物理科学

自由电子激光器:最大最亮的光源

创造出集中的、行为良好的电子束并非易事,但它可以
塞尔吉奥·卡尔巴乔博士和他在斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的团队是这方面的专家。他们正在开发新技术来控制一些世界上最大、最亮的激光器的电子产生,使其有可能准确地拍摄化学反应的一瞬间所发生的事情。

如果我们看到某件事在100毫秒(十分之一秒)内发生,我们通常会认为这件事是瞬间发生的。这意味着,当我们观看快节奏的动作时,比如马的疾驰,我们不一定能分辨图像的细节,比如马蹄的位置。

马是否能瞬间腾空,同时所有的蹄子都离开地面,这一直是一个困扰着古怪摄影师埃德沃德·迈布里奇的问题。1872年,当时的加州州长利兰·斯坦福邀请他接受挑战,拍摄他的马奔跑时的照片,看看艺术家们对飞马的描绘是否正确。

这对当时的摄影来说是一项具有挑战性的任务,但迈布里奇成功地设置了一系列的触发线,当马跑过时触发12个不同的相机,创造出一系列连续的运动照片。这是一个巨大的成功,表明马确实能在瞬间将所有的蹄子从地上抬起,但更重要的是,这是时间分辨成像的诞生。

图片来源:格雷格·斯图尔特,SLAC国家加速器实验室,www.flickr.com

一毫秒对我们来说可能是短暂的,但对分子来说,这可能比它们的整个生命周期还要长。分子发生的许多变化都发生在飞秒的时间尺度上,也就是千万亿分之一秒。这是一个非常短的时间尺度,一飞秒是一秒,一秒是大约3200万年。

在这样的时间尺度上捕捉变化对于一个标准的相机来说太快了,但是SLAC国家加速器实验室的Sergio Carbajo博士和他的团队经常使用一种长达数公里的激光——自由电子激光(FEL)——来捕捉变化。通过利用FEL产生的超短且非常明亮的光脉冲,Carbajo博士能够准确地观察分子与光相互作用或发生其他变化时的反应,包括光合作用的过程。

让电子加速并控制它们在波动器中的行为并非易事。

自由电子激光
自从能够产生飞秒量级脉冲的激光被首次开发出来后,它们最终被广泛应用于一个令人惊讶的地方:激光眼科手术。由于脉冲的时间很短,这意味着它们有很高的峰值强度,使它们在切割组织和材料方面都很出色。它们在研究化学反应方面的重要性得到了1999年诺贝尔奖的认可,该奖项授予了Ahmed Zewail教授,以表彰他在飞硫化学领域的贡献。

有了SLAC用于超快电子衍射的新设备,研究人员可以研究材料中发生在不到100千万亿分之一秒内的运动。

Carbajo博士继续在这条路上走下去,但不仅仅是在光学领域发射相对较小的实验室激光器;相反,他正在使用x射线自由电子激光器。x射线自由电子激光器的工作原理与其他类型的激光器相当不同,但可以实现世界上一些最亮的脉冲,通常具有精心控制的特性。

为了产生明亮的光脉冲,自由电子激光从一束电子开始,并将它们加速到接近光速。然后,电子被送入一个波动器或摇摆器,这是一系列的磁铁,使电子偏转,使它们辐射能量。然后产生的辐射再次与电子束相互作用,导致所有电子的相干发射和辐射强度的放大。

然而,让电子加速并控制它们在波动器中的行为并非易事。欧洲XFEL,欧洲将建造的最新硬x射线FEL,有令人印象深刻的3.4公里长,其中仅加速器就有2.1公里长。目前,在加州SLAC,世界上第一个硬x射线自由电子激光器——直线加速器相干光源(LCLS)的所在地,LCLS正在进行重大升级,安装了一种大约1公里长的新型加速器。

来自XFEL的飞秒脉冲与含有光系统II晶体的液滴相交,该蛋白质从蓝藻细菌中提取并结晶。图片来源:SLAC国家加速器实验室,www.flickr.com

Carbajo博士一直在研究改进自由电子激光技术的方法,通过开发光子源来操纵电子(或正电子——它们的正电荷等效)束,这种电子束不仅用于x射线自由电子激光实验,还用于另一种类型的实验,即超快电子衍射(UED)。UED不是用x射线照射一个分子来记录它的运动,而是使用电子。通过检测电子的路径如何因与分子的相互作用而改变,就可以构建出分子在某一特定时刻的图像。

Carbajo博士最近的成功之一是使用一种特殊形状的激光束来帮助塑造自由电子激光器中使用的电子束,从而实现迄今为止任何自由电子激光器中最亮的x射线发射。他也一直致力于开发一种新的理论,用于在自由电子加速器中产生电子,这种理论有可能克服目前产生明亮电子的许多问题,然后将这些电子送入加速器。

获得对光与物质相互作用的基本理解,对于知道如何利用它开发新的和更有效的技术至关重要。

看清楚
除了使FELs更好,Carbajo博士也一直在研究使其更小的方法。加速器的长度是必要的,以提供足够强的场梯度,以加速电子的速度,理想的有序方式。然而,Carbajo博士已经证明,激光驱动的加速器可以提供一个更紧凑的替代传统的射频技术设计。激光脉冲产生的强磁场梯度使其有可能在厘米而不是千米的范围内实现可比加速度。

为了使电子加速,Carbajo博士开发了比传统设计更紧凑的激光驱动加速器。图片来源:格雷格·斯图尔特

加速并不是唯一的问题。电子束有些难以控制,因为它们中的所有电子都带负电荷,这意味着它们会相互排斥,并开始在更大的区域内扩散。电子越多,问题就越严重,但要产生足够的x射线,仍然需要相对大量的电子。然而,通过仔细选择输入激光参数,Carbajo博士已经证明,电子不仅可以在更短的距离内加速,而且可以有序地产生,持续时间甚至比飞秒还短。他正在利用光调制技术寻找新的方案来塑造光以获得最佳FEL输出。

更明亮、更好的FELs将使追踪更多的飞化学甚至是原子化学——比飞化学快1000倍——成为可能。到目前为止,有无数的新发现是通过自由电子发光技术实现的,比如跟踪和识别参与水氧化的中间化学结构,这是光合作用的重要组成部分,并以无与伦比的细节水平看到蛋白质的结构和形状。随着技术的发展,研究只能产生微弱信号或非常稀释的更具挑战性的化学系统也将成为可能。

更高的峰值亮度也开启了探索物理学新领域的可能性,如非线性过程和奇异的强场效应。能够在这些极端条件下探索用结构光进行实验的可能性,对于发展我们对光与物质相互作用的理解至关重要。由于强烈的兴趣在我们生活的许多领域,使用光与光动力治疗从癌症治疗,与太阳能技术作为可再生能源的来源,获得这个件轻松事交互的基本理解是至关重要的知道如何利用它发展的新的和更有效的技术。

图片来源:SLAC国家加速器实验室,www.flickr.com

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下一代加速器和FELs将通过一系列交叉的技术改进,使解决物理学基本问题的途径更加大众化。其中之一将发生在先进的激光-电子相互作用的交叉点,以减少尺寸或增加FELs的操作能力,例如锁模x射线自由电子激光器的发明,以创造阿秒电子化学反应、量子计算、或在应用医学中开发紧凑的成本效益高的加速器和FELs。人工智能和自动化控制将带来另一项重大发展,以实现大规模和紧凑资源的交钥匙操作,从而使最终用户能够主要专注于科学和技术应用。

本文是在研究团队的批准下创建的。这是一个合作制作,由那些特色的支持,免费援助,全球分发。

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