激光技巧產(chǎn)生高能太赫茲脈沖

來自DESY和漢堡大學的科學家團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中心(CFEL)的Andreas Maier和FranzKärtner領導的團隊將在Nature Communications雜志上發(fā)表研究成果。CFEL由DESY，漢堡大學和馬克斯普朗克協(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的首席科學家凱特納說。“這意味著加速器的組件也可以構建為小一千倍。” 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：成像與光譜學前沿)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用。

然而，沿著可觀數(shù)量的粒子進行微調(diào)需要強大的太赫茲輻射脈沖，其具有明確限定的波長。這正是團隊現(xiàn)在設法創(chuàng)造的。“為了產(chǎn)生太赫茲脈沖，我們將兩個強大的激光脈沖發(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。“晶體將顏色差異轉換為太赫茲脈沖。”

該方法需要兩個激光脈沖精確同步?？茖W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鍵的想法：他建議兩個部分脈沖中只有一個的顏色輪廓應沿時間軸略微拉伸。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研究所專門為他們制造。

“通過結合這兩項措施，我們能夠產(chǎn)生能量為0.6毫焦耳的太赫茲脈沖，這是該技術的記錄，比之前由光學裝置產(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大的太赫茲脈沖，以便操作緊湊的粒子加速器。”