Una nueva forma de producir luz coherente en la región espectral ultravioleta, que señala el camino hacia el desarrollo de brillantes fuentes de rayos X de sobremesa, se ha producido en una investigación dirigida por la Universidad de Strathclyde.

Los científicos han desarrollado un tipo de fuente de luz coherente de longitud de onda ultra corta que no requiere la acción del láser para producir coherencia. Fuentes de luz comunes basadas en haces de electrones, conocidas como fuentes de luz de cuarta generación, se basan en el láser de electrones libres (FEL), que utiliza un ondulador para convertir la energía del haz de electrones en rayos X.

Las fuentes de luz coherentes son herramientas poderosas que permiten la investigación en muchas áreas de la medicina, biología, ciencias de los materiales, química y física.

Esta nueva forma de producir radiación coherente podría revolucionar las fuentes de luz, ya que los haría muy compactos, esencialmente tamaño de mesa, y capaz de producir pulsos de luz de duración ultracorta, mucho más corto de lo que se puede producir fácilmente por cualquier otro medio.

Hacer que las fuentes de luz coherentes de rayos X y ultravioleta estén más disponibles transformaría la forma en que se hace ciencia; una universidad podría tener uno de los dispositivos en una sola habitación, sobre una mesa, por un precio razonable.

El grupo ahora está planeando un experimento de prueba de principio en el rango espectral ultravioleta para demostrar esta nueva forma de producir luz coherente. Si tiene éxito, Debería acelerar drásticamente el desarrollo de fuentes coherentes de longitud de onda incluso más cortas basadas en el mismo principio. El grupo Strathclyde ha creado una instalación para investigar este tipo de fuentes:el Centro escocés para la aplicación de aceleradores basados ​​en plasma (SCAPA), que alberga uno de los láseres de mayor potencia en el Reino Unido.

La nueva investigación ha sido publicada en Informes científicos , uno de los Naturaleza familia de revistas.

Profesor Dino Jaroszynski, del Departamento de Física de Strathclyde, dirigió la investigación. Él dice que "este trabajo avanza significativamente el estado del arte de las fuentes de sincrotrón al proponer un nuevo método para producir radiación coherente de longitud de onda corta, utilizando un ondulador corto y grupos de electrones de duración de attosegundos ".

"Esto es más compacto y menos exigente en la calidad del haz de electrones que los láseres de electrones libres y podría proporcionar un cambio de paradigma en las fuentes de luz, lo que estimularía una nueva dirección de investigación. Propone utilizar compresión de manojo, como en los láseres de amplificación de pulso con chirrido, dentro del ondulador para mejorar significativamente el brillo de la radiación ".

"El nuevo método presentado sería de gran interés para una comunidad diversa que desarrolla y utiliza fuentes de luz".

En FEL, como en todos los láseres, la intensidad de la luz se amplifica mediante un mecanismo de retroalimentación que bloquea las fases de los radiadores individuales, que en este caso son electrones "libres". En el FEL, esto se logra pasando un haz de electrones de alta energía a través del ondulador, que es una matriz de imanes de polaridad alterna.

La luz emitida por los electrones cuando se mueven a través del ondulador crea una fuerza llamada fuerza ponderomotriz que agrupa los electrones; algunos se ralentizan, algunos se aceleran, que causa agrupamiento, similar al tráfico en una autopista que se ralentiza y acelera periódicamente.

Los electrones que pasan a través del ondulador irradian luz incoherente si están distribuidos uniformemente, por cada electrón que emite luz, hay otro electrón que anula parcialmente la luz porque irradian fuera de fase. Una analogía de esta cancelación parcial es la lluvia en el mar:produce muchas pequeñas ondas que se cancelan parcialmente entre sí, sofocando eficazmente las olas, reduciendo su amplitud. A diferencia de, El viento constante o pulsante hará que las olas se amplifiquen a través de la interacción mutua del viento con el mar.

En el FEL, El agrupamiento de electrones provoca la amplificación de la luz y el aumento de su coherencia. lo que suele llevar mucho tiempo, por lo que se requieren onduladores muy largos. En una radiografía FEL, los onduladores pueden tener más de cien metros de largo. Los aceleradores que impulsan estos FEL de rayos X tienen kilómetros de largo, lo que hace que estos dispositivos sean muy caros y algunos de los instrumentos más grandes del mundo.

Sin embargo, usar un láser de electrones libres para producir radiación coherente no es la única forma; También se puede utilizar un haz "pre-agrupado" o un grupo de electrones ultracorto para lograr exactamente la misma coherencia en un ondulador muy corto de menos de un metro de longitud. Siempre que el grupo de electrones sea más corto que la longitud de onda de la luz producida por el ondulador, producirá automáticamente una luz coherente:todas las ondas de luz se sumarán o interferirán de manera constructiva, lo que conduce a una luz muy brillante con exactamente las mismas propiedades de la luz de un láser.

Los investigadores han demostrado teóricamente que esto se puede lograr utilizando un acelerador de campo de wakefield láser-plasma, que produce racimos de electrones que pueden tener una longitud de unas pocas decenas de nanómetros. Muestran que si estos racimos ultracortos de electrones de alta energía pasan a través de un ondulador corto, pueden producir tantos fotones como puede producir un FEL muy caro. Es más, También han demostrado que al producir un grupo de electrones que tiene un "chirrido" de energía, pueden comprimir balísticamente el racimo a una duración muy corta dentro del ondulador, lo que proporciona una forma única de ir a grupos de electrones aún más cortos y, por lo tanto, producir luz de longitud de onda aún más corta.