近日，位于德國柏林的馬克斯·普朗克學(xué)會弗里茨-哈伯研究所（FHI）實現(xiàn)了一項技術(shù)里程碑：紅外自由電子激光器（FEL）首次在雙色模式下運行工作。這項全球獨特的技術(shù)使同步雙色激光脈沖實驗成為可能，為研究開辟了新的可能性。

柏林FHI的雙色紅外FEL布局圖  來源：FHI

自由電子激光器在世界范圍內(nèi)有十幾個，在尺寸（從幾米到幾公里）、波長范圍（從微波到硬X射線）和成本（從數(shù)百萬到十幾億）方面都有很大差異。然而，它們卻能都產(chǎn)生強烈而短暫的輻射脈沖。在過去的幾十年間，自由電子激光器已經(jīng)成為重要的輻射源，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。

而FHI的研究人員現(xiàn)在與美國合作伙伴共同開發(fā)了一種方法，可以同時產(chǎn)生兩種不同顏色的紅外脈沖。這一創(chuàng)新對于研究固體和分子中的時間過程尤為重要。

在自由電子激光器中，電子束首先被電子加速器加速到極高的動能，幾乎達到光速。然后，快速電子通過一個波蕩器，在周期性變化極性的強磁場作用下，被迫走上一條曲折的路徑。

電子的振蕩導(dǎo)致電磁輻射，通過調(diào)節(jié)電子能量和/或磁場強度可以改變電磁輻射的波長。基于這個原因，F(xiàn)ELs可以用于在電磁波譜從長太赫茲到短X射線波長的幾乎所有產(chǎn)生類似范圍內(nèi)的激光輻射。

自2012年以來，F(xiàn)EL一直在FHI運行，可產(chǎn)生中紅外（MIR）范圍內(nèi)的強烈脈沖輻射，波長在2.8~50 μm之間連續(xù)可調(diào)。

近年來，F(xiàn)HI的科學(xué)家和工程師致力于雙色擴展，并開展第二個FEL分支，以產(chǎn)生波長在5~170 μm之間的遠紅外輻射。FIR-FEL分支包括一個新的混合磁體波蕩器，由FHI專門建造。此外，在線性加速器（LINAC）后面安裝了用于電子橫向偏轉(zhuǎn)的500 MHz沖擊腔。反沖腔可以以每秒10億次的速度改變高能電子束的方向。

2023年6月，F(xiàn)HI團隊首次展示了新型FIR-FEL的“激光發(fā)射”，將來自LINAC的所有電子束導(dǎo)向FIR-FEL。2023年12月，他們進行了首次演示雙色操作。在這種模式下，沖擊腔中形成的強振蕩電場使每隔一個電子束向左偏轉(zhuǎn)，每隔一個電子束向右偏轉(zhuǎn)。

于是，LINAC的高重復(fù)率（1 GHz）的電子束流被分成兩個束流，每個束流具有一半的重復(fù)率；一個轉(zhuǎn)向舊的MIR-FEL，另一個轉(zhuǎn)向新的FIR-FEL。在每個FEL中，通過改變波蕩器磁場強度，可以將波長連續(xù)調(diào)諧到原來的四倍。

十年來，F(xiàn)HI-FEL使FHI的研究小組能夠進行從氣相團簇、納米粒子和生物分子的光譜到非線性固態(tài)光譜和表面科學(xué)的各種實驗。目前已發(fā)表了大約100篇同行評審期刊。

這種新的雙色模式在世界上任何其他紅外自由電子激光器設(shè)施中都不存在，它將使新型實驗成為可能，如MIR/MIR和MIR/FIR泵浦探測實驗。這有望為從物理化學(xué)、材料科學(xué)、催化研究到生物分子研究等不同領(lǐng)域的實驗研究帶來新的機遇，從而有助于新材料和藥物的開發(fā)。

文章來源：光電匯OESHOW

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