От километров к сантиметрам. Физики научились упаковывать огромные лазеры в обычные лаборатории

Гигантские лазерные установки, которые помогают ученым следить за движением атомов, разбирать химические реакции почти в реальном времени и изучать материалы на предельно малых масштабах, могут стать заметно компактнее. Исследователи впервые показали, что уменьшенная система способна непрерывно поддерживать работу лазера на свободных электронах больше восьми часов, а такой результат долго оставался одной из главных проблем для всей области.

Лазеры на свободных электронах считаются одними из самых мощных инструментов современной науки, но есть старая и очень дорогая проблема: подобные установки обычно растягиваются на километры. Из-за размеров и стоимости такие комплексы остаются редкостью. Новая работа показывает, что часть задач можно решить на куда более компактной базе.

Авторы исследования сообщили о заметном росте стабильности лазерной системы класса 100 тераватт, что позволило надежно поддерживать работу лазера на свободных электронах на основе лазерно-плазменного ускорителя. Если подход удастся развить дальше, мощные источники света смогут выйти за пределы огромных национальных центров и появиться в более доступных лабораториях. Такой сдвиг важен для физики, химии, медицины и промышленности.

Принцип работы у таких установок сложный, но общая схема довольно понятна. В основе лежит пучок электронов высокой энергии, который проходит через устройство с чередующимися магнитными полями. Магниты заставляют электроны колебаться, а те в ответ излучают свет, который затем усиливается до мощного когерентного лазерного пучка. Часто речь идет об ультрафиолетовом или рентгеновском диапазоне. Именно для разгона электронов до нужных энергий обычно и требуются длинные линейные ускорители, из-за чего вся система получается такой огромной.

Одной из главных надежд в последние годы стал лазерно-плазменный ускоритель. Вместо километров такой подход использует мощные лазерные импульсы, которые направляют в плазму, то есть в среду из заряженных частиц. Внутри возникают сильные электрические поля, способные разгонять электроны почти до скорости света всего за несколько сантиметров. Проблема заключалась в нестабильности. Даже небольшие колебания фокуса, энергии или длительности импульса приводили к тому, что электронный пучок менялся от выстрела к выстрелу. Для лазера на свободных электронах такая дрожь критична, потому что установка должна долго работать ровно и предсказуемо.

Команда из центра BELLA в Berkeley Lab попыталась решить задачу сразу с нескольких сторон. В установку добавили пять активных систем стабилизации, которые в реальном времени следили за ключевыми параметрами лазера и тут же их корректировали. Система контролировала точку фокусировки, энергию и длительность каждого импульса. Вдобавок исследователи ввели необычный элемент, который сами описывают как призрачный луч. По сути, это маломощная копия основного луча, работавшая как чувствительный зонд для поиска микроскопических колебаний, которые основной тракт не всегда мог заметить.

За счет такой схемы установка научилась быстро замечать малейшие отклонения и тут же вносить поправки. В результате система выдавала стабильный поток электронных сгустков с энергией 100 МэВ. Полученный лазер на свободных электронах проработал больше восьми часов подряд и генерировал свет с длиной волны 420 нанометров, то есть в видимом диапазоне.

Авторы отдельно подчеркивают еще один важный результат: источник на базе лазерно-плазменного ускорителя выдавал электронные пучки 100 МэВ с высокой стабильностью более 10 часов, а сама установка работала свыше восьми часов без вмешательства оператора. Для подобных систем такая автономность и устойчивость особенно важны, потому что именно они долго мешали перейти от эффектных демонстраций к практическому использованию.

Пока речь не идет о полном перевороте в области. Нынешняя система работает на сравнительно умеренных энергиях и выдает видимый свет, а не полноценное рентгеновское излучение, ради которого такие установки особенно ценят. Следующая цель команды - подняться до 500 МэВ. На таком уровне установка сможет генерировать свет с длиной волны от 20 до 30 нанометров, то есть вплотную подойти к границе между ультрафиолетом и рентгеновским диапазоном, где сосредоточено много самых важных научных применений.

Технических препятствий впереди еще хватает, прежде всего при попытке сохранить такую же стабильность на более высоких энергиях. Но главный вывод у новой работы уже есть: базовую задачу, то есть долгую и устойчивую работу электронного пучка, похоже, все-таки можно решить. Если следующий этап пройдет удачно, лазеры на свободных электронах перестанут быть привилегией гигантских научных комплексов и со временем доберутся до гораздо большего числа лабораторий.