激光技巧產(chǎn)生高能太赫茲脈沖

來自DESY和漢堡大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊在尋求新型緊湊型粒子加速器方面取得了重要的里程碑。使用超強(qiáng)大的激光脈沖，它們能夠產(chǎn)生特別高能量的太赫茲激光輻射，具有明確定義的波長(顏色)。太赫茲輻射將為新一代緊湊型粒子加速器開辟道路，這種加速器將在實驗臺上找到空間。由漢堡自由電子激光科學(xué)中心(CFEL)的Andreas Maier和FranzKärtner領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊將在Nature Communications雜志上發(fā)表研究成果。CFEL由DESY，漢堡大學(xué)和馬克斯普朗克協(xié)會聯(lián)合運營。

在太赫電磁的范圍輻射位于紅外和微波頻率之間。航空旅行者可能熟悉機(jī)場安檢所使用的全身掃描儀的太赫茲輻射，以搜索隱藏在人的衣服下面的物體。然而，該頻率范圍內(nèi)的輻射也可用于構(gòu)建緊湊的粒子加速器。“太赫茲輻射的波長比目前用于加速粒子的無線電波短一千倍，”DESY的首席科學(xué)家凱特納說。“這意味著加速器的組件也可以構(gòu)建為小一千倍。” 產(chǎn)生高能太赫茲脈沖因此，由歐洲研究理事會(ERC)資助的CFEL的AXSIS(阿秒X射線科學(xué)：成像與光譜學(xué)前沿)項目也是重要的一步，旨在利用緊湊型太赫茲粒子加速器開辟全新的應(yīng)用。

然而，沿著可觀數(shù)量的粒子進(jìn)行微調(diào)需要強(qiáng)大的太赫茲輻射脈沖，其具有明確限定的波長。這正是團(tuán)隊現(xiàn)在設(shè)法創(chuàng)造的。“為了產(chǎn)生太赫茲脈沖，我們將兩個強(qiáng)大的激光脈沖發(fā)射到所謂的非線性晶體中，兩者之間的時間延遲最小，”漢堡大學(xué)的Maier解釋道。兩個激光脈沖具有一種顏色梯度，這意味著脈沖前面的顏色與后面的顏色不同。因此，兩個脈沖之間的微小時間偏移導(dǎo)致顏色的輕微差異。“這種差異正好在太赫茲范圍內(nèi)，”邁爾說。“晶體將顏色差異轉(zhuǎn)換為太赫茲脈沖。”

該方法需要兩個激光脈沖精確同步?？茖W(xué)家通過將單個脈沖分成兩部分并在短路程中發(fā)送其中一個脈沖來實現(xiàn)這一點，以便在兩個脈沖最終再次疊加之前稍微延遲。然而，沿脈沖的顏色梯度不是恒定的，換句話說，顏色沿著脈沖的長度不均勻地改變。相反，顏色首先變慢，然后越來越快，產(chǎn)生彎曲的輪廓。結(jié)果，兩個交錯脈沖之間的色差不是恒定的。該差異僅適用于在窄脈沖范圍內(nèi)產(chǎn)生太赫茲輻射。

“這對于制造高能太赫茲脈沖來說是一個很大的障礙，”Maier報道。“因為拉直脈沖的顏色梯度，這本來是一個明顯的解決方案，在實踐中并不容易。” 共同作者尼古拉斯·馬特利斯提出了一個關(guān)鍵的想法：他建議兩個部分脈沖中只有一個的顏色輪廓應(yīng)沿時間軸略微拉伸。雖然這仍然沒有改變顏色沿脈沖變化的程度，但是相對于另一部分脈沖的色差現(xiàn)在始終保持恒定。“需要對其中一個脈沖進(jìn)行的改變很小，并且很容易實現(xiàn)：所有必要的是在梁中插入一小段特殊玻璃，”Maier說。“突然間，太赫茲輻射，由岡崎日本分子科學(xué)研究所專門為他們制造。

“通過結(jié)合這兩項措施，我們能夠產(chǎn)生能量為0.6毫焦耳的太赫茲脈沖，這是該技術(shù)的記錄，比之前由光學(xué)裝置產(chǎn)生的任何明確波長的太赫茲脈沖高出十倍以上。 ，“凱特納說。“我們的工作表明，有可能產(chǎn)生具有明確波長的足夠強(qiáng)大的太赫茲脈沖，以便操作緊湊的粒子加速器。”