يعمل ليزر الإلكترون الحر بالأشعة تحت الحمراء في وضع اللونين لأول مرة

في الآونة الأخيرة، حقق معهد فريتز هابر (FHI) التابع لجمعية ماكس بلانك في برلين، ألمانيا، إنجازًا تكنولوجيًا - وهي المرة الأولى التي يعمل فيها ليزر الإلكترون الحر بالأشعة تحت الحمراء في وضع ثنائي اللون.
هذا الابتكار التكنولوجي الرائد عالميًا يجعل تجارب نبض الليزر ذات اللونين المتزامنة ممكنة ويفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات مثل دراسة العمليات الزمنية في المواد الصلبة والجزيئات.
حاليًا، هناك حوالي اثني عشر ليزرًا حر الإلكترون متاحًا في جميع أنحاء العالم، والتي تختلف بشكل كبير في الحجم (من بضعة أمتار إلى بضعة كيلومترات)، ومدى الطول الموجي (من الموجات الدقيقة إلى الأشعة السينية الصلبة)، والتكلفة (من الملايين إلى أكثر من مليار). ومع ذلك، فإنها تشترك في سمة مشتركة: فهي جميعها تنتج نبضات إشعاعية مكثفة وقصيرة.
في العقود الأخيرة، أصبح ليزر الإلكترون الحر مصدرًا مهمًا للإشعاع ويستخدم على نطاق واسع في الأبحاث الأساسية والعلوم التطبيقية.
ومن المعروف أن الباحثين في معهد فريتز هابر (FHI)، بالتعاون مع شركاء في الولايات المتحدة، قد طوروا طريقة جديدة قادرة على توليد نبضات الأشعة تحت الحمراء بلونين مختلفين في وقت واحد.
إن تحقيق هذه التقنية أمر عبقري: في تيار شعاع الإلكترون الحر، يتم تسريع حزم الإلكترون أولاً بواسطة دواسة غاز الإلكترون للوصول إلى طاقات حركية عالية للغاية قريبة من سرعة الضوء. بعد ذلك، تمر هذه الإلكترونات عالية السرعة عبر متذبذب وتُجبر على السير في مسار يشبه السيكلوترون بواسطة مجال مغناطيسي قوي مع تغيرات قطبية دورية.
يؤدي العمل المتذبذب للإلكترونات إلى انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي، الذي يمكن التحكم في طوله الموجي بدقة عن طريق ضبط طاقة الإلكترون أو قوة المجال المغناطيسي. ولهذا السبب، فإن ليزر الإلكترون الحر (FELs) قادر على توليد إشعاع يشبه الليزر في جميع أجزاء الطيف الكهرومغناطيسي تقريبًا، ويغطي نطاقًا واسعًا من أطوال موجات تيراهيرتز الطويلة إلى أطوال موجات الأشعة السينية القصيرة.
منذ عام 2012، تعمل FELs الخاصة بـ FHI بثبات، وتنتج إشعاعًا نابضًا مكثفًا بأطوال موجية يمكن ضبطها باستمرار في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR)، من 2.8 ميكرون إلى 50 ميكرون. في السنوات الأخيرة، عمل علماء ومهندسو FHI على امتداد ثنائي اللون، ونجحوا في تركيب فرع ثانٍ من FEL لإنتاج إشعاع الأشعة تحت الحمراء البعيدة (FIR) بأطوال موجية تتراوح بين 5 و170 ميكرون.
لا يؤدي هذا الابتكار إلى توسيع نطاق تطبيقات FELs فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتطويرها في مجال البحث العلمي.