Primera operación del modo bicolor en un láser infrarrojo de electrones libres

En el Instituto Fritz Haber (FHI) de la Sociedad Max Planck de Berlín se ha logrado un importante avance tecnológico. Por primera vez se ha utilizado un láser infrarrojo de electrones libres (FEL) en modo bicolor. Esta tecnología única en el mundo permite experimentos utilizando pulsos láser de dos colores simultáneos, abriendo nuevas posibilidades en la investigación.

Los láseres de electrones libres, de los cuales hay más de una docena en todo el mundo, varían mucho en tamaño (desde unos pocos metros hasta varios kilómetros), rango de longitud de onda (desde microondas hasta rayos X duros) y costos (desde millones hasta más de mil). ). mil millones). Sin embargo, todos producen pulsos de radiación intensos y cortos. Los láseres de electrones libres se han convertido en importantes fuentes de radiación en las últimas décadas y han encontrado amplias aplicaciones en la investigación básica y la ciencia aplicada.

Los investigadores de FHI han desarrollado en colaboración con socios estadounidenses un método que permite generar simultáneamente impulsos infrarrojos de dos colores diferentes. Esta innovación es particularmente importante para estudiar procesos temporales en sólidos y moléculas.

En FEL, primero se aceleran haces de electrones a energías cinéticas muy altas mediante un acelerador de electrones, alcanzando casi la velocidad de la luz. Los electrones rápidos luego pasan a través de un corrugador, donde son obligados a seguir un camino similar a un slalom por fuertes campos magnéticos de polaridad que cambia periódicamente.

Las oscilaciones de los electrones dan lugar a radiación electromagnética, cuya longitud de onda se puede cambiar ajustando la energía de los electrones y/o la intensidad del campo magnético. Por esta razón, los FEL se pueden utilizar para generar radiación similar a un láser en casi todas las partes del espectro electromagnético, desde longitudes de onda largas de terahercios hasta longitudes de onda cortas de rayos X.

Desde 2012, el FEL ha estado en funcionamiento en FHI, produciendo intensa radiación pulsada en el rango del infrarrojo medio (MIR), continuamente sintonizable de 2,8 a 50 μm de longitud de onda. En los últimos años, los científicos e ingenieros de FHI han trabajado para expandir el dicroísmo en el que se instaló una segunda rama FEL para generar radiación en el infrarrojo lejano (FIR) en longitudes de onda entre 5 y 170 micrómetros.

La sucursal FIR-FEL incluye un nuevo ondulador magnético híbrido, especialmente diseñado en FHI. Además, detrás del acelerador lineal de electrones (LINAC) se encuentra instalada una cavidad kicker de 500 MHz para la desviación transversal de los electrones. La cavidad de patada puede cambiar la dirección de haces de electrones de alta energía a una velocidad de mil millones de veces por segundo.

En junio de 2023, el equipo de FHI demostró el primer funcionamiento «láser» del nuevo FIR-FEL, dirigiendo todos los haces de electrones procedentes de LINAC al FIR-FEL. En diciembre de 2023 pudieron demostrar por primera vez el proceso de dos colores. En este modo, el fuerte campo eléctrico oscilante formado en la cavidad de la patada desvía cada segundo haz de electrones hacia la izquierda y cada segundo haz hacia la derecha.

De esta manera, el tren de recolección de electrones de alta tasa de repetición (1 GHz; un paquete por nanosegundo) procedente de LINAC se divide en dos trenes combinados de la mitad de la tasa de repetición cada uno; Uno está dirigido al antiguo MIR-FEL y el otro al nuevo FIR-FEL. En cada FEL, variar la intensidad del campo magnético ondulado permite un ajuste continuo de la longitud de onda hasta en un factor de cuatro.

Durante casi una década, FHI-FEL ha permitido a los grupos de investigación de FHI realizar experimentos que van desde espectroscopia de grupos, nanopartículas y biomoléculas en fase gaseosa hasta espectroscopia de estado sólido no lineal y ciencia de superficies, lo que ha dado como resultado casi 100 experimentos revisados ​​por pares. . Publicaciones hasta el momento.

El nuevo modo de dos colores, no disponible en ninguna otra instalación IR FEL en todo el mundo, permitirá nuevos experimentos como experimentos con sonda de bomba MIR/MIR y MIR/FIR. Se espera que esto abra nuevas oportunidades para estudios experimentales en diversos campos que van desde la química física, la ciencia de materiales y la investigación de catálisis hasta estudios biomoleculares, contribuyendo así al desarrollo de nuevos materiales y fármacos.