mycket kompakta, i huvudsak bordsstorlek, och som kan producera ultralånga ljuspulser, mycket kortare än vad som enkelt kan produceras på något annat sätt.

Att göra ultravioletta och röntgen-koherenta ljuskällor mer allmänt tillgängliga skulle förändra hur vetenskapen görs; ett universitet kan ha en av enheterna i ett enkelrum, på en bordsskiva, till ett rimligt pris.

Gruppen planerar nu ett princip-princip-experiment i det ultravioletta spektralområdet för att demonstrera detta nya sätt att producera koherent ljus. Om det lyckas, det bör dramatiskt påskynda utvecklingen av ännu kortare våglängdssammanhängande källor baserat på samma princip. Strathclyde-gruppen har inrättat en anläggning för att undersöka dessa typer av källor:Scottish Center for the Application of Plasma-based Accelerators (SCAPA), som är värd för en av de högsta effektlasrarna i Storbritannien.

Den nya forskningen har publicerats i Vetenskapliga rapporter , en av Natur tidskriftsfamilj.

Professor Dino Jaroszynski, vid Strathclydes institution för fysik, ledde forskningen. Han säger att "detta arbete avsevärt avancerar den senaste tekniken för synkrotronkällor genom att föreslå en ny metod för att producera kortvåglängd koherent strålning, med hjälp av en elektronbunt med kort böljare och attosekundslängd. "

"Detta är mer kompakt och mindre krävande för elektronstrålkvaliteten än frielektronlasrar och kan ge ett paradigmskifte i ljuskällor, vilket skulle stimulera en ny forskningsinriktning. Den föreslår att man använder gruppkompression - som i kvittrade pulsförstärkningslasrar - i böljaren för att avsevärt förbättra strålningens ljusstyrka. "

"Den nya metoden som presenteras skulle vara av stort intresse för ett mångfaldigt samhälle som utvecklar och använder ljuskällor."

I FEL, som i alla lasrar, ljusintensiteten förstärks av en återkopplingsmekanism som låser faserna hos enskilda radiatorer, som i detta fall är "fria" elektroner. I FEL, detta uppnås genom att en högenergi -elektronstråle passerar genom böljaren, som är en uppsättning alternerande polaritetsmagneter.

Ljus som släpps ut från elektronerna när de vickar genom böljaren skapar en kraft som kallas ponderomotivkraften som buntar elektronerna - vissa saktas ner, vissa rusar på, vilket orsakar hopning, liknande trafik på en motorväg som regelbundet saktar ner och påskyndar.

Elektroner som passerar genom böljaren utstrålar osammanhängande ljus om de är enhetligt fördelade - för varje elektron som avger ljus, det finns en annan elektron som delvis avbryter ljuset eftersom de strålar ur fas. En analogi av detta partiella avbrott är regn på havet:det ger många små krusningar som delvis avbryter varandra, effektivt dämpa vågorna - minska deras amplitud. I kontrast, stadig eller pulserande vind kommer att få vågorna att förstärkas genom vindens inbördes växelverkan med havet.

I FEL, elektronbuntningar orsakar förstärkning av ljuset och ökningen av dess koherens, som vanligtvis tar lång tid - så det krävs mycket långa undulatorer. I en röntgen FEL, bölderna kan vara mer än hundra meter långa. Acceleratorerna som driver dessa röntgen-FEL är kilometer långa, vilket gör dessa enheter mycket dyra och några av de största instrumenten i världen.

Dock, att använda en frielektronlaser för att producera koherent strålning är inte det enda sättet; en "förknippad" stråle eller ultrakort elektrongrupp kan också användas för att uppnå exakt samma koherens i en mycket kort böljare som är mindre än en meter lång. Så länge elektrongruppen är kortare än våglängden för ljuset som produceras av böljaren, det kommer automatiskt att producera sammanhängande ljus - alla ljusvågor kommer att lägga till eller störa konstruktivt, vilket leder till mycket strålande ljus med exakt samma egenskaper hos ljus från en laser.

Forskarna har teoretiskt visat att detta kan uppnås med hjälp av en laser-plasma wakefield-accelerator, som producerar elektronbuntar som kan ha en längd på några tiotals nanometer. De visar att om dessa ultrakorta buntar med hög energielektroner passerar genom en kort böljare, de kan producera fotoner lika mycket som en mycket dyr FEL kan producera. Dessutom, de har också visat att genom att producera ett elektrongäng som har ett energikick ”, de kan ballistiskt komprimera gänget till en mycket kort varaktighet inuti böljaren, vilket ger ett unikt sätt att gå till ännu kortare elektronbuntar och därför producera ännu kortare våglängdsljus.