Primeira operação de um modo de duas cores em um laser infravermelho de elétrons livres
Layout do FEL infravermelho de 2 cores no Instituto Fritz Haber em Berlim. Crédito:FHI Um marco tecnológico foi alcançado no Instituto Fritz Haber (FHI) da Sociedade Max Planck em Berlim. Pela primeira vez, um laser infravermelho de elétrons livres (FEL) foi operado em modo de duas cores. Esta tecnologia única mundialmente permite experimentos com pulsos de laser de duas cores sincronizados, abrindo novas possibilidades em pesquisa.
Os lasers de elétrons livres, dos quais existem mais de uma dúzia em todo o mundo, variam significativamente em tamanho (de alguns metros a vários quilômetros), faixa de comprimento de onda (de micro-ondas a raios X fortes) e custos (de milhões a mais de um bilhão). No entanto, todos eles produzem pulsos de radiação curtos e intensos. Os lasers de elétrons livres tornaram-se importantes fontes de radiação nas últimas décadas, encontrando amplas aplicações em pesquisa básica e ciências aplicadas.
Pesquisadores da FHI desenvolveram agora um método em colaboração com parceiros americanos que permite a geração simultânea de pulsos infravermelhos em duas cores diferentes. Esta inovação é particularmente importante para o estudo de processos temporais em sólidos e moléculas.
Em um FEL, os grupos de elétrons são primeiro acelerados a energias cinéticas muito altas por um acelerador de elétrons, atingindo quase a velocidade da luz. Então, os elétrons rápidos passam através de um ondulador, onde são forçados a seguir um caminho semelhante a um slalom por fortes campos magnéticos de polaridade variável periodicamente.
As oscilações dos elétrons levam à emissão de radiação eletromagnética, cujo comprimento de onda pode ser variado ajustando a energia do elétron e/ou a intensidade do campo magnético. Por esta razão, os FELs podem ser usados para gerar radiação semelhante ao laser em quase todas as partes do espectro eletromagnético, desde longos terahertz até comprimentos de onda curtos de raios X.
Desde 2012, um FEL está em operação no FHI, produzindo radiação intensa e pulsada na faixa do infravermelho médio (MIR), continuamente sintonizável de 2,8 a 50 micrômetros de comprimento de onda. Nos últimos anos, cientistas e engenheiros da FHI trabalharam em uma expansão de duas cores na qual uma segunda ramificação FEL foi instalada para gerar radiação no infravermelho distante (FIR) em comprimentos de onda entre 5 e 170 micrômetros.
A filial FIR-FEL inclui um novo ondulador magnético híbrido, que foi construído especialmente na FHI. Além disso, uma cavidade kicker de 500 MHz para a deflexão transversal dos elétrons foi instalada atrás do acelerador linear de elétrons (LINAC). A cavidade kicker pode mudar a direção dos grupos de elétrons de alta energia a uma taxa de 1 bilhão de vezes por segundo.
Em junho de 2023, a equipe da FHI demonstrou o primeiro “lasing” do novo FIR-FEL, direcionando todos os feixes de elétrons vindos do LINAC para o FIR-FEL. Em dezembro de 2023, eles puderam demonstrar pela primeira vez a operação em duas cores. Neste modo, o forte campo elétrico oscilante formado na cavidade kicker desvia cada segundo grupo de elétrons para a esquerda e cada segundo grupo de elétrons para a direita.
Dessa forma, o trem de feixes de elétrons de alta taxa de repetição (1 GHz; 1 grupo por ns) vindo do LINAC é dividido em dois trens de grupos com metade da taxa de repetição cada; um é direcionado para o antigo MIR-FEL e o outro para o novo FIR-FEL. Em cada FEL, a variação da intensidade do campo magnético do ondulador permite o ajuste contínuo do comprimento de onda em até um fator de quatro.
Por cerca de uma década, o FHI-FEL permitiu que grupos de pesquisa do FHI conduzissem experimentos que vão desde espectroscopia de aglomerados, nanopartículas e biomoléculas na fase gasosa até espectroscopia não linear de estado sólido e ciência de superfície, resultando em aproximadamente 100 testes revisados por pares. publicações até agora.
O novo modo de duas cores, não disponível em nenhuma outra instalação IR FEL em todo o mundo, permitirá novos experimentos, como experimentos com sonda de bomba MIR/MIR e MIR/FIR. Espera-se que isto abra novas oportunidades para estudos experimentais em diversos campos que vão desde a físico-química, ciência dos materiais, investigação em catálise até estudos biomoleculares, contribuindo assim para o desenvolvimento de novos materiais e medicamentos.
