La struttura europea del laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL), vicino ad Amburgo, Germania, è stato costruito con un obiettivo:fornire impulsi di luce sufficientemente brevi, abbastanza luminoso, e di lunghezza d'onda sufficientemente piccola per osservare processi che altrimenti sarebbero troppo veloci e/o troppo rari da misurare in tempo reale.
Senza tali impulsi ultracorti - e questo significa milionesimi di miliardesimi di secondo lunghi (femtosecondi) - le misurazioni sono limitate a uno sguardo prima e dopo alle interazioni molecolari. Sei diverse stazioni terminali saranno disponibili per gli scienziati di tutto il mondo per condurre esperimenti utilizzando il raggio XFEL una volta che sarà completamente funzionante nel 2017.
Per effettuare queste misurazioni, il gruppo di ricerca ha sviluppato un'alta potenza, pulsato, laser ottico sincronizzato con gli impulsi XFEL e sintonizzabile sia in lunghezza d'onda che in durata dell'impulso per soddisfare le esigenze di ciascuno dei sei diversi esperimenti condotti. Le caratteristiche di questo versatile sistema laser ottico saranno pubblicate in un articolo sulla rivista Ottica Express , dalla Società Ottica (OSA).
"La vera unicità del nostro laser risiede nel fatto che corrisponde al modello di emissione burst dell'XFEL europeo, " ha detto Max J. Lederer, scienziato capo, XFEL. "Permette quindi esperimenti alla massima frequenza di impulsi possibile dell'XFEL con parametri di impulso ottico (energia, durata dell'impulso) ottenibile solo a basse velocità di ripetizione dai sistemi Ti:Sapphire."
In questi giorni, trovare un laser ottico in grado di produrre impulsi ultracorti per la ricerca, come un laser al titanio-zaffiro (Ti:Sapph), non è difficile. Ma trovare un tale laser che possa corrispondere alle specifiche di potenza e temporizzazione dei sei esperimenti XFEL è difficile. "In altre parole, sono l'alto tasso di ripetizione e la potenza media durante le raffiche che fanno la differenza, " ha detto Lederer.
Ma perché una struttura costruita per ospitare uno dei laser più grandi e avanzati, serve un altro laser? Infatti, questo sistema laser aggiuntivo è parte integrante dell'esecuzione delle misurazioni proiettate su scala atomica. Gli impulsi laser ottici servono per preparare campioni, usando l'interazione con esso come primo passo, in un certo senso come controllo, prima di utilizzare l'impulso a raggi X per sondare e investigare le dinamiche sconosciute. È principalmente la parte "pompa" degli esperimenti pump-probe che il laser è progettato per eseguire.
"Il sistema laser è [costruito] per soddisfare la necessità di un laser sperimentale con sonda a pompa ottica, sincronizzato e adattato al modello di emissione dell'XFEL europeo. Il laser in genere attiverà campioni, seguito dal sondaggio con gli impulsi a raggi X, " ha detto Lederer.
La necessità di sintonizzabilità del laser a pompa deriva da ciascuna delle sei stazioni scientifiche che ospitano diversi esperimenti che indagano su vari tipi di campioni e fasi della materia. Il laser ottico fornisce questa configurabilità tramite una serie di tecniche ottiche che sfruttano le interazioni luce-materia per ottenere l'energia precisa e la tempistica degli impulsi necessari.
Un esempio di tale processo è chiamato conversione parametrica che si riferisce alla conversione di una particella di luce in due della metà dell'energia, o vice versa. "Per una maggiore flessibilità sperimentale, la gamma spettrale da UV a THz sarà resa disponibile attraverso schemi di conversione parametrica e generazione di THz, " ha detto Lederer.
L'installazione del primo laser è già iniziata e Lederer e il suo team guardano avanti alle entusiasmanti capacità della struttura. Lederer ha detto, "Naturalmente siamo ansiosi di rispettare la scadenza per consegnare il 'primo fotone' insieme all'XFEL. Personalmente, Non vedo l'ora di vedere il laser utilizzato in quante più scoperte scientifiche possibili in futuro".
