A instalação europeia de laser de elétrons livres de raios-X (XFEL), perto de Hamburgo, Alemanha, foi construído com um objetivo - fornecer pulsos de luz curtos o suficiente, brilhante o suficiente, e de comprimento de onda pequeno o suficiente para observar processos que de outra forma seriam muito rápidos e / ou raros para medir em tempo real.

Sem esses pulsos ultracurtos - e isso significa milionésimos de bilionésimos de segundo (femtossegundos) - as medições são limitadas a um olhar antes e depois das interações moleculares. Seis estações finais diferentes estarão disponíveis para cientistas de todo o mundo para conduzir experimentos usando o feixe XFEL assim que estiver totalmente funcional em 2017.

Para fazer essas medições, a equipe de pesquisa desenvolveu um poderoso, pulsado, laser óptico que é sincronizado com os pulsos XFEL e sintonizável no comprimento de onda e duração do pulso para acomodar as necessidades de cada um dos seis experimentos diferentes que estão sendo conduzidos. As características deste versátil sistema de laser óptico serão publicadas em um artigo na revista Optics Express , da The Optical Society (OSA).

"A verdadeira singularidade do nosso laser reside no fato de que ele corresponde ao padrão de emissão de explosão do XFEL europeu, "disse Max J. Lederer, cientista líder, XFEL. "Ele, portanto, permite experimentos na taxa de pulso mais alta possível do XFEL com parâmetros de pulso óptico (energia, duração do pulso) somente obtidos em taxas de repetição baixas de sistemas Ti:Sapphire. "

Nos dias de hoje, encontrar um laser óptico capaz de produzir pulsos ultracurtos para pesquisa, como um laser de safira de titânio (Ti:Sapph), não é difícil. Mas é difícil encontrar um laser que corresponda às especificações de potência e tempo dos seis experimentos XFEL. "Em outras palavras, é a alta taxa de repetição e a potência média durante as rajadas que fazem a diferença, "Lederer disse.

Mas por que uma instalação construída para abrigar um dos maiores e mais avançados lasers, precisa de outro laser? Na verdade, este sistema de laser adicional é parte integrante da execução das medições projetadas em escala atômica. Os pulsos de laser óptico servem para preparar amostras, usando a interação com ele como a primeira etapa, em certo sentido, como um controle, antes de usar o pulso de raio-x para sondar e investigar a dinâmica desconhecida. É principalmente a parte "bomba" dos experimentos de bomba-sonda que o laser foi projetado para realizar.

"O sistema de laser é [construído] para satisfazer a necessidade de um laser de sonda de bomba óptica experimental, sincronizado e adaptado ao padrão de emissão do XFEL europeu. O laser normalmente ativa as amostras, seguido por sondagem com os pulsos de raios-X, "Lederer disse.

A necessidade de sintonização da bomba de laser vem de cada uma das seis estações científicas que abrigam diferentes experimentos que investigam vários tipos de amostra e fases da matéria. O laser óptico fornece essa configurabilidade por meio de uma série de técnicas ópticas que aproveitam as interações luz-matéria para resultar na energia e no tempo precisos dos pulsos necessários.

Um exemplo de tal processo é chamado de conversão paramétrica, que se refere à conversão de uma partícula de luz em duas da metade da energia, ou vice-versa. "Para maior flexibilidade experimental, a faixa espectral de UV a THz será disponibilizada por meio de conversão paramétrica e esquemas de geração de THz, "Lederer disse.

A instalação do primeiro laser já começou e Lederer e sua equipe estão ansiosos para os recursos interessantes da instalação. Lederer disse, "Obviamente, estamos ansiosos para cumprir o prazo de entrega do 'primeiro fóton' junto com o XFEL. Pessoalmente, Estou ansioso para ver o laser utilizado em tantas descobertas científicas quanto possível no futuro. "