الملخص:
أعلنت فرق البحث التابعة لمركز هيلمهولتز زينتروم روزندورف (HZDR) في دريسدن، ألمانيا، ومركز الإشعاع السنكروتروني SOLEIL بالقرب من باريس، فرنسا، مؤخرًا عن تحقيق تقدم مهم في تطوير جيل جديد من أجهزة الليزر الإلكترونية الحرة المدمجة. لأول مرة، حقق الباحثون تشغيلًا مستقرًا وقابلاً للتكرار لليزر الإلكتروني الخالي من بلازما الليزر في حالة تشغيل عالية الكسب، مما يمهد الطريق لبناء أجهزة ليزر إلكترونية حرة أصغر حجمًا ومنخفضة التكلفة في المستقبل.
يعد ليزر الإلكترون الحر أداة مهمة للبحث العلمي الحديث. ويمكنها إنتاج نبضات ضوئية قصيرة جدًا وعالية الكثافة، وتُستخدم على نطاق واسع لدراسة الذرات والجزيئات والمواد الجديدة. ومع ذلك، فإن معظم مرافق الليزر الإلكتروني الحر الحالية حول العالم كبيرة ومكلفة، مما يترك للباحثين وقتًا تجريبيًا محدودًا للغاية، لذلك يأمل الباحثون منذ فترة طويلة في تطوير بدائل أكثر إحكاما واقتصادية.
يتطلب ليزر الإلكترون الحر التقليدي استخدام مسرعات كبيرة يصل طولها إلى كيلومترين لتسريع الإلكترونات لتقترب من سرعة الضوء. يدخل شعاع الإلكترون بعد ذلك إلى جهاز متموج مكون من مغناطيس، والذي يطلق نبضات متماسكة للغاية من الضوء المكثف أثناء تذبذبه المستمر.
تتخذ أجهزة الليزر الجديدة الخالية من البلازما والإلكترون طريقة مختلفة تمامًا. يستخدم الباحثون الليزر لتوليد موجات خاصة في البلازما، مما يسمح للإلكترونات "بالركوب" على موجات البلازما بسرعة مثل ركوب الأمواج. ومن خلال هذه الآلية، يمكن الآن تحقيق مستوى الطاقة الذي كان يتطلب في الأصل مئات الأمتار أو حتى آلاف الأمتار من مسافة التسارع في بضعة ملليمترات فقط، ويتم تقصير مسافة التسارع الإجمالية بحوالي ألف مرة.
على الرغم من المزايا الكبيرة التي تتمتع بها هذه التكنولوجيا، إلا أنها عانت لفترة طويلة من عدم الاستقرار الكافي. بالنسبة للتجارب العلمية، يجب أن يكون مخرج الليزر بجودة ثابتة لساعات أو حتى أيام، وهو المعيار الذي كافحت أجهزة الليزر الإلكترونية الخالية من بلازما الليزر للوفاء به في الماضي.
إن مفتاح هذا الإنجاز هو أن فريق البحث نجح في تحقيق التحكم الدقيق في عملية التفاعل بين الليزر والبلازما. يستخدم العلماء نظام ليزر DRACO عالي الأداء من HZDR لإصدار نبضات ليزر بالأشعة تحت الحمراء في تدفق غاز يبلغ سمكه بضعة ملليمترات فقط، وتوليد بيئة بلازما مستقرة، وضبط معلمات الليزر بدقة لتتناسب بشكل مثالي مع ظروف البلازما.
بعد الانتهاء من التسارع، يتم إرسال شعاع الإلكترون إلى النظام المموج. كما قدم الباحثون آلية التفاعل بين نبضات الليزر وأشعة الإلكترون لتعزيز شدة إشعاع الليزر الإلكتروني الحر والحصول على إنتاج طاقة أعلى.
أظهرت النتائج التجريبية أن الفريق نجح في توليد نبضات ضوئية فوق بنفسجية عالية الطاقة بطول موجة يبلغ 272 نانومتر. والأهم من ذلك، أظهرت قوة الليزر خصائص النمو الأسي الفريدة لحالة الكسب العالي لأول مرة، مما يثبت أن النظام قد دخل في وضع تشغيل تضخيم قوي. تعتبر هذه الحالة علامة مهمة على التشغيل عالي الأداء لأشعة الليزر الإلكترونية الحرة.
وقال الباحثون إنه مقارنة بالنتائج التي نشرها الفريق عام 2023، حققت هذه التجربة تحسينات كبيرة. أصبحت أجهزة الليزر الإلكترونية الخالية من البلازما، والتي كان من الصعب ضمان تشغيلها بشكل مستقر ومتكرر في الماضي، قادرة الآن على إنتاج إشعاع عالي الجودة بشكل مستمر وثابت، مما يخلق إمكانيات لتطبيقات البحث العلمي العملية.
يعتقد المجتمع العلمي بشكل عام أن هذا الإنجاز من المتوقع أن يعزز تصغير وتعميم تكنولوجيا الليزر الإلكتروني الحر. وفي المستقبل، لن تكون هناك حاجة إلى بناء المعدات ذات الصلة في مختبرات وطنية كبيرة، ولكن سوف تتاح لها الفرصة لتقليصها إلى نطاق تستطيع الجامعات أو المؤسسات البحثية المتوسطة الحجم تحمل تكاليفه، وبالتالي توفير مصادر ضوئية متقدمة لمزيد من فرق البحث العلمي.
وأشار الباحثون إلى أن النظام الحالي لا يزال ينتج مصادر ضوء النطاق فوق البنفسجي، ولكن من خلال المزيد من التحسينات والتحسينات في المستقبل، من المتوقع أن يقصر الطول الموجي إلى أقل من 100 نانومتر. بحلول ذلك الوقت، سيُظهر هذا النوع من ليزر الإلكترون الحر المدمج قيمة تطبيقية أكبر في مجالات مثل علم المواد، ومراقبة التفاعلات الكيميائية، والأبحاث الطبية الحيوية، وتكنولوجيا النانو.
تم نشر هذه النتيجة في مجلة "Physical Review Letters" وتعتبر علامة بارزة في تطوير تصغير ليزر الإلكترون الحر. كما أنه يوفر أساسًا واقعيًا للبناء المستقبلي لمرافق مصدر الضوء المتقدمة الأكثر اقتصادية وسهلة النشر.
التعليقات