أحرز فريق ليزر الإلكترون الحر التابع للأكاديمية الصينية للعلوم تقدماً ملحوظاً في أبحاث ليزر الإلكترون الحر المتماسك تماماً. وبالاستناد إلى منشأة شنغهاي لليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية اللينة، تم التحقق بنجاح من الآلية الجديدة لليزر الإلكترون الحر التوافقي الصدى الذي اقترحته الصين، وتم الحصول على إشعاع متماسك للأشعة السينية اللينة ذي أداء ممتاز. وقد نُشرت النتائج مؤخراً في مجلة أوبتيكا تحت عنوان "نبضات أشعة سينية لينة متماسكة وقصيرة للغاية من ليزر الإلكترون الحر التوافقي الصدى".
يُعدّ ليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية أحد أكثر مصادر الضوء تطورًا في العالم. حاليًا، تعتمد معظم ليزرات الإلكترون الحر للأشعة السينية العالمية على آلية الانبعاث التلقائي ذاتي التضخيم (SASE)، والتي تتميز بسطوع ذروة عالٍ جدًا وعرض نبضة فائق القصر (فيمتو) وغيرها من الأداء الممتاز. مع ذلك، تعاني هذه الآلية من اهتزازات ناتجة عن الضوضاء، كما أن تماسك واستقرار نبضة الإشعاع فيها ليسا عاليين، ما يجعلها لا تُصنّف ضمن نطاق ليزر الأشعة السينية. يُعدّ توليد إشعاع أشعة سينية متماسك تمامًا بجودة الليزر التقليدية أحد أهم اتجاهات التطوير في مجال ليزر الإلكترون الحر العالمي، وتتمثل إحدى أهم الطرق لتحقيق ذلك في استخدام آلية تشغيل ليزر الإلكترون الحر ذي البذرة الخارجية. يرث إشعاع ليزر الإلكترون الحر ذي البذرة الخارجية خصائص ليزر البذرة، ويتميز بخصائص ممتازة مثل التماسك الكامل، والتحكم في الطور، والتزامن الدقيق مع ليزر الضخ الخارجي. مع ذلك، ونظرًا لمحدودية طول موجة وعرض نبضة ليزر البذرة، فإن تغطية الأطوال الموجية القصيرة ونطاق ضبط طول النبضة لليزر الإلكترون الحر ذي البذرة الخارجية محدودان. من أجل توسيع نطاق تغطية الطول الموجي القصير لليزر الإلكتروني الحر الخارجي، يتم تطوير أنماط تشغيل جديدة لليزر الإلكتروني الحر مثل توليد التوافقيات الصدى بقوة في العالم في السنوات الأخيرة.
يُعدّ ليزر الإلكترون الحر ذو البذرة الخارجية أحد المسارات التقنية الرئيسية لتطوير ليزر الإلكترون الحر عالي الكسب في الصين. حاليًا، تعتمد جميع أجهزة ليزر الإلكترون الحر عالية الكسب الأربعة في الصين نمط التشغيل بالبذرة الخارجية. وبالاستناد إلى منشأة شنغهاي لليزر الإلكترون الحر للأشعة فوق البنفسجية العميقة ومنشأة شنغهاي لليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية اللينة، حقق العلماء بنجاح أول تضخيم ضوئي دولي لليزر الإلكترون الحر من نوع الصدى، وأول تضخيم تشبع لليزر الإلكترون الحر من نوع الصدى للأشعة فوق البنفسجية القصوى. ولزيادة فعالية ليزر الإلكترون الحر ذي البذرة الخارجية في نطاق الأطوال الموجية القصيرة، اقترح فريق البحث بشكل مستقل آلية جديدة لليزر الإلكترون الحر المتماسك تمامًا مع سلسلة توافقية صدى، والتي اعتمدها جهاز شنغهاي لليزر الإلكترون الحر للأشعة السينية اللينة كخطة أساسية، وأكمل العملية برمتها من التحقق من المبدأ إلى تضخيم الضوء في نطاق الأشعة السينية اللينة. تُظهر نتائج البحث أن هذه الآلية، مقارنةً بآلية التشغيل التقليدية ذات البذور الخارجية، تتمتع بخصائص طيفية ممتازة. وقد تم التحقق من الأداء المتفوق لهذه الآلية الجديدة في التحكم بطول النبضة وتوليد النبضات فائقة السرعة، وذلك من خلال تبني الباحثين لتقنية تشخيص نبضات الأشعة السينية فائقة السرعة التي طوروها بأنفسهم (https://doi.org/10.1016/j.fmre.2022.01.027). وتوفر نتائج البحث مسارًا تقنيًا عمليًا لتوليد ليزرات الإلكترون الحر المتماسكة تمامًا في نطاق النانومتر الفرعي، كما تُوفر أداة بحثية مثالية في مجالات البصريات غير الخطية للأشعة السينية والكيمياء الفيزيائية فائقة السرعة.
يتميز ليزر الإلكترون الحر ذو الشلال التوافقي الصدى بأداء طيفي ممتاز: الصورة اليسرى تمثل نمط الشلال التقليدي، والصورة اليمنى تمثل نمط الشلال التوافقي الصدى
يمكن تحقيق ضبط طول نبضة الأشعة السينية وتوليد النبضات فائقة السرعة عن طريق سلسلة التوافقيات الصدى
تاريخ النشر: 8 أكتوبر 2023