과학자들은 주요 안정성 문제를 극복하고 소형, 저비용 자유 전자 레이저로 중요한 조치를 취했습니다.

요약:

독일 드레스덴의 Helmholtz Zentrum Rosendorf(HZDR) 연구팀과 프랑스 파리 근처의 SOLEIL 싱크로트론 방사선 센터의 연구팀은 최근 차세대 소형 자유 전자 레이저 개발에 중요한 돌파구를 마련했다고 발표했습니다. 연구진은 처음으로 고이득 작동 상태에서 레이저 플라즈마 자유 전자 레이저의 안정적이고 재현 가능한 작동을 달성하여 향후 더 작고 저렴한 자유 전자 레이저 장치를 구축할 수 있는 길을 열었습니다.

자유 전자 레이저는 현대 과학 연구에 중요한 도구입니다. 매우 짧고 높은 강도의 광 펄스를 생성할 수 있으며 원자, 분자 및 신물질을 연구하는 데 널리 사용됩니다. 그러나 현재 전 세계 대부분의 자유 전자 레이저 시설은 규모가 크고 비용이 많이 들기 때문에 연구자들의 실험 시간이 매우 제한되어 있으므로 연구자들은 오랫동안 보다 컴팩트하고 경제적인 대안을 개발하기를 희망해 왔습니다.

기존의 자유 전자 레이저는 전자를 빛의 속도에 가깝게 가속하기 위해 길이가 최대 2km에 달하는 대형 가속기를 사용해야 합니다. 그런 다음 전자빔은 자석으로 구성된 언듈레이터로 들어가고, 이는 지속적으로 진동하면서 강렬한 빛의 응집성이 높은 펄스를 방출합니다.

새로운 레이저 플라즈마 프리 전자 레이저는 완전히 다른 접근 방식을 취합니다. 연구자들은 레이저를 사용하여 플라즈마에 특별한 파동을 생성하여 전자가 서핑처럼 빠르게 플라즈마 파동을 "타게" 합니다. 이 메커니즘을 사용하면 원래 수백 미터 또는 수천 미터의 가속 거리가 필요했던 에너지 수준을 이제 단 몇 밀리미터로 달성할 수 있으며 전체 가속 거리는 약 1000배 단축됩니다.

이 기술은 상당한 장점에도 불구하고 오랫동안 안정성이 부족하다는 문제를 겪었습니다. 과학 실험의 경우 레이저 출력은 몇 시간 또는 며칠 동안 일관된 품질을 유지해야 하며, 이는 레이저 플라즈마 프리 전자 레이저가 과거에 충족하기 위해 애썼던 표준입니다.

이번 성과의 핵심은 연구팀이 레이저와 플라즈마 사이의 상호작용 과정을 정밀하게 제어하는 ​​데 성공했다는 점입니다. 과학자들은 HZDR의 고성능 DRACO 레이저 시스템을 사용하여 불과 몇 밀리미터 두께의 가스 흐름에 적외선 레이저 펄스를 방출하고 안정적인 플라즈마 환경을 생성하며 플라즈마 조건에 최적으로 일치하도록 레이저 매개변수를 정밀하게 조정합니다.

가속이 완료된 후 전자빔은 언듈레이터 시스템으로 전송됩니다. 연구진은 자유 전자 레이저 방사선의 강도를 높이고 더 높은 에너지 출력을 얻기 위해 레이저 펄스와 전자빔 사이의 상호 작용 메커니즘을 추가로 도입했습니다.

실험 결과, 연구팀은 파장 272나노미터의 고에너지 자외선 펄스를 성공적으로 생성한 것으로 나타났습니다. 더 중요한 것은 레이저 출력이 처음으로 고이득 상태의 고유한 기하급수적 성장 특성을 보여 시스템이 강력한 증폭 작동 모드에 진입했음을 입증했다는 것입니다. 이 상태는 자유 전자 레이저의 고성능 작동의 중요한 신호로 간주됩니다.

연구원들은 2023년에 팀이 발표한 결과와 비교하면 이 실험이 상당한 개선을 이루었다고 말했습니다. 과거에는 안정적이고 반복적인 작동을 보장하기 어려웠던 레이저 플라즈마 프리 전자 레이저가 이제는 고품질의 방사선을 지속적이고 안정적으로 생산할 수 있어 실용적인 과학 연구 응용 가능성을 창출하고 있습니다.

과학계는 일반적으로 이번 성과가 자유전자레이저 기술의 소형화와 대중화를 촉진할 것으로 기대하고 있다. 앞으로는 관련 장비를 더 이상 대규모 국립연구소에 구축할 필요가 없고, 대학이나 중규모 연구기관이 감당할 수 있는 범위로 축소해 보다 과학적인 연구팀에 첨단 광원을 제공할 수 있는 기회를 갖게 될 것이다.

연구원들은 현재 시스템은 여전히 ​​자외선 대역 광원을 생산하고 있지만 향후 추가 업그레이드와 최적화를 통해 파장을 100나노미터 미만으로 단축할 것으로 예상된다고 지적했다. 그때쯤이면 이러한 유형의 소형 자유 전자 레이저는 재료 과학, 화학 반응 관찰, 생물 의학 연구 및 나노 기술과 같은 분야에서 더 큰 응용 가치를 보여줄 것입니다.

이번 결과는 'Physical Review Letters' 저널에 게재됐으며, 자유전자레이저 소형화 개발에 중요한 이정표로 평가된다. 또한 향후 보다 경제적이고 배치가 용이한 첨단 광원 시설 구축을 위한 현실적인 기반을 제공합니다.