FEL-лазеры

nanolazer.ru

Физики весьма заинтересованы в создании и изучении рентгеновских лазеров, т.е. таких лазерных приборов, основная энергия лазерного излучения которых находится в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Рентгеновские лазеры, которые используются в настоящее время, приводятся в действие разнообразными способами, среди которых синхротронное излучение пучка электронов при пролёте сквозь область переменного магнитного поля. FEL-лазеры могут генерировать очень мощное излучение в широком диапазоне длин волн, включая волны в сверхкоротком ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. В области физики многомиллионные суммы тратятся на несколько проектов, где создаются модели следующего поколения FEL-лазеров с излучением как раз в рентгеновском диапазоне длин волн.

FEL-лазер включает в себя два ключевых компонента: акселератора, где создаются и разгоняются пучки электронов с высокой энергией и так называемые «андуляторы», которые и задают электронам конкретную замкнутую пульсирующую траекторию через последовательность электромагнитов. При взаимодействии пульсирующих пучков электронов с электромагнитным полем и появляется направленное излучение.

Сейчас рентгеновским FEL-лазерам необходимы крупногабаритные ускорители электронов, в большинстве случаев длиной в несколько километров, что стоит весьма недешево. Требуется уменьшить эту длину для создания более дешевых рентгеновских лазеров. Группа исследователей из института RIKEN представила конструкцию FEL-лазера длиной всего 55 м, которые генерирует лазерный пучок высокого качества.

Заработал первый в мире жёсткий рентгеновский лазер

nanolazer.ruНа прошлой неделе установка начала свою работу. Несмотря на то что уже был поставлен первый рекорд, в формировании луча принимали участие всего лишь 12 из 33 имеющихся ондуляторов.

Самый яркий рентгеновский лазер успешно прошёл первые испытания в национальной лаборатории Стэнфорда. «Линейный источник когерентного света» — первый лазер, работающий с жёстким рентгеновским излучением. В скором времени он позволит исследовать структуру вещества, имея в своём распоряжении всего лишь одну молекулу.

Рентгеновские лучи лучше всего могут рассказать об атомарном строении материалов. Ранее для проведения подобных экспериментов использовались синхротроны. Но лазеры на свободных электронах работают по-другому и выполняют свою работу лучше . Кроме того, если источнику синхротронного излучения нужен почти идеальный кристалл с множеством «вмороженных» в него молекул , то новой установке будет достаточно всего одной молекулы.

На данный момент LCLS является источником самого коротковолнового импульса рентгеновского излучения: длина волны составила всего 0,15 нанометра. Чтобы добиться таких впечатляющих результатов, инженерам пришлось откалибровать установку таким образом, чтобы луч света не отклонялся более чем на пять микрометров на протяжении целых пяти метров!

«Это наиболее технически сложный источник света из тех, что когда-либо приходилось создавать человеку», — говорит в пресс-релизе SLAC руководитель проекта Джон Галайда. В каких областях науки найдёт применение громадина, строительство которой обошлось в $420 миллионов? Прежде всего это материаловедение, структурная биология и физика конденсированного состояния.

Впрочем, не все учёные уверены, что новая установка окупит затраченные на её создание деньги. «Пусть они сначала покажут, что их лазер работает так, как они описывают. А это произойдёт не на следующей неделе», — говорит Альфонсо Мондрагон, биолог из Северо-Западного университета.

Между тем учёные заявляют, что первые эксперименты планируется провести в сентябре нынешнего года. Строительство лазера началось в 2007 году.

Рентгеновский лазер

В этом научном проекте участвовали 12 стран, но одна из главных ролей досталась России. Что даст нашей стране крупнейший в мире лазер? И почему его называют рентгеновским?

В немецком городе Гамбург завершается строительство крупнейшего в мире лазера на свободных электронах. Реализация этого международного проекта стоимостью свыше миллиарда долларов стала возможной благодаря сложению усилий двенадцати стран-участниц. Но главные роли в проекте принадлежат Германии и России. Наша страна взяла на себя не только четверть всех финансовых затрат, но и предоставила уникальные технологии. Такой весомый вклад даёт право самого широкого участия в будущих экспериментах на рентгеновском лазере. Российским учёным откроются небывалые возможности в изучении структуры материалов и кинетики химических реакций.

Ведущий программы Михаил Ковальчук пригласил в студию гостей: заместителя директора по инновационному развитию НИЦ «Курчатовский институт» Михаила Викторовича Рычева и руководителя отдела Института проблем лазерных и информационных технологий РАН Александра Сергеевича Ахманова. Собеседники объяснят зрителям устройство и принцип действия рентгеновского лазера, напомнят историю появления лазеров и их внедрения в самых разных областях науки и техники.

Настольный рентгеновский лазер

Международный коллектив физиков разработал настольный рентгеновский лазер, который можно применять для биологических, физических и других научных исследований, говорится в статье, опубликованной в журнале Science. Считается, что широкое распространение рентгеновских лазеров в научных лабораториях повлечет за собой микро-революцию в физике и биологии. Рентгеновские лазеры позволяют получать изображения веществ с атомным разрешением и наблюдать за многими физическими процессами изнутри.

На сегодняшний день основными препятствиями для повсеместного применения данных излучателей выступают их цена и габариты - размеры типичной лазерной установки приближаются к площади небольшого футбольного поля. Группа физиков под руководством Тенио Попминтчева из университета штата Колорадо в городе Боулдер разработала компактный рентгеновский лазер, умещающийся на письменном столе, научившись преобразовывать инфракрасное излучение в рентгеновские лазерные импульсы. Попминтчев и его коллеги воспользовались тем, что атомы благородных газов - аргона и неона - можно накачать энергией таким образом, что через некоторое время они начнут синхронно излучать фотоны во всех диапазонах электромагнитного излучения.

Это излучение будет относительно неоднородным - в нем будут присутствовать множество пиков и провалов. Значительная часть таких пиков придется на ультрафиолетовую и рентгеновскую часть спектра, что позволяет использовать этот эффект для создания рентгеновского лазера. Однако для этого требуется специальный механизм накачки, позволяющий получить пики максимальной высоты и силы именно в рентгеновской области излучения. Физики решили эту задачу при помощи специального алгоритма, изменявшего длину волны этого лазера в процессе накачки. "Мы никогда бы не обнаружили этого, если бы мы не задумались о том, что же происходит при генерации высоких гармоник, когда мы меняем длину волны лазера, накачивающего генератор. Благодаря этому мы смогли перейти от инфракрасного к рентгеновскому излучению, получив лазерные импульсы с длиной волны в 0,775 нанометров ", - пояснил другой участник группы Маргарет Мурнейн из университета штата Колорадо в городе Боулдер .

Ученые проверили свою методику - они собрали экспериментальный прототип рентгеновского лазера и проверили его в деле. Эксперимент завершился удачно - на снимках физики увидели яркую лазерную точку. Как полагают физики, подобные лазеры можно использовать для медицинских и научных целей - изучения структуры молекул, наблюдения за клеточными процессами и другими тайнами микромира.

Первый атомный рентгеновский лазер

nanolazer.ruИсследователи из Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского центра линейного ускорителя получили самые короткие импульсы рентгеновского лазера, подтвердив теоретические прогнозы, впервые сформулированные еще 45 лет назад, открывая перспективы для новых открытий.

Возглавлявшая исследование Нина Рорингер отмечает, что атомный рентгеновский лазер позволит по-новому взглянуть на мир атомов и молекул. Она предполагает, что исследователи могут использовать новый лазер для изучения деталей химических реакций, а также для наблюдения за работой биологических молекул в режиме реального времени. Чем короче импульсы лазера, тем быстрее можно отслеживать изменения, а чем выше степень монохроматичности излучения, тем больше деталей процесса можно наблюдать с помощью нового метода.

Новый атомный рентгеновский лазер подтверждает предсказание 1967 года о том, что рентгеновские лазеры могут быть получены по такому же принципу, что и лазеры, работающие в видимой области спектра – за счет индуцирования перехода электронов с высоких на низкие энергетические уровни. Такой переход способствует испусканию монохроматрического электромагнитного излучения. Однако до запуска лазерной установки LCLS в 2009 году в мире не было источника рентгеновского излучения, достаточно мощного, чтобы создать такой тип лазера.

Для получения атомного лазера мощные импульсы, испускаемые LCLS, выбивали электроны из внутренних электронных оболочек атомов неона. Переход электронов на располагающиеся ниже по энергии вакантные места приводил к тому, что примерно 1 из 50 атомов испускал коротковолновый фотон с энергией, соответствующий энергии рентгеновского излучения. Это рентгеновское излучение, в свою очередь, возбуждало соседние атомы неона, которые также испускали рентгеновское излучение. Такой «эффект домино» усиливал интенсивность первичного излучения в 200 миллионов раз.

Несмотря на то, что и установка LCLS, и капсула с неоном представляют собой лазеры, излучение в них создается различным способом, а также они излучают свет с различными характеристиками. В установке LCLS рентгеновское излучение создается за счет электронов с высокой энергией, проходящих через переменное магнитное поле, импульсы этого рентгеновского излучения отличаются высокой энергией, но, при этом, это излучение состоит из близких по энергии электромагнитных волн. Импульсы атомного рентгеновского лазера практически монохроматичны, их продолжительность в восемь раз короче, чем продолжительность импульсов установки LCLS, что может оказаться полезным для изучения деталей химических процессов, протекающих с ультравысокими скоростями.

Исследователи предпoлагают, что можно синхронизировать импульсы лазера LCLS и атомного лазера – такая синхронизация позволит изучать процессы, для протекания которых требуется время 10 –12 секунды. Рорингер заявляет, что в будущих экспериментах ее команда попробует создать рентгеновские атомные лазеры с еще более короткими рабочими импульсами – рабочим телом в таких лазерах могут быть кислород, азот и газообразная сера.

Мощнейший в мире рентгеновский лазер XFEL

"Первый европейский рентгеновский лазер наконец-то ожил! Первые пучки рентгеновских волн, созданные сегодня при помощи самого продвинутого и мощного линейного ускорителя частиц в мире, открыли новую страницу в истории науки Европы. XFEL даст возможность заглянуть вглубь новых материалов, лекарств и поможет нам раскрыть тайны биохимических реакций", — заявил Гельмут Дош, председатель правления DESY.

В 2007 году Германия и ряд европейских стран приняли решение о постройке мощнейшего рентгеновского лазера на свободных электронах, который позволит ученым наблюдать за движением молекул в режиме реального времени, получать высококачественные фотографии живых клеток и прикоснуться к самым малым тайнам природы.

Стэнфордский центр линейного ускорителя с 2009 года является домом самого яркого в мире рентгеновского лазера Linac Coherent Light Source. Этот лазер используется в процессе рентгеновской микроскопии для получения изображения больших молекул с атомарным разрешением. С помощью этого лазера учёные смогли увидеть, как происходят химические реакции, как перемещаются электроны внутри различных материалов, пересмотрели свои взгляды на фотосинтез, а также многое, многое другое. А теперь этот лазер станет в 10 000 раз ярче, что откроет научному миру ещё более сокровенные тайны мироздания.

Приблизительно 1 миллиард долларов понадобилось вложить в проект, чтобы сделать лазер LCLS-II ярче в 10 000 раз и быстрее в 8 000 раз. Лазер будет испускать до 1 миллиона импульсов в секунду, что позволит учёным увидеть атомный мир с беспрецедентной детализацией. Чтобы достичь этой частоты, электроны будут разгоняться не внутри медной трубы, как раньше, а внутри металлических полостей из ниобия, охлаждённых до температуры –271 градуса Цельсия.

При помощи подобной технологии стало возможно создание практически непрерывного лазерного луча невероятной яркости. Всё это выведет рентгеновскую микроскопию на принципиально новый качественный уровень и откроет учёным дверь в совершенно новые миры, которые до этого момента были им недоступны. Потенциально изучение окружающего мира с помощью настолько мощного микроскопа может помочь при создании новых лекарственных препаратов, инновационной электроники, а также привести к появлению новых источников энергии.

Источники: nanolazer.ru, www.membrana.ru, www.5-tv.ru, texnomaniya.ru, chemport.ru, ria.ru, hi-news.ru

Психометрия и интуиты

Время полета на Марс

Большой Сфинкс. Тайна тоннелей

Баальбек

Перспективные аккумуляторы для электромобилей

Настоящий ученый должен быть сумасшедшим - только так можно сделать череду открытий, способных вызвать революцию в производстве электромобилей! Судите ...


Ку-клукс клан - прошлое и настоящее

Первая организация куклуксклановцев закончила свое существование в начале 1870-х гг. когда президент Улисс С. Грант запретил подобные движения, издав закон О ...


Бомбардировщик-ракетоносец Ту-160

Советник первого заместителя гендиректора радиоэлектронного холдинга «Концерна Радиоэлектронные технологии» Владимир Михеев сообщил, что новая модификация стратегического бомбардировщика-ракетоносца Ту-160 может быть оснащена ...


Древний город Судак

Одним из наиболее живописных мест Крыма является город Судак. Огражденный с севера горами, покрытыми лесной растительностью, он имеет мягкий сухой климат. Этот город ...


Герберт Уэлс – предсказание фантаста

Герберт Уэлс является одним из самых удивительных писателей-фантастов. Идеи, высказанные автором в своих романах, настолько опередили время, что о них ...


Отпуск в Китае

Удивительно, как быстро сегодня развивается Китай. Кажется, совсем недавно это была просто второсортная страна. Сегодня же это и экономически развитая держава, ...


Девять солнц: Сивилла о пришествии Мессии

Одним из наиболее удивительных пророчеств о Христе являются дохристианские источники языческого происхождения. Таковым, в частности, является предвидение пришествия Мессии, Сивиллой Кумской, ...