Физики чрезвычайно заинтересованы в разработках рентгеновских лазеров, т.е. таких лазерных устройств, основная энергия лазерного излучения которых генерируется в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Существующие рентгеновские лазеры приводятся в действие различными способами, среди которых синхротронное излучение пучка электронов при пролёте через область переменного магнитного поля (FEL-лазер). FEL-лазеры способны генерировать очень мощное излучение в широком диапазоне длин волн, в том числе в сверхкоротком ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. В мире физики расходуются многомиллионные суммы в нескольких проектах, где разрабатываются модели следующего поколения FEL-лазеров с излучением именно в рентгеновском диапазоне длин волн.

Как часть усилий физиков многих стран, японские исследователи из научно-исследовательского института RIKEN в сотрудничестве с Японским Научно-исследовательским институтом синхротронного излучения (Japan Synchrotron Radiation Research Institute – JASRI) создали компактную и эффективную конструкцию FEL-лазера. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics (Shintake, T., Tanaka, H., Hara, T., Tanaka, T., Togawa, K., Yabashi, M., Otake, Y., Asano, Y., Bizen, T., Fukui, T. et al. A compact free-electron laser for generating coherent radiation in the extreme ultraviolet region. Nature Photonics 2, 555–559 (2008).

FEL-лазер состоит из двух основных компонентов: акселератора, где продуцируются и разгоняются пучки электронов с высокой энергией и так называемые «андуляторы», которые задают электронам определенную замкнутую пульсирующую траекторию через последовательность электромагнитов. При взаимодействии пульсирующих (колеблющихся) пучков электронов с электромагнитным полем возникает направленное излучение.

В настоящее время рентгеновские FEL-лазеры требуют крупногабаритных ускорителей электронов, часто длиной в несколько километров, что невероятно дорого. Необходимо уменьшить эту длину для производства более дешевых рентгеновских лазеров. Группа разработчиков из исследователького института RIKEN создала конструкцию FEL-лазера длиной всего 55 м, которые генерирует лазерный пучок высокого качества.

Для столь существенного уменьшения длины акселератора группа использовала специальные андуляторы с более коротким периодом колебания электронов, которая дает возможность генерировать рентгеновский пучок с помощью электронов с меньшей энергией. Однако для того, чтобы такая схема работала эффективно, требуется стабильный пучок электронов высокого качества, в котором все электроны распространяются практически параллельно и с высокой плотностью. С целью получения параметров пучка высокого качества исследователи использовали электростатическую термионную электронную пушку с горячим катодом из монокристалла гексаборида церия (CeB6) по образу и подобию эмиттеров электронов, используемых в электронных микроскопах.

Вся система, собранная на территории JASRI достигает длины 700 м, что меньше чем третья части длины лазеров в конкурирующих проектах. Столь значительное сокращение длины лазера существенно уменьшает стоимость в несколько раз по сравнению с конкурентами.

Вид рентгеновского лазера в лаборатории тестирования. Электронная пушка находится в сером «ящике» в левом нижнем углу фотоснимка.

Следующая задача, стоящая перед исследователями- это реализация FEL-лазера с более короткой длиной волны – порядка 0,1 нм, что инициирует новые применения такой системы.

Евгений Биргер