En teknisk milstolpe har uppnåtts vid Fritz Haber Institute (FHI) i Max Planck Society i Berlin. För första gången har en infraröd frielektronlaser (FEL) använts i tvåfärgsläge. Denna globalt unika teknologi möjliggör experiment med synkroniserade tvåfärgade laserpulser, vilket öppnar upp för nya möjligheter inom forskning.

Frielektronlasrar, av vilka det finns mer än ett dussin över hela världen, varierar avsevärt i storlek (från några meter till flera kilometer), våglängdsområde (från mikrovågor till hårda röntgenstrålar) och kostnader (från miljoner till mer än en miljard). Men de producerar alla intensiva, korta strålningspulser. Frielektronlasrar har blivit viktiga strålningskällor under de senaste decennierna och har hittat breda tillämpningar inom grundforskning och tillämpad vetenskap.

Forskare vid FHI har nu utvecklat en metod i samarbete med amerikanska partners som möjliggör samtidig generering av infraröda pulser i två olika färger. Denna innovation är särskilt viktig för studiet av tidsmässiga processer i fasta ämnen och molekyler.

I en FEL accelereras elektronknippen först till mycket höga kinetiska energier av en elektronaccelerator och når nästan ljusets hastighet. Sedan passerar de snabba elektronerna genom en undulator, där de tvingas in på en slalomliknande bana av starka magnetfält med periodiskt varierande polaritet.

Elektronernas svängningar leder till emission av elektromagnetisk strålning, vars våglängd kan varieras genom att justera elektronenergin och/eller magnetfältets styrka. Av denna anledning kan FELs användas för att generera laserliknande strålning i nästan alla delar av det elektromagnetiska spektrumet, från långa terahertz till korta röntgenvåglängder.

Sedan 2012 har en FEL varit i drift vid FHI, som producerar intensiv, pulsad strålning i det mellaninfraröda (MIR) området, kontinuerligt avstämbar från 2,8 till 50 mikrometer i våglängd. Under de senaste åren har forskare och ingenjörer vid FHI arbetat med en tvåfärgsexpansion där en andra FEL-gren har installerats för att generera strålning i fjärrinfraröd (FIR) vid våglängder mellan 5 och 170 mikrometer.

I FIR-FEL-grenen ingår en ny hybridmagnetundulator, som specialbyggd på FHI. Dessutom installerades en 500 MHz kicker-kavitet för transversell avböjning av elektronerna bakom elektronlinjäracceleratorn (LINAC). Kickerkaviteten kan ändra riktningen på högenergielektronknippen med en hastighet av 1 miljard gånger per sekund.

I juni 2023 demonstrerade FHI-teamet den första "lasningen" av den nya FIR-FEL, och riktade alla elektronknippen som kom från LINAC till FIR-FEL. I december 2023 kunde de för första gången demonstrera tvåfärgsoperationen. I det här läget böjer det starkt oscillerande elektriska fältet som bildas i kickerhålan vartannat elektronknippe åt vänster och vartannat gäng åt höger.

På detta sätt delas elektronbuntståget med hög upprepningshastighet (1 GHz; 1 gäng per ns) som kommer från LINAC i två grupptåg med halva repetitionshastigheten vardera; den ena styrs till den gamla MIR-FEL och den andra till den nya FIR-FEL. I varje FEL möjliggör en variation av undulatorns magnetiska fältstyrka kontinuerlig inställning av våglängden med upp till en faktor fyra.

I ungefär ett decennium har FHI-FEL gjort det möjligt för forskargrupper vid FHI att utföra experiment som sträcker sig från spektroskopi av kluster, nanopartiklar och biomolekyler i gasfasen till ickelinjär fasttillståndsspektroskopi och ytvetenskap, vilket resulterat i cirka 100 fackgranskade publikationer hittills.

Det nya tvåfärgsläget, som inte är tillgängligt på någon annan IR FEL-anläggning runt om i världen, kommer att möjliggöra nya experiment som MIR/MIR- och MIR/FIR-pumpsondsexperiment. Detta förväntas öppna nya möjligheter för experimentella studier inom olika områden, från fysikalisk kemi, materialvetenskap, katalysforskning till biomolekylära studier, och därigenom bidra till utvecklingen av nya material och mediciner.

Tillhandahålls av Max Planck Society