El equipo de láseres de electrones libres de la Academia China de Ciencias ha logrado avances en la investigación de láseres de electrones libres totalmente coherentes. Basándose en la Instalación de Láser de Electrones Libres de Rayos X Blandos de Shanghái, se ha verificado con éxito el nuevo mecanismo de láser de electrones libres de cascada armónica con eco propuesto por China, obteniéndose radiación coherente de rayos X blandos con un rendimiento excelente. Recientemente, los resultados se publicaron en Optica bajo el título «Pulsos coherentes y ultracortos de rayos X blandos procedentes de láseres de electrones libres de cascada armónica con eco».
El láser de electrones libres de rayos X es una de las fuentes de luz más avanzadas del mundo. Actualmente, la mayoría de los láseres de electrones libres de rayos X a nivel internacional se basan en el mecanismo de emisión espontánea autoamplificada (SASE). Si bien el SASE presenta un brillo máximo muy alto y pulsos ultracortos a nivel de femtosegundos, entre otras excelentes características, sufre de vibraciones por ruido, lo que reduce la coherencia y la estabilidad de su pulso de radiación, impidiendo que se convierta en un láser de rayos X convencional. Una de las líneas de desarrollo más importantes en el campo del láser de electrones libres a nivel internacional es la generación de radiación de rayos X totalmente coherente con la calidad de un láser convencional. Para ello, se utiliza el mecanismo de operación del láser de electrones libres con semilla externa. La radiación del láser de electrones libres con semilla externa hereda las características del láser semilla y posee excelentes propiedades como coherencia total, control de fase y sincronización precisa con el láser de bombeo externo. Sin embargo, debido a las limitaciones de la longitud de onda y el ancho de pulso del láser semilla, la cobertura de longitud de onda corta y el rango de ajuste de la duración del pulso del láser de electrones libres con semilla externa son limitados. Con el fin de ampliar aún más la cobertura de longitud de onda corta del láser de electrones libres con semilla externa, en los últimos años se están desarrollando vigorosamente en todo el mundo nuevos modos de funcionamiento del láser de electrones libres, como la generación de armónicos de eco.
El láser de electrones libres con semilla externa es una de las principales vías técnicas para el desarrollo de láseres de electrones libres de alta ganancia en China. Actualmente, los cuatro dispositivos láser de electrones libres de alta ganancia en China utilizan el modo de operación con semilla externa. Gracias a las instalaciones de láser de electrones libres de ultravioleta profundo y de rayos X blandos de Shanghái, los científicos han logrado la primera amplificación de luz mediante láser de electrones libres de tipo eco a nivel internacional y la primera amplificación por saturación mediante láser de electrones libres de tipo eco en el ultravioleta extremo. Con el fin de impulsar aún más el láser de electrones libres con semilla externa hacia longitudes de onda cortas, el equipo de investigación propuso de forma independiente un nuevo mecanismo de láser de electrones libres totalmente coherente con cascada armónica de eco, el cual fue adoptado como esquema básico por el dispositivo láser de electrones libres de rayos X blandos de Shanghái. De esta manera, se completó todo el proceso, desde la verificación del principio hasta la amplificación de luz en la banda de rayos X blandos. Los resultados de la investigación demuestran que, en comparación con el mecanismo tradicional de funcionamiento con semilla externa, este mecanismo presenta excelentes características espectrales. Mediante la adopción de la tecnología de diagnóstico de pulsos de rayos X ultrarrápidos desarrollada independientemente por los investigadores (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027), se verifica aún más el rendimiento superior de este nuevo mecanismo en el control de la duración del pulso y la generación de pulsos ultrarrápidos. Estos resultados proporcionan una vía técnica viable para la generación de láseres de electrones libres totalmente coherentes en la banda subnanométrica y constituirán una herramienta de investigación ideal para los campos de la óptica no lineal de rayos X y la fisicoquímica ultrarrápida.
El láser de electrones libres de cascada armónica de eco tiene un excelente rendimiento espectral: la imagen de la izquierda muestra el modo de cascada convencional y la imagen de la derecha muestra el modo de cascada armónica de eco.
El ajuste de la duración del pulso de rayos X y la generación de pulsos ultrarrápidos se pueden lograr mediante la cascada de armónicos de eco.
Fecha de publicación: 8 de octubre de 2023